CN102278104B - 一种利用外加声场有效提高煤层气地面抽采率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用外加声场有效提高煤层气地面抽采率的方法。它采用在地面煤层气垂直(竖直)抽放井的井口向井底投下特制重物的方法，重物撞击井底所产生的震动声波在煤层中传播时，可使煤层产生新的裂隙，并可扩大原始裂隙，从而增加煤层的渗透率；而声场中的超声波成分同时还可促进煤体及表面所吸附甲烷的解吸。分为两个阶段实现：一是在钻井深度达到与煤层顶部竖直距离1～5m的某一位置时，停止钻井，投入若干重物，所产生下向的声纵波和横波经过煤层时增加其裂隙度；二是井底延伸至煤层顶面下1.0m左右时停止钻井，投重物，其沿煤层传播的声波场进一步增加煤层的渗透率。方法充分利用重力势能而不需附加的能源消耗。

Description

一种利用外加声场有效提高煤层气地面抽采率的方法

技术领域

本发明涉及一种利用外加的震动声场有效提高煤层气地面采收率的方法，具体为一种非侵入式且低成本增加煤层气采收率的技术。

背景技术

煤层气是新型洁净的能源，其主要成分为甲烷(CH₄)。而对煤矿开采来说，它则是安全生产的主要威胁与负担；且随矿井通风排入大气中时，是温室效应比CO₂大约21倍的温室气体。因此预先开采煤层气既是煤矿安全开采和环境保护的客观要求，也提供了清洁高效的能源。相比美国等国家的情况，我国的煤层气储藏条件基本呈“三低”(低压、低渗透率、低饱和度)的特点，开采难度大，国外的先进技术并不能满足我国大多数煤层气储藏区煤层气开采的要求。

目前的煤层气地面抽采方式，主要有常规垂直(竖直)井加水力压裂或有机溶剂压裂技术，或采用丛式井开采，多分支水平井(羽状水平井)，以及注气开采技术等。

其中水力或有机溶剂压裂法尚不成熟，其压裂技术及压裂效果评价仍有许多需要研究完善的地方，且所用压裂液易对煤层造成伤害，系统比较复杂，成本高。丛式井开采方法虽然可以提高采收率，但存在工程量大，成本高，且占地面积大的不足。多分支水平井技术是一种先进的煤层气开采方法，具有单井产气量高、采收率高、生产周期短、井场占地面积少等优势，但受地质条件的限制，一般适合于中高煤阶煤层，要求煤层的机械强度较高，力学性质稳定；且须煤层埋深及渗透性适中，构造稳定等。注气开采是煤层气是向煤层中注入氮气、二氧化碳，或烟道气等气体，通过吸附置换达到提高煤层气采收率的效果，同样存在成本高等的局限。

超声波场作用于煤体能改善煤的渗透率已有一定的理论和实验研究，其机理在于超声波所施加的空化作用、热效应和机械作用等使煤层内质点发生振动，从而在微尺度上扩大原始裂隙并产生新的裂隙，同时促进吸附态甲烷的解吸。主要的相关研究有：任伟杰等(辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2001，20(6)：773-776)，聂百胜等(煤田地质与勘探，2004，32(6)：23-26)，及易俊等(岩土力学，2009，30(10)：2945-2949，2960)。另外，任伟杰等(辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，1998，17(6)：565-568)还实验研究了低频振动(5～60Hz)可在煤体产生宏尺度裂隙的规律。

发明内容

为了解决上述问题，提高地面抽采煤层气的采收率，本发明提出了一种低成本，简单易行且有效的方法，利用特制重物从地面井口落下撞击井底产生宽频带声波场，其施加于煤层可增加煤层的裂隙度，从而提高其渗透性。声场中超声频率成分可增加煤层中的微裂隙，并直接促进甲烷从煤孔隙表面的解吸；低频振动声波增加宏尺度的裂隙。本发明给出了一种非侵入式煤层气增产技术。它可望替代现有增进煤层气采收率的技术，或可作为一项有效的辅助增产技术。

