CN115012894A - 一种超声波改造老井强化煤层气开采方法 - Google Patents

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Abstract

一种超声波改造老井强化煤层气开采方法，在老井的煤层厚度中间位置设置超声波发生装置持续刺激煤层，且将老井作为压裂井并进行水力压裂增透，利用超声波的多重效应促进压裂液与煤层的反应，以对老井进行改造。或者在相邻老井之间开拓新井，新井向下延伸至煤层厚度的中间位置，再从煤层厚度中间位置的标高处进行水平井的开拓；超声波发生装置沿水平井均匀布置对煤层进行持续刺激，且对老井、新井及水平井进行水力压裂增透。本发明采用超声波发生装置能够实现对矿井的持续增透，有效增强煤层气的抽采，通过利用压裂液具有的侵蚀性，可与煤产生化学反应，使得煤层溶蚀孔隙数量增多，孔隙度和渗透率增大，有效促进煤层气解析，提高煤层气开采效率。

Description

一种超声波改造老井强化煤层气开采方法
技术领域
本发明属于煤炭开采及煤层气开发技术领域，具体涉及一种超声波改造老井强化煤层气开采方法。
背景技术
我国埋深2000m以浅煤层气储量约为36.8万亿立方米，居世界第三位。2020年，我国煤层气开采量为102.3亿立方米，极具增长潜力。煤层气开采分为井下开采和地面开采。井下开采煤层气一般是为了降低煤层瓦斯含量，消除煤层突出危险性，确保煤炭的安全开采。且井下开采煤层气受矿井数量及煤层特性的限制，产量难以有大幅度的增长。同时，随着煤炭行业的发展和国家“双碳”政策的战略目标下，大量煤层气储量丰富的小矿井逐渐关闭，地面煤层气开采所占比重势必会大幅上升。
当前地面煤层气开采技术需要首先对储层进行水力压裂增透，之后才能进行煤层气的开采。在开采初期，煤层气压力较高，解析速率较快，裂隙通道完整，生产状况较好。但受水力裂缝闭合、煤层气饱和压力降低等因素的影响，煤层气解析及扩散速率会逐渐降低，导致煤层气生产井在中后期的生产效率会大打折扣，难以满足开采需求。在此状况下，大量煤层气开采井进行了二次压裂，但收效甚微，或者有些煤层气井就此关闭，导致了大量煤层气资源闲置及浪费。因此，如何对现有煤层气开采老井进行改造以提高煤层气开采产量就显得格为重要。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种超声波改造老井强化煤层气开采方法，旨在解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明提出一种超声波改造老井强化煤层气开采方法，在老井的煤层厚度中间位置设置超声波发生装置持续刺激煤层，且将老井作为压裂井并进行水力压裂增透，利用超声波的多重效应促进压裂液与煤层的反应，以对老井进行改造。
可选的，一种超声波改造老井强化煤层气开采方法，在相邻老井之间开拓新井，新井向下延伸至煤层厚度的中间位置，再从煤层厚度中间位置的标高处进行水平井的开拓；超声波发生装置沿水平井均匀布置对煤层进行持续刺激，且对老井、新井及水平井进行水力压裂增透。
优选的，进行水力压裂增透所采用的压裂液为VES清洁压裂液。
优选的，进行水力压裂增透所采用的压裂液为CO2泡沫压裂液。
优选的，改造前老井进行通井、洗井、刮削、试压、射孔操作。
优选的，水力压裂增透结束后，对老井进行压裂液返排，之后进行煤层气开采；在水力压裂增透、压裂液返排、以及煤层气开采期间持续开启超声波发生装置。
优选的，在进行水力压裂增透时进行保压，且保压时长不低于24小时。
优选的，进行水力压裂增透采用的装置包括储液箱、高压泵、以及压裂管道；压裂液存储在储液箱内；高压泵与储液箱连接；压裂管道的进液端连接至高压泵，出液端伸入至老井和/或新井中，并在井口位置处设置封孔装置。
优选的，在老井中设置有煤层气监测管道，且煤层气监测管道从封孔装置中伸出井口外。
