CN104329055B

CN104329055B - 开采煤层气的方法

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Publication number: CN104329055B
Application number: CN201310308271.9A
Authority: CN
Inventors: 郝占元; 武子豪
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2033-07-22
Also published as: CN104329055A

Abstract

本发明涉及钻探开采技术，具体为开采煤层气的方法，解决了现有的煤层气开采技术不能够使煤层气获得稳产、高产的问题。一种开采煤层气的方法，包括如下步骤：a、自地面至煤层底部钻探直井，然后以处于煤层厚度内的直井内壁为起点分多层钻探若干水平洞，所述分布于多层的所有水平洞在轴向空间内交错后形成以直井为中心的放射状；所述直井和水平洞内充满水；b、造缝：将装有固体推进剂的燃烧装置放入直井中，利用固体推进剂的快速燃烧，产生大量的高温高压气体，通过水传递压力并冲击煤层后，使煤层产生立体的网状不规则裂缝；c、将二氧化氯解堵剂注入所述水平洞内；d、在地面直井口采出煤层气。本发明设计合理，提高了煤层气的开采量。

Description

开采煤层气的方法

技术领域

本发明涉及煤层气开采技术，具体为一种开采煤层气的方法。

背景技术

煤层气的主要成份是甲烷（CH₄），是与煤炭伴生的一种清洁能源气体，其中90%左右是以吸附状态吸附于煤基质孔裂隙表面，10%左右以游离态游离于孔裂隙之间。我国煤层气资源量约36.8万亿m³，居世界第三位，与我国天然气储量相当。但与发达国家相比，我国煤层气储存条件具有低饱和度、低渗透率、低储层压力的特点，因此它的开发是世界性难题，直接引进外国技术也难以奏效。

我国煤层气“十二五”规划提出“压裂是煤层气开发的关键技术”，目前煤层气压裂的主要方式有活性水压裂、胍胶压裂、氮气泡沫压裂、清洁液压裂等。其目的都是要在煤层中形成有效的液气流通道，在煤层气不断解吸的条件下，通过井筒采出。胍胶压裂是低渗透、特低渗透油、气田的主要增产方法，也是现有煤层气开发的主要方法。而我国煤层气的储存方式存在着低渗透、低饱和度和低气压的“三低”状况，且煤质较软，属软煤层，煤层温度较低（一般在10～20℃）。这就意味着传统油、气田常规的胍胶压裂在煤层气开发应用时存在着很大困难，而传统胍胶压裂原有的压裂液破胶不及时、不彻底，特别是压裂液注入压力大于煤层压力，压裂液滤失，胍胶在裂缝表面形成滤饼，降低了导流能力的问题更加严重。

利用二氧化氯解堵剂对油田井的解堵方法（ZL02146452.9）是太原和瑞实业有限公司具有自主知识产权的高新技术，HRS复合解堵剂为产品名称。HRS煤层气胍胶压裂是利用胍胶液粘度大、携砂能力强，通过压裂可以在煤层形成以支撑剂（砂粒）为主体的宽缝、立缝、长缝，造成高渗透的液气流通道。但是，2011‐2012年，在五阳煤矿进行了煤层气开发的六口实验井，HRS胍胶压裂采用高粘度的压裂液、大粒径支撑剂、高砂比与HSR解堵剂技术相配合，可以在低渗透软煤层中造成宽缝、立缝、长缝的液气流通道。与各种水力压裂相比，单井产气量有较大提高，但与理想的效果相比，不仅产气量不理想，且产气周期短，采收率低。经调查分析认为，由于我国煤层气储存“三低”的特点，运用现有压裂技术产生的裂缝是双向线性流模式（如图1所示），这是压裂机理本身所决定的。我国煤层气储存渗透率低、气压低、饱和率低的条件下，煤层气在采用压裂技术造成的人工裂缝附近参与了流动和产出，但是，远离裂缝或垂直于裂缝方向的煤层范围内的煤层气则很难被解析、扩散、渗流进入井筒，形成了大范围的开发“盲区”，使煤层气很难获得稳产、高产。

