CN107387045A - 一种煤层气热力开采系统和开采方法 - Google Patents

一种煤层气热力开采系统和开采方法 Download PDF

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Abstract

一种煤层气热力开采系统及开采方法，包括一套注气系统和一套采气系统，注气系统包括气体加热器、增压泵、高温蒸汽发生器、气体混合箱、两个阀门、储水箱、抽水泵以及通气管道；采气系统包括两条采气管道和两个阀门。通过注气系统注入高温混合气体，将热量传递到煤层，使煤层温度提高至50‑80℃，从而提高煤层气的自由能并破坏分子间的作用力，使得吸附在煤层空隙以及煤表面的气体解吸，获得煤层气。

Description

一种煤层气热力开采系统和开采方法
技术领域
本发明涉及一种煤层气热力开采系统和开采方法，属于煤层气开采领域，尤其涉及一种利用混合气体对煤层气热力开采的系统和开采方法。
背景技术
煤层气是指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，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气。我国煤层气资源丰富，煤层气可采资源总量约10万亿立方米。但是，由于煤层低含气饱和度、低孔隙度、低渗透率、低储层压力等特点，使得煤层气的开采变得十分困难。
目前所用的一些开采技术的开采效果并不理想。例如，有火烧煤层开采煤层气的方法，就是通过点火系统和地面控制台把煤层引燃，并控制注气量使煤层处于不完全燃烧状态，从而加快煤层气的解吸和扩散，提高煤层气采收率，但是此方法难以控制燃烧范围，另外燃烧过程会产生的一氧化碳等气体，存在安全隐患。
还有水力压裂的方法来开采煤层气，例如专利文献CN106884638A公开的一种煤层气热力开采的原位加热方法，通过电加热棒将注入的冷水加热成热水，水力压裂在煤层中形成一定数量的裂缝，促进压力降的传播，并形成良好的运移通道，从而促使煤层气能以工业气流产出，此方法虽然没有采用危险气体，但是此方法易产生水锁现象，使渗透率和解吸速率下降，将有较多的开采价值剩余；
另外也有向煤层注入高温氮气或高温烟道气的方法来开采煤层气，如专利文献CN102162352A公开的一种煤层气开采的新方法，向进气井注入至少400-600℃的高温氮气或者高温烟道气，利用高温气体加热煤层，但是高温氮气的热导率较低，热量传递效率不高，此方法对于煤层气开采效率也是十分有限的；最近还出现了利用多种混合气体进行开采的方法，例如专利文献CN104329055A公开了一种开采煤层气的方法，先在竖井和水平洞中充满水，然后在竖井中放置固体推进剂燃料，燃烧产生高压气体，最后注入二氧化氯解堵剂，此种方法开采效率虽然较高，但燃烧过程中仍会产生大量有毒气体，因此，很有必要发明更高效的开采煤层气的方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有煤层气开采技术存在的安全隐患，高能耗，开采效率不高等不足，提供一种更高效、更安全的煤层气热力开采系统和开采方法。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下:
一种煤层气热力开采系统，包括一套注气系统和一套采气系统，注气系统包括气体加热器、增压泵、高温蒸汽发生器、气体混合箱、两个阀门、储水箱、抽水泵以及通气管道；采气系统包括两条采气管道和两个阀门；注气系统一侧为氦气进气口，后面依次连接气体加热器和气体混合箱，注气系统另外一侧为进水口，后面连接高温蒸汽发生器，蒸汽发生器与气体混合箱相连接，通气管道从气体混合箱引出后，依次连接增压泵和阀门，最后伸入一侧的注气和采气竖井中，另一侧为采气和抽水竖井，通气管道在采气和抽水竖井中与储水箱相连接，从储水箱引出的通气管道依次连接阀门和抽水泵，最后与进水口一侧的管道连接；采气系统的两条采气管道分别位于两侧的竖井中，每条采气管道上设置有阀门。