本发明采用如下技术方案实现：

首先，采用不同材料(分别如下第一、二阶段部分所述)制作出各一定数量的球形或近似球形的重物，其当量直径比垂直(竖直)井直径小0.1～0.2m，具有较大的质量，又可顺利落下而尽量少与井壁接触。

具体分两个阶段向垂直井底投下上述重物。

第一阶段，在垂直井钻至待采气的煤层(目标煤层)顶部上方(沿竖直方向)1～5m(井底与煤层间岩层越完整则该值越小)的距离时，停止钻井，如图1。将井底做成一水平面，或者与水平面夹角不大于煤层倾角。井深需同时满足渗入井内的甲烷浓度在整个井内空间不超过1.0％。

然后，在地面井口中央采用自由落体方式向井内连续抛下3～5个制作好的重物。该阶段所用重物为密度大、凿成近似球体的石头，或将其用球形橡胶袋(图3)装起来。所用重物也可以是球形橡胶袋(图4)装起来的砂子或卵石，且装入后的缝隙中充满水。重物撞击井底产生的前向(朝下的半球空间)的声场经过煤层时，其声波使煤体产生新的裂隙，并使原有裂隙具有扩大的趋势。

第二阶段，继续钻井至深入目标煤层约1.0m左右，井底面为一倒圆锥面。其中圆锥的高为底直径的1.2倍左右。如图2。

在地面井口中央投下重物球，冲击到井底倒锥底面时，所产生的震动声场具有较大的横向分量，即可产生较多沿煤层传播的声横波与纵波，在声场作用的煤层范围内进一步产生出新的裂隙并在一定程度上扩大煤体内已有裂隙。

该阶段由于垂直井已深入煤层中，井中甲烷浓度可能＞5％，所以要避免重物摩擦井壁或撞击井底产生火花而发生燃烧或爆炸。因此所用重物如为硬度高的石头或卵石等必须用橡胶袋封装，或者重物为草泥球。

通过上述两个阶段分别向垂直井底投下特定重物的操作，目标煤层在垂直井周围一定范围内的渗透率得到明显提高，从而达到增加煤层气采收率的目的。

附图说明

图1为第一阶段系统图。表示了垂直井底相对煤层的位置，及在进口投放重物球的情形。其中l为该阶段井底离煤层的竖直距离，θ为井底平面与水平面夹角，θ₀为煤层倾角：0≤θ≤θ₀。d₀为垂直井的有效内径。

图2示意了第二阶段时井底深入煤层内部的情形。结合图1，其中h为井底深入煤层的深度，约为倒圆锥的高。

图3为所设计的用来装重物球(接近球形的石头或草泥球)的球形橡胶袋。其中图3a为正视图，图3b为相应俯视图。袋的内径略大于球体直径，使重物球能顺利装入即可。其厚度约为0.005m，外表面可制作成类似车外胎的纹路。其开口沿球形袋一侧从顶端至底端或更长，其对应圆心角建议选取范围：180°～340°，该图是开口圆心角取180°的示意图。开口两边用五个左右沿开口均匀分布的0.02～0.03m宽的橡胶联结扣带，其厚度与橡胶与袋体厚度相近或一致，带的一端固定于一侧，另一端采用按扣(暗扣)形式固定于另一侧，袋上相应位置设置一直径略小的通孔，相当于扣眼，因为不难理解，所以这些扣眼没有在图中画出。

图4为用来装砂子或卵石的橡胶袋，其直径与重物球的直径相当，即比垂直井的有效直径小约0.1～0.2m。其顶部有一直径为0.05m的圆形开口，用来装入砂子或卵石并填充水，即进料口。并在装入砂子和水后用一按扣式盖子密封，这里的盖子是同一材料橡胶。图4a为开口位于袋顶的正视图，图4b为相应俯视图，图4c为盖子的示意图，其中上子图为主视图，下子图为俯视图，盖子的颈部直径与袋顶开口直径相同。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

