CN115492557B - 深部不可采煤层co2封存及煤层气负压抽采装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种深部不可采煤层CO2封存及煤层气负压抽采装置和方法，装置包括水平井、周边井、负压抽采设备、CO2注入设备和井下压力监测设备，负压抽采设备包括顺次连接的地面设备、油管和井下设备；井下压力监测设备包括安装在水平井的造斜段与水平段交界处的常压监测设备及安装在周边井上靠近煤层中部位置的负压监测设备。煤层气井常规排采结束后，利用水平井向深部不可采煤层内注入CO2，促使CH4解吸，再协同利用负压抽采设备营造负压环境促使水平井附近煤层中被置换解吸出的CH4在压力差作用下向周边井运移以排采出常规方法难以采出的煤层气，CH4大量解吸也为CO2在煤中吸附提供更多吸附点位，CO2的封存量大幅提高。
Description
技术领域
本发明属于天然气开发工程技术领域，具体涉及深部煤层气井的负压抽采和CO2地质封存的相关工作，尤其涉及一种深部不可采煤层CO2封存及煤层气负压抽采装置及方法。
背景技术
煤层气是一种富集于煤层的非常规天然气，我国2000m以浅的煤层气地质资源总量可达36.81×1012m3，居世界前列。在传统排采手段下，煤层气自煤基质中产出时需经历排水-降压-解吸-扩散-渗流过程，当煤层的储层压力降至0.7MPa后达到废弃压力，煤层气井关井报废。但是，由于我国在进行煤层气开发时煤层气从煤层中开始解吸的临界解吸压力普遍较低，煤层气井过早废弃会导致有效降压幅度(临界解吸压力-废弃压力)过小，进而出现煤层气采收率低的情况，这会造成煤层气资源的极大浪费。
此外，随着“双碳”目标的提出，降碳、减碳问题备受各行各业重视，CO2地质封存有助于大量抵消无法削减的碳排放，是实现碳中和目标的托底技术保障。在CO2地质封存领域，利用深部不可开采煤层进行CO2的地质封存是非常重要的手段。但对于在深部不可采煤层进行CO2地质封存的研究主要还集中在封存潜力评价、CH4-CO2竞争吸附机理、CO2注入对煤岩物性特征影响、封存效果的影响因素等理论层面，目前还缺乏有效的可在深部煤层气井实现CO2封存的装置及作用方法，更缺乏将深部煤层气井负压抽采及CO2地质封存相结合的完善技术手段，这制约了理论研究成果在开采现场的实际应用。
中国专利CN 104696005 A曾公开一种煤矿老空区协同封存二氧化碳抽采残留煤层气的方法，其指出，在工作面回采过程中，在回采巷道底部铺设管道，并在管道上开设的缝槽上缠绕可注水进行“让压”保护的高压软管，防止采空区内破碎煤岩破坏管道和堵塞气孔。工作面回采结束后，将管道连通至地面，并由地面向采空区上部施工钻井。由地面沿管路向采空区内注入CO2，利用CO2密度大于CH4且采空区底部遗留的破碎煤岩对CO2的吸附性更强的特性，使得原本被吸附的CH4被置换出以进行抽采。该方案虽在原理上可协同实现煤矿老空区二氧化碳封存与残留煤层气开发的目的，但是其主要是用于煤炭开采技术领域，也就是说它的作业深度是有明显的限制性的，其主要作用于浅部煤层，煤层深度在1000m以内，浅部煤层具有压力低、温度低的特性，所以能够完成人工铺管等作业，但是，深部不可采煤层的深度在1200m以上，温度可达到50-200℃，且压强很大，甚至大于30MPa，工人难以在该环境下正常工作甚至生存，所以想要在深部不可采煤层利用人工完成巷道掘进和管道铺排工作几乎是不可能的，且在深部不可采煤层也难以建立回采工作面，掘进难度和成本都是难以想象的，再者，由于深部不可采煤层的压强很大，所以通过注水进行“让压”保护的