一种利用超临界二氧化碳驱替煤层瓦斯的装置及方法与流程

本发明涉及煤层气开采技术领域，特别涉及一种利用超临界二氧化碳驱替煤层瓦斯的装置及方法。

背景技术：

煤层气俗称“瓦斯”，主要成分是甲烷，是在煤的生成和变质过程中伴生的气体，其储量在我国非常丰富。煤层瓦斯热值与常规天然气相当，是通用煤气的 2 倍至 5 倍，燃烧后很少产生污染物，属优质洁净气体能源。然而，由于我国煤层大多是低渗透煤层，致使瓦斯开采率低。

目前常用的瓦斯抽采方式是：密集钻孔抽放瓦斯、水压致裂抽、水力冲孔抽、开采解放层强化抽放、水力割缝抽放等。但这些现有技术对于改善煤层透气性方面作用不大，根本不能解决我国煤层渗透性低，煤层瓦斯抽采率低的问题。

超临界流体萃取技术是近三十年来发展起来的新的科学技术，超临界二氧化碳作为一种很好的有机溶剂，及良好的物理化学性质被广泛应用于萃取工序。二氧化碳临界密度为 0.448g/cm3，是常用的超临界流体中最高的，而超临界流体的溶解能力随流体密度的增加而增加，这就说明超临界二氧化碳有着强大的对有机质的萃取能力。鉴于超临界二氧化碳的特殊性，广大国内外技术人员将超临界二氧化碳作用在煤上进行了各种试验，得出了当超临界二氧化碳被用作驱替煤层瓦斯的动力气体时，可溶解煤基质中的部分有机质，提高煤层孔隙率，改善低渗透煤层，驱替煤基质微孔隙表面的瓦斯，提高煤层瓦斯游离态占比的结论。

虽然经过各种试验，我们知晓了超临界二氧化碳作用在煤上的效果，但是制备超临界二氧化碳并注入煤层的技术仍存在不少问题，由于地面制备超临界二氧化碳再注入煤层，注入期间超临界二氧化碳能量会产生损失，致使最后被注入煤层的超临界二氧化碳条件达不到，故至今为止仍没有将超临界二氧化碳大范围工业化应用在煤层瓦斯开采上的装置问世，因此，怎样避免超临界二氧化碳能量损失，保证最后被注入煤层的超临界二氧化碳状态，使超临界二氧化碳大范围工业化安全高效的应用在煤层瓦斯开采上是目前煤层气开采技术领域重要的研究课题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种利用超临界二氧化碳驱替煤层瓦斯的装置及方法；本发明可以避免超临界二氧化碳能量损失，保证最后被注入煤层的超临界二氧化碳的状态，且结构简单，施工容易，成本低廉，安全高效，适于大范围工业化将超临界二氧化碳应用在煤层瓦斯开采上，改善煤层渗透性，提高煤层瓦斯采收率。

为了解决上述技术问题，本发明提供的一种利用超临界二氧化碳驱替煤层瓦斯的装置，包括驱替煤层瓦斯装置本体，所述驱替煤层瓦斯装置本体包括上胶囊组和下胶囊组，所述上胶囊组内设置有注浆区Ⅰ；所述下胶囊组内设置有注浆区Ⅱ；所述上胶囊组和下胶囊组之间设置有超临界二氧化碳辐射区。

进一步的改进，上述上胶囊组包括依次设置的胶囊Ⅰ和胶囊Ⅱ，所述胶囊Ⅰ和胶囊Ⅱ之间设置有注浆区Ⅰ；所述下胶囊组包括依次设置的胶囊Ⅲ和胶囊Ⅳ，所述胶囊Ⅲ和胶囊Ⅳ之间设置有注浆区Ⅱ；所述超临界二氧化碳辐射区内设置有加热装置，此设计将传统的地面制备超临界二氧化碳变更至地下制备超临界二氧化碳，转变传统的地面制备超临界二氧化碳再注入煤层的思想，创新性的在地下制备超临界二氧化碳并将其直接注入煤层，避免了超临界二氧化碳能量损失，保证最后被注入煤层的超临界二氧化碳的状态。

