一种提高地面钻井抽采老空区煤层气抽采量的系统及方法.pdf

本发明公开了一种提高地面钻井抽采老空区煤层气抽采量的系统及方法，属于煤层气抽采技术领域。该装置向相邻采空区空洞之间的煤柱施工抽采钻井，依次送入抽采管、注流管，设置密封段Ⅰ和Ⅱ；打开阀门Ⅰ、阀门Ⅲ，向注流管内注入30~60 MPa超临界CO2直至压力表示数骤降；打开阀门Ⅱ由地面抽采站对煤层气进行抽采，记录初始瓦斯流量，煤层气流量再次下降至初始瓦斯流量的30%时重复CO2驱替煤层气，直至煤层气流量最终下降至初始瓦斯流量的16%时，停止煤层气抽采。本发明有效提高了抽采的煤层气浓度，降低了分离提纯的成本；采用超临界CO2射流破碎煤柱门限压力低、破碎速度快，对煤层气储层无污染，能大幅提高破岩效率。

1.  一种提高地面钻井抽采老空区煤层气抽采量的系统，其特征在于：包括抽采钻井(1)、地面抽采站(11)、阀门Ⅱ(7)、抽采管(4)、注流管(5)、压力表(23)、阀门Ⅰ(8)、三通管Ⅰ(20)、加热装置(22)、液体增压泵(17)、液态CO₂储罐(16)、制冷装置(15)、阀门Ⅲ(14)、气体增压泵(9)、阀门Ⅳ(13)、三通管Ⅱ(21)、CO₂储气罐(10)、密封段Ⅰ(6)、密封段Ⅱ(19)，所述抽采钻井(1)通往煤柱(3)底部，抽采管(4)、注流管(5)通过抽采钻井(1)送至煤柱(3)底部；密封段Ⅰ(6)与地面平齐，密封段Ⅱ(19)位于煤柱上方0.5~2m；地面上方注流管(5)连接压力表(23)、阀门Ⅰ(8)、三通管Ⅰ(20)，三通管Ⅰ(20)另一端与并联管路连接，并联管路的一端依次设有加热装置(22)、液体增压泵(17)、液态CO₂储罐(16)、制冷装置(15)、阀门Ⅲ(14)，并联管路的另一端依次设有气体增压泵(9)、阀门Ⅳ(13)，之后两路汇集于三通管Ⅱ(21)，三通管Ⅱ(21)连接CO₂储气罐(10)。

2.  根据权利要求1所述的老空区抽采煤层气的系统，其特征在于：所述抽采管插入煤柱内的范围为筛管段，筛管段均匀设有孔，所述注流管插入煤柱内的范围为水平喷口段，注流管底端密封，水平喷口段垂直于注流管，水平喷口沿注流管轴线360度均匀分布。

3.  一种提高地面钻井抽采老空区煤层气抽采量的方法，采用权利要求1或2所述的老空区抽采煤层气的系统，其特征在于：包括以下步骤：
1）由地面向相邻采空区空洞(2)间的煤柱(3)处进行施工抽采钻井(1)，钻孔打至煤柱(3)底部，将蘸有聚氨酯的棉布分别捆绑抽采管(4)和注流管(5)井口端以及抽采管(4)、注流管(5)插入煤柱范围部分的上端，将抽采管(4)、注流管（5）均送至煤柱(3)底板，在抽采钻井（1）井口处和煤柱(3)上方0.5~2m处分别形成密封段Ⅰ(6)和密封段Ⅱ(19)；
2)打开阀门Ⅰ（8）、阀门Ⅲ（14），使制冷装置（15）、加热装置(22)、液体增压泵（17）工作，由地面CO₂储气罐（10）依次经过阀门Ⅲ（14）、制冷装置（15）、液态CO₂储罐（16）、液体增压泵（17）、加热装置(22)、阀门Ⅰ（8）、压力表(23)、向注流管（5）内持续注入30~60MPa超临界CO₂，待压力表(23)示数骤降时，关闭阀门Ⅰ(8）、阀门Ⅲ（14），停止射流压裂；
3)打开阀门Ⅱ（7）由地面抽采站（11）经抽采管（4）对煤层气进行抽采，记录初始瓦斯流量，记为A；
4）待煤层气流量下降至初始瓦斯流量A的30%时，关闭阀门Ⅱ（7），打开阀门Ⅰ（8）、阀门Ⅳ（13），由地面CO₂储气罐（10）依次经过阀门Ⅳ（13）、气体增压泵（9）、阀门Ⅰ（8）向注流管（5）注入0.5~2MPaCO₂气体12~24h，关闭阀门Ⅰ（8）、阀门Ⅳ（13），放置24~30h；
5)打开阀门Ⅱ（7），继续由地面抽采站（11）经抽采管（4）对煤层气进行抽采；
6）当煤层气流量再次下降至初始瓦斯流量A的30%时重复步骤4)、5)，直至煤层气流量最终下降至初始瓦斯流量A的16%时，关闭阀门Ⅱ（7）停止煤层气抽采。

