CN106869891A - 一种冰楔调压的煤层气开采方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤层气开采技术领域，涉及一种冰楔调压的煤层气开采方法和装置，利用煤层和顶底板岩层的不同地质特性和吸水特性，将清水在一定时间内注入目的煤层后，利用制冷系统将目的煤层中注入的水冷却成冰，由于水变成冰后体积发生膨胀，在裂缝影响范围内冲顶目的煤层的顶底板，使顶底板发生弹性变形，从而在作业井目的煤层形成冰楔，改变目的煤层应力分布，制造微裂缝网络，促进运移‑降压‑解吸的动态耦合过程，实现煤层气的灵活可控、经济环保的开采方式。本发明方法和装置开采煤层气灵活、低污染、低反排；整个装置可重复使用，成本相对低廉，且适用于直井、定向井或水平井；可根据实际地质情况和开采需要，实现规模化的井工厂开发模式。

Description

一种冰楔调压的煤层气开采方法和装置

技术领域

本发明属于煤层气开采技术领域，具体涉及一种冰楔调压的煤层气开采方法和装置。

背景技术

煤层气是指赋存在煤层中的非常规天然气，其以甲烷为主要组分，属于煤的伴生型矿产资源。煤层气燃烧具有热值高、污染低的特点，是优质的新兴清洁能源。煤层气由于储层具备自生自储、低孔隙度低渗透率、高有机质含量等与常规天然气储层不同的特点，气体的赋存形式也相对不同，煤层气的赋存形式以吸附气和游离气为主。

现有煤层气开采技术中，一般采用水力压裂的方法，在地面钻探煤层气井后，在井内设置油管和套管，在目的层位进行水力压裂作业，构造人工裂缝网络，提高煤层渗透率，为煤层气的运移提供通道。压裂结束后，开始排水采气作业，通过油管将地层中的水排出，通过油套环空采气。

煤层气赋存方式是吸附气和游离气并存，储层渗透性和孔隙度都较低，通过水力压裂施工造缝之后，游离气通过裂缝构成的流动通道流入井筒后采出，煤层中压力逐渐降低，解吸气逐步解吸并继续通过流动通道进入井筒后采出，维持煤层气井持续产气。现有的基于压裂技术的煤层气开采方法，在采气一段时间后，采气井产量会急剧递减，产量稳定期短、总产量低，最终难以达到经济开发的效果,其中主要原因表现在以下几方面：首先由于水力压裂作业将大量的压裂液压入到煤层中，而压裂液主要成分为水和支撑剂，高压水起破碎造缝作用，支撑剂起支撑微裂缝的作用。但是由于煤岩当中含有一定的泥质成分遇水会发生膨胀作用，因此容易重新封堵裂缝网络，影响煤层气的流动过程。另一方面，水进入微孔隙后，由于“水锁效应”封堵孔喉结构，进一步的影响到了解吸气的解吸过程，因此依靠传统的水力压裂技术进行煤层气开采方法较难获得很高的产气量和总采收率。此外，水力压裂投资大，压裂过程会浪费大量水，压裂液反排如不能及时妥善的处理还会对环境造成影响。

发明内容

本发明的目的是克服上述不足，提供一种冰楔调压的煤层气开采方法和装置，以解决现有煤层气开采技术产量稳定期短、总产量低、投资大和环保性差等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种冰楔调压的煤层气开采方法，具体步骤如下：

一、为实现注水冷却作业和采气作业，从地面设计位置向目的煤层13的指定位置钻探一口煤层气井作为作业井8，在作业井8的设计距离内周边钻探一口或多口煤层气井作为采气井9；

二、在作业井8和采气井9内分别下入套管1，在目的煤层13处使用筛管2完井；

三、在作业井8和采气井9内分别下入油管3，将封隔装置4分别下入至作业井8中的目的煤层13的顶板14和底板15位置处进行封隔，在井口安装作业系统5，其中，作业管线5t通过井口装置6连接油管3，出口管线5u通过井口装置6连接油套环形空间；

四、打开作业系统5中的高压注水管线阀门5c，利用高压注水泵5a将高压清水泵入作业井8的目的煤层13实施注水作业，直至水压、注入时间和注水量达到设计值，形成一定体积的煤水饱和体，构造人工微裂缝网络；

