水力旋噴衝刷採煤採氣方法

2023-05-14 10:20:31 1

專利名稱：水力旋噴衝刷採煤採氣方法
技術領域：
本發明涉及一種水力旋噴衝刷採煤採氣方法，涉及一種適用於高瓦斯低透性煤儲層瓦斯突出和礦井火災等複合問題的防火防突防塵以及有效開採煤層氣的方法。
背景技術：
煤層氣是指賦存在煤層中以甲烷(CH4)為主要成分、以吸附在煤基質顆粒表面為主、部分游離於煤孔隙中或溶解於煤層中的烴類氣體，是煤的伴生礦產資源，是一種非常規天然氣，主要以吸附狀態的形式自儲在煤層中，包括基質表面的吸附氣、煤層裂縫與隔理中的游離氣、煤層水中的溶解氣和煤層間夾層的游離氣等四部分。這種氣體是造成煤礦瓦斯爆炸、煤巖體突出的災害性氣體和引起全球氣候變暖的強烈溫室性氣體，同時也是一種潔淨、優質能源和化工原料。
全球埋深淺於2000米的煤層氣資源約為240萬億立方米，是常規天然氣探明儲量的兩倍多，世界主要產煤國都十分重視開發煤層氣。中國埋深淺於2000米的煤層氣資源量為36. 81萬億立方米，位居世界第三位。並且我國也十分重視煤層氣開發。通過「十一五」 規劃，井下瓦斯抽採量、地面煤層氣產能增加較快，2009年我國煤層氣產量為71. 89億立方米，截止2010年底，全國累計完成煤層氣抽採量為88億立方米。並且在煤層氣「十二五」發展規劃中，預計到2015年我國天然氣消費將達到MOO億立方米，缺口為500億至600億立方米，而發展煤層氣將在很大程度上有利於彌補這一缺口。
我國煤層氣開發處於初期的小規模試驗階段，亟待形成一套行之有效的開發工程技術。每年礦井中抽放掉的煤層氣量約為10億立方米，不僅會對環境有一定影響，並且還會造成經濟損失，並且由於瓦斯的存在，每年都會發生多起井下事故，造成人員傷亡。因此， 將煤層氣「變廢為寶」成為煤炭開採中的另一個重大課題。並且，我國很大一部分礦井的開採深度大，瓦斯含量高，瓦斯壓力大，煤層透氣性低，危險性隨著開採深度的增加而增加。因此，需要採用深井煤層氣開採方法卸壓抽採瓦斯，不僅可以有效利用煤層氣資源，而且還可有效保障煤炭開採的安全性。發明內容
本發明的目的在於提出使用高壓射流水衝刷煤儲層形成洞穴，造成卸壓空間，使煤層氣分子由吸附態變為游離態，從而得到煤層氣的防突防塵方法，並且在高壓射流水中加入阻燃劑，防止煤體自燃。該方法使用簡單、卸壓範圍大，能夠有效開採煤層氣，同時也能夠有效消除高瓦斯、低透氣性煤層突出的危險性。
本發明的目的可通過下述技術措施(步驟)來實現
(1)採用大口徑鑽機，穿過目標煤層頂板進入煤層預訂深度，設置一個能注水、排水、出氣的煤層氣開採井；煤層頂板以上井段加裝套管固井；
(2)在煤層氣開採井完成後，使用現有機械掏穴工具按設計要求在採氣井底部對應煤層進行掏穴；
(3)在煤層氣開採井兩側分別安裝採氣裝置、煤水分離裝置和地面水泵。煤水分離裝置與地面水泵之間加裝阻燃劑補給裝置；
(4)在煤層氣開採井和煤層洞穴完成之後，將旋噴裝置下放至煤層洞穴中，通過水管與地面水泵相連通；
(5)在步驟2洞穴完成之後，在煤層氣開採井井底一側安裝排水裝置，排水裝置是可排煤水的深井泵或潛水泵等。排水裝置通過水管與煤水分離裝置連接；
(6)在煤層氣開採井的井口安裝封井裝置，確保能通過注水管、排水管、出氣管，保證旋噴裝置順利供水，排水裝置順利排水，煤層氣順利採出；
