CN114856518B

CN114856518B - 一种利用中低焓干岩地热增产煤层气的方法

Info

Publication number: CN114856518B
Application number: CN202210497250.5A
Authority: CN
Inventors: 黄凤军; 梁正召; 李宏; 吉坤; 陶冶
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2022-05-09
Filing date: 2022-05-09
Publication date: 2023-02-03
Anticipated expiration: 2042-05-09
Also published as: CN114856518A

Abstract

本发明属于煤层气开采技术领域，提出了一种利用中低焓干岩地热增产煤层气的方法，步骤1、根据目标煤层气藏所在的区域地质情况，判断目标煤层下部有无可利用的地热资源储层。步骤2、在目标煤层位置区域，施工煤层气抽采的定向羽状水平井系统，并布设冷水注入井、注热井、热水收集井以及采热井；步骤3、利加热后的注入流体加热游离煤层气，将加热后的煤层气注入煤层，达到加热增产煤层气的效果。本发明集定向羽状水平井增产技术与注热增产技术于一体，利用地热资源作为热能供给源，用排采的地下水作为换热介质，用加热后的煤层气作为注热热源，不仅节约了资源，还避免了传统注热增产的弊端，实现了更加有效的增产，可大幅度提高煤层气的产量。

Description

一种利用中低焓干岩地热增产煤层气的方法

技术领域

本发明涉及煤层气开采技术领域，具体涉及一种利用中低焓干岩地热增产煤层气的方法。

背景技术

煤层气，俗称瓦斯，是一种自生自储于煤层中的非常规天然气，以吸附态（约90%）、游离态（不足10%）和溶解态储存于煤层当中。因此，要开采煤层气就必须让吸附态的煤层气从煤层气解吸出来，变为游离态。我国煤层气资源相当丰富，居世界第3位，据有关文献（第4轮全国煤层气资源评价方法及结果），我国埋深2000m以浅的煤层气地质资源量为29.82×10¹²m³，约占世界煤层气总资源量的10%，其中可采资源量为12.51×10¹²m³。但是，由于我国煤层气主要富集在石炭-二叠纪煤层中，主要富气区域煤质为高阶无烟煤，这样的储层往往具有“三低一高”（低饱和度、低渗透性、低储层压力和高变质程度）的特点，若不进行相应的增产技术，煤层气的产量就会很低，开发利用十分困难。因此，如何在煤层气开采过程中实施合理且有效的增产仍是一大难题，煤层气增产技术的突破将给我国乃至世界能源格局产生重大影响。

煤层气的开采分为地面钻井开采和井下抽采，20世纪60年代，美国首次通过地面钻孔实现了煤层气的开采。经过几十年的发展，煤层气的开采技术已经趋于成熟。但是，关于煤层气的增产技术仍有待更新完善。目前，国内外煤层气增产技术主要有：水力压裂改造技术、煤层中多元气体驱替技术、定向羽状水平井技术以及注热增产技术。根据文献（煤层气增产技术）可知，水力压裂改造技术是通过高压驱动水流在煤层中产生、拓宽并伸展煤层中的裂缝，进而在煤层中产生更多的裂隙，增加煤层的透气性。但煤岩质地易碎，压裂过程中极易产生煤粉、煤屑，阻塞煤层中的裂隙，不利于煤层气的产出。煤层中多元气体驱替技术是利用不同气体在煤层中吸附能力不同，进而产生竞争吸附的效果，增加煤层气的解吸量。此法的缺点在于气源难以寻找。定向羽状水平井技术是在常规水平井和分支井的基础上发展起来的，是指在一个主支水平井眼的两侧在按照一定的角度和间距，钻出多个分支井眼作为泄气通道。其原理是利用分支井眼最大程度沟通煤层中的裂隙，增加泄气面积，从而增大煤层渗透率。但这种方法在较厚且结构完整的煤层中才能发挥最大优势。

