CN105715232A - 一种煤层气的开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层气的开采方法，属于煤储层改造技术领域。所述方法包括：在地面钻出用于开采煤层气的煤井；在所述煤井中设置套管，并在所述套管中插入油管，通过所述套管将所述油管下入到煤层气的产层位置；通过冷却系统对冷媒液进行冷却处理；通过所述油管，将所述冷却处理后的冷媒液注入所述煤储层中，将所述煤储层中的水冷却至结冰，通过水结成冰的膨胀力将所述煤储层中的煤岩胀裂，使煤岩产生裂缝；基于产生的裂缝，对所述煤层气进行开采。采用本发明，可以提高开采煤层气的效率。

Description

一种煤层气的开采方法

技术领域

本发明涉及煤储层改造技术领域，特别涉及一种煤层气的开采方法。

背景技术

随着煤储层改造技术的发展，煤岩的开采活动日益频繁。煤储层的煤岩中含有水和煤层气(如甲烷等)，由于煤岩的开采活动会让煤岩中的煤层气流出，威胁工人的人身安全，所以在煤岩开采之前，需要将煤储层中的煤层气开采(开采)出来。

一般情况下，人们会采用水力压裂技术来开采煤层气，即向煤储层中注入大量的高压液体，使得煤岩在压力的作用下产生裂缝，然后开采煤层气。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

在煤岩压裂的过程中，通过高压液体冲刷会产生大量煤粉，煤粉会回填到煤储层的裂缝中，使得开采煤层气的效率较低。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种煤层气的开采方法。所述技术方案如下：

第一方面，提供了一种煤层气的开采方法，所述方法包括：

在地面钻出用于开采煤层气的煤井；

在所述煤井中设置套管，并在所述套管中插入油管，通过所述套管将所述油管下入到煤储层中煤层气的产层位置；

通过冷却系统对冷媒液进行冷却处理；

通过所述油管，将所述冷却处理后的冷媒液注入所述煤储层中，将所述煤储层中的水冷却至结冰，通过水结成冰的膨胀力将所述煤储层中的煤岩胀裂，使所述煤岩产生裂缝；

基于产生的裂缝，对所述煤层气进行开采。

可选的，所述通过冷却系统对冷媒液进行冷却处理，包括：

通过冷却系统中的低温液体与冷媒液在换热器中进行热交换，来对所述冷媒液进行冷却处理。

可选的，所述通过冷却系统对冷媒液进行冷却处理，包括：

检测所述冷媒液的温度，将所述冷媒液的温度冷却至预设温度范围内。

可选的，所述通过所述油管，将所述冷却处理后的冷媒液注入所述煤储层中，包括：

通过所述油管，将所述冷却处理后的冷媒液以预设流量范围内的流量注入所述煤储层中。

可选的，所述通过所述油管，将所述冷却处理后的冷媒液注入所述煤储层中，包括：

设置多个用于放置所述冷媒液的保温罐，当第一保温罐中的冷媒液经过冷却处理后，通过所述油管，将所述第一保温罐中的冷媒液注入所述煤储层中，同时对第二保温罐中的冷媒液进行冷却处理。

可选的，所述方法还包括：

检测所述保温罐中冷媒液的液面高度，当所述检测到的液面高度低于预设液面阈值时，向所述保温罐中加入冷媒液。

可选的，所述方法还包括：

检测所述煤储层中的温度。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明实施例中，在地面钻出用于开采煤层气的煤井；在煤井中设置套管，并在套管中插入油管，通过套管将油管下入到煤储层中煤层气的产层位置，通过冷却系统对冷媒液进行冷却处理，通过油管，将冷却处理后的冷媒液注入煤储层中，将煤储层中的水冷却至结冰，通过水结成冰的膨胀力将煤储层中的煤岩胀裂，使煤岩产生裂缝，基于产生的裂缝，对煤层气进行开采。这样，在开采煤层气的过程中不会产生煤粉，从而可以提高开采煤层气的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种煤层气的开采方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一种煤层气的开采实验装置结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种煤样的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种煤样的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本发明实施例提供了一种煤层气的开采方法，如图1所示，该方法的处理流程可以包括如下的步骤：

步骤101，在地面钻出用于开采煤层气的煤井。

步骤102，在煤井中设置套管，并在套管中插入油管，通过套管将油管下入到煤储层中煤层气的产层位置。

步骤103，通过冷却系统对冷媒液进行冷却处理。

步骤104，通过油管，将冷却处理后的冷媒液注入煤储层中，将煤储层中的水冷却至结冰，通过水结成冰的膨胀力将煤储层中的煤岩胀裂，使煤岩产生裂缝。

步骤105，基于产生的裂缝，对煤层气进行开采。

本发明实施例中，在地面钻出用于开采煤层气的煤井；在煤井中设置套管，并在套管中插入油管，通过套管将油管下入到煤储层中煤层气的产层位置，通过冷却系统对冷媒液进行冷却处理，通过油管，将冷却处理后的冷媒液注入煤储层中，将煤储层中的水冷却至结冰，通过水结成冰的膨胀力将煤储层中的煤岩胀裂，使煤岩产生裂缝，基于产生的裂缝，对煤层气进行开采。这样，在开采煤层气的过程中不会产生煤粉，从而可以提高开采煤层气的效率。

