本發(fā)明涉及煤層氣開采技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用超臨界二氧化碳驅(qū)替煤層瓦斯的裝置及方法。

背景技術(shù)：

煤層氣俗稱“瓦斯”，主要成分是甲烷，是在煤的生成和變質(zhì)過程中伴生的氣體，其儲(chǔ)量在我國非常豐富。煤層瓦斯熱值與常規(guī)天然氣相當(dāng)，是通用煤氣的 2 倍至 5 倍，燃燒后很少產(chǎn)生污染物，屬優(yōu)質(zhì)潔凈氣體能源。然而，由于我國煤層大多是低滲透煤層，致使瓦斯開采率低。

目前常用的瓦斯抽采方式是：密集鉆孔抽放瓦斯、水壓致裂抽、水力沖孔抽、開采解放層強(qiáng)化抽放、水力割縫抽放等。但這些現(xiàn)有技術(shù)對(duì)于改善煤層透氣性方面作用不大，根本不能解決我國煤層滲透性低，煤層瓦斯抽采率低的問題。

超臨界流體萃取技術(shù)是近三十年來發(fā)展起來的新的科學(xué)技術(shù)，超臨界二氧化碳作為一種很好的有機(jī)溶劑，及良好的物理化學(xué)性質(zhì)被廣泛應(yīng)用于萃取工序。二氧化碳臨界密度為 0.448g/cm3，是常用的超臨界流體中最高的，而超臨界流體的溶解能力隨流體密度的增加而增加，這就說明超臨界二氧化碳有著強(qiáng)大的對(duì)有機(jī)質(zhì)的萃取能力。鑒于超臨界二氧化碳的特殊性，廣大國內(nèi)外技術(shù)人員將超臨界二氧化碳作用在煤上進(jìn)行了各種試驗(yàn)，得出了當(dāng)超臨界二氧化碳被用作驅(qū)替煤層瓦斯的動(dòng)力氣體時(shí)，可溶解煤基質(zhì)中的部分有機(jī)質(zhì)，提高煤層孔隙率，改善低滲透煤層，驅(qū)替煤基質(zhì)微孔隙表面的瓦斯，提高煤層瓦斯游離態(tài)占比的結(jié)論。

雖然經(jīng)過各種試驗(yàn)，我們知曉了超臨界二氧化碳作用在煤上的效果，但是制備超臨界二氧化碳并注入煤層的技術(shù)仍存在不少問題，由于地面制備超臨界二氧化碳再注入煤層，注入期間超臨界二氧化碳能量會(huì)產(chǎn)生損失，致使最后被注入煤層的超臨界二氧化碳條件達(dá)不到，故至今為止仍沒有將超臨界二氧化碳大范圍工業(yè)化應(yīng)用在煤層瓦斯開采上的裝置問世，因此，怎樣避免超臨界二氧化碳能量損失，保證最后被注入煤層的超臨界二氧化碳狀態(tài)，使超臨界二氧化碳大范圍工業(yè)化安全高效的應(yīng)用在煤層瓦斯開采上是目前煤層氣開采技術(shù)領(lǐng)域重要的研究課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種利用超臨界二氧化碳驅(qū)替煤層瓦斯的裝置及方法；本發(fā)明可以避免超臨界二氧化碳能量損失，保證最后被注入煤層的超臨界二氧化碳的狀態(tài)，且結(jié)構(gòu)簡單，施工容易，成本低廉，安全高效，適于大范圍工業(yè)化將超臨界二氧化碳應(yīng)用在煤層瓦斯開采上，改善煤層滲透性，提高煤層瓦斯采收率。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種利用超臨界二氧化碳驅(qū)替煤層瓦斯的裝置，包括驅(qū)替煤層瓦斯裝置本體，所述驅(qū)替煤層瓦斯裝置本體包括上膠囊組和下膠囊組，所述上膠囊組內(nèi)設(shè)置有注漿區(qū)Ⅰ；所述下膠囊組內(nèi)設(shè)置有注漿區(qū)Ⅱ；所述上膠囊組和下膠囊組之間設(shè)置有超臨界二氧化碳輻射區(qū)。

