CN114016962B - 煤层气开采方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例的煤层气开采方法包括：向目标煤层钻设母孔，母孔贯穿目标煤层，在母孔的内壁上沿母孔的径向在目标煤层内开设分支孔，在母孔内安装具有保温功能的注入管，将注入管的一端送入目标煤层处，且注入管位于目标煤层的一端设有定压泄压阀，对母孔的孔口到目标煤层的顶板之间的部分进行封堵并养护，通过注入管向目标煤层内持续注入超临界二氧化碳，在以的母孔为中心，分支孔为半径影响控制的圆形区域外围钻设抽采井，在超临界二氧化碳注入目标煤层2～3天后，使用抽采井开采煤层气。本发明实施例的煤层气开采方法向深部煤层大范围的注入超临界二氧化碳流体，对煤层气进行驱替，与煤层气富集区域周围布置的抽采井相互配合，高效开采深部煤层气。

Description

煤层气开采方法
技术领域
本发明涉及煤层气开采技术领域，尤其涉及一种煤层气开采方法。
背景技术
我国煤层气资源丰富(2000m以浅探明储量约36.81万亿方，与常规天然气含量相当，位居世界第三)，约占世界总量的14％。但我国煤层气储层赋存环境复杂，属于欠饱和气藏，普遍具有厚度薄、渗透率低、含气量高的特点。近年来，通过采用CO2注入驱替增加煤气藏饱和度的煤层气开采方法得到人们的青睐，该方法既能够利用CO2高效置换、驱替煤层气储层中CH4的同时，还能够在深部不开采或废弃矿井煤层中实现CO2封存，具有保护环境和促进煤层气开发的双重功效。然而，大量的CO2驱替煤层气现场试验表明，当CO2注入单口井时，近井地带煤体吸附CO2产生的较大膨胀变形导致其渗透率降低，使得CO2很难持续注入煤层，现场驱替效果不理想。
发明内容
本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
相关技术中，使用常规相态CO2注入单口井，靠近单口井地带的煤体吸附CO2产生的较大膨胀变形，导致CO2驱替煤层气的渗透率降低，使得CO2很难持续注入煤层，煤层气的驱替效果不理想。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的实施例提出一种煤层气开采方法，将具有超强扩散、渗透的超临界二氧化碳流体通过多个分支孔注入煤层，驱替形成CH4富集区域，提高煤层气开采井的产量。
本发明实施例的煤层气开采方法包括：
在地面或巷道内向目标煤层钻设母孔，所述母孔贯穿所述目标煤层。
在所述母孔的内壁上沿所述母孔的径向在目标煤层内开设分支孔。
在所述母孔内安装具有保温功能的注入管，将所述注入管的一端送入所述目标煤层处，且所述注入管位于所述目标煤层的一端设有定压泄压阀。
对所述母孔的孔口到所述目标煤层的顶板之间的部分进行封堵并养护。
通过所述注入管向所述目标煤层内持续注入超临界二氧化碳。
在以所述的母孔为中心，分支孔为半径影响控制的圆形区域外围钻设抽采井，在所述超临界二氧化碳注入所述目标煤层2～3天后，使用所述抽采井开采煤层气。
本发明实施例的煤层气开采方法通过母孔结合多个分支孔向深部煤层大范围的注入超临界二氧化碳流体，对深埋储层内的煤层气进行驱替，与煤层气富集区域周围所布置的抽采井相互配合，高效开采深部煤层气。超临界二氧化碳在储层中与CH4和煤体发生相互作用，能将煤岩渗透率提高3-4个数量级，提高超临界二氧化碳注入煤层的速率。多个分支孔的煤层形成一定的卸压缝网，为靠近母孔地带的煤体吸附超临界二氧化碳产生的膨胀变形提供足够的空间。
在一些实施例中，对所述母孔的孔口到所述目标煤层的顶板之间的部分进行封堵的方法包括：
在所述母孔内安装井壁套管，所述井壁套管由所述母孔的孔口延伸至所述目标煤层的顶板。
在所述井壁套管的下端安装第一封孔器，所述注入管贯穿所述第一封孔器。
在所述井壁套管的上端安装第二封孔器，并在所述第二封孔器上预设注浆管和返排管。
通过所述注浆管向所述井壁套管内注浆并形成封孔段，所述井壁套管内的空气通过所述返排管排出。
