CN102720473A

CN102720473A - 开采煤层气的方法

Info

Publication number: CN102720473A
Application number: CN2011100803478A
Authority: CN
Inventors: 叶建平; 张兵; 王赞惟
Original assignee: China United Coalbed Methane Corp Ltd
Current assignee: China United Coalbed Methane Corp Ltd
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-10-10

Abstract

一种开采煤层气的方法，其包括以下步骤：a.在注入压力低于煤层气储层的破裂压力的条件下，通过注入井向煤层气储层中注入气体，所述注入的气体在煤层气储层条件下比甲烷更容易吸附到煤层中；b.在步骤a之后，进行闷井，使得注入的气体和吸附到煤层气储层中的甲烷发生置换；c.通过开采井进行煤层气的排水采气。

Description

开采煤层气的方法

技术领域

本发明涉及一种开采煤层气的方法，具体地，涉及通过向煤层气储层中注入气体，尤其是含有二氧化碳的气体，置换出更多的甲烷，从而提高煤层气产量的方法，本发明的开采煤层气的方法尤其是适用于深部煤层中煤层气的开发。

背景技术

煤层气主要以吸附状态存在于煤层中，目前，煤层气的开采产量还比较低。尤其是，深部煤层的单井产量目前非常低，大部分采用水平井或者压裂来改善储层的渗透率，提高产量，但效果都不理想，目前深部煤层中煤层气的开采普遍单井产量比较低。

本领域一直都需要新的开采煤层气的方法，尤其是需要适合在深部煤层中开采煤层气时提高产量的方法。

发明内容

本发明人发现，可通过将在煤层气储层条件下比甲烷更容易吸附在煤层中的气体，尤其是包含二氧化碳的气体，注入到煤层中，将甲烷从煤表面置换出来，来开采煤层气，提高煤层气井的单井产量。

本发明包括以下内容：

1.一种开采煤层气的方法，其包括以下步骤：

a.在注入压力低于煤层气储层的破裂压力的条件下，通过注入井向煤层气储层中注入气体，所述注入的气体在煤层气储层条件下比甲烷更容易吸附到煤层中；

b.在步骤a之后，进行闷井，使得注入的气体和吸附到煤层气储层中的甲烷发生置换；

c.通过开采井进行煤层气的排水采气。

2.第1项的方法，其中所述注入的气体是包含二氧化碳的气体。

3.第1或2项的方法，其中所述注入的气体是包含二氧化碳的气体，并且其中含有至少40体积％，优选至少50体积％，还优选至少60体积％，还优选至少70体积％，还优选至少80体积％，更优选至少90体积％，最优选至少98体积％的二氧化碳，余量为氮气和/或其它气体。

4.前述任一项的的方法，其中所述煤层气储层为深部煤层。

5.前述任一项的方法，其中闷井的时间为1天至300天，优选20至60天，优选30至60天，更优选40至60天。

6.前述任一项的方法，其中所述注入井和所述开采井是同一口井。

7.前述第2至6项中任一项的方法，其中向煤层气储层中注入气体的过程中，保持该注入的气体与尽可能少的水接触。

8.第7项的方法，其中所述注入的气体的注入采用油管注入。

9.第8项的方法，其中所述油管是加厚和密封性好的油管。

10.前述任一项的方法，其中所述方法还包括以下步骤之一或全部：

d.在注入气体之前，进行前期的生产和关井测试，通过生产采集井底压力数据和进行产出气体成分化验，评价煤层气储层的特征，测量和记录煤层气和水的产量数据，通过模拟软件，使用这些数据计算储层的绝对渗透率、井筒区域的煤层伤害程度；

e.进行关井测试：关闭井，测试井底压力。

11.前述任一项的方法，其中所述注入的气体的注入是连续、间歇或者半连续地进行的。

12.第10项的方法，其中包括通过模拟软件用步骤d和e获得的数值进行模拟，计算注入速率和注入量。

13.前述任一项的方法，还包括以下步骤：f.在步骤a之前进行洗井。

14.第13项的方法，其中，在洗井的同时保持井筒附近的煤层气储层无污染和减少洗井液与储层反应产生的污染。

15.第13或14项的方法，其中洗井液采用1％氯化钾溶液或者排采出的地层水。

16.第13至15项中任一项的方法，其中在洗井的过程中返排出井筒内的煤粉，从而使得在注入气体时不引起储层通道的堵塞。

附图说明

图1煤对CO₂、N₂与CH₄的吸附曲线。其中，横坐标为吸附量(单位为：单位是cm³/g)，纵坐标为气体压力(单位为：单位是MPa)。

图2CO₂置换CH₄示意图。

图3深部煤层中注入二氧化碳开采提高煤层气产量的工艺装置示意图。

图4注入井井筒结构图。

具体实施方式

一般地，本发明提供一种开采煤层气的方法，其包括以下步骤：a.在注入压力低于煤层气储层的破裂压力的条件下，通过注入井向煤层气储层中注入气体，所述注入的气体在煤层气储层条件下比甲烷更容易吸附到煤层中；b.在步骤a之后，进行闷井，使得注入的气体和吸附到煤层气储层中的甲烷发生置换；c.通过开采井进行煤层气的排水采气。

