CN102536184A

CN102536184A - 火烧煤层开采煤层气的方法

Info

Publication number: CN102536184A
Application number: CN2012100133413A
Authority: CN
Inventors: 张卫东; 王绪性; 王会向; 王瑞和; 周卫东
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种火烧煤层开采煤层气的方法，(1)布置井网：在一个四点或五点或七点的井组的中心，钻一口注气井；(2)贯通煤层；(3)点燃煤层；通过点火系统和地面控制台，把煤层点燃；(4)采集煤层气；(5)控制煤层的燃烧范围；可以在燃烧蔓延的方向上打一排注水井，注入高压水形成地下水墙阻断燃烧；在火势较猛的地方，采用注高压水泥浆来阻断燃烧。煤层气的开发利用既可弥补常规天然气的不足；又可有效地降低温室效应和减少煤矿瓦斯事故。

Description

火烧煤层开采煤层气的方法

技术领域

本发明涉及煤层气开采技术领域，尤其涉及的是一种火烧煤层开采煤层气的方法。

背景技术

煤层气俗称“瓦斯”，是在煤化过程中生成并储存在煤层中的混合气体，其主要成份是甲烷，占90％以上。我国煤层气在埋深2000m以浅，储量约为31.46×10¹²m³。煤层气发热量可达到8000kcal/m³以上，与常规天然气大致相当。煤层气既是清洁燃料和化工原料，也是一种强温室气体，其温室效应是CO₂的21倍，更是煤矿安全事故的“杀手”。煤层气的开发利用，不仅可以有效改善不合理的能源结构，保护环境，减少大气污染和温室效应，而且还可以减少煤矿瓦斯事故，保障煤矿安全生产。同时煤层气可作为天然气的补充气源，保证国家能源安全，促进区域经济发展。

由于我国煤田地质条件复杂，煤层的透气性低，造成煤层气的抽采率低，总抽采量少，至今还很少能形成商业性开发和利用，同时为了完成煤层气“十二五”规划目标，煤层气地面开采技术有待革新性的突破。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种火烧煤层开采煤层气的的方法。

本发明的技术方案如下：

一种火烧煤层开采煤层气的方法，(1)布置井网：在一个四点或五点或七点的井组的中心，钻一口注气井；(2)贯通煤层；(3)点燃煤层；通过点火系统和地面控制台，把煤层点燃；(4)采集煤层气；(5)控制煤层的燃烧范围；可以在燃烧蔓延的方向上打一排注水井，注入高压水形成地下水墙阻断燃烧；在火势较猛的地方，采用注高压水泥浆来阻断燃烧。

所述的方法，所述步骤(2)，对于一些致密的烟煤或无烟煤层时，采用电力贯通。

所述的方法，所述电力贯通具体做法如下：首先要在一个是注气井、一个是采气井里各放一个电极，把电极插进孔底煤层里，然后接上电源，通以高压，这样在两个钻孔之间的煤层里构成一条特殊的导电通路，电流通过煤层的时候，把煤层加热，使它失去水分、挥发物等成分而变成焦炭，同时由于水分和挥发物等成分变成为气体散失，体积缩小，因此煤层的孔隙和裂隙也大大的增加。

所述的方法，所述点火系统包括通空气管(4)、通可燃气管(3)、通点火电缆管(1)和护管(2)、火花塞(6)、火焰枪(5)、温度传感器(7)，护管(2)用于保护通空气管(4)、通可燃气管(3)和通点火电缆管(1)并将它们聚在一起，通空气管(4)上端连接空气储气罐，通可燃气管(3)连接可燃气体储气罐，点火电缆(1)连接点火线圈，空气管(4)和可燃气管(3)末端连接到火焰枪(5)，火焰枪(5)口段下方有火花塞(6)，火花塞(6)连接到点火电缆(1)，并且在火焰枪周围安装温度传感器(7)，用于判断是否点火成功。

所述的方法，所述点火系统，利用点火线圈产生足够的高压电流，通过点火电缆，高压电流到达火花塞，进而在火花塞的中心电极和侧电极之间跳火，产生强烈的电火花，电火花进而引燃由压风机压入和火焰枪喷出的可燃气体，进而引燃部分煤层的燃烧，由温度传感器返回的数据，断定煤层被点燃后，停止向井内注入可燃性气体，改为向井内注入空气。

