CN102877819A - 煤层气井循环注二氧化碳系统 - Google Patents

Abstract

煤层气井循环注二氧化碳系统，包括依次连接的智能抽采部分（27）、气体分离部分（28）、二氧化碳压缩脱水冷凝部分（29）和循环注二氧化碳动力部分（30）。本发明能进行煤储层的改造，增加煤储层的导流能力，通过循环注气，能把煤层中更多的甲烷气体采出来，提高了煤层中甲烷的产出速率，降低了煤层气井的回采周期，提高了煤层气井的采收率和经济效益。本发明通过循环注气，能封存部分二氧化碳，减少了大气中的二氧化碳气体排放，降低温室效应。

Description

煤层气井循环注二氧化碳系统

技术领域

本发明属于煤矿生产节能环保技术领域，特别涉及煤层气井循环注二氧化碳系统。

背景技术

煤层气主要是赋存在煤层中以甲烷为主要成分的气体。煤层气作为一种高效、洁净能源，近年来愈来愈受到人们的广泛关注。要把赋存在煤层中的煤层气采出来，较高的煤层裂隙通道是其有效采出的重要条件之一。渗透率的大小是表示裂隙发育程度的重要指标。由于我国煤储层普遍为低渗储层，因此如何改变煤储层的导流能力是提高煤层气采收率的关键之一。

目前，改造煤储层导流能力的方法主要有两种，一种是通过卸应力的方法使煤储层的导流能力提高，这种方法主要应用于煤矿井下。一种是通过物理方法或化学方法或物理与化学相结合的方法，采用水作为传动介质，或化学处理方法来达到增透的效果。水力压裂是其中的主要措施之一，通过水力压裂，使煤层的裂缝导流能力提高，煤层气井通过排水，降低了煤储层的压力，当储层中的压力降低到临界解吸压力以下时，吸附在煤层中的气体将解吸出来，达到开采煤层气的目的。随着煤层中的甲烷气体的产出，煤层中的压力下降，当降低到一定程度时，吸附着的气体将无法解吸出来。实验结果表明，在同样的温度、压力条件下，二氧化碳在煤中的吸附能力大于甲烷，在这种情况下，把由煤炭发电等产生的二氧化碳气体进行收集，注入到开采着的煤层气井中，一方面通过二氧化碳的注入，提高了煤储层的能量，另一方面，二氧化碳与煤层内的甲烷气体发生竞争吸附，让吸附着的甲烷气体解吸产出，提高了煤层气井甲烷的采收率；当甲烷气体解吸到一定程度时，储层能量及裂隙通道不足以使更多的甲烷气体解吸时，可再次注入二氧化碳，再次让不再解吸的甲烷气体解吸，直到没有开采利用价值为止。目前，地面已经能实现注二氧化碳来提高采收率，但目前的注二氧化碳的设备比较庞大，二氧化碳注入后，随着排水降压的进行，一部分二氧化碳又回从煤层中解吸产出，如何研制出一种简便、易行的能循环注二氧化碳的设备，同时又能把注入后解吸出的甲烷气体和二氧化碳气体进行分别收集，再次利用二氧化碳的目的，对于节约注二氧化碳的成本，提高甲烷的采收率具有重要的现实意义。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种体积较小、成本低、易于组织操作的煤层气井循环注二氧化碳系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：煤层气井循环注二氧化碳系统，包括依次连接的智能抽采部分27、气体分离部分28、二氧化碳压缩脱水冷凝部分29和循环注二氧化碳动力部分30。

所述智能抽采部分包括智能抽采机1、井下压力计6、井下温度计5、气流量计3和水流量计2，井下压力计6和井下温度计5分别设在煤层气生产井31的井底，智能抽采机1的抽油杆4放置到煤层气生产井31的煤层段上下5-10m处（排采初期，放置于煤层之上0-5m处，第一次修井后，即可放置于煤层段之下0-10m处），煤层气生产井31的上端连接有气管路32和水管路33，气流量计3设在气管路32上，水流量计2设在水管路33上。

所述气体分离部分28包括气水分离器8、污水池9、除水分离器10、气相色谱仪11和甲烷二氧化碳分离器12，气水分离器8和污水池9顺次连接在水管路33上，除水分离器10和甲烷二氧化碳分离器12顺次连接在气管路32上，气相色谱仪11连接在除水分离器10和甲烷二氧化碳分离器12之间的气管路32上，甲烷二氧化碳分离器12连接有甲烷压缩站13。

