CN116856898A - 富油煤原位油气开发系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种富油煤原位油气开发系统和方法，系统中，生产井自地面朝富油煤层由定向钻孔的方式向下延伸且进入富油煤层中；注入井自地面朝富油煤层由定向钻孔的方式向下延伸且与生产井贯通，注入井间隔生产井；工作介质气体注入口，其设于等离子发生器本体远离底部的顶端，以将工作介质气体输送到阴极与阳极之间以等离子化生成工作介质气体粒子，工作介质气体包括氮气和氢气，其中，等离子化的氮气或氢气粒子与富油煤层热解反应产出包含半焦层的油气产品，以及工作介质气体注入口切换注入氢气输送到阴极与阳极之间以生成等离子化的氢气粒子，其与半焦层进行半焦加氢气化反应生成甲烷气体。本系统及方法高效、稳定、操作性强地开采富油煤层。
Description
技术领域
本发明涉及富油煤层气化技术领域，尤其涉及一种富油煤原位油气开发系统和方法。
背景技术
富油煤通过中低温热解可以生产甲烷、氢气等热解气以及高品质油品等低碳或无碳的资源，具有油气转化效率高、生产成本低的优势。我国富油煤中的潜在油气资源丰富，富油煤作为我国重要的战略能源，储量巨大，采用地下原位热解转化是对富油煤“留碳取油”的主要趋势，富油煤原位热解摒弃了传统的煤炭开采方法，是直接在地下热解提油的新技术。该技术是通过注入井注入热量原位加热富油煤层，使内部有机质裂解产生油气，并通过采油工艺开采到地面的开发方式。
富油煤热解的产物是煤焦油和煤气，为了获得更多的油气进一步提高煤层的热解范围，需要较高的热解温度，这就要求加热技术本身能够为煤岩提供更高的温度。目前已提出的加热方式有电阻发热传导加热、热气体对流加热、原位燃烧化学加热以及微波辐射加热。其中，电阻发热传导加热是利用电阻或导电介质发热，以热传导方式加热岩层，但由于煤层导热系数极低，热量传递慢，并且地下水等复杂环境对加热干扰大，难以满足工业生产要求；热气体对流加热是用高温空气或水蒸气对煤岩进行加热，但注入井和井身设备受高温影响无法长期稳定工作，且热量输送过程损失大；以原位燃烧为代表的化学加热反应边界难以管理，控制工艺复杂；微波辐射加热技术成熟度低，且射频频率较高，加之煤岩介电常数过低，导致辐射加热范围有限。综合来看，富油煤面临煤导热系数低、地下原位热解环境复杂和原位热解效率低的问题，亟需一种高效、稳定、操作性强的富油煤热解系统及方法。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种富油煤原位油气开发系统和方法，高效、稳定、操作性强的开发富油煤层。为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的一种富油煤原位油气开发系统包括：
生产井，自地面朝富油煤层由定向钻孔的方式向下延伸且进入富油煤层中；
注入井，自地面朝富油煤层由定向钻孔的方式向下延伸且与生产井贯通，注入井间隔生产井，钻孔在富油煤层中延伸到生产井形成反应通道；
悬挂式注入管，其上端设于注入井井口，下端延伸到所述富油煤层中的钻孔直到连通所述生产井；
柔性注入管，其安装于悬挂式注入管内，柔性注入管的上端位于地面且柔性注入管随悬挂式注入管延伸至富油煤层中，柔性注入管经由地面驱动装置在悬挂式注入管中移动；
柔性采出管，其安装于生产井内，柔性采出管的上端位于地面且下端延伸至富油煤层中，柔性采出管经由地面采出驱动装置在钻孔中移动；
等离子发生器，其安装于柔性注入管下端的端部以随柔性注入管移动而移动，所述等离子发生器包括，
等离子发生器本体，其固定连接柔性注入管，
阳极，其设于所述等离子发生器本体的底部，所述阳极经由阳极接线柱连接电源阳极，
阴极，其设于所述等离子发生器本体中且相对地间隔所述阳极布置，所述阴极经由阴极接线柱连接电源阴极，
工作介质气体注入口，其设于所述等离子发生器本体远离所述底部的顶端，以将工作介质气体输送到阴极与阳极之间以等离子化生成工作介质气体粒子，工作介质气体包括氮气和氢气，其中，等离子化的氮气或氢气粒子与富油煤层热解反应产出包含半焦层的油气产品，以及工作介质气体注入口切换注入氢气输送到阴极与阳极之间以生成等离子化的氢气粒子，其与所述半焦层进行半焦加氢气化反应生成甲烷气体。
所述的一种富油煤原位油气开发系统中，所述等离子发生器本体内设有连接所述工作介质气体注入口的气体旋流器以将均匀分布工作介质气体。