在该方法中，注入的气体具有在煤层气储层条件下比甲烷更容易吸附到煤层中的性质。本申请所述的这种更容易吸附到煤层中的性质是指，注入的气体中某一组分在煤层气储层条件下比甲烷更容易吸附到煤层中，而无需构成注入的气体的每种气体组分都要比甲烷更容易吸附到煤层中。注入的气体由于在煤层气储层条件下比甲烷更容易吸附到煤层中，所以在注入到煤层中之后，经过一段时间，会将吸附在煤层气储层中的甲烷置换出来，由此可以提高煤层气井的单井产量。通常甲烷吸附在煤的表面上。

本发明中的注入的气体是指在环境条件下不发生化学反应的气体或者气体的混合物，并且该气体具有在煤层气储层条件下比甲烷更容易吸附到煤层中的性质，而且还优选应该满足的条件是：该注入的气体对环境无害，对人体无害。所述注入的气体可以是纯气体例如纯二氧化碳，或者气体的混合物例如氮气和二氧化碳的组合等。适合于本发明的注入的气体优选为包含二氧化碳的气体。所述注入的气体中也可以含有少量的其它气体成分，只要其含量满足以上对于注入的气体的限制即可。

在本申请中，注入的气体常常使用二氧化碳来示例，应该理解，在描述二氧化碳的时候，除非明确指出，也可使用注入的气体代替。注入的气体在注入时可以是液态的，也可以是气态的。

图1为煤对CO₂、N₂与CH₄的吸附曲线，从图中可以看出，煤对CO₂的吸附能力远远高于对CH₄的吸附能力。煤对N₂的吸附能力虽然比煤对CH₄的吸附能力弱，但是在注入的气体中包含一部分氮气，有助于CH₄解吸压力降低，从而增加煤层气产量。

在一种实施方式中，本发明的注入的气体主要含有二氧化碳和氮气。在该实施方式中，本发明的注入的气体可含有0至60体积％的氮气和100至40体积％的二氧化碳，优选含有0至50体积％的氮气和100至50体积％的二氧化碳，更优选含有0至30体积％的氮气和100至70体积％的二氧化碳，还更优选含有0至20体积％的氮气和100至80体积％的二氧化碳，最优选含有0至10体积％的氮气和100至90体积％的二氧化碳，基于氮气和二氧化碳的总重量。还在该实施方式中，本发明的注入气体还可含有其它气体，其它气体的含量可为少于5体积％。

在本发明的方法中，优选使用二氧化碳含量较高，例如大于80体积％的气体。这是因为，煤吸附二氧化碳的能力是吸附甲烷的2-4倍(当然，根据不同的煤阶，这个数值会有所不同)，通过向煤层中注入二氧化碳，能够置换出更多的甲烷，提高煤层气井的单井产量，为深部煤层中煤层气的开发提供一条有效的途径，同时又可以将称之为温室气体的二氧化碳在地层中永久封存。

图2是以二氧化碳为例所示的二氧化碳置换甲烷的示意图。

本发明中所述的闷井是指在注入全部气体之后，将注入井密封，使开采煤层与外界隔开，使得注入的气体在封闭的环境中，有足够的时间将煤层气从煤层中置换出来。在本发明的实施方式中，闷井的时间为1天至300天，优选20至60天，优选30至60天，更优选40至60天。

本发明的方法特别适合用于深部煤层。但是大量的煤层经历了数亿年的地质演化，煤层中的煤层气含量丰富。尤其是对于深部煤层，它们所存储的煤层气难以充分开发。采用本发明的方法将二氧化碳气体等注入深部煤层，不但可以利用深部煤层来存储温室气体，达到改善环境的目的，而且同时可以使二氧化碳充分置换出吸附在煤层中的煤层气，从而大大提高深部煤层煤层气的产量，最终达到提高采收率的目的。一般而言，煤层气的绝对主要成分是甲烷，因此在本发明中，术语“甲烷”和“煤层气”可以互换使用。