所述二氧化碳压缩脱水冷凝部分29包括依次连接在气管路32上的至少一组的压缩机14和冷凝器15、至少一组蒸汽塔/再生塔16、至少一组冷却压缩机17和冷却冷凝器18。

所述循环注二氧化碳动力部分30包括水箱21、砂罐车22、压裂泵车25、混砂装置23、高低压管汇24和移动式存储罐车19，移动式存储罐车19连接在气管路32上，水箱21和砂罐车22分别与混砂装置23连接，混砂装置23和压裂泵车25通过高低压管汇24与气管路32的注气端连接，高低压管汇24上连接有仪表26。

所述气管路32和水管路33上分别设有阀门7。

采用上述技术方案，具有以下有益效果：

1、智能抽采部分主要是通过智能抽采机把煤层中的甲烷气体抽采到地面；气体分离部分主要是把开采出的水和气先进行分离，然后把甲烷气体和二氧化碳气体进行分离；二氧化碳压缩脱水冷凝部分2主要是实现收集到的甲烷气体加以利用，二氧化碳气体回收再利用；循环注二氧化碳动力部分主要是通过高压水流破煤岩的同时把二氧化碳注入到煤层的孔、裂隙中。

2、智能抽采机主要用来抽采煤层中的水使煤储层压力降低，达到解吸甲烷气体的目的。智能抽采机主要由转子、定子和提供动力的装置和自动记录调整装置组成。自动记录调整装置能够根据动液面下降的速度变化自动调节转速，从而适应动液面的变化。方法为：首先给定动液面高度，先以一定的转速运转，在运转过程中，声波传感器得到动液面的高度，与给定的动液面高度进行比较，得出动液面下降的比例，给定动液面高度下运转动液面下降比例与理论要求的下降比例一致时，仪器以此转速运转；当下降比例不一致时，根据下降快慢控制仪会调节转速适应动液面下降速度，最终实现动液面的自动控制。

井下温度计主要是用来监测井下的温度。井下压力计主要用来监测井底压力的变化，监测动液面的变化，为调整排采工作制度提供依据。智能抽采机抽采的水经过水管路，抽出的气经过气管路。水管路和气管路上分别安装有水流量计和气流量计，分别记录水的流量和气的流量。

3、气水分离器主要是分离煤层气井排出的水中的气体。气水分离器采用传统的重力沉降气水分离器，利用气体与液体的密度不同，液体在与气体一起流动时，液体会受到重力的作用，产生一个向下的速度，而气体仍然朝着原来的方向流动，也就是说液体与气体在重力场中有分离的倾向，向下的液体附着在壁面上汇集在一起通过排放管排出，从而达到气水分离的目的。气水分离器与水管路相连接，水管路中的水，经过气水分离器，将气体从水分中分离，气水分离器上安装有压力表，能够读取气体的压力，根据气体的压力决定是否对分离出的气体加以利用，经过气水分离器中水，被排进污水池。

除水分离器主要目的是去除二氧化碳和甲烷混合气体中少部分的水，除水分离器设计采用挡板式分离器，当大量含水的气体进入除水分离器后，在其中以离心向下倾斜式运动。夹带的水分由于速度的降低而被分离出来。被分离出来的液体流入下部经疏水阀排出，干燥清洁的蒸汽从分离器出口排出。气管线中的混合气体，经过除水分离器，混合气体中的水分被去除，然后进行后续的处理。

甲烷二氧化碳分离器主要作用是将甲烷和二氧化碳分离，甲烷二氧化碳分离器中内置有变压吸附器，利用装在变压吸附器内的活性炭、分子筛、硅胶等固体吸附剂，对甲烷和二氧化碳混合气体进行吸附，根据甲烷和二氧化碳沸点的不同，通过改变压力，从而达到气体分离的目的。被分离的甲烷气体通过气管路进入甲烷压缩站，气体压缩后输出到供气站，供气站经过压缩、深度脱水后可以直接销售，二氧化碳气体通过管线进入二氧化碳压缩冷凝系统。