所以，经过多年的实践证明，仅靠压裂技术或单井单项目的开采实践是难以奏效的，不能彻底解决我国煤层气的开采问题。

发明内容

本发明为了解决现有的煤层气开采技术不能够使煤层气获得稳产、高产的问题，提供了一种开采煤层气的方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种开采煤层气的方法，包括如下步骤：

a、设计施工方案，自地面至煤层底部钻探直井，然后以处于煤层厚度内的直井内壁为起点分多层钻探若干水平洞，所述分布于多层的所有水平洞在轴向空间内交错后形成以直井为中心的放射状；所述直井和水平洞内充满活性水；

b、造缝：将装有固体推进剂的燃烧装置放入直井中，利用固体推进剂的快速燃烧，产生大量的高温高压气体，通过活性水传递压力并冲击煤层后，使煤层产生立体的网状不规则裂缝；

c、利用高压（超过煤层破裂压力）将二氧化氯解堵剂注入所述水平洞内，生成的二氧化氯水溶液沿网状不规则裂缝进入煤层，延伸并对煤层进行改性（其中，注入方法同专利号为02146452.9中所述，利用同样方法将HRS注入）；

d、在地面直井口采出煤层气。

上述装有固体推进剂的燃烧装置在油田开采天然气过程中用于高能气体压裂造缝。所述的燃烧装置包括筛管，所述的筛管内装有药柱和相应的点火装置，通过药柱燃烧后产生大量的高温高压气体，用于压裂造缝。

工作时，首先通过设备在煤层内钻探形成由直井和若干水平洞组成的架构，通过燃烧装置的产生大量的高温高压气体后，在立体煤层空间内形成大量的网状不规则裂缝，大大提高了裸煤面积；之后利用高压注入二氧化氯解堵剂（HRS在井下生成二氧化氯水溶液的浓度控制在200‐6000mg/L），在高压作用下，使得已产生的煤层不规则裂缝进一步延伸，随之二氧化氯解堵剂沿网状不规则裂缝进入煤层，对煤层进行改性。煤储层的改造措施不论是以水力压裂造缝还是水平钻孔，其目的都是要提高裸煤面积。而影响煤层气产量的煤层渗透率、含气饱和度、临储比并没有变化。而注入二氧化氯解堵剂（HRS）是采用化学改性的方式增加煤层气的渗透率、降低煤储层亲甲烷能力，进而增加煤储层的含气饱和度和临界解吸压力，并最终提高煤层气的采收率，也大幅度提高了煤层气的产量。经多次实验后发现油气田常用的二氧化氯解堵剂（HRS）与煤相互作用之后，煤层的亲甲烷能力下降，煤层气的渗透率明显提高。煤层亲甲烷能力的降低意味着煤储层含气饱和度和临储比增高，临界解吸压力增高不仅可缩短排采初期见气时间，更重要的是在相同条件下煤层气的采收率增加，提高了煤层气开采的经济效益。HRS煤层改性是在高压射流径向水平洞和造缝的基础上，进行不加砂压裂，使裂缝延长、裂隙加宽，并降低煤对甲烷的吸附能力，提高煤层的饱和度和渗透率，进一步改善煤层的导流能力，提高了煤层气单井产量，进而能够稳产、高产的开采煤层气。

一、二氧化氯解堵剂（HRS）对煤表面的改性作用机理如下：

1、对煤表面物化性质的改变导致煤对甲烷吸附能力的影响

煤表面吸附性能由其物理性质（比表面积和孔结构）和化学性质（表面化学性质）共同决定，而煤表面的化学性质在很大程度上由表面官能团的类别和数量决定，煤表面最常见的官能团是含氧官能团，它影响煤的亲水性、表面电荷等，从而影响煤的吸附行为。煤表面的官能团主要有羧基、内酯基、羰基、酚羟基、酸酐、醚基等。煤经过二氧化氯解堵剂处理后，由于二氧化氯的强氧化作用，煤表面物理结构和表面化学性质都发生了一定程度的改变。

对煤表面物理结构的影响：

在对煤表面孔结构表征的数据中，发现HRS改性后煤表面的比表面积和孔体积大幅增加。改性后煤表面孔结构发生倒塌，单位质量的体积明显减小，从而导致甲烷在煤层中的渗透率增加。

对煤表面化学性质的影响：

（1）煤表面含氧官能团增加：煤结构中的基本单元是芳烃类化合物，如苯、萘、蒽、菲、芴。煤的表面官能团主要有醛、酮、羟基等，且羟基随着变质程度的增高而减少，经HRS改性后在煤表面主要增加了羟基、羧基、羰基。