所述的方法，在点火时，控制点火电缆的功率在20KW，电流在2A左右。

可以在燃烧蔓延的方向上打一排注水井，注入高压水形成地下水墙阻断燃烧；在火势较猛的地方，采用注高压水泥浆来阻断燃烧。

我国煤层气资源丰富，煤层气的开发利用既可弥补常规天然气的不足；又可有效地降低温室效应和减少煤矿瓦斯事故。我国煤田地质条件复杂，煤层的透气性低，鉴于我国煤储层的特点，借鉴火烧油层、煤的地下气化以及注热、注二氧化碳对提高煤层气产出机理上，本发明提出一种地面强化开采煤层气的新方法-火烧煤层开采煤层气。火烧煤层开采煤层气是一种地面强化开采煤层气的新方法。

附图说明

图1为井网布置示意图；

图2为电力贯通示意图；

图3为点火系统横截面示意图；

图4为点火系统的井底结构剖面示意图。

1：通点火电缆管 2：护管 3：通可燃气体管 4：通空气管 5：火焰枪

6：火花塞 7：温度传感器 8：煤层

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1火烧煤层开采煤层气的原理及实施步骤

所谓的火烧煤层开采煤层气就是通过点火系统和地面控制台把煤层引燃，并控制注气量使煤层处于不完全燃烧状态，从而加快煤层气(主要是甲烷)的解吸和扩散，提高煤层气采收率的一种方法。

通过点火系统火把煤层点燃，不断鼓风维持燃烧，煤层中的每种碳氢成分和空气中的氧气发生如下反应：

C+O₂＝CO₂ ΔH＜0

2C+O₂＝2CO ΔH＜0

2H₂+O₂＝2H₂O ΔH＜0

第二种反应的生成物一氧化碳，在有氧气的参与下，又进一步燃烧生成二氧化碳。

2CO+O₂＝2CO₂ ΔH＜0

以上的反应是燃烧反应，在化学上也叫氧化反应，需要消耗氧气，因此空气越往前走，氧气的含量越少，直到氧气完全耗尽为止，这里就成为燃烧带的终点。

燃烧生成物继续沿着火焰工作面向出煤气孔的方向前进，当它遇到烧热的煤表面的时候，就再一次同煤层中的碳发生化学反应：

CO₂+C＝2CO ΔH＞0

H₂O+C＝CO+H₂ ΔH＞0

或2H₂O+C＝CO₂+2H₂ ΔH＞0

这些反应需要吸收大量的热量，这些热量由燃烧带内发生氧化反应时放出的热量来供给。上述反应在化学上叫做还原反应，所以发生这种反应的地带称为还原带。还原反应需要吸收热量，这样就使得火焰工作面沿着长度方向的热量越来越少，温度越降越低。到最后，煤层表面的温度终于降低到不足以维持还原反应的进行，这里就是还原反应带的终点。

从煤层表面的温度降低到不足以维持还原反应进行的那一点起，就开始了气化的“干馏带”。气化的生成物在干馏带里前进，由于温度条件的限制，它们不能再与煤中的碳发生反应。它们只是用残余的热量把煤层“烘热”，加快甲烷的解吸。

通过以上的分析，我们把火烧煤层开采煤层气的机理总结如下：

(1)煤层燃烧生成的CO₂对煤层气增产机理本质上包括“驱动”与“置换”两个方面。煤对不同气体的吸附情况是不同的，大小顺序与范德华力的顺序一致，即Q(CO₂)＞Q(CH₄)＞Q(N₂)。CO₂与煤表面大分子之间的吸附作用大于CH₄，即CO₂更易与煤表面大分子结合。因此，当向煤层中积聚大量CO₂时，CO₂将排挤吸附在煤表面的CH₄使其解吸，而自身则被吸附到煤表面。这种作用被称为竞争吸附置换作用。

(2)煤层燃烧产生的热量，使煤层的温度升高。随温度的升高，煤层对甲烷的吸附能力减弱，解吸速率加快，吸附时间缩短。温度对CH₄解吸起活化作用，温度越高，游离CH₄越多，吸附气越少。试验研究表明，温度每升高1℃，煤吸附甲烷的能力降低约8％，其原因是温度升高，甲烷活性增大，难于被煤体吸附，同时已被吸附的气体分子易于获得动能从煤体表面解吸出来。