在一些实施例中，所述注浆管位于所述井壁套管内的一端邻近所述第二封孔器，所述返排管位于所述井壁套管内的一端邻近所述第一封孔器。
在一些实施例中，所述超临界二氧化碳的制备方法包括：
提供一二氧化碳注入车，所述二氧化碳注入车的注入压力为10～20MPa。
提供一加热器，所述加热器的加热温度为40～75℃，所述二氧化碳注注入车将具有压力的二氧化碳注流体注入到所述加热器内加热，调整所述加热器的加热温度，将所述二氧化碳注流体加热至超临界状态。
在一些实施例中，所述母孔的直径D为110～150mm，所述分支孔的直径d为30～50mm，所述分支孔的长度L为20～100m。
在一些实施例中，若所述目标煤层的厚度H小于等于3m，则所述分支孔的层数n为1。
若所述目标煤层的厚度H大于3m，则所述分支孔的层数n满足关系式：
Figure BDA0003311341570000021
其中s为相邻两层分支孔之间的层间距，s为1～2m。
在一些实施例中，同一层内所述分支孔的数量N满足关系式：
Figure BDA0003311341570000022
同一层内相邻的两个所述分支孔之间的夹角
Figure BDA0003311341570000023
在一些实施例中，相邻两层所述分支孔之间一一对应且交错布置，且相邻两层所述分支孔之间的错开角度为β/2。
在一些实施例中，所述定压泄压阀的临界压力为8MPa。
在一些实施例中，所述抽采井为多个，多个所述抽采井沿所述母孔的周向间隔布置，所述抽采井与所述母孔之间的距离超出所述分支孔的长度50～200m。
附图说明
图1是本发明实施例的煤层气开采方法的注入超临界二氧化碳后的煤层状态示意图。
图2是图1中M-M的剖视示意图。
图3是图1中A区域的局部放大示意图。
图4是本发明实施例的煤层气开采方法的未注入超临界二氧化碳的初始状态的煤层示意图。
图5是图4中N-N的剖视示意图。
附图标记：
母孔1、井壁套管11、第一封孔器12、第二封孔器13、注浆管14、返排管15、封孔段16；
分支孔2；
注入管3；
定压泄压阀4；
二氧化碳注入车5；
加热器6；
抽采井7；
岩层8；
煤层9、超临界二氧化碳驱替CH4区域91、CH4富集区域92。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图描述本发明实施例的煤层气开采方法。
本发明实施例的煤层气开采方法包括：在地面或巷道内向目标煤层9钻设母孔1，母孔1贯穿目标煤层9，在母孔1的内壁上沿母孔1的径向在目标煤层9内开设分支孔2，在母孔1内安装具有保温功能的注入管3，将注入管3的一端送入目标煤层9处，且注入管3位于目标煤层9的一端设有定压泄压阀4，对母孔1的孔口到目标煤层9的顶板之间的部分进行封堵并养护，通过注入管3向目标煤层9内持续注入超临界二氧化碳，在以母孔1为中心，分支孔2为半径影响控制的圆形区域外围钻设抽采井7，在超临界二氧化碳注入目标煤层92～3天后，使用抽采井7开采煤层气。
可以理解的是，如图1所示，采用钻机从地面向深部埋藏的目标煤层9预先钻设一个竖向设置的母孔1，母孔1贯穿目标煤层9。
进一步地，在母孔1的内壁上沿母孔1的径向在目标煤层9内开设分支孔2，根据煤层9赋存特点(厚度、地应力等)确定单个母孔1中分支孔2布置参数(层数、数量与角度等)，随后利用高压水射流技术或机械钻进方式在母孔1中径向钻取分支孔2。
当目标煤层9的母孔1与分支孔2钻设完成后(如图4和图5所示)，在母孔1内安装具有保温功能的注入管3，将注入管3的一端送入目标煤层9处，且注入管3位于目标煤层9的一端设有定压泄压阀4，其目的是，为了确保从注入管3注入目标煤层9的物体的压力符合预设值。
然后对母孔1进行封孔工作，将母孔1的孔口(位于地面处)到目标煤层9的顶板(如图1所示，顶板位于目标煤层9与岩层8分界的位置)之间的部分进行封堵并养护，通过注入管3向目标煤层9内持续注入超临界二氧化碳。因此，封孔是为了确保超临界二氧化碳只能从母孔1注入，并逐渐渗入目标煤层9，而不会从母孔1跑出，从而影响驱替的效果。
