CN114060029A - 深部煤层增渗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例的深部煤层增渗方法包括:在地面或巷道内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,在母孔内安装压裂管,将压裂管的一端送入目标煤层处,且压裂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,通过压裂管向目标煤层内注入超临界二氧化碳,对目标煤层进行压裂,减小超临界二氧化碳的注入压力后,持续向目标煤层注入超临界二氧化碳对目标煤层进行保压,保压时间为2~3天,使其充分渗透和扩散。本发明实施例的深部煤层增渗方法通过多分支孔复合超临界二氧化碳压裂煤层,在煤层内大范围均衡构造裂隙网络,能够对煤层全面高效增透。
Description
技术领域
本发明涉及煤层气开采技术领域,尤其涉及一种深部煤层增渗方法。
背景技术
大范围提高煤层透气性是高效抽采煤层气(瓦斯)的关键。但我国煤层赋存环境复杂,以高瓦斯、强吸附、低渗透煤层居多,且随着煤炭开采向深部迈进,深部煤层的煤层节理、割理压缩闭合程度高,连通通道少,透气性降低,导致深部煤层瓦斯的抽采愈发困难。如何在煤层内大范围均衡构造裂隙网络已成为实现煤层瓦斯全面高效抽采的关键。
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,主要采用水力割缝及水力压裂等措施来提高煤层透气性,其中密集钻孔、水力割缝等单孔增透范围偏小,卸压裂缝区域有限;常规水力压裂控制范围大,但受地应力影响,深部煤岩体起裂压力高,压裂裂缝形态单一,存在改造盲区,并且水基压裂液产生的水锁效应阻碍孔隙瓦斯运移,造成抽采率较低。
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深部煤层增渗方法,该方法利用超临界二氧化碳介质高效压裂深部煤层,导向控制裂缝大范围网状扩展,同时驱替瓦斯、渗透煤层,化学改善煤体孔隙结构。
本发明实施例的深部煤层增渗方法包括:
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。
在所述母孔内安装压裂管,将所述压裂管的一端送入所述目标煤层处,且所述压裂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。
通过所述压裂管向所述目标煤层内注入超临界二氧化碳,对所述目标煤层进行压裂。
减小所述超临界二氧化碳的注入压力后,持续向所述目标煤层注入所述超临界二氧化碳对所述目标煤层进行保压,保压时间为2~3天,使所述超临界二氧化碳在所述目标煤层中充分渗透和扩散。
本发明实施例的深部煤层增渗方法通过多分支孔复合超临界二氧化碳压裂煤层,能够对煤层全面高效增透,减少改造“盲区”,有效避免常规水力压裂时粘土矿物遇水膨胀的问题,减少压裂对储层的伤害,同时消除水基压裂液产生的水锁效应对煤体孔隙瓦斯运移的不良影响,提高煤层瓦斯采收率。
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,所述压裂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:
提供一二氧化碳柱塞泵或二氧化碳压裂车。
提供一加热器,所述二氧化碳柱塞泵或所述二氧化碳压裂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,在压裂阶段,所述超临界二氧化碳的注入压力为20~40Mpa,温度为40~75℃;在保压阶段,所述超临界二氧化碳的注入压力为10~20Mpa,温度为40~75℃。
在一些实施例中,所述母孔的直径D为69~160mm,所述分支孔的直径d为30~90mm。
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。
附图说明
图1是本发明实施例的深部煤层增渗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2是本发明实施例的深部煤层增渗方法的注入超临界二氧化碳后压裂时的煤层状态示意图。
图3是图2中N-N的剖视示意图。
图4是本发明实施例的深部煤层增渗方法的注入超临界二氧化碳后压裂后保压阶段的煤层状态示意图。
图5是图4中M-M的剖视示意图。