注热增产技术源于石油开采中的热采稠油技术，目前尚不成熟。其原理是，通过相应技术使煤层温度升高，使得煤层气解吸量大大提高；其次，也有研究表明，煤层的渗透率会随温度的升高而增大。国内外大量学者认为，注热增产有望成为未来增产煤层气的主要技术手段。根据书籍《煤层气热裂开采的多物理场耦合理论及数值模拟》可知，目前注热增产技术主要分两种，一种是由注热井从地面向煤层中直接注入过热水或过热蒸汽，通过这种方式加热煤层，达到增产效果。但是，直接将水或蒸汽注入煤层中，当换热结束后，冷凝的水存在于煤层孔隙及裂隙中，阻塞煤层气的渗流通道，不利于煤层气的产出，即所谓的“水锁”现象。其次，通过地面加热获得过热水或过热蒸汽，也会消耗大量资源。另一种注热增产方法是电阻加热法，即在煤层中布设电阻加热丝达到加热煤层的效果。但这种方法往往操作困难，且加热范围有限，同时也会消耗大量地面资源。所以，如何在避免上述问题的基础上实现注热增产还有待进一步研究。

近年来，地热资源由于其绿色和可持续性，受到越来越多的关注，国内外学者围绕其做了大量的研究。地热资源的温度各不相同，主要可分为三个级别，高焓、中焓和低焓地热。而按其储存形式，又可分为蒸汽型、热水型、地压型、热岩型和熔岩型等。而目前，除了对浅层热水型地热的开发利用外，热岩型地热的开发则更受关注。所谓热岩型地热是指存储于岩体中的热量，如干热岩（90-650℃）。对于热岩型地热资源，传统的开发方式是通过注入井向地热层中注入冷的流体，经过流体与热岩换热得到高温流体，进而通过生产井将高温流体开采至地表，利用完热量后再将流体回灌至地下循环使用。我国中低焓地热资源极为丰富，但是目前对于中低焓地热资源的利用主要是用来供暖、小型发电、洗浴医疗等，尚无将其利用于增产煤层气的相关报道和文献。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种利用中低焓干岩地热增产煤层气的方法，用所得的高温流体加热井内煤层气，进而将高温煤层气注入煤层，实现煤层气开采技术实施过程中利用中低焓干岩地热增产煤层气的方法。

本发明提出了一种利用中低焓干岩地热增产煤层气的方法，包括以下步骤：

步骤1、根据目标煤层气所在的区域地质情况，对目标煤层下方进行地热资源勘探，判断目标煤层下部有无可利用的地热资源储层，并判断其地热资源储量情况；

步骤2、发现可利用地热资源后，在目标煤层区域及内部，布设煤层气抽采的定向羽状水平井系统；

定向羽状水平井系统包括抽采竖井2、主水平井3和若干分支水平井4，分支水平井4于主水平井3上呈羽状分布，抽采竖井2与主水平井3一端垂直连通；围绕定向羽状水平井系统的基础，布置冷水注入井8、注热井、热水收集井9以及若干采热井10；

采热井10水平铺设于地热资源储层内；冷水注入井8一端与采热井10一端连通，用于注入冷水；冷水注入井8另一端与抽采竖井2底部连通，二者直径相同且连接处安装水泵12；热水收集井9一端与采热井10另一端连通，用于收集经采热井10加热后的水；热水收集井9另一端连通注热井，注热井包括竖向井筒5以及水平向井筒6；竖向井筒5与主水平井3垂直连通，用于向煤层注入高温煤层气，且连通处安装水泵12和抽气泵13，其中抽气泵（13）的进口位于主水平井3内；水平向井筒6布置在目标煤层中，其上设有若干水平分支7；热水收集井9直径与注热井中油管11直径相同；在注热井的油管11与主水平井3的油管11连接处安装水泵12；

