一种循环脉冲式低温冻融增透煤体抽采煤层气的方法与流程

本发明涉及一种抽采煤层气的方法，尤其是一种循环脉冲式低温冻融增透煤体抽采煤层气的方法。

技术背景

煤层气作为一种非常规能源，在许多国家作为一种可替代能源，中国煤层气总量大，与天然气资源总量相当，随开采深度的增加，煤层中的煤层气含量、压力也逐渐增大，煤层渗透率逐渐减小，煤层气爆炸、煤与瓦斯突出等瓦斯灾害也日趋严重。由于我国煤储层的低渗透性，克服煤层气抽放浓度低、抽放量小的问题一直是治理瓦斯灾害的重中之重，目前深部单一煤层抽采煤层气传统方法多采用水力压裂、水力割缝、松动爆破等。上述煤层气抽采方法增透范围小，无法形成大范围煤层气抽采裂隙通道，导致煤层气抽采率低，煤层气治理效果不理想。

冻融侵蚀是由于土壤及其母质孔隙中或岩石裂缝中的水分在冻结时，体积膨胀，使裂隙随之加大、增多所导致整块土体或岩石发生碎裂的现象。冻融侵蚀引起的反复融化与冻结，导致土体或岩体的破坏、扰动、变形甚至移动，造成物体构造的严重破坏。冻融现象是自然界中一种常见的物理地质作用和现象，尤其出现在温差变化比较大的物体构造中。冻融循环的反复出现，造成物体构造的严重破坏。把冻融侵蚀现象应用于煤体的致裂增透中，可充分发挥冻融侵蚀的损伤致裂作用。

在常压下，液态低温介质如液氮/二氧化碳温度可达-196℃/-37℃，气化为21℃纯氮气/二氧化碳时的膨胀率分别为696倍/585倍，在有限空间内可产生巨大气压，液态低温介质气化潜热分别为5.56kJ/mol和5.34kJ/mol，气化时可吸收周围大量热量。液氮/液态二氧化碳具有制备简单、原料来源广泛等优点，在煤体冻融循环中液态低温介质可作为一种高效的制冷和增透介质。

脉动压裂相比静压压裂具有更高的效率，如何协同脉动液态低温介质压裂和冻融损伤是克服煤层气抽采效率低的关键问题。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种低温冻融增透煤体抽采煤层气的方法。本发明方法基于水射流割缝脉动循环低温冻融增透煤体，增大煤层致裂范围和效率，促进裂隙网络的形成，可显著提高煤层气抽采量。

一种循环脉冲式低温冻融增透煤体抽采煤层气的方法，包括以下步骤：

步骤1、在煤层中，利用水射流割缝方法在煤层中施工形成一钻孔以及多排导向缝槽，每排中有两导向缝槽，所述导向缝槽联通所述钻孔并在煤层中沿与钻孔垂直方向向钻孔两侧延伸。在导向缝槽外端开设煤层气抽采钻孔。

步骤2、向钻孔和各导向缝槽中高压脉动注入液态低温介质，采用脉动循环低温冻融方法对煤层进行冻融致裂增透，形成煤层气抽采裂隙网络。

步骤3、通过煤层气抽采钻孔抽采煤层气。

所述脉动循环低温冻融方法对煤层进行冻融致裂增透，其步骤是：

a、向钻孔和各导向缝槽中高压脉动注入液态低温介质，至设定的单次液态低温介质注入时间，停止液态低温介质注入；伴随注入过程，煤层中的水分被冻结成冰，产生冻胀致裂效应。

b、冻结煤体吸收地层温度逐渐融化，从而形成煤层的循环冻融效应。

c、冻结的煤层溶化后，向钻孔和各导向缝槽中高压注气，促进水分流动和冷量传递，导通冻融裂隙和扩大冻融范围。

d、按照设定的冻融循环次数，循环执行步骤a～步骤c。

所述液态低温介质可以是液氮、液态二氧化碳等惰性低温介质。

优化地，所述单次液态低温介质注入时间为10min。

所述冻融循环次数循环次数为5-10次。

所述高压注气，注气时间为10min。

有益效果：

本发明方法，把冻融侵蚀现象与煤层气抽采结合，创新性地把冻融损伤破坏的劣势转化为优势，把脉动循环注液态低温介质和冻融相变致裂结合，协同高效利用两种方法，显著提高煤体的增透效率。

脉动循环注入液态低温介质，可产生冻融致裂、高压气体致裂、低温致裂三种致裂效果。高压气的升压注气过程，可产生高压气致裂效果，且可以增加冷量的扩散和扩大冻融致裂范围。通过循环冻融后可有效提高煤层瓦斯单孔抽采量和抽采浓度，延长瓦斯浓度衰减时间。由于脉动冻融介质能很好的渗透到煤层中，经过脉动冻融增透后可有效消除煤层局部高应力集中区，促进局部积聚瓦斯的运移，释放煤层中积聚的煤与瓦斯突出潜能，具有很好的消除煤与瓦斯突出作用。此外，液态低温介质不仅具有高效的气化膨胀效率，气化同时也吸收煤层大量热量，对煤体防灭火具有积极意义。本发明方法有效解决了高瓦斯低透气煤层渗透率提高不明显、致裂范围小的关键问题，具有广泛的实用性。

