CN101113666B

CN101113666B - 一种煤层气开采方法

Info

Publication number: CN101113666B
Application number: CN 200710145879
Authority: CN
Inventors: 赵昱
Original assignee: ENN Science and Technology Development Co Ltd
Current assignee: ENN Science and Technology Development Co Ltd
Priority date: 2007-09-04
Filing date: 2007-09-04
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2027-09-04
Also published as: CN101113666A

Abstract

本发明公开了一种煤层气开采方法，该技术具体为：①设置包括竖井和横向延伸通道的进气井；②在所述横向延伸通道一侧或两侧设置出气井；③以公知方式，利用高压流体对煤层进行压裂处理；④点燃出气井底部的煤层，并同时向进气井内注入高压空气或高压氧气，利用进气井与出气井之间的压差，以及煤层中的水和氧趋向出气井燃烧点的特性，在进气井与出气井之间建立起由煤层裂隙构成的气流通道；⑤收集出气井排出的混合气，对其进行处理后即得到煤层气，并取出部分煤层气完全燃烧，将燃烧后的高温烟气回注进气井，以维持出气井的稳定产气。本发明克服了低渗、低压、低饱和等不利因素的影响，实现了煤层气的商业生产。

Description

一种煤层气开采方法

技术领域

本发明属于煤层气开采技术领域，涉及一种利用热能和二氧化碳开采煤层气的方法。

背景技术

在特定的地质条件下，例如沁水盆地、鄂尔多斯盆地、两淮煤田，地下煤层中蕴藏有大量的以甲烷为主要成分的煤层气，开发利用煤层气对调整我国能源结构，减少温室气体排放，改善煤矿安全条件，解决煤矿瓦斯灾害问题，都具有重大意义。

目前生产煤层气主要以地面垂直钻井或在煤层中设置羽状水平井的方式进行，即：在地面垂直钻井到地下煤层，地下煤层中的煤层气析出到井中，然后从井口排出。利用该开发技术，在美国San Juan盆地获得了最高28×10⁴m³/d，平均2×10⁴m³/d的单井产量，在Black Warrior盆地也获得了平均稳产6000-8000m³/d的单井产量。

经研究发现，中国煤储层具有与北美大陆完全不同的成煤和煤化作用地质条件，由于煤盆地变形演化历史复杂，地壳运动多期叠加、构造活动复杂多样、多阶段演化和多热源叠加变质作用明显，所以中国的煤层气藏的地质条件和储层物性表现出自身固有的：低渗、低压、低饱和、强烈的非均质性、煤田具有高应力构造环境、以及高阶煤煤层等特点，这些特点会对煤层气的开采造成困难，其中低渗无法形成以抽放井为半径的大范围的解吸-扩散-渗流圈，低压及低饱和造成气体解吸量很少甚至不能解吸，非均质性使井筒影响范围特别小，限制了煤层气井的产能，煤田的高应力构造极大地降低了煤储层的渗透率，煤层中的高阶煤则因其强吸附性以及低渗条件，使常规的地面垂直井开发煤层气难以取得满意的效果。

因此，针对中国这种具有特殊性的煤储层，如何有效地进行煤层气的开发和降低成本，成为人们需要解决的一个难题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种利用热能和二氧化碳开采煤层气的方法，该技术可有效克服低渗、低压、低饱和、强烈非均质性、高应力构造环境、以及高阶煤煤层等因素所带来的不利影响，实现中国地质条件下煤层气的高效开发。

为实现上述目的，本发明一种煤层气开采方法具体为：

(1)设置进气井，该进气井包括竖井和横向延伸通道，其中竖井由地面钻进至地下煤层，横向延伸通道则设置在地下煤层中，竖井与横向延伸通道相连通；

(2)设置出气井，在所述横向延伸通道一侧或两侧设置出气井，该出气井与横向延伸通道间隔设置；

(3)以公知方式，利用高压流体对煤层进行压裂处理；

(4)点燃出气井底部的煤层，并同时向进气井内注入高压空气或高压氧气，利用进气井与出气井之间的压差，以及煤层中的水和进气井所注入气体中的氧气趋向出气井燃烧点的特性，在进气井与出气井之间建立起由煤层裂隙构成的气流通道，收集从出气井排出的混合气；

(5)待进气井内的压力出现明显下降后，将收集的步骤(4)中所述的从出气井排出的混合气进行完全燃烧，并将燃烧后的高温气体回注到进气井中，直至出气井中的燃烧煤层熄灭；

(6)继续收集出气井排出的步骤(5)中所述混合气，该混合气即为所生产的煤层气，取出部分煤层气进行完全燃烧来制备高温气体，然后将制备的高温气体回注到进气井中，以维持煤层气的正常生产。