步骤3、利用地热资源储层的地热资源加热采热井10注入的冷水，加热后进行加热游离煤层气；加热后的游离煤层气注入煤层，达到加热增产煤层气的效果；本发明中公开的利用中低焓干岩地热增产煤层气的方法，采用地热资源储层的地热资源对注入的冷水进行加热，进而用加热得到的热水加热目标煤层中部分游离的煤层气，将加热后的煤层气抽出并注入目标煤层中，通过加热的气体来提高目标层的温度，促进煤层气的解吸，实现煤层气的增产。其中地热资源的热量通过注入流体传导给游离的煤层气，然后通过游离的煤层气传导给煤层，煤层温度升高后促进煤层气的解吸，从而达到增产煤层气的效果；

步骤3.1、由冷水注入井8向所述地热资源储层中的采热井10中注入冷水，冷水在采热井10中流动时，被周围的岩石加热，得到热水；

步骤3.2、热水通过热水收集井9进入注热井中的油管11，而后将高温流体举升输送至主水平井3的油管11中；

步骤3.3、高温注入流体在主水平井3的油管11中流动，将热量传导给主水平井3环空中游离的煤层气，使其温度上升；

步骤3.4、加热后的煤层气由竖向井筒5环空抽出，输送至水平向井筒（6及井水平分支7，注入煤层，实现注热增产煤层气；

步骤3.5、将步骤3.3中换热后的水，在主水平井3和抽采竖井2连通处经油管及冷水注入井8回灌至地热资源储层循环使用。

步骤4、监测地热资源储层产出流体的流量及温度、第一次加热后游离煤层气的温度、地热层压力，计算整体的操作成本，当操作成本等于或大于增产的煤层气的价值时，停止开采。

所述步骤1中，所述地热资源储层的温度在100℃以上。

所述冷水注入井8、注热井、热水收集井9的设置数量均至少一个。

所述水平分支7与水平向井筒6的夹角呈45度。

所述由冷水注入井8向所述地热资源储层中的采热井10中注入的冷水为煤层气排采过程中排出的水；向煤层注入的高温气体为经热水加热后的煤层气。

所述的冷水注入井8是在定向羽状水平井系统中的抽采竖井2下接替钻井形成，井筒与地热资源储层联通；所述热水收集井9是在所述注热井竖向井筒5下接替钻井形成，井筒与地热资源储层联通；

本发明的有益效果：该方法将煤层气排采过程中的水经冷水注入井注入地热层，用其作为地热开采的换热工质，建立注采集井组开发地热能；再利用高温水在油管中流动，加热水平井筒中游离的煤层气，进而将加热后的煤层气注入煤层，实现注热增产煤层气的目的。

本方法变废为宝，将煤层气排采过程中的地下水用于采热增产，大量节约了水资源；该方法将地热能作为热能供给源，减少了地面能源消耗；其次，该方法将热的煤层气注入煤层达到加热效果，不会产生注热水或热的水蒸气时的“水锁”现象；该方法将定向羽状水平井增产技术与注热增产技术结合，达到了双重增产的效果，为低成本高效率增产煤层气提供了重要技术参考。

附图说明

图1是本发明利用中低焓干岩地热增产煤层气的方法的整体示意图。

图2是本发明利用中低焓干岩地热增产煤层气的方法的剖面示意图。

图中，1-洞穴；2-抽采竖井；3-主水平井；4-分支水平井；5-竖向井筒；6-水平向井筒；7-水平分支；8-冷水注入井；9-热水收集井；10-采热井；11-油管；12-水泵；13-抽气泵；14-封堵装置。

图2中，实线箭头表示增产过程中水的流向，虚线箭头表示增产过程中煤层气的流向。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

步骤1、根据目标煤层气所在的区域地质情况，对目标煤层下方进行地热资源勘探，判断目标煤层下部有无可利用的地热资源储层，并判断其地热资源储量情况，且选择的地热层温度应在100℃以上。

步骤2、发现可用地热资源后，在目标煤层区域及内部，首先施工煤层气抽采的定向羽状水平井系统，然后围绕定向羽状水平井系统，基础布置至少一口冷水注入井8、至少一口注热井、至少一口热水收集井9以及若干采热井10。冷水注入井8用于向采热井10中注入冷水；热水收集井9用于收集经采热井10加热后的水；注热井用于向煤层注入高温煤层气；采热井10用于采集热量。