进一步的改进，上述加热装置为相变储热材料管，所述相变储热材料管内设置有超临界二氧化碳气腔，所述相变储热材料管上设置有定压泄压阀，使用相变储热材料管作为加热源而不是大型的加热器作为加热源，原因一是价格低廉，二是结构简单，三是节省空间，四是使用相变储热材料管更容易实现在地下制备超临界二氧化碳的目的；温度越高，热损失越快，越容易影响超临界二氧化碳的生成，经试验证明，二氧化碳加热至45°C～70°C，是生成超临界二氧化碳的最佳温度；当超临界二氧化碳压力等于8MPa时，相变储热材料管的定压泄压阀自动开启，超临界二氧化碳被释放并进入煤层，利用定压泄压阀对即将进入煤层的超临界二氧化碳的压力进行确定，保证进入煤层的超临界二氧化碳的压力为8MPa。

进一步的改进，上述定压泄压阀有1个~3个，定压泄压阀不可设置过多，过多会引起一些问题，比如触发抵触等。

进一步的改进，上述驱替煤层瓦斯装置本体连通有泵，所述泵包括矿用封孔注浆泵、气动增压泵和手动注水泵；所述矿用封孔注浆泵与所述注浆区Ⅰ和注浆区Ⅱ相连通；所述气动增压泵的输入口连通有二氧化碳储气瓶，气动增压泵的输出口与所述超临界二氧化碳气腔相连通；所述手动注水泵与所述胶囊Ⅰ、胶囊Ⅱ、胶囊Ⅲ和胶囊Ⅳ相连通，所述矿用封孔注浆泵用来为本专利注入水泥浆，水泥浆用来对本专利进行固定密封并对钻孔进行封孔操作，所述气动增压泵用来为二氧化碳加压，所述手动注水泵用来为本专利注入水，水对本专利进行密封操作并对钻孔内部的气压进行维持。

一种利用超临界二氧化碳驱替煤层瓦斯的方法，包括以下步骤：

（1）在煤层中钻孔；

（2）在钻孔内安装下胶囊组和上胶囊组，上胶囊组和下胶囊组之间的空腔形成超临界二氧化碳辐射区，上胶囊组包括依次设置的胶囊Ⅰ和胶囊Ⅱ，下胶囊组包括依次设置的胶囊Ⅲ和胶囊Ⅳ；

（3）向胶囊Ⅰ、胶囊Ⅱ、胶囊Ⅲ和胶囊Ⅳ内注水；向胶囊Ⅰ和胶囊Ⅱ之间注浆，向胶囊Ⅲ和胶囊Ⅳ之间注浆；

（4）向超临界二氧化碳辐射区内的加热装置输送高压二氧化碳，获得超临界二氧化碳，超临界二氧化碳从超临界二氧化碳辐射区释放并进入煤层；本发明在超临界二氧化碳辐射区内制备超临界二氧化碳并将其直接扩散至煤层中，避免了在地面生成超临界二氧化碳再导入煤层过程中的能量损失；

（5）静置，使超临界二氧化碳在煤层中充分扩散；

（6）利用瓦斯抽采管进行煤层瓦斯的抽采。

进一步的改进，上述步骤（1）中钻孔的直径大小为60 mm ~113mm，钻孔深度大于等于10m，钻孔轴线与水平面的夹角为-5°~5°，超临界二氧化碳是一种液态和气态共存，故而应当水平横置或稍稍倾斜横置。