(3)产物水分子与煤之间有相似的特性。水与煤之间不存在共价键，不以较弱的范德华力吸附在煤中的，水分子为极性分子，根据相似相容原理，水分子比CH₄更容易吸附于煤中，从而取代了CH₄的位置，与煤层气形成了竞争吸附从而增加了CH₄解吸量。

(4)煤层在高温的影响下发生干裂，形成很多裂隙，类似于压裂对煤层造成的储层改造，有利于煤层气在煤层中的渗透。另外，煤在高温和接触样的条件下，容易发生表面氧化，在煤表面形成碳氧络合物。煤经氧化后易于破裂，表面积增加，粘结性变差甚至消失，加快煤层气的解吸。

(5)火烧煤层燃烧掉的煤，形成洞穴，类似于酸蚀的作用，增加新产生的裂缝的表面积，形成大孔道，增大了煤层的孔隙，提高煤层气向裂缝网络中的扩散能力。

(6)火烧煤层对煤层的作用及其产物不污染煤层，减小对储层的损害。

火烧煤层开采煤层气的实施步骤如下：

(1)井网的布置。在一个四点或五点或七点的井组(采气井)的中心，钻一口注气井，如图1所示。

(2)煤层的贯通。为了顺利的点燃煤层则要求煤层有较多的裂缝。通常褐煤具备这样的条件，而且它的反应性能良好。对于一些致密的烟煤或无烟煤层时，这时候就应该采用扩大天然裂隙和制造人工裂缝的方法。在此我们采用电力贯通，具体做法如下：首先要在两个钻孔(一个是注气井，一个是采气井)里各放一个电极，把电极插进孔底煤层里，然后接上电源，通以高压，这样在两个钻孔之间的煤层里构成一条特殊的导电通路，如图2所示。电流通过煤层的时候，把煤层加热，使它失去水分、挥发物等成分而变成焦炭。同时由于水分和挥发物等成分变成为气体散失，体积缩小，因此煤层的孔隙和裂隙也大大的增加。

电力贯通所需的电流和电压，变化的范围很大(电压在6000V以下；通常采用1300-3000V；功率300-1200W)，这是因为各种不同的煤层具有不同的临界击穿电压值(即在这种电压的作用下，煤层才能被击穿贯通)。在贯通开始之初，因为煤层里的含水量比较多，电阻比较小，这时候应该采用较低的电压。等到电流稳定一个时期后，再把电压升高到最高值。

(3)煤层的点燃。通过点火系统和地面控制台，把煤层点燃。参考图3和图4，为点火系统的横截面结构示意图和井底结构剖面示意图；点火系统包括通空气管4、通可燃气管3、通点火电缆管1和护管2，护管2的作用主要是保护通空气管4、通可燃气管3和通点火电缆管1并将它们聚在一起。通空气管4上端连接空气储气罐，通可燃气管3连接可燃气体储气罐，点火电缆连接点火线圈。点火系统井底结构剖面示意图4主要有火花塞6、火焰枪5、点火电缆管1、空气管4、可燃气管3和温度传感器7组成。空气管4和可燃气管3末端连接到火焰枪5，火焰枪5口段下方有火花塞6，火花塞6连接到点火电缆1，并且在火焰枪周围安装温度传感器7，用于判断是否点火成功。点火系统的点火原理：利用点火线圈产生足够的高压电压，通过点火电缆1，电流到达火花塞6，进而在火花塞6的中心电极和侧电极之间跳火，产生强烈的电火花。电火花进而引燃由压风机压入和火焰枪5喷出的可燃气体，进而引燃部分煤层的燃烧。由温度传感器7返回的数据，断定煤层被点燃后，停止向井内注入可燃性气体，改为向井内注入空气。

火花能量和热表面面积等对甲烷的爆炸极限均有影响。如甲烷在电流强度1A的电火花作用下，无论浓度如何都不会引起爆炸。但当电流强度增加至2A时，其爆炸极限为5.9％～13.6％；3A时为5.85％～14.8％。鉴于火烧油层点火系统，所以在点火时控制是点火电缆的功率在20KW，电流在2A左右。