高压软管在该环境下也难以适用，综合来看，该方案难以运用到深部煤层气抽采领域；另外，在实际情况下，采空区上部岩层对瓦斯的吸附性其实是很弱的，向采空区灌注大量的CO2气体容易在采空区形成紊流，且由于开采深度浅的原因，顶板本身就具有裂隙，多种因素共同作用会令采空区上部岩层崩落，甚至会发生地表沉降的现象，形成自采空区延伸至地表的渗流通道，进而使后期封存的CO2出现逸出的情况，实施稳定性还有待提高；再者，该方案需利用人工在地层下方铺设完整的新注气管路和开采管路，整体实施成本高，经济性较低。
因此，针对深部不可采煤层无法利用井工作业方式封存CO2并回采煤层气的不足，有必要提供一种新的技术和方法，保证该方法既能实现深部不可采煤层煤层气藏的高效抽采，又能将CO2气体稳定有效地封存在深部不可采煤层中，为提高煤层气采收率、增大CO2封存量、助力煤层气产业发展和碳封存目标的实现提供一种新的研究思路。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提出一种深部不可采煤层CO2封存及煤层气负压抽采装置及方法，本申请协同利用负压抽采和CO2注入技术来强化排采煤层气，在提高深部不可采煤层的煤层气采收率的同时，增大CO2地质封存量，打破现有理论研究成果在现场进行实际应用的瓶颈，为煤层气的高效采收和大体量碳排放的有效削减提供可行思路。
本发明的技术方案为：一种深部不可采煤层CO2封存及煤层气负压抽采装置，该装置包括水平井、周边井、负压抽采设备、CO2注入设备和井下压力监测设备，CO2注入设备装配在水平井上，负压抽采设备装配在周边井上；负压抽采设备包括用于产生负压的地面设备、油管和用于二次降压的井下设备，地面设备安装于周边井的井口之上、与井下设备间通过油管连接；井下压力监测设备包括常压监测设备及负压监测设备，常压监测设备安装在水平井的造斜段与水平段的交界处，负压监测设备安装在周边井上靠近煤层中部的位置。
进一步地，水平井为U型井、L型井、J型井或多分支井，周边井为直井、U型井、L型井、J型井、多分支井或定向井。
进一步地，周边井为直井或定向井时，负压监测设备安装在油管外侧与煤层中部位置同一高度处；周边井为U型井、L型井、J型井或多分支井时，负压监测设备安装在周边井的水平段与造斜段的交界处。
进一步地，周边井为直井或定向井时，周边井所在轴线与煤层顶面的交点到水平井的水平段之间的直线距离大于200m且小于300m。
进一步地，周边井为U型井、L型井、J型井或多分支井时，周边井的水平段与水平井的水平段之间的直线距离大于200m且小于300m。
进一步地，地面设备为罗茨风机。
进一步地，井下设备为干式螺杆真空泵。
利用上述装置进行深部不可采煤层CO2封存及煤层气负压抽采的方法如下：
1)在水平井及周边井钻、完井后，均采用低温CO2压裂煤层的方式进行储层改造，低温CO2致裂煤层后与煤基质表面的煤层气竞争吸附，部分煤层气被置换，从煤基质表面解吸，并经孔隙、天然裂隙、压裂裂隙扩散、渗流至水平井或周边井的井筒产出；
2)当井下压力监测设备监测到水平井和周边井的井下压力降至0.7MPa后，拆除煤层气常规排采设备，将CO2注入设备和负压抽采设备装配到位；
3)持续向水平井内注入CO2，煤层中剩余的煤层气被CO2置换，部分CO2溶于水并与煤层中的矿物结合产生沉淀后被固定；
4)负压抽采设备启动，周边井及其邻近煤层的储层压力降低并在一定范围内形成负压环境，水平井及其邻近煤层的储层压力随CO2的注入而增大，水平井及周边井间形成压力差，被置换出的煤层气向周边井扩散和渗流，并从周边井产出，由于煤层渗透率低、不同尺度的孔隙广泛发育，CO2在向周边井渗流的过程中进一步被煤基质吸附固定；