進(jìn)一步的改進(jìn)，上述上膠囊組包括依次設(shè)置的膠囊Ⅰ和膠囊Ⅱ，所述膠囊Ⅰ和膠囊Ⅱ之間設(shè)置有注漿區(qū)Ⅰ；所述下膠囊組包括依次設(shè)置的膠囊Ⅲ和膠囊Ⅳ，所述膠囊Ⅲ和膠囊Ⅳ之間設(shè)置有注漿區(qū)Ⅱ；所述超臨界二氧化碳輻射區(qū)內(nèi)設(shè)置有加熱裝置，此設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)的地面制備超臨界二氧化碳變更至地下制備超臨界二氧化碳，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的地面制備超臨界二氧化碳再注入煤層的思想，創(chuàng)新性的在地下制備超臨界二氧化碳并將其直接注入煤層，避免了超臨界二氧化碳能量損失，保證最后被注入煤層的超臨界二氧化碳的狀態(tài)。

進(jìn)一步的改進(jìn)，上述加熱裝置為相變儲(chǔ)熱材料管，所述相變儲(chǔ)熱材料管內(nèi)設(shè)置有超臨界二氧化碳?xì)馇?，所述相變?chǔ)熱材料管上設(shè)置有定壓泄壓閥，使用相變儲(chǔ)熱材料管作為加熱源而不是大型的加熱器作為加熱源，原因一是價(jià)格低廉，二是結(jié)構(gòu)簡單，三是節(jié)省空間，四是使用相變儲(chǔ)熱材料管更容易實(shí)現(xiàn)在地下制備超臨界二氧化碳的目的；溫度越高，熱損失越快，越容易影響超臨界二氧化碳的生成，經(jīng)試驗(yàn)證明，二氧化碳加熱至45°C～70°C，是生成超臨界二氧化碳的最佳溫度；當(dāng)超臨界二氧化碳?jí)毫Φ扔?MPa時(shí)，相變儲(chǔ)熱材料管的定壓泄壓閥自動(dòng)開啟，超臨界二氧化碳被釋放并進(jìn)入煤層，利用定壓泄壓閥對(duì)即將進(jìn)入煤層的超臨界二氧化碳的壓力進(jìn)行確定，保證進(jìn)入煤層的超臨界二氧化碳的壓力為8MPa。

進(jìn)一步的改進(jìn)，上述定壓泄壓閥有1個(gè)~3個(gè)，定壓泄壓閥不可設(shè)置過多，過多會(huì)引起一些問題，比如觸發(fā)抵觸等。

進(jìn)一步的改進(jìn)，上述驅(qū)替煤層瓦斯裝置本體連通有泵，所述泵包括礦用封孔注漿泵、氣動(dòng)增壓泵和手動(dòng)注水泵；所述礦用封孔注漿泵與所述注漿區(qū)Ⅰ和注漿區(qū)Ⅱ相連通；所述氣動(dòng)增壓泵的輸入口連通有二氧化碳儲(chǔ)氣瓶，氣動(dòng)增壓泵的輸出口與所述超臨界二氧化碳?xì)馇幌噙B通；所述手動(dòng)注水泵與所述膠囊Ⅰ、膠囊Ⅱ、膠囊Ⅲ和膠囊Ⅳ相連通，所述礦用封孔注漿泵用來為本專利注入水泥漿，水泥漿用來對(duì)本專利進(jìn)行固定密封并對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔操作，所述氣動(dòng)增壓泵用來為二氧化碳加壓，所述手動(dòng)注水泵用來為本專利注入水，水對(duì)本專利進(jìn)行密封操作并對(duì)鉆孔內(nèi)部的氣壓進(jìn)行維持。

