适用于煤层气井空气动力造穴的煤尘捕集装置及方法与流程

本发明涉及煤层气开发的技术领域，尤其涉及一种针对煤层气井空气动力造穴过程中喷出煤粉的适用于煤层气井空气动力造穴的煤尘捕集装置及方法。

背景技术：

空气动力造穴技术，其方法是将大量空气注入井内，通过多次的快速憋压和放喷作业形成洞穴，实现洞穴完井增产的目的。在造穴过程中，不可避免的造成煤尘喷出现象。目前所进行的空气动力造穴工艺不采取或只采取简单的除尘手段，在施工中，一方面对井田环境造成极大的破坏，另一方面无法对掏出煤粉进行计量。另外，煤层气井空气动力造穴煤尘喷出具有涌出量大，煤粉粒径大的特点，普通除尘设备不能完全实现除尘目的；又由于煤层气空气动力造穴施工工期较短，由于成本的限制，不适合使用成本较高、移动性较差的大型除尘设备，如大型陶瓷旋风除尘器等。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种适用于煤层气井空气动力造穴的煤尘捕集装置及方法，以克服上述缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适用于煤层气井空气动力造穴的煤尘捕集装置及方法，较低的成本捕集空气动力造穴过程中飞散的煤粉尘并对其进行计量，提供了一套用于空气动力造穴的煤尘捕集装置及方法，解决了空气动力造穴技术造成的环境污染、喷出煤粉无法计量等问题。另外，本发明成本较低，且便于拆分，拆分后可进行短距离运输，节省了煤层气开发成本，具有一定的经济和社会效益。

为解决上述问题，本发明公开了一种适用于煤层气井空气动力造穴的煤尘捕集装置，包括双通道井口装置、文丘里洗涤器、沉降室和沉淀池，其特征在于：

所述双通道井口装置设置于井口以接收从井眼内喷出的气体，以使井眼中喷出的气体由竖直方向流动改为水平方向流动，所述文丘里洗涤器设置于双通道井口装置后并与之连通，其通过文丘里效应，利用喷出气体的高速流动，使气水充分混合，湿润煤尘，所述沉降室设置于文丘里洗涤器后并与之连通，其捕集煤水结合颗粒，并以悬浊液的形式排出捕集到的煤尘，所述沉淀池设置于沉降室后，使得沉降室排出的煤粉颗粒悬浊液沉淀，便于掏煤量的计量。

其中：所述双通道井口装置由三通连接管、防喷器、放喷管路、三通管及软管构成，所述三通连接管安装于井口，其三个接口一个向上连通至防喷器，一个向下连接井口，一个水平方向连通至放喷管路，所述防喷器的上方连接另一个三通连接管，该另一三通连接管的三个接口中一个向下连通防喷器，一个向上连接作业平台，一个水平方向连通至软管，所述放喷管路上安装有液压闸阀，所述放喷管路的出口端连接有三通管，所述三通管的三个接口中两个水平放置，其中一个连通放喷管路，另一个作为双通道井口装置的出口，所述三通管的一个接口垂直向上，与软管的出口端相连。

其中：所述文丘里洗涤器包含喉管、渐扩管及第一喷嘴，所述渐扩管内安装有内扩管，所述喉管作为文丘里洗涤器的进口管，喉管的周缘设有多个第一喷嘴，所述渐扩管为圆锥或棱锥型，其口径较小的一端连通至喉管的出口，其口径较大的一端作为文丘里洗涤器的出口，以连通至沉降室。

其中：所述文丘里洗涤器包含喉管、渐扩管及第一喷嘴，所述渐扩管内安装有内扩管，所述喉管作为文丘里洗涤器的进口管，喉管的周缘设有多个第一喷嘴，所述渐扩管为圆锥或棱锥型，其口径较小的一端连通至喉管的出口，其口径较大的一端作为文丘里洗涤器的出口，以连通至沉降室。

其中：所述沉降室由箱体、挡板、第二喷嘴及防尘网构成，所述箱体一侧底部设有至少一出水口，所述箱体的顶部可设有多个第二喷嘴，所述箱体内设有多个档板，所述多个档板交错的从箱体的底部和顶部向箱体后端倾斜设置，所述箱体的前端连通至渐扩管的出口，后端为半封闭结构，其上部设置一斜向下的遮板，下部设有包裹出口的防尘网。