每条采气管道拥有两个采气口，两个采气口分别置于两个竖井之间通气管道的水平段的上部和下部；解吸后的煤层气由四个采气口进入采气管道，从两条采气管道获得煤层气。
管道材料是耐高温钢管，管道外部均由保温材料包裹以减少热量损失；埋于煤层内的管道上每隔一定距离开出多个小孔以便混合气体进入煤层。
储水箱用于储藏冷凝水，该冷凝水是管道内未进入煤层的少量水蒸汽冷凝而成的；储水箱也用于排除未进入煤层的少量氦气。
一种煤层气热力开采方法，包括如下步骤：步骤一、通过通气管道向煤层内通入高温氦气与水蒸汽的混合气，将热量传递到煤层，使煤层温度提高至50-80℃，从而提高煤层气的自由能并破坏分子间的作用力，使得吸附在煤层空隙以及煤表面的甲烷等气体解吸；步骤二、通过采气管道采集煤层气。
其中，步骤一具体包括：1、选取合适的煤层并钻两口竖井，其中一口井用于注气和采气，一口井用于采气和抽水，并在两口竖井和煤层内安装连接好煤层气开采系统；2、打开第一至第四阀门，常温氦气从进气口进入通气管道，经过气体加热器加热后变成的高温气体；常温液态水从进水口进入通气管道，高温蒸汽发生器将液态水变成高温水蒸汽，两种气体在气体混合箱内充分混合；3、混合气经过增压泵增压后通过通气管道被驱动至地下，其中，气体混合比例可以进行调配，注气温度和注气压力可根据实际煤层的埋深和煤层的破裂压力而定，要保证煤层未出现大的断裂，优选该混合气由5％含量的氦气与95％的水蒸汽组成；4、埋于煤层内的管道上每隔一定距离开出多个小孔，高温高压的混合气经由小孔进入煤层，将热量传递到煤层，使煤层温度提高至50-80℃，从而提高煤层气的自由能并破坏分子间的作用力，使得吸附在煤层空隙以及煤表面的甲烷等气体解吸；5、由于气流作用，少量混合气未进入煤层，部分水蒸汽冷凝成液态水继续从通气管道流向竖井内的储水箱中，同时储水箱也用于排除未进入煤层的少量氦气。抽水泵抽取储水箱内的冷凝水，经过处理后可以通入高温蒸汽发生器内循环生产高温水蒸汽。
所述步骤二具体包括：1、完成注气之后，关闭第一至第四阀门，关闭注气系统停止注气并进行闷井，闷井时间为1-3天；2、待煤层压力稳定后，打开第二阀门和第三阀门，通过采气管道、采气管道采取的混合气体经过分离净化后可获得纯净的煤层气。
本发明与现有技术相比，有益效果如下：
a、本发明是向煤层通入高温的氦气与水蒸汽混合气，用氦气的高热导率提高混合气体的热导率，使得更多的热量传递到煤层，提高甲烷等气体的解吸速率从而提高煤层气产气效率。
b、本发明通入高温高压氦气与水蒸汽混合气，煤层气内的气体由于温度的升高而膨胀，生产压力增大，有利于煤层气的产出。
c、本发明通入的混合气体是氦气与水蒸汽，可以防止煤层的燃烧与爆炸，对环境也没有污染。
附图说明
图1是本发明开采煤层气的示意图。；
图2是埋于煤层中通气管道的示意图。
1、其他岩层；2、储水箱；3、煤层；4、第二竖井；5、进水口；
6、抽水泵；7、第一阀门；8、高温蒸汽发生器；9、第二阀门；10、第一采气管道；11、气体混合箱；12、增压泵；13、气体加热器；14、进气口；15、第三阀门；16、第二采气管道；17、通气管道；18、第四阀门；19、第一竖井；20、小孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2所示，本实施例的煤层气热力开采系统，包括一套注气系统和一套采气系统，注气系统包括气体加热器13、增压泵12、高温蒸汽发生器8、气体混合箱11、第一阀门7和第四阀门18、储水箱2、抽水泵6以及通气管道17；采气系统包括第一、二采气管道10、16和第二阀门9、第三阀门15；注气系统一侧为氦气进气口14，后面依次连接气体加热器13和气体混合箱11，注气系统另外一侧为进水口5，后面连接高温蒸汽发生器8，蒸汽发生器8与气体混合箱11相连接，通气管道17从气体混合箱11引出后，依次连接增压泵12和第四阀门18，最后伸入一侧的注气和采气第一竖井19中，另一侧为采气和抽水的第二竖井4，通气管道17在第二竖井4中与储水箱2相连接，从储水箱2引出的通气管道17依次连接第一阀门和抽水泵6，最后与进水口5一侧的管道连接；采气系统的第一、二采气管道10、16分别位于第二、一竖井4、19中，第一二采气管道10、16上分别设置有第二阀门9和第三阀门15。