其中定向羽状水平井系统包括主水平井3、分支水平井4以及抽采竖井2。抽采竖井2与水平井间通过洞穴1沟通，抽采竖井2与主水平井3中布有油管11，作为水的流动通道，并在抽采竖井2的油管11末端布置水泵12，主水平井3的油管左端与抽采竖井2油管联通，右端与注热井内的油管11通过水泵12联通。

布置完定向羽状水平井系统后，根据主水平井3长度，由地面钻井，布置注热井，注热井钻井方式与定向羽状水平井钻井方式相同。注热井分为竖向井筒5和水平向井筒6及水平分支7，其中竖向井筒5直达煤层底部，并在其中布置油管；水平向井筒6及水平分支7布置在煤层内，裸眼完井。竖向井筒5和水平向井筒6，竖向井筒5直径与抽采竖井2直径相同，竖向井筒5内油管与水平向井筒6内油管右端通过水泵12联通。

布置完注热井后，在抽采竖井2下接替钻井，布置所述冷水注入井8；同时从注热井竖向井筒5下接替钻井，布置所述热水收集井9。其中，冷水注入井8直径与抽采竖井2中油管直径相同，井口与水泵出口端联通，冷水注入井8井筒与地热资源储层联通。所述热水收集井9直径与注热井内的油管直径相同，井筒与地热资源储层联通。当所述冷水注入井8与热水收集井9均钻至地热资源储层且处于同一深度时，开始对向水平钻井，钻至二者成功对接，即完成所述采热井的布置。

进一步的，在主水平井3井筒与注热井的井筒联通部位布置抽气泵，抽气泵13进口位于主水平井3环空，出口位于注热井环空。

进一步的，为了防止注热井钻井过程中地下水涌入，可用水泥等对注热井进行固井操作。水平分支7与水平向井筒6夹角约45°左右。在注热井井筒内与主水平井3联通部位的稍上方、注热井水平向井筒6的稍下方布置封堵装置14。

进一步的，采热井10位于地热资源储层内，同水平布置多条，且可根据所需布置为多水平层。

步骤3、利用所述地热资源储层的地热资源加热注入的冷水，然后利用此热水加热游离煤层气。将加热后的煤层气注入煤层，达到加热增产煤层气的效果。

利用中低焓干岩地热加热增产煤层气的整个过程，首先是在抽采竖井2中排水降压，将所排出的地下水通过高压水泵注入冷水注入井8中，此时主水平井3便会解吸出一定量的煤层气；冷水注入井8中的水在压力驱动下流入采热井10，注入水的温度低于地热资源储层温度，其在采热井10中流动带走了周围岩石的热量，被加热变成热水；在注热井内水泵的压力作用下，这些热水通过热水收集通道流入注热井油管，通过注热井中的油管举升至与主水平井3油管联通部位，而后通过水泵12注入至主水平井3油管，使得热水在水平井油管中流动。接着是加热气体的过程，由于前期排水会在水平井内产生大量游离煤层气，煤层气在抽气泵的作用下在水平井环空内运移，由于温差作用，热水携带的热量便会传导给水平井环空内的煤层气，使其变为高温煤层气。然后便是注热过程，将高温煤层气用抽气泵13抽出至注热井环空，在此过程中，由于注热井中油管内的热水，会对气体进行持续加热；将抽出的高温煤层气由下注入注热井水平向井筒6，进入煤层。由于气体分子受热，运移速度加快，高温煤层气在煤层中运移，将携带的热量传递给煤层，煤层受热温度升高，加速煤层气解吸，进而达到增产效果。注热结束，便可通过抽采竖井2环空进行抽采，抽采的同时，煤层温度在逐渐升高，煤层气的产量也将逐渐增大。