4.  根据权利要求书3所述的老空区抽采煤层气的方法，其特征在于：所述步骤1）中钻孔打至煤柱底部距底板0.5~1m，密封段Ⅰ（6）和密封段Ⅱ(19)密封长度为3~5米。

5.  根据权利要求3所述的老空区抽采煤层气的方法，其特征在于：所述步骤1）中抽采钻井的直径为250～350mm，抽采管和注流管的直径为100～150mm，注流管最底端密封，水平喷口段的水平喷口直径为2~8mm。

一种提高地面钻井抽采老空区煤层气抽采量的系统及方法
技术领域
本发明涉及一种提高地面钻井抽采老空区煤层气抽采量的系统及方法，属于煤层气抽采技术领域。
背景技术
目前我国主要采用地面钻井对老空区内残留煤层气进行抽采，抽采效果并不理想，当煤层气产量下降后地面钻井往往直接被弃用，然而事实上此时弃用地面钻井并没有把地下大量的煤层气充分抽采利用，地下存在的大量未被采出的煤炭中仍吸附着大量可利用煤层气。这部分煤层气由吸附状态解吸转为游离状态需要一定时间，此时若弃用地面钻井则大量煤层气被弃采，此时若持续抽采则抽采上的瓦斯纯度不高，达到煤层气的利用仍需地面提纯，这无疑增加了成本。
据统计，长期大规模的煤炭开采给山西留下了为数众多的废弃矿井和面积巨大的老空区，截止2013年底，山西省共有4700余处废弃矿井，老空区面积已达5000平方公里，瓦斯储量约30亿立方米。瓦斯是一种清洁能源，对老空区残留煤层气的能源化利用，可有效缓解我国天然气供应不足的局面，并且具有良好的环境效益与经济效益。目前，老空区瓦斯主要由地面向采空区上部裂隙带内施工地面钻井以抽采老空区瓦斯，此种方法钻井施工过程中施工难度大、事故发生率高、成孔率低、产量小、成本大，而且仅仅可抽采单一老空区的瓦斯。亟需开发一种施工难度小、事故发生率低且产量大、成本小的老空区残留煤层气的抽采方法。
近年来，随着煤层开采技术的不断发展，煤炭开采后遗留下大量老空区，而这些老空区很多处于煤层气资源量丰富的煤田。由于历史原因使得我国存在很多由于小煤矿开采形成的采空区，这些矿区存在着煤炭回采率较低，老空区遗煤较多，残留煤体长期释放出数量可观的煤层气资源未被有效利用的问题，开采利用这一部分煤矿老空区内瓦斯意义重大。
发明内容
本发明旨在提供一种提高地面钻井抽采老空区煤层气抽采量的系统及方法，克服了传统地面钻井穿越采空区施工难度大、事故发生率高、成孔率低的难题，提高了煤层气抽采量、延长地面钻井单井有效服务年限。
本发明是采用以下技术方案实现的：
本发明提供了一种提高地面钻井抽采老空区煤层气抽采量的系统，包括抽采钻井、地面抽采站、阀门Ⅱ、抽采管、注流管、压力表、阀门Ⅰ、三通管Ⅰ、加热装置、液体增压泵、液态CO₂储罐、制冷装置、阀门Ⅲ、气体增压泵、阀门Ⅳ、三通管Ⅱ、CO₂储气罐，所述抽采钻井通往煤柱底部，抽采管、注流管通过抽采钻井送至煤柱底部；密封段Ⅰ(6)与地面平齐，密封段Ⅱ(19)位于煤柱上方0.5~2m；地面上方注流管连接压力表、阀门Ⅰ、三通管Ⅰ，三通管Ⅰ另一端与并联管路连接，并联管路的一端依次设有加热装置、液体增压泵、液态CO₂储罐、制冷装置、阀门Ⅲ，并联管路的另一端依次设有气体增压泵、阀门Ⅳ，之后两路汇集于三通管Ⅱ，三通管Ⅱ连接CO₂储气罐。
上述系统中所述制冷装置主要由进气口、储气腔、制冷片、隔温层、温度传感器、压力
