CN106089171A - 一种利用火烧煤层辅助造缝开采煤层气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用火烧煤层辅助造缝开采煤层气的方法，该方法包括步骤：(1)向煤层气井注入氮气和/或二氧化碳气体把近井地带煤层气推进地层深处3～5m；(2)点火：注空气点火，点火温度在500℃以上，把近井地带煤层点燃；(3)停止注空气，闷井4～5天；(4)注入氮气或二氧化碳气体稀释近井地带参与氧气，避免采出气爆炸风险；(5)正常开采煤层气。本发明的方法适合于煤层气改造，既能实现近井地带形成洞穴完井效果，又能代替压裂形成裂缝，为煤层气提高渗流能力实现有效改造提供了一种新的思路。

Description

一种利用火烧煤层辅助造缝开采煤层气的方法

技术领域

本发明属于煤层气开发技术领域，具体涉及一种利用火烧煤层辅助造缝开采煤层气的方法。

背景技术

煤层气是储存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，俗称“瓦斯”，以甲烷(CH₄)为主，其次为二氧化碳(CO₂)、氮气(N₂)等，热值是通用煤的2～5倍，1立方米纯煤层气的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤，其热值与天然气相当，可以与天然气混输混用，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气。煤层气除了作为工业、化工、发电和居民生活燃料能源外，也可作为化学工业的原料。

煤层气是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气。煤层气与常规天然气有很大的差异，主要表现为下面几点：(1)储气机理不同。煤层气以吸附态吸附在煤的微孔隙壁表面上，而天然气是以游离态储集在其他岩石的孔隙中。(2)产气机理不同。煤层气的产气机理是排水降压，煤层气几乎是在一个大气压力或以下生产的，因此只有解吸以后才能产气。天然气一开井就形成生产压差，因此天然气不解吸就可以生产。(3)储集岩石物性不同。煤层气储集在煤系岩石的微孔隙壁面上，天然气储集在煤系岩石以外的沉积岩石的空隙中。(4)煤层割理中含有水。如果煤层气没有达到饱和或储层中压力在临界压力之上，就必须使其开始产水，即脱水，使压力降到临界压力下使其开始解吸。

由于煤层气的以上特性，所以想要达到理想的施工效果必须进行压裂施工。煤层气进行压裂主要目的有以下几点：(1)更有效地将煤储层的天然裂缝系统与井筒连通起来；(2)避免井筒附近的地层伤害；(3)广泛分配井筒附近的压降，从而减少煤粉的生成；(4)增加产能及加速脱水。煤层气压裂的机理是通过高压驱动液流将液流挤入煤层原有和压裂后出现的裂缝内，使这些裂缝变宽、变长，进而在煤中产生更多的次生裂缝和裂隙，以增加煤层的渗透率。

由于煤层与其他地层存在差异，因此在压裂施工时会与一般施工不同，主要表现如下：(1)煤层微裂隙和割理十分发育，压裂液滤失严重，易出现砂堵，因此施工难度大。(2)煤层井压裂产生的裂缝比预料的更为复杂，可能出现水平裂缝与垂直裂缝构成的组合裂缝即T形裂缝，这给施工带来困难。(3)压裂液对储层的伤害较严重。由于煤层气存在压力系数低、温度低、孔隙度低、渗透率低等特性，且储层具有特殊的组成、润湿吸附性和多孔介质体系，对压裂液的伤害敏感性反应较大。(4)煤层的杨氏模量较常规的砂岩杨氏模量小，易形成较宽的水力裂缝，而煤层的闭合压力一般较低，近井筒处的支撑剂易返出。另外，由于煤层较软，虽然水力压裂可以在煤层中产生裂缝，但支撑剂的嵌入在裂缝的壁面附近形成了一个应力集中区，它的存在大幅度降低了裂缝附近煤层的渗透率。尽管通过压裂可以在煤层中形成较高渗流能力的裂缝通道，但在煤层基质与裂缝的之间通道受到阻碍。目前已经通过实验使用高能气体压裂技术，在煤层中瞬时产生高压，通过气体的推进形成裂缝，这种裂缝可以避免水力压裂的压实作用，但煤粉污染严重，操作难度较大。而且高能气体压裂无支撑剂，压裂施工后裂缝闭合难易形成有效导流能力通道。(5)由于煤层的疏松易碎性，在压裂作业时会由于煤层的破裂和压裂液的冲刷产生煤粉。煤粉极易聚集起来堵塞裂缝的端部，改变裂缝方向，使压裂施工压力增高。但是，在压裂中生成煤粉不可避免。目前的方法是在压裂液中加入化学药剂，使煤粉悬浮在压裂液中，但此种方法作用有限。