最后，在以母孔1为中心，分支孔2为半径影响控制的圆形区域外围钻设抽采井7，在超临界二氧化碳注入目标煤层92～3天后，在此过程中，超临界二氧化碳会持续向目标煤层9远离母孔1的区域渗透，不断驱替、置换煤层9中的CH4，逐渐在目标煤层9中形成CH4富集区域，此时配合抽采井7在CH4富集区域进行抽采，达到强化开采的目的。
具体地，如图1和图2所示，目标煤层9中的分支孔2沿竖直方向上分布有两层，每层的分支孔2为六个，六个分支孔2绕母孔1的周向分布，多个分支孔2起到卸压作用，多个分支孔2与煤层9形成一定的卸压缝网，为靠近母孔1地带的煤体吸附超临界二氧化碳产生的膨胀变形提供足够的暴露空间，同时利用分支孔2将母孔1与远母孔1区域的煤体裂隙连通，为超临界二氧化碳径向注入煤层9提供主干道。而且注入的超临界二氧化碳在煤层9中与CH4和煤体发生相互作用，能将煤岩渗透率提高3-4个数量级，提高超临界二氧化碳注入煤层9的速率。
进一步地，对驱替过程进行描述：超临界二氧化碳注入煤层9后，在煤层9中与CH4产生竞争吸附，将CH4从吸附态转化为游离态，再由CO2驱替CH4，置换过程中CO2的填充使得地层的物理和力学性质基本保持不变，保持了地层的稳定。同时，CO2与CH4置换时会释放大量的热量，高温的超临界二氧化碳会持续向远井段渗透，不断驱替、置换煤层9中的CH4，逐渐在煤层9中形成CH4富集区域。
本发明实施例的煤层气开采方法通过母孔1结合多个分支孔2向深部煤层9大范围的注入超临界二氧化碳流体，能够提高煤层9的有效孔隙率、改善靠近母孔1处的煤体渗透率，减少靠近母孔1地带煤体吸附CO2产生的大膨胀变形对超临界二氧化碳注入速率的影响，增强普通单井的驱替效果，驱替形成的CH4富集区域，为增加抽采井7所抽采煤层气的产量提供了可能。
在一些实施例中，如图1和图3所示，对母孔1的孔口到目标煤层9的顶板之间的部分进行封堵的方法包括：在母孔1内安装井壁套管11，井壁套管11由母孔1的孔口延伸至目标煤层9的顶板，在井壁套管11的下端安装第一封孔器12，注入管3贯穿第一封孔器12，在井壁套管11的上端安装第二封孔器13，并在第二封孔器13上预设注浆管14和返排管15，通过注浆管14向井壁套管11内注浆并形成封孔段16，井壁套管11内的空气通过返排管15排出。
具体地，如图3所示，井壁套管11的上端与母孔1的上端平齐，井壁套管11的下端目标煤层9与岩层8分界的位置，井壁套管11的下端安装第一封孔器12，井壁套管11的上端安装第二封孔器13，注入管3从上到下依次贯穿第二封孔器13和第一封孔器12，第二封孔器13上预设注浆管14和返排管15，注浆管14和返排管15分别贯穿第二封孔器13。通过注浆管14向井壁套管11内注浆并形成封孔段16，井壁套管11内的空气通过返排管15排出，封孔段16位于岩层8地带。
因此，封孔段16将煤层9与外界隔离开，超临界二氧化碳通过注入管3注入母孔1后，可以更有效地向四周的煤层9进行渗透和扩散，有效地进行驱替过程。
在一些实施例中，如图3所示，注浆管14位于井壁套管11内的一端邻近第二封孔器13，返排管15位于井壁套管11内的一端邻近第一封孔器12。
具体地，如图3所示，注浆管14的上端位于第二封孔器13的上方，注浆管14的下端位于井壁套管11内并临近第二封孔器13，返排管15的上端位于第二封孔器13的上方，返排管15的下端位于井壁套管11内并临近第一封孔器12。
在一些实施例中，如图1所示，超临界二氧化碳的制备方法包括：提供一二氧化碳注入车5，二氧化碳注入车5的注入压力为10～20MPa，提供一加热器6，加热器6的加热温度为40～75℃，二氧化碳注注入车将具有压力的二氧化碳注流体注入到加热器6内加热，调整加热器6的加热温度，将二氧化碳注流体加热至超临界状态，超临界二氧化碳流体具有超强的扩散性和渗透能力。
具体地，如图1所示，二氧化碳注入车5、加热器6与注入管3通过管道相互连接，注入管3插入目标煤层9中，利用二氧化碳注入车5生成压力为15MPa的二氧化碳流体，将加热温度调整为50℃，15MPa的二氧化碳流体通过加热器6加热至超临界状态，随后通过注入管3将超临界二氧化碳流体持续注入煤层9中。