一種利用超臨界二氧化碳驅(qū)替煤層瓦斯的方法，包括以下步驟：

（1）在煤層中鉆孔；

（2）在鉆孔內(nèi)安裝下膠囊組和上膠囊組，上膠囊組和下膠囊組之間的空腔形成超臨界二氧化碳輻射區(qū)，上膠囊組包括依次設(shè)置的膠囊Ⅰ和膠囊Ⅱ，下膠囊組包括依次設(shè)置的膠囊Ⅲ和膠囊Ⅳ；

（3）向膠囊Ⅰ、膠囊Ⅱ、膠囊Ⅲ和膠囊Ⅳ內(nèi)注水；向膠囊Ⅰ和膠囊Ⅱ之間注漿，向膠囊Ⅲ和膠囊Ⅳ之間注漿；

（4）向超臨界二氧化碳輻射區(qū)內(nèi)的加熱裝置輸送高壓二氧化碳，獲得超臨界二氧化碳，超臨界二氧化碳從超臨界二氧化碳輻射區(qū)釋放并進(jìn)入煤層；本發(fā)明在超臨界二氧化碳輻射區(qū)內(nèi)制備超臨界二氧化碳并將其直接擴(kuò)散至煤層中，避免了在地面生成超臨界二氧化碳再導(dǎo)入煤層過程中的能量損失；

（5）靜置，使超臨界二氧化碳在煤層中充分?jǐn)U散；

（6）利用瓦斯抽采管進(jìn)行煤層瓦斯的抽采。

進(jìn)一步的改進(jìn)，上述步驟（1）中鉆孔的直徑大小為60 mm ~113mm，鉆孔深度大于等于10m，鉆孔軸線與水平面的夾角為-5°~5°，超臨界二氧化碳是一種液態(tài)和氣態(tài)共存，故而應(yīng)當(dāng)水平橫置或稍稍傾斜橫置。

進(jìn)一步的改進(jìn)，上述步驟（3）中所注的水的壓力大于等于9MPa。

進(jìn)一步的改進(jìn)，上述步驟（4）中高壓二氧化碳的壓力大于8MPa；步驟（4）中被釋放的超臨界二氧化碳的壓力等于8MPa，溫度為45°C～70°C。

進(jìn)一步的改進(jìn)，上述步驟（1）中的鉆孔與所述步驟（6）中的瓦斯抽采管間隔2米~3米交替布置，根據(jù)本發(fā)明影響的范圍，對(duì)鉆孔與瓦斯抽采管交替布置，提高煤層瓦斯采收率。

本發(fā)明具有如下有益效果：

本發(fā)明是轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的地面制備超臨界二氧化碳再注入煤層的思想，創(chuàng)新性的在地下制備超臨界二氧化碳并將其直接注入煤層，避免了超臨界二氧化碳能量損失，保證最后被注入煤層的超臨界二氧化碳狀態(tài)，本發(fā)明利用上膠囊組和下膠囊組進(jìn)行密封維持超臨界二氧化碳的壓力，保證超臨界二氧化碳的狀態(tài)，利用注漿區(qū)Ⅰ和注漿區(qū)Ⅱ進(jìn)行密封固定，保證超臨界二氧化碳與煤充分接觸，利用相變儲(chǔ)熱材料管將二氧化碳加熱至安全溫度45°C～70°C，避免因過高溫度引起的煤體自燃或瓦斯爆炸等事故，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，施工容易，適于大范圍工業(yè)化應(yīng)用，可安全高效的將超臨界二氧化碳應(yīng)用在煤層瓦斯開采上，改善煤層滲透性，提高煤層瓦斯開采率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明鉆孔與瓦斯抽采管布置位置示意圖；

