CN108661603A - 注氮气诱发煤层自改造提高甲烷采收率方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了注氮气诱发煤层自改造提高甲烷采收率方法，在从煤层中开采甲烷时，下入生产套管至煤层中部，生产套管旁侧设置有与氮气源相连接的注氮气管线；还设置封隔器，封隔器将煤层顶部与下方的套管环空分隔开；并在煤层顶部和煤层底部进行射孔；打开注氮气管线上的注氮气阀门，氮气通过注氮气管线注入到封隔器上方的空间，煤岩储层中的地层水在注入氮气的驱替下经煤层内流动，然后通过套管底部的射孔进入井底，进行排水降压。注入到煤岩储层的氮气在加速地层水排采的同时，还降低煤层内的甲烷分压，加快以吸附态赋存于煤层的甲烷发生解吸，甲烷解吸后引起煤基质收缩，煤基质收缩和煤层应力的释放将产生新的裂缝，使得煤层渗透率提高。

Description

注氮气诱发煤层自改造提高甲烷采收率方法
技术领域
本发明属于煤层气开采技术领域，涉及通过注入氮气诱发煤层自改造提高煤层甲烷采收率的方法。
背景技术
近年来，随着全球能源结构的调整，非常规资源开采的力度逐渐加大。煤层气作为重要的非常规能源，对其进行经济高效的开采具有战略性意义。煤层气90％以吸附气的形式存在，因此，成功开发煤层气的基础是开采煤层中的吸附气。
目前煤层气的开采方式主要分为两种：①排水降压法。通过排水使得煤层压力降低，促进煤层中甲烷的解吸，这种方法简单实用，但生产周期长，并且在排水降压后期，煤层压力降低，实际地层有效应力增加，裂缝闭合，容易诱发应力敏感损害，导致最终的甲烷采收率降低，一般排水降压最终的采收率不超过原地煤层气资源的50％。②注入非烃类气体，与煤层中的甲烷气体形成竞争吸附或降低游离气中甲烷的分压，从而促进甲烷从煤层中解吸，最终提高煤层气采收率。文献中关于注入非甲烷气体提高煤层气采收率的方式以持续注入为主，注入气体一般为N2、CO2、N2和CO2混合气以及烟道气等。这种注入方式不仅需要大量的非烃类气体，而且煤岩储层中含有大量的水，气体注入困难，难以保证足够体积气量注入煤层，最终的提高采收率效果有限。
发明内容
本发明解决的问题在于提供注氮气诱发煤层自改造提高甲烷采收率方法，该方法能快速的提高煤层气的采收效率和最终的采收率。
本发明是通过以下技术方案来实现：
注氮气诱发煤层自改造提高甲烷采收率方法，在从煤层中开采甲烷时，包括以下操作：
1)钻穿整个煤层并进行固井完井，然后下入生产套管至煤层中部，生产套管旁侧设置有与氮气源相连接的注氮气管线；还在距煤层顶部一定深度处设置封隔器，封隔器将煤层顶部与下方的套管环空分隔开；还分别在煤层顶部和煤层底部进行射孔；
2)打开注氮气管线上的注氮气阀门，氮气通过注氮气管线注入到封隔器上方的空间，氮气通过封隔器上方开设的射孔进入到煤岩储层，煤岩储层中的地层水在注入氮气的驱替下经煤层内流动，然后通过套管底部的射孔进入井底，通过电潜泵将煤层产出水抽出至矿井外，进行排水降压；
3)注入到煤岩储层的氮气在加速地层水排采的同时，还降低煤层内的甲烷分压，加快以吸附态赋存于煤层的甲烷发生解吸，甲烷解吸后引起煤基质收缩，煤基质收缩和煤层应力的释放将产生新的裂缝，使得煤层渗透率提高，煤层甲烷快速渗流到井筒。
进一步的，通过注氮气管线注入的氮气压力应介于煤层水相启动压力和破裂压力之间，根据煤层特性采用间歇注入或连续注入方式，注入量不低于煤层发生自改造作用的临界注入量。
根据煤层状况，所述的自改造发生的临界注入量由煤层自改造室内物理实验和/或数值模拟实验确定。
所述射孔的开设为：
在封隔器上方煤层顶部的射孔，应能将顶部煤层全部打开，射孔密度依据封隔器下入深度而定，射孔深度不低于1m；