进一步的，换热后冷却的水经过主水平井3油管与抽采竖井2联通的部分，由抽采竖井2油管经水泵至冷水注入井8回灌至地热资源储层中的采热井进行换热。

进一步的，此系统可根据煤层厚度设置多水平，根据范围多方位布置。在此范围内的煤层气开采完后，可将换热后的水由注热井油管采出，采出的热在地面可作他用。

为进一步控制生产成本，可设置步骤4、监测所述地热层产出流体的流量及温度、第一次加热后游离煤层气的温度、地热层压力、煤层气产量，计算整体的操作成本，当所述操作成本等于或大于增产的煤层气的价值时，停止开采。

进一步的，该方法将煤层气排采过程中的水经所述冷水注入井8注入所述地热资源储层，用其作为地热开采的换热工质，建立注采集井组开发地热能；再利用热水在油管中流动，加热水平井筒中游离的煤层气，进而将加热后的煤层气注入煤层，实现注热增产煤层气的目的。该方法变废为宝，将煤层气排采过程中的地下水用于采热增产，大量节约了水资源；该方法将地热能作为热能供给源，大大节约了地面能源；其次，该方法将热的煤层气注入煤层达到加热效果，不会产生注热水或热的水蒸气时的“水锁”现象，增产效果更加显著；该方法将定向羽状水平井增产技术与注热增产技术结合，达到双重增产的效果，为低成本高效率增产煤层气提供了重要技术参考。

如图1所示，在目标区域煤层中部署定向羽状水平井系统，即采气系统，包括主水平井3、分支水平井4和抽采竖井2；通过洞穴1沟通主水平井3与抽采竖井2，并在井内布设油管11，两井油管联通；以定向羽状水平井系统为基础布置冷水注入井8、注热井、热水收集井9以及采热井10。

本实施例中注热井是根据主水平井3的长度，首先由地面向下钻井得到注热井竖向井筒5，并在井内布设油管11，竖向井筒5井底位于煤层底部。注热井竖向井筒5与主水平井3的井筒联通，两井的油管通过水泵12联通，并在井筒连通处布设抽气泵13，其中，抽气泵13的进口位于主水平井3的环空，出口位于注热井竖向井筒5的环空；在主水平井3的下方煤层中，用与定向羽状水平井相同的钻井方式，布置注热井水平向井筒6以及注热井水平分支7；在注热井竖向井筒5与主水平井3连通处的上方及注热井水平向井筒6的下方布设封堵装置14。

本实施例中冷水注入井8是由抽采竖井2向下接替钻井得到，其直径与竖井中油管11的直径相同，并与油管11通过水泵12联通；冷水注入井8与地热资源储层联通。于此同时，在注热井竖向井筒5下接替钻井，形成热水收集井9。当冷水注入井8与热水收集井9钻进深度到达地热资源储层后，且处于同一深度，二者同时开始在地热资源储层中对向水平钻井，布置采热井10，直至二者完成对接。其中，在同一水平层，采热井10可布置多条，可根据所需热量多少选择布置多个水平的采热井。

如图2所示，通过抽采竖井2及水泵12抽排目标煤层中的地下水，并通过水泵12将其注入冷水注入井8，注入的水在压力驱动下通过冷水注入井8流入地热资源储层中的采热井10，在采热井10中流动，带走采热井10中围岩的热量，变为高温水；高温水在水泵12的作用下通过热水收集井9抵达注热井竖向井筒5中的油管11；通过注热井竖向井筒5中的水泵12将高温水从油管11中抽至主水平井3中的油管11。由于抽排目标煤层中的地下水，会在主水平井3及分支水平井4中产生大量游离煤层气，这些煤层气在抽气泵13的作用下在主水平井3的环空中运移，此时由于主水平井3中的油管11中高温水的流动，主水平井3环空中的煤层气便会被加热变为高温气体，当检测到主水平井3中的气体温度达到所需标准时，通过抽气泵13将高温气体抽出，向下注入注热井竖向井筒5的环空，由于压力作用以及封堵装置14的存在，高温气体从注热井水平向井筒6及水平分支7注入目标煤层，达到加热煤层的效果。当注入高温气体达一定量后，停止注热操作，由抽采竖井2开始抽采煤层气，在抽采的过程中，目标煤层的温度在高温气体的作用下逐渐上升，增加了煤层气的产量。换热结束后的流体通过主水平井3中的油管11以及抽采竖井2中的油管11回灌至冷水注入井8循环使用。当采完此区域的煤层气后，可将换热后的水由注热井5中的油管11举升至地面作他用，直到无可利用的地热资源为止。