传感器、泄压阀、出气口等部分组成；加热装置主要由进气口、储气腔、加热片、泄压阀、压力传感器、温度传感器、出气口等部分组成。
上述系统中，所述抽采管插入煤柱内的范围为筛管段，筛管段上均匀设有孔，所述注流管插入煤柱内的范围为水平喷口段，注流管底端密封，水平喷口段垂直于注流管，水平喷口沿注流管轴线360度均匀分布。
本发明提供了一种提高地面钻井抽采老空区煤层气抽采量的方法，采用上述装置，包括以下步骤：
1）由地面向相邻采空区空洞间的煤柱处进行施工抽采钻井，钻孔打至煤柱底部，分别采用蘸有聚氨酯的棉布捆绑抽采管和注流管井口端，以及抽采管、注流管插入煤柱范围部分的上端0.5~2m处，将抽采管、注流管均送至煤柱底板，在抽采钻井井口处和煤柱上方处分别形成密封段Ⅰ和密封段Ⅱ；
2)打开阀门Ⅰ、阀门Ⅲ，使制冷装置、加热装置、液体增压泵工作，由地面CO₂储气罐依次经过阀门Ⅲ、制冷装置、液态CO₂储罐、液体增压泵、加热装置、阀门Ⅰ、压力表、向注流管内持续注入30~60MPa超临界CO₂，待压力表示数骤降时，关闭阀门Ⅰ、阀门Ⅲ，停止射流压裂；
3)打开阀门Ⅱ由地面抽采站经抽采管对煤层气进行抽采，记录初始瓦斯流量，记为A；
4）待煤层气流量下降至初始瓦斯流量A的30%时，关闭阀门Ⅱ，打开阀门Ⅰ、阀门Ⅳ，由地面CO₂储气罐依次经过阀门Ⅳ、气体增压泵、阀门Ⅰ向注流管注入0.5~2MPaCO₂气体12~24h，关闭阀门Ⅰ、阀门Ⅳ，放置24~30h；
5)打开阀门Ⅱ，继续由地面抽采站经抽采管对煤层气进行抽采；
6）当煤层气流量再次下降至初始瓦斯流量A的30%时重复步骤4）、5），直至煤层气流量最终下降至初始瓦斯流量A的16%时，关闭阀门Ⅱ停止煤层气抽采。
上述方法中所述钻孔打至煤柱底部距底板0.5~1m，密封段Ⅰ和密封段Ⅱ的密封长度为3~5m。
上述方法中抽采钻井的直径为250～350mm，抽采管和注流管的直径为100～150mm,注流管最底端密封，水平喷口段的水平喷口直径为2~8mm。
本发明的有益效果：
（1）传统地面钻井由于穿透采空区，所以存在钻井施工过程中施工难度大、事故发生率高、成孔率低的难题；本发明向煤柱处打钻施工钻孔，避免了上述难题；
（2）传统地面钻井有效服务周期较短、煤层气抽采量低；本发明有效提高了老空区煤层气抽采量，并延长了地面钻井有效服务年限，节约了经济成本获得更大收益；
（3）有效提高了抽采上来的煤层气浓度，降低了煤层气工业化利用仍需分离提纯这部分的成本；
(4)采用超临界CO₂射流破碎煤柱门限压力低、破碎速度快，对煤层气储层无污染，能大幅提高破岩效率。
附图说明
图1为老空区抽采煤层气的系统示意图。
图中，1、抽采钻井，2、采空区空洞，3、煤柱，4、抽采管，5、注流管，6、密封段Ⅰ，7、阀门Ⅱ，8、阀门Ⅰ，9、气体增压泵，10、CO₂储气罐，11、地面抽采站，12、筛管段，13、阀门Ⅳ，14阀门Ⅲ，15、制冷装置，16、液态CO₂储罐，17、液体增压泵，18、射流管段，19、密封段Ⅱ，20、三通管Ⅰ，21、三通管Ⅱ，22、加热装置，23、压力表。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例：