在煤层底部的射孔，要保证射孔位置处于煤层底部，射孔打开煤层高度控制在0.5m以上，射孔深度不低于1m。
所述的封隔器设置的位置为距离煤层顶界面大于0.5米。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
基于“注气补充地层能量和煤层致裂增透”的考虑，本发明提出一种注氮气诱发煤层自改造从而达到提高甲烷采收率的方法，加速甲烷解吸的同时增加煤层渗透率。实际煤岩储层只要厚度>3m，即可采用本发明提出的方法。本发明向煤层顶部连续注入氮气，煤层中的水在氮气驱替下不断进入井筒底部，同时在井筒中放入电潜泵进行排水降压。采用这种注入氮气的同时进行排水降压，不仅补充了地层能量，避免了煤岩储层的应力敏感，同时注入氮气会促进煤岩裂缝扩展，从而提高了煤层甲烷的开采效率和最终的采收率。
本发明提出的注氮气诱发煤层自改造从而达到提高甲烷采收率的方法，通过注入氮气补充地层能量，避免煤层应力敏感，维持或提高煤层渗透率；在氮气驱地层水的过程中，降低甲烷分压以加快吸附于煤基质的甲烷发生解吸，甲烷解吸引起煤基质收缩和煤层应力释放，将使闭合裂隙重新张开、产生大量新裂隙，进而提高煤层的渗透能力；本发明涉及的注气、排水、封隔、射孔等技术均已成熟，能够保证该方法的顺利实施，技术可行性高。
附图说明
图1为注氮气诱发煤层自改造提高甲烷采收率原理示意图；
图中，1为井口装置；2、3为注气控制阀门；4为生产套管；5、6为注氮气管线；7、8为套管；9为封隔器；10为上方射孔；11为地层水；12为煤岩储层；13、14为下方射孔；
图中，黑色箭头表示氮气，白色箭头表示煤层甲烷，黑白相间箭头表示氮气和甲烷的混合气体，灰色箭头表示煤岩储层的水。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明内容，并不用于限定本发明。
注氮气诱发煤层自改造提高甲烷采收率方法，在从煤层中开采甲烷时，包括以下操作：
1)钻穿整个煤层并进行固井完井，然后下入生产套管至煤层中部，生产套管旁侧设置有与氮气源相连接的注氮气管线；还在距煤层顶部一定深度处设置封隔器，封隔器将煤层顶部与下方的套管环空分隔开；还分别在煤层顶部和煤层底部进行射孔；
2)打开注氮气管线上的注氮气阀门，氮气通过注氮气管线注入到封隔器上方的空间，氮气通过封隔器上方开设的射孔进入到煤岩储层，煤岩储层中的地层水在注入氮气的驱替下经煤层内流动，然后通过套管底部的射孔进入井底，通过电潜泵将煤层产出水抽出至矿井外，进行排水降压；
3)注入到煤岩储层的氮气在加速地层水排采的同时，还降低煤层内的甲烷分压，加快以吸附态赋存于煤层的甲烷发生解吸，甲烷解吸后引起煤基质收缩，煤基质收缩和煤层应力的释放将产生新的裂缝，使得煤层渗透率提高，煤层甲烷快速渗流到井筒。
进一步的，通过注氮气管线注入的氮气压力应介于煤层水相启动压力和破裂压力之间，根据煤层特性采用间歇注入或连续注入方式，注入量不低于煤层发生自改造作用的临界注入量(在不能确定临界注入量时，可以以经验值来替代，过量氮气的注入不影响基本生产的进行)。
根据煤层状况，所述的自改造发生的临界注入量由煤层自改造室内物理实验和/或数值模拟实验确定。
具体的，所述射孔的开设为：
在封隔器上方煤层顶部的射孔，应能将顶部煤层全部打开，射孔密度依据封隔器下入深度而定，射孔深度不低于1m；
在煤层底部的射孔，要保证射孔位置处于煤层底部，射孔打开煤层高度控制在0.5m以上，射孔深度不低于1m。
所述的封隔器设置的位置为距离煤层顶界面大于0.5米。
下面结合图1给出具体的实施例。
