CN112943191A - 一种钻孔内充填干冰增透驱替煤层瓦斯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钻孔内充填干冰增透驱替煤层瓦斯的方法，该方法包括：一、在井下煤层待抽采区域钻出抽采钻孔，接入耐压管道并进行封孔；二、采用低压注水对抽取钻孔中进行初始压裂；三、将细砂状干冰送入经初始压裂后的抽取钻孔中；四、向抽取钻孔中注入水后封闭孔；五、观察抽取钻孔中的压力变化，依次重复注水等操作，直至抽取钻孔中的干冰全部气化；六、将注水孔并联接入瓦斯抽采***进行煤层瓦斯抽采。本发明将低压注水初始压裂结合充填干冰与水进行多次压裂，扩大了压裂范围，提高了煤层的透气性，进而增加了气态CO2与煤层的接触面积，促进了气态CO2对煤层中吸附的瓦斯的驱替，提高了煤层瓦斯的抽采浓度和抽采效率。
Description
技术领域
本发明属于瓦斯开采技术领域，具体涉及一种钻孔内充填干冰增透驱替煤层瓦斯的方法。
背景技术
我国煤层瓦斯具有微孔隙、低渗透率、高吸附的特性，且80％以上的煤层是高瓦斯低透气性煤层。高瓦斯低透气性煤层的开采往往伴随着大量瓦斯涌出，特别是随着煤炭生产的高效集约化和开采深度的增加，瓦斯涌出量越来越大，瓦斯***和瓦斯突出危险的威胁越来越严重，而预先实施煤层瓦斯抽采是治理煤矿井下瓦斯的根本手段。
目前，常用的促进抽采煤层瓦斯的方法主要有水力压裂，深孔松动***，液态CO2促抽以及声波致裂。常规的井下水力压裂技术由于采用大流量高压注水，无法控制压裂方向难以形成区域性整体卸压增透；其次，裂隙随着水的排出而逐渐闭合后，增透效果逐渐减弱；另外，在大流量大范围的使用后，经水分浸泡后的煤层自燃危险性会提高，这与煤矿的防灭火工作有着不可避免的冲突。深孔松动***技术本身是物理致裂，具有一定的危险性，而且由于明火的存在易导致瓦斯***。而声波致裂依靠物理震动的方式进行致裂，施工工艺复杂、工作周期长。研究表明，煤层对于CO2的竞争吸附性大于CH4，因此采用CO2对煤层进行增透不仅可以提高煤层透气性，又能够促进瓦斯解吸，是一种极具利用前景的压裂材料。液态CO2相变增透促抽方法虽然能对吸附瓦斯进行驱替，抽采效率高，但该方法施工工艺复杂，对管路和设备要求性高；另外，该方法可控性较差，长时间使用容易导致工作面CO2浓度过高，存在一定的危险性，因此在利用CO2进行驱替促抽的工艺方法上还有待进一步提高。
上述通过提高煤层透气性来促进瓦斯抽采效果的方法对于高吸附，微孔隙煤层难以起到理想效果。特别是随着钻孔长度的增加，传统的单一促抽技术也面临着抽采效率低，影响半径小，可控性差的局限性。因此，如何加快吸附瓦斯向游离瓦斯转变成为制约瓦斯抽采的难题，寻找一种既能够提高煤层透气性及单一钻孔的影响半径，又能够促进瓦斯解吸的新方法，对于提高煤矿瓦斯抽采效率具有重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种一种钻孔内充填干冰增透驱替煤层瓦斯的方法。该方法在低压注水初始压裂的基础上，结合采用抽采钻孔中先充填干冰再间歇式注入水的方法进行多次压裂，扩大了压裂范围，提高了煤层的透气性，进而增加了气态CO2与煤层的接触面积，促进了气态CO2对煤层中吸附的瓦斯的驱替，提高了煤层瓦斯的抽采浓度和抽采效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种钻孔内充填干冰增透驱替煤层瓦斯的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、在井下煤层待抽采区域钻出抽采钻孔，然后将耐压管道接入抽采钻孔中并进行封孔处理，且耐压管道的一端伸出抽采钻孔；