进一步，步骤(6)中所述的高温气体即为所取出的部分煤层气燃烧后产生的高温烟气。

进一步，在步骤(6)中，首先从生产的煤层气中分离出其中的二氧化碳，然后将这些二氧化碳与所取出的部分煤层气燃烧后产生的高温烟气进行混合，即得到所述的高温气体。

进一步，在步骤(6)中，首先从生产的煤层气中分离出其中的二氧化碳，然后燃烧所取出的部分煤层气对分离出的二氧化碳进行加热，被加热后的二氧化碳即为所述的高温气体。

进一步，在步骤(6)中，首先从生产的煤层气中分离出其中的甲烷，然后燃烧所取出的部分煤层气对分离出的甲烷进行加热，被加热后的甲烷即为所述的高温气体。

进一步，所述高压流体为高压水，在利用高压水对煤层进行压裂处理过程中，同时以公知方式利用高压水携带固体颗粒对压裂后的煤层裂隙进行支撑，然后排出进气井中的水后，进入下步工序。

进一步，所述的高压流体为高压气体，并且在上述步骤(5)中，利用高压气流携带固体颗粒到煤层裂隙中，对煤层裂隙进行支撑。

进一步，所述横向延伸通道内设置有由钢筋笼或侧壁上密布通孔的筛管构成的支护装置，或所述横向延伸通道经过热气流加强处理。

进一步，所述进气井包括两个竖井，该两竖井分别位于所述横向延伸通道两端。

进一步，所述横向延伸通道一侧或两侧分别设置有至少两个出气井，同侧出气井之间间隔排列。

经研究发现，煤储层中的煤对于不同的气体具有不同的吸附能力，其中对CO₂的吸附力大于对CH₄的吸附力，并且提高煤层温度，可加快煤层气的解吸速率并提高解吸量，而本发明方法所采取的：①通过向进气井输入高温气体，提高煤层的温度；②提高回注气体中CO₂的含量，利用CO₂来置换煤层中的CH₄；③通过设置横向延伸通道并间隔设置出气井，扩大工作面所覆盖的煤层范围；④利用固体颗粒支撑煤层裂隙，来稳定煤层裂隙；等技术手段均有助于煤层气的解吸，因此，在中国特殊的煤层地质条件下，利用本发明可有效地提高煤层气的单井产量，降低煤层气的开采成本。

附图说明

图1为本发明技术中进气井、出气井平面布置图；

图2为图1中A-A视图；

图3为图1中B-B视图。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示为本发明一个优选的实施例，在该实施例中，进气井包括间隔设置的两个竖井，两竖井之间通过横向延伸通道相连通，其中竖井由地面钻进至地下煤层，横向延伸通道则位于地下煤层中；横向延伸通道两侧分别设置有三个出气井，每侧的三个出气井均沿横向延伸通道方向排列，出气井与横向延伸通道之间间隔设置，同侧出气井之间同样间隔设置。

根据需要，进气井也可仅设置一个竖井，也可沿延伸通道间隔设置多个竖井。同样，根据需要，出气井也可只在横向延伸通道一侧设置，并且可灵活调整出气井的数量。

另外，为了横向延伸通道的稳固，除了可在横向延伸通道内设置由钢筋笼或侧壁上密布通孔的筛管构成的支护装置外，也可以利用已知的热气流强化技术对其进行强化处理。

设置好进、出气井后，以公知方式利用高压水或高压气体对煤层进行压裂处理。

当采用高压水进行煤层的压裂处理时，可同时在水中加入固体颗粒，利用高压水流将固体颗粒携带到煤层裂隙中，对煤层裂隙进行支撑，以保持煤层裂隙的稳定。

当采用高压气体进行煤层的压裂处理时，也可在气体中加入固体颗粒，利用高压气流携带固体颗粒到煤层裂隙中，对煤层裂隙进行支撑。但由于利用高压气体进行压裂处理时，气流流速比较小，因此为了避免过多的固体颗粒沉降在横向延伸通道中，固体颗粒最好在后续步骤中加入。即：在后续步骤中，进气井压力出现明显下降、进气井与出气井之间建立起气流通道后，再向气体中加入固体颗粒，这样就可以利用高压气流将固体颗粒有效地送到煤层裂隙中，完成对煤层裂隙的支撑。

点燃出气井底部的煤层，并同时向进气井内注入高压空气或高压氧气，利用进气井与出气井之间的压差，以及煤层中的水和氧趋向出气井燃烧点的特性，在进气井与出气井之间快速建立起由煤层裂隙构成的气流通道。其具体机理为：煤层经过压裂处理后，进气井周围的煤层中将出现大量的微小裂隙，向进气井中注入高压空气或高压氧气后，高压气体将压向这些煤层裂隙，并因进气井与出气井之间存在压差，而使煤层裂隙中的水和/或气体趋向出气井(注：采用高压水进行压裂处理后，排出进气井中的水后，煤层裂隙中仍然存在水，而采用高压气体进行煤层的压裂处理时，由于地下水的存在，部分煤层裂隙中也会存在水)；这时点燃出气井底部煤层后，随着燃烧后高温烟气的上升，出气井底部将产生负压，由此进一步加大进、出气井之间的压差；同时，随着燃烧点煤层裂隙中的水及氧气被消耗，外围裂隙中的水及氧气将被吸引补充到燃烧点，并且被吸引的范围不断向更深层的煤层发展，由此进一步加大高压气体通过煤层裂隙从进气井压向出气井的趋势，并最终在进、出气井之间建立起由煤层裂隙构成的气流通道。