气相色谱仪连接在除水分离器和甲烷二氧化碳分离器之间的气管路上，在气样采集管路中，通过多层过滤（聚合过滤和膜分离器），除去混合气体样品中的水气，干燥过的混合气体直接进入气相色谱仪，气相色谱仪对混合气体中甲烷和二氧化碳的含量进行分析，为甲烷、二氧化碳分离器提供依据。

4、由三级往复式压缩机和冷却冷凝器组成的压缩装置，压缩机使用水冷式汽缸，主要作用是将二氧化碳的压力转化为液化时需要的压力（2100KPa），压缩机的这种汽缸可以提高压缩机作业的整体效率，同时降低排放速度，减少压缩机的级数，在每一级之后需要冷却冷凝器去除压缩热，冷却冷凝器中安装有水分离器，水分离器用来去除压缩和冷却后的冷凝水。

由两个蒸汽塔（再生塔）组成的脱水装置，两个塔交替作业，蒸汽塔中装满分子筛，在蒸汽阶段，将水存留在分子筛床上，在再生阶段，使用热空气流将积聚的水从筛床上去除，并排放到大气中。每个塔直径是2m，塔的高度是3.5m，再生采用的是鼓风机和电子加热器产生的热空气来作业的，一个蒸汽塔的作业循环约为24h，再生阶段约为12h，在塔出口的顶部的干基二氧化碳气流被连续监控，确保稳定在-30℃以下。

冷却装置主要用来液化干基二氧化碳气流，并准备输送到二氧化碳注入泵车上，冷却系统采用两级丙烷冷却循环装置，由冷却压缩机、冷却冷凝剂、抽气鼓和节热器组成，被冷却后的液态二氧化碳，被输送到移动式二氧化碳存储罐车中。

5、水箱主要是用来盛装压裂时的压裂液。一般由6*3*3的长方体组成，在水箱的下部安装有一个出水口，以及阀门，能让水从出水口中出来，出口直径为8cm。

压裂泵车主要用来提供压裂时的压力。由动力装置、泵体装置及车身等组成。动力装置主要用来提供压力，泵体装置通过活塞的往复运动把压裂液及支撑剂注入到井下。由于一台压裂泵车提供的排量有限，为了把支撑剂和压裂液注入到更远处，一般由6-7台压裂泵车并联，它们之间主要由高低压管汇进行连接。

高低压管汇主要用来把多台压裂泵车并联在一起。高低压管汇由两排管口组成，上面一排是低压，下面一排是高压。两排各由6-8个管口组成。低压部分主要通过高压管线与混砂装置进行连接；高压部分主要通过高压管线与压裂泵车连接。

混砂装置主要是把支撑剂和压裂液混合搅拌均匀，并通过压裂泵车输送到井下。混砂装置主要通过转轮的转动，来对支撑剂和水体进行搅拌，起到混合均匀的作用。转轮转动的速度快慢决定了支撑剂的流速，进而改变着压裂时压裂液中支撑剂的浓度。

移动式二氧化碳注入泵车主要是把二氧化碳注入到煤层孔、裂隙中。通过将注入泵和二氧化碳运输车辆组合在一起，主要是存储液态二氧化碳和提供二氧化碳循环注入时的压力。由二氧化碳注入泵、二氧化碳存储罐以及所有必要的安全阀、排放阀组成，该泵车计量精度高、安全性好。

压力传感器和流量传感器主要是记录注入时的施工压力和流量。

本发明主要是针对目前注二氧化碳设备庞大、成本费用高、组织操作较困难、采出的二氧化碳气体无法再次利用而引起温室效应等主要问题，研制出一种循环注二氧化碳装置，形成循环注二氧化碳的工艺方法体系，达到循环利用二氧化碳气体，减少施工成本，提高煤层气甲烷采收率和经济效益的目的。

本发明能进行煤储层的改造，增加煤储层的导流能力，通过循环注气，能把煤层中更多的甲烷气体采出来，提高了煤层中甲烷的产出速率，降低了煤层气井的回采周期，提高了煤层气井的采收率和经济效益。本发明通过循环注气，能封存部分二氧化碳，减少了大气中的二氧化碳气体排放，降低温室效应。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中循环注气工艺流程图；