步骤二、采用低压注水的方式通过步骤一中伸出抽采钻孔的耐压管道的端口向抽取钻孔中输送水进行初始压裂；
步骤三、将干冰破碎研磨成细砂状干冰，然后将细砂状干冰通过伸出抽采钻孔的耐压管道的端口逐步送入步骤二中经初始压裂后的抽取钻孔中，再退出耐压管道进行封孔处理，并在封孔处预留出注水孔；
步骤四、通过步骤三中预留的注水孔向抽取钻孔中注入水，然后在注水孔处设置压力监测装置并封闭注水孔；
步骤五、通过步骤四中设置的压力监测装置观察抽取钻孔中的压力变化，当压力数值下降至不再变化时打开注水孔，依次重复步骤四中的注水、封闭注水孔和步骤五中的观察压力变化操作，直至抽取钻孔中的干冰全部气化；
步骤六、拆卸注水孔处设置的压力监测装置，然后将注水孔并联接入瓦斯抽采***进行煤层瓦斯抽采。
由于CO2在三相点以下会形成干冰，相比于其它状态的CO2(液态CO2，超临界CO2)性质稳定，常温条件下仅会以较慢的速度升华，但干冰一旦与水完全接触便会加快热量交换，升华速度增加的同时，产生的气态CO2也会大幅增加。
本发明首先采用低压注水的方式通过抽采钻孔对煤层内部进行初始压裂，使得煤层产生破坏或松动，并在煤层中形成裂纹或微小缝隙，然后将细砂状干冰送入初始压裂后的煤层中并注入水，细砂状干冰的表面积较大，与水接触后迅速升华转化为气态CO2导致压力上升，在抽采钻孔的封闭空间内快速膨胀对煤层进行二次压裂，使得初始压裂在煤层中形成的裂纹或微小缝隙进一步增大，同时形成更多的煤层裂纹，而气态CO2与煤层接触并逐渐吸附于煤层，通过观察注水后抽采钻孔中的压力变化，判断水对干冰的作用终点，然后继续间歇性向抽采钻孔中注水，进而产生三次压裂……，直至干冰全部气化为高浓度的气态CO2，而煤层中的煤层裂纹或微小缝隙持续增加，进而实现煤层裂缝的扩展与贯通，由于煤层对于CO2的竞争吸附性大于CH4，高浓度的气态CO2将煤层中吸附的瓦斯驱替出来，实现了煤层瓦斯的抽采。
相较于传统煤层瓦斯抽采方法，本发明在低压注水使煤层初始压裂的基础上，采用在抽采钻孔中先充填干冰再间歇式注入水的方法，通过干冰与水的迅速升华形成气态CO2依次进行多次压裂，提高气态CO2浓度的同时，增加了煤层裂纹或微小缝隙，提高了煤层的透气性，进而增加了气态CO2与煤层的接触面积，促进了气态CO2对煤层中吸附的瓦斯的驱替，提高了煤层瓦斯的抽采浓度和抽采效率。
上述的一种钻孔内充填干冰增透驱替煤层瓦斯的方法，其特征在于，步骤一中按照线性阵列的规律在井下煤层待抽采区域钻出抽采钻孔。采用该规律钻孔，有利于根据本发明方法对单个抽采钻孔的影响半径合理统筹，以提高煤层瓦斯的抽采效率，降低抽采能耗。
上述的一种钻孔内充填干冰增透驱替煤层瓦斯的方法，其特征在于，步骤三中根据抽采钻孔的长度和孔径计算细砂状干冰的装填体积，然后采用柱塞管将细砂状干冰送入经初始压裂后的抽取钻孔中至填满。由于干冰再常温常压下会开始气化，在干冰破碎研磨成砂状干冰后将其放置于保温容器内储存，而预先计算细砂状干冰的装填体积，然后采用柱塞管将细砂状干冰送入抽取钻孔中，有利于控制干冰的预备量，减少保温储存成本；同时，优选将细砂状干冰填满抽取钻孔，有利于提高气态CO2浓度，增强多次CO2的压裂效果，提高了煤层的透气性，提高了煤层瓦斯的抽采浓度和抽采效率。
上述的一种钻孔内充填干冰增透驱替煤层瓦斯的方法，其特征在于，步骤四中在注水孔中装填压力表进行压力监测并同时实现封孔。直接在注水孔中装填压力表在实现压力监测的同时实现封孔，方便快捷，易于实现。