在一种实施方式中，所述注入的气体的注入采用低温二氧化碳注入泵撬装设备注入，并采用变频控制系统和井底压力传感器进行注入压力和注入量的控制。在该实施方式中，注入的气体为二氧化碳，使用二氧化碳罐车向注入泵提供液体二氧化碳，通过调节注入泵的转动频率来调节泵所提供的压力，进而调节注入压力，以此达到向井底注入二氧化碳的目的。

本发明的实施方式中，注入气体的井(即注入井)和开采煤层气的井(即开采井)是同一口井。

在本发明的实施方式中，在向煤层气储层中注入气体的过程中，应该保持该注入的气体与尽可能少的水接触。在最优选的实施方式中，在向煤层气储层中注入气体的过程中，应该保持该气体不与水接触。不受理论限制，认为，在注入气体，尤其是包含二氧化碳的气体时，如果二氧化碳与水接触，那么注入的二氧化碳可能会形成水合物堵塞注入通道。

在本发明的实施方式中，可以通过油管和套管之间的环空注入气体，具体地包含二氧化碳的气体。在本发明的另一实施方式中，通过油管注入气体，具体地包含二氧化碳的气体。在本发明的实施方式中，通过油管注入液体二氧化碳是尤其优选的，这是因为，套管和地层接触，如果套管丝扣不紧或者其它原因，会有水渗入到井筒中，压力大、温度低的液体二氧化碳遇到水后，可能形成水合物。当液态二氧化碳注入到井筒内后，二氧化碳接触到地层会迅速吸热，气化时会带走大量的热，使得实际的温度比液态二氧化碳温度更低，当温度低于-30摄氏度时，很低的压力二氧化碳就会形成干冰，大量的干冰形成会堵塞注入通道。液态二氧化碳如果在油管中进行注入不会形成堵塞现象，主要原因是①液态的二氧化碳不与地层接触，吸热速度较慢，因此不宜形成干冰；②套管内已经全部被二氧化碳占据，环空内也都是气体二氧化碳，液体二氧化碳不会与水接触，不易形成水合物；③油管的直径比环空要大，即使形成少量固体也不易形成堵塞。这样可以避免形成二氧化碳水合物堵塞通道。

在本发明的实施方式中，用于注入气体的油管可以是本领域中通常采用的油管，例如天津钢管集团公司的TP80NC-13Cr系列油管和TP-EX扣型：(在注入二氧化碳过程中压力低于20MPa无泄漏)。在本发明的更优选的实施方式中，用于注入气体的油管采用的是加厚与密封性加强的油管。此处的加厚和密封性好的油管是指：具有特殊连接接头(这种油管接头能够增加抗拉强度、密封性和耐二氧化碳)。例如天津钢管厂生产的密封性油管接头。加厚和密封性好的油管的隔水能力强，尤其是可以避免在注入过程中，注入的气体与水接触，因此是特别优选的。

图3示出了一种向深部煤层中注入二氧化碳开采提高煤层气产量的工艺装置示意图。整个工艺装置包括注入井口、二氧化碳罐车、二氧化碳注入泵、泵车和水罐车。注入工艺的步骤主要是将液态二氧化碳从罐车通过车载泵或者罐车内压力压入二氧化碳注入泵(POP泵)内，注入泵将液态二氧化碳泵入注入井井口，通过油管或者其它途径进入煤储层。注入施工完成后，关闭井。一个月后，待井底的压力逐渐变小，就利用泵车上的泵，将水罐车内的水压入到井内，使二氧化碳全部进入煤层气储层内。然后进行煤层气的排水采气。

图4示出了一种适于本发明的方法的注入井井筒结构。如图所示，井筒主体结构由油管以及油管外的套管构成，整个结构包括注入用Φ139.7加厚油管、油管封隔器、NOGO短接和井下压力计。在煤层上部安装井下封隔器，将注入的目的煤层(煤层气储层)与上部分隔开，形成一个独立的压力系统。井下压力计托安装在目的煤层的中部，井下压力计设置于其中，使得测得数据接近煤储层实际值。在通过油管注入时，将封隔器安装在储层顶部处的油管处，在封隔器的下部使用筛管连接，并且油管丝扣油使用柴油，防止油管丝扣油冻结，泄漏二氧化碳。这样的井筒结构可以保证在气体的注入过程中，气体可以尽量少地与水接触，因为油管提供了足够好的与水的隔绝，另外隔离器也防止了注入的气体向套管中窜流，注入的气体通过筛管进入井底，进而进入煤层中，井下压力计实时为注入步骤提供注入压力。