图6是图4中A区域的局部放大示意图。
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;
压裂管3;
定压泄压阀4;
二氧化碳压裂车5;
加热器6;
岩层7;
煤层8、超临界二氧化碳压裂主裂缝81,超临界二氧化碳渗透改造区域82。
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深部煤层增渗方法。
如图1至图6所示,本发明实施例的深部煤层增渗方法包括:在地面或巷道内向目标煤层8钻设母孔1,母孔1贯穿目标煤层8,在母孔1的内壁上沿母孔1的径向在目标煤层8内开设分支孔2,在母孔1内安装压裂管3,将压裂管3的一端送入目标煤层8处,且压裂管3位于目标煤层8的一端设有定压泄压阀4,对母孔1的孔口到目标煤层8的顶板之间的部分进行封堵并养护,通过压裂管3向目标煤层8内注入超临界二氧化碳,对目标煤层8进行压裂,减小超临界二氧化碳的注入压力后,持续向目标煤层8注入超临界二氧化碳对目标煤层8进行保压,保压时间为2~3天,使超临界二氧化碳在目标煤层8中充分渗透和扩散。
可以理解的是,如图1所示,使用钻机在地面或井下巷道内向目标煤层8机械钻进长钻孔(井眼)作为母孔1,母孔1直径(D)的实际尺寸大小可根据目标煤层8赋存条件(煤层8内部温度达35~60℃)和现场施工需要配套不同直径的钻杆进行调整。
进一步地,利用高压水射流技术或机械钻进方式沿母孔1转弯90°冲击、破碎母孔1煤壁,逐渐沿母孔1径向钻进形成分支孔2,待该分支孔2钻进长度达到设计要求后,在同一层位的煤层8沿母孔1径向重复钻进形成多个分支孔2,多个分支孔2均匀分布于同一平面。
由于分支孔2自由空间内地应力剪除,在远离分支孔2的煤层8处的地应力作用下,煤岩向自由空间移动,使自由空间周围煤层8的原生地应力发生转移,在多个分支孔2之间会形成一个应力均匀卸压区,卸压区内煤体发生损伤、塑性破坏,原生节理张开,产生新的诱导裂缝,形成宏观卸压裂缝带。
当目标煤层8的母孔1与分支孔2钻设完成后,在母孔1内安装压裂管3,将压裂管3的一端送入目标煤层8处,且压裂管3位于目标煤层8的一端设有定压泄压阀4。当通过压裂管3的物质的注入压力等于8MPa时,定压泄压阀4会自动打开。因此,安装的定压泄压阀4能够对即将进入深部煤层8的化学物质的压力进行确定,在安装压裂管3的同时,对母孔1的孔口到目标煤层8的顶板之间的部分进行封堵并养护,其养护时间需大于72小时。
待母孔1的孔口到目标煤层8的顶板之间养护72小时后,通过压裂管3向目标煤层8内注入超临界二氧化碳,对目标煤层8进行压裂。
压裂时,如图2和图3所示,通过多个分支孔2向目标煤层8大范围注入超临界二氧化碳,能够对煤层8实施多点致裂,在多个分支孔2之间形成的孔隙压力和原始地应力的双重叠加作用下,压裂裂缝在多个分支孔2之间的初始卸压裂隙、煤层8走向/倾向节理、层理面或煤体本体内网状起裂并环状扩展,使得多个分支孔2之间相互连通,在煤层8内形成流体流动的超临界二氧化碳压裂主裂缝81。
减小超临界二氧化碳的注入压力后,持续向目标煤层8注入超临界二氧化碳对目标煤层8进行保压,保压时间为2~3天,使超临界二氧化碳在目标煤层8中充分渗透和扩散。
压裂后保压阶段,如图4和图5所示,超临界二氧化碳通过主裂缝网络渗流注入煤体孔隙、微裂隙以及割理中,占据煤基质表面吸附位,高效置换驱替煤体原有瓦斯,进一步渗透改变煤体物性、孔隙结构以及渗透特性,其特殊穿透力还可激发煤层8的复杂天然节理裂隙,将裂缝延伸至煤层8各处,形成诸多细微通道,对煤层8大范围全面均衡改造,并形成超临界二氧化碳渗透改造区域82。
本发明实施例的深部煤层增渗方法通过多分支孔2复合超临界二氧化碳压裂煤层8,能够对煤层8全面高效增透,减少改造“盲区”,有效避免常规水力压裂时粘土矿物遇水膨胀的问题,减少压裂对储层的伤害,同时消除水基压裂液产生的水锁效应对煤体孔隙瓦斯运移的不良影响,提高煤层8瓦斯采收率。
在一些实施例中,如图1和图6所示,对母孔1的孔口到目标煤层8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8的顶板,在井壁套管11的下端安装第一封孔器12,压裂管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,封孔段16形成后需进行养护,养护的时间为72小时。