其中：所述沉淀池包含一形状规则且四壁光滑的水池。

还公开了一种适用于煤层气井空气动力造穴的煤尘捕集方法，使用如上所述的煤尘捕集装置，其包括以下步骤：

步骤1：准备阶段，完成对设备进行连接及安装；

步骤2：防喷煤尘捕集阶段，针对放喷出的煤尘进行捕集；

步骤3：高压排水排渣煤尘捕集阶段，针对高压排水排渣工序产生的煤尘进行捕集；

步骤4：清理及计量阶段，对捕集的煤尘进行清理与计量。

其中：上述的步骤2中可包括以下子步骤：子步骤1：开启供水泵，安装于喉管及箱体的喷嘴开始喷水；子步骤2：关闭防喷器，打开放喷管路的阀门，做好放喷准备；子步骤3：操作打开液压闸阀，开始放喷；子步骤4：使水雾充分雾化并与含尘气流充分混合；子步骤5：使湿润的煤粉沉降并形成悬浊液。

其中：上述的步骤3中可包括以下子步骤：子步骤1：打开防喷器，关闭放喷管路的液压闸阀，使气体经由软管进入喉管；子步骤2：使水雾充分雾化并与含尘气流充分混合；子步骤3：使湿润的煤粉沉降并形成悬浊液。

其中：上述的步骤4中可分为以下子步骤：子步骤1：打开箱体顶盖，通风一段时间，子步骤2：测量箱体内部瓦斯浓度小于0.8％后，将沉淀的煤粉进行清理并计量；子步骤3：将沉淀池内的煤粉清理并计量；子步骤4：将沉降室内煤粉量与沉淀池内煤粉量相加，即为放喷出煤量。

通过上述结构可知，本发明的适用于煤层气井空气动力造穴的煤尘捕集装置及方法具有如下效果：

结构简单，气体能量损失较小，不易对空气动力造穴工艺造成影响。除尘效果好。本发明已有样品经过实验，煤尘捕集效果良好。成本低廉。本发明材料获取较为方便，且易于制作，为工程施工节约成本。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的适用于煤层气井空气动力造穴的煤尘捕集装置及方法的结构示意图。

图2显示了本发明的俯视图。

图3显示了本发明中双通道井口装置的结构示意图。

图4显示了本发明中文丘里洗涤器的结构示意图。

图5显示了本发明沉降室和沉淀池的结构示意图。

图6显示了图5的俯视图。

附图标记：

101、双通道井口装置；102、文丘里洗涤器103、沉降室；104、沉淀池；1、三通连接管；2、防喷器；3、放喷管路；4、第一阀门；5、液压闸阀；6、三通管；7、第二阀门；8、软管；9、喉管；10、第一喷嘴；11、渐扩管；12、内扩管；13、箱体；14、挡板；15、第二喷嘴；16、出水口；17、防尘网；18、水池。

具体实施方式

参见图1至图6，显示了本发明的适用于煤层气井空气动力造穴的煤尘捕集装置及方法。

参见图1和图2，所述煤尘捕集装置可包括双通道井口装置101、文丘里洗涤器102、沉降室103和沉淀池104，所述双通道井口装置101设置于井口以接收从井眼内喷出的气体，以使井眼中喷出的气体由竖直方向流动改为水平方向流动，所述文丘里洗涤器102设置于双通道井口装置101后并与之连通，其通过文丘里效应，利用喷出气体的高速流动，使气水充分混合，湿润煤尘，所述沉降室103设置于文丘里洗涤器102后并与之连通，其捕集煤-水结合颗粒，并以悬浊液的形式排出捕集到的煤尘，所述沉淀池104设置于沉降室103后，使得沉降室103排出的煤粉颗粒悬浊液沉淀，便于掏煤量的计量。

其中，参见图3，所述的双通道井口装置可由三通连接管1、防喷器2、放喷管路3、三通管6及软管8构成，所述三通连接管1安装于井口，其三个接口一个向上连通至防喷器2，一个向下连接井口，一个水平方向连通至放喷管路3，所述防喷器2的上方连接另一个三通连接管，该另一三通连接管的三个接口中一个向下连通防喷器2，一个向上连接作业平台，一个水平方向连通至软管8，其中，所述放喷管路3上依次安装有第一阀门4及液压闸阀5，所述放喷管路3的出口端连接有三通管6，所述三通管6的三个接口中两个水平放置，其中一个连通放喷管路3，另一个作为双通道井口装置的出口，可直接或间接通过管道连通至文丘里洗涤器102，所述三通管6的一个接口垂直向上，与软管8的出口端相连，所述软管8上还可设有一第二阀门。由此，该双通道井口装置通过放喷管路3和软管8的双通道作用，改变了井口喷出的高速气流流动方向，并使放喷工序及高压排水排渣工序中排出的气体经过不同管路流出，以防止放喷管路3中液压闸阀5的堵塞。其工作原理是：在放喷作业时，关闭防喷器，打开放喷管路的阀门及液压闸阀，迫使高速气体在放喷管路中流动，改变运动方向为水平方向；在高压排水排渣作业时，由于需要上下活动钻杆，且因为排水时容易产生煤泥堵塞放喷管路的液压闸阀，此时需要关闭放喷管路的阀门与液压闸阀，打开防喷器，迫使气流从软管中流出，改变运动方向为水平方向。