优选的，在所述压裂管道上设置有单向阀以及压力表。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果如下：
(1)本发明所提供的超声波改造老井强化煤层气开采方法不仅适用于初次开采效果较差的老井，也适用于在老井的基础上重新开拓新井实施超声波协同水力压裂增透技术。采用超声波发生装置能够实现对矿井的持续增透，可对煤层形成超声波强化裂缝，有效增强煤层气的抽采，通过利用压裂液具有的侵蚀性，可与煤产生化学反应，使得煤层溶蚀孔隙数量增多，孔隙度和渗透率增大，有效促进煤层气解析，提高煤层气开采效率。
(2)本发明中，实施超声波协同水力压裂增透，直井选择分层压裂技术，水平井选择分段压裂技术，直井分层压裂技术和水平井分段压裂技术可在较短时间内完成对煤层的压裂，并最大限度地减少对煤层的伤害，更有效地促进煤层气的解析，从而提高煤层气开采的产量，达到老井改造的目的。
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示出的结构获得其他的附图。
图1为实施例一中超声波改造老井强化煤层气开采剖面示意图；
图2为实施例二中开拓新井及水平井的结构示意图；
图3为实施例二中超声波发生装置设置在水平井中并刺激煤层产生超声波强化裂缝的结构示意图；
图4为实施例二中超声波改造老井强化煤层气开采剖面示意图。
附图标号说明：
1、储液箱；2、高压泵；3、压裂管道；4、煤层气监测管道；5、钻杆；6、老井；8、钻头；9、超声波控制管路；10、控制装置；11、超声波发生装置；13、煤层；15、封孔装置；16、水力裂缝；17、超声波强化裂缝；18、井架；19、单向阀；20、压力表；21、新井；21-1、水平井。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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的一部分实施例，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作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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
实施例一：
结合图1所示，一种超声波改造老井强化煤层气开采方法，在老井6的煤层13厚度中间位置设置超声波发生装置11持续刺激煤层13，且将老井6作为压裂井并进行水力压裂增透，利用超声波的多重效应促进压裂液与煤层13的反应，以对老井6进行改造。具体包括以下步骤：
步骤S101：分析所需改造的煤层气老井6所处地的地质资料：若该老井6所处地层地质条件为中等，在老井6范围内无断层、裂隙带等特殊地质构造；且老井6的煤质坚硬，埋深中等，可采煤层13的煤质变化不大，从稳定程度来说属于稳定煤层，按照《煤层气井压裂作业导则》选择直井分层压裂技术。
步骤S102：在改造前，按照《煤层气井排采工程设计规范》对老井6进行通井、洗井、刮削、试压，以确保接下来的煤层气排采作业能够顺利进行。
步骤S103：选择一个地势平坦的区域布置水力压裂增透装置，该装置包括储液箱1、高压泵2、以及压裂管道3；压裂液存储在储液箱1内；高压泵2与储液箱1连接；压裂管道3的进液端连接至高压泵2，出液端伸入至老井6中(图中只示出其中一老井插入压裂管道3，并未全部示出)，并在井口位置处设置封孔装置15，同时在老井6中设置有煤层气监测管道4，且煤层气监测管道4从封孔装置15中伸出井口外。在所述压裂管道3上设置有单向阀19以及压力表20。并在老井6中设置超声波发生装置11，且超声波发生装置11位于煤层13厚度中间位置；在地面设置控制装置10并与超声波发生装置11控制连接，控制线设置在超声波控制管路9内。封孔装置15用于进行封孔处理，确保压裂作业时能够保证煤层13中的压力，进而扩展裂缝。