实施例二

本发明实施例提供了一种煤层气的开采方法。

下面将结合具体实施方式，对图1所示的处理流程进行详细的说明，内容可以如下：

步骤101，在地面钻出用于开采煤层气的煤井。

在实施中，在对煤层气进行开采之前，可以从地面向煤储层中钻井，煤层气井的深度可以为800m，直径可以为140mm。

步骤102，在煤井中设置套管，并在套管中插入油管，通过套管将油管下入到煤储层中煤层气的产层位置。

在实施中，由于煤井的侧壁为岩壁，稳定性较差，所以可以在煤井中设置套管，套管可以为刚性材质的套管，长度可以与煤井的深度相同，套管与煤井的侧壁之间可以用水泥进行固定。开采煤层气时，在套管中插入油管，则油管可以从地面下入到地下，到达煤储层中的煤层气的产层位置。

步骤103，通过冷却系统对冷媒液进行冷却处理。

在实施中，可以在煤层气的开采设备中设置冷却系统，对冷媒液进行冷却处理，冷媒液可以为氯化钙或煤油等。冷却系统可以是多样的，例如，冷却系统可以为低温冷却器，在对冷媒液进行降温时，可以将低温冷却器的降温探头放入冷媒液中，从而降低冷媒液的温度，冷却系统也可以是循环式制冷机组，制冷机组中可以注入制冷剂，如氟利昂，冷却系统中的制冷剂可以与冷媒液进行热交换，从而降低冷媒液的温度。

可选的，可以通过换热器对冷媒液进行冷却处理，相应的，步骤103的处理过程可以如下：通过冷却系统中的低温液体与冷媒液在换热器中进行热交换，来对冷媒液进行冷却处理。

在实施中，换热器可以采用板式换热器，板式换热器中可以设置有制冷剂通道和冷媒液通道，制冷剂通道和冷媒液通道之间为导热性良好的换热板，板式换热器的制冷剂通道可以与制冷机组的制冷剂管路接通，制冷机组的制冷剂管道中可以设置有计量泵，制冷剂可以在压力的作用下，通过板式换热器的制冷剂通道和制冷机组的制冷剂管路环流动，形成一个制冷剂的回路，同理，板式换热器的冷媒液通道可以与煤层气的开采设备中的冷媒液管路接通，冷媒液管路中可以设置有计量泵，冷媒液可以在压力的作用下，通过板式换热器的冷媒液通道和冷媒液管路循环流动，形成回路，这样，冷媒液可以与冷剂可以在板式换热器中，通过换热板持续的进行热交换，从而可以达到降低冷媒液的温度的效果。

可选的，可以将冷媒液的温度降低至在预设温度范围内，相应的处理过程可以如下：检测冷媒液的温度，将冷媒液的温度冷却至预设温度范围内。

在实施中，可以预先设置冷却液的温度范围，如-30℃～-40℃，煤层气的开采设备中可以设置用于储存冷媒液的装置，如保温罐，保温罐的底部可以安装有温度计，温度计的测量端可以插入到冷媒液中，冷却系统在对冷媒液进行冷却处理的过程中，操作人员可以通过温度计实时观测冷媒液的温度，当冷媒液的温度降低到-30℃～-40℃的范围内时，可以关闭冷却系统，停止对冷媒液的冷却处理。

步骤104，通过油管，将冷却处理后的冷媒液注入煤储层中，将煤储层中的水冷却至结冰，通过水结成冰的膨胀力将煤储层中的煤岩胀裂，使煤岩产生裂缝。

在实施中，对冷媒液进行冷却处理后，可以通过油管将冷媒液注入到煤储层中，煤储层中的煤含有大量的煤层气和水，由于冷却后的冷媒液的温度在-30℃～-40℃的范围内，所以煤包含的水会在冷媒液的冷却作用下结成冰，通过水结成冰的膨胀力将煤储层中的煤胀裂，这样，煤岩会产生大量的裂缝，煤层气可以从煤岩的裂缝中析出。

可选的，可以对冷媒液的流量进行控制，相应的处理过程可以如下：通过油管，将冷却处理后的冷媒液以预设流量范围内的流量注入煤储层中。

在实施中，可以根据选取的冷媒液的性质(如比热容)以及煤储层的实际情况(如煤储层的结构和煤的含水量)，来确定注入的冷媒液的流量，然后可以通过冷媒液管路上的计量泵，将冷媒液的输出流量调节到合适的范围内。