五、注水作业完成后，关闭高压注水管线阀门5c，将顶板14处的封隔装置4解封，并使其下滑到目的煤层13的筛管2处进行筛孔封堵，打开压缩空气注入管线阀门5h和排液出口管线阀门5r，利用空压机5f向油管3内注入压缩空气，将作业井8井筒中剩余的水通过油套环形空间排至井口，由排液出口管线5q排出，直到井筒剩余水排完后关闭压缩空气注入管线阀门5h和排液出口管线阀门5r；

六、打开冷剂注入管线阀门5k和冷剂回收管线阀门5o，利用制冷装置5i将冷剂送至作业井8目的煤层13处进行制冷，使目的煤层13的温度逐步降低，这样，注入目的煤层13中的水逐步从液态变为固态，体积膨胀，从而冲顶目的煤层13的顶板14和底板15，在作业井8的目的煤层13中形成冰楔，从而使冰楔周围的煤岩内的应力发生变化，使其中吸附的甲烷从吸附状态解析出来成为游离状态；

七、打开采气井9，利用油套环形空间进行采气，并在井底存在积液时开启潜液泵7利用油管3及时将积液排出到地面，保持采气井9的干燥作业环境；

八、在采气井9开采处于衰竭状态后，为了把作业井8周围目的煤层13的煤层气充分采出，可将原作业井8冰楔溶解后，将原作业井8和采气井9进行互换，进行上述步骤三～七，在原采气井9目的煤层13处重新制造冰楔，将原作业井8转为采气井9，开始新的产气过程。

本发明为实现上述目的还提出了一种冰楔调压的煤层气开采装置，用于实现有效可控的煤层气开采。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种冰楔调压的煤层气开采装置，包括：套管1、筛管2、油管3、封隔装置4、作业系统5、井口装置6和潜液泵7，其特征是，在作业井8的套管1内目的煤层13的顶板14和底板15处分别设有封隔装置4，作业系统5通过作业管线5t和出口管线5u与井口装置6连接油管3和油套环形空间，采气井9底部设有潜液泵7，作业时对作业井8目的煤层13进行冰楔调压作业，再利用采气井9对煤层气进行开采。

所述的套管1用于固定煤层气井井壁，为耐压管道，耐压范围0～60MPa。

所述的筛管2用于连通煤层气井井筒和目的煤层13，提供流体进出通道，为耐压管道，耐压范围0～60MPa。

所述的油管3用于高压水、压缩空气和冷剂注入使用，和套管1之间形成油套环形空间。油管3为加保温层的耐压管道，防止冷剂在未到达目的煤层13前冷量流失，耐压范围0～60MPa。

所述的封隔装置4用于隔离其他层位单独对目的煤层13进行注水的作业或封隔目的层位防止回水，为专用的可密封和可解封的滑动式配套封隔装置。

所述的井口装置6用于煤层气井顶端和外部环境隔绝作用，设置有油管3连接孔和油套环形空间出口孔。作业管线5t利用法兰组件和井口装置6的油管3连接孔连接，出口管线5u利用法兰组件和油套环形空间出口孔连接，便于作业使用。

所述的潜液泵7用于防止采气井9井底积液，保证采气作业的干燥环境。

所述的作业系统5包括高压注水泵5a、高压注水管线5b、高压注水管线阀门5c、高压注水流量计5d、压力表5e、空压机5f、压缩空气注入管线5g、压缩空气注入管线阀门5h、制冷装置5i、冷剂注入管线5j、冷剂注入管线阀门5k、冷剂注入流量计5l、管汇5m、冷剂回收管线5n、冷剂回收管线阀门5o、冷剂回收流量计5p、排液出口管线5q、排液出口管线阀门5r、中控设备5s、作业管线5t和出口管线5u。

所述的高压注水泵5a用于煤层气井的注水使用。高压注水泵5a通过高压注水管线5b和作业管线5t连接油管3，在注水作业时，将水注入至目的煤层13中。

所述的空压机5f用于煤层气井注水完成后返排水使用。空压机5f通过压缩空气注入管线5g和作业管线连接油管3，返排作业时，空压机5f将压缩空气注入井筒内，让水从油套环形空间返排至井口，并通过出口管线和排液出口管线5q送至地面进行回收处理。

所述的制冷装置5i用于降低冷剂温度、提供冷剂循环动力。制冷装置5i通过冷剂注入管线5j和油管3相连，冷剂送到目的煤层13换热后，通过油套环形空间返回至出口管线，经过冷剂回收管线5n回到制冷装置5i,实现冷剂循环。制冷装置5i制冷温度范围为0℃～-150℃。