5)周边井产出气中CO2的含量高于30％时，拆卸负压抽采设备，封闭周边井；
6)监测井下压力监测设备的数值，当常压监测设备的数值接近煤层初始储层压力时，关闭CO2注入设备；
7)继续监测储层压力，如果压力值继续降低，则认为CO2仍在被吸附，待储层压力值保持稳定，重新开启CO2注入设备，循环注入CO2，直至水平井的水平段和周边井煤层附近的储层压力均接近煤层初始储层压力，拆卸CO2注入设备，封闭水平井井口。
进一步地，在封闭水平井井口、完成CO2注入过程后，仍需定期监测水平井水平段和周边井煤层中部附近的储层压力。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本申请创新性的将深部不可采煤层煤层气井负压抽采及CO2地质封存相结合，解决了深部不可采煤层中煤层气资源采收率低的问题，且有效实现了CO2在深部煤层中的长期、有效封存，增大了CO2封存量，顺应降碳、减碳的政策要求，为当今大体量碳排放的有效削减提供可行思路；
2、本申请将负压抽采技术运用到深部不可采煤层的煤层气抽采领域，在周边井井下附近煤层形成负压环境，相对于水平井井下附近煤层创造出明显的压力差，促使水平井附近煤层中被CO2置换解吸出的CH4在压力差作用下向周边井运移，使得利用周边井能抽采到常规排采方式难以采出的煤层气，协同利用负压抽采和CO2注入技术可显著提高煤层气采收率，增产效果远好于常规的CO2助采煤层气技术；
3、本申请同时利用负压抽采和CO2注入来强化排采煤层气，负压抽采可使煤基质中的CH4被大量解吸，为CO2在煤中吸附提供更多的吸附点位，大幅提高CO2的封存量；
4、本申请利用井下压力监测设备实时监测水平井和周边井井下压力，当水平井水平段和周边井煤层附近的储层压力均接近煤层初始储层压力后，方封闭水平井井口，完成CO2注入过程，这样处理可提高煤层压力稳定性，进而提高封存的稳定性，确保CO2在深部煤层中能长期、有效封存；
5、本申请是在现有排采设备上进行改进来实现深部煤层气的进一步开采工作的，负压抽采设备和CO2注入设备均设置在现有的开采井上，所以无需单独再另外进行钻井作业以进行设施排布，实施难度低，因而整体投入成本可控，经济性更强。
附图说明
图1为实施例1公开的深部不可采煤层CO2封存及煤层气负压抽采装置的水平切面图；
图2为水平井(以L型井为例)的剖面图；
图3为周边井(以直井为例)的剖面图；
其中，1-水平井，2-周边井，3-负压抽采设备，4-CO2注入设备，5-煤层，6-压裂裂隙，7-常压压力计，8-负压压力计；
11-井口，12-竖直段，13-造斜段，14-水平段；
51-煤基质，52-天然裂隙，53-孔隙；
31-地面设备，32-油管，33-井下设备。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
为了解决深部不可采煤层煤层气采收率低、煤层气井过早废弃导致的资源浪费问题，以及提高CO2的地质封存量和封存稳定性问题，本实施例中提出一种深部不可采煤层CO2封存及煤层气负压抽采装置，重点将深部煤层气井负压抽采及CO2地质封存技术相结合，进而有效解决深度1200m以上的深部不可采煤层的煤层气高效抽采难题，在提高煤层气采收率的同时增大CO2封存量，为CO2的地质封存提供稳定、可靠的方案。