(4)煤层气的采集。在煤气出口处就得到了如下成分的气体混合物：CO₂、CO、CH₄、C_nH_m、O₂、N₂以及SO₂等。在这种混合气体的组成成分里，CO₂、O₂和N₂是不能燃烧的气体，它们的存在只能降低煤层气的热值。其他成分都属于可燃性气体，其中有以甲烷、一氧化碳和氢气为主。

(5)煤层燃烧范围的控制。可以在燃烧蔓延的方向上打一排注水井，注入高压水形成地下水墙阻断燃烧；在火势较猛的地方，采用注高压水泥浆来阻断燃烧。

实施例2火烧煤层开采煤层注意的问题：

1爆炸问题

点燃煤层采用电打火点燃可燃气(甲烷)与空气。1体积甲烷与2体积氧气完全反应，氧气在空气中体积为21％，恰好完全反应时，甲烷在空气中的体积分数为9.5％，此时爆炸最剧烈。而甲烷与空气混合爆炸极限为5％～15％，井下局部气体混合会达到爆炸极限，点火爆炸。爆炸极限不是一个固定值，它受各种外界因素的影响而变化，如初始温度、初始压力、惰性介质或杂质、容器的材质和尺寸等。当温度不变时，随着压力的升高，爆炸极限相应地扩大当压力不变时，随着温度的升高，爆炸极限也相应地扩大，爆炸极限上限随温度、压力的变化大于爆炸极限下限的变化。所以在火烧煤层时应该控制连接通可燃气管和通空气管的气阀管径之比小于1∶4.5，并且两压风机压入储气罐内的气体压力相等，从而使甲烷气体在混合气体中的质量分数小于5％。

2地下煤火问题

所有起火燃烧都需要三个因素：空气、可燃物和足以产生火花的温度。避免火烧煤层产生地下煤火问题，要求煤层不能与大量氧气接触，同时考虑到火烧煤层点火的成功率，建议火烧煤层在地下400-1500m的深度进行。

3坍塌问题

防止火烧煤层后的区域的塌陷，可采用填沙法。将沙和水混合后注入地下，混合物在地下沉淀后就能对地面形成支撑，这样还阻止了氧气接触到火。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种火烧煤层开采煤层气的方法，其特征在于，(1)布置井网：在一个四点或五点或七点的井组的中心，钻一口注气井；(2)贯通煤层；(3)点燃煤层；通过点火系统和地面控制台，把煤层点燃；(4)采集煤层气；(5)控制煤层的燃烧范围；可以在燃烧蔓延的方向上打一排注水井，注入高压水形成地下水墙阻断燃烧；在火势较猛的地方，采用注高压水泥浆来阻断燃烧。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)，对于一些致密的烟煤或无烟煤层时，采用电力贯通。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电力贯通具体做法如下：首先要在一个是注气井、一个是采气井里各放一个电极，把电极插进孔底煤层里，然后接上电源，通以高压，这样在两个钻孔之间的煤层里构成一条特殊的导电通路，电流通过煤层的时候，把煤层加热，使它失去水分、挥发物等成分而变成焦炭，同时由于水分和挥发物等成分变成为气体散失，体积缩小，因此煤层的孔隙和裂隙也大大的增加。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述点火系统包括通空气管(4)、通可燃气管(3)、通点火电缆管(1)和护管(2)、火花塞(6)、火焰枪(5)、温度传感器(7)，护管(2)用于保护通空气管(4)、通可燃气管(3)和通点火电缆管(1)并将它们聚在一起，通空气管(4)上端连接空气储气罐，通可燃气管(3)连接可燃气体储气罐，点火电缆(1)连接点火线圈，空气管(4)和可燃气管(3)末端连接到火焰枪(5)，火焰枪(5)口段下方有火花塞(6)，火花塞(6)连接到点火电缆(1)，并且在火焰枪周围安装温度传感器(7)，用于判断是否点火成功。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述点火系统，利用点火线圈产生足够的高压电流，通过点火电缆，高压电流到达火花塞，进而在火花塞的中心电极和侧电极之间跳火，产生强烈的电火花，电火花进而引燃由压风机压入和火焰枪喷出的可燃气体，进而引燃部分煤层的燃烧，由温度传感器返回的数据，断定煤层被点燃后，停止向井内注入可燃性气体，改为向井内注入空气。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在点火时，控制点火电缆的功率在20KW，电流在2A左右。