CN111963137A - 一种巨厚煤层地下气化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种巨厚煤层地下气化方法。该方法采用垂直井水平井组合的方式，先用直井注气水平井生产，待形成一定规模空腔后转换为水平井注气直井生产，有效利用气体超覆作用，纵向开发煤层，燃烧前缘保持在水平井附近。本发明的方法为一种厚度超过30m以上的深层煤层气化的有效方法，有效降低操作的复杂程度，提高煤层的生产效率，提高深层煤层的动用效果和气化效果。
Description
技术领域
本发明属于煤层开发技术领域，具体涉及一种巨厚煤层地下气化方法。
背景技术
煤炭地下气化技术(Underground Coal Gasification,UCG)又称原地煤气化，其工艺是将赋存于地下的煤层由物理采煤变为化学采气，其实质是将煤中的有用物质(挥发分、固定碳等)通过热解、燃烧、气化等物理和化学转化的方式转变为可燃气体。UCG将建井、采煤、气化三大工艺合而为一，具有产气成本低、安全性高和环境效益好的优点。UCG所产煤气成本仅为地面气化炉气化的25～50％，可以作为燃气发电、锅炉燃料以及合成化工产品的原料气，显著降低发电或合成化工产品的成本。UCG还具有显著的环境效益，大大减小燃煤污染、煤矸石及灰渣的排放，有效解决目前燃煤引发的大气雾霾问题，且与碳捕集和封存技术相结合，可有效减少温室气体排放。UCG在世界范围内受到了广泛的重视，前苏联、欧洲、美国、日本、澳大利亚、中国及亚洲多个国家进行了大量的理论研究和工业性试验。因此，煤炭地下气化首先是一种煤炭的开发方法，是对传统煤炭开采方式的创新，被誉为第二代采煤法；从其效益来看，又是一种高碳资源低碳化开发清洁能源新技术。该技术在低品质(高硫、高灰)、急倾斜、薄煤层、深部煤层、“三下”压煤以及常规技术经济不可采等残滞留煤的开采利用方面具有广阔的应用前景。
近年来世界主要产煤国都加大了煤炭地下气化的工业性试验以及产业化推广力度，美国、澳大利亚、加拿大、南非、中国等进行了大量的现场试验，拉开了煤炭地下气化商业化推广及产业化的序幕。我国煤炭地下气化试验开始于上世纪60年代，至今已进行了二十几次的现场试验，形成了有井式和无井式煤炭地下气化工艺。现阶段煤炭地下气化尚没有实现产业化生产，其中一个重要原因就是煤炭地下气化的规模小，产气不稳定。一方面是受外部水文和地质环境的影响，气化煤层条件(煤厚、煤质等)和赋存条件(地质、水文、构造等)复杂多变，给煤炭地下气化过程增加了难度，需要人为进行调控的因素多；二是煤炭地下气化过程控制手段有限，受地下气化空间的高温、气体、煤体热破裂、围岩应力、覆岩垮落、裂隙带发育等因素影响，难以像地下煤气发生炉一样采取有效的监测和控制手段，增加了人为调控的难度。
因此，为了解决现阶段煤炭地下气化炉生产系统面临的问题，需要研发一种与地质环境相适应的，具有可导可控功能的煤炭地下气化炉生产系统和工艺，为进一步实现煤炭地下气化的产业化提供技术支持。
针对不同的煤层赋存条件，国内外学者提出了不同类型的煤炭地下气化炉型结构和气化生产方法。在气化炉型构建方面，从注气通道、气化通道和排气通道的分布位置来看，可以把地下气化炉分为几种炉型，即盲孔炉、一线炉、V型炉、U型炉和E型炉等，后来又发明了多孔炉、可转换注排气操作的长壁炉。
国外地下气化的研究方向主要是无井式煤炭地下气化工艺，通过在地面钻井构建煤炭地下气化炉，比较成熟的无井式气化工艺包括线性注入点后退工艺(ControlledRetraction Injection Point,CRIP)以及平行定向钻井CRIP工艺。