如图1所示，本发明提供一种提高地面钻井抽采老空区煤层气抽采量的系统，包括抽采钻井1、地面抽采站11、阀门Ⅱ7、抽采管4、注流管5、压力表23、阀门Ⅰ8、三通管Ⅰ20、加热装置22、液体增压泵17、液态CO₂储罐16、制冷装置15、阀门Ⅲ14、气体增压泵9、阀门Ⅳ13、三通管Ⅱ21、CO₂储气罐10，所述抽采钻井1通往煤柱3底部，抽采管4、注流管5通过抽采钻井1送至煤柱3底部；密封段Ⅰ(6)与地面平齐，密封段Ⅱ(19)位于煤柱上方0.5~2m；地面上方注流管5连接压力表23、阀门Ⅰ8、三通管Ⅰ20，三通管Ⅰ20另一端与并联管路连接，并联管路的一端依次设有加热装置22、液体增压泵17、液态CO₂储罐16、制冷装置15、阀门Ⅲ14，并联管路的另一端依次设有气体增压泵9、阀门Ⅳ13，之后两路汇集于三通管Ⅱ21，三通管Ⅱ21连接CO₂储气罐10。
上述系统中所述制冷装置主要由进气口、储气腔、制冷片、隔温层、温度传感器、压力
传感器、泄压阀、出气口组成；加热装置主要由进气口、储气腔、加热片、泄压阀、压力传感器、温度传感器、出气口组成。
进一步地，所述抽采管4插入煤柱3内的范围为筛管段，筛管段均匀设有孔，所述注流管5插入煤柱3内的范围为水平喷口段，注流管5底端密封，水平喷口段垂直于注流管5，水平喷口沿注流管5轴线360度均匀分布。
下面具体说明提高地面钻井抽采老空区煤层气抽采量的方法，采用上述系统，以晋煤集团岳城煤矿为例，说明本发明。
确定老空区的概况：晋煤集团岳城矿是一个兼并多个小煤窑的整合矿，在其井田范围的南部及西部自开采以来形成大量的老空区，根据岳城矿采掘工程平面图上的坐标初步确定采空区空洞以及煤柱留设的大体位置，结合物理勘探手段，如瞬变电磁法或探地雷达，确定采空区空洞的位置以及煤柱留设情况。
包括以下步骤：
1）由地面向相邻采空区空洞间的煤柱处进行施工抽采钻井，钻孔打至煤柱底部，将蘸有聚氨酯的棉布分别捆绑抽采管(4)和注流管(5)井口端，在钻井井口处形成密封段Ⅰ，将蘸有聚氨酯的棉布分别捆绑抽采管(4)、注流管(5)插入煤柱上端1m处，在煤柱上方形成密封段Ⅱ，将抽采管、注流管均送至煤柱底板；
2)打开阀门Ⅰ、阀门Ⅲ，使制冷装置、加热装置、液体增压泵工作，由地面CO₂储气罐依次经过阀门Ⅲ、制冷装置、液态CO₂储罐、液体增压泵、加热装置、阀门Ⅰ、压力表、向注流管内持续注入40MPa超临界CO₂，待压力表示数骤降时，关闭阀门Ⅰ、阀门Ⅲ，停止射流压裂；
3)打开阀门Ⅱ由地面抽采站经抽采管对煤层气进行抽采，记录初始瓦斯流量，记为A；
4）待煤层气流量下降至初始瓦斯流量A的30%时，关闭阀门Ⅱ，打开阀门Ⅰ、阀门Ⅳ，由地面CO₂储气罐依次经过阀门Ⅳ、气体增压泵、阀门Ⅰ向注流管注入1.5MPaCO₂气体20h，关闭阀门Ⅰ、阀门Ⅳ，放置28h；
5)打开阀门Ⅱ，继续由地面抽采站经抽采管对煤层气进行抽采；
6）当煤层气流量再次下降至初始瓦斯流量A的30%时重复步骤4）、5），直至煤层气流量最终下降至初始瓦斯流量A的16%时，关闭阀门Ⅱ停止煤层气抽采。
本实施例中所述钻孔打至煤柱底部距底板0.8m，密封段Ⅰ的长度为3m，密封段Ⅱ的长度为4.5m。
本实施例中抽采钻井的直径为300mm，抽采管和注流管的直径为120mm，注流管最底端密封，水平喷口段的水平喷口直径6mm。