在本发明的实施方式中，所述气体的注入可以连续、间歇或者半连续地进行。

在本发明的实施方式中，在注入气体的过程中，需要保证在注入压力低于煤层气储层的破裂压力的条件下进行。本申请所述的注入压力是注入的气体在即将进入煤层气储层之前的压力，通常约等于二氧化碳罐车提供的给泵的入口压力、二氧化碳泵本身产生的压力和管柱内二氧化碳形成的压力之和。可在井底、注入的气体即将进入煤层气储层之前的地方设置井底压力计来监测井底压力，也即注入压力。在本申请中，井底压力和注入压力可以互换使用。保持井底压力低于煤层气储层的破裂压力是为了保持注入的气体储存在煤层中，如果压力过大致使煤层破裂之后，注入的气体将有可能进入其它地层，注入的气体不能置换出甲烷，就起不到注入气体提高煤层气井产量的目的。

在本发明的实施方式中，在步骤b中，通过控制注入压力来控制注入速率，使得注入施工安全和稳定，也即，使得井底压力低于煤层破裂压力，实现在注入二氧化碳的同时，煤层与上下岩层未产生大的断裂。

在现有技术中，向地层或者煤层中注入流体时，控制井底压力可以如下进行：采用注入前的根据二氧化碳密度和温度计算井口注入压力和井底压力的关系，然后在注入设备上设置过压截断装置；或者在井底安装压力计，在井口读取井底压力数值来控制注入压力不会过大，在注入压力骤增的情况下，将注入设备的功率适当调小或者关闭注入设备，待压力变小之后，再继续注入操作。

在本发明的一种实施方式中，通过控制注入泵的转速和压力来控制气体的注入速率。在该实施方式中，在注入气体时，采用井底直读压力计和变频控制系统控制注入压力和注入速率，使得注入压力低于煤层气储层破裂压力。通过地面直读压力计得到井底压力，当井底压力接近煤储层破裂压力时，调节注入泵的变频控制系统，调低注入泵的转速，降低注入压力，从而达到降低井底压力的目的。

在本发明的实施方式中，在步骤b中，采用监测设备，并且监测设备配备超压断电和超压保护装置，使得在注入过程中如果井底压力超过破裂压力，则系统泄压。

在注入气体的过程中，注入泵的排量可根据下述的步骤d获得的数据进行设计，其可为5至500立方米/天，优选15至200立方米/天，更优选20至100立方米/天，更优选20至60立方米/天，最优选30至50立方米/天。

煤层气储层的破裂压力可以根据煤层气井压裂施工中得到破裂压力计算。

本发明的方法还包括以下步骤：f.在步骤a之前进行洗井。在实施本发明的方法的过程中，如果井筒内有大量的煤粉，注入二氧化碳可能引起煤粉堵塞储层通道，因此可能在实施注入二氧化碳之前需要进行洗井作业，采用1％氯化钾溶液进行洗井，返排出井筒内所有的煤粉，注入二氧化碳后不引起储层通道的堵塞。因此，在本发明的一种实施方式中，本发明的方法还包括在步骤a之前进行洗井。在该实施方式中，在洗井的同时保持井筒附近的煤层气储层无污染和减少洗井液与储层反应产生的污染。还在该实施方式中，洗井液采用1％氯化钾溶液或者地层水。仍然在该实施方式中，在洗井的过程中返排出井筒内的煤粉，从而使得在注入液体二氧化碳后不引起储层通道的堵塞。

在本发明的一种实施方式中，本发明的方法还包括以下步骤：

e.进行关井测试：关闭井，测试井底压力。

步骤d是为了获得煤层气储层的相关参数；以及以便于通过模拟软件用步骤d和e获得的数值进行模拟，计算注入速率和注入量。前期的数值模拟得到煤储层的渗透率、孔隙度和裂缝范围等参数，数值模拟模型经过拟合后，符合实际地质情况。然后，进行注入二氧化碳的预测，通过数值模拟结果调节注入量和注入速率，选择注入效果最好的方式进行施工。

模拟软件可以使用本领域通常使用的软件，例如购自斯伦贝谢公司的ECLIPSE数值模拟软件。具体地是：首先根据采集的数据，输入气体成分、气和水的产量，然后进行历史拟合，通过拟合产量，得到储层的绝对渗透率和井筒区域的煤层伤害程度，然后再进一步估算其它数据，例如注入速率、注入压力和注入量。

步骤e中的关闭井是指将整个井筒封闭。在本申请中，关井和闷井是一样的操作。

使用同一口井进行本发明方法时，在进行本发明的方法的整个过程中，需要进行三次修井作业，第一次是在生产前安装井下压力计，第二次是注入前安装井下压力计和注入井口设备，第三次修井作业是注入后进行压井作业。