(7)地面水泵通過水管為旋噴裝置供水，地面水泵提供壓力，使水經過旋噴裝置上的小噴嘴產生高壓射流水，衝刷並切割煤儲層，形成洞穴。通過上下移動旋噴裝置，控制衝刷的煤層高度；通過地面水泵調節射流水壓力，調控水力旋噴範圍，控制煤層開採廣度，直到洞穴的寬度和深度達到設計要求；
(8)高壓射流水作用於煤層之後，產生的煤水混合物聚集於洞穴底部；
(9)煤水混合物經排水裝置排至地面，進入煤水分離裝置，分離出的水循環利用， 通過阻燃劑補給裝置，與阻燃劑混合後注入地面水泵；
(10)按照常規方法對卸壓後的煤層實施煤層氣抽放。
本發明的有益效果如下
本發明提供的水力旋噴採煤採氣方法，通過地面水泵給旋噴裝置提供高壓射流水衝刷煤層，調節旋噴裝置上下位置，控制煤層開採深度，調節射流液壓力大小，控制煤層開採廣度，從而人為控制煤層開採範圍。本方法簡單實用，掏穴無需專業機械擴孔設備，現有排水裝備和高壓射流水方法即可實現，並且施工方法，普通工人即可完成，節約成本；通過高壓水衝刷煤儲層，形成的卸壓空間，有利於煤層氣形態的改變，能夠有效開採煤層氣；高壓水的注入對煤層起到防塵作用，在回採過程中能有效抑制粉塵飛揚，改善井下作業環境； 在高壓水中添加阻燃劑，可有效降低礦井火災發生的概率；並且該方法克服了煤層鬆軟、低滲、高瓦斯等特性給常規煤層氣開採技術帶來的不利影響，為全國大規模商業化開採煤層氣提供技術支持。


圖1為本發明的技術示意圖
圖中標記為1 煤層氣開採井；2 套管；3 旋噴裝置；4 注水管；5 地面水泵；6 排水裝置；7 煤水分離裝置；8 採氣裝置；9 封井裝置；10 煤儲層；11 卸壓空間；12 阻燃劑補給裝置；13 煤層頂板。
圖中實線為水流方向，虛線為氣流方向。
具體實施方式
以下本發明將結合圖1作進一步描述
如果所示，本發明為水力旋噴採煤採氣方法，包括以下幾個步驟
(1)設置煤層氣開採井1。採用大口徑鑽機，開挖大口徑鑽井進入煤層10預定深度，設置一個能注水、排水、出氣的煤層氣開採井1，在開採井1四周加裝套管2至煤層頂板13，套管2與煤層10以上地質層採用公知方法固定連接。
(2)機械掏穴。在煤層氣開採井1完成後，利用現有機械掏穴工具在採氣井1底部對應煤層10進行掏穴作業，深度為預定深度，且能夠容納相應旋噴裝置3和排水裝置6。
(3)安裝煤水分離裝置7和採氣裝置8。在開採井1兩側安裝煤水分離裝置7和採氣裝置8。
(4)安裝旋噴裝置3和排水裝置6。當掏穴至預定深度與寬度之後，將旋噴裝置3 與排水裝置6下放至煤層10洞穴中，旋噴裝置3通過管道與地面水泵5相連通，排水裝置 6是可排煤水的深井泵或潛水泵等，與煤水分離裝置7連接，所述掏穴預定深度與寬度應略大於旋噴裝置3和排水裝置6的體積之和。
(5)安裝阻燃劑補給裝置12。在煤水分離裝置7與地面水泵5之間安裝阻燃劑補給裝置12，通過管道連接此三個裝置。
(6)安裝封井裝置9。在煤層氣開採井1的井口加裝可注水排水出氣的封井裝置 9，保證旋噴裝置3順利供水，排水裝置6順利排水，煤層氣順利採出。
(7)高壓射流。地面水泵5通過管道為旋噴裝置3供水，使高壓水經過旋噴裝置3 上的小噴嘴時產生高壓射流水，破壞煤儲層10，形成洞穴11。通過上下移動旋噴裝置3，控制煤層10開採的深度；通過地面水泵5調節射流水的壓力，控制煤層10開採的廣度。