甲基发生氧化反应生成羧基：

羟基发生氧化反应生成醛基：

醛基发生氧化反应生成羧基：

相关实验证明，经HRS的氧化改性后，煤表面含氧官能团增加，煤样对甲烷的吸附降低，如表1、图1所示。经HRS改性后煤表面含氧官能团含量增加，尤其是羧基含量显著增加。将表1与图5结果相关联，可以知道羧基对甲烷吸附影响较大，羧基含量的增加使吸附量明显降低，而内酯基和酚羟基的影响小一些。这说明含氧官能团含量的增加，会降低煤对甲烷的吸附。

表1氧化改性前后表面含氧官能团的含量

样品	羧基	内酯基	酚羟基	总含氧官能团
					改性前	0.341	0.087	0.008	0.436
改性后	1.769	0.498	0.124	2.391

（2）煤表面负电荷增加：原煤经过氧化后，煤样表面的-CH-、-CH2-、-CH3等结构部分转变为醇羟基、醛基、酮基和羧基，煤表面原本存在的醇羟基也会向羧基转变，氧化后-OH、C=O、-COOH官能团增加，煤表面负电性增加。经过HRS改性后，煤表面负电荷数增加，减少了甲烷分子的有效吸附位，同时含氧官能团改变了煤表面的极性，从而降低了甲烷的吸附量。

将不同官能团连接到不同稠环芳烃形成模型化合物，模拟氧化后的煤表面，测定氧化后官能团连接到稠环芳烃的碳位上的净电荷，结果见表2。

表2氧化后模型化合物的表面净电荷

从表2可以看出，随着甲基氧化程度的加深（甲基‐羟基‐醛基‐羧基），其表面负电荷逐渐增加，也就是说对煤表面进行氧化处理，可提高其表面负电性。

另外，煤表面的一些基团如羰基可作为电子供体向有机物提供电子，形成电子‐受电子机制强化吸附作用，经氧化后羰基氧化成羧基，吸附剂和吸附质之间不能形成电子‐受电子复合物，导致甲烷的吸附量下降，因此经过HRS的氧化处理后的煤表面吸电子基团降低，吸附甲烷量减少。

（3）煤表面亲水性提高：经HRS处理后，煤表面含氧官能团含量增加，增加了煤表面极性，提高了煤表面的亲水性。随着含氧官能团含量的增加，煤表面亲水性增强，不利于非极性有机物甲烷的吸附，从而导致其吸附性能的变化。

随着煤表面亲水性的增加，水分子通过与含氧官能团之间的氢键作用吸附在煤表面（在水中，氢键优先形成于水分子和煤表面官能团之间），吸附的水分子成为二级吸附位点，从而吸附更多的水分子，形成水分子簇，阻止了甲烷的扩散。

总之，尽管煤表面物理性质和化学性质均对煤对甲烷的吸附作用有影响，但含氧官能团对吸附的影响要大于比表面积的影响。

2、HRS的酸化作用对甲烷在煤层中的渗透率的影响

HRS的pH值小于4、具有氧化性，并含有多种表面活性剂，可对煤表面的油性物质、矿物质起到清洗作用，从而增加煤的渗透性；对煤表面进行酸处理后，其表面酸性含氧官能团总量增大，比表面积和孔容增大，因而渗透率增大。

随着pH值的降低，金属离子如铁、镁、钙等不易以沉淀形式存在，易溶解在水中，促进了金属离子的溶解。

HRS的pH值小于4，在酸性条件下，其表面电位较高，如图6所示，HRS的极性增强，因而降低了煤对非极性分子甲烷的吸附作用。

煤表面带有负电荷，会吸附煤层中的矿物质如钙、镁等，从而中和部分电荷，降低了煤的表面电位。但在酸性条件下，煤对矿物离子的吸附能力降低，从而提高了煤的表面渗透性。

另外，煤中含有以无机硫和有机硫形式存在的硫分，其中无机硫主要有硫酸盐、硫铁矿和少量的元素硫。HRS中的主要成分二氧化氯可在pH为2‐10的范围内与S、FeS迅速反应，使pH值上升缓慢，防止Fe（OH）₂、Fe（OH）₃胶体形成而堵塞，同时将Fe²⁺氧化成Fe³⁺。由于Fe³⁺比Fe²⁺沉淀需要更高的pH值，从而减缓Fe²⁺的二次沉淀。反应方程式如下：