实施例

实施例1

选择一个深部煤层气煤田，采用如图3所示的注入设备，注入工艺的步骤主要是将液态二氧化碳(二氧化碳含量99.5％)从罐车通过车载泵压入二氧化碳注入泵(POP泵)内，注入泵将液态二氧化碳泵入注入井井口，通过油管和套管的间隙进入煤层气储层。注入施工完成后，关闭井。一个月后，待井底的压力逐渐变小，就利用泵车上的泵，将水罐车内的水压入到井内，使二氧化碳全部进入煤层气储层内。再通过注入井进行煤层气的排水采气。

该井注入二氧化碳之前，平均产气量为556.9立方米每天。经过13天间歇性的注入液态的CO₂，平均每天注入49吨。注入CO₂后，关井30天。开井后继续进行排采，平均产气量为1017立方米每天。

本次实验的结果表明：注入二氧化碳后，该井的产量增加约一倍。本次实验取得了良好的效果。但是施工期间出现多次被堵塞的现象，经推断是注入的二氧化碳形成水合物或者干冰堵塞了注入通道导致的。

实施例2

选择与实施例1相同的深部煤层气煤田，采用与实施例1中所采用的注入方法相同的方法进行注入操作，所不同的是液体二氧化碳(二氧化碳含量99.5％)通过油管进入煤层气储层。此时，注入井的结构如图4中所示。注入施工完成后，关闭井。一个月后，待井底的压力逐渐变小，就利用泵车上的泵，将水罐车内的水压入到井内，使二氧化碳全部进入煤层气储层内。再通过注入井进行煤层气的排水采气。

该井深度为1081米，渗透率非常低，大约0.8毫达西。平均产气量200立方米每天，注入223吨二氧化碳后，经过一个月的关井，产气量最高达到1200立方米每天，平均产气350立方米每天。

本次实验的结果表明：注入二氧化碳后，该井的产量增加约一倍，本次实验取得了良好的效果。而且，在施工期间没有出现堵塞的现象。分析堵塞的主要原因在二氧化碳注入过程中，二氧化碳的温度从-30℃变化到储层的25℃，如果二氧化碳在到达储层的过程中温度达到10℃之前遇到水，就有可能形成水合物，这些水合物可能堵塞射孔或者附近的通道。使用套管与油管的间隙注入时，由于间隙中容易出现水，所以也容易形成二氧化碳水合物而导致通道堵塞，而使用油管注入时，前期注入的液态二氧化碳不与套管直接接触，油管内全部都是二氧化碳，就不易形成水合物。

Claims

1.一种开采煤层气的方法，其包括以下步骤：

c.通过开采井进行煤层气的排水采气。

2.权利要求1的方法，其中所述注入的气体是包含二氧化碳的气体。

3.权利要求1或2的方法，其中所述注入的气体是包含二氧化碳的气体，并且其中含有至少40体积％，优选至少50体积％，还优选至少60体积％，还优选至少70体积％，还优选至少80体积％，更优选至少90体积％，最优选至少98体积％的二氧化碳，余量为氮气和/或其它气体。

4.前述权利要求中任一项的的方法，其中所述煤层气储层为深部煤层。

5.前述权利要求中任一项的方法，其中闷井的时间为1天至300天，优选20至60天，优选30至60天，更优选40至60天。

6.前述权利要求中任一项的方法，其中所述注入井和所述开采井是同一口井。

7.权利要求2至6中任一项的方法，其中向煤层气储层中注入气体的过程中，保持该注入的气体与尽可能少的水接触。

8.权利要求7的方法，其中所述注入的气体的注入采用油管注入。

9.前述权利要求中任一项的方法，其中所述方法还包括以下步骤之一或全部：

e.进行关井测试：关闭井，测试井底压力。

10.前述权利要求中任一项的方法，其中所述注入的气体的注入是连续、间歇或者半连续地进行的。

11.权利要求9的方法，其中包括通过模拟软件用步骤d和e获得的数值进行模拟，计算注入速率和注入量。

12.前述权利要求中任一项的方法，还包括以下步骤：f.在步骤a之前进行洗井。

13.权利要求12的方法，其中，在洗井的同时保持井筒附近的煤层气储层无污染和减少洗井液与储层反应产生的污染。

14.权利要求12或13的方法，其中洗井液采用1％氯化钾溶液或者排采出的地层水。

15.权利要求12至14中任一项的方法，其中在洗井的过程中返排出井筒内的煤粉，从而使得在注入气体时不引起储层通道的堵塞。