所述的一种富油煤原位油气开发系统中，所述等离子发生器本体还包括阳极冷却水入口和阳极冷却水出口，所述阳极的下侧连接阳极冷却水入口以导入冷却水进水，阳极的上侧连接阳极冷却水出口排出冷却水回水，构成下进上出的冷却水排布形式。
所述的一种富油煤原位油气开发系统中，所述等离子发生器本体还包括阴极冷却水入口和阴极冷却水出口，所述阴极连通阴极冷却水入口和阴极冷却水出口。
所述的一种富油煤原位油气开发系统中，所述阴极与阴极接线柱经由中空管道连接，阴极冷却水入口设于中空管道远离阳极的一端，阴极冷却水出口设于中空管道远离阳极的底部，阴极冷却水进水管穿入所述中空管道且阴极冷却水进水管一端连接所述阴极冷却水入口，另一端深入所述阴极与阴极之间保持空隙1-10 mm，冷却水进水返回至阴极冷却水进水管与中空管道之间的环形空间，环形空间连通所述阴极冷却水出口排出冷却水回水。
所述的一种富油煤原位油气开发系统中，阳极冷却水入口、阳极冷却水出口、阴极冷却水入口和阴极冷却水出口均连通冷却水进出水管，冷却水进出水管在柔性注入管内延伸并分别连通地面上的冷却水注入口和回水口，阳极接线柱和阴极接线柱均连接等离子发生器电缆，等离子发生器电缆在柔性注入管内延伸并连通地面上的电源，所述工作介质气体注入口连接工作介质气体注入管，工作介质气体注入管在柔性注入管内延伸并连通地面的氮气储罐和氢气储罐。
所述的一种富油煤原位油气开发系统中，所述注入井和生产井分别还包括，
表层套管，其上端连接于地面，下端在地面以下自由悬挂，
生产套管，其设置于表层套管内部，生产套管上端连接于地面，下端在地面以下自由悬挂且延伸到富油煤层。
所述的一种富油煤原位油气开发系统中，所述悬挂式注入管和柔性注入管之间间隙设置了辅助口，辅助口可控地将惰性气体输送至钻孔中进行吹扫以在热解反应前空气置换。
一种富油煤原位油气开发系统的开发方法包括，
步骤1，工作介质气体注入口可控地注入氮气到阴极和阳极之间，设置等离子发生器电流参数、阴极进水回水流量和阳极进水回水流量，启动等离子发生器以等离子化生成等离子化的氮气粒子，等离子化的氮气粒子与富油煤层热解反应产出包含半焦层的油气产品，阳极冷却水入口和阴极冷却水入口分别将冷却水导入阳极和阴极以进行冷却，在等离子发生器运行过程中，基于阴极回水温度和阳极回水温度调整阴极进水流量和阳极进水流量，避免等离子发生器温度超过预定温度，
步骤2，油气产品经由生产井输出，根据生产井出口的油气流量和组分变化，逐渐提高等离子发生器氮气流量和电流，使之满负荷运行，当流量小于预定流量值，判断热解反应结束，关闭等离子发生器电源，将等离子发生器电流输入参数设置为0，保留冷却水进水流量，工作介质气体注入口切换成注入氢气，设置等离子发生器电流参数，启动等离子发生器电源，氢气输送到阴极与阳极之间以生成等离子化的氢气粒子，其与所述半焦层进行半焦加氢气化反应生成甲烷气体，甲烷气体经由生产井输出，根据生产井出口的甲烷气体流量变化，逐渐提高等离子发生器氮气流量和电流，使之满负荷运行，当甲烷气体流量小于预定甲烷气体流量值，判断半焦加氢气化反应结束，关闭等离子发生器；
步骤3，地面驱动装置移动柔性注入管预定距离以及地面采出驱动装置移动柔性采出管预定距离，重复步骤1-2直至结束富油煤油气开发任务。
所述的方法中，等离子发生器电源的实际电流与预定电流相差±10A以内，则等离子发生器启动起弧成功，如实际电流为零或者低于预定电流，则起弧失败，重复等离子发生器启动操作。
在上述技术方案中，本发明提供的一种富油煤原位油气开发系统，具有以下有益效果：提出等离子热解气化两阶段工艺和双定向井采收工艺，针对富油煤导热系数低、地下原位热解环境复杂的特点以及面临的原位热解效率低的问题，对传统的富油煤原位热解方法进行改进，改进后可为富油煤提供高效、稳定、操作性强的油气转化方法。热解气化两阶段工艺首先采用等离子体产生的高焓值高能量密度活性粒子，对煤岩的加热以辐射加热和对流传热为主对煤层快速加热，产生轻质油品和氢气、甲烷为主的热解气体，再使用氢气等离子体，对热解半焦进行加氢气化反应，将半焦转化为甲烷气体，进一步提高油气收率。地下水以及冒落的煤岩不影响等离子发生器工作状态，保障了生产稳定性。双定向井可使等离子体发生器和油气采出管可控移动，实现了煤层热解边界可控以及高油气采收率。等离子发生器是电气控制，启停方便，原位热解操作性极强。系统性地解决了富油煤热解难题，可高效地将煤炭转化为油气产品，减少了采矿和地面煤炭转化生产安全和地表、环境破坏。