一种煤层分步注水注氮压裂的瓦斯抽采系统
技术领域
本实用新型涉及瓦斯抽采技术领域，尤其是一种煤层分步注水注氮压裂的瓦斯抽采系统。
背景技术
煤矿瓦斯是影响矿井安全生产的重压灾害因素，目前水力压裂技术是较为有效的煤层增透技术，该方法可以较好的治理工作面瓦斯。但是由于煤层地质条件的复杂，注水压裂效果时好时坏，尤其是质软煤体，由于弹性形变较大，所以压裂效果不佳。目前对于质软煤体多采用水力切割技术进行增透，但是水力切割技术不像水力压裂技术操作简便，并且水力切割技术会产生大量废水，污染工作面环境。现有的水力压裂、瓦斯抽采和封孔装置都是独立施工操作的，这使得施工的协调性差，不能快速高效的施工。为此，非常有必要，设计一种可快速、高效、环保的煤层压裂增透的瓦斯抽采系统。
实用新型内容
为了解决注氮、注水、瓦斯抽采系统结合的布置问题，快速产生水楔用于压裂增透，提高抽采效率，本实用新型提供了一种煤层分步注水注氮压裂的瓦斯抽采系统，具体技术方案如下。
一种煤层分步注水注氮压裂的瓦斯抽采系统，包括注氮装置、水压装置、瓦斯抽采装置和封孔装置；所述注氮装置的注氮泵连接汇总管，汇总管上并联布置有注氮管，注氮管上设置有压力表、阀门和流量计；所述水压装置的注水泵连接注水干管，注水干管上并联布置有多个注水支管，注水支管上设置有压力表、阀门和流量计；所述封孔装置包括胶囊封孔器和连管，连管连通注水支管和胶囊封孔器，连管上设置有阀门和压力表；所述瓦斯抽采装置连通注水干管，瓦斯抽采装置还设置有瓦斯排放器；所述汇总管配置在注水干管的管道内，注氮管配置在注水支管的管道内，胶囊封孔器套设在注水支管的管道外表面；所述注水支管和注氮管伸入压裂钻孔内，压裂钻孔之间设置有监测钻孔。
优选的是，汇总管固定在注水干管的管壁内侧，注氮管固定在注水支管的管壁内侧。
还优选的是，注水干管的直径大于汇总管的直径的2倍，注水支管的直径大于注氮管直径的2倍。
还优选的是，汇总管的直径大于注氮管直径的2倍，注水干管的直径大于注水支管直径的2倍。
进一步优选的是，注氮管伸入压裂钻孔内的长度大于注水支管伸入压裂钻孔内的长度。
进一步优选的是，注水支管通过连接法兰和注水干管相连。
进一步优选的是，注水干管上设置有压力表，注水干管和瓦斯抽采装置之间设置有阀门。
本实用新型提供的一种煤层分步注水注氮压裂的瓦斯抽采系统有益效果是：将注氮、注水和瓦斯抽采系统集中布置，尤其是将注氮管设置在注水支管内部，从而在水力压裂过程中通过注氮产生水楔用于压裂增透，继续注水时改善压裂效果，提高瓦斯抽采效率；另外封孔装置和水压装置共用水泵，方便了封孔作业，注水管路完成压裂后继续抽采，实现一管多用。另外该系统还具有操作灵活、增透效率高、用水量少等优点。
附图说明
图1是煤层分步注水注氮压裂的瓦斯抽采系统示意图；
图2是压裂钻孔布置情况示意图；
图中：1-注氮泵，2-汇总管，3-注氮管，4-注水泵，5-注水干管，6-注水支管，7-胶囊封孔器，8-连管，9-瓦斯抽采装置，10-瓦斯排放器，11-压力表，12-阀门，13-流量计，14-煤层，15-压裂钻孔，16-监测钻孔，17-单向阀，18-喇叭口。
具体实施方式
结合图1至图2所示，对本实用新型提供的一种煤层分步注水注氮压裂的瓦斯抽采系统的具体实施方式进行说明。
一种煤层分步注水注氮压裂的瓦斯抽采系统具体的结构包括注氮装置、水压装置、瓦斯抽采装置和封孔装置，水压装置用于煤层注水并施工水压致裂，注氮装置与水压装置配合增加煤体脆性、提高水楔作用和高压裂增透效率，瓦斯抽采装置利用水压装置的水管抽采瓦斯，封孔装置与水压装置共用水泵并配合封堵钻孔。该系统将注氮、注水和瓦斯抽采系统集中布置，从而在水力压裂过程中通过注氮产生水楔用于压裂增透，继续注水时改善压裂效果，提高瓦斯抽采效率。