图3是循环注气工艺中等间距布井的示意图；

图4是循环注气工艺中平行四边形布井的示意图；

图5是循环注气工艺中不规则布井的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的煤层气井循环注二氧化碳系统，包括依次连接的智能抽采部分27、气体分离部分28、二氧化碳压缩脱水冷凝部分29和循环注二氧化碳动力部分30。

智能抽采部分包括智能抽采机1、井下压力计6、井下温度计5、气流量计3和水流量计2，井下压力计6和井下温度计5分别设在煤层气生产井31的井底，智能抽采机1的抽油杆4放置到煤层气生产井31的煤层段上下5-10m处（排采初期，放置于煤层之上0-5m处，第一次修井后，即可放置于煤层段之下0-10m处），煤层气生产井31的上端连接有气管路32和水管路33，气流量计3设在气管路32上，水流量计2设在水管路33上。

气体分离部分28包括气水分离器8、污水池9、除水分离器10、气相色谱仪11和甲烷二氧化碳分离器12，气水分离器8和污水池9顺次连接在水管路33上，除水分离器10和甲烷二氧化碳分离器12顺次连接在气管路32上，气相色谱仪11连接在除水分离器10和甲烷二氧化碳分离器12之间的气管路32上，甲烷二氧化碳分离器12连接有甲烷压缩站13。

二氧化碳压缩脱水冷凝部分29包括依次连接在气管路32上的至少一组的压缩机14和冷凝器15、至少一组蒸汽塔16、至少一组冷却压缩机17和冷却冷凝器18。

循环注二氧化碳动力部分30包括水箱21、砂罐车22、压裂泵车25、混砂装置23、高低压管汇24和移动式存储罐车19，移动式存储罐车19连接在气管路32上，水箱21和砂罐车22分别与混砂装置23连接，混砂装置23和压裂泵车25通过高低压管汇24与气管路32的注气端连接，高低压管汇24上连接有仪表26。气管路32和水管路33上分别设有若干个阀门7。

采用工厂中产生的二氧化碳气体，通过三级往复式压缩机压缩、蒸汽塔16（再生塔）脱水、两级丙烷冷却循环系统（冷却压缩机17和冷却冷凝器18）冷凝后被收集在移动式二氧化碳存储罐车19中，通过增压泵作用，注入到二氧化碳注入井34的煤层35中，在煤层35中，二氧化碳对甲烷气体进行驱替作用，加快了甲烷在煤层35气井中的产出速率，同时有一部分二氧化碳气体产出，产出的甲烷和二氧化碳混合气体经过甲烷、二氧化碳和水分离系统的分离，甲烷进入甲烷压缩站13被压缩，二氧化碳通过三级往复式压缩机压缩、蒸汽塔16（再生塔）脱水、两级丙烷冷却循环系统冷凝后，重新被收集在移动式二氧化碳存储罐车19中，通过增压泵二氧化碳被循环注入到煤层35中。这样就起到循环注入的目的。

如图2所示，本发明的循环注气工艺及流程为：

① 、循环注气的布井地点的确定

通过对评价区的煤层厚度、渗透率、含气量等的资源条件和储层物性进行评价，在评价出有利区块后，同时考虑地面条件，应尽量选择地形、地貌相对简单、平坦的地区，以便于道路施工和井场布置及集输电线路建设。若在正在采煤的矿区进行，则要考虑与煤矿的采掘衔接问题，以便最大限度地减少施工风险，充分利用地面钻井进行产气。

② 、井网布置方式的确定

当煤层裂隙比较发育，在不同方向渗透性差别不大，水平最大主应力与最小主应力大小差值较小时（一般不超过2MPa），且地质构造条件不太复杂，地形条件允许时，可采用等间距的布井方式，如图3所示，中间一个为注入井50，周边为生产井51。

当煤层裂隙发育差异性较大，在不同方向渗透差别较大时，水平最大主应力与最小主应力大小差值较大时(超过了2MPa)，且地质构造条件不太复杂，地形条件允许时，在水平最大主应力方向上，井网距离大些，垂直于水平最大主应力方向上，采用平行四边形的布井方式，如图4所示，中间一个为注入井52，周边为生产井53。

当煤层裂隙发育差异性较大时，水平最大主应力与最小主应力大小差值较大时(超过了2MPa)，且地质构造条件发生强烈变化，地形条件也比较复杂时，则采用不规则的布井方式，如图4所示，中间一个为注入井54，周边为生产井55。