具体地,如图6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8与岩层7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,压裂管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7地带。
因此,封孔段16将煤层8与外界隔离开,超临界二氧化碳通过压裂管3注入母孔1后,可以更有效地向四周的煤层8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6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6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2或图4所示,超临界二氧化碳的制备方法包括:提供一二氧化碳柱塞泵或二氧化碳压裂车5,提供一加热器6,二氧化碳柱塞泵或二氧化碳压裂车5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。
具体地,如图2所示,提供一二氧化碳压裂车5和一加热器6,将二氧化碳压裂车5、加热器6与压裂管3通过管道相互连接,压裂管3插入目标煤层8中,通过二氧化碳压裂车5与加热器6使充入压裂管3的物质为超临界二氧化碳,超临界二氧化碳接近于液体,粘度接近于气体,而且扩散系数较高、表面张力接近于零,具有很强的渗透能力。
在一些实施例中,如图2和图3所示,在压裂阶段,超临界二氧化碳的注入压力为20~40Mpa,温度为40~75℃;如图4和图5所示,在保压阶段,超临界二氧化碳的注入压力为10~20Mpa,温度为40~75℃。
具体地,在压裂阶段,启动二氧化碳压裂车5对深部高温煤层8进行压裂,二氧化碳压裂车5生成压力为30MPa的二氧化碳流体,将加热气的温度调整为45℃,30MPa的二氧化碳流体通过加热器6加热至超临界状态,然后将其注入压裂管3中对深部高温煤层8进行压裂。
压裂后保压阶段,将二氧化碳压裂车5的生成压力调整为10MPa,加热器6的加热温度依旧为45℃,持续向目标煤层8注入超临界二氧化碳对目标煤层8进行保压,保压时间为2~3天,使超临界二氧化碳在目标煤层8中充分渗透和扩散,对煤层8大范围全面均衡改造。
在一些实施例中,母孔1的直径D为69~160mm,分支孔2的直径d为30~90mm。
具体地,通过钻机从地面向目标煤层8机械钻进长井眼作为母孔1,该母孔1直径选择为89mm,然后利用高压水射流技术在母孔1孔距离底板1.5m处转弯90°冲击、破碎母孔1煤壁,逐渐径向钻进形成本层中的一个分支孔2,分支孔2的直径为82mm,分支孔2钻进长度为15m,在同一层位的煤层8沿母孔1径向重复钻进形成其余5个分支孔2,从而形成第一层位分支孔。
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8的厚度决定。
若目标煤层8的厚度H小于等于3m,则分支孔2的层数n为1;
可以理解的是,煤层8越厚便需要设置多层位的分支孔2,以此来保证注入的超临界二氧化碳压裂的均衡性。
可以理解的是,同一层位内分支孔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,在钻设分支孔2前,通过公式计算出分支孔2的数量和角度,使得深部煤层增渗方法更具有严谨性,从而提高煤层8增渗的可行性。
具体地,关系式中的母孔1直径D为89mm,分支孔2直径d为82mm,因此,确定同一层位分支孔2数量N为6,同一层位相邻分支孔2之间的夹角β为60°。
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,一是降低相邻两层位分支孔2之间煤层8的坍塌风险,二是使得超临界二氧化碳在不同深度的煤层8中均衡渗透,使储层中产生诸多微裂缝,可最大限度地沟通天然裂缝,从而降低煤层8起裂压力。
具体地,每一层位中的分支孔2为六个,根据上述公式和关系,可得知,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安设在压裂管3的下端,定压泄压阀44的临界压力为8MPa,确保通过压裂管3注入到煤层8内的超临界二氧化碳的压力值高于8MPa,从而达到更好的渗透效果。
进一步地,超临界二氧化碳注入煤层8后,不仅对煤层8实施压裂与保压渗透改造,同时通过缝网渗流进入煤体孔隙、裂隙以及割理中,占据煤基质表面吸附位,高效置换驱替煤体原有瓦斯(煤层气),从而构成超临界二氧化碳渗透改造区域82。
