CN112081558A - 煤炭地下气化与煤层气的协同开采方法、结构及构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤炭开采技术领域，尤其涉及煤炭地下气化与煤层气的协同开采方法、结构及构造方法，煤炭地下气化与煤层气的协同开采方法包括：在目的煤层中，对下部煤层进行煤炭地下气化，同时对上部煤层进行煤层气抽采；其中，下部煤层和上部煤层相邻，且下部煤层位于上部煤层的下方。本发明旨在将煤炭地下气化与煤层气开采联合起来，对于复杂难采煤层可进行煤炭地下气化充分开采，充分利用煤炭地下气化产生的热量，进而助力上部煤层中煤层气的抽采，进一步降低煤层中煤层气含量，保障煤炭安全高效抽采。

Description

煤炭地下气化与煤层气的协同开采方法、结构及构造方法

技术领域

本发明涉及煤炭开采技术领域，尤其涉及煤炭地下气化与煤层气的协同开采方法、结构及构造方法。

背景技术

煤层气是煤炭的共伴生矿产资源，是重要的非常规天然气资源，但我国煤层气出差渗透率低、压力系数低、吸附饱和度低的“三低”特征严重制约了煤层气的高效开采。地层增热开采是一种新兴的煤层气开采方式，利用增加储层温度，提高煤层气的解吸量，进而提高单井产量，被认为是提高煤层气产量的有效途径，但外部提供地层增热通常会消耗大量能源，适用范围受限，难以得到有效推广。

煤炭地下气化是一种将煤炭直接在钻孔或者巷道将煤炭在地层的原位空间进行控制燃烧，在一系列化学作用下，将固态的煤炭变化为气体，进行利用的方法。煤炭地下气化在地下进行燃烧时可产生大量的热能，目前该部分热能通常直接散掉，无法有效得到利用或收集。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种煤炭地下气化与煤层气的协同开采方法，旨在将煤炭地下气化与煤层气开采联合起来，对于复杂难采煤层可进行煤炭地下气化充分开采，充分利用煤炭地下气化产生的热量，进而助力上部煤层中煤层气的抽采，进一步降低煤层中煤层气含量，保障煤炭安全高效抽采。

本发明还提出一种煤炭地下气化与煤层气的协同开采结构。

本发明还提出一种煤炭地下气化与煤层气的协同开采结构的构造方法。

根据本发明第一方面实施例的煤炭地下气化与煤层气的协同开采方法，包括：

在目的煤层中，对下部煤层进行煤炭地下气化，同时对上部煤层进行煤层气抽采；

其中，所述下部煤层和所述上部煤层相邻，且所述下部煤层位于所述上部煤层的下方。

根据本发明的一个实施例，所述对下部煤层进行煤炭地下气化，同时对上部煤层进行煤层气抽采的步骤后，还包括：

对所述上部煤层进行开采。

根据本发明的一个实施例，所述上部煤层与所述下部煤层之间的距离小于或等于50m。

根据本发明第二方面实施例的煤炭地下气化与煤层气的协同开采结构，包括直井和水平井，所述直井自上而下贯穿所述目的煤层，所述水平井包括直井段、造斜段和水平段，所述直井段自上而下贯穿所述目的煤层，每个所述目的煤层中均设置所述水平段，所述直井段通过所述造斜段与所述水平段的一端连通，所述水平段的另一端与所述直井连通。