③ 、一次压裂工艺参数确定

a.当煤层为单一厚煤层时

液量的确定：根据煤层厚度，确定出压裂液总量，一般情况下，压裂液总量为（80～150*煤层厚度），前置液量为压裂液总量的35%～45%，顶替液量为煤层埋深/100*1.2，携砂液量为压裂液总量的40%～55%。

排量的确定：施工时，施工排量一般为7.0～8.5m³/min；

砂比及加砂顺序的确定：一般情况下，平均砂比为10%～15%。加砂顺序一般为：3%-5%-7%-10%-13%-16%-18%-20%。

砂量的确定：单位厚度上的砂量为6～9m³/m。

b.当煤层为多煤层，煤层之间的间距小于20m 时

可以采用投球压裂技术。射孔时，在煤层段一般为16孔/m，中间砂岩层段一般为24孔/m或32孔/m。其他设计参数与单一煤层相同。

④ 、安装排采设备排采

选择排采设备时，应能满足地层的最小供液能力和最大供液能力的需要。同时考虑经济成本，进行排采。

⑤ 、循环注气参数确定

a.注气时间的确定

当煤层气井从开始产气后逐渐地上升，当达到产气高峰后，维持一段时间后，然后产气量开始下降，当持续下降时，此时则需要开始二次注气。

注气后关井一段时间后继续排采，产气后达到产气高峰维持一段时间后又开始出现产气持续下降时，则需要再次注气，如此循环。

b.注气量的确定

注气量是根据煤层的埋藏能力结合二氧化碳注入泵的排量确定的。注入的气量主要是能满足气体尽量的扩散到单井控制的面积范围内。一般情况下，根据单井控制面积，煤层厚度计算得出注入气量。

Claims (6)

1.煤层气井循环注二氧化碳系统，其特征在于：包括依次连接的智能抽采部分（27）、气体分离部分（28）、二氧化碳压缩脱水冷凝部分（29）和循环注二氧化碳动力部分（30）。

2.根据权利要求1所述的煤层气井循环注二氧化碳系统，其特征在于：所述智能抽采部分包括智能抽采机（1）、井下压力计（6）、井下温度计（5）、气流量计（3）和水流量计（2），井下压力计（6）和井下温度计（5）分别设在煤层气生产井（31）的井底，智能抽采机（1）的抽油杆（4）放置到煤层气生产井（31）的煤层段上下5-10m处，煤层气生产井（31）的上端连接有气管路（32）和水管路（33），气流量计（3）设在气管路（32）上，水流量计（2）设在水管路（33）上。

3.根据权利要求2所述的煤层气井循环注二氧化碳系统，其特征在于：所述气体分离部分（28）包括气水分离器（8）、污水池（9）、除水分离器（10）、气相色谱仪（11）和甲烷二氧化碳分离器（12），气水分离器（8）和污水池（9）顺次连接在水管路（33）上，除水分离器（10）和甲烷二氧化碳分离器（12）顺次连接在气管路（32）上，气相色谱仪（11）连接在除水分离器（10）和甲烷二氧化碳分离器（12）之间的气管路（32）上，甲烷二氧化碳分离器（12）连接有甲烷压缩站（13）。

4.根据权利要求3所述的煤层气井循环注二氧化碳系统，其特征在于：所述二氧化碳压缩脱水冷凝部分（29）包括依次连接在气管路（32）上的至少一组的压缩机（14）和冷凝器（15）、至少一组蒸汽塔/再生塔（16）、至少一组冷却压缩机（17）和冷却冷凝器（18）。

5.根据权利要求4所述的煤层气井循环注二氧化碳系统，其特征在于：所述循环注二氧化碳动力部分（30）包括水箱（21）、砂罐车（22）、压裂泵车（25）、混砂装置（23）、高低压管汇（24）和移动式存储罐车（19），移动式存储罐车（19）连接在气管路（32）上，水箱（21）和砂罐车（22）分别与混砂装置（23）连接，混砂装置（23）和压裂泵车（25）通过高低压管汇（24）与气管路（32）的注气端连接，高低压管汇（24）上连接有仪表（26）。

6.根据权利要求2-5任一项所述的煤层气井循环注二氧化碳系统，其特征在于：所述气管路（32）和水管路（33）上分别设有阀门（7）。

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