所述的冷剂可采用专用的液态或气态冷剂。

所述的中控设备5s用于控制注水、返排和制冷等步骤的操作，通过信号传输线缆连接高压注水泵5a、空压机5f、制冷装置5i、压力表5e和高压注水流量计5d等。

为实现制冷作业，还可采用蒸汽压缩式制冷方式，在本装置基础上加入井下冷头盘管换热。

本发明的工作原理：在分析待开采区域的煤层区域地质情况和地勘资料后，通过在设计的煤层区域注入水，利用水制冰体积膨胀的原理在煤层顶、底板之间形成冰楔进行调压，让煤层气解吸从采气井9排出实现煤层气的开采。控制注水压力、注入时间和注水量来控制冰楔的波及范围和大小。开采时向作业井8目的煤层13注入的高压清水，当注水压力、注入时间和注水量达到设计值后，在煤层中构造微裂缝网络，然后通过专有的制冷技术和装置将煤层裂缝中的注入水凝结成冰，在作业井8目的煤层13形成一定范围的冰楔，冲顶目的煤层13的顶底板，进而调整作业井8到采气井9之间的煤层应力分布，从而构造该区域新的微裂缝网络，提高煤层气的运移能力。同时，在采气井9开采的过程中，随着煤层应力的降低，促进了吸附态煤层气的解吸，实现煤层气运移-降压-解吸的动态耦合过程。该方法可有效避免孔喉“水锁效应”问题以及由于煤层中泥质成分遭遇外来水侵而发生膨胀所造成的微裂缝重新闭合问题，实现煤层气的产气量、稳定期、总采收率可控化开采的目的。

本发明涉及的注水压力、注入时间、注水量和制冷时间主要根据目的煤层煤体结构、产气需求情况和运行费用等因素综合考虑进行设计。

本发明的有益效果：

1、采用本发明方法和装置开采煤层气具备灵活、低污染、低反排的特点；

2、整个开采装置均可重复使用，具有成本相对低廉的特点。

3、本发明提供的一种冰楔调压煤层气开采方法和装置适用于直井、定向井或水平井的煤层气地面开发；

4、可根据实际地质情况和开采需要，实现规模化的井工厂开发模式。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明一种冰楔调压的煤层气开采方法应用于煤层气直井开采的示意图；

图2为本发明一种冰楔调压的煤层气开采装置中作业系统的结构示意图；

图3为本发明一种冰楔调压的煤层气开采方法应用于煤层气水平井开采的侧面示意图；

图4为本发明一种冰楔调压的煤层气开采方法应用于煤层气水平井开采的剖面示意图；

图5为本发明一种冰楔调压的煤层气开采方法应用于有断层带附近的煤层气井开采示意图。

图中：

1、套管，2、筛管，3、油管，4、封隔装置，5、作业系统，6、井口装置，7、潜液泵，8、作业井，9、采气井，10、水平作业井，11、水平采气井，12、冰封井，13、目的煤层，14、顶板，15、底板，16、断层带，5a、高压注水泵，5b、高压注水管线，5c、高压注水管线阀门，5d、高压注水流量计，5e、压力表，5f、空压机，5g、压缩空气注入管线，5h、压缩空气注入管线阀门，5i、制冷装置，5j、冷剂注入管线，5k、冷剂注入管线阀门，5l、冷剂注入流量计，5m、管汇，5n、冷剂回收管线，5o、冷剂回收管线阀门，5p、冷剂回收流量计，5q、排液出口管线，5r、排液出口管线阀门，5s、中控设备，5t、作业管线，5u、出口管线。

具体实施方式

本发明一种冰楔调压的煤层气开采方法和装置系利用煤层和顶底板岩层的不同地质特性和吸水特性，将一定量的清水在一定的时间内注入目的煤层后，利用专有的制冷系统将目的煤层中的注入水冷却成冰，由于水变成冰后体积发生膨胀，在裂缝影响范围内冲顶目的煤层的顶底板，使顶底板发生弹性变形，从而在作业井目的煤层形成冰楔，改变目的煤层应力分布，制造微裂缝网络，促进运移-降压-解吸的动态耦合过程，实现煤层气的灵活可控、经济环保的开采方式。

