CN107035350B - 一种新型压裂化学支撑开采煤层气方法 - Google Patents

一种新型压裂化学支撑开采煤层气方法 Download PDF

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Abstract

一种新型压裂化学支撑开采煤层气方法，属于地下矿产资源开采领域，其特征在于以过饱和Ca(OH)2水溶液为压裂液，压裂液中加入300目‑500目粘土粉末，沿煤层厚度方向的分段压裂，再向压裂通道注入高压CO2，利用CO2和Ca(OH)2发生化学反应，在压裂缝隙内部生成具有高抗压强度的钙质结核支撑剂，解决了现有支撑剂难以进入压裂缝隙的难题；利用超临界CO2置换驱替煤层CH4的特性，焖井，让煤层中CH4被充分置换驱替后，再进行开采；这些措施既极大地提高了煤层气资源的生产效率，又实现了温室气体CO2的捕捉储存。本发明适用于地下不同深度、不同厚度的煤层瓦斯或页岩气开采利用，尤其适用于厚度较大的煤层或页岩层。

Description

一种新型压裂化学支撑开采煤层气方法
技术领域
本发明涉及一种集压裂和化学支撑的开采煤层气方法，尤其是一种适用于增产煤层气抽采与页岩气开采的新型压裂化学支撑方法。
背景技术
煤层瓦斯抽采是解决煤矿瓦斯问题最直接有效的方法。鉴于煤层渗透率低，煤层瓦斯抽采主要方式为：先进行压裂，同步配以支撑剂支撑压裂缝，然后利用游梁式抽气机将煤层瓦斯抽取至地面收集利用。近些年来，有科研人员发现，CO2（尤其是超临界CO2）对煤层CH4具有明显的驱替效果，能大幅提高煤层气产量。但也有研究表明，压裂效果会严重影响CO2与煤层的接触，进而影响煤层气的驱替增产。尽管各式各样的压裂方法层出不群，在一定程度上改善了压裂效果，但由于支撑剂绝大部分聚集在压裂井底部，难以进入到煤体裂缝深处，没有起到支撑作用，导致压裂压力撤掉后，大部分裂缝在地应力作用下重新闭合，这在很大程度上减少了煤层气逸出的通道，削弱了抽采与置换驱替效果，造成我国绝大多数煤层气压裂单井稳定日气产量水平很低，甚至不足300m3/d。由此可见，如何使支撑剂进入煤层裂缝深处，起到应有的支撑作用，是提高煤层气增产效果的核心与关键。为了改变这一现状，特意提出了本发明一种新型压裂化学支撑方法。
发明内容
本发明一种新型压裂化学支撑方法的目的在于，克服上述现有技术中支撑剂无法进入煤体裂缝深部的缺点和不足，公开一种能够使支撑剂深入煤体裂缝深部的方法，增大煤体渗透率，实现煤层瓦斯的高效开采。
本发明一种新型压裂化学支撑方法，其特征在于：在地下煤层厚度范围内采用群井液压致裂技术对煤层进行分段压裂连通，为保持压裂缝隙的张开度与渗透性，首先于分段压裂连通过程中，在压裂液（高温过饱和氢氧化钙水溶液）中按10%质量比例加入粘土粉末，然后通过注气管向压裂缝隙中注入CO2气体，充分反应，生成以粘土粉末为晶核的CaCO3结晶，并作为支撑剂支撑裂缝；待整个煤层分段压裂连通全部完成后，注入超临界CO2，焖井一段试件，使得煤层气（CH4）被充分置换驱替，并经游梁式抽气机抽取至地面收集利用。
其具体实施的步骤为：
（1）在选定煤层气开采区域地面进行钻井布置，井组（一般含4-5口井）呈带心等边三角形或田字形布置；
（2）在选定井眼位置，从地面实施钻孔至目标煤层下部位置，井底一般据煤层底部5-8m；
（3）利用高温溶解度增大原理，于高温（100℃）条件下配制过饱和氢氧化钙水溶液作为压裂液，并向压裂液中注入10%质量比例的300目-500目粘土粉末，充分搅拌；
（4）在井组全部钻井完成后，对目标煤层沿厚度方向自下而上分段实施压裂，分段高度一般为3-5m；每一分段压裂时，以带心等边三角形或田字形井组的中心井为压裂井，其余井为周围井，向目标煤层高压注入压裂液，进行压裂连通；
（5）待目标煤层全部分段压裂连通后，不泄压，同样以中心井为注入井，向压裂通道中注入适量（以注入氢氧化钙量计算注入二氧化碳量）高压CO2，注入完毕后，恒压7d；在实现二次压裂的同时，CO2与压裂液中Ca(OH)2发生化学反应生成难溶物CaCO3，CaCO3以粘土粉末为晶核迅速沉淀结晶，最终形成具有高抗压强度的钙质结核支撑剂；
（6）在压裂与化学支撑完成后，泄压排水，封闭周围井，根据探明煤层气储量，按照体积比CH4：CO2=1：10；向中心井中注入超临界CO2，焖井至少6个月，用以置换驱替煤层中CH4；
（7）封闭中心井，以周围井为生产井，利用游梁式抽气机将目标煤层中被置换驱替出来的煤层气抽取至地面收集利用。
上述的一种新型压裂化学支撑开采煤层气方法，其特征在于：所述步骤（4）中，对目标煤层沿厚度方向，以厚3-5m为区间，将煤层分成若干段，进行分段压裂，实现每一分段内的独立压裂连通。
上述的一种新型压裂化学支撑开采煤层气方法，其特征在于：所述步骤（3）和（5）中，于高温（100℃）条件下配制过饱和氢氧化钙水溶液作为压裂液，并向压裂液中注入10%质量比例的300目-500目粘土粉末，充分搅拌后，注入目标煤层进行压裂；压裂完毕后，不泄压，向压裂通道中注入适量（以注入氢氧化钙量计算注入二氧化碳量）高压CO2，在进行二次压裂的同时，CO2与压裂液中Ca(OH)2发生化学反应生成难溶物CaCO3，CaCO3以粘土粉末为晶核迅速沉淀结晶，最终形成具有高抗压强度的钙质结核支撑剂。
