CN101122217A - 井下抽排巷混合气体驱替煤层气开采系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下抽排巷混合气体驱替煤层气开采系统及其方法，涉及一种煤层气开采技术。本开采方法包括下列步骤：①将各种气体形成一种混合气体；混合气体包括强置换气体中的一种或几种，强置换气体包括H₂S、SO₂、CO₂；混合气体还包括弱置换气体中的一种或几种，弱置换气体包括N₂、H₂、He；②利用高压注入设备将混合气体通过注入孔(1)注入煤层(5)中；③同时利用抽排设备在抽排孔(6)中获取含有煤层气的气体，直到获取的甲烷浓度低于经济开采浓度和安全浓度为止。本发明提高煤层气的采收率和单产量；温室气体减排效果十分显著；同时也有减少瓦斯突出风险的效果；适用于低渗透可开采煤层的煤层气开采领域。

Description

井下抽排巷混合气体驱替煤层气开采系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种煤层气开采技术，尤其涉及一种井下抽排巷混合气体驱替煤层气开采系统及其方法。

背景技术

煤层气属于非常规天然气，俗称瓦斯，由CH₄、CO₂、O₂、N₂、CO、H₂S、NO_x等气体组成的混合气体，主要成分是CH₄(甲烷)，占80～90％。它是成煤过程中生成后以吸着和游离状态赋存于煤层及周围岩层的天然气体。

2005年，全国井下抽采煤矿瓦斯近23亿m³，利用量约10亿m³，释放瓦斯约150亿m³。低预抽率的直接后果是：污染环境(煤炭开采、加工、运输过程中约150亿m³的煤层气排向大气，相当于排放2.3亿tCO_2e)，浪费资源，瓦斯灾害频繁，采煤效率低下。

我国煤层大多含气量较高，平均含气量10m³/t以上的矿区，占41％；但煤层的渗透率较低，一般为0.002～16.17mD(毫达西)。其中，渗透率小于1.0mD的占72％，非常不利于煤层气的开采和利用。我国煤层普遍渗透率低、解吸速度慢而导致绝大多数煤层试验井产量低、衰减快、难以形成稳定的工业性气流。

当前技术比较成熟的煤层气开采方式有地面垂直井、地面采动区井、井下水平孔(即煤矿井下瓦斯抽放)和废弃矿井。这几种方式采用单纯抽采。为了提高煤层气单产量，还采用定向羽状分支水平孔技术、水压致裂增渗、解放层增渗等技术，取得了一定的效果。当前井下煤层气开采主要还是水平井抽采为主，采用负压抽取煤层气；煤层气的采收率较低，同时水平孔的深度有限，抽采的影响范围有限，容易在采区的中部形成煤层气开采空白带，浪费了大量煤层气资源。

目前驱替开采煤层气的方法多种多样，例如：水驱替、CO₂驱替、N₂驱替煤层气技术。水驱替煤层气的效果有待商榷；CO₂驱替煤层气效果好，但是会引起煤基质膨胀，降低煤层的渗透性，影响煤层的注入性，导致注入困难，并不适合我国的低渗煤层；N₂驱替煤层气的效果较好，但其置换效果有限；同时CO₂和N₂的分离成本较贵，影响煤层气驱替开采的经济性。

总体上，井下煤层气开采的效果还有待提高。开发新型的煤层气增产技术方式对于我国煤炭企业具有经济、安全和环保等方面的多重意义，必须寻找一种经济的、采收率高的煤层气开采方法。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，扩大现有技术的使用范围，提供一种井下抽排巷混合气体驱替煤层气开采系统及其方法。

该方法不仅有利于提高煤层气的采收率、采收速度和采收范围，同时在不可开采煤层中存储废弃和温室气体。

本发明的目的是这样实现的：

一、井下抽排巷混合气体驱替煤层气开采系统(简称本开采系统)

如图1、2，本开采系统包括包括煤层(5)、机巷(2)、风巷(3)、抽排巷(4)和抽排孔(6)；

在煤层(5)平面的周围有机巷(2)和风巷(3)，在煤层(5)上方或下方有抽排巷(4)，在煤层(5)中有若干抽排孔(6)；

在抽排巷(4)中设置有与煤层(5)连通的若干注入孔(1)。

在地下煤层气采区由煤层(5)、机巷(2)、风巷(3)、抽排巷(4)和和抽排孔(6)组成了一种常规的的巷道抽排系统；通过设置注入孔(1)，从而形成了本发明的一种井下抽排巷混合气体驱替煤层气开采系统。