5S+6ClO₂+8H₂O→6Cl^‐+5SO₄ ^2‐+16H⁺

5FeS+9ClO₂+2H₂O→5Fe³⁺+9Cl^‐+5SO₄ ^2‐+4H⁺

FeS₂+3ClO₂+2H₂O→Fe³⁺+3Cl^‐+2SO₄ ^2‐+4H⁺

综上所述，煤层气（主要含甲烷CH₄）以吸附、游离和水溶三种状态赋存于煤孔隙中，主要呈现吸附态。煤对甲烷的吸附性能受到煤的变质程度、煤层温度、储层压力以及煤中水分类型及水分含量等多方面因素的影响。煤的吸附能力随着煤化作用的强度增强而增大。在低煤化阶段煤分子结构单元上的极性基团较多，具有亲水性，且煤中总水分含量高，从而降低了煤对甲烷的吸附量，即煤化作用越低，吸附量越小。褐煤的吸附能力低于各变质阶段的煤，长焰煤、气煤、肥煤3个煤阶吸附量增加缓慢；焦煤阶段，煤的吸附量开始快速增加；无烟煤吸附能力最强。中变质煤，即肥煤、焦煤、瘦煤的有机结构中含有较多的稠环结构，这些含氢较多的稠环结构具有憎水性，因而煤中总水分含量明显偏低。即随着煤化作用的增强，煤对甲烷的吸附能力增大；随着煤层温度的升高，煤对甲烷的吸附量呈规律性降低；储层中水分占据煤中的孔隙，降低了对甲烷的吸附能力。煤中水分越高，可能占据的有效吸附点位就越多，相对留给甲烷分子“滞留”的有效点位就会减少，煤的饱和吸附量就会降低，因而随着煤基质水分的增加，吸附体积减小；煤对甲烷的吸附量受压力控制，随着压力增大而变大。当煤储层埋深较大，相应的储层压力较大，煤储层中的气体可解吸出总吸附量的百分比就越小。当压力为20MPa时，有3%～19%的煤层气解吸出来；当储层压力小于20MPa之后，吸附的煤层气才开始较多的解吸出来；小于10MPa压力条件下吸附煤层气占总吸附量的55%～85%。

二、二氧化氯解堵剂（HRS）对煤层亲甲烷能力的影响实验。

河南理工大学能源科学与工程学院煤层气工程实验室对焦作古汉山矿、阳泉寺家庄矿和柳林沙曲矿的煤，按照中华人民共和国GB/T19560‐2004《煤的高压等温吸附试验方法容量法》规定，对煤的等温吸附参数进行了测试，结果见表3。

表3等温吸附实验结果

上表3中数据表明：焦作古汉山原始样品V_L=45.73cm³/g.daf，经HRS复合解堵剂处理后09‐10‐3#样降低到V_L=38.74cm³/g.daf，P_L由1.06MPa提高到1.17MPa。寺家庄煤样V_L=45.43cm³/g.daf处理后降低至41.64cm³/g.daf，P_L由1.15MPa提高到1.23MPa。柳林沙曲矿煤样V_L=22.74cm³/g.daf处理后降低为21.03cm³/g.daf，PL由1.61MPa提高到1.87MPa。兰氏体积V_L与兰氏压力P_L是煤吸附气体能力的指标，经过HRS复合解堵剂处理后煤样品的兰式体积V_L降低，兰式压力P_L升高，表明煤吸附甲烷的能力降低。

三、二氧化氯解堵剂（HRS）对煤储层的增透性的实验。

1、制样：依据实验目的与要求，把煤样加工成Ф50mm×50mm的煤芯.

2、渗透率实验系统：包括密封橡胶套、试验机加载及控制系统、高压气源、气体流量及压力测试等几部分，如图7所示。

3、渗透率测试，结果如表4：

表4:渗透率测试结果

表4数据表明，用HRS复合解堵剂溶液浸泡之后，煤样品的渗透率最小的提高了6.18%，最大的提高了354.65%，增透效果显著。如果增加HRS与煤的作用时间，渗透率增加会更多。

另外，为了产生更多、更均匀的不规则网状裂缝，优选地，所述每个水平洞内钻探若干凸台室，所述凸台室分布于水平洞内的四周内壁，或者进一步水平对称分布。由于凸台室内充满活性水，在利用燃烧装置产生的高温高压气体的造缝过程中，凸台室提供了更大的空间，使得煤层在凸台室周围能够更好、更多地产生立体状的网状不规则裂缝，更好地增加了裸煤面积，提高了煤层气的产气量和稳定性。