上世纪四十年代前苏联首先进行了现场地下气化试验，采用相邻的两个垂直钻井分别作为气化剂的注入井和产气井，然后采用多种连通方法(如火力连通、电力连通、反向燃烧、空气压裂等)使两个垂直钻井底部在煤层中贯通形成气化通道，然后由注气井鼓入气化剂，由产气井生产煤气。该气化炉建炉工艺缺点在于贯通速度慢、贯通方向性差，垂直井间距大时贯通困难或无法贯通；垂直钻井间距较小，接替生产时，垂直钻井数量多，投资大；气化炉内没有注气装置，气化剂在整个气化炉内扩散燃烧，导致燃烧范围和边界无法有效控制，产气品质低；扩大的燃烧范围导致覆岩大面积垮落，围岩稳定性控制效果差。
上世纪七八十年代以来，以美国为代表的欧美国家，主要研发的是无井式CRIP工艺，在注气控制方面采用拉管式移动注气点装置，周期性的后退拉动注气点，每次将注气点后退移动一段距离，该工艺需要在地面搭建大型的注气弯管螺旋拉动装置，设备投资高，工艺操作复杂，注气弯管在地面端密闭困难，当煤层埋深较大时，受地质应力以及钻孔变形的影响，移动注气装置操作可靠性降低。
发明内容
基于以上背景技术，本发明提供一种巨厚煤层地下气化方法，为一种厚度超过30m以上的深层煤层气化的有效方法，该方法可有效降低操作的复杂程度，提高煤层的生产效率，提高深层煤层的动用效果和气化效果。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种巨厚煤层地下气化方法，包括以下步骤：
1)按照垂直于最大主应力方向，在距离煤层底部上方第一距离处平行钻进一口水平井，水平段以大尺寸割缝筛管完井；水平井上方钻一排垂直井，垂直井至水平井上方第二垂直距离处完钻，并下入套管；对垂直井上部和下部射孔，并在两段射孔之间下入封隔器，仅保持下部射孔生产。
优选地，所述第一距离为1～2m。
优选地，所述一排垂直井在水平井正上方水平±5m之内。
优选地，所述第二垂直距离为1～2m。
优选地，所述水平井的长度为300～1000m。
优选地，相邻两口垂直井之间距离30～70m。
优选地，所述垂直井上部为垂直井在煤层顶部下方10m内，下部为井底上方10m内。
2)对垂直井在煤层范围内依次实施气体介质压裂，形成裂缝，促进垂直井之间以及垂直井和水平井之间的连通，随后在裂缝内保持地层静水压力并充填石英砂。
优选地，所述气体介质压裂为CO2压裂。水力压裂不适用于本发明，因为水利压裂后大量水存在地层内，会影响煤气化过程。
优选地，所述裂缝延伸30～60m。
优选地，所述石英砂的粒径为0.5～2mm。
3)在垂直井的筒内下入点火器至井筒底部，随后注入富氧空气至1～1.5倍静水压力，持续加热煤层至300度以上。
优选地，所述富氧空气中氧气体积浓度为20～60％。
4)在水平井井筒内监测各垂直井底对应位置的温度和压力，当出现温度突然上升且压力也上升时，停止对应的垂直井内的点火器加热，停止在对应垂直井中注入富氧空气；当所有垂直井出现温度和压力上升时，打开水平井开始生产，开始在所有垂直井中注入富氧空气，保持生产井回压在0.8至1.0倍静水压力。
5)当水平井中产出气体氧气含量超过3％时，关闭水平生产井和垂直注气井；开始以水平井注入富氧空气，垂直井封闭下部射孔，打开上部射孔进行生产。
优选地，生产过程中以脉冲式控制回压操作，即保持高回压(>1.5倍静水压力)5～10天，随后降低操作压力20～60天。
优选地，所述高回压为大于1.5倍静水压力；降低操作压力后为0.6～0.8倍静水压力。
6)操作过程中监控产出气体温度，若某垂直井产出气体温度超过200℃，则关闭对应的垂直生产井；保持水平井注气和其余的垂直井继续生产。
7)若所有垂直生产井中产出气体温度均超过200℃，则关闭水平注气井；打开其中一个垂直井作为注气井，用其中另一个垂直井作为生产井生产至产出气体温度达到200℃；然后关闭该生产井，打开下一个垂直井作为生产井生产至产出气体达到200℃，以此类推。
8)生产过程持续至产出氧气量持续升高超过10％，生产过程停止。
在上述巨厚煤层地下气化开发方法中，在生产过程中，步骤1)中，在所述水平井上方钻进垂直一列水平井替代所述垂直井；所述一列水平井包括一口或多口。具体的方案如实施例2。