二、井下抽排巷混合气体驱替煤层气开采方法(简称本开采方法)

本开采方法是以本系统为作业平台，包括下列步骤：

①将各种气体形成一种混合气体；混合气体包括强置换气体中的一种或几种，强置换气体包括H₂S、SO₂、CO₂；混合气体还包括弱置换气体中的一种或几种，弱置换气体包括N₂、H₂、H_e；

②利用高压注入设备将混合气体通过注入孔(1)注入煤层(5)中；

③同时利用抽排设备在抽排孔(6)中获取含有煤层气的气体，直到获取的甲烷浓度低于经济开采浓度和安全浓度为止。

本发明的工作原理：

针对我国低渗透的可开采煤层，本发明提出了混合气体驱替煤层气的技术，即一种通过钻孔向煤层注入以相对甲烷为强置换气体(如：H₂S、SO₂、CO₂)或弱置换气体(N₂、H₂)为主的混合气体以置换煤层气，并驱赶它流向生产井的技术。相对于其它驱替方法，本发明主要利用以下两个方面：混合气体驱替技术和巷道中形成注入孔和抽排孔，具有以下作用：

一是置换，注入的混合气体中的强置换成分与CH₄竞争吸附，置换CH₄分子，促进煤层气解吸，同时降低CH₄的分压，又进一步促使CH₄解吸；

二是驱赶，混合气体的注入维持了比单纯抽气更高的压力梯度，起到增加流体流速的作用，促使煤层气的对流、弥散，驱赶和携带CH₄流向生产井；

三是变渗，混合气体注入维持了较高的孔隙压力，增大孔隙度和孔隙连通性，有利于提高煤层渗透性。不同的混合气体可引起煤层膨胀或收缩(相对于吸附甲烷时)，可以降低或提高煤层渗透性，改善煤层的可注入性。

另外，在抽排巷(4)中形成注入孔(1)，在机巷(2)和风巷(3)中形成水平抽排孔(6)；利用注入孔(1)和抽排孔(6)进行煤层气驱替开采，可与采煤过程同步，对煤矿采煤生产影响小，而且降低煤层瓦斯(煤层气)浓度，从而提高整个煤层开采的安全环境；同时采收煤层气，还减少温室气体排放。

本发明具有以下优点和积极效果：

1、发挥强置换气体的竞争吸附能力。煤对强置换气体SO₂、H₂S、CO₂的吸附能力比CH₄强，注入强置换气体可以促进CH₄的脱附。当然，注入的SO₂、H₂S、CO₂降低CH₄在煤层中的分压，也有一定的促进CH₄脱附的效果。

2、发挥弱吸附气体的增渗作用。弱吸附气体驱替甲烷后，煤层发生收缩，有增大渗透性的作用。例如：弱吸附气体(如：N₂、H_e)使煤层渗透系数增加1个量级。这对于低渗透煤层的煤层气开发具有重要意义。

3、混合气体可直接采用工业废气、空气、废弃气体或者它们的混合气体加入调节成分气体，提纯浓度要求低或者不提纯，大幅度降低气源成本和降低混合气体驱替煤层气的总成本；同时使废弃气体封存于不可开采煤层中，降低大气污染。

4、利用开采煤层中现有的巷道，减少驱替开采建设成本，在抽排巷形成注入孔和机巷风巷中形成抽排孔进行混合气体驱替煤层气，可以消除采区中部的煤层气开采空白带，利用大部分煤层气资源；同时降低了采区煤层的瓦斯含量，降低瓦斯突出和煤层突出的风险，改善了煤层开采的安全性。

总之，本发明提高煤层气的采收率和单产量；对于可开采煤层，混合气体最终要释放出来，但预先抽出了CH₄，减少了CH₄排放量，减排效果十分显著；同时也有减少瓦斯突出风险的效果；适用于低渗透可开采煤层。

附图说明

图1是本开采系统结构主视图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是甲烷累积产量随时间变化关系坐标图。

其中：

1-注入孔；

2-机巷；

3-风巷；

4-抽排巷；

5-煤层；

6-抽排孔。

X-时间(天)；

y-CH₄累积产量(m³)；

f-甲烷累积产量随时间变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

一、本开采系统

在掘进机巷(2)、风巷(3)和抽排巷(4)等巷道过程中，形成注入孔(1)和抽排孔(6)；通过抽排巷(4)形成的注入孔(1)一般位于煤层(5)采区的中部位置，其与煤层既可以垂交，也可斜交。通过已经形成的注入孔(1)和抽排孔(6)进行混合气体驱替开采煤层气，这样驱替过程可与采煤过程完美结合，尽量减少对采煤过程的影响。