通过在母孔1周围设置多个抽采孔,多个抽采孔环绕母孔1的轴向均匀布置,抽采孔与母孔1的中心轴线平行,抽采孔与母孔1之间的距离超过分支孔2长度的1~2m,相邻抽采孔之间的孔间距为2~3m,利用抽采孔对超临界二氧化碳渗透改造区域82的煤层气进行抽采。
下面对深部煤层增渗方法进行具体地描述:
假设目标煤层8厚度为4.5m,分支孔2直径为82mm,分支孔2长度15m,具体操作步骤包括如下:
步骤1,采用钻机从地面向目标煤层8机械钻进长井眼作为母孔1,该母孔1直径选择为89mm。
步骤4,施工钻进分支孔2,根据步骤2的分支孔2布置参数,利用高压水射流技术在母孔1距离底板1.5m处转弯90°冲击、破碎母孔1煤壁,逐渐径向钻进形成分支孔2,构造第一层分支孔网,分支孔2数量为6,分支孔2间夹角为60°,分支孔2钻进长度为15m。在树干孔距离底板3m处构造第二层分支孔网,分支孔2数量为6,分支孔2间夹角为60°,分支孔2钻进长度为15m。
步骤5,多个分支孔2布置成型后,对母孔1进行封孔,封孔至煤层8底板,封孔的同时布置压裂管3,将末端设有定压泄压阀4的压裂管3沿着母孔1送至深部煤层8的中段。
步骤6,待母孔1的封孔段16养护时间72h后,将二氧化碳压裂车5、加热器6与压裂孔依次连接,启动二氧化碳压裂车5对深部高温煤层8进行压裂,二氧化碳压裂车5注入压力为30MPa,加热器6加热温度为45℃。
步骤7,压裂后保压阶段,二氧化碳压裂车5注入压力设置为10MPa,加热温度为45℃,对煤层8持续注入超临界二氧化碳,保压时间为2天。
步骤8,在以步骤1中所述的母孔1为中心,半径为16m的圆环布置抽采孔,相邻抽采孔之间的孔间距为3m。
本发明实施例的深部煤层增渗方法通过两个方面大幅度降低深部煤层8起裂压力,一方面均匀布置的分支孔2卸压煤层8后,裂缝在分支空间煤层8内的起裂压力因此降低;另一方面,超临界二氧化碳的密度接近于液体,粘度接近于气体,而且扩散系数较高、表面张力接近于零,具有很强的渗透能力,可使储层产生诸多微裂缝,可最大限度地沟通天然裂缝,从而降低煤层8起裂压力。
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 (10)
1.一种深部煤层增渗方法,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;
在所述母孔内安装压裂管,将所述压裂管的一端送入所述目标煤层处,且所述压裂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;
通过所述压裂管向所述目标煤层内注入超临界二氧化碳,对所述目标煤层进行压裂;
减小所述超临界二氧化碳的注入压力后,持续向所述目标煤层注入所述超临界二氧化碳对所述目标煤层进行保压,保压时间为2~3天,使所述超临界二氧化碳在所述目标煤层中充分渗透和扩散。
2.根据权利要求1所述的深部煤层增渗方法,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,所述压裂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所述的深部煤层增渗方法,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所述的深部煤层增渗方法,其特征在于,所述超临界二氧化碳的制备方法包括:
提供一二氧化碳柱塞泵或二氧化碳压裂车;
提供一加热器,所述二氧化碳柱塞泵或所述二氧化碳压裂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所述的深部煤层增渗方法,其特征在于,
在压裂阶段,所述超临界二氧化碳的注入压力为20~40Mpa,温度为40~75℃;
在保压阶段,所述超临界二氧化碳的注入压力为10~20Mpa,温度为40~75℃。
6.根据权利要求1所述的深部煤层增渗方法,其特征在于,所述母孔的直径D为69~160mm,所述分支孔的直径d为30~90mm。
9.根据权利要求8所述的深部煤层增渗方法,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。
10.根据权利要求1所述的深部煤层增渗方法,其特征在于,所述定压泄压阀的临界压力为8MPa。
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