CN112727405A - 一种提高煤层气开发井煤层渗透率的开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高煤层气开发井煤层渗透率的开采方法。具体步骤如下：1)钻深层煤煤层气开发井；2)排出井中积液，然后向井中下入加热设备；3)关闭深层煤层气井井口阀门，然后通过加热设备进行加热；4)对井内煤层段持续加热，当井内煤层段内表面温度达到煤的活泼热分解温度以上时，保温24～72小时，打开井口产气阀门，排出水汽及煤层脱出混合气体；5)排气结束后，产气井井口压力不大于0.2MPa时，关闭生产井井口产气阀门，再对井眼内煤层加热，重复步骤42～3次，然后起出加热设备，煤层气井转入正常生产。本发明利用现有成熟加热方法及手段来实现低渗透煤层的煤层改造，工艺装备简单，操作方便，实现低渗透煤层，特别是深层煤的煤层气开发。

Description

一种提高煤层气开发井煤层渗透率的开采方法

技术领域

本发明涉及煤层气开发技术领域，具体为一种提高煤层气开发井煤层渗透率的开采方法。

背景技术

目前国际上煤层气的开发是通过地面钻井方式来进行的，井型主要分为直井及定向井，以及这两种井型的组合。煤层气开采的两个最重要条件，一是煤层含有一定量的煤层气，这是资源基础；二是煤层要有一定的渗透率，使煤层中的煤层气能够解吸、扩散、渗流，实现煤层气的开采。如果煤层自然渗透率较高，或者通过排水，使煤层渗透率提高，可不经过煤层改造而进行煤层气的开采。如果煤层渗透率很低，或者煤层排水降压效果达不到开采条件，在这种情况下，有的煤层可以通过压裂改造来提高渗透率，从而实现煤层气的开采。其作用原理就是通过压裂来实现井眼与煤层天然裂隙的连通以及在煤层中造缝，形成更有利的渗流通道并分配井孔附近的压降，来实现煤层气的降压解吸开采。

我国的能源结构特点是贫油、少气、多煤，煤炭资源相对丰富，特别是目前尚无法开发利用的深层煤(埋深大于1300米)资源量巨大，相应的深部煤层气资源也极其丰富。据有关报告，我国42个主要含煤盆地初步勘探在1500米以浅煤层气资源量为10.87万亿立方米，而3000米以浅煤层气资源量为55.2万亿立方米。由此可见，深层煤层气的开发前景巨大。

从目前国内、外煤层气的开发实践来看，采用压裂方式来对煤层进行改造还是非常有局限性的。首先煤层必须有一定的自然渗透率，其次是煤层要有一定的可压裂性，即压裂后要有裂隙形成及保持能力，还要求煤层有一定的含水，即压裂后能够实现较大体积范围内煤层的排水降压。对大部分的深层煤(埋深大于1500米，甚至1200米)来说，由于压实作用，煤层的渗透率很低，往往在0.01毫达西以下的程度，而且含水量较低，所以这些煤层的煤层气开发，即使是采用了各种压裂工艺手段，也无法达到改造目的进而实现煤层气的开采。直到目前为止，国际上都没有能够大规模进行深部煤层气开发的成功案例，绝大部分煤层气开发层位在300～1200米。而对于资源量占大部分的深层煤层气资源的开发现在还没有成熟工艺。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种提高煤层气开发井煤层渗透率的开采方法，其利用煤的热解特性，通过一定程度的热解过程，煤层内物质析出，煤层内部结构不同程度变疏松，形成了煤层气可以解析、渗流、产出的裂隙微体系，而这个裂隙微体系会随着近井带煤层气的采出而向煤层深部扩展，使得煤层气不断产出；使没有渗透性的煤具备了渗透性，可以进行煤层气开发。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种提高煤层气开发井煤层渗透率的开采方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)钻深层煤煤层气开发井；

2)排出井中积液，然后向井中下入加热设备；

3)关闭深层煤层气井井口阀门，然后通过加热设备进行加热；

4)对井内煤层段持续加热，当井内煤层段内表面温度达到煤的活泼热分解温度以上时，保温24～72小时，然后打开煤层气井生产井井口产气阀门，排出水汽及由煤层脱出的混合气体；

5)排气结束后，产气井井口压力不大于0.2MPa时，关闭生产井井口产气阀门，再次对井眼内煤层加热，重复步骤4的操作2～3次，然后起出加热设备，煤层气井转入正常生产，煤层气生产井井口煤层气压力不低0.1MPa。

进一步，所述深层煤层气井形式为水平井或者水平井与竖井的组合；

进一步，所述水平井与竖井的组合在水平井水平段与竖井连接段设有隔热封隔器；

进一步，所述加热设备加热方式为电加热、微波加热、燃烧加热中的一种；

进一步，所述加热设备上设置有测温装置。

本发明的有益效果在于：能够利用现有成熟加热方法及手段来实现低渗透煤层的煤层改造，工艺装备简单，操作方便，能够有效解决目前常规煤层气开发工艺所不能解决的部分煤层由于渗透率较低而无法进行煤层气开发的问题，特别是资源量巨大的深层煤层气的开发问题。