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种富油煤原位油气开发系统的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的一种富油煤原位油气开发系统的等离子发生器的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的一种富油煤原位油气开发系统的热解气化两阶段采收油气技术路线示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
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”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设备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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，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。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之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，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”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
参见图1-3所示，在一个实施例中，本发明的一种富油煤原位油气开发系统包括，
生产井14，自地面19朝富油煤层18由定向钻孔的方式向下延伸且进入富油煤层18中；
注入井，自地面19朝富油煤层18由定向钻孔的方式向下延伸且与生产井14贯通，注入井间隔生产井14，钻孔在富油煤层18中延伸到生产井14形成反应通道；
悬挂式注入管3，其上端设于注入井井口，下端延伸到所述富油煤层18中的钻孔直到连通所述生产井14；
柔性注入管4，其安装于悬挂式注入管3内，柔性注入管4的上端位于地面且柔性注入管4随悬挂式注入管3延伸至富油煤层18中，柔性注入管4经由地面驱动装置8在悬挂式注入管3中移动；
柔性采出管15，其安装于生产井14内，柔性采出管15的上端位于地面且下端延伸至富油煤层18中，柔性采出管15经由地面采出驱动装置在钻孔中移动；
等离子发生器5，其安装于柔性注入管4下端的端部以随柔性注入管4移动而移动，所述等离子发生器5包括，
等离子发生器本体33，其固定连接柔性注入管4，
阳极34，其设于所述等离子发生器本体33的底部，所述阳极34经由阳极接线柱23连接电源阳极34，
阴极22，其设于所述等离子发生器本体33中且相对地间隔所述阳极34布置，所述阴极22经由阴极接线柱24连接电源阴极22，
工作介质气体注入口25，其设于所述等离子发生器本体33远离所述底部的顶端，以将工作介质气体输送到阴极22与阳极34之间以等离子化生成工作介质气体粒子，工作介质气体包括氮气和氢气，其中，等离子化的氮气粒子与富油煤层热解反应产出包含半焦层的油气产品，以及工作介质气体注入口25切换注入氢气输送到阴极22与阳极34之间以生成等离子化的氢气粒子，其与所述半焦层进行半焦加氢气化反应生成甲烷气体。
富油煤原位油气开发系统针对富油煤导热系数低、地下原位热解环境复杂的特点以及面临的原位热解效率低的问题，提出等离子热解气化两阶段工艺和双定向井采收工艺，等离子体产生高焓值高能量密度活性粒子，可在煤层中快速建立热解反应和气化反应，第一阶段，使用氮气等离子体以辐射加热和对流传热为主，辅以氮气活性粒子快速渗透煤层导热，对附近煤层快速加热至600℃，进行中低温热解，产生轻质油品和氢气、甲烷为主的热解气体；第二阶段使用氢气等离子体，提高等离子发生器5的功率，对热解半焦进行加氢气化反应，温度为900℃，将半焦转化为甲烷气体，进一步提高油气收率。地下水以及冒落的煤岩不影响等离子发生器5的工作状态，保障了生产稳定性。双定向井可使等离子体发生器和油气采出管可控移动，实现了煤层热解边界可控以及高油气采收率。等离子发生器5是电气控制，工作介质切换方便，原位热解操作性极强。不限制于煤层，也可用于石油热采、油页岩等的开发。