进一步的改进，上述步骤（3）中所注的水的压力大于等于9MPa。

进一步的改进，上述步骤（4）中高压二氧化碳的压力大于8MPa；步骤（4）中被释放的超临界二氧化碳的压力等于8MPa，温度为45°C～70°C。

进一步的改进，上述步骤（1）中的钻孔与所述步骤（6）中的瓦斯抽采管间隔2米~3米交替布置，根据本发明影响的范围，对钻孔与瓦斯抽采管交替布置，提高煤层瓦斯采收率。

本发明具有如下有益效果：

本发明是转变了传统的地面制备超临界二氧化碳再注入煤层的思想，创新性的在地下制备超临界二氧化碳并将其直接注入煤层，避免了超临界二氧化碳能量损失，保证最后被注入煤层的超临界二氧化碳状态，本发明利用上胶囊组和下胶囊组进行密封维持超临界二氧化碳的压力，保证超临界二氧化碳的状态，利用注浆区Ⅰ和注浆区Ⅱ进行密封固定，保证超临界二氧化碳与煤充分接触，利用相变储热材料管将二氧化碳加热至安全温度45°C～70°C，避免因过高温度引起的煤体自燃或瓦斯爆炸等事故，本发明结构简单，施工容易，适于大范围工业化应用，可安全高效的将超临界二氧化碳应用在煤层瓦斯开采上，改善煤层渗透性，提高煤层瓦斯开采率。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明钻孔与瓦斯抽采管布置位置示意图；

图中所示：1-钻孔；2-胶囊Ⅰ；3-胶囊Ⅱ；4-胶囊Ⅲ；5-胶囊Ⅳ；6-注浆区Ⅰ；7-超临界二氧化碳辐射区；8-注浆区Ⅱ；9-相变储热材料管；91-超临界二氧化碳气腔；92-定压泄压阀；10-矿用封孔注浆泵；101-注浆管；11-气动增压泵；12-二氧化碳储气瓶；13-手动注水泵；14-煤层；15-瓦斯抽采管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图所示，一种利用超临界二氧化碳驱替煤层瓦斯的装置，包括驱替煤层瓦斯装置本体，所述驱替煤层瓦斯装置本体包括上胶囊组和下胶囊组，所述上胶囊组内设置有注浆区Ⅰ6；所述下胶囊组内设置有注浆区Ⅱ8；所述上胶囊组和下胶囊组之间设置有超临界二氧化碳辐射区7，所述上胶囊组包括依次设置的胶囊Ⅰ2和胶囊Ⅱ3，所述胶囊Ⅰ2和胶囊Ⅱ3之间设置有注浆区Ⅰ6；所述下胶囊组包括依次设置的胶囊Ⅲ4和胶囊Ⅳ5，所述胶囊Ⅲ4和胶囊Ⅳ5之间设置有注浆区Ⅱ8；所述超临界二氧化碳辐射区7内设置有加热装置，所述加热装置为相变储热材料管9，所述相变储热材料管9内设置有超临界二氧化碳气腔91，所述相变储热材料管9上设置有定压泄压阀92，所述定压泄压阀92有1个~3个，所述驱替煤层瓦斯装置本体连通有泵，所述泵包括矿用封孔注浆泵10、气动增压泵11和手动注水泵13；所述矿用封孔注浆泵10与所述注浆区Ⅰ6和注浆区Ⅱ8相连通；所述气动增压泵11的输入口连通有二氧化碳储气瓶12，气动增压泵11的输出口与所述超临界二氧化碳气腔91相连通；所述手动注水泵13与所述胶囊Ⅰ2、胶囊Ⅱ3、胶囊Ⅲ4和胶囊Ⅳ5相连通。

一种利用超临界二氧化碳驱替煤层瓦斯的方法，包括以下步骤：

（1）在煤层中钻孔；

（2）在钻孔内安装下胶囊组和上胶囊组，上胶囊组和下胶囊组之间的空腔形成超临界二氧化碳辐射区，上胶囊组包括依次设置的胶囊Ⅰ和胶囊Ⅱ，下胶囊组包括依次设置的胶囊Ⅲ和胶囊Ⅳ；

