本发明涉及一种煤层超临界二氧化碳封堵装置及方法，属于煤层气高效开采技术领域。
背景技术：
煤层气是一种非常规天然气，也是煤炭开发过程中“第一杀手”。煤层气开发利用属于国家“清洁、高效、安全、可持续”现代能源体系的重要组成部分。然而我国煤层地质条件十分复杂，多数煤层的微孔隙、低渗透、高吸附特征使得煤层气难以抽出，造成煤层气资源利用效率低。近年来，随着开采深度的不断增加，深部煤层的高地应力和高瓦斯梯度使得瓦斯灾害的发生频率和强度进一步加大。煤层气的高效抽采在未来我国煤与瓦斯共采中具有至关重要的意义。目前，对煤层进行注气驱替也是增加煤层气产量的一种有效方法，通过钻孔向煤层内注入空气、氮气、二氧化碳等气体，在煤层内形成有益的压力梯度和竞争吸附，不断增加煤层气的产出。虽然此类方法在成本和适应性上具有较好的优势，但气体介质的选择、使用和装置尚不完善。在各类气体中，由于超临界二氧化碳具有密度近于液体、粘度近于气体、扩散系数远大于液体的特性，近年来使用超临界二氧化碳进行增透、驱替成为煤层气高效开采研究的热点。然而气体超临界态的保持较为困难，在煤矿现场的应用缺乏有效的封堵装置及方法，因此，开发煤层超临界二氧化碳封堵装置及方法对此类技术在煤层气增产中的推广应用具有重要意义。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种煤层超临界二氧化碳封堵装置及方法，结构简单、操作方便、成本低廉、实用性强。
本发明提供了一种煤层超临界二氧化碳封堵装置，包括前端封孔器、后端封孔器、注浆管、超临界二氧化碳注入管、温度控制器，所述前端封孔器由前端封孔器金属端头、前端封孔器加热装置、前端封孔器胶囊、前端封孔器注水管组成；所述后端封孔器由后端封孔器胶囊、后端封孔器注水管组成；所述前端封孔器与后端封孔器通过快速密封接头与超临界二氧化碳注入管连接，超临界二氧化碳注入管与超临界二氧化碳气源相连；所述前端封孔器胶囊与后端封孔器胶囊之间设有注浆管，注浆管与注浆泵连接；所述前端封孔器注水管和后端封孔器注水管分别与高压水源连接。
上述装置中，所述前端封孔器加热装置包括温度传感器和电热丝，电热丝通过前端封孔器控制线与温度控制器相连。
本发明提供了一种煤层超临界二氧化碳封堵方法，包括如下步骤：
a、根据煤矿现场设计方案进行打钻，在煤层内施工钻孔；不同煤层条件造成设计方案中的钻孔深部不同；
b、在钻孔施工完成后，进行煤层超临界二氧化碳封堵装置的组装：将前端封孔器、后端封孔器用快速密封接头与超临界二氧化碳注入管连接在一起，将注浆管安装在前端封孔器胶囊与后端封孔器胶囊之间，将前端封孔器控制线与温度控制器相连，将前端封孔器注水管和后端封孔器注水管分别与高压水源连接，将超临界二氧化碳注入管与超临界二氧化碳气源相连，将注浆管与注浆泵相连；
c、关闭第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门，将组装好的煤层超临界二氧化碳封堵装置送入钻孔内设计位置；
d、打开第一阀门、第二阀门，分别向前端封孔器胶囊和后端封孔器胶囊中注入高压水，在第一压力表、第二压力表显示压力为4.0~6.0mpa时，分别关闭第一阀门、第二阀门；
e、打开第四阀门，将封堵浆液通过注浆管送入前端封孔器胶囊与后端封孔器胶囊之间，在第四压力表显示压力为0.5~2.0mpa时，关闭第四阀门；
f、开启温度控制器，使前端封孔器加热装置内的电热丝加热前端封孔器金属端头，在温度控制器显示温度大于35℃时，调节温度控制器维持温度恒定，使钻孔内达到超临界二氧化碳所需的温度；
g、打开第三阀门，通过超临界二氧化碳注入管向钻孔内注入超临界二氧化碳，并实时监测第三压力表，保证超临界二氧化碳的注入压力不小于7.5mpa；
h、步骤g持续一段时间，该时间据实际需求设定。不同煤层赋存特征造成煤层内的孔隙结构不同，因此超临界二氧化碳的注入量不同，时间就不同，所以需要根据实际需求设定。
上述方法中，所述钻孔是指本煤层钻孔或穿层钻孔。本发明中所述钻孔不仅限于本煤层钻孔，也适用于穿层钻孔中超临界二氧化碳的封堵。
本发明的有益效果：