上述的一种新型压裂化学支撑开采煤层气方法，其特征在于：所述（6）和（7）中，在压裂和化学支撑完成后，注入根据探明煤层气储量，按照体积比CH4：CO2=1：10；向中心井中注入超临界CO2，焖井至少6个月，用以充分置换驱替煤层中CH4；之后，封闭中心井，以周围井为生产井，经游梁式抽气机将置换驱替出来的CH4抽取至地面收集利用。
本发明一种新型压裂化学支撑开采煤层气方法的优点在于：与现有煤层气开采方法相比，该方法以过饱和Ca(OH)2水溶液为压裂液，压裂液中加入300目-500目粘土粉末，沿煤层厚度方向的分段压裂，再向压裂通道注入高压CO2，在提高压力效果的同时，利用CO2和Ca(OH)2发生化学反应，在压裂缝隙内部生成具有高抗压强度的钙质结核支撑剂，解决了现有支撑剂难以进入压裂缝隙的难题；此外，利用超临界CO2置换驱替煤层CH4的特性，焖井，让煤层中CH4被充分置换驱替后，再进行开采；这些措施既极大地提高了煤层气资源的生产效率，又实现了温室气体CO2的捕捉储存。本发明方法适用于地下不同深度、不同厚度的煤层瓦斯或页岩气开采利用，尤其适用于厚度较大的煤层或页岩层。
附图说明：
图1：带心等边三角形群井井组布置方式；
图中的标号：1——周围井；2——中心井
图2：田字形群井井组布置方式；
图中的标号：1——周围井；2——中心井
图3：群井分段压裂化学支撑示意图；
图中的标号：1——周围井；2——中心井；3——压裂缝隙；4——钙质结核支撑剂
具体实施方式：
实施例1：如图1、3所示，在一个厚度为60m的单一煤层中，采用本发明布置4口井，各周围井距中心井间距50m，呈带心等边三角形分布。各钻井分别钻至目标煤层下部，井底距矿层底部5m，按5m的分段高度将目标煤层分为6段，用含10%质量比例300目-500目粘土粉末、并经充分搅拌的过饱和Ca(OH)2溶液作为压裂液，由下至上在每一分段由中心井向周围井进行压裂连通；当所有分段全部压裂连通后，不泄压，以中心井为注入井，向压裂通道中注入高压CO2,生成钙质结核支撑剂；在压裂与化学支撑完成后，泄压排水，封闭周围井，向中心井中注入超临界CO2，焖井，充分置换驱替CH4；之后，封闭中心井，以周围井为生产井，抽取煤层气至地表收集利用。
具体步骤如下：
（1）在选定油页岩开采区域地面进行钻井布置，井组的布置方式呈带心等边三角形，4口井为一组；
（2）在选定井组井点位置，从地面实施钻孔至目标煤层下部位置，井底距矿层底部5m；
（3）利用高温溶解度增大原理，于高温（100℃）条件下配制过饱和氢氧化钙水溶液作为压裂液，并向压裂液中注入10%质量比例的300目-500目粘土粉末，充分搅拌；
（4）一组井全部钻井完成后，对目标煤层在厚度方向上实施分段压裂，分段高度5m，将目标煤层分为6段，分段压裂顺序为自下而上；
（5）在每一分段实施压裂时，选择带心等边三角形的中心井为压裂井，其余井为周围井，向目标煤层高压注入压裂液，进行压裂连通；
（6）待目标煤层全部分段压裂连通后，不泄压，同样以中心井为注入井，向压裂通道中注入适量（以注入氢氧化钙量计算注入二氧化碳量）高压CO2，注入完毕后，恒压7d；在实现二次压裂的同时，CO2与压裂液中Ca(OH)2发生化学反应生成难溶物CaCO3，CaCO3以粘土粉末为晶核迅速沉淀结晶，最终形成具有高抗压强度的钙质结核支撑剂；
（7）在压裂与化学支撑完成后，泄压排水，封闭周围井，根据探明煤层气储量，按照体积比CH4：CO2=1：10；向中心井中注入超临界CO2，焖井至少6个月，用以置换驱替煤层中CH4；
（8）封闭中心井，以周围井为生产井，利用游梁式抽气机将目标煤层中被置换驱替出来的煤层气抽取至地面收集利用。
实施例2：如图1、3所示，在一个厚度为60m的单一煤层中，采用本发明布置5口井，各周围井距中心井间距50m，呈田字形分布。各钻井分别钻至目标煤层下部，井底距矿层底部5m，按5m的分段高度将目标煤层分为6段，用含10%质量比例300目-500目粘土粉末、并经充分搅拌的过饱和Ca(OH)2溶液作为压裂液，由下至上在每一分段由中心井向周围井进行压裂连通；当所有分段全部压裂连通后，不泄压，以中心井为注入井，向压裂通道中注入高压CO2,生成钙质结核支撑剂；在压裂与化学支撑完成后，泄压排水，封闭周围井，向中心井中注入超临界CO2，焖井，充分置换驱替CH4；之后，封闭中心井，以周围井为生产井，抽取煤层气至地表收集利用。具体步骤中，步骤（1）中的井口布置为5口井，井组的布置方式呈田字形；步骤（5）中选择田字形的中心井为压裂井；其它同实施方式1。
综上所述，本发明方法主要用于地下不同深度、不同厚度的煤层瓦斯或页岩气开采利用，尤其适用于厚度较大的煤层或页岩层。但以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的实施方式已经对本发明进行了描述，但本领域的科研技术人员应当明白，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变。