在一些实施例中，母孔1的直径D为110～150mm，分支孔2的直径d为30～50mm，分支孔2的长度L为20～100m。
具体地，采用钻机从地面向目标煤层9预先钻进一个直径D为150mm的井眼作为母孔1，利用高压水射流技术或机械钻进方式沿母孔1径向开设直径d为50mm，长度L为50m的分支孔2。
在一些实施例中，单个母孔1中分支孔2的布置层数由目标煤层9的厚度决定。
若目标煤层9的厚度H小于等于3m，则分支孔2的层数n为1。
若目标煤层9的厚度H大于3m，则分支孔2的层数n满足关系式：
Figure BDA0003311341570000061
其中s为相邻两层分支孔2之间的层间距，s为1～2m。
可以理解的是，煤层9越厚便需要设置多层的分支孔2，以此来保证注入的超临界二氧化碳驱替的有效性。
在一些实施例中，同一层内分支孔2的数量N满足关系式：
Figure BDA0003311341570000062
同一层内相邻的两个分支孔2之间的夹角
Figure BDA0003311341570000063
可以理解的是，同一层内分支孔2的数量N与同一层内相邻的两个分支孔2之间的夹角β之间具有联系，使得煤层气开采过程中具有合理的设置方案，提高开采工程的可行性以及为增加煤层气产量提供了保障。
在一些实施例中，相邻两层分支孔2之间一一对应且交错布置，且相邻两层分支孔2之间的错开角度为β/2。
可以理解的是，相邻两层分支孔2之间一一对应且交错布置，一是降低相邻两层分支孔2之间煤层9的坍塌风险，二是使得大范围渗透的超临界二氧化碳流体在不同深度的煤层9中渗透均匀，防止部分煤层9残存较多的CH4，从而导致资源的浪费，并且影响开采量。
具体地，如图1和图2所示，每一层的分支孔2为六个，相邻两层分支孔2之间的错开角度为30°。
在一些实施例中，定压泄压阀4的临界压力为8MPa。
具体地，如图3所示，定压泄压阀4安设在注入管3的下端，定压泄压阀4的临界压力为8MPa，确保通过注入管3注入到煤层9内的超临界二氧化碳的压力值高于8MPa，从而达到更好的驱替效果。
在一些实施例中，如图1和图3所示，抽采井7为多个，多个抽采井7沿母孔1的周向间隔布置，抽采井7与母孔1之间的距离超出分支孔2的长度50～200m。
可以理解的是，如图1所示，通过母孔1注入的超临界二氧化碳，在驱替过程中，超临界二氧化碳会通过分支孔2持续向远离母孔1的煤层9渗透，逐渐在远离母孔1的煤层9地段形成CH4富集区域92，将抽采井7设置在CH4富集区域92进行抽采，可以提高煤层气的开采量。因此，靠近母孔1的煤层9为超临界二氧化碳驱替CH4区域91，远离母孔1的煤层9为CH4富集区域92，抽采井7与母孔1之间的距离超出分支孔2的长度50～200m，从而确保抽采井7所抽采的煤层9区域是驱替形成的CH4富集区域92。
下面对煤层气开采方法的详细过程进行描述。
假设目标煤层9厚度为6m，地层埋深926m，煤层9赋存温度50℃，煤层9瓦斯压力8.2Mpa。
步骤1，采用钻机从地面向目标煤层9预先钻进一个直径D为150mm的井眼作为母孔1。
步骤2，参考图1至图3，由于煤层9厚度为6m，则沿煤层9的竖向设置两层分支孔2网，每一层的分支孔2网中具有6个分支孔2，同一层内相邻的两个分支孔2之间的夹角为60°，分支孔2直径为50mm，长度为50m。两层分支孔2之间的层间距为2m，相邻两层分支孔2之间错开角度为60°。
步骤3，将具有保温功能的注入管3安装于母孔1内，并在注入管3的下端安设定压泄压阀4，然后将注入管3的下部与定压泄压阀4送入煤层9的中段。
步骤4，参考图3，对母孔1进行封孔，在母孔1内安装井壁套管11，然后在井壁套管11的下端安装第一封孔器12，在井壁套管11的上端安装第二封孔器13，并在第二封孔器13上预设注浆管14和返排管15，通过注浆管14向井壁套管11内注浆并形成封孔段16，井壁套管11内的空气通过返排管15排出。