本发明提供的封堵装置可以实现煤层中超临界二氧化碳的高效封堵，同时保证注入钻孔内的二氧化碳维持在超临界状态；注入压力水的胶囊封孔器，可以与钻孔壁产生较强的摩擦力，有效抵抗注入超临界二氧化碳对封孔器产生的推力；封孔器之间注入的压力浆液可以渗入钻孔壁面，高效封堵钻孔周围的裂隙网络，实现“固体封液体，液体封气体”的主动式封堵，有效阻止超临界二氧化碳的散失；前端封孔器加热装置内的电热丝，可以加热前端封孔器金属端头，增加钻孔内的温度；装置中的温度控制器可以监测并调节钻孔内的温度，维持钻孔内的二氧化碳恒大于35℃，保持在超临界状态。本发明提供的封堵方法，操作容易，可靠性高，封堵效果好，在煤矿井下煤层超临界二氧化碳封堵领域中具有广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明的煤层超临界二氧化碳封堵装置的结构示意图。
图中：1-煤层；2-钻孔；3-前端封孔器金属端头；4-前端封孔器加热装置；5-前端封孔器胶囊；6-前端封孔器控制线；7-前端封孔器注水管；8-注浆管；9-后端封孔器胶囊；10-后端封孔器注水管；11-第一阀门；12-第一压力表；13-第二阀门；14-第二压力表；15-第三压力表；16-第三阀门；17-超临界二氧化碳注入管；18-第四压力表；19-第四阀门；20-温度控制器。
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1：
如图1所示，本发明的煤层超临界二氧化碳封堵装置，主要包括前端封孔器、后端封孔器、注浆管8、超临界二氧化碳注入管17、温度控制器20。所述前端封孔器用于封堵钻孔2并保持钻孔2内的温度，由前端封孔器金属端头3、前端封孔器加热装置4、前端封孔器胶囊5、前端封孔器注水管7组成；所述前端封孔器加热装置4包含温度传感器和电热丝，并通过前端封孔器控制线6与温度控制器20相连，用于监测、产生和调节钻孔2的温度；所述前端封孔器胶囊5通过前端封孔器注水管7与高压水源连接，前端封孔器注水管7上依次安装有第二阀门13和第二压力表14。所述后端封孔器用于封堵钻孔2，由后端封孔器胶囊9、后端封孔器注水管10组成；所述后端封孔器胶囊9通过后端封孔器注水管10与高压水源连接，后端封孔器注水管10上依次安装有第一阀门11和第一压力表12。所述前端封孔器与后端封孔器通过快速密封接头与超临界二氧化碳注入管17连接；所述超临界二氧化碳注入管17上依次安装有第三阀门16和第三压力表15，用于调节和监测超临界二氧化碳的注入压力。所述前端封孔器胶囊5与后端封孔器胶囊9之间设有注浆管8，用于向钻孔2内注入液体；所述注浆管8上依次安装有第四阀门19和第四压力表18，用于调节和监测浆液的注入压力。
本发明采用上述装置进行煤层超临界二氧化碳封堵的方法，包括以下步骤：
a、根据煤矿现场设计方案进行打钻，以本煤层钻孔为例，垂直于煤壁在煤层1内设置钻孔2；
b、在钻孔2施工完成后，进行煤层超临界二氧化碳封堵装置的组装：将前端封孔器、后端封孔器用快速密封接头与超临界二氧化碳注入管17连接在一起，将注浆管8安装在前端封孔器胶囊5与后端封孔器胶囊9之间，将前端封孔器控制线6与温度控制器20相连，将前端封孔器注水管7和后端封孔器注水管10分别与高压水源连接，将超临界二氧化碳注入管17与超临界二氧化碳气源相连，将注浆管8与注浆泵相连；
c、关闭第一阀门11、第二阀门13、第三阀门16、第四阀门19，将组装好的煤层超临界二氧化碳封堵装置送入钻孔2内设计位置；
d、打开第一阀门11、第二阀门13，分别向前端封孔器胶囊5和后端封孔器胶囊9中注入高压水，在第一压力表12、第二压力表14显示压力为4.0~6.0mpa时，分别关闭第一阀门11、第二阀门13；
e、打开第四阀门19，将封堵浆液通过注浆管8送入前端封孔器胶囊5与后端封孔器胶囊9之间，在第四压力表18显示压力为0.5~2.0mpa时，关闭第四阀门19；
f、开启温度控制器20，使前端封孔器加热装置4内的电热丝加热前端封孔器金属端头3，在温度控制器20显示温度大于35℃时，调整温度控制器20维持温度恒定，使钻孔内达到超临界二氧化碳所需的温度；
g、打开第三阀门16，通过超临界二氧化碳注入管17向钻孔2内注入超临界二氧化碳，并实时监测第三压力表15，保证超临界二氧化碳的注入压力不小于7.5mpa；
h、步骤g持续一定时间，该时间根据实际需求设定。
本发明的附图是以本煤层钻孔为例，但并不是针对钻孔施工方式的限定，本发明显然也适用于穿层钻孔中超临界二氧化碳的封堵。