(8)排煤水。高壓射流水經過旋噴裝置3作用於煤層10之後，產生的煤水混合物聚集於洞穴11底部，通過排水裝置6排至地面。
(9)煤水分離。煤水混合物經過排水裝置6排至地面，進入煤水分離裝置7，分離出的水通過阻燃劑補給裝置12，與阻燃劑混合後注入地面水泵5。
(10)採氣。所有水力旋噴衝刷煤層作業全部結束後，煤體在地壓和瓦斯壓力作用下實現整體均壓增透，按照常規方法對卸壓後的煤層10實施煤層氣抽放。
本發明利用高壓水泵，經旋噴裝置產生的高壓水作用於目標煤儲層，形成卸壓空間，不僅可以有效開採煤層氣，並且也可以有效降低煤和瓦斯突出的概率；在高壓水中注入阻燃劑，可有效降低礦井中火災發生的概率。
權利要求
1.水力旋噴衝刷採煤採氣方法，包括以下幾個步驟，其特徵在於步驟1，首先使用大口徑鑽機鑽設一個煤層氣開採井(1)，開採井(1)四周加裝套管(2) 至煤層頂板；步驟2，利用現有機械掏穴工具在開採井(1)底部對應煤層(10)按設計要求進行掏穴作業；步驟3，在地面分別安裝採氣裝置(8)、地面水泵(5)、阻燃劑補給裝置(1 和煤水分離裝置(7)，其中地面水泵(5)、阻燃劑補給裝置(1 和煤水分離裝置(7)通過管道相連通；步驟4，將旋噴裝置C3)和排水裝置(6)分別安裝至開採井(1)預定深度，旋噴裝置(3) 通過管道與地面水泵( 相連通，排水裝置(6)通過管道與煤水分離裝置(7)相連通；步驟5，在煤層氣開採井(1)井口安裝封井裝置(9)；步驟6，啟動地面水泵(5)，高壓射流水通過旋噴裝置C3)對煤層(10)進行旋轉切割， 形成卸壓空間(11)，並收集噴出水流帶出的煤屑(通過排水裝置)；根據掏穴作業進度， 調整旋噴裝置C3)上下位置和高壓射流水的壓力大小，直到掏穴的寬度與深度達到設計要求；步驟7，按照常規方法對煤層(10)實施煤層氣抽採作業，並通過管道排出至採氣裝置 (是煤層氣儲氣裝置吧？)(8)。
2.如權利要求1所述的水力旋噴衝刷採煤採氣方法，其特徵在於高壓射流水經旋噴裝置⑶作用於煤儲層(10)過程中，產生的煤水混合物，經排水裝置(6)進入煤水分離裝置(7)中，根據煤與水所受離心力的不同，實現煤與水的分離，水經過阻燃劑補給裝置(12) 與阻燃劑相混合後進入地面水泵( 繼續使用。
全文摘要
本發明公開的水力旋噴衝刷採煤採氣方法，使用大口徑鑽機鑽至儲煤層(10)，設置一個能注水、排水、出氣的煤層氣開採井(1)，使用套管(2)固定鑽井；加裝封井裝置(9)，安裝地面水泵(5)、煤水分離裝置(7)、採氣裝置(8)和阻燃劑補給裝置(12)；下放旋噴裝置(3)至目標儲煤層(10)處，地面水泵(5)提供的高壓射流水，經過旋噴裝置(3)作用於煤儲層(10)，形成卸壓空間(11)，調控旋噴裝置(3)上下位置和射流液壓力大小，控制煤層開採的範圍；煤水混合物通過排水裝置(6)到達煤水分離裝置(7)，分離出的水經過阻燃劑補給裝置(12)進入地面水泵(5)；衝刷煤層形成的卸壓空間(11)不斷產生煤層氣，輸送至採氣裝置(8)。
文檔編號E21F7/00GK102518412SQ20111045026
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月29日 優先權日2011年12月29日
發明者何傳星, 餘華傑, 馮奕程, 馮立傑, 李耀輝, 王金鳳, 盛旭陽, 翟雪琪, 鍾華珂, 馬鴻廉 申請人:鄭州大學