利用点燃出气井底部煤层的方式，强化高压气体从进气井向出气井流动的趋势，从而为在进、出气井之间快速建立起气流通道创造了条件。比仅仅依靠进、出气井之间的压差来建立气流通道效果更加明显。

待进气井内的压力出现明显下降后，将收集的从出气井排出的混合气经过脱硫后进行完全燃烧，并将燃烧后的高温烟气回注到进气井中，直至出气井中的燃烧煤层熄灭；

继续收集出气井排出的混合气，经过脱硫，一部分在锅炉或者其它燃烧器中直接燃烧后回注到进气井中，另一部分脱水、分离二氧化碳、脱其它组分后制得纯度高的煤层气，作为产品提供给客户。

分离出的二氧化碳可以部分或全部与燃烧后的高温烟气混合升温后回注到进气井，以保持出气井的正常生产。这样既降低二氧化碳的排放，又进一步加强二氧化碳置换的效果。在出气井产出的混合气中分离出甲烷并将部分甲烷完全燃烧后的热烟气通过进气井注入到煤层中，烟气中富含的热二氧化碳和氮气可以通过煤层内的煤层裂隙广泛地加热煤层，在热作用下煤层所吸附甲烷的解析速度将成倍增加，二氧化碳还可以将煤层中蕴含的甲烷替代出来。同时，加热煤层有利于煤所含挥发分的热解和解析，也将大大的提高煤层气的产量。

利用本发明的方法，可以有效地在煤层内形成多重裂隙并形成良好的煤层气溢出通道，通过对煤层裂隙内煤体的加热、二氧化碳对煤层所吸附甲烷的替代和加强煤层内挥发分的热解和析出，可大大提高煤层气的产量，从而实现有效地提高煤层气的单井产量，降低煤层气的开采成本的目的。

在进、出气井之间建立起有效的气流通道后，为了保持煤层气的正产生产，既可以向进气井回注部分煤层气燃烧后产生的高温烟气，也可向进气井回注二氧化碳和高温烟气进行混合后得到的混合气，还可回注经过加热升温后的单纯的二氧化碳气体或甲烷气体。由于在煤层气的后期处理中，从煤层气中分离二氧化碳比分离氮气要容易的多，因此当回注单纯的二氧化碳或甲烷气体时，可方便煤层气的后期分离处理。尤其是回注甲烷气体，还能达到提纯煤层气的效果。

在本发明方法中，除了利用固体颗粒支撑煤层裂隙来保持煤层裂隙的稳定外，穿过煤层裂隙的气流也具有强化煤层裂隙，提高其稳定性的作用。

Claims

1.一种煤层气开采方法，其具体为：

(3)以公知方式，利用高压流体对煤层进行压裂处理；

(6)继续收集出气井排出的步骤(5)中所述的混合气，该混合气即为所生产的煤层气，取出部分煤层气进行完全燃烧来制备高温气体，然后将制备的高温气体回注到进气井中，以维持煤层气的正常生产。

2.如权利要求1所述的一种煤层气开采方法，其特征在于，步骤(6)中所述的高温气体即为所取出的部分煤层气燃烧后产生的高温烟气。

3.如权利要求1所述的一种煤层气开采方法，其特征在于，在步骤(6)中，首先从生产的煤层气中分离出其中的二氧化碳，然后将这些二氧化碳与所取出的部分煤层气燃烧后产生的高温烟气进行混合，即得到所述的高温气体。

4.如权利要求1所述的一种煤层气开采方法，其特征在于，在步骤(6)中，首先从生产的煤层气中分离出其中的二氧化碳，然后燃烧所取出的部分煤层气对分离出的二氧化碳进行加热，被加热后的二氧化碳即为所述的高温气体。

5.如权利要求1所述的一种煤层气开采方法，其特征在于，在步骤(6)中，首先从生产的煤层气中分离出其中的甲烷，然后燃烧所取出的部分煤层气对分离出的甲烷进行加热，被加热后的甲烷即为所述的高温气体。

6.如权利要求1所述的一种煤层气开采方法，其特征在于，所述高压流体为高压水，在利用高压水对煤层进行压裂处理过程中，同时以公知方式利用高压水携带固体颗粒对压裂后的煤层裂隙进行支撑，然后排出进气井中的水后，进入下步工序。

7.如权利要求1所述的一种煤层气开采方法，其特征在于，所述高压流体为高压气体，并且在上述步骤(5)中，利用高压气流携带固体颗粒到煤层裂隙中，对煤层裂隙进行支撑。

8.如权利要求1所述的一种煤层气开采方法，其特征在于，所述横向延伸通道内设置有由钢筋笼或侧壁上密布通孔的筛管构成的支护装置，或所述横向延伸通道经过热气流加强处理。

9.如权利要求1所述的一种煤层气开采方法，其特征在于，所述进气井包括两个竖井，该两竖井分别位于所述横向延伸通道两端。

10.如权利要求1所述的一种煤层气开采方法，其特征在于，所述横向延伸通道一侧或两侧分别设置有至少两个出气井，同侧出气井之间间隔排列。