参见图4，所述文丘里洗涤器102包含喉管9、渐扩管11及第一喷嘴10，优选的是，为加强使用效果，所述渐扩管11内可以安装有内扩管12，所述内扩管12的结构和形状可与渐扩管11相同，但尺寸较小，以充分设置于渐扩管11内，所述喉管9作为文丘里洗涤器102的进口管，其入口连通至所述三通管6，且喉管9的周缘设有多个第一喷嘴10，优选的是，所述多个第一喷嘴10可呈阵列状设置于喉管9，以实现均匀和彻底的喷液，优选的是，所述第一喷嘴10可为锥形喷嘴，所述渐扩管11为圆锥或棱锥型，其口径较小的一端连通至喉管9的出口，其口径较大的一端作为文丘里洗涤器102的出口，以连通至沉降室103。其具体安装方式为：在放喷管路末端的三通管连接喉管，喉管需要承受较大压力，故应由硬质材料制作；喉管表面应安装喷嘴，向喉管内部喷射水或活化水；喉管末端连接渐扩管；其中，渐扩管应当尽可能长，最短不应小于1m，其圆锥或棱锥型的倾斜扩张角度不应大于45°(相对于水平轴线的角度)。其工作原理是：通过喷嘴向喉管内喷射水或活化水，放喷高速流体经过喉管时，由于文丘里效应，动压增大静压减小，使水充分雾化后充分湿润放喷出的煤粉，增加其质量及粘附性；当流体通过渐扩管，其动压减小静压增大，使流体减速，便于在沉降室被捕集。

参见图5和图6，所述沉降室由箱体13、挡板14、第二喷嘴15及防尘网17构成，其中，所述箱体13可为长方形的箱体，其内可铺设垫板，优选为长度不小于5m，高不小于1.5m，所述箱体13可选用高强度材料(如钢板等)焊接而成，所有焊接处应保证焊接牢固、紧密，所述箱体一侧底部设有至少一出水口16，顶部有可开启天窗，其中，所述箱体13的顶部可设有多个第二喷嘴15，可选的是，所述第二喷嘴15可为螺旋锥状喷嘴，参见图6，所述多个第二喷嘴15可设于箱体13的前部顶部，且呈多组的间隔排列，每组喷嘴包含3-5个间隔设置的第二喷嘴15，所述箱体13内设有多个档板14，所述多个档板14交错的从箱体13的底部和顶部向箱体13后端倾斜设置，所述箱体13的前端连通至渐扩管11的出口，后端为半封闭结构，其上部设置一斜向下的遮板，下部设有包裹出口的防尘网17，其中，所述挡板、衬垫需用不易摩擦起火的材料制成。其具体安装方式为：箱体与上述渐扩管末端相连接，其内部可铺设衬垫；箱体内设置上下交错的挡板；箱体顶部设置多组喷嘴，箱体末端开口处使用防尘网包裹。其主要作用是：捕集煤-水混合颗粒，并将捕集到的煤粉的悬浊液排向沉淀池。其主要原理是：通过多个档板14如图5所示的相互间隔，放喷气流在挡板与挡板之间形成漩涡，高速运动中的煤-水混合颗粒在惯性的作下不断撞击在挡板上，在重力的作用下向下汇集成煤粉的悬浊液，最终由出水口流出，汇入沉淀池。

其中，所述沉淀池104包含一形状规则且四壁光滑的水池18，有利于煤粉的沉淀与计量。

其中，本发明的喉管、锥形喷嘴、渐扩管、箱体可分段制作，采用法兰连接。

其中，所述喉管可由167mm套管焊接制成，在其靠入口段1m内设置三组锥形喷嘴，所述锥形喷嘴可由55m³/h潜水泵及10cm钢管构成独立水路为其供水，所述水中可加入3‰活化剂，并搅拌均匀。