某中阶煤层的静厚度为14.32m，煤层原始地层压力为8MPa，煤层原始温度为40℃，初始含水饱和度为95％，解吸时间为10天，割理/裂隙间距为0.64m，煤层气组分中甲烷含量达99.9％。
注氮气诱发煤层自改造从而达到提高甲烷采收率的方法，包括以下操作：
①套管中下入封隔器9，在封隔器上方进行射孔，获得上方射孔10和下方射孔13、14。其中，煤层顶部和煤层底部的射孔控制高度均为1m左右，
②打开注氮气阀门2、3，通过注氮气管线5、6注入氮气，以注入压力4MPa将氮气连续注入煤层，氮气通过上方射孔10进入到煤岩储层，煤岩储层中地层水在氮气驱替下进入套管底部；
③生产套管通过电潜泵抽取井筒中的水，进行排水降压。
④注入的氮气不仅能加速水的排采，同时氮气具有分压的作用促进煤层甲烷的解吸，甲烷解吸引起煤基质收缩和煤层应力释放，将使闭合裂隙重新张开、产生大量新裂隙，进而提高煤层的渗透能力，加速煤层甲烷的开采。
按照本发明的方法，以注入压力4MPa将氮气连续注入煤层，气井日产量可以保持在4300m3稳定开采，达到稳定生产后煤层压力维持在5MPa左右，可以达到0.4体积的氮气注入驱替产出1体积的煤层甲烷。作为对比，采用衰竭式开采的煤层甲烷采收率为10.0％，本方法氮气注入诱发自改造后煤层甲烷采收率可达到53.8％。
上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于发明所做的任何改动或变形均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.注氮气诱发煤层自改造提高甲烷采收率方法，其特征在于，在从煤层中开采甲烷时，包括以下操作：
1)钻穿整个煤层并进行固井完井，然后下入生产套管至煤层中部，生产套管旁侧设置有与氮气源相连接的注氮气管线；还在距煤层顶部一定深度处设置封隔器，封隔器将煤层顶部与下方的套管环空分隔开；还分别在煤层顶部和煤层底部进行射孔；
2)打开注氮气管线上的注氮气阀门，氮气通过注氮气管线注入到封隔器上方的空间，氮气通过封隔器上方开设的射孔进入到煤岩储层，煤岩储层中的地层水在注入氮气的驱替下经煤层内流动，然后通过套管底部的射孔进入井底，通过电潜泵将煤层产出水抽出至矿井外，进行排水降压；
3)注入到煤岩储层的氮气在加速地层水排采的同时，还降低煤层内的甲烷分压，加快以吸附态赋存于煤层的甲烷发生解吸，甲烷解吸后引起煤基质收缩，煤基质收缩和煤层应力的释放将产生新的裂缝，使得煤层渗透率提高，煤层甲烷快速渗流到井筒。
2.如权利要求1所述的注氮气诱发煤层自改造提高甲烷采收率方法，其特征在于，通过注氮气管线注入的氮气压力应介于煤层水相启动压力和破裂压力之间，根据煤层特性采用间歇注入或连续注入方式，注入量不低于煤层发生自改造作用的临界注入量。
3.如权利要求2所述的注氮气诱发煤层自改造提高甲烷采收率方法，其特征在于，根据煤层状况，所述的自改造发生的临界注入量由煤层自改造室内物理实验和/或数值模拟实验确定。
4.如权利要求1所述的注氮气诱发煤层自改造提高甲烷采收率方法，其特征在于，所述射孔的开设为：
在封隔器上方煤层顶部的射孔，应能将顶部煤层全部打开，射孔密度依据封隔器下入深度而定，射孔深度不低于1m；
在煤层底部的射孔，要保证射孔位置处于煤层底部，射孔打开煤层高度控制在0.5m以上，射孔深度不低于1m。
5.如权利要求1所述的注氮气诱发煤层自改造提高甲烷采收率方法，其特征在于，所述的封隔器设置的位置为距离煤层顶界面大于0.5米。
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