根据本发明的一个实施例，所述直井位于所述目的煤层中的部分构造有造穴段，所述造穴段与所述水平段连通。

根据本发明第三方面实施例的煤炭地下气化与煤层气的协同开采结构的构造方法，包括：

直井施工：

自地表向下依次贯穿各所述目的煤层构造所述直井；

水平井施工：

直井段构造：构造所述直井段至最底层的所述目的煤层；

造斜段构造：在所述直井段对应所述目的煤层的位置处构造延伸至所述目的煤层内的所述造斜段；

水平段构造：由所述造斜段位于在所述目的煤层内的端部构造所述水平段与所述直井连通；

各所述目的煤层自下而上依次进行所述造斜段构造和所述水平段构造的步骤。

根据本发明的一个实施例，所述直井施工的步骤包括：

一开：由地表向下钻至基岩以下形成第一钻孔，在所述第一钻孔内下入表层套管后进行固井；

二开：由所述第一钻孔向下钻直至贯穿最底层的所述目的煤层形成第二钻孔，在所述第二钻孔内下入技术套管后进行固井；

在每个所述目的煤层中对应所述第二钻孔的位置进行造穴。

根据本发明的一个实施例，所述技术套管包括玻璃钢套管和石油套管，所述玻璃钢套管位于所述第二钻孔对应所述目的煤层的位置内，所述石油套管位于所述第二钻孔在所述目的煤层之外的位置内。

根据本发明的一个实施例，所述直井段构造步骤包括：

一开：由所述地表向下钻至基岩以下形成第三钻孔，在所述第三钻孔内下入表层套管后进行固井；

二开：由所述第三钻孔向下钻直至最底层的所述目的煤层内的着落点形成第四钻孔，在第四钻孔内下入技术套管后进行固井。

根据本发明的一个实施例，所述水平段构造步骤包括：

三开：由所述着落点在下部的所述目的煤层内水平钻进，与下部的所述目的煤层内的所述直井的造穴处相连；在上部的所述目的煤层附近侧钻并水平钻进，与上部的所述目的煤层内所述直井的造穴处相连。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果：本发明实施例的煤炭地下气化与煤层气的协同开采方法，对下部煤层进行煤炭地下气化时，煤炭地下气化的残余热能可加热上方的上部煤层，进而提高上部煤层的渗透率，改善孔隙系统连通性，提高了上部煤层的解吸效率，有利于上部煤层在下部煤层进行煤炭地下气化的同时进行煤层气抽采，保障了煤层的安全开采，同时又可增加上部煤层煤层气的产量，降低煤层瓦斯含量，保障煤炭安全开采。本发明旨在将煤炭地下气化与煤层气开采联合起来，对于复杂难采煤层可进行煤炭地下气化充分开采，充分利用煤炭地下气化产生的热量，进而助力上部煤层中煤层气的抽采，进一步降低煤层中煤层气含量，保障煤炭安全高效抽采。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例煤炭地下气化与煤层气的协同开采结构的结构示意图。

附图标记：

1、直井；11、造穴段；

2、水平井；21、直井段；22、水平段；23、造斜段；

3、目的煤层；31、下部煤层；32、上部煤层；

4、地表。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1所示，本发明实施例提供的煤炭地下气化与煤层气的协同开采方法，包括：

在目的煤层3中，对下部煤层31进行煤炭地下气化，同时对上部煤层32进行煤层气抽采；

其中，下部煤层31和上部煤层32相邻，且下部煤层31位于上部煤层32的下方。

本发明实施例的煤炭地下气化与煤层气的协同开采方法，对下部煤层31进行煤炭地下气化时，煤炭地下气化的残余热能可加热上方的上部煤层32，进而提高上部煤层32的渗透率，改善孔隙系统连通性，提高了上部煤层32的解吸效率，有利于上部煤层32在下部煤层31进行煤炭地下气化的同时进行煤层气抽采，保障了煤层的安全开采，同时又可增加上部煤层32煤层气的产量，降低煤层瓦斯含量，保障煤炭安全开采。本发明旨在将煤炭地下气化与煤层气开采联合起来，对于复杂难采煤层可进行煤炭地下气化充分开采，充分利用煤炭地下气化产生的热量，进而助力上部煤层32中煤层气的抽采，进一步降低煤层中煤层气含量，保障煤炭安全高效抽采。