附图说明

图1是基于水射流割缝的循环脉冲式低温冻融增透煤体抽采煤层气方法示意图。

图2是图1中的气化器结构示意图。

图3是图1中气动增压泵原理图。

图4是图1中A－A剖面管路和钻孔布置示意图。

图5是低位巷穿层上行孔脉冲式循环注液态低温介质定向冻融增透煤体抽采煤层气方法示意图。

图6是高位巷穿层下行孔脉冲式循环注液态低温介质定向冻融增透煤体抽采煤层气方法示意图。

图中：1－液态低温介质槽车，1-1－液态低温介质槽车总阀门，1-2－液态低温介质槽车分阀门，2—气化器，2-1—气化器入口，2-2—液态低温介质气化管，2-3—星形翅片，2-4—气化器出口，3—气动增压泵，3-1—驱动气源，3-2—被增压气源，3-3—增压压力表，3-4—增压气体出口，4—高压稳流储气室，5—脉动调节器，6—脉动注液态低温介质泵，6-1－注射阀门，7—高压气管，7-1—高压气阀，8－水射流割缝设备，9－主管，9-1－花管，9-2－钻孔，10－封孔段，11－导向缝槽，12－煤层，13－煤层气抽采钻孔，14－脉动循环低温冻融设备组，15-1－低位巷，15-2－高位巷。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步的描述。

实施例一，如图1、图2、图3和图4所示，在煤层12中，利用水射流割缝装备8在煤层中施工形成钻孔9-2和多排导向缝槽11。每排导向槽中有两导向缝槽11，导向缝槽一端与钻孔联通。两个导向缝槽分别沿与钻孔垂直方向在煤层中向钻孔左右两侧延伸。在导向缝槽外端开设煤层气抽采钻孔13。在钻孔9-2的左右两侧各开设一个煤层气抽采钻孔13。

然后钻孔9-2中布置主管9，采用常规方法高压封孔，注浆封孔段10长度为5-20 m。然后利用脉动循环冻融设备组14对煤层12进行冻融致裂增透。具体冻融过程是：

打开液态低温介质槽车总阀门1-1，液态低温介质槽车1输出的液态低温介质经过气化器2转化为气体。如图2所示，气化器2为星形翅片2-3结构。增加液态低温介质的气化速率和气化压力，气体通过气化器入口2-1进入液态低温介质气化管2-2，气化后通过气化器出口2-4连接到气动增压泵3。气动增压泵3利用气化的氮气/二氧化碳进行增压，一路气体为驱动气源3-1，一路气体为被增压气源3-2，通过增压压力表3-3观察压力大小，气化后气体通过气动增压泵3增压后进入高压稳流储气室4。高压稳流储气室4和脉动调节器5联合工作输出可调控的脉动高压气体。打开脉动调节器5、液态低温介质槽车分阀1-2和脉动注液态低温介质泵6，通过主管9对煤层12进行高压脉动注液态低温介质致裂，脉动的液态低温介质沿着导向缝槽11渗流到煤层中，煤层中液态低温介质气化的高压气体形成高压气致裂，冻结煤层中水分相变膨胀为冰，形成冻胀致裂。10min后停止注入液态低温介质，冻结煤体吸收地层温度逐渐融化，从而形成煤层的循环冻融效应。融化结束后，在下一个冻融循环前，打开高压气阀7向主管9注气进行注高压气10min，促进水分流动和冷量传递，导通冻融裂隙和扩大冻融范围。按照设定的冻融次数（如5次，或10次等），重复脉动注液态低温介质冻融和高压气驱动步骤，对裂隙进行疏通，促进低温能量传递，达到循环冻融的效果，煤层在反复的疲劳加载过程中达到应力极限，形成良好的煤层气抽采裂隙网络。

在致裂增透区域，距离主管9约20-35 m两侧范围内布置煤层气抽采钻孔13进行瓦斯抽采。抽采过程中根据瓦斯抽采效果变化，控制循环注液氮的次数，在脉动液态低温介质致裂、高压气体致裂、冻胀致裂和低温致裂多重致裂影响下，促进裂隙网络的有效沟通，实现煤层气的高效抽采和利用。

实施例二、

如图4、图5所示，为低位巷15-1穿层上行钻孔脉动循环灌注液态低温介质冻融增透抽采卸压瓦斯，与实施例一基本相同。不同部分主要为从低位巷15-1穿层向上部煤层12中冻融增透区域实施循环注脉动液态低温介质，主管9深度应穿透岩层到煤层12中，根据煤层厚度主管9应打入煤层10m~100m。其余部分与实施例一都相同，相同部分略。

实施例三、

如图4、图6所示，为高位巷15-2穿层下行钻孔循环灌注液态低温介质冻融增透抽采卸压瓦斯，与实施例一基本相同。不同部分主要为从高位巷15-2穿层向下部煤层12中冻融增透区域实施循环注液态低温介质，主管9深度应穿透岩层到煤层12中，根据煤层厚度主管9应打入煤层10m~100m。其余部分与实施例一都相同，相同部分略。