CN 102536184 A公开了一种火烧煤层开采煤层气的方法，其包括：(1)步骤井网：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。该方法必须在两口井之间施工，特别是其中的贯通煤层的步骤，只有在钻井贯通基础上才能实施，无疑增大钻井成本，增大施工难度，而且点火只能利用天然气点火，增大了施工的风险。

综上，现有的煤层压裂改造技术在实施过程中不可避免地会造成储层伤害，进而影响改造效果，必须进一步研究和改进相关技术，克服压裂施工中暴露的问题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种改进的利用火烧煤层辅助造缝开采煤层气的方法。

本发明提供的利用火烧煤层辅助造缝开采煤层气的方法，是一种适合于煤层气改造既能实现近井地带形成洞穴完井效果、又能代替压裂形成裂缝的开采技术方法，为煤层气提高渗流能力实现有效改造提供了一种新的思路。

具体而言，本发明提供了一种利用火烧煤层辅助造缝开采煤层气的方法，该方法包括步骤：

(1)向煤层气井注入氮气和/或二氧化碳气体把近井地带煤层气推进地层深处3～5m；

(2)点火：注空气点火，点火温度在500℃以上，把近井地带煤层点燃；

(3)停止注空气，闷井4～5天，以消耗空气腔内的剩余氧气；

(4)注入氮气或二氧化碳气体稀释近井地带残余氧气至氧气含量小于5％以下，避免采出气爆炸风险；

(5)正常开采煤层气。

根据本发明的具体实施方案，本发明的利用火烧煤层辅助造缝开采煤层气的方法中，步骤(1)中注入的氮气(N₂)、二氧化碳(CO₂)可起到后期注入空气和煤层气隔离的目的，避免直接注入空气和煤层气直接接触产生爆炸风险。具体地，步骤(1)中向煤层气井注入氮气和/或二氧化碳气体的量V₂符合以下计算式：

V₂＝πr²·h·φ+V₃

其中V₂为地下体积(m³)，r为推进半径(3～5m)，h为气藏厚度(m)，φ为煤藏孔隙度，V₃为井筒条件下的气体体积；

或者符合以下理想状态方程式：

$\frac{P_1\·V_1}{T_1}=\frac{P_2\·V_2}{T_2}$

P₁为地面压力，P₂为地下压力，V₁为地面体积，V₂为地下体积，T₁为地面温度，T₂为地下温度。

V₂、V₃可参照所属领域的现有技术确定。例如，根据理想状态方程计算，整个井筒的体积是确定的，井筒内的压力和温度是确定的，就可以算出折合常压地面温度下的地面体积。

根据本发明的具体实施方案，本发明的利用火烧煤层辅助造缝开采煤层气的方法中，步骤(2)可采用电点火，或使用化学点火，例如天然气点火。具体实施时，将电加热点火器下入井底(也可以使用化学点火，但要注意筛选)，注空气点火，点火温度保证在地层条件下煤的燃点500℃以上，把近井地带煤层点燃，最终形成近井地带洞穴完井效果，解除近井地带污染，改善近井地带渗流能力，同时，煤层节理和微裂缝发育，注入热空气可较快进入节理或者微裂缝，进而使得裂缝壁面煤层燃烧，形成更宽更长微裂缝，从而沟通更多裂缝，同时裂缝壁面上的污染得到进一步改善。

根据本发明的具体实施方案，本发明的利用火烧煤层辅助造缝开采煤层气的方法中，注空气点火时，注入空气速度初期(3-5天)3000-12000m³/d，3-5天后关闭点火器，继续注入空气，把近井地带煤层点燃。继续注入空气时，可适当加大通风量注空气，例如注气速度可提高至8000-25000m³/d。

根据本发明的具体实施方案，本发明的利用火烧煤层辅助造缝开采煤层气的方法中，步骤(2)中累计注空气的量为20×10⁴m³～80×10⁴m³，优选为20×10⁴m³～80×10⁴m³。