上述的一种钻孔内充填干冰增透驱替煤层瓦斯的方法，其特征在于，步骤六中拆卸注水孔处装填的压力表后，对注水孔进行吹扫。通过对注水孔进行吹扫清理干净钻孔碎屑，减少杂物对后续煤层瓦斯抽采的不良影响。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明在低压注水的基础上，结合采用抽采钻孔中先充填干冰再间歇式注入水的方法，形成气态CO2依次进行多次压裂，提高了煤层的透气性，进而增加了气态CO2与煤层的接触面积，促进了气态CO2对煤层中吸附的瓦斯的驱替，提高了煤层瓦斯的抽采浓度和抽采效率。
2、本发明通过气态CO2的多次压裂，扩大了压裂范围和单个抽采钻孔的影响半径，进一步促进了气态CO2对煤层中吸附的瓦斯的驱替，提高了煤层瓦斯的抽采效率。
3、本发明采用间歇式注入水的方式，提高了对干冰升华转化为气态CO2的可控性，避免连续注水使得气态CO2的生成速率过快、压力过大，导致CO2的突出产生窒息性危险，提高了生产安全性，且所需设备要求较低，成本低廉。
4、本发明在干冰全部升华作用后，将在各抽采钻孔的封孔处预留的注水孔并联接入瓦斯抽采***进行后续抽采，有利于提升煤层瓦斯抽采量，同时减少钻孔数量，降低工作量。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明步骤一～步骤五中钻孔内充填干冰增透的工艺示意图。
图2为本发明步骤六中进行煤层瓦斯抽采的工艺示意图。
图3为本发明实施例1中单个抽采钻孔中干冰气化过程的压力变化图。
附图标记说明:
1—工作面； 2—；抽放钻孔 3—耐压管道；
4—高压水泵； 5—高压软管； 6—水压力表；
7—保温容器； 8—柱塞管； 9—集水器；
10—注水孔； 11—CO2压力表； 12—瓦斯抽采管道；
13—瓦斯浓度监测仪。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示，本实施例包括以下步骤：
步骤一、按照线性阵列的规律在井下煤层的工作面1待抽采区域钻孔施工得到多个抽采钻孔2，优选抽采钻孔2的深度为50m～70m，孔直径为100mm，孔底间距为5m～8m，施工技术为现有常规技术，可根据实际需要选择螺旋钻杆、圆形钻杆、三角形钻杆，然后将耐压管道3送入抽采钻孔2中，且耐压管道的一端伸出抽采钻孔，优选耐压管道3的直径为50mm，长度为20m～30m，再采用水泥砂浆注入抽采钻孔2进行封孔处理，注浆段封孔长度为8m～10m，；
步骤二、采用低压注水的方式，通过高压水泵4上与步骤一中伸出抽采钻孔2的耐压管道3的端口连接的高压软管5向抽取钻孔2中注水进行初始压裂，同时高压软管5上设置的水压力表6对抽取钻孔2中的水压进行监测，当水压力表6的水压数值下降且相邻的抽取钻孔2中有水涌现象时，认为煤层中形成裂纹，关闭高压水泵4结束注水操作，依次对其他抽取钻孔2重复上述初始压裂工艺，通过在耐压管道3上接入的集水器9收集初始压裂后排出的水分；
步骤三、将提前运至井下的干冰进行破碎处理，破碎研磨成细砂状干冰储存于保温容器7内，根据抽取钻孔2的长度及直径，估算出单个抽取钻孔2所需干冰的体积为1.5m3～2.5m3，待抽采钻孔2中水分完全排出后，将细砂状干冰通过柱塞管8经由伸出抽采钻孔2的耐压管道3的端口逐步送入步骤二中经初始压裂后的抽取钻孔中，然后退出耐压管道进行封孔处理，并在封孔处预留出注水孔10，优选注水孔10的孔径为20；