第一、二采气管道10、16分别拥有两个采气口，两个采气口分别设置于第一、二竖井之间的通气管道17的水平段的上部和下部；解吸后的煤层气由四个采气口进入第一、二采气管道10、16，获得煤层气。
如图2所示，管道材料是耐高温钢管，管道外部均由保温材料包裹以减少热量损失；埋于煤层内的管道上每隔一定距离开出多个小孔以便混合气体进入煤层。
储水箱2用于储藏冷凝水，该冷凝水是管道内未进入煤层的少量水蒸汽冷凝而成的；储水箱2也用于排除未进入煤层的少量氦气。
一种煤层气热力开采方法，包括如下步骤：步骤一、通过通气管道17向煤层3内通入高温氦气与水蒸汽的混合气，将热量传递到煤层3，使煤层温度提高至50-80℃，从而提高煤层气的自由能并破坏分子间的作用力，使得吸附在煤层3空隙以及煤表面的甲烷等气体解吸；步骤二、通过第一二采气管道10、16采集煤层气。
其中，步骤一具体包括：1、选取合适的煤层3并钻两口竖井，其中第一竖井19用于注气和采气，第二竖井4用于采气和抽水，并在两口竖井19、4和煤层3内安装连接好煤层气开采系统；2、打开第一阀门7、第二阀门9、第三阀门15、第四阀门18，常温氦气从进气口14进入通气管道17，经过气体加热器13加热后变成的高温气体；常温液态水从进水口5进入通气管道17，高温蒸汽发生器8将液态水变成高温水蒸汽，两种气体在气体混合箱11内充分混合；3、混合气经过增压泵12增压后通过通气管道17被驱动至地下，其中，气体混合比例可以进行调配，注气温度和注气压力可根据实际煤层的埋深和煤层的破裂压力而定，要保证煤层未出现大的断裂，优选该混合气由5％含量的氦气与95％的水蒸汽组成；4、埋于煤层内的管道上每隔一定距离开出多个小孔20，高温高压的混合气经由小孔20进入煤层3，将热量传递到煤层3，使煤层温度提高至50-80℃，从而提高煤层气的自由能并破坏分子间的作用力，使得吸附在煤层空隙以及煤表面的甲烷等气体解吸；5、由于气流作用，少量混合气未进入煤层3，部分水蒸汽冷凝成液态水继续从通气管道17流向竖井4内的储水箱2中，同时储水箱2也用于排除未进入煤层3的少量氦气。抽水泵6抽取储水箱2内的冷凝水，经过处理后可以通入高温蒸汽发生器8内循环生产高温水蒸汽。
所述步骤二具体包括：1、完成注气之后，关闭第一阀门5、第二阀门9、第三阀门15、第四阀门18，关闭注气系统停止注气并进行闷井，闷井时间为1-3天；2、待煤层压力稳定后，打开第二阀门9和第三阀门15，通过第一二采气管道10、16采取的混合气体经过分离净化后可获得纯净的煤层气。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种煤层气热力开采系统，其特征在于，包括一套注气系统和一套采气系统，通过注气系统注入高温混合气体，将热量传递到煤层，使煤层温度提高至50-80℃，从而提高煤层气的自由能并破坏分子间的作用力，使得吸附在煤层空隙以及煤表面的气体解吸，获得煤层气。