所述的一种富油煤原位油气开发系统的优选实施例中，所述等离子发生器本体33内设有连接所述工作介质气体注入口25的气体旋流器26以将均匀分布工作介质气体。
所述的一种富油煤原位油气开发系统的优选实施例中，所述等离子发生器本体33还包括阳极冷却水入口27和阳极冷却水出口28，所述阳极34的下侧连接阳极冷却水入口27以导入冷却水进水，阳极34的上侧连接阳极冷却水出口28排出冷却水回水，构成下进上出的冷却水排布形式。
所述的一种富油煤原位油气开发系统的优选实施例中，所述等离子发生器本体33还包括阴极冷却水入口29和阴极冷却水出口30，所述阴极22连通阴极冷却水入口29和阴极冷却水出口30。
所述的一种富油煤原位油气开发系统的优选实施例中，所述阴极22与阴极接线柱24经由中空管道连接，阴极冷却水入口29设于中空管道远离阳极34的一端，阴极冷却水出口30设于中空管道远离阳极34的底部，阴极冷却水进水管穿入所述中空管道且阴极冷却水进水管一端连接所述阴极冷却水入口29，另一端深入所述阴极22，且与阴极22之间保持空隙1-10 mm，冷却水进水返回至阴极冷却水进水管与中空管道之间的环形空间，环形空间连通所述阴极冷却水出口30排出冷却水回水。
所述的一种富油煤原位油气开发系统的优选实施例中，阳极冷却水入口27、阳极冷却水出口28、阴极冷却水入口29和阴极冷却水出口30均连通冷却水进出水管，冷却水进出水管在柔性注入管4内延伸并分别连通地面上的冷却水注入口11和回水口12，阳极接线柱23和阴极接线柱24均连接等离子发生器电缆9，等离子发生器电缆9在柔性注入管4内延伸并连通地面上的电源，所述工作介质气体注入口25连接工作介质气体注入管，工作介质气体注入管在柔性注入管4内延伸并连通地面的氮气储罐20和氢气储罐21。
所述的一种富油煤原位油气开发系统的优选实施例中，所述注入井和生产井14分别还包括，
表层套管1，其上端连接于地面19，下端在地面以下自由悬挂，
生产套管2，其设置于表层套管1内部，生产套管2上端连接于地面19，下端在地面以下自由悬挂且延伸到富油煤层18。
所述的一种富油煤原位油气开发系统的优选实施例中，所述悬挂式注入管3和柔性注入管4之间间隙设置了辅助口13，辅助口13可控地将惰性气体输送至钻孔中进行吹扫以在热解反应前空气置换。
在一个实施例中，如图1所示，富油煤原位油气开发系统包括注入井、等离子发生器5、如钻孔的反应通道和生产井14。注入井主要功能为驱动等离子发生器5和工作介质气体以及冷却介质注入，生产井14主要功能为油气产品抽采。其中，注入井和生产井14均由定向井构建而成，并由表层套管1、生产套管2、悬挂式注入管3和柔性卷曲管构成，注入井柔性卷曲管为柔性注入管4，生产井14的柔性卷曲管作为柔性采出管15。表层套管1采用水泥浇筑，上端连接于地面，下端位于地面以下自由悬挂，所述表层套管1用于固定松散层。生产套管2采用水泥浇筑，设置于表层套管1内部，上端连接于地面，下端自由悬挂，位于地面以下至接近于钻孔垂直段末端，所述生产套管2用于固定各岩层。悬挂式注入管3为悬挂式，上端位于井口，与悬挂器7相连，下端随钻孔延伸到富油煤层直至与生产井14底部连通，所述悬挂式注入管3在水平段的位置稍靠近于煤层底部，水平段悬挂式注入管3的上部、下部与煤层有一定间隙，便于悬挂式注入管3下入富油煤层。所述悬挂式注入管3在煤层内起支护作用，防止煤层塌落，影响柔性注入管4伸缩。所述悬挂式注入管3材质为可燃材料，可随煤层热解过程进行逐步反应，不影响悬挂式注入管3周围煤层热解反应。柔性注入管4安装于悬挂式注入管3内。注入井的柔性注入管4上端位于地面，与地面注入井井口的地面驱动装置8相连，通过注入头6延伸至煤层中，下端端部安装等离子发生器5。