本实施例中，首先确定目的煤层3，对目的煤层3自下而上开采，最下层编号1，与其相邻的上方煤层编号2，自下而上依次类推n、n+1……在1号煤层进行煤炭地下气化，在2号煤层进行煤层气抽采，1号煤层地下气化产生热量，增加了2号煤层的渗透率，提高了煤层的解吸效率，有利于煤层气抽采，保障了煤层的安全开采。如2号煤层无开采计划，则可在2号煤层的上方的3号煤层中再构造一个水平段22，实现水平井2与直井1在3号煤层内的连通，对2号煤层进行煤炭地下气化，3号煤层进行煤层气抽采。此时2号煤层作为下部煤层31，3号煤层作为上部煤层32，依次类推。

本实施例中，煤炭地下气化采用控制后退注气点气化技术。

根据本发明的一个实施例，对上部煤层32进行煤层气抽采后，对上部煤层32进行开采。本实施例中，在下方的下部煤层31煤炭地下气化结束后，若对上方的上部煤层32有开采计划，则确定上方的上部煤层32中煤层气(瓦斯)含量是否达到煤炭开采安全要求，达到安全要求后，对上部煤层32直接进行开采。

根据本发明的一个实施例，上部煤层32与下部煤层31之间的距离小于或等于50m。在目的煤层3中，相邻两个煤层之间的距离一般不大于50m，以保证下部煤层31进行煤炭地下气化的时，其余热能够有效加热上部煤层32，保证与煤炭地下气化产生的热量最大程度的利用。

本发明实施例提供的用于上述实施例煤炭地下气化与煤层气的协同开采方法的煤炭地下气化与煤层气的协同开采结构，包括直井1和水平井2，直井1自上而下贯穿目的煤层3，水平井2包括直井段21造斜段23和水平段22，直井段21自上而下贯穿目的煤层3，每个目的煤层3中均设置水平段22，直井段21通过造斜段23与水平段22的一端连通，水平段22的另一端与直井1连通。

本发明实施例的煤炭地下气化与煤层气的协同开采结构，通过直径与水平井2的对接配合形成U型钻井结构，直井1贯穿所有目的煤层3，水平井2的直井段21贯穿所有目的煤层3，再通过水平段22在各目的煤层3中延伸与直井1对接，水平井2为注气井，用于对目的煤层3在煤炭地下气化的过程中向其中注气，直井1为排气井，用于对目的煤层3在煤炭地下气化和煤层气抽气的过程中将其中的气体排出，实现一井双用。

下部煤层31与上部煤层32的开采结构共同构成双U型对接井，双U型对接井实现煤层气与煤炭地下气化气协同开采，对于复杂难采煤层可进行地下气化充分开采利用资源，进而利用地下气化余热，助力上部煤层32中煤层气的抽采，进一步降低煤层中煤层气含量，保障煤炭安全高效抽采。

本发明的协同开采结构，对各目的煤层3设置U型对接井，相较于现有技术的对于煤层气开采仅通过直井1开采结构，各直井1相距距离远远小于本申请设置U型对接井时各井之间的距离，所以本发明在开采相同煤层范围内的煤层气时，开采结构的设置数量远远少于现有技术。

本发明的协同开采结构，将各目的煤层3的U型对接井依次连通，相较于现有技术的各目的煤层3均设置独立的U型对接井，极大程度的减少了钻井施工量。

本实施例中，水平井2包括直井段21、造斜段23和水平段22，直井段21贯穿目的煤层3，水平段22沿目的煤层3延伸，造斜段23实现直井段21与水平段22的平滑过渡连通。所有目的煤层3通过一整个直井段21贯穿，造斜段23与水平段22的数量根据实际对目的煤层3开采的需要调整设置，相当于直井段21通过各造斜段23连接作为分支的与各目的煤层3一一对应的水平段22。

根据本发明的一个实施例，直井1位于目的煤层3中的部分构造有造穴段11，造穴段11与水平段22连通。本实施例中，直井1为造穴井，采用二开井身结构，直井1在目的煤层3中的部分构造与水平段22连通的造穴段11。