可选的，可以将冷媒液放置在多个保温罐中，相应的处理过程可以如下：设置多个用于放置冷媒液的保温罐，当第一保温罐中的冷媒液经过冷却处理后，通过油管，将第一保温罐中的冷媒液注入煤储层中，同时对第二保温罐中的冷媒液进行冷却处理。

在实施中，煤层气的开采设备中可以设置有多个用于放置冷媒液的保温罐，冷却系统可以分别对各保温罐中的冷媒液进行冷却处理，当第一保温罐中的冷媒液经过冷却处理后，可以通过油管，将第一保温罐中的冷媒液注入煤储层中，在此过程中，可以通过冷却系统对第二保温罐中的冷媒液进行冷却处理，当第一保温罐中的冷媒液耗尽后，可以将第二保温罐中的冷媒液注入煤储层中，并向第一保温罐中加入冷媒液，进行冷却处理，可以实现持续向煤储层中注入冷媒液，从而可以提高注入冷媒液的效率。

可选的，可以在冷媒液较少时加入冷媒液，相应的处理过程可以如下：检测保温罐中冷媒液的液面高度，当检测到的液面高度低于预设液面阈值时，向保温罐中加入冷媒液。

在实施中，可以在保温罐的侧面安装液位计，通过液位计来检测保温罐中冷媒液的液面高度，以方便在保温罐中的冷媒液较少时，及时补充冷媒液，液面高度可以为冷媒液液面在保温罐的深度所占的百分比，在向煤储层中注入冷媒液的过程中，保温罐中冷媒液的液面会持续下降，当液位计检测到的液面高度低于预设液面阈值(如低于10％)时，可以向保温罐中加入冷媒液。

步骤105，基于产生的裂缝，对煤层气进行开采。

在实施中，煤储层中的煤胀裂后，煤的渗透率变大，煤层气可以从煤中析出，进而可以通过煤井中的套管，开采煤储层中的煤层气。

可选的，可以检测煤储层中的温度。

在实施中，可以在煤储层中放置一个或多个温度传感器，来检测煤储层中的温度，进而可以获知在通过冷媒液对煤储层中的煤进行冷却的过程中，煤储层中的温度变化，从而可以根据温度数据和煤层气的开采效果来对本方法进行改进。

本发明实施例还提供了在实验室中模拟开采煤层气的实验方法，如图2所示，该实验方法在的实验模拟装置可以由制冷机组1，电磁阀2，电子膨胀阀3，载冷剂通道4，板式换热器5，冷媒通道6，三通电磁阀7-1、7-2、7-3，保温罐8-1、8-2，液位计9-1、9-2，温度计10-1、10-2，计量泵11-1、11-2，进液口12，密封盖13，实验缸14，打孔筛管15，煤样16，钻孔17，温度感应器18-1、18-2、18-3、18-4、18-5、18-6、18-7、18-8组成。

其中，板式换热器5可以由制冷剂通道4和冷媒通道6组成，两条通道通过壁面换热，没有液体交换。制冷剂通道4两端分别为A口和B口，冷媒通道6两端为C口和D口；

制冷机组1出口通过管路先后连接电磁阀2、电子膨胀阀3，从A口进入板式换热器的制冷剂通道4，制冷剂通道4的B口连接制冷机组5的入口端，形成一个回路；

每个三通电磁阀7-1、7-2、7-3由三条通道组成，可以控制使任意两条通道为联通状态；

保温罐8-1、8-2可灌注冷媒液，冷媒管路通过保温罐内部，与内部冷媒液进行热交换。保温罐8-1侧面安装液位计9-1，底部安装温度计10-1，保温罐8-2侧面安装液位计9-2，底部安装温度计10-2，分别用于测量桶内冷媒液的液位高度和液体温度；

板式换热器5的冷媒通道6的C口通过管路连接三通电磁阀7-1，三通电磁阀7-1通过管路分别连接两个保温罐。每个保温罐有两个出口，其中一个出口通过管路连接三通电磁阀7-2，该三通电磁阀通过管路依次连接计量泵11-1、板式换热器5冷媒通道6的D口；另一个出口通过管路连接同一个三通电磁阀7-3，该三通电磁阀通过管路依次连接计量泵11-2、样品装置的进液口12；

每个保温罐都接出两条管路，分别连接两个三通电磁阀，其中三通电磁阀7-1通过管路连接6冷媒通道的入口端，三通电磁阀7-3通过管路连接计量泵11-2，计量泵11-2通过管路连接样品装置的进液口12；

样品实验缸14上端螺纹连接有密封盖13，密封盖上竖向穿设有筛管15，筛管的底部封闭，沿轴向开有2-4个横向通孔，所述筛管15的上端伸出密封盖13的上端与进液口12相连。