监测地热资源储层产出流体的流量及温度、第一次加热后游离煤层气的温度、地热层压力、煤层气产量，计算整体的操作成本，当操作成本等于或大于增产的煤层气的价值时，停止开采。

Claims

1.一种利用中低焓干岩地热增产煤层气的方法，其特征在于，包括以下步骤：

定向羽状水平井系统包括抽采竖井（2）、主水平井（3）和若干分支水平井（4），分支水平井（4）于主水平井（3）上呈羽状分布，抽采竖井（2）与主水平井（3）一端垂直连通；围绕定向羽状水平井系统的基础，布置冷水注入井（8）、注热井、热水收集井（9）以及若干采热井（10）；

采热井（10）水平铺设于地热资源储层内；冷水注入井（8）一端与采热井（10）一端连通，用于注入冷水；冷水注入井（8）另一端与抽采竖井（2）底部连通，二者直径相同且连接处安装水泵（12）；热水收集井（9）一端与采热井（10）另一端连通，用于收集经采热井（10）加热后的水；热水收集井（9）另一端连通注热井,注热井包括竖向井筒（5）以及水平向井筒（6）；竖向井筒（5）与主水平井（3）垂直连通，用于向煤层注入高温煤层气，且连通处安装水泵（12）和抽气泵（13），其中抽气泵（13）的进口位于主水平井（3）内；水平向井筒（6）布置在目标煤层中，其上设有若干水平分支（7）；热水收集井（9）直径与注热井中油管（11）直径相同；在注热井的油管（11）与主水平井（3）的油管（11）连接处安装水泵（12）；

步骤3、利用地热资源储层的地热资源加热采热井（10）注入的冷水，加热后进行加热游离煤层气；加热后的游离煤层气注入煤层，达到加热增产煤层气的效果；

2.根据权利要求1所述的利用中低焓干岩地热增产煤层气的方法，其特征在于，步骤1中，所述地热资源储层的温度在100℃以上。

3.根据权利要求1所述的利用中低焓干岩地热增产煤层气的方法，其特征在于，步骤3包括以下步骤：

步骤3.1、由冷水注入井（8）向所述地热资源储层中的采热井（10）中注入冷水，冷水在采热井（10）中流动时，被周围的岩石加热，得到热水；

步骤3.2、热水通过热水收集井（9）进入注热井中的油管（11），而后将高温流体举升输送至主水平井（3）的油管（11）中；

步骤3.3、高温注入流体在主水平井（3）的油管（11）中流动，将热量传导给主水平井（3）环空中游离的煤层气，使其温度上升；

步骤3.4、加热后的煤层气由竖向井筒（5）环空抽出，输送至水平向井筒（6）及水平分支（7），注入煤层，实现注热增产煤层气；

步骤3.5、将步骤3.3中换热后的水，在主水平井（3）和抽采竖井（2）连通处经油管及冷水注入井（8）回灌至地热资源储层循环使用。

4.根据权利要求1或3所述的利用中低焓干岩地热增产煤层气的方法，其特征在于，所述冷水注入井（8）、注热井、热水收集井（9）的设置数量均至少一个。

5.根据权利要求1或3所述的利用中低焓干岩地热增产煤层气的方法，其特征在于，所述水平分支（7）与水平向井筒（6）的夹角呈45度。

6.根据权利要求3所述利用中低焓干岩地热增产煤层气的方法，其特征在于，所述由冷水注入井（8）向所述地热资源储层中的采热井（10）中注入的冷水为煤层气排采过程中排出的水；向煤层注入的高温气体为经热水加热后的煤层气。