一种老空区抽采煤层气的系统及方法.pdf

本发明公开了一种老空区抽采煤层气的系统及方法，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、注浆管；打开阀门Ⅲ，注入水泥砂浆与煤柱形成一个密闭的空间，打开阀门Ⅰ由地面N2储气罐经过气体增压泵增压向注气管注入N2，压裂煤柱；打开阀门Ⅱ，由地面抽采站经抽采管对煤层气进行抽采，并记录初始瓦斯流量为A；当煤层气流量再次下降至初始瓦斯流量A的30%时重复N2驱替煤层气，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。该方法提高了煤层气抽采量、延长了地面钻井单井有效服务年限。

1.   一种老空区抽采煤层气的系统，其特征在于：包括抽采钻井(1)、抽采管(5)、注浆管(4)、阀门Ⅰ(8)、阀门Ⅱ(13)、阀门Ⅲ(7)、增压泵(11)、N₂储气罐(12)、集气罐(9)、压力表(10)、三通管(17)、注浆站(15)，所述抽采钻井(1)通往煤柱(3)底部，抽采管(5)通过抽采钻井(1)送至煤柱(3)底部；抽采钻井(1)接近地面处由聚氨酯板(6)密封，地面上方抽采管(5)连接三通管(17)，三通管(17)一端依次设有地面抽采站(14)、阀门Ⅱ(13)，另一端依次设有N₂储气罐(12)、增压泵(11)、集气罐(9)、压力表(10)、阀门Ⅰ(8)，抽采管(5)底端设有挡板(18)，注浆管上依次设有注浆站(15)、阀门Ⅲ(7)。

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。

3.  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：所述抽采管底部的挡板处于煤柱与岩石的交界处，所述注浆管距挡板的距离为5~10米。

4.  一种老空区抽采煤层气的方法，采用权利要求1~3任一项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，依次向抽采钻井(1)内送入注浆管(4)、抽采管(5)；
2）打开阀门Ⅲ(7)，开启注浆站(15)，直至水泥砂浆液面高于挡板(18)7~12米时，关闭阀门Ⅲ(7)；
3）待水泥砂浆充分凝固后，开启增压泵(11)，直至压力表(10)示数为50~60MPa时，打开阀门Ⅰ(8)；待压力表(10)示数骤降时，持续注气30~60min；
4）打开阀门Ⅱ(13)，由地面抽采站(14)经抽采管(5)对煤层气进行抽采，记录初始瓦斯流量，记为A；
5）待煤层气流量下降至初始瓦斯流量A的30%时，关闭阀门Ⅱ(13)，打开阀门Ⅰ(8)，由地面N₂储气罐(12)经过气体增压泵(11)向抽采管(5)注入N₂，持续3~5h，关闭阀门Ⅰ(8)，放置24~30h；
6）打开阀门Ⅱ(13)，继续由地面抽采站(14)经抽采管(5)对煤层气进行抽采；
7）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5)、6)，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(13)停止煤层气抽采。