（3）向胶囊Ⅰ、胶囊Ⅱ、胶囊Ⅲ和胶囊Ⅳ内注水；向胶囊Ⅰ和胶囊Ⅱ之间注浆，向胶囊Ⅲ和胶囊Ⅳ之间注浆；

（4）向超临界二氧化碳辐射区内的加热装置输送高压二氧化碳，获得超临界二氧化碳，超临界二氧化碳从超临界二氧化碳辐射区释放并进入煤层；

（5）静置，使超临界二氧化碳在煤层中充分扩散；

（6）利用瓦斯抽采管进行煤层瓦斯的抽采。

所述步骤（1）中钻孔的直径大小为60 mm ~113mm，钻孔深度大于等于10m，钻孔轴线与水平面的夹角为-5°~5°，所述步骤（3）中所注的水的压力大于等于9MPa，所述步骤（4）中高压二氧化碳的压力大于8MPa；步骤（4）中被释放的超临界二氧化碳的压力等于8MPa，温度为45°C～70°C，所述步骤（1）中的钻孔与所述步骤（6）中的瓦斯抽采管间隔2米~3米交替布置。

超临界二氧化碳进入煤层后发生萃取作用、竞争吸附置换作用、过滤吸附置换作用、增能驱动作用、压裂作用和降低分压作用，提高煤的孔隙率，拓宽煤层瓦斯的渗流通道，提高煤层的渗透性，驱替煤层瓦斯，提高煤层瓦斯抽采率；

1）萃取作用：煤中极性较低的碳氢化合物和类脂有机化合物被超临界二氧化碳萃取出来；

2）竞争吸附置换作用和过滤吸附置换作用：煤对二氧化碳的吸附能力比对瓦斯的吸附能力强，超临界二氧化碳与煤基质微孔隙表面的瓦斯发生竞争吸附置换作用和过滤吸附置换作用；

3）增能驱动作用：超临界二氧化碳驱动煤层孔隙中的瓦斯；

4）压裂作用：超临界二氧化碳增加煤层孔隙率，使煤层孔隙连通性在高压气体作用下得到增强的，气体的渗流通道增多，进而达到压裂作用；

5）降低分压作用：煤基质微孔隙表面的瓦斯被超临界二氧化碳置换解吸后扩散进入煤孔孔隙裂隙网络，导致煤基质内外存在压力差，由于压力差的存在使得内部高压瓦斯逐渐降压后持续解吸。

煤中极性较低的碳氢化合物和类脂有机化合物，如酯、醚、内脂类、环氧化合物等可在7~10MPa较低压力范围内被超临界二氧化碳萃取出来，煤基质或煤孔隙裂隙中的极性较低的碳氢化合物和酯类有机化合物在这一过程中就被溶解，进而煤的孔隙率提高，知渗透率和孔隙率的关系为：

k0=n3 0/c（1-n0）2S2，

式中，k0--渗透率，D，

n0--孔隙率，

S --煤比表面积，

c --无量纲常系数。

煤基质或煤孔隙裂隙中的部分有机化合物被超临界二氧化碳萃取，随着气流自煤层瓦斯的渗流通道流出，煤孔隙裂隙体积增大数量增多，煤层瓦斯的渗流通道变宽，煤层的渗透性提高，又由于压力梯度煤层瓦斯产生解吸，吸附在煤基质微孔隙表面的气体由吸附态转变为游离态。

煤对二氧化碳的吸附量是瓦斯的2倍～8倍，所述超临界二氧化碳同时拥有气体和液体两种相态的性质，气态身份的超临界二氧化碳与煤层瓦斯进行竞相吸附，达到进一步促使吸附在煤基质微孔隙表面的瓦斯气体解吸，并且所述超临界二氧化碳以气态相和液态相的性质同时在渗流通道内流动，促使煤层瓦斯以更快的速度进行渗流。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。