该装置包括水平井1、周边井2、负压抽采设备3、CO2注入设备4和井下压力监测设备，负压抽采设备3装配在周边井2上，CO2注入设备4装配在水平井1上；水平井1包括井口11、竖直段12、造斜段13和水平段14，水平井1的水平段14位于煤层5内部，煤层5包括煤基质51、天然裂隙52和孔隙53，水平井1的水平段14在钻、完井后，开展压裂作业，形成大量压裂裂隙6，增强了煤层5中天然裂隙52的连通性，沟通水平井1与煤基质51。井下压力监测设备包括常压监测设备及负压监测设备，本实施例中采用常压压力计7作为常压监测设备，常压压力计7安装在水平井1的造斜段13与水平段14的交界处，用于实时监测水平段14内的气压；采用负压压力计8作为负压监测设备，负压压力计8安装在周边井2上靠近煤层中部的位置。
水平井1可以为U型井、L型井、J型井或多分支井，周边井2可以为直井、U型井、L型井、J型井、多分支井或定向井。
负压抽采设备3包括地面设备31、油管32和井下设备33，地面设备31安装于周边井2的井口之上、与井下设备33间通过油管32连接，油管32除起到器件连接的作用外、主要还用于向井下设备33传递地面设备31产生的负压，由于油管32内壁较光滑，摩阻较低，可降低负压传递过程中的负压损耗。
地面设备31主要用于产生负压进而开启抽采工作，井下设备33主要用于对油管32传递的负压进行二次降压，使井下设备33外侧煤层附近的储层压力降至0MPa左右，所以现有技术中能够达到相应目的的器件在此均可适用，作为优选，本实施例中地面设备31选择罗茨风机，井下设备33选择干式螺杆真空泵。
如果周边井2为直井或定向井，负压压力计8安装在油管32外侧与煤层中部位置同一高度处；如果周边井2为U型井、L型井、J型井或多分支井，负压压力计8就安装在周边井2的水平段与造斜段的交界处，负压压力计8不仅可以监测常压、还可以监测负压，用于实时监测负压抽采过程中周边井2的井筒内的气压(标准大气压为0.1MPa，低于该值称为负压)。
周边井2位于水平井1附近，如周边井2为直井或定向井，周边井2所在轴线与煤层顶面的交点与水平井1的水平段之间的直线距离大于200m且小于300m；如周边井2为U型井、L型井、J型井或多分支井，周边井2的水平段距离水平井1的水平段14的直线距离大于200m且小于300m；之所以设计这样的距离间隔参数，是因为两者距离小于200m时，水平井1与周边井2的压裂裂隙6可能直接连通，CO2注入水平井中后易沿压裂裂隙6直接进入周边井2，并被负压抽采设备3抽出地面，达不到CO2封存的目的；当距离大于300m时，水平井1与周边井2的压裂裂隙距离过远，CO2注入和负压抽采过程中气体的运移速度过慢，降低了负压抽采和CO2封存的效率。
该装置的具体操作过程和原理如下：
在CO2注入封存前，处于煤层气开发阶段，该阶段包括钻井、完井、压裂和排采4个阶段，水平井1和周边井2钻、完井后，均采用CO2压裂的方式完成对致密储层的大面积改造工作，进而在煤层5中形成高导流能力的复杂缝网，为煤层气流动提供渗流通道。低温CO2致裂煤层5后与煤基质51表面的煤层气(主要成分为CH4)竞争吸附，部分CH4被置换，从煤基质51表面解吸，并经孔隙53、天然裂隙52、压裂裂隙6扩散、渗流至井筒产出，低温CO2压裂可起到强化排采煤层气的作用，且低温CO2压裂相比于现有技术中一些通过气化反应产生大量辐射热和CO2气体以改造储层、产生裂隙网络的方案而言，具有对储层伤害程度低、抑制粘土膨胀、成本低、不会在深部不可采煤层形成大面积燃烧空腔的优势，胀塌风险小。
随着排采的进行，煤层气开发范围内煤层5的储层压力降低，当储层压力降至0.7MPa后，达到煤层气井的废弃压力，此时煤基质51中残余的CH4难以继续解吸产出，按照国际惯例，煤层气井将做关井处理，煤层5中剩余的煤层气无法被继续采出，煤层气资源的采收率较低，进而导致严重的资源浪费现象。为了充分释放煤层气资源量，在煤层中的储层压力降至0.7MPa后，采用负压抽采和CO2持续注入煤层的方式助产煤层气，并在此过程中实现对CO2的有效封存。