步骤S104：开启高压泵2向老井6中持续注入压裂液，同时开启超声波发生装置11对煤层13进行持续刺激，使得煤层13产生水力裂缝16，并观察压力表20。当观察到压力表20的数据在迅速增加后趋于一个稳定的压力值时，进行保压工作，保压时长不低于24小时。
步骤S105：水力压裂增透完成后，对煤层气老井6进行压裂液返排，之后进行煤层气开采，通过煤层气监测管道4可以监测煤层气的流速和浓度，当煤层气的流速和浓度发生明显下降时，则重复步骤S104，直到煤层气的流速和浓度趋于另一个稳定数值。
在本实施例一中，进行水力压裂增透所采用的压裂液为可与煤层产生化学反应的压裂液，本实施例中选用VES清洁压裂液，该压裂液其中含有聚天冬氨酸、聚环氧琥珀酸等对煤层具有侵蚀性的化学成分，可与煤产生化学反应改善煤层孔隙结构。
在本实施例一中，为了对煤层有更好的压裂效果，采用单向阀19持续注入压裂液继续增大压裂压力，以使得VES清洁压裂液与煤层13达到一个最佳的反应效果。
在本实施例一中，在水力压裂增透、压裂液返排、以及煤层气开采期间持续开启超声波发生装置11。在进行水力压裂增透开启超声波发生装置11可以促进煤层13中形成水力裂缝16；在压裂液返排时开启超声波发生装置11可以促进压裂液从所形成的水力裂缝16中排出；在煤层气开采时开启超声波发生装置11可以促进煤层气的排出。
在开采过程中对煤层气开采管道的流量和浓度进行实时监测，可判断煤层中剩余的煤层气储量、生产状态等，进而动态调整超声波发生装置的各种参数及生产状态，以达到更好的开采效果。
实施例二：
结合图2至图4所示，一种超声波改造老井强化煤层气开采方法，在相邻老井6之间开拓新井21，新井21向下延伸至煤层13厚度的中间位置，再从煤层13厚度中间位置的标高处进行水平井21-1的开拓；超声波发生装置11沿水平井21-1均匀布置对煤层13进行持续刺激，且对老井6、新井21及水平井21-1进行水力压裂增透。具体包括以下步骤：
步骤S201：分析所需改造的煤层气老井6所处地的地质资料，若该老井6所处地层地质条件为中等，在老井6范围内无断层、裂隙带等特殊地质构造；且老井6的煤质坚硬，埋深中等，可采煤层13的煤质变化不大，从稳定程度来说属于稳定煤层，按照《煤层气井压裂作业导则》选择水平井分段压裂技术。
步骤S202：在改造前，按照《煤层气井排采工程设计规范》对老井6进行通井、洗井、刮削、试压，以确保接下来的煤层气排采作业能够顺利进行。
步骤S203：在相邻老井6之间开拓新井21，新井21向下延伸至煤层13厚度的中间位置，再从煤层13厚度中间位置的标高处进行水平井21-1的开拓。
步骤S204：选择一个地势平坦的区域布置水力压裂增透装置，该装置包括储液箱1、高压泵2、以及压裂管道3；压裂液存储在储液箱1内；高压泵2与储液箱1连接；压裂管道3的进液端连接至高压泵2，出液端伸入至老井6和新井21(图中只示出其中部分老井插入压裂管道3，新井21并未插入压裂管道3)，并在井口位置处设置封孔装置15，同时在老井6中设置有煤层气监测管道4，且煤层气监测管道4从封孔装置15中伸出井口外。在所述压裂管道3上设置有单向阀19以及压力表20。并在水平井21-1中间隔均布多个超声波发生装置11用于对煤层13进行刺激，以形成超声波强化裂缝17；在地面设置控制装置10并与超声波发生装置11控制连接，控制线设置在超声波控制管路9内。封孔装置15用于进行封孔处理，确保压裂作业时能够保证煤层13中的压力，进而扩展裂缝。
步骤S205：开启高压泵2向老井6和新井21中持续注入压裂液，同时开启超声波发生装置11对煤层13进行持续刺激，使得煤层13产生超声波强化裂缝17，并观察压力表20。当观察到压力表20的数据在迅速增加后趋于一个稳定的压力值时，进行保压工作，保压时长不低于24小时。
步骤S206：水力压裂增透完成后，对煤层气老井6和新井21进行压裂液返排，之后进行煤层气开采，通过煤层气监测管道4可以监测煤层气的流速和浓度，当煤层气的流速和浓度发生明显下降时，则重复步骤S205，直到煤层气的流速和浓度趋于另一个稳定数值。