其中注氮装置的注氮泵1连接汇总管2，汇总管2上并联布置有注氮管3，注氮管3上设置有压力表11、阀门12和流量计13，阀门12设置在注氮管3的下游，压力表11设置在阀门12的上游，流量计13设置在阀门12的下游。水压装置的注水泵4连接注水干管5，注水干管5上并联布置有多个注水支管6，可以根据压裂钻孔15的布置数量安装，注水支管6上设置有压力表11、阀门12和流量计13，阀门12设置在注水支管6的下游，压力表11设置在阀门12的上游，流量计13设置在阀门12的下游。封孔装置包括胶囊封孔器7和连管8，连管连通注水支管6和胶囊封孔器7，注水泵4可以直接向胶囊封孔器供水，从而方便封孔操作，连管上设置有阀门12和压力表11，用于控制封孔施工并监测封孔的效果。瓦斯抽采装置9连通注水干管5，水压致裂后，瓦斯抽采装置9提供负压，从而将煤层中的瓦斯通过注水管抽出，瓦斯抽采装置9还设置有瓦斯排放器10，用于释放收集的瓦斯气体。汇总管2配置在注水干管5的管道内，注氮管3配置在注水支管6的管道内，将注氮的管道布置在注水的管道内不会影响注水，并且方便了注氮管道的安装，相比于独立的注氮和注水操作，这种操作方式更加灵活，并且在同一钻孔内注氮产生水楔压裂煤层的效果更好。胶囊封孔器7套设在注水支管6的管道外表面，胶囊封孔器7根据需要在注水支管6上设置一定的长度，随注水支管6一起伸入压裂钻孔。注水支管6和注氮管3伸入压裂钻孔内，压裂钻孔15之间设置有监测钻孔16，监测钻孔16用于监测压裂效果。
汇总管2可以固定在注水干管的管壁内侧，注氮管3可以固定在注水支管6的管壁内侧。另外注氮管3还可以通过固定杆固定在注水支管的轴线位置。注水干管6的直径大于汇总管的直径的2倍，注水支管6的直径大于注氮管直径的2倍，从而保证注氮管3在注水管内的安装，以及注水注氮系统整体的稳定性。汇总管2的直径大于注氮管3直径的2倍，注水干管5的直径大于注水支管6直径的2倍，从而汇总管2可以保证连接多个注氮管同时施工，注水干管5在多个压力钻孔同时施工。注氮管3伸入压裂钻孔内的长度大于注水支管6伸入压裂钻孔内的长度，所以注氮管3可以伸至压裂区域注氮，快速产生水楔用于压裂增透。
注水支管6通过连接法兰和注水干管6相连，从而方便注水支管的安装，以及注氮管的安装维护。在注氮管3的末端还可以设置单向阀17，从而避免钻孔中的水灌入注氮管3中。另外在注氮管3伸入压裂钻孔部分的末端，还可以设置喇叭口18，喇叭口18抵在煤体上，从而避免注氮回流；或者通过注水支管6的连接法兰处打开，回拉注氮管3，使注氮管的喇叭口18和注水支管6的管口卡合，也可以有效避免注氮回流，破坏管道。注水干管6上设置有压力表11，注水干管6和瓦斯抽采装置9之间设置有阀门，通过该阀门的开闭可以控制瓦斯的抽采。注水支管6在钻孔外的部分还可以引出泄水管，放出管道内残余的水。
为进一步说明一种煤层分步注水注氮压裂的瓦斯抽采系统，对其使用方法及步骤作进一步的说明。
步骤一，布置压裂钻孔和监测钻孔，在巷道内对压裂钻孔和监测钻孔进行标记，并进行施工；
步骤二，安装煤层分步注水注氮压裂的瓦斯抽采系统，胶囊封孔器随注水支管安装至压力钻孔内，随即将胶囊封孔器通过连管接入注水干管，通过注水泵对胶囊封孔器进行注水，当连管上的压力表水压升至5MPa时，胶囊封孔器完成封孔。
步骤三，利用注氮装置将氮气注入压裂钻孔，氮气沿钻孔裂隙进入煤体内部，迅速将煤体冷冻，增加煤体的脆性。停止注氮后立即注水压裂作业，通过水压装置的注水支管进行注水作业，观测注水支管上的压力表和流量计。初始注水压力设定为10MPa，通过监测钻孔监测，若监测钻孔未发现漏液，则将压力调高至50MPa。若煤体硬度过高，则将水力压裂调高至90MPa。通过监测钻孔的漏液情况判断压裂的效果，当压裂效率不高时，可以先进行注水，注水段时间后停止，随机快速注氮，使缝隙中的水迅速膨胀结冰，冰起到了支撑剂的作用。随后继续进行注水，缝隙中的冰起到水楔的作用，类似楔子的效果将煤体撑裂，提升致裂的效果。
步骤四，压裂结束后，关闭注水泵和瓦斯抽采装置之间的阀门，同时将瓦斯抽采装置的抽放管接入到负压状态，接入抽采负压可设定为2MPa左右进行抽采。
当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。