本发明提供的巨厚煤层地下气化方法与现有的气化煤层方法相比具有较大改进：1)用直井水平井组合的方式，有效增加了注气井点，直井和水平井之间距离仅为2m，容易形成有效连通；2)先用直井注气水平井生产，待形成一定规模空腔后转换为水平井注气直井生产，有效利用气体超覆作用，纵向开发煤层，燃烧前缘保持在水平井附近；3)操作过程中脉冲式压力操作，可以促进燃烧空腔顶部和侧面煤层蠕变效果，燃烧空腔顶部的煤块掉落至水平井附近，可以持续保持水平井附近发生燃烧，并且增加煤炭蠕变体积，为气化燃烧提供高效燃料；4)垂直井底部加热器可以保持水平井附近10m范围内高温，保证燃烧前缘保持在煤层中下部；5)由于建立了有效的连通通道，该技术可以应用于浅层煤层，也可应用于深层煤层(埋深>500m)。
附图说明
图1为实施例1巨厚煤层地下气化方法中井网部署示意图。
图2为巨厚煤层地下气化方法中另一种井网部署示意图。
图3为实施例1巨厚煤层地下气化方法中煤层动用过程示意图。
图4为实施例2巨厚煤层地下气化方法中煤层动用过程示意图。
附图标记说明：
1、1-1、1-2-水平井；2-1～2-4-垂直井；3-注入气体流动方向；4-剩余煤柱；5-煤渣、灰烬等；6-顶板，7-煤层底板。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例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。
实施例1
本实施例提供了巨厚煤层地下气化方法在目标煤层中的应用。
储层性质介绍：
模拟储层煤层埋深在930m，储层有效厚度为60.0m，煤层分布连续稳定，为优质褐煤煤层。煤层内部无纯泥岩隔夹层，煤层上部有较好盖层；底部有泥岩层，煤层渗透率0.01mD。
煤层地下气化的方法生产的过程为：
1)根据储层地质特征与开发现状，进行初评价：
该煤层满足以下条件：储层较深为930m，煤层厚度60.0m，储层顶部盖层发育，可以有效阻止气体逃逸和水渗漏。
2)按照图1方式在储层中部署井网，参照图3，按照垂直于最大主应力方向，在距离煤层底板7上方1-2m处平行钻进一口水平井1，水平井长度300m，距离水平井1正上方1m处钻一排直井(2-1～2-4)，相邻两口垂直井之间距离70m，水平段以割缝筛管完井。此外，如图2所示，垂直井(2-1～2-4)还可以分布于水平井正上方1m处的水平偏差5m内。
3)对垂直井在煤层顶板6以下10m范围内和井筒底部上方10m范围内射孔2段。上段和下段射孔之间用封隔器8与套管环空分隔。在煤层依次通过下段射孔实施CO2压裂，形成延伸30～50m的裂缝，连通垂直井之间的部位，并沟通水平井和垂直井。随后在裂缝内保持地层静水压力并充填粒径2mm左右的石英砂。随后注入CO2保持井底压力在9.5MPa左右。
4)在垂直筒内下入点火器至井筒底部，注入富氧空气至13MPa，富氧空气中氧气体积浓度在30％。随后开启点火器，持续加热煤层至300℃以上。
5)在水平井井筒内监测各垂直井底对应位置的温度和压力，12小时后出现温度突然上升和压力也上升，停止点火器加热。2天后所有垂直井出现温度和压力上升，打开水平井开始生产，打开所有垂直井开始注40％富氧空气，注入速度单井保持最高5000m3/h，并监控注入压力不超过15MPa。保持生产井回压在0.8至1.0倍静水压力生产。
6)当产出气体氧气含量超过3％时，关闭水平生产井和垂直注气井。开始以水平井注入，垂直井封闭下部射孔，打开上部射孔进行生产。生产过程中以脉冲式控制回压操作，即保持高回压(>1.5倍静水压力)5～10天，随后降低操作压力(0.6～0.8倍静水压力)20～60天。
图3为本实施例中巨厚煤层地下气化方法中煤层动用过程示意图，图中3为注入气体流动方向，4为剩余煤柱，5为煤渣、灰烬等。
7)操作过程中监控产出气体温度，发现1年后产出气体温度超过200℃，即关闭对应的生产井2-3天，随后开井继续生产1个月。发现2-1井产出气体温度仍超过200℃，即关闭水平注入井，将2-1井调整为注气井。