根据本发明的具体实施方案，本发明的利用火烧煤层辅助造缝开采煤层气的方法中，步骤(4)中注入的氮气或二氧化碳气体的量可以是步骤(2)中注空气量的8％～12％。

根据本发明的具体实施方案，本发明的利用火烧煤层辅助造缝开采煤层气的方法还包括：步骤(5)开采煤层气时监测产出气氧含量，当产出气氧含量超过5％时，注入氮气或二氧化碳气体稀释至氧含量在5％以下或者闷井3～5天，再正常开采煤层气。

本发明的利用火烧煤层辅助造缝开采煤层气的方法，可单独施工实现增产目的，也可和其它改造方式(水力压裂和高能气体压裂等方式)或完井方式(水平井、羽状井等)结合更进一步提高改造效果。即，根据本发明的具体实施方案，本发明的利用火烧煤层辅助造缝开采煤层气的方法还可包括：先对煤层进行水力压裂和/或高能气体压裂改造，再实施所述步骤(1)～步骤(5)。或者，本发明的利用火烧煤层辅助造缝开采煤层气的方法中，所述煤层气井为水平井或羽状井。

根据本发明的具体实施方案，本发明的利用火烧煤层辅助造缝开采煤层气的方法可单井实施吞吐作业，无需形成井网，且效果显著。

本发明的有益技术效果：

1)本发明的煤层气改造技术方法既能实现近井地带形成洞穴完井效果，又能代替压裂形成裂缝的开采技术方法，为煤层气提高渗流能力实现有效改造提供了一种新的思路；

2)本发明的煤层气改造技术方法，无压裂液污染，不加砂施工易于实现。

3)本发明的煤层气改造技术方法，避免了高能气体压裂瞬间高压或者水力压裂支撑剂嵌入等因素造成的裂缝壁面的压实作用，有效的提高了基质到裂缝的渗流能力。

4)本发明的煤层气改造技术方法可单独施工实现增产目的，也可和其它改造方式(水力压裂和高能气体压裂等方式)或完井方式(水平井、羽状井等)结合更进一步提高改造效果。

5)本发明的煤层气改造技术方法，火烧煤层后产生的气体包括参与的氮气(N₂)，生成的二氧化碳气体(CO₂)和热，由于煤对氮气(N₂)的吸附能力比其对甲烷(CH₄)的吸附能力弱，氮气(N₂)是不能与甲烷(CH₄)进行竞争吸附的，即氮气(N₂)不能从煤的基质孔隙中把甲烷(CH₄)“挤”出来，但氮气(N₂)注入煤层后，在等压条件下通过降低甲烷(CH₄)的有效分压，使得吸附甲烷(CH₄)的平衡孔隙压力降低而解析出来。但置入二氧化碳(CO₂)后,可同时起到竞争吸附与降低甲烷(CH₄)有效分压的作用，能够起到更好的置换效果；除此之外，燃烧生热可以把基质孔隙中的甲烷(CH₄)“蒸”出来，提高解吸附能力从而达到煤层气增产的目的。

6)本发明的煤层气改造技术方法点火方式灵活，可电点火也可以天然气点火。

7)本发明的煤层气改造技术方法施工简单，无需形成井网，任何一口单井即可实施吞吐作业，且效果显著。

附图说明

图1：本发明利用火烧煤层辅助造缝开采煤层气方法流程示意图。

图2A与图2B：本发明利用火烧煤层辅助造缝开采煤层气方法改造示意图。其中，图2A：原始煤层气藏；图2B：火烧煤层改造后煤层气藏。

图3A与图3B：本发明利用火烧煤层辅助造缝和高能气体压裂造缝示意图。其中，图3A：高能气体压裂造缝；图3B：火烧煤层辅助造缝。

图4A与图4B：本发明利用火烧煤层和高能气体压裂复合技术辅助造缝示意图。其中，图4A：高能气体压裂造缝示意图；图4B：高能气体压裂后火烧煤层改造示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合实施例及附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的利用火烧煤层辅助造缝开采煤层气的方法，主要包括步骤：

(1)参见图1所示，针对选定的煤层气井，首先注入一定量氮气或者二氧化碳气体11把近井地带煤层气12推进地层深处3～5m，起到后期注入空气13和煤层气12隔离的目的，点火器14加热时避免直接注入空气13和煤层气12直接接触产生爆炸风险。