本发明实施例提供的上述实施例煤炭地下气化与煤层气的协同开采结构的构造方法，包括：

直井1施工：

自地表4向下依次贯穿各目的煤层3构造直井1；

水平井2施工：

直井段21构造：构造直井段21至最底层的目的煤层3；

造斜段23构造：在直井段21对应目的煤层3的位置处构造延伸至目的煤层3内的造斜段23；

水平段22构造：由造斜段23位于在目的煤层3内的端部构造水平段22与直井1连通；

各目的煤层3自下而上依次进行造斜段23构造和水平段22构造的步骤。

本发明实施例的煤炭地下气化与煤层气的协同开采结构的构造方法，针对上部煤层32与下部煤层31，先施工一口直井1，再对下部煤层31在直井1附近实施一口水平井2与直井1对接。对接完成后，再对上部煤层32实施侧钻，构造新的造斜段23与水平段22实现与直井1的对接，即水平井2整体通过直井段21、造斜段23和水平段22实现与直井1上部造穴段11对接。

根据本发明的一个实施例，直井1施工的步骤包括：

一开：由地表向下钻至基岩以下形成第一钻孔，在第一钻孔内下入表层套管后进行固井；

二开：由第一钻孔向下钻直至贯穿最底层的目的煤层3形成第二钻孔，在第二钻孔内下入技术套管后进行固井；

在每个目的煤层3中对应第二钻孔的位置进行造穴。

其中，技术套管包括玻璃钢套管和石油套管，玻璃钢套管位于第二钻孔对应目的煤层3的位置内，石油套管位于第二钻孔在目的煤层3之外的位置内。

本实施例中，在造直井1时，一开采用钻头钻至地表4以下20m形成第一钻孔，沿第一钻孔的孔壁下入表层套管，通过水泥等物料将表层套管与第一钻孔之间加固实现固井。二开沿第一钻孔直钻至所有目的煤层3的煤炭底板以下30m形成第二钻孔，沿第二钻孔的孔壁下入技术套管，对应目的煤层3的第二钻孔部的孔壁下入技术套管，在对应目的煤层3处的技术套管为玻璃钢套管，在对应非目的煤层3处的技术套管为石油套管，通过水泥等物料将石油套管与玻璃套管与第二钻孔之间加固实现固井，在玻璃套管的位置处对目的煤层3内的直井1部分造穴，造穴直径大于500mm。

根据本发明的一个实施例，直井段21构造步骤包括：

一开：由地表向下钻至基岩以下形成第三钻孔，在第三钻孔内下入表层套管后进行固井；

二开：由第三钻孔向下钻直至最底层的目的煤层3内的着落点形成第四钻孔，在第四钻孔内下入技术套管后进行固井。

本实施例中，由于水平井2由地表4向下开始钻造，所以在钻造第四钻孔前，先采用钻头钻至地表4以下20m形成第三钻孔，沿第三钻孔的孔壁下入表层套管，通过水泥等物料将表层套管与第三钻孔之间加固实现固井。直井段21沿第三钻孔由目的煤层3上方的岩层钻至最底层的目的煤层3内部的着落点形成第四钻孔，沿第四钻孔的孔壁下入技术套管，通过水泥等物料将技术套管与第四钻孔之间加固实现固井。

根据本发明的一个实施例，水平段22构造步骤包括：

三开：由着落点在下部的目的煤层3内水平钻进，与下部的目的煤层3内的直井1的造穴处相连；在上部的目的煤层3附近侧钻并水平钻进，与上部的目的煤层3内的直井1的造穴处相连。

本实施例中，在直井段21构造施工完成后，针对目的煤层3所要开采的煤层，现对下部煤层31进行造斜段23构造，在直井段21对应下部煤层31的定向施工构造造斜段23，再在造斜段23的末端施工构造水平段22，水平段22沿下部煤层31钻至设计井深，与直井段21对应下部煤层31的造穴段11对接，以此方法向上，对上部煤层32进行新的造斜段23构造，在直井段21对应上部煤层32的侧向施工构造新的造斜段23，再在新的造斜段23的末端施工构造新的水平段22，新的水平段22沿上部煤层32钻至设计井深，与直井1对应上部煤层32的造穴段11对接。