煤层裂缝与气体的持续时间密切相关，但是，将普通燃气造缝技术直接移植于煤层气井改造是行不通的，通过造缝装置本身的药剂配方改进及结构优化，同时对施工工艺进行相应改进，将能够实现多脉冲复合造缝技术在煤层气改造领域的应用。在煤层中沿水平洞轴向和径向方向都会使煤层产生不规则的网状裂缝。本发明步骤b中所述燃烧装置采用多脉冲燃气造缝装置。如图4所示，所述多脉冲燃气造缝装置，包括筛管10，所述筛管10的底部固定有引鞋5，筛管10内自下而上依次装有内型二级低燃速药柱9、内型一级高燃速药柱8、端面中燃速药柱7、撞击点火器1，所述内型二级低燃速药柱9和内型一级高燃速药柱8的中部插有中心铝管4，所述端面中燃速药柱7中部插有覆绝热层的中心钢管2，所述中心钢管2的内壁下部设有预裂盲孔3，所述中心铝管4和中心钢管2内穿有同一点火线6，所述点火线6的上端部与撞击点火器1接触。

所述多脉冲燃气造缝装置的工作机理如下，多脉冲燃气造缝装置由三部分组成，上部为撞击点火器，中间为端面中燃速药柱，下部为普通内型一、二级药柱。点火线由撞击点火器引燃后在中心钢管内自上而下燃烧，由于中心管钢内覆绝热层，热量不会引起端面中燃速药柱的燃烧。当点火线燃烧至中心铝管内时，由于热量以及铝管耐压远低于钢管，首先引起内型一级高燃速药柱发生复杂的内型燃烧，产生一级气体压力峰沿筛管孔喷出后进入地层造缝。随后，内型二级低燃速药柱燃烧产生二级气体压力峰沿一级新造缝延伸拓展。之后，在高温作用下，中心钢管内的预裂盲孔破裂，进而引燃端面中燃速药柱，端面中燃速药柱形成自下而上的燃烧产生第三级气体压力峰，使新生裂缝进一步延伸拓展。整个造缝装置在充满水的井筒中燃烧，由于水是不可压缩流体，火药燃烧产生的气体压力通过液体沿水平洞轴向和径向方向都会使煤层产生立体不规则网状裂缝，裂缝长度随着燃烧时间的增加而增长。通过控制端面燃烧中燃速药柱的粗细、长短可以实现延长气体做功时间的目的。

在多脉冲燃气造缝技术中固体推进剂的燃烧速度决定了能量的释放速度，在一定范围内，能量的释放速度决定了岩层中裂缝的长度以及数量。在同一药柱用量的条件下，随着反应时间的增加，裂缝的长度和数量会显著增长和增加，这个结果符合岩石力学原理，也为煤层多脉冲复合造缝装置的设计提供了理论支撑。在一定范围内，尽可能的延长可控造缝时间并缓慢释放高能气体压力使煤层中产生多裂缝和裂缝逐渐延伸是煤层多脉冲复合造缝技术的精髓。

步骤2中采用多脉冲复合造缝是在爆炸压裂和聚能射孔的基础上发展起来的，整个造缝装置在充满水的井筒中燃烧，水是不可压缩流体，火药或固体推进剂在充满水的井筒中快速燃烧产生大量的高温高压气体，通过水传递压力来冲击造缝煤层的增产增注技术。通过采取火药推进剂在煤层井中按一定规律燃烧，产生大量的高温高压的燃烧气体，以多级脉冲加载的形式沿水平洞及凸台室挤压冲击煤层，使其以裂缝的形式延伸扩展，这些裂缝又和天然裂隙、裂缝相沟通，在地层中形成多向不规则大范围的网络通道，从而有效地改善煤气层的渗透性和导流能力，能有效降低表皮系数,是一种无污染的造缝方式。

煤层与含油地层的岩石力学性质不同，煤的机械强度低，大约只有油气地层岩石的1/3—1/4，难以支持上覆岩石的压力，容易破裂。煤层被钻井，射孔吸水后，在多脉冲的复合造缝作用下，将促进煤层孔隙的节理发育。