具体过程如下：
1)当井下压力监测设备监测到井下压力降至0.7MPa后，拆除水平井1和周边井2井口的煤层气常规排采设备，在水平井1的井口11处连接CO2注入设备，在周边井2的井下安装油管32和井下设备33、井口处安装地面设备31；
2)通过CO2注入设备4持续向水平井1内注入CO2，CO2沿水平井1的竖直段12、造斜段13、水平段14进入煤层5，并与压裂裂隙6、天然裂隙52和孔隙53表面的煤层气竞争吸附点位，由于CO2的吸附能力强于煤层气，煤层气被CO2置换后，由吸附态转为游离态，赋存于压裂裂隙6、天然裂隙52和孔隙53中。此外，大多数煤层5含水，CO2被CO2注入设备4从竖直段12顶端注入水平井1，在依次经过竖直段12、造斜段13、水平段14、压裂裂隙6、天然裂隙52、煤基质51的过程中，部分CO2溶于水，与煤层5中的矿物产生碳酸盐沉淀，达到固定部分CO2的目的；
3)负压抽采设备3启动，促使周边井2及其邻近煤层的储层压力进一步降低，最大可降至0.02MPa，在此过程中释放原本无法采出的部分煤层气资源(储层压力介于0.7MPa～0.02MPa之间可解吸的煤层气)；由于周边井2及其邻近煤层范围内形成负压环境，而水平井1及其邻近范围内煤层的储层压力随着的CO2注入逐渐增大，导致水平井1和周边井2附近储层的压力差增大，由于煤层渗透率低，不利于气体运移，高压力差和低渗透率条件共同促使煤层5中被CO2置换出的煤层气缓慢向周边井2扩散和渗流，最终从周边井2产出，CO2注入设备4和负压抽采设备3协同作用，起到强化煤层气排采的作用。
由于煤层5渗透率低，气体在煤层5中的运移十分困难，过程缓慢，压裂后的煤层5渗透率得到一定程度的提高，一方面有利于气体运移，另一方面，压裂对煤层渗透率的改善也是相对的和有限的。因此CO2自水平井1注入煤层5后并不会直接沿压裂裂隙6流向周边井2，而是逐渐被煤基质51吸附固定。
4)当周边井2产出气中CO2的含量高于30％时，认为绝大多数的煤层气已解吸产出，且CO2已沿煤基质51、天然裂隙52、孔隙53扩散至周边井2附近，此时从周边井2的井筒中取出井下设备33和油管32，封闭周边井2；
5)实时监测水平井1井下常压压力计7和周边井2井下负压压力计8的数值，当常压压力计7的数值接近煤层初始储层压力时(即钻井后测得的井下初始压力值，该压力值代表的是煤层在未经人为影响情况下的原始数值，该压力情况下认为煤层处于相对稳定的状态)，关闭CO2注入设备4；
6)继续监测水平井1水平段14和周边井2煤层附近的储层压力，如果储层压力值缓慢降低，则认为水平井1和周边井2控制范围内煤层仍在缓慢吸附CO2，待储层压力值保持稳定，认为水平井1和周边井2控制范围内煤层达到CO2吸附平衡，重新开启CO2注入设备，按照前述注入步骤循环注入CO2，直至水平井1的水平段14和周边井2煤层附近的储层压力均接近煤层初始储层压力，拆卸CO2注入设备，封闭水平井1的井口11，完成CO2注入过程。
7)定期监测常压压力计7和负压压力计8的压力值，确保CO2在深部不可采煤层中长期、有效封存，不发生逸散。
综上所述，本申请充分利用了CO2与CH4之间的竞争吸附原理和矿物固碳原理，在充分开发深部不可采煤层中的煤层气资源的同时，最大限度地向深部煤层中封存CO2。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种深部不可采煤层CO2封存及煤层气负压抽采方法，其特征在于，实施过程用到的装置包括水平井、周边井、负压抽采设备、CO2注入设备和井下压力监测设备，CO2注入设备装配在水平井上，负压抽采设备装配在周边井上；