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)

1.一种煤炭地下气化与煤层气的协同开采方法，其特征在于：包括：

在目的煤层中，对下部煤层进行煤炭地下气化，同时对上部煤层进行煤层气抽采；

其中，所述下部煤层和所述上部煤层相邻，且所述下部煤层位于所述上部煤层的下方。

2.根据权利要求1所述的煤炭地下气化与煤层气的协同开采方法，其特征在于：所述对下部煤层进行煤炭地下气化，同时对上部煤层进行煤层气抽采的步骤后，还包括：

对所述上部煤层进行开采。

3.根据权利要求1所述的煤炭地下气化与煤层气的协同开采方法，其特征在于：所述上部煤层与所述下部煤层之间的距离小于或等于50m。

4.一种用于权利要求1至3任意一项所述的煤炭地下气化与煤层气的协同开采方法的煤炭地下气化与煤层气的协同开采结构，其特征在于：包括直井和水平井，所述直井自上而下贯穿所述目的煤层，所述水平井包括直井段、造斜段和水平段，所述直井段自上而下贯穿所述目的煤层，每个所述目的煤层中均设置所述水平段，所述直井段通过所述造斜段与所述水平段的一端连通，所述水平段的另一端与所述直井连通。

5.根据权利要求4所述的煤炭地下气化与煤层气的协同开采结构，其特征在于：所述直井位于所述目的煤层中的部分构造有造穴段，所述造穴段与所述水平段连通。

6.一种权利要求4或5所述的煤炭地下气化与煤层气的协同开采结构的构造方法，其特征在于：包括：

直井施工：

自地表向下依次贯穿各所述目的煤层构造所述直井；

水平井施工：

直井段构造：构造所述直井段至最底层的所述目的煤层；

造斜段构造：在所述直井段对应所述目的煤层的位置处构造延伸至所述目的煤层内的所述造斜段；

水平段构造：由所述造斜段位于在所述目的煤层内的端部构造所述水平段与所述直井连通；

各所述目的煤层自下而上依次进行所述造斜段构造和所述水平段构造的步骤。

7.根据权利要求6所述的煤炭地下气化与煤层气的协同开采结构的构造方法，其特征在于：所述直井施工的步骤包括：

一开：由地表向下钻至基岩以下形成第一钻孔，在所述第一钻孔内下入表层套管后进行固井；

二开：由所述第一钻孔向下钻直至贯穿最底层的所述目的煤层形成第二钻孔，在所述第二钻孔内下入技术套管后进行固井；

在每个所述目的煤层中对应所述第二钻孔的位置进行造穴。

8.根据权利要求7所述的煤炭地下气化与煤层气的协同开采结构的构造方法，其特征在于：所述技术套管包括玻璃钢套管和石油套管，所述玻璃钢套管位于所述第二钻孔对应所述目的煤层的位置内，所述石油套管位于所述第二钻孔在所述目的煤层之外的位置内。

9.根据权利要求6所述的煤炭地下气化与煤层气的协同开采结构的构造方法，其特征在于：所述直井段构造步骤包括：

一开：由所述地表向下钻至基岩以下形成第三钻孔，在所述第三钻孔内下入表层套管后进行固井；

二开：由所述第三钻孔向下钻直至最底层的所述目的煤层内的着落点形成第四钻孔，在第四钻孔内下入技术套管后进行固井。

10.根据权利要求9所述的煤炭地下气化与煤层气的协同开采结构的构造方法，其特征在于：所述水平段构造步骤包括：

三开：由所述着落点在下部的所述目的煤层内水平钻进，与下部的所述目的煤层内的所述直井的造穴处相连；在上部的所述目的煤层附近侧钻并水平钻进，与上部的所述目的煤层内所述直井的造穴处相连。

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