Claims (4)

1.一种新型压裂化学支撑开采煤层气方法，其特征在于：以过饱和Ca(OH)2水溶液为压裂液，压裂液中加入300目-500目粘土粉末，沿煤层厚度方向的分段压裂，再向压裂通道注入高压CO2，利用CO2和Ca(OH)2发生化学反应，在压裂缝隙内部生成具有高抗压强度的钙质结核支撑剂，利用超临界CO2置换驱替煤层CH4的特性，焖井，让煤层中CH4被充分置换驱替后，再进行开采；具体实施步骤为：
（1）在选定煤层气开采区域地面进行钻井布置，井组呈带心等边三角形或田字形布置；
在选定井眼位置，从地面实施钻孔至目标煤层下部位置，井底距离煤层底部5-8m；
（2）利用高温溶解度增大原理，于100℃条件下配制过饱和氢氧化钙水溶液作为压裂液，并向压裂液中注入质量比例为10%的300目-500目粘土粉末，充分搅拌；
（3）在井组全部钻井完成后，对目标煤层沿厚度方向自下而上分段实施压裂，分段高度为3-5m；每一分段压裂时，以带心等边三角形或田字形井组的中心井为压裂井，其余井为周围井，向目标煤层高压注入压裂液，进行压裂连通；
（4）待目标煤层全部分段压裂连通后，不泄压，同样以中心井为注入井，向压裂通道中注入高压CO2，注入完毕后，恒压7d；在实现二次压裂的同时，CO2与压裂液中Ca(OH)2发生化学反应生成难溶物CaCO3，CaCO3以粘土粉末为晶核迅速沉淀结晶，最终形成具有高抗压强度的钙质结核支撑剂；
（5）在压裂与化学支撑完成后，泄压排水，封闭周围井，根据探明煤层气储量，按照体积比CH4：CO2=1：10；向中心井中注入超临界CO2，焖井至少6个月，用以置换驱替煤层中CH4；
（7）封闭中心井，以周围井为生产井，利用游梁式抽气机将目标煤层中被置换驱替出来的煤层气抽取至地面收集利用。
2.按照权利要求1所述的一种新型压裂化学支撑开采煤层气方法，其特征在于：所述步骤（4）中，对目标煤层沿厚度方向，以厚3-5m为区间，将煤层分成若干段，进行分段压裂，实现每一分段内的独立压裂连通。
3.按照权利要求1所述的一种新型压裂化学支撑开采煤层气方法，其特征在于：所述步骤（5）中，向压裂通道中注入高压CO2的量以注入氢氧化钙量计算。
4.按照权利要求1所述的一种新型压裂化学支撑开采煤层气方法，其特征在于：在压裂和化学支撑完成后，注入根据探明煤层气储量，按照体积比CH4：CO2=1：10；向中心井中注入超临界CO2，焖井至少6个月，用以充分置换驱替煤层中CH4；之后，封闭中心井，以周围井为生产井，经游梁式抽气机将置换驱替出来的CH4抽取至地面收集利用。
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