步骤5，将二氧化碳注入车5、加热器6与注入管3相连，利用二氧化碳注入车5生成压力为15MPa的二氧化碳流体，将加热器6的加热温度调整为50℃，15MPa的二氧化碳流体注入加热器6内并加热至超临界状态，随后通过具有保温功能的注入管3将超临界二氧化碳流体持续注入深部煤层9中。
步骤6，参考图1和图2，在距离母孔1半径为100m的圆周上均匀布置3口抽采井7，抽采井7眼之间的夹角为120°，在母孔1注入超临界二氧化碳进入煤层92～3天后开始抽采。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，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。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等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。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种煤层气开采方法，其特征在于，包括：
在地面或巷道内向目标煤层钻设母孔，所述母孔贯穿所述目标煤层；
在所述母孔的内壁上沿所述母孔的径向在目标煤层内开设分支孔；
利用机械钻进方式沿母孔径向钻取分支孔；
在所述母孔内安装具有保温功能的注入管，将所述注入管的一端送入所述目标煤层处，且所述注入管位于所述目标煤层的一端设有定压泄压阀；
对所述母孔的孔口到所述目标煤层的顶板之间的部分进行封堵并养护；
通过所述注入管向所述目标煤层内持续注入超临界二氧化碳；
在以所述的母孔为中心，分支孔为半径影响控制的圆形区域外围钻设抽采井，在所述超临界二氧化碳注入所述目标煤层2～3天后，使用所述抽采井开采煤层气；
所述母孔的直径D为110～150mm，所述分支孔的直径d为30～50mm，所述分支孔的长度L为20～100m；
所述抽采井为多个，多个所述抽采井沿所述母孔的周向间隔布置，所述抽采井与所述母孔之间的距离超出所述分支孔的长度50～200m。
2.根据权利要求1所述的煤层气开采方法，其特征在于，对所述母孔的孔口到所述目标煤层的顶板之间的部分进行封堵的方法包括：
在所述母孔内安装井壁套管，所述井壁套管由所述母孔的孔口延伸至所述目标煤层的顶板；
在所述井壁套管的下端安装第一封孔器，所述注入管贯穿所述第一封孔器；
在所述井壁套管的上端安装第二封孔器，并在所述第二封孔器上预设注浆管和返排管；
通过所述注浆管向所述井壁套管内注浆并形成封孔段，所述井壁套管内的空气通过所述返排管排出。
3.根据权利要求2所述的煤层气开采方法，其特征在于，所述注浆管位于所述井壁套管内的一端邻近所述第二封孔器，所述返排管位于所述井壁套管内的一端邻近所述第一封孔器。
4.根据权利要求1所述的煤层气开采方法，其特征在于，所述超临界二氧化碳的制备方法包括：
提供一二氧化碳注入车，所述二氧化碳注入车的注入压力为10～20MPa；
提供一加热器，所述加热器的加热温度为40～75℃，所述二氧化碳注入车将具有压力的二氧化碳注流体注入到所述加热器内加热，调整所述加热器的加热温度，将所述二氧化碳注流体加热至超临界状态。
5.根据权利要求1所述的煤层气开采方法，其特征在于，若所述目标煤层的厚度H小于等于3m，则所述分支孔的层数n为1；
若所述目标煤层的厚度H大于3m，则所述分支孔的层数n满足关系式：其中s为相邻两层分支孔之间的层间距，s为1～2m。
6.根据权利要求1所述的煤层气开采方法，其特征在于，同一层内所述分支孔的数量N满足关系式：同一层内相邻的两个所述分支孔之间的夹角
7.根据权利要求6所述的煤层气开采方法，其特征在于，相邻两层所述分支孔之间一一对应且交错布置，且相邻两层所述分支孔之间的错开角度为β/2。
8.根据权利要求1所述的煤层气开采方法，其特征在于，所述定压泄压阀的临界压力为8MPa。
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