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为本发明提供的一种提高煤层气开发井煤层渗透率的开采方法的结构示意图；

图2为本发明提供的一种提高煤层气开发井煤层渗透率的开采方法中煤层气开发井形式为L型水平井和竖井组合成的U型井的结构示意图；

图3为本发明提供的一种提高煤层气开发井煤层渗透率的开采方法中煤层气开发井形式为L型水平井和竖井组合成的4形井的结构示意图；

图4为本发明提供的一种提高煤层气开发井煤层渗透率的开采方法中煤层气开发井形式为多分支水平井的结构示意图。

附图标记说明：

地面1、竖井2、煤层3、L形水平井4、分支水平井5。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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1-4所示，一种提高煤层气开发井煤层渗透率的开采方法，具体步骤如下：

1)在开发区块钻深层煤煤层气开发井，其形式为L形水平井4与竖井2组合成的U形井；L型水平井水平段最后100m使用主动磁导向系统钻进，竖井2在煤层3段造洞穴，增加穿针的靶体，以保证L形水平井4与竖井2连通精度；作业区域煤层3埋深1600-2000m，煤层3厚度8-10m；设定煤层气开发井的垂深为1800m，水平段长500m，煤层3厚度9m，煤层3导热系数为0.3左右，地层压力与温度均在正常范围，地层温度为60℃；

2)排出井中积液，然后向井中下入加热电缆；加热电缆上同时有测温电缆，可测定水平井段上不同位置温度；

3)关闭深层煤层气井井口阀门，然后通过加热电缆进行加热，使煤层3水平段半径0.5m范围内受到强烈热影响，预计最高温度达400℃；所述L形水平井4的水平段与竖直段的衔接位置设置有隔热封隔器，所述L形水平井4与竖井2的连接位置设置有隔热封隔器，减少热量从L形水平井4向竖井2的散失；

4)对井内煤层3段持续加热，当井内煤层3段内表面温度达到煤的活泼热分解温度(一般为350-400℃，最高不超过550℃)以上时，保温24小时，然后打开煤层气井生产井井口产气阀门，排出水汽及由煤层3脱出的混合气体；此过程主要是脱去煤水份；

5)排气结束后，产气井井口压力不大于0.2MPa时，关闭生产井井口产气阀门，再次对井眼内煤层3加热，重复步骤4的操作2～3次，然后起出加热电缆，煤层气井转入正常生产，煤层气生产井井口煤层气压力不低0.1MPa；此过程中，煤热解，分为低温、中温、高温热解三个阶段；在200℃左右完成煤中的吸附气(甲烷、二氧化碳及氮气)的脱出，一直到350℃-400℃为干燥脱气阶段，350℃-550℃之间为煤的活泼分解阶段，以解聚和分解反应为主，此阶段生成并逸出大量挥发性物质，生成气体主要是甲烷及其同系物、氢气、一氧化碳、二氧化碳及不饱和烃；在生产阶段，煤层3水依靠重力作用排除到竖井2井底，再通过排采设备抽排到地面1；有利于排水降压采气和排除煤粉。

本开采方法较高温度的热解，包含了自此温度下的反应，热解会有具有经营效益的产品产出；

开采时根据地质条件及地表条件决定使用哪种形式的井；可以为水平井，也可以以水平井为基础，和竖井组合；水平井包括阶梯水平井，分支水平井5，鱼骨状水平井，多底水平井，双水平井，长水平段水平井等；

竖井2和L形水平井的配合，便于实现工具的下入、过程监控的实现以及过程产物的排出，以及将来的修井作业。

U形井中竖井2可以采用二开井身结构，也可以采用三开井身结构；

采用二开井深结构时施工具体内容如下：

(1)一开使用311.1mm钻头钻至201m，下入244.5mm表层套管。封固易塌、易漏地层，满足井控要求，水泥返至地表(表层套管下深需根据具体井地质设计进一步确定)。

(2)二开采用215.9mm钻头钻进至1850m(煤层3顶)，下入139.7mm生产套管至1824m，水泥返至地面1。

采用三开井深结构时施工具体内容如下：

(1)一开使用346mm钻头钻至201m，下入273.1mm表层套管至200m。封固易塌、易漏地层，满足井控要求，水泥返至地表(表层套管下深需根据具体井地质设计进一步确定)。

(2)二开采用222.2mm钻头钻进至1958.6m，下入177.8mm技术套管至1958m，水泥返至地面1。

(3)三开152.4mm钻头钻进至2472.6m，下入114.3mm的筛管(1908-2472m)，悬挂位置为1908m。

钻井液：

(1)一开低固相钻井液。由于一开表层主要为黄黏土和砾石层，重点是防漏，因此一开主要采用坂土浆钻进，快速钻完一开土层。

(2)二开低固相聚合物钻井液。由于二开钻进将钻遇煤层3，重点是防塌、防漏、防污染，因此进入二开后，首先采用低固相聚合物钻井液，利用抑制剂和失水剂控制泥页岩水化膨胀引起的井下缩径和垮塌问题。进入造斜段后，强化封堵性能，从实现井壁稳定，最大限度地防止煤层3坍塌。