2.根据权利要求1所述的煤层气热力开采系统，其特征在于，所述混合气体为氦气和水蒸气混合气体，所述注气系统包括气体加热器(13)、增压泵(12)、高温蒸汽发生器(8)、气体混合箱(11)、第一阀门(7)和第四阀门(18)、储水箱(2)、抽水泵(6)以及通气管道(17)；采气系统包括第一、二采气管道(10、16)和第二阀门(9)、第三阀门(15)；注气系统一侧为氦气进气口(14)，后面依次连接气体加热器(13)和气体混合箱(11)，注气系统另外一侧为进水口(5)，后面连接高温蒸汽发生器(8)，蒸汽发生器(8)与气体混合箱(11)相连接，通气管道(17)从气体混合箱(11)引出后，依次连接增压泵(12)和第四阀门(18)，最后伸入位于一侧的注气和采气的第一竖井(19)中，另一侧为采气和抽水的第二竖井(4)，通气管道(17)在第二竖井(4)中与储水箱(2)相连接，从储水箱(2)引出的通气管道(17)依次连接第一阀门(7)和抽水泵(6)，最后与进水口(5)一侧的管道连接；采气系统的第一、二采气管道(10、16)分别位于第二、一竖井(4、19)中。
3.根据权利要求2所述的煤层气热力开采系统，所述第一、二采气管道(10、16)上分别设置有第二阀门(9)和第三阀门(15)。
4.根据权利要求2所述的煤层气热力开采系统，其特征在于，所述第一、二采气管道(10、16)分别拥有两个采气口，两个采气口分别设置于第一、二竖井之间的通气管道(17)的水平段的上部和下部；解吸后的煤层气由四个采气口进入第一、二采气管道(10、16)，获得煤层气。
5.根据权利要求2所述的煤层气热力开采系统，其特征在于，所述管道材料是耐高温钢管，管道外部均由保温材料包裹以减少热量损失；埋于煤层内的管道上每隔一定距离开出多个小孔以便混合气体进入煤层。
6.根据权利要求2所述的煤层气热力开采系统，其特征在于，所述储水箱(2)用于储藏冷凝水，该冷凝水是管道内未进入煤层的少量水蒸汽冷凝而成的；储水箱(2)也用于排除未进入煤层的少量氦气。
7.一种利用权利要求1-6任一项所述的煤层气热力开采系统开采煤层气的热力开采方法，包括如下步骤：
步骤一、通过通气管道(17)向煤层(3)内通入高温氦气与水蒸汽的混合气，将热量传递到煤层(3)，使煤层温度提高至50-80℃，从而提高煤层气的自由能并破坏分子间的作用力，使得吸附在煤层(3)空隙以及煤表面的气体解吸；.
步骤二、通过第一、二采气管道(10、16)采集煤层气。
8.根据权利要求7所述的热力开采方法，其特征在于，步骤一具体包括：
1、选取合适的煤层(3)并钻两口竖井，其中第一竖井(19)用于注气和采气，第二竖井(4)用于采气和抽水，并在两口竖井和煤层(3)内安装连接好煤层气开采系统；
2、打开第一阀门(7)、第二阀门(9)、第三阀门(15)、第四阀门(18)，常温氦气从进气口(14)进入通气管道(17)，经过气体加热器(13)加热后变成的高温气体；常温液态水从进水口(5)进入通气管道(17)，高温蒸汽发生器(8)将液态水变成高温水蒸汽，两种气体在气体混合箱(11)内充分混合；
3、混合气经过增压泵(12)增压后通过通气管道(17)被驱动至地下；
4、埋于煤层内的管道上每隔一定距离开出多个小孔(20)，高温高压的混合气经由小孔(20)进入煤层，将热量传递到煤层，使煤层温度提高至50-80℃，从而提高煤层气的自由能并破坏分子间的作用力，使得吸附在煤层空隙以及煤表面的气体解吸；
5、由于气流作用，少量混合气未进入煤层，部分水蒸汽冷凝成液态水继续从通气管道(17)流向第二竖井(4)内的储水箱(2)中，同时储水箱(2)也用于排除未进入煤层的少量氦气；抽水泵(6)抽取储水箱(2)内的冷凝水，经过处理后通入高温蒸汽发生器(8)内循环生产高温水蒸汽。
9.根据权利要求7所述的热力开采方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：
1、完成注气之后，关闭第一阀门(5)、第二阀门(9)、第三阀门(15)、第四阀门(18)，关闭注气系统停止注气并进行闷井，闷井时间为15天；
2、待煤层压力稳定后，打开第二阀门(9)和第三阀门(15)，通过第一、二采气管道(10、16)采取的混合气体经过分离净化后可获得纯净的煤层气。
10.根据权利要求8所述的热力开采方法，其特征在于，所述混合气由5％含量的氦气与95％的水蒸汽组成。
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