5.  根据权利要求4所述的老空区抽采煤层气的方法，其特征在于：所述钻孔打至煤柱底部距底板0.5~1m。

6.    根据权利要求4所述的老空区抽采煤层气的方法，其特征在于：所述步骤3）中抽采钻井的直径为250～350mm，抽采管和注浆管的直径为100～150mm。

7.  根据权利要求4所述的老空区抽采煤层气的方法，其特征在于：所述步骤7）中注入的N₂的压强为0.5~2MPa，注入气体时间为12~24h。

一种老空区抽采煤层气的系统及方法
技术领域
本发明涉及一种老空区抽采煤层气的系统及方法，属于抽采煤层气技术领域。
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老空区抽采煤层气的系统及方法，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：
    本发明提供了一种老空区抽采煤层气的系统，包括抽采钻井、抽采管、注浆管、阀门Ⅰ、阀门Ⅱ、阀门Ⅲ、增压泵、N₂储气罐、集气罐、压力表、三通管、注浆泵，所述抽采钻井通往煤柱底部，抽采管通过抽采钻井送至煤柱底部；抽采钻井接近地面处由聚氨酯密封，地面上方抽采管连接三通管，三通管一端依次设有地面抽采站、阀门Ⅱ，另一端依次设有N₂储气罐、增压泵、集气罐、压力表、阀门Ⅰ，抽采管底端设有挡板，注浆管上依次设有注浆站、阀门Ⅲ。
上述系统中，所述抽采管插入煤柱内的范围为筛管段，筛管段均匀设有孔。所述抽采管底部的挡板处于煤柱与岩石的交界处，所述注浆管距挡板的距离为5~10米。
本发明提供了一种老空区抽采煤层气的方法，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，依次向抽采钻井内送入注浆管、注气管；
2）打开阀门Ⅲ，开启注浆站，直至水泥砂浆液面高于挡板7~12米时，关闭阀门Ⅲ；
3）待水泥砂浆充分凝固后，开启增压泵，直至压力表示数为50~60MPa时，打开阀门Ⅰ；待压力表示数骤降时，持续注气30~60min；
4）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；
5）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，由地面N₂储气罐经过气体增压泵向抽采管注入N₂，持续3~5h，关闭阀门Ⅰ，放置24~30h；
6）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；
7）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5)、6)，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。
上述方法中，所述步骤3）中抽采钻井的直径为250～350mm，抽采管和注浆管的直径为100～150mm。
上述方法中，所述步骤7）中注入的N₂的压强为0.5~2MPa，注入气体时间为12~24h。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，减少了煤层气工业化利用仍需分离提纯这部分的成本；(4)利用高压氮气压裂煤柱的同时再利用氮气驱替煤层气，增加煤层气产量可谓一举两得。
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、注浆管，5、抽采管，6、聚氨酯板，7、阀门Ⅲ，8、阀门Ⅰ，9、集气罐，10、压力表，11、增压泵，12、N₂储气罐，13、阀门Ⅱ，14、地面抽采站，15、注浆站，16、筛管段，17、三通管，18、挡板。
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。
    本发明提供了一种老空区抽采煤层气的系统，包括抽采钻井1、抽采管5、注浆管4、阀门Ⅰ8、阀门Ⅱ13、阀门Ⅲ7、增压泵11、N₂储气罐12、集气罐9、压力表10、三通管17、注浆站15，所述抽采钻井1通往煤柱3底部，抽采管5通过抽采钻井1送至煤柱3底部；抽采钻井1接近地面处由聚氨酯板6密封，地面上方抽采管5连接三通管17，三通管17一端依次设有地面抽采站14、阀门Ⅱ13，另一端依次设有N₂储气罐12、增压泵11、集气罐9、压力表10、阀门Ⅰ8，抽采管5底端设有挡板18，注浆管4地面上方依次设有注浆站15、阀门Ⅲ7。
上述系统中，所述抽采管5插入煤柱3内的范围为筛管段16，所述抽采管5底部的挡板18处于煤柱与岩石的交界处，所述注浆管4距挡板18的距离为5~10米。
本发明提供了一种老空区抽采煤层气的方法，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，依次向抽采钻井内送入注浆管、注气管；
2）打开阀门Ⅲ，开启注浆站，直至水泥砂浆液面高于挡板10米时，关闭阀门Ⅲ，停止注水泥砂浆；
3）待水泥砂浆充分凝固后，开启增压泵，直至压力表示数为55MPa时，打开阀门Ⅰ，利用高压氮气压裂煤层；待压力表示数骤降时，说明煤柱已经被压裂，持续注气50min，使煤柱中的裂隙充分发育；
4）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；
5）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，由地面N2储气罐经过气体增压泵向抽采管注入N₂，持续4h，关闭阀门Ⅰ，放置28h；
6）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；
7）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5）、6），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0.8m。
上述方法中，所述步骤7）中注入的N₂的压强为1MPa。
上述方法中，所述步骤3）中抽采钻井的直径为300mm，抽采管和注浆管的直径为150mm。