下面描述了相关的具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

目前的煤层气地面抽采方式，主要有常规垂直(竖直)井加水力压裂或有机溶剂压裂技术，丛式井，多分支水平井(羽状水平井)，以及注气开采等技术，普遍存在成本高，工程量及技术难度大等局限，且多分支水平井等先进开采方式对煤层条件要求和限制较多，不能适应我国多数煤层气藏的开采。而水力或有机溶剂压裂法还容易对煤层造成污染与伤害。

本发明基于煤是一种中等硬度、易碎的固体，煤层气开采依赖于煤的孔隙度和渗透率因素的特征。方法利用了外加震动声场增加煤层的裂隙度，从而提高其渗透率；同时提高煤层气在煤体内孔隙表面的解吸率，最终有效地改善煤层气的抽采率。本发明充分利用了位置势能作为能量来源，使煤层的渗透率得到提高，相对传统的方法成本大大降低，适应性强，且对煤层基本不产生伤害及污染。

首先，用不同材料(分别如下第一阶段、第二阶段部分所述)制作出各一定数量的球体或近似球体的重物，其当量直径d比已确定的垂直(竖直)井直径d₀小0.1～0.2m。所用重物具有尽可能大的重量，又能顺利落下而尽量少与井壁接触，可采用凿成近似球体的石头，也可用球形橡胶袋(如图3)包装以防止或减少与井壁摩擦造成的损坏；砂子或卵石作为重物料时，则必须用图4所示的橡胶袋封装。

本方法要求垂直井的斜度尽可能小。具体分为两个阶段向垂直井底投下上述重物，分别对应于钻井过程所达到的两个不同深度。

第一阶段(如图1)，在垂直井钻至待采气的煤层顶部上方(沿竖直方向)1～5m时(井底与煤层间岩层越完整该值取得越小，相对破碎时取较大值)，停止钻井，并将井底做成一水平面，或与水平面夹角不大于煤层倾角。该阶段井深需同时满足渗入井内的甲烷浓度在整个井内空间不超过1.0％。

接着，在井口中央采用自由落体方式向井内连续抛下3～5个制作好的重物。这里所用重物为密度大、凿成近似球体的石头，其可直接作为重物投下。也可用球形橡胶袋(图3)装起上述重物石头或一定数量的卵石作为重物投下，具体为：沿图3中所示袋上的开口打开袋子，装入重物后，合上袋子，并扣紧联结扣带。该阶段所用重物也可以是图4所示球形橡胶袋装起来的砂子或卵石，且装入后的缝隙中充满水。重物冲击井底产生的前向(朝下的半球空间)的声场经过煤层时，其一定频率成分及强度的声波使煤体产生新的裂隙，并不同程度地扩大原有裂隙。

第二阶段，继续钻井至煤层内，并形成一倒圆锥底面。所形成倒圆锥底的中心约处于煤层的顶面，高为底直径的1.2倍左右，即井底深入煤层约1.0m左右，如图2所示。该阶段由于垂直井已深入煤层中，井中甲烷浓度可能＞5％，所以要避免重物摩擦井壁或撞击井底产生火花而发生燃烧或爆炸。因此所用重物采用草泥球。草泥球是采用晒干的稻草、麦秸或茎长在20cm以上的野草与泥土均匀和在一起，晾干至不再粘结。重物也可采用如图3橡胶袋封装起来的近似球体的石头或如图4装起来的卵石，并用水填充。

当井底结构参数达到要求后，在地面井口中央投下所要求的重物。当重物撞击到井底倒锥面时，所产生的震动声场具有较大的横向分量，即产生较多沿煤层传播的声横波与纵波，这样进一步在声场作用的煤层范围内产生出新的裂隙并在一定程度上扩大煤体内已有裂隙。

通过上述两个阶段向垂直井内投入重物的操作，井周围一定范围内的煤层的渗透率可明显提高，进而显著增加煤层气的采收率。

以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所做的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用外加声场有效提高煤层气地面抽采率的方法，其特征在于它是一种非侵入式方法，利用重物的势能提供产生声场的能量而不需附加能源消耗，具体包括：