实施例1

参照图1和图2，本实施例中利用冰楔调压方法开采煤层气包括以下步骤：

(1)钻探两口煤层气井，分别为作业井8和采气井9，分别下入套管1并采用筛管2完井。

(2)在作业井8内下入封隔装置4到目的煤层13的顶板14和底板15位置处进行封隔，并安装好作业系统5；开启高压注水泵5a将高压清水通过高压注水管线5b泵入目的煤层13中，构造人工微裂缝网络。

(3)在水压、注入时间和注水量达到设计值后，解锁封隔装置4，使封隔装置4下滑到目的煤层13位置，封锁目的煤层位置的筛孔，再开启空压机5f，通过油管3向井下注入压缩空气，使作业井8井筒中清水通过油套环空返排至地面回收处理。

(4)开启制冷装置5i，通过冷剂换热，将目的煤层13中的注入水逐渐凝结成冰；由于水变成冰后体积发生膨胀，进而使裂缝影响范围内的目的煤层13上下的顶底板发生应力变形，形成楔状结构，从而调节目的煤层13的压力体系，构造了从作业井8到采气井9之间新的稳定微裂缝，打通了气体流动通道，促进煤层气的渗流和解吸。

(5)打开采气井9进行开井采气，大量的煤层气从目的煤层13流入采气井9井筒，依靠井底和井口压力从油套环空提升至出口管线汇入地面输气系统。

本方法可以应用于定向井，步骤同本例。

实施例2

参照图3和图4，冰楔调压煤层气开采方法应用于煤层气水平井开采具体包括以下步骤：

(1)在目的煤层13中钻探煤层气水平作业井10和水平采气井11，下入套管1并且水平段采用筛管2完井。

(2)在水平作业井10内下入封隔装置4至作业段前后两端，并安装好作业系统5，利用高压注水泵5a将高压清水泵入作业段目的煤层13进行作业，构造人工微裂缝网络。

(3)造缝完成后，解锁封隔装置4，使封隔装置4滑移到作业段位置并封锁目的段位置的筛孔，再开启空压机5f通过油管3向井下注入空气，使水平作业井10井筒中清水通过油套环空返排到地面。

(4)开启制冷装置5i，通过冷剂换热，将目的煤层13中注入的水逐渐凝结成冰。由于水变成冰后体积发生膨胀，进而使裂缝影响范围内的煤层上下顶底板发生应力变形，形成楔状结构，从而调节目的煤层13的压力体系，构造了从作业井8到采气井9之间新的稳定微裂缝，打通了气体流动通道，促进煤层气的渗流和解吸。

(5)打开水平采气井11进行开井采气，大量的煤层气由目的煤层13流入水平采气井11的井筒并提升至地面汇入地面输气系统。

(6)作业段作业完毕后，再次在水平作业井10安装作业系统5对新作业段进行作业，重复本例(2)、(3)和(4)中过程直至完成整个水平段煤层气开采。

实施例3

参照图5，本发明一种冰楔调压煤层气开采方法应用于有断层带16附近的煤层气井开采。本实施例为目的煤层13附近发育有小断层时，为保证冰楔调压产出的气体不逸散，还可在小断层与作业井8附近加布一口冰封井12起到冰封作用，隔离气体的逸散。具体实施步骤如下：

(1)钻探两口煤层气井，分别为作业井8和采气井9，分别下入套管1并采用筛管2完井。

(2)在作业井8和断层带16之间，钻探冰封井12，下入套管1并采用筛管2完井，作为封堵气体逸散使用。

(3)将作业系统5安装于作业井8和冰封井12，利用高压注水泵5a将高压清水通过高压注水管线5b泵入目的煤层13中，构造人工微裂缝网络。注水作业完成后，利用空压机5f对作业井8和冰封井12井筒中的水进行返排。

(4)开启制冷装置5i，通过冷剂制冷，将目的煤层13中的水逐渐凝结成冰。冰封井12起到冰封地层，防止气体逸散的作用。作业井8井下的冰楔起到调压作用，用于开采煤层气。

(5)打开采气井9进行开井采气，大量的煤层气由目的煤层13流入井筒并提升至地面汇入地面输气系统。

Claims (4)

1.一种冰楔调压的煤层气开采方法，其特征是，

一、为实现注水冷却作业和采气作业，从地面设计位置向目的煤层(13)的指定位置钻探一口煤层气井作为作业井(8)，在作业井(8)的设计距离内周边钻探一口或多口煤层气井作为采气井(9)；