二、本开采方法

1、关于步骤①

将各种气体按照一定比例混合形成一种混合气体；

比例按以下公式计算：

$\stackrel{-}{R}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\×R_i=0.2~3$

p_i为各种气体的体积比例；

R_i为各种气体的置换率：

为平均置换率。

置换率可参考如下结论，具体根据试验结果确定。

SO₂∶H₂S∶CO₂∶CH₄∶N₂∶H₂＝5∶4∶2∶1∶0.2∶0.1；

氧气为额外添加气，其气体比例控制范围为0～21％之间。

该参数为0.2时，主要为降低甲烷分压促使其解吸；参数为3时，主要是竞争吸附促使甲烷解吸，对于我国大多数煤层一般采用低置换率混合气体驱替。

注入过程中根据煤层的压力和温度变化动态调整混合气体的构成，例如：开始注入较大的气体，根据煤层的注入性，调整

的构成(即：各种气体比例)，采用小

值的混合气体驱替，可以改善注入性，采用大的置换率，可以提高置换速度。注入过程中，可以采用不同置换率的混合气体交替注入驱替煤层气；或者采用平均的

，平稳的采用混合气体驱替煤层气。

O₂主要作用破坏煤基质表面，提高煤层温度，促使甲烷解吸，其控制标准为以不引起煤层自燃和甲烷过度氧化为准。控制标准为O₂浓度在0％～21％范围内，在平均置换率中考虑氧气的置换率为0。

注入过程中各种气体成分的比例可以变化，整个混合气体的置换率也可以波动变化，可采取弱置换气体和强置换气体交替注入驱替开采煤层气。

现阶段，强置换气体主要采用CO₂，弱置换气体主要采用N₂，其它气体有一定副作用，最好少用。

2、关于步骤②

高压注入设备，包括高压注气泵，气瓶，高压容器等。

3、关于步骤③

在抽排孔(6)中获取煤层气或者含有煤层气的混合气体，分离出甲烷后的其它气体成分可重新作为混合气体中的成分循环使用。

三、试验结果

如图3，井下抽排巷混合气体驱替煤层气试验，开始采用抽排孔(6)单独抽排，煤层气到一定量后，增加很少；后采用驱替的方法进行，煤层气中累计甲烷产量大幅度上升，证明了井下抽排巷混合气体驱替煤层气试验确实可以增加煤层气的产量和采收率。

Claims (3)

1.一种井下抽排巷混合气体驱替煤层气开采系统，包括包括煤层(5)、机巷(2)、风巷(3)、抽排巷(4)和抽排孔(6)；

在煤层(5)平面的周围有机巷(2)和风巷(3)，在煤层(5)上方或下方有抽排巷(4)，在煤层(5)中有若干抽排孔(6)；

其特征在于：

在抽排巷(4)中设置有与煤层(5)连通的若干注入孔(1)。

2.基于权利要求1所述的一种井下抽排巷混合气体驱替煤层气开采系统的开采方法，其特征在于包括下列步骤：

①将各种气体形成一种混合气体；混合气体包括强置换气体中的一种或几种，强置换气体包括H₂S、SO₂、CO₂；混合气体还包括弱置换气体中的一种或几种，弱置换气体包括N₂、H₂、H_e；

②利用高压注入设备将混合气体通过注入孔(1)注入煤层(5)中；

③同时利用抽排设备在抽排孔(6)中获取含有煤层气的气体，直到获取的甲烷浓度低于经济开采浓度和安全浓度为止。

3.按权利要求2所述的一种井下抽排巷混合气体驱替煤层气开采方法，其特征在于步骤①：

将各种气体按照一定比例混合形成一种混合气体；

比例按以下公式计算：

$\stackrel{\‾}{R}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\×R_i=0.2~3$

p_i为各种气体的体积比例；

R_i为各种气体的置换率：

为平均置换率；

SO₂∶H₂S∶CO₂∶CH₄∶N₂∶H₂＝5∶4∶2∶1∶0.2∶0.1；

氧气为额外添加气，其气体比例控制范围为0～21％之间；

各种气体的置换率经过试验确定。

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