首先，制作出一定数目的球体或近似球体重物，其当量直径相比煤层气抽采的垂直井直径小0.1～0.2m；

分两个阶段向垂直井底投下上述重物，两个阶段分别对应于垂直井钻井至两个不同的深度；

第一阶段，在垂直井钻至待采气煤层，即目标煤层的顶面上方1～5m竖直距离时，停止钻井，在井口中央垂直向下向井内连续抛下3～5个制作好的重物，其撞击井底产生垂直向下的沿半球空间分布的声场，声波经过煤层时，在煤层中产生新的裂隙，并使原始裂隙有扩大趋势；

第二阶段，继续钻井至待采气煤层顶面处，停止钻井，并将井底面做成深入煤层约1.0m的倒圆锥面，在地面井口投下3～5个重物球，撞击井底倒圆锥面，所产生的震动声场具有较大的横向分量，即较多沿目标煤层传播的宽频带声波，在该声场作用下，煤层进一步产生出新的裂隙，并在一定程度上扩大原有裂隙；

通过上述两个阶段向井底投重物操作，在该垂直井周围一定范围内，目标煤层受声场作用其裂隙增多、增大，使煤层渗透率得到提高。

2.根据权利要求1所述的一种利用外加声场有效提高煤层气地面抽采率的方法，其特征在于第一阶段的井底离下方最近煤层顶部的竖直距离为l=1～5m，井底与下方最近煤层间岩层完整性好时，l值取得较小，该段岩层相对破碎时，l取较大值；井底为一水平面，或者底平面与水平面的夹角不大于煤层倾角。

3.根据权利要求1所述的一种利用外加声场有效提高煤层气地面抽采率的方法，其特征在于第一阶段的停止钻井的深度须满足井内各处甲烷在没有人工排放的情况下浓度＜1.0％，且在5分钟内不会明显增加，否则说明邻近区域煤层渗透率比较好，取消该阶段的投下重物的操作。

4.根据权利要求1所述的一种利用外加声场有效提高煤层气地面抽采率的方法，其特征在于第一阶段所投重物为接近球体、密度较大的石头，或者为由球形橡胶袋包装起来的上述石头；或者用橡胶袋封装起来的密度较大的砂子或卵石，并用水或可流动的稀泥土填充。

5.根据权利要求4所述的一种利用外加声场有效提高煤层气地面抽采率的方法，其特征在于第一阶段连续投下3～5个重物，前后两个重物投下的时间间隔＜5s。

6.根据权利要求1所述的一种利用外加声场有效提高煤层气地面抽采率的方法，其特征在于第二阶段垂直井钻至目标煤层时停止钻进，并将井底做成深入煤层的倒圆锥面，圆锥高约为底面直径的1.2倍，总体上井底深至目标煤层顶部以下1.0m左右。

7.根据权利要求1所述的一种利用外加声场有效提高煤层气地面抽采率的方法，其特征在于第二阶段所采用的下落重物具有较大重量，且塑性较强的球体或近似球体，这样在垂直井中下落过程中摩擦井壁时不易对井壁产生明显破坏，且不产生火花；这里的重物是用干的麦秸或稻草秸或干草与泥土和在一起的草泥球，或将其用橡胶袋装起来；或用橡胶袋封装起来的卵石并用水或泥水填充；或橡胶制成的球体。

8.根据权利要求4或7所述的一种利用外加声场有效提高煤层气地面抽采率的方法，其中所用橡胶袋为约0.005m厚度的橡胶做成的球形袋，其尺寸能正好装下重物球，袋子外表面制成类似自行车胎外表的纹路。

9.根据权利要求7所述的一种利用外加声场有效提高煤层气地面抽采率的方法，其特征在于第二阶段在井口中央连续投下3～5个重物，前后两个重物投下的时间间隔＜5s。