在直径为200m‐250m、高度为煤层厚度的圆柱范围内的煤层中造成多孔、多洞、多裂缝，并且网状不规则裂缝与煤层中的自然裂隙相互连通，可使裸煤面积大幅度的提高，进一步采用HRS煤层改性技术，提高煤层气的渗透率，降低煤对煤层气的吸附能力，进而提高了产气量和持续性，并且在圆柱体范围内可完全消除“瓦斯突出”，保障了煤矿的生产安全。本发明设计合理，解决了现有的煤层气开采技术不能够使煤层气获得稳产、高产的问题。

在充分阐明上述开采煤层气的原理的前提下，本领域技术人员同样可知，在上述开采煤层气的方法中，通过步骤a、b、d或步骤a、c、d同样可以实现稳定、高产地开采煤层气。

本发明设计合理，解决了现有的煤层气开采技术不能够使煤层气获得稳产、高产的问题。

附图说明

图1是现有开采煤层气时的裂缝平面示意图。

图2是本发明方法中步骤a的平面示意图。

图3是本发明方法中步骤b的平面示意图。

图4是多脉冲燃气造缝装置的结构示意图。

图5是298K下的甲烷吸附曲线。

图6是pH值对zeta电位的影响。

图7是渗透率测试系统。

图中，1‐撞击点火器，2‐中心钢管，3‐预裂盲孔，4‐铝制中心管，5‐引鞋，6‐点火线，7‐端面中燃速药柱，8‐内型一级高燃速药柱，9‐内型二级低燃速药柱，10‐筛管，100‐直井，200‐水平洞，300‐凸台室，400‐网状不规则裂缝，500‐横向裂缝，101‐高压N₂源，102‐减压稳压阀，103‐气体压力传感器，104‐静态电阻应变仪，105‐数据处理仪，106‐试验机压头，107‐密封橡胶套，108‐透气板，109‐煤样，110‐气体质量流量计，120‐气体流量积算仪，130‐数据采集仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

实施例1

一种开采煤层气的方法，包括如下步骤：

a、设计施工方案，自地面至煤层底部钻探直井100，然后以处于煤层厚度内的直井内壁为起点分多层钻探若干水平洞200，所述分布于多层的所有水平洞200在轴向空间内交错后形成以直井100为中心的放射状；所述直井100和水平洞200内充满活性水；如图2所示。

具体实施时，利用WITSUN型号的全封闭式径向井设备采用高压射流径向水平钻孔，磁定位+自然伽马测井确定套管开窗深度，利用陀螺测斜仪确定套管开窗方位，然后利用磨铣钻头在目的层套管上开孔，再通过连续油管下入高压软管利用高压水射流喷嘴在目的层中喷射出直径50～120mm、长度80～120m的径向水平洞。采用此技术分别向周边360度方向做多层、多个径向水平洞。在成洞时注入防垮塌化学药剂，防止水平洞的垮塌。所述若干凸台室300分布于水平洞200的四周内壁，或者进一步水平对称分布于水平洞的两侧，以利于下一步的多脉冲复合造缝。

在煤层厚度的跨度内分多层钻探水平洞200，每层钻探呈十字状的4个水平洞200；所述分布于多层的所有水平洞200在轴向空间内交错后投影在同一水平圆周内时呈均布状。例如，三层共12个水平洞，那么投影在同一水平圆周内时相邻的两两水平洞之间夹角是30度。所述相邻两层之间的距离为1～3m，根据实际情况确定，例如对于层高为6～9m的煤层，可以选择分三层，每层之间间隔1.2m、1.5m或者3m等。

步骤b、如图3所示，多脉冲复合造缝：将装有固体推进剂的多脉冲燃气造缝装置（如图4所示）放入直井100中，利用固体推进剂的快速燃烧，分三级脉冲产生大量的高温高压气体，通过活性水传递压力冲击煤层后，使煤层产生立体的网状不规则裂缝400。

步骤c、利用高压将二氧化氯解堵剂注入所述水平洞200内，生成的二氧化氯水溶液沿网状不规则裂缝400进入煤层，对煤层进行改性。注入二氧化氯解堵剂的方法采用现有的油田开采天然气的方法中所述（专利号为02146452.9中所述）。

步骤d、采用现有成熟的方法，在地面直井口采出煤层气。例如，逐步抽出井内的水，当煤层气的压力大于直井内水的压力时，煤层气开始采出。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：省略步骤c。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：省略步骤b。