8)生产过程持续半年后发现至2-2井产出氧气量持续升高超过10％，降低2-1注气速度维持静水压力，开始以2-2注气注气压力不超过15MPa，速度不超过5000m3/h，2-3生产。
9)生产过程中应监测产出气体组分的变化，发现初始产出气成分为45％CO2、15％CO、10％H2、15％CH4、15％N2。生产2个月之后，发现2-3井中的产出气体中出现氧气，含量2％。随即关闭2-3井2天，再开井生产，发现氧气含量明显降低。操作过程中生产井回压以15MPa操作3天，随后5MPa的回压继续操作1个月，然后在切换至15MPa，如此循环。即保持高压(15MPa)3天，随后降低操作压力(5MPa)30天。
10)操作半年后，2-3井的产出气体温度均超过200℃，即关闭对2-3，2-4井继续生产。
11)操作半年之后，2-4井生产过程持续至产出氧气量持续升高超过10％，整个生产过程停止。
统计累积产出气量达到54×107m3，折合地下气化煤量27.3万吨，评价可以达到较好的经济效果。
通过实施例1可知，本发明提供的深层煤层地下气化开发方法和目前现有的开发方法相比，较大改善了深层煤层气化技术的生产效果，提高了开发效率和稳产时间。
实施例2
模拟储层煤层埋深在1200m，储层有效厚度为40.0m，煤层分布连续稳定，为优质煤层。煤层内较干净，没有纯泥岩隔夹层，煤层上部有较好盖层；含水较少，仅有5％左右。底部有泥岩层，煤层渗透率0.01～0.03mD。
煤层地下气化的方法生产的过程为：
1)根据储层地质特征与开发现状，进行初评价：
该煤层满足以下条件：储层深度大，为1200m，煤层厚度大于40.0m，储层顶部盖层发育，可以有效阻止气体逃逸和水渗漏。
2)按照图4方式在储层中部署井网，按照垂直于最大主应力方向，在距离煤层底部上方1-2m处平行部署一口水平井1，水平井长度400m，距离水平井正上方5m处钻一口水平井1-1，距离1-1号井上方30m范围部署另一口水平井1-2，水平段均为400m，水平段以割缝筛管完井。
3)对水平井1-1在和水平井1-2分别在对应实施例1中垂直井位置分4段CO2体积压裂，形成1、1-1和1-2之间的连通。4个体积压裂段从脚尖到脚跟分别称为A区域、B区域、C区域和D区域。随后在裂缝内保持地层静水压力并充填粒径2mm左右的石英砂。随后注入CO2保持井底压力在9.5MPa左右。1-1号井和1号井内下入3个封隔器8，将4个压裂段分隔开。
4)在1-1号井筒内下入点火器，加热器长度在400m，能够兼顾4个压裂区域。注入富氧空气至13MPa，富氧空气中氧气体积浓度在30％。随后开启点火器，持续加热煤层至300℃以上。
5)在1号水平井井筒内监测各压裂区域对应位置的温度和压力，12小时后出现温度突然上升和压力上升，停止点火器加热。打开水平井开始生产，打开1-1号水平井开始注40％富氧空气，注入速度单井保持最高20000m3/h，并监控注入压力不超过15MPa。保持生产井回压在0.8至1.0倍静水压力生产。
6)当产出气体氧气含量超过3％时，关闭1号水平生产井和1-1号水平注入井。开始以1号水平生产井注入，打开1-2号生产井进行生产。生产过程中以脉冲式控制回压操作，即保持高回压(>1.5倍静水压力)5～10天，随后降低操作压力(0.6～0.8倍静水压力)20～60天。
7)操作过程中监控产出气体温度，发现1年后1-2号井产出气体温度超过200℃，关井2周。停止注入。
8)随后重新开始1号井A区注入和1-2号井B区生产过程，持续半年后发现至生产井产出氧气量持续升高超过10％，随后关闭1-2号井B区，打开C区进行操作，283天之后产出气含氧量超过10％，转1-2号井D区生产，持续一年后含氧量重新超过10％。
整个生产过程停止。
统计累积产出气量达到68.3×107m3，折合地下气化煤量31.5万吨，评价可以达到较好的经济效果。