(2)点火改造：

图2A和图2B是火烧煤层辅助造缝开采煤层气方法改造示意图，图2A是原始煤层气藏示意图，图2B是火烧煤层气改造示意图，将电加热点火器下入井底，注空气点火，点火温度保证500℃以上，把近井地带煤层点燃，最终形成近井地带洞穴完井效果21，解除近井地带污染，改善近井地带渗流能力，同时，煤层节理和微裂缝发育，注入热空气可较快进入节理或者微裂缝，进而使得裂缝壁面煤层燃烧，形成更宽更长微裂缝22，从而沟通更多裂缝，同时裂缝壁面上的污染得到进一步改善。

图3A和图3B为火烧煤层辅助造缝和高能气体压裂造缝对比示意图，高能气体压裂后除了靠煤岩塑性变形作用使裂缝保持一定开度，另外在剪切力作用下，裂缝两侧产生相对移动，再加上岩石的剥落颗粒的支撑，使其形成闭合不严的自行支撑的裂缝主如图3A所示；而在本发明的火烧煤层辅助造缝工艺中，在大通风量高压情况下除了可以形成高能气体压裂效果以外，裂缝壁面还可燃烧形成更大开度的裂缝，如图3B所示，而且可以减少像水力压裂或者高能气体压裂裂缝壁面的压实污染作用。

图4A和图4B为火烧煤层和高能气体压裂复合技术辅助造缝示意图，其中，是在高能气体压裂形成图4A所示的裂缝以后，再进行煤层火烧二次改造，可形成如图4B所示的效果，如图所示，既有近井地带的洞穴完井效果41，也有高能气体压裂造缝的基础上更进一步改造的效果，42为老缝变宽、变长，43产生新裂缝。

(3)停止注空气，闷井4～5天。

(4)注入适量氮气或者二氧化碳CO₂气体，稀释近井地带参与氧气，避免采出气爆炸风险。

(5)转入煤层气正常开采，开采初期注意监测产出气氧含量，若产出气氧含量超过5％，再闷井3～5天或者注入适量氮气或者二氧化碳气体稀释，氧含量在5％以下可正常生产。

实施例1、煤层气藏火烧改造

1)针对选定的煤层气井，深度1128.4-1136.8m，厚度5.6m，含气量15.31-19.36m³/t，含气饱和度71-89％，初期试气几乎不产气，首先注入氮气(N₂)(也可以注入二氧化碳(CO₂))气体把近井地带煤层气推进地层深处约5m(折合地面条件下25000m³)，起到后期注入空气和煤层气隔离的目的，避免直接注入空气和煤层气直接接触产生爆炸风险。

2)将电加热点火器下入井底，注空气点火，，点火温度保证500℃以上，最高温度达525℃，初期注入速度约为5000m³/d，点火时间在4天，关闭点火器后继续注入空气，累计注空气25×10⁴m³，注空气点火可把近井地带煤层点燃，最终形成近井地带洞穴完井效果，解除近井地带污染，改善近井地带渗流能力，同时，煤层节理和微裂缝发育，注入热空气可较快进入节理或者微裂缝，进而使得裂缝壁面煤层燃烧，形成更宽更长微裂缝，从而沟通更多裂缝，同时裂缝壁面上的污染得到进一步改善。

3)停止注空气，闷井4天。

4)注入适量氮气，气体注入量参照累注空气量的10％注入2.5×10⁴m³，稀释近井地带参与氧气，避免采出气爆炸风险。

5)转入煤层气正常开采，初期产气氧含量为1％-1.5％之间，开采初期应注意监测产出气氧含量，产出气氧含量超过5％，再闷井4天，氧含量在5％以下，正常生产。

6)该井煤层气藏火烧改造之前基本没有产量，煤层气藏火烧改造之后试气10000m³/d，起到了较好的改造效果。

实施例2、压裂+煤层气藏火烧复合改造

1)针对选定的煤层气井，深度606.6-609.6m，厚度3m，含气量16-20m³/t，含气饱和度73％-93％，首先利用高能气体压裂产生多裂缝。

2)将电加热点火器下入井底，注空气点火，点火温度保证500℃以上，最高温度达543℃，初期注入速度约为8000m³/d，点火时间在5天，关闭点火器，继续注入空气，为了产生更多微裂缝，后期加大通风量20000m³/d注空气，累计注空气40×10⁴m³，把近井地带煤层点燃，最终形成近井地带洞穴完井效果，解除近井地带污染，改善近井地带渗流能力，同时，煤层节理和微裂缝发育，注入热空气可较快进入节理或者微裂缝，进而使得裂缝壁面煤层燃烧，形成更宽更长微裂缝，从而沟通更多裂缝，同时裂缝壁面上的污染得到进一步改善。