圖中所示：1-鉆孔；2-膠囊Ⅰ；3-膠囊Ⅱ；4-膠囊Ⅲ；5-膠囊Ⅳ；6-注漿區(qū)Ⅰ；7-超臨界二氧化碳輻射區(qū)；8-注漿區(qū)Ⅱ；9-相變儲(chǔ)熱材料管；91-超臨界二氧化碳?xì)馇唬?2-定壓泄壓閥；10-礦用封孔注漿泵；101-注漿管；11-氣動(dòng)增壓泵；12-二氧化碳儲(chǔ)氣瓶；13-手動(dòng)注水泵；14-煤層；15-瓦斯抽采管。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

如圖所示，一種利用超臨界二氧化碳驅(qū)替煤層瓦斯的裝置，包括驅(qū)替煤層瓦斯裝置本體，所述驅(qū)替煤層瓦斯裝置本體包括上膠囊組和下膠囊組，所述上膠囊組內(nèi)設(shè)置有注漿區(qū)Ⅰ6；所述下膠囊組內(nèi)設(shè)置有注漿區(qū)Ⅱ8；所述上膠囊組和下膠囊組之間設(shè)置有超臨界二氧化碳輻射區(qū)7，所述上膠囊組包括依次設(shè)置的膠囊Ⅰ2和膠囊Ⅱ3，所述膠囊Ⅰ2和膠囊Ⅱ3之間設(shè)置有注漿區(qū)Ⅰ6；所述下膠囊組包括依次設(shè)置的膠囊Ⅲ4和膠囊Ⅳ5，所述膠囊Ⅲ4和膠囊Ⅳ5之間設(shè)置有注漿區(qū)Ⅱ8；所述超臨界二氧化碳輻射區(qū)7內(nèi)設(shè)置有加熱裝置，所述加熱裝置為相變儲(chǔ)熱材料管9，所述相變儲(chǔ)熱材料管9內(nèi)設(shè)置有超臨界二氧化碳?xì)馇?1，所述相變儲(chǔ)熱材料管9上設(shè)置有定壓泄壓閥92，所述定壓泄壓閥92有1個(gè)~3個(gè)，所述驅(qū)替煤層瓦斯裝置本體連通有泵，所述泵包括礦用封孔注漿泵10、氣動(dòng)增壓泵11和手動(dòng)注水泵13；所述礦用封孔注漿泵10與所述注漿區(qū)Ⅰ6和注漿區(qū)Ⅱ8相連通；所述氣動(dòng)增壓泵11的輸入口連通有二氧化碳儲(chǔ)氣瓶12，氣動(dòng)增壓泵11的輸出口與所述超臨界二氧化碳?xì)馇?1相連通；所述手動(dòng)注水泵13與所述膠囊Ⅰ2、膠囊Ⅱ3、膠囊Ⅲ4和膠囊Ⅳ5相連通。

一種利用超臨界二氧化碳驅(qū)替煤層瓦斯的方法，包括以下步驟：

（1）在煤層中鉆孔；

（2）在鉆孔內(nèi)安裝下膠囊組和上膠囊組，上膠囊組和下膠囊組之間的空腔形成超臨界二氧化碳輻射區(qū)，上膠囊組包括依次設(shè)置的膠囊Ⅰ和膠囊Ⅱ，下膠囊組包括依次設(shè)置的膠囊Ⅲ和膠囊Ⅳ；

（3）向膠囊Ⅰ、膠囊Ⅱ、膠囊Ⅲ和膠囊Ⅳ內(nèi)注水；向膠囊Ⅰ和膠囊Ⅱ之間注漿，向膠囊Ⅲ和膠囊Ⅳ之間注漿；

（4）向超臨界二氧化碳輻射區(qū)內(nèi)的加熱裝置輸送高壓二氧化碳，獲得超臨界二氧化碳，超臨界二氧化碳從超臨界二氧化碳輻射區(qū)釋放并進(jìn)入煤層；