本发明通过以下步骤实现：

步骤一，制取圆柱形煤样16，煤样16的半径为200mm，高为300mm，煤样16经饱和淡水后可以在上端面中心打钻孔17，钻孔直径为20mm，钻孔深度为200mm，钻孔17可以用于注入低温冷媒液。从煤样16上端面垂向钻6-8个温度测试孔，用于埋置温度传感器，温度测试孔距离煤样上端面圆心距离为100mm，如图3和图4所示。温度传感器埋置深度25～200mm，相邻传感器之间的垂向间距为25～35mm。温度传感器能进行自动连续采集，自动回放。

步骤二，将煤样16放置在样品实验缸14中，由密封盖13压紧，将筛管15从钻孔17中放入煤样16的内部，深度为180mm。

步骤三，将保温罐8-1、8-2分别注满配置好的冷媒，冷媒可以选择氯化钙溶液或煤油。开启制冷系统1，控制三通电磁阀7-1，使冷媒通道6的C口的出口管路联通保温罐8-1，控制三通电磁7-2，使保温罐8-1出口管路联接计量泵11-1，这样，保温罐8-1中的冷媒液可以通过冷媒通道6进行循环流动，利用制冷系统1将保温罐8-1内的冷媒在30min内降温到-30～-40℃，冷却处理完成后，打开三通电磁阀7-3，使保温罐8-1出口管路联通实验缸14的进液口，以流量150-400mL/min输出-30～-40℃的冷媒液，冷媒液则会通过筛管15从钻孔17中进入煤样16的内部，对煤样16进行相变改造。

步骤四，保持制冷系统1开启，控制三通电磁阀7-1，使冷媒通道6的C口出口管路联接保温罐8-2，控制三通电磁阀7-2，使保温罐8-2出口管路联通计量泵11-1，利用制冷系统1将保温罐8-2内的冷媒在30min内降温到-30～-40℃，然后关闭制冷系统1；当保温罐8-1的液位计9-1显示液面低于10％时，控制三通电磁阀7-1，使冷媒通道6的C口出口管路联通保温罐8-1，打开三通电磁阀7-2，使保温罐8-1出口管路联通计量泵11-1，向保温罐8-1内注满冷媒，开启制冷系统1。同时打开三通阀7-3，使保温罐8-2出口端联通实验缸的进液口12，以流量150-400mL/min输出-30～-40℃的冷媒。如此，可实现不间断的实验运转；

步骤五，相变结束后，可以通过成像扫描和测量渗透率等手段，比较不同温度下煤样的改造体积，改造后渗透率。

本发明实施例中，在地面钻出用于开采煤层气的煤井；在煤井中设置套管，并在套管中插入油管，通过套管将油管下入到煤储层中煤层气的产层位置，通过冷却系统对冷媒液进行冷却处理，通过油管，将冷却处理后的冷媒液注入煤储层中，将煤储层中的水冷却至结冰，通过水结成冰的膨胀力将煤储层中的煤岩胀裂，使煤岩产生裂缝，基于产生的裂缝，对煤层气进行开采。这样，在开采煤层气的过程中不会产生煤粉，从而可以提高开采煤层气的效率。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种煤层气的开采方法，其特征在于，所述方法包括：

在地面钻出用于开采煤层气的煤井；

在所述煤井中设置套管，并在所述套管中插入油管，通过所述套管将所述油管下入到煤储层中煤层气的产层位置；

通过冷却系统对冷媒液进行冷却处理；

通过所述油管，将所述冷却处理后的冷媒液注入所述煤储层中，将所述煤储层中的水冷却至结冰，通过水结成冰的膨胀力将所述煤储层中的煤岩胀裂，使所述煤岩产生裂缝；

基于产生的裂缝，对所述煤层气进行开采。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过冷却系统对冷媒液进行冷却处理，包括：

通过冷却系统中的低温液体与冷媒液在换热器中进行热交换，来对所述冷媒液进行冷却处理。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过冷却系统对冷媒液进行冷却处理，包括：

检测所述冷媒液的温度，将所述冷媒液的温度冷却至预设温度范围内。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述油管，将所述冷却处理后的冷媒液注入所述煤储层中，包括：

通过所述油管，将所述冷却处理后的冷媒液以预设流量范围内的流量注入所述煤储层中。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述油管，将所述冷却处理后的冷媒液注入所述煤储层中，包括：

设置多个用于放置所述冷媒液的保温罐，当第一保温罐中的冷媒液经过冷却处理后，通过所述油管，将所述第一保温罐中的冷媒液注入所述煤储层中，同时对第二保温罐中的冷媒液进行冷却处理。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

检测所述保温罐中冷媒液的液面高度，当所述检测到的液面高度低于预设液面阈值时，向所述保温罐中加入冷媒液。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

检测所述煤储层中的温度。