在步骤S203中，开拓新井21及水平井21-1时，在相邻老井6之间架设井架18，利用钻杆5及钻头8进行新井21及水平井21-1的开拓。
在本实施例二中，步骤S204中，相邻超声波发生装置11的间隔与分段压裂的间距相同，且超声波发生装置11布置在每段压裂区的中间，根据现有的超声波发生装置11现状，设定间隔100米布置一个超声波发生装置11。
在本实施例二中，进行水力压裂增透所采用的压裂液为具有高造缝能力及侵蚀性的压裂液，本实施例中选用CO2泡沫压裂液，低伤害性是CO2泡沫压裂液最大的特点，并且它也能与煤产生化学反应，对煤层具有侵蚀作用，从而更好地改善煤层孔隙结构。
在本实施例二中，为了对煤层有更好的压裂效果，采用单向阀19持续注入压裂液继续增大压裂压力，以使CO2泡沫压裂液与煤层达到一个最佳的反应效果。
在本实施例二中，在水力压裂增透、压裂液返排、以及煤层气开采期间持续开启超声波发生装置11。在进行水力压裂增透开启超声波发生装置11可以促进煤层13中形成水力裂缝16；在压裂液返排时开启超声波发生装置11可以促进压裂液从所形成的水力裂缝16中排出；在煤层气开采时开启超声波发生装置11可以促进煤层气的排出。
在开采过程中对煤层气开采管道的流量和浓度进行实时监测，可判断煤层中剩余的煤层气储量、生产状态等，进而动态调整超声波发生装置的各种参数及生产状态，以达到更好的开采效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种超声波改造老井强化煤层气开采方法，其特征在于：在老井(6)的煤层(13)厚度中间位置设置超声波发生装置(11)持续刺激煤层(13)，且将老井(6)作为压裂井并进行水力压裂增透，利用超声波的多重效应促进压裂液与煤层(13)的反应，以对老井(6)进行改造。
2.一种超声波改造老井强化煤层气开采方法，其特征在于：在相邻老井(6)之间开拓新井(21)，新井(21)向下延伸至煤层(13)厚度的中间位置，再从煤层(13)厚度中间位置的标高处进行水平井(21-1)的开拓；超声波发生装置(11)沿水平井(21-1)均匀布置对煤层(13)进行持续刺激，且对老井(6)、新井(21)及水平井(21-1)进行水力压裂增透。
3.如权利要求1所述的一种超声波改造老井强化煤层气开采方法，其特征在于：进行水力压裂增透所采用的压裂液为VES清洁压裂液。
4.如权利要求2所述的一种超声波改造老井强化煤层气开采方法，其特征在于：进行水力压裂增透所采用的压裂液为CO2泡沫压裂液。
5.如权利要求1或2所述的一种超声波改造老井强化煤层气开采方法，其特征在于，改造前老井(6)进行通井、洗井、刮削、试压操作。
6.如权利要求1或2所述的一种超声波改造老井强化煤层气开采方法，其特征在于，水力压裂增透结束后，对老井(6)进行压裂液返排，之后进行煤层气开采；在水力压裂增透、压裂液返排、以及煤层气开采期间持续开启超声波发生装置(11)。
7.如权利要求1或2所述的一种超声波改造老井强化煤层气开采方法，其特征在于，在进行水力压裂增透时进行保压，且保压时长不低于24小时。
8.如权利要求1或2所述的一种超声波改造老井强化煤层气开采方法，其特征在于，进行水力压裂增透采用的装置包括储液箱(1)、高压泵(2)、以及压裂管道(3)；压裂液存储在储液箱(1)内；高压泵(2)与储液箱(1)连接；压裂管道(3)的进液端连接至高压泵(2)，出液端伸入至老井(6)和/或新井(21)中，并在井口位置处设置封孔装置(15)。
9.如权利要求8所述的一种超声波改造老井强化煤层气开采方法，其特征在于，在老井(6)中设置有煤层气监测管道(4)，且煤层气监测管道(4)从封孔装置(15)中伸出井口外。
10.如权利要求8所述的一种超声波改造老井强化煤层气开采方法，其特征在于，在所述压裂管道(3)上设置有单向阀(19)以及压力表(20)。
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