(3)三开清水。三开在煤中钻井，重点是防止煤层3污染和煤层3坍塌。因此在三开前替换老浆，转为清水钻进，最大力度地保护煤储层，同时严格控制压力激动，维持井壁稳定。在钻进过程中，现场采用三级固控，保证钻井液性能参数维持在合理范围，取得了较好的储层保护和井壁稳定效果。

轨迹控制是实现井组连通、保障煤层3水平段钻遇率的关键。竖井2采用常规MWD定向钻进，钻达煤层3后，预留25m口袋，固井后下入扩眼器将煤层3段扩眼形成洞穴。

L形水平井4设计采用地质导向技术和分段钻具组合控制钻进。利用邻井资料和区域地层资料建立地层模型，确定标志层位，钻井时从二开至完钻全程进行岩屑、钻时、气测录井，利用录井资料判断地层，绘制实时地层剖面，并与地层模型进行比较，预测下部地层、标志层和目标煤层3，及时调整轨道轨迹。

L形水平井4二开采用MWD定向钻具组合，实现软着陆；三开水平段采用GR判断区分顶底板，计算地层倾角，调整钻头回归煤层3中；水平段最后100m，进行两井连通作业，连通段采用近钻头强磁测距法，竖井2中下入磁信息采集探管，L形水平井4采用RMRS强磁导向系统，利用强磁短节与接收仪器引导钻头钻进，实现连通。

出于改造煤层3，提高煤层3渗透率的目的，一般加热煤层3最高温度处(井眼四周煤质井壁)不超过550℃，从温度最高的煤层3井壁处沿井的径向形成一个由最高温度降到地温的温度场，这个温度场也就是热改造区，这个热影响区沿井眼径向延伸的距离由加热强度、加热时间、加热方式及井筒内压力控制等因素确定，这个热改造区内，将会发生上述的一系列反应，由于水份(煤的内水加外水含量一般会超过百分之八)的脱出，以及大量吸附气及热分解气的脱出，煤的软化、熔融、流动和膨胀以及再固化，以及停止加热后受热体的降温收缩，引起了井筒周围煤炭形态上的巨大变化，同时地应力的作用(缩径现象)也推动了这种反应的发生。反应的结果，形成了大体上以井眼为中心向周围径向渗透率逐渐下降的煤带，煤层3实现了提高渗透率的目的。当煤层气井完成热解提高渗透率的作业而转入煤层气生产时，随着煤层3内热分解气、热解吸煤层气及普通煤层气的产出，裂隙将逐步向煤层3深处扩层，使得深部煤层气得以继续采出。经过一段时间的生产，当煤层气产量下降时，可以进行再一次热解作业，提高煤层气产量。

不同地质条件下煤层气井煤层3的热解改性，要根据具体地质情况进行分析，可根据地层加热数模进行计算，同时结合具体加热过程井眼煤层3温度及压力变化来确定加热过程。一般来说，第一次煤层3热解改性作业将热影响半径定为0.4～1.0米左右，后续加热过程将继续加深热影响区。加热方式，可以通过电加热(加热电缆、电加热器、微波加热等)、燃烧加热(煤层3井段内燃油或燃气枪)或点燃井壁内某处煤段来加热煤层3井段。

微波加热时，将微波发生器安装在注入井的煤层3部位，微波频率为1NHZ-10GHZ，功率为100千瓦-1000千瓦。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种提高煤层气开发井煤层渗透率的开采方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)钻深层煤煤层气开发井；

2)排出井中积液，然后向井中下入加热设备；

3)关闭深层煤层气井井口阀门，然后通过加热设备进行加热；

4)对井内煤层段持续加热，当井内煤层段内表面温度达到煤的活泼热分解温度以上时，保温24～72小时，然后打开煤层气井生产井井口产气阀门，排出水汽及由煤层脱出的混合气体；

5)排气结束后，产气井井口压力不大于0.2MPa时，关闭生产井井口产气阀门，再次对井眼内煤层加热，重复步骤4的操作2～3次，然后起出加热设备，煤层气井转入正常生产，煤层气生产井井口煤层气压力不低0.1MPa。

2.根据权利要求1所述的一种提高煤层气开发井煤层渗透率的开采方法，其特征在于，所述深层煤层气井形式为水平井或者水平井与竖井的组合。

3.根据权利要求2所述的一种提高煤层气开发井煤层渗透率的开采方法，其特征在于，所述水平井与竖井的组合在水平井水平段与竖井连接段设有隔热封隔器。

4.根据权利要求1所述的一种提高煤层气开发井煤层渗透率的开采方法，其特征在于，所述加热设备加热方式为电加热、微波加热、燃烧加热中的一种。

5.根据权利要求1或4所述的一种提高煤层气开发井煤层渗透率的开采方法，其特征在于，所述加热设备上设置有测温装置。

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