3)停止注空气，闷井4天。

4)由于本井附近有CO₂气源，注入二氧化碳CO₂气体4×10⁴m³，稀释近井地带参与氧气，避免采出气爆炸风险。

5)转入煤层气正常开采，开采初期注意监测产出气氧含量，产出气氧含量发现超过5％，又闷井3天仍然超过5％，后注入适量氮气或者二氧化碳气体稀释，氧含量在5％以下，转入正常生产。

6)该井煤层气藏火烧改造之前基本没有产量，压裂+煤层气藏火烧复合改造改造之后试气18200m³/d，起到了较好的改造效果。

实施例3、煤层气藏水平井+火烧改造

1)针对选定的煤层气水平井，水平井段长度为500m³，煤层气藏深度514.2-520.6m，厚度5.4m，含气量16-26m³/t，含气饱和度90-98.9％，首先注入一定量氮气(N₂)气体把近井地带煤层气推进地层深处约5m(折合地面条件下60000m³)，起到后期注入空气和煤层气隔离的目的，避免直接注入空气和煤层气直接接触产生爆炸风险。

2)将电加热点火器下入井底，注空气点火，点火时间在40天，点火温度保证500℃以上，最高温度达532℃，初期注入速度为约12000m³/d，点火时间在5天，关闭点火器，继续注入空气，为了产生更多微裂缝，后期加大通风量注空气，最高注气速度可达25000m³/d，累计注空气60×10⁴m³，把近井地带煤层点燃，最终形成近井地带洞穴完井效果，解除近井地带污染，改善近井地带渗流能力，同时，煤层节理和微裂缝发育，注入热空气可较快进入节理或者微裂缝，进而使得裂缝壁面煤层燃烧，形成更宽更长微裂缝，从而沟通更多裂缝，同时裂缝壁面上的污染得到进一步改善。

3)停止注空气，闷井5天。

4)注入氮气6×10⁴m³，稀释近井地带参与氧气，避免采出气爆炸风险。

5)转入煤层气正常开采，开采初期注意监测产出气氧含量，产出气氧含量超过5％，闷井5天后，氧含量在5％以下，转入正常生产。

6)该井煤层气藏火烧改造之前基本没有产量，煤层气藏火烧复合改造改造之后试气28300m³/d，起到了较好的改造效果。

Claims (10)

1.一种利用火烧煤层辅助造缝开采煤层气的方法，该方法包括步骤：

(1)向煤层气井注入氮气和/或二氧化碳气体把近井地带煤层气推进地层深处3～5m；

(2)点火：注空气点火，点火温度在500℃以上，把近井地带煤层点燃；

(3)停止注空气，闷井4～5天；

(4)注入氮气或二氧化碳气体稀释近井地带参与氧气，避免采出气爆炸风险；

(5)正常开采煤层气。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(1)中向煤层气井注入氮气和/或二氧化碳气体的量V₂符合以下计算式：

V₂＝πr²·h·φ+V₃

其中V₂为地下体积(m³)，r为推进半径(3～5m)，h为气藏厚度(m)，φ为煤藏孔隙度，V₃为井筒条件下的气体体积；

或者符合以下理想状态方程式：

$\frac{P_1\·V_1}{T_1}=\frac{P_2\·V_2}{T_2}$

P₁为地面压力，P₂为地下压力，V₁为地面体积，V₂为地下体积，T₁为地面温度，T₂为地下温度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(2)中采用电点火或天然气点火。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(2)中注空气点火时，注入空气速度初期3000-12000m³/d，3-5天后关闭点火器，继续注入空气，把近井地带煤层点燃。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(2)中累计注空气20×10⁴m³～80×10⁴m³。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(4)中注入氮气或二氧化碳气体的量为步骤(2)中注空气量的8％～12％。

7.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括：

开采煤层气时监测产出气氧含量，当产出气氧含量超过5％时，注入氮气或二氧化碳气体稀释至氧含量在5％以下或者闷井3～5天，再正常开采煤层气。

8.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括：

先对煤层进行水力压裂和/或高能气体压裂改造，再实施所述步骤(1)～步骤(5)。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述煤层气井为水平井或羽状井。

10.根据权利要求1所述的方法，该方法中是单井实施吞吐作业。