（5）靜置，使超臨界二氧化碳在煤層中充分?jǐn)U散；

（6）利用瓦斯抽采管進(jìn)行煤層瓦斯的抽采。

所述步驟（1）中鉆孔的直徑大小為60 mm ~113mm，鉆孔深度大于等于10m，鉆孔軸線與水平面的夾角為-5°~5°，所述步驟（3）中所注的水的壓力大于等于9MPa，所述步驟（4）中高壓二氧化碳的壓力大于8MPa；步驟（4）中被釋放的超臨界二氧化碳的壓力等于8MPa，溫度為45°C～70°C，所述步驟（1）中的鉆孔與所述步驟（6）中的瓦斯抽采管間隔2米~3米交替布置。

超臨界二氧化碳進(jìn)入煤層后發(fā)生萃取作用、競爭吸附置換作用、過濾吸附置換作用、增能驅(qū)動(dòng)作用、壓裂作用和降低分壓作用，提高煤的孔隙率，拓寬煤層瓦斯的滲流通道，提高煤層的滲透性，驅(qū)替煤層瓦斯，提高煤層瓦斯抽采率；

1）萃取作用：煤中極性較低的碳?xì)浠衔锖皖愔袡C(jī)化合物被超臨界二氧化碳萃取出來；

2）競爭吸附置換作用和過濾吸附置換作用：煤對(duì)二氧化碳的吸附能力比對(duì)瓦斯的吸附能力強(qiáng)，超臨界二氧化碳與煤基質(zhì)微孔隙表面的瓦斯發(fā)生競爭吸附置換作用和過濾吸附置換作用；

3）增能驅(qū)動(dòng)作用：超臨界二氧化碳驅(qū)動(dòng)煤層孔隙中的瓦斯；

4）壓裂作用：超臨界二氧化碳增加煤層孔隙率，使煤層孔隙連通性在高壓氣體作用下得到增強(qiáng)的，氣體的滲流通道增多，進(jìn)而達(dá)到壓裂作用；

5）降低分壓作用：煤基質(zhì)微孔隙表面的瓦斯被超臨界二氧化碳置換解吸后擴(kuò)散進(jìn)入煤孔孔隙裂隙網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致煤基質(zhì)內(nèi)外存在壓力差，由于壓力差的存在使得內(nèi)部高壓瓦斯逐漸降壓后持續(xù)解吸。

煤中極性較低的碳?xì)浠衔锖皖愔袡C(jī)化合物，如酯、醚、內(nèi)脂類、環(huán)氧化合物等可在7~10MPa較低壓力范圍內(nèi)被超臨界二氧化碳萃取出來，煤基質(zhì)或煤孔隙裂隙中的極性較低的碳?xì)浠衔锖王ヮ愑袡C(jī)化合物在這一過程中就被溶解，進(jìn)而煤的孔隙率提高，知滲透率和孔隙率的關(guān)系為：

k0=n3 0/c（1-n0）2S2，

式中，k0--滲透率，D，

n0--孔隙率，

S --煤比表面積，

c --無量綱常系數(shù)。

煤基質(zhì)或煤孔隙裂隙中的部分有機(jī)化合物被超臨界二氧化碳萃取，隨著氣流自煤層瓦斯的滲流通道流出，煤孔隙裂隙體積增大數(shù)量增多，煤層瓦斯的滲流通道變寬，煤層的滲透性提高，又由于壓力梯度煤層瓦斯產(chǎn)生解吸，吸附在煤基質(zhì)微孔隙表面的氣體由吸附態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)。

煤對(duì)二氧化碳的吸附量是瓦斯的2倍～8倍，所述超臨界二氧化碳同時(shí)擁有氣體和液體兩種相態(tài)的性質(zhì)，氣態(tài)身份的超臨界二氧化碳與煤層瓦斯進(jìn)行競相吸附，達(dá)到進(jìn)一步促使吸附在煤基質(zhì)微孔隙表面的瓦斯氣體解吸，并且所述超臨界二氧化碳以氣態(tài)相和液態(tài)相的性質(zhì)同時(shí)在滲流通道內(nèi)流動(dòng)，促使煤層瓦斯以更快的速度進(jìn)行滲流。

本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。