二、在作业井(8)和采气井(9)内分别下入套管(1)，在目的煤层(13)处使用筛管(2)完井；

三、在作业井(8)和采气井(9)内分别下入油管(3)，将封隔装置(4)分别下入至作业井(8)中的目的煤层(13)的顶板(14)和底板(15)位置处进行封隔，在井口安装作业系统(5)，其中，作业管线(5t)通过井口装置(6)连接油管(3)，出口管线(5u)通过井口装置(6)连接油套环形空间；

四、打开作业系统(5)中的高压注水管线阀门(5c)，利用高压注水泵(5a)将高压清水泵入作业井(8)的目的煤层(13)实施注水作业，直至水压、注入时间和注水量达到设计值，形成一定体积的煤水饱和体，构造人工微裂缝网络；

五、注水作业完成后，关闭高压注水管线阀门(5c)，将顶板(14)处的封隔装置(4)解封，并使其下滑到目的煤层(13)的筛管(2)处进行筛孔封堵，打开压缩空气注入管线阀门(5h)和排液出口管线阀门(5r)，利用空压机(5f)向油管(3)内注入压缩空气，将作业井(8)井筒中剩余的水通过油套环形空间排至井口，由排液出口管线(5q)排出，直到井筒剩余水排完后关闭压缩空气注入管线阀门(5h)和排液出口管线阀门(5r)；

六、打开冷剂注入管线阀门(5k)和冷剂回收管线阀门(5o)，利用制冷装置(5i)将冷剂送至作业井(8)目的煤层(13)处进行制冷，使目的煤层(13)的温度逐步降低，这样，注入目的煤层(13)中的水逐步从液态变为固态，体积膨胀，从而冲顶目的煤层(13)的顶板(14)和底板(15)，在作业井(8)的目的煤层(13)中形成冰楔，从而使冰楔周围的煤岩内的应力发生变化，使其中吸附的甲烷从吸附状态解析出来成为游离状态；

七、打开采气井(9)，利用油套环形空间进行采气，并在井底存在积液时开启潜液泵(7)利用油管(3)及时将积液排出到地面，保持采气井(9)的干燥作业环境；

八、在采气井(9)开采处于衰竭状态后，为了把作业井(8)周围目的煤层(13)的煤层气充分采出，可将原作业井(8)冰楔溶解后，将原作业井(8)和采气井(9)进行互换，进行上述步骤三～七，在原采气井(9)目的煤层(13)处重新制造冰楔，将原作业井(8)转为采气井(9)，开始新的产气过程。

2.根据权利要求1所述的一种冰楔调压的煤层气开采方法，其特征是，所述的套管(1)、筛管(2)和油管(3)为耐压管道，耐压范围0～60MPa，油管(3)设有保温层，套管(1)和油管(3)之间形成油套环形空间。

3.一种冰楔调压的煤层气开采装置，包括套管(1)、筛管(2)、油管(3)、封隔装置(4)、作业系统(5)、井口装置(6)和潜液泵(7)，其特征是，在作业井(8)的套管(1)内目的煤层(13)的顶板(14)和底板(15)处分别设有封隔装置(4)，封隔装置(4)为可密封也可解封的滑动式密封装置，作业系统(5)通过作业管线(5t)和出口管线(5u)与井口装置(6)连接油管(3)和油套环形空间，采气井(9)底部设有潜液泵(7)。

4.根据权利要求3所述的一种冰楔调压的煤层气开采装置，其特征是，所述的作业系统(5)包括高压注水泵(5a)、高压注水管线(5b)、高压注水管线阀门(5c)、高压注水流量计(5d)、压力表(5e)、空压机(5f)、压缩空气注入管线(5g)、压缩空气注入管线阀门(5h)、制冷装置(5i)、冷剂注入管线(5j)、冷剂注入管线阀门(5k)、冷剂注入流量计(5l)、管汇(5m)、冷剂回收管线(5n)、冷剂回收管线阀门(5o)、冷剂回收流量计(5p)、排液出口管线(5q)、排液出口管线阀门(5r)、中控设备(5s)、作业管线(5t)和出口管线(5u)，其中，高压注水泵(5a)通过高压注水管线(5b)和作业管线(5t)连接油管(3)，空压机(5f)通过压缩空气注入管线(5g)和作业管线(5t)连接油管(3)，制冷装置(5i)通过冷剂注入管线(5j)和油管(3)相连，中控设备(5s)通过信号传输线缆连接高压注水泵(5a)、空压机(5f)、制冷装置(5i)、压力表(5e)和高压注水流量计(5d)等。