步骤四、根据送入的干冰体积和煤层透气性，通过高压水泵4经由注水孔10向抽取钻孔2中注入水并封闭注水孔8，然后在注水孔10处安装CO2压力表11对抽取钻孔2中的CO2压力进行监测，抽采钻孔2中干冰与水进行升华作用；
步骤五、当CO2压力表11获取的压力数值下降至0时，打开注水孔10并卸下CO2压力表11，依次重复注水、封闭注水孔10和观察压力变化操作共计2次，直至抽取钻孔2中注水后的压力不再上升，则干冰全部气化，结束对该抽取钻孔2的注水操作，依次对其他抽取钻孔2重复上述注水、干冰气化工艺；
步骤六、拆卸注水孔10处设置的CO2压力表11，然后将注水孔10并联接入瓦斯抽采***的瓦斯抽采管道12进行煤层瓦斯抽采，通过设置在瓦斯抽采管道12上的瓦斯浓度监测仪13在线实时监测抽采的瓦斯浓度，控制抽采终点。
图3为本实施例中单个抽采钻孔中干冰气化过程的压力变化图，从图3可以看出，每次注水期间抽采钻孔2中的压力峰值逐渐下降，说明水与干冰作用发生气化作用，干冰不断消耗，气态二氧化碳不断增透煤层的同时，煤层中的裂缝不断增多，经历3次注水后，干冰已损耗殆尽，可结束注水操作。
经检测，本发明采用水力压裂和干冰压裂结合的方法，解决了水力压裂后煤层内残留水降低煤层透气性的缺陷，扩大了单一钻孔的透气性，本发明方法的单个抽采钻孔2的压裂影响半径可达10m～20m，单个抽采钻孔2的平均煤层瓦斯抽取量可达1m3；通过瓦斯浓度监测仪13发现抽取的瓦斯浓度达40％～70％，为单一水力压裂抽采浓度的2～3倍。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (5)
1.一种钻孔内充填干冰增透驱替煤层瓦斯的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、在井下煤层待抽采区域钻出抽采钻孔，然后将耐压管道接入抽采钻孔中并进行封孔处理，且耐压管道的一端伸出抽采钻孔；
步骤二、采用低压注水的方式通过步骤一中伸出抽采钻孔的耐压管道的端口向抽取钻孔中输送水进行初始压裂；
步骤三、将干冰破碎研磨成细砂状干冰，然后将细砂状干冰通过伸出抽采钻孔的耐压管道的端口逐步送入步骤二中经初始压裂后的抽取钻孔中，再退出耐压管道进行封孔处理，并在封孔处预留出注水孔；
步骤四、通过步骤三中预留的注水孔向抽取钻孔中注入水，然后在注水孔处设置压力监测装置并封闭注水孔；
步骤五、通过步骤四中设置的压力监测装置观察抽取钻孔中的压力变化，当压力数值下降至不再变化时打开注水孔，依次重复步骤四中的注水、封闭注水孔和步骤五中的观察压力变化操作，直至抽取钻孔中的干冰全部气化；
步骤六、拆卸注水孔处设置的压力监测装置，然后将注水孔并联接入瓦斯抽采***进行煤层瓦斯抽采。
2.根据权利要求1所述的一种钻孔内充填干冰增透驱替煤层瓦斯的方法，其特征在于，步骤一中按照线性阵列的规律在井下煤层待抽采区域钻出抽采钻孔。
3.根据权利要求1所述的一种钻孔内充填干冰增透驱替煤层瓦斯的方法，其特征在于，步骤三中根据抽采钻孔的长度和孔径计算细砂状干冰的装填体积，然后采用柱塞管将细砂状干冰送入经初始压裂后的抽取钻孔中至填满。
4.根据权利要求1所述的一种钻孔内充填干冰增透驱替煤层瓦斯的方法，其特征在于，步骤四中在注水孔中装填压力表进行压力监测并同时实现封孔。
5.根据权利要求4所述的一种钻孔内充填干冰增透驱替煤层瓦斯的方法，其特征在于，步骤六中拆卸注水孔处装填的压力表后，对注水孔进行吹扫。
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