关于多脉冲造缝参数设计如下：

一、设计依据：峰值压力介于煤层破裂压力与套管抗压强度之间。设计多脉冲复合造缝施工峰值压力为30MPa。

二、假设条件：推进剂是在密闭空间内燃烧；产生气体全部通过射孔进入地层；混合气体符合理想气体状态方程；

三、根据气体状态修正方程得出：

（a）M1=（μπPHR²套）／（KRT）；

M1：用于建立初期破裂煤层压力的推进剂即内型一、二级药剂用量（kg）；

P：设计峰值压力；

H：设计泄压在套管内的区段；

R套：套管内半径；

K：药剂产气量（水为蒸汽状态时42mol）；

R：8.314J/mol·k；

T：反应最高温度1000k；

μ：经验系数（0.1‐0.2）。

（b）M2：端面燃烧药剂用量计算：作为破裂煤层后继续延伸裂缝的推进剂，为破裂煤层推进剂用量的三分之二（经验+实测）。

（c）药剂总用量M为M=M1+M2。

四、模拟试验

试验条件：选取同一煤块制成3个煤样，药剂总用量一定推进剂燃烧时间分别20ms、40ms、60ms。

五、试验结论

a、推进剂燃烧时间同裂缝数量、长度成正比关系；

b、火药燃烧产生的压力沿水平洞轴向和径向方向都会使煤层产生不规则网状裂缝；

c、煤样开裂呈块状，未出现大量煤粉。

总之，多级脉冲复合造缝在煤层中沿水平洞轴向和径向方向都会使煤层产生不规则网状裂缝，为下一步HRS煤层改性提供了良好的空间架构。

Claims

1.一种开采煤层气的方法，其特征在于：包括如下步骤：a、设计施工方案，自地面至煤层底部钻探直井（100），然后以处于煤层厚度内的直井内壁为起点分多层钻探若干水平洞（200），所述分布于多层的所有水平洞（200）在轴向空间内交错后形成以直井（100）为中心的放射状；所述直井（100）和水平洞（200）内充满活性水；

b、造缝：将装有固体推进剂的燃烧装置放入直井（100）中，利用固体推进剂的快速燃烧，产生大量的高温高压气体，通过活性水传递压力并冲击煤层后，使煤层产生立体的网状不规则裂缝（400）；所述燃烧装置是多脉冲燃气造缝装置，所述多脉冲燃气造缝装置包括筛管（10），所述筛管（10）的底部固定有引鞋（5），筛管（10）内自下而上依次装有内型二级低燃速药柱（9）、内型一级高燃速药柱（8）、端面中燃速药柱（7）、撞击点火器（1），所述内型二级低燃速药柱（9）和内型一级高燃速药柱（8）的中部插有中心铝管（4），所述端面中燃速药柱（7）中部插有覆绝热层的中心钢管（2），所述中心钢管（2）的内壁下部设有预裂盲孔（3），所述中心铝管（4）和中心钢管（2）内穿有同一点火线（6），所述点火线（6）的上端部与撞击点火器（1）接触；

c、利用高压将二氧化氯解堵剂注入所述水平洞（200）内，生成的二氧化氯水溶液沿网状不规则裂缝（400）进入煤层，延伸并对煤层进行改性；

d、在地面直井口采出煤层气。

2.根据权利要求1所述的开采煤层气的方法，其特征在于：所述水平洞（200）的直径为50～120mm、长度为80～120m；在成洞时注入防垮塌化学药剂。

3.根据权利要求1或2所述的开采煤层气的方法，其特征在于：每层钻探呈十字状的4个水平洞（200）；所述分布于多层的所有水平洞（200）在轴向空间内交错后投影在同一水平圆周内时呈均布状。

4.根据权利要求3所述的开采煤层气的方法，其特征在于：所述每个水平洞（200）内在其内壁上钻探若干凸台室（300），所述凸台室（300）水平对称分布于每个水平洞（200）内的两侧壁。

5.根据权利要求4所述的开采煤层气的方法，其特征在于：相邻两层之间的距离为1～3m。

6.一种开采煤层气的方法，其特征在于：包括如下步骤：

a、设计施工方案，自地面至煤层底部钻探直井（100），然后以处于煤层厚度内的直井内壁为起点分多层钻探若干水平洞（200），所述分布于多层的所有水平洞（200）在轴向空间内交错后形成以直井（100）为中心的放射状；所述直井（100）和水平洞（200）内充满活性水；

c、在地面直井口采出煤层气。