其中，所述扩散管使用钢板焊接而成，其长度为2m，扩散角为15°，为分散风流，在扩散管出口处可焊接一锥形挡板。

其中，所述箱体采用钢板焊接而成，其长12m、宽4m、高3m，内部敷设三合板作为垫板，以缓冲煤尘、岩块的撞击力度，增强防爆效果。其单侧可设置卸爆板及多个排水口，便于排水及在发生爆炸时起到卸爆作用。所述箱体内部设置两道木质的挡板14，木质挡板14高2m，宽4m，倾斜角度可为45度，其后部用角铁支撑牢固。

作为第二喷嘴的螺旋锥状喷嘴为3/4P127-120S-316L喷嘴，共8个，设置于箱体顶部，位置如图中所示。该些螺旋锥状喷嘴使用65L潜水泵及10cm钢管组成水路，为螺旋锥状喷嘴供水；水源中加入3‰活化剂，并搅拌均匀。

所述遮板使用钢板焊接于箱体的尾部，在其末尾改变风流方向，使风流流向沉淀池，进行二次降尘。

所述沉淀池的水池长、宽均为3m，深2m，注入清水，水中按3‰比例加入活化剂，以增强降尘效率。

通过如上所述的结构实现的煤尘捕集方法，其主要包括以下步骤：

步骤1：准备阶段，主要完成对设备进行连接及安装；

步骤2：防喷煤尘捕集阶段，针对放喷出的煤尘进行捕集；

步骤3：高压排水排渣煤尘捕集阶段，针对高压排水排渣工序产生的煤尘进行捕集；

步骤4：清理及计量阶段，对捕集的煤尘进行清理与计量。

上述的步骤1中可包括以下子步骤：子步骤1：按本发明的要求制作设备部件，将各接口连接牢固；子步骤2：铺设水路，连接喷头与供水泵；子步骤3：挖掘沉淀池；子步骤4：准备水源，可以但不必须在水中加入活化剂并搅拌均匀。

上述的步骤2中可包括以下子步骤：子步骤1：开启供水泵，安装于喉管及箱体的喷嘴开始喷水；子步骤2：关闭防喷器，打开放喷管路的阀门，做好放喷准备；子步骤3：远距离操作打开液压闸阀，开始放喷；子步骤4：使水雾充分雾化并与含尘气流充分混合，其具体方法是，含尘气流流经喉管后，由于其流速较大，将喉管喷头喷出的水雾化；含有雾化水的气流经过渐扩管，水雾可均匀分布，与煤尘充分结合；子步骤5：使湿润的煤粉沉降并形成悬浊液，其具体做法是：充分与水雾混合的煤尘进入沉降室后，截面积突然扩大，气流速度减小，加之挡板迫使气流转向，此时惯性较大的水滴被挡板拦截，从而起到除尘的效果。箱体排出的尾气在遮板的作用下改变运动方向，经过防尘网后，排入大气。

上述的步骤3中可包括以下子步骤：子步骤1：放喷阶段结束后，打开防喷器，关闭放喷管路的液压闸阀，使气体经由软管进入喉管；子步骤2：使水雾充分雾化并与含尘气流充分混合，其具体方法是，含尘气流流经喉管后，由于其流速较大，将喉管喷头喷出的水雾化；含有雾化水的气流经过渐扩管，水雾可均匀分布，与煤尘充分结合；子步骤3：使湿润的煤粉沉降并形成悬浊液，其具体做法是：充分与水雾混合的煤尘进入沉降室后，截面积突然扩大，气流速度减小，加之挡板迫使气流转向，此时惯性较大的水滴被挡板拦截，从而起到除尘的效果。箱体排出的尾气在遮板的作用下改变运动方向，经过防尘网后，排入大气。

上述的步骤4中可分为以下子步骤：子步骤1：放喷及高压排水排渣作业完成后，打开箱体顶盖，通风一段时间，子步骤2：经测量箱体内部瓦斯浓度小于0.8％后，施工人员可持便携式瓦检仪进入箱体，将沉淀的煤粉进行清理并计量。子步骤3：将沉淀池内的煤粉清理并计量。子步骤4：将沉降室内煤粉量与沉淀池内煤粉量相加，即为放喷出煤量。

由此，本发明的适用于煤层气井空气动力造穴的煤尘捕集装置及方法具有如下优点：

1、结构简单，气体能量损失较小，不易对空气动力造穴工艺造成影响。

2、除尘效果好。本发明已有样品经过实验，煤尘捕集效果良好。

3、成本低廉。本发明材料获取较为方便，且易于制作，为工程施工节约成本。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。