通过实施例2可知，本发明提供的深层煤层地下气化开发方法和目前现有的开发方法相比，较大改善了深层煤层气化技术的生产效果，提高了开发效率和稳产时间。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (14)
1.一种巨厚煤层地下气化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)按照垂直于最大主应力方向，在距离煤层底部上方第一距离处平行钻进一口水平井，水平段以大尺寸割缝筛管完井；水平井上方钻一排垂直井，垂直井至水平井上方第二垂直距离处完钻，并下入套管；对垂直井上部和下部射孔，并在两段射孔之间下入封隔器，仅保持下部射孔生产；
2)对垂直井在煤层范围内依次实施气体介质压裂，形成裂缝，促进垂直井之间以及垂直井和水平井之间的连通，随后在裂缝内保持地层静水压力并充填石英砂；
3)在垂直井的筒内下入点火器至井筒底部，随后注入富氧空气至1～1.5倍静水压力，持续加热煤层至300度以上；
4)在水平井井筒内监测各垂直井底对应位置的温度和压力，当出现温度突然上升且压力也上升时，停止对应的垂直井内的点火器加热，停止在对应垂直井中注入富氧空气；当所有垂直井出现温度和压力上升时，打开水平井开始生产，开始在所有垂直井中注入富氧空气，保持生产井回压在0.8至1.0倍静水压力；
5)当水平井中产出气体氧气含量超过3％时，关闭水平生产井和垂直注气井；开始以水平井注入富氧空气，垂直井封闭下部射孔，打开上部射孔进行生产；
6)操作过程中监控产出气体温度，若某垂直井产出气体温度超过200℃，则关闭对应的垂直生产井；保持水平井注气和其余的垂直井继续生产；
7)若所有垂直生产井中产出气体温度均超过200℃，则关闭水平注气井；打开其中一个垂直井作为注气井，用其中另一个垂直井作为生产井生产至产出气体温度达到200℃；然后关闭该生产井，打开下一个垂直井作为生产井生产至产出气体达到200℃，以此类推；
8)生产过程持续至产出氧气量持续升高超过10％，生产过程停止。
2.根据权利要求1所述的巨厚煤层地下气化方法，其特征在于，所述第一距离为1～2m。
3.根据权利要求1所述的巨厚煤层地下气化方法，其特征在于，所述一排垂直井在水平井正上方水平±5m之内。
4.根据权利要求1所述的巨厚煤层地下气化方法，其特征在于，所述第二垂直距离为1～2m。
5.根据权利要求1所述的巨厚煤层地下气化方法，其特征在于，所述水平井的长度为300～1000m。
6.根据权利要求1所述的巨厚煤层地下气化方法，其特征在于，相邻两口垂直井之间距离30～70m。
7.根据权利要求1所述的巨厚煤层地下气化方法，其特征在于，步骤1)中，所述垂直井上部为垂直井在煤层顶部下方10m内，下部为井底上方10m内。
8.根据权利要求1所述的巨厚煤层地下气化方法，其特征在于，所述气体介质压裂为CO2压裂。
9.根据权利要求1所述的巨厚煤层地下气化方法，其特征在于，所述裂缝延伸30～60m。
10.根据权利要求1所述的巨厚煤层地下气化方法，其特征在于，所述石英砂的粒径为0.5～2mm。
11.根据权利要求1所述的巨厚煤层地下气化方法，其特征在于，所述富氧空气中氧气体积浓度为20～60％。
12.根据权利要求1所述的巨厚煤层地下气化方法，其特征在于，步骤5)中，生产过程中以脉冲式控制回压操作，即保持高回压5～10天，随后降低操作压力20～60天。
13.根据权利要求12所述的巨厚煤层地下气化方法，其特征在于，所述高回压为大于1.5倍静水压力；降低操作压力后为0.6～0.8倍静水压力。
14.根据权利要求1所述的巨厚煤层地下气化方法，其特征在于，在生产过程中，步骤1)中，在所述水平井上方钻进垂直一列水平井替代所述垂直井；所述一列水平井包括一口或多口。
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