负压抽采设备包括用于产生负压的地面设备、油管和用于二次降压的井下设备，地面设备安装于周边井的井口之上、与井下设备间通过油管连接；
井下压力监测设备包括常压监测设备及负压监测设备，常压监测设备安装在水平井的造斜段与水平段的交界处，负压监测设备安装在周边井上靠近煤层中部的位置；
实施过程包括如下步骤：
1）在水平井及周边井钻、完井后，均采用低温CO2压裂煤层的方式进行储层改造，低温CO2致裂煤层后与煤基质表面的煤层气竞争吸附，部分煤层气被置换，从煤基质表面解吸，并经孔隙、天然裂隙、压裂裂隙扩散、渗流至水平井或周边井的井筒产出；
2）当井下压力监测设备监测到水平井和周边井的井下压力降至0.7 MPa后，拆除煤层气常规排采设备，将CO2注入设备和负压抽采设备装配到位；
3）持续向水平井内注入CO2，煤层中剩余的煤层气被CO2置换，部分CO2溶于水并与煤层中的矿物结合产生沉淀后被固定；
4）负压抽采设备启动，周边井及其邻近煤层的储层压力降低并在一定范围内形成负压环境，水平井及其邻近煤层的储层压力随CO2的注入而增大，水平井及周边井间形成压力差，被置换出的煤层气向周边井扩散和渗流，并从周边井产出，由于煤层渗透率低、不同尺度的孔隙广泛发育，CO2在向周边井渗流的过程中进一步被煤基质吸附固定；
5）周边井产出气中CO2的含量高于30%时，拆卸负压抽采设备，封闭周边井；
6）监测井下压力监测设备的数值，当常压监测设备的数值接近煤层初始储层压力时，关闭CO2注入设备；
7）继续监测储层压力，如果压力值继续降低，则认为CO2仍在被吸附，待储层压力值保持稳定，重新开启CO2注入设备，循环注入CO2，直至水平井的水平段和周边井煤层附近的储层压力均接近煤层初始储层压力，拆卸CO2注入设备，封闭水平井井口。
2.如权利要求1所述的深部不可采煤层CO2封存及煤层气负压抽采方法，其特征在于，在封闭水平井井口、完成CO2注入过程后，仍需定期监测水平井水平段和周边井煤层中部附近的储层压力。
3.如权利要求1所述的深部不可采煤层CO2封存及煤层气负压抽采方法，其特征在于，水平井为U型井、L型井、J型井或多分支井，周边井为直井、U型井、L型井、J型井、多分支井或定向井。
4.如权利要求3所述的深部不可采煤层CO2封存及煤层气负压抽采方法，其特征在于，周边井为直井或定向井时，负压监测设备安装在油管外侧与煤层中部位置同一高度处；周边井为U型井、L型井、J型井或多分支井时，负压监测设备安装在周边井的水平段与造斜段的交界处。
5. 如权利要求3所述的深部不可采煤层CO2封存及煤层气负压抽采方法，其特征在于，周边井为直井或定向井时，周边井所在轴线与煤层顶面的交点到水平井的水平段之间的直线距离大于200 m且小于300 m。
6. 如权利要求3所述的深部不可采煤层CO2封存及煤层气负压抽采方法，其特征在于，周边井为U型井、L型井、J型井或多分支井时，周边井的水平段与水平井的水平段之间的直线距离大于200 m且小于300 m。
7.如权利要求1所述的深部不可采煤层CO2封存及煤层气负压抽采方法，其特征在于，地面设备为罗茨风机。
8.如权利要求1所述的深部不可采煤层CO2封存及煤层气负压抽采方法，其特征在于，井下设备为干式螺杆真空泵。
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