在一个实施例中，柔性采出管15上端位于地面，与地面生产井14井口的地面采出驱动装置相连，通过注入头6延伸至煤层中，下端口敞开。地面采出驱动装置装置控制伸缩，地面采出驱动装置将柔性采出管15伸入煤层中，生产过程中根据工艺控制需要，由地面采出驱动装置将柔性采出管15间歇后撤。等离子发生器5连接柔性注入管4末端，可随柔性注入管4伸缩实现在富油煤层中移动。等离子发生器电缆9一端连接地面电源控制设备，另一端与等离子发生器本体33相连。等离子发生器5工作介质气体为氮气或氢气，工作介质气体注入口25位于地面，在柔性注入管4内的工作介质气体注入管的一端连接工作介质气体注入口25，另一端连接等离子发生器本体33，通入等离子发生器5的阴极22和阳极34之间，通过等离子发生器5高压放电离解成高活性氮气粒子或氢气粒子。工作介质气体通过地面阀门和流量计控制注入流量。生产过程中根据工艺需求，可调控等离子发生器5电源功率以及工作介质气体的流量，来调控热解和气化过程。等离子发生器5实现移动式任意位置随时启动富油煤层热解气化反应，在每次柔性注入管4后退一定距离后，可快速建立反应区，提高热解气化效率，强化热解气化过程。等离子发生器本体33的冷却水注入口11和回水口12均位于地面，通过地面阀门和流量计控制流量。生产过程中通过冷却水回水温度控制注入水流量和温度，保障等离子发生器本体33不超温。
在一个实施例中，生产井14位于热解煤层另一端，用于将热解与气化过程产生的油气产品输送至地面，通过地面油气出口16阀门控制油气输送流量和热解气化压力。另设置备用出口，作为油气备用出口17，保障生产稳定性。结合生产井14出口煤气产量，可反映富油煤热解气化反应进行状况，为调控煤层热解气化强度提供依据。柔性采出管15随热解气化反应距离实时移动，及时采收产生的油品与富氢气和甲烷气体，避免油品冷凝，导致采收率降低。
在一个实施例中，等离子发生器本体33包括阳极34、阴极22与工作介质气体注入口25。等离子发生器5通过阴极22和阳极34之间高压放电，电离阴极22和阳极34之间的工作介质气体，产生高焓值高能量密度高活性粒子。等离子发生器本体33采用嵌入式固定装置32与柔性注入管4连接。阳极34位于等离子发生器5底部，采用拉法尔结构，便于将工作介质气体转化为高压低速状态，便于高压电离。阳极34规格根据功率和工作介质气体气量设计，长度可为100~1000 mm，直径可为50~200 mm。阳极34可选用耐高温导电性强材质，包括但不限于铜、银、金、铁等金属。阳极34与等离子发生器本体33连接，阳极接线柱23与等离子发生器本体33连接，接线柱接上电源阳极34即可通电。阳极34一侧进冷却水进水，另一侧排出冷却水回水，冷却水采用下进上出的形式。适时调整冷却水进水温度和流量，保护阳极34，避免超温。
在一个实施例中，阴极22位于阳极34左侧，规格根据功率和工作介质气体气量设计，长度可为20~100 mm，直径可为20~50 mm。阴极22可选用耐高温导电性强材质，包括但不限于铜、银、金、铁等金属。为提高阴极22寿命，在阴极22中心即放电核心位置可镶嵌入耐高温金属块，包括但不限于钨、铪、钼等金属或合金。阴极22与阴极接线柱24由一根中空管道连接，阴极22冷却水进水管穿入中空管道中，阴极22冷却水进水管进水管深入阴极22，与阴极22之间保持空隙1-10 mm，便于进水返回。冷却水进水返回至阴极22进水管与钢管的环空，通过钢管顶端出口排出冷却水回水。适时调整冷却水进水温度和流量，保护阴极22，避免超温。进一步地，所述中空管道外壁包覆阴极绝缘件31。
在一个实施例中，工作介质气体注入口25位于等离子发生器本体33顶端，将工作介质气体通入阴极22和阳极34之间，并采用气体旋流器26，均匀分布工作介质气体。规格根据功率和工作介质气体气量设计，与阴阳极规格配合，气体旋流器26选择钢材质。
一种富油煤原位油气开发系统的开发方法包括，
步骤1，工作介质气体注入口25可控地注入氮气到阴极22和阳极34之间，设置等离子发生器5电流参数、阴极22的进水回水流量和阳极34的进水回水流量，启动等离子发生器5以等离子化生成等离子化的氮气粒子，等离子化的氮气粒子与富油煤层热解反应产出包含半焦层的油气产品，阳极冷却水入口27和阴极冷却水入口29分别将冷却水导入阳极34和阴极22以进行冷却，在等离子发生器5运行过程中，基于阴极22的回水温度和阳极34的回水温度调整阴极22进水流量和阳极34进水流量，避免等离子发生器5温度超过预定温度，
步骤2，油气产品经由生产井14输出，根据生产井14出口的油气流量和组分变化，逐渐提高等离子发生器5氮气流量和电流，使之满负荷运行，当流量小于预定流量值，判断热解反应结束，关闭等离子发生器5电源，将等离子发生器5电流输入参数设置为0，保留冷却水进水流量，工作介质气体注入口25切换成注入氢气，设置等离子发生器5电流参数，启动等离子发生器5电源，氢气输送到阴极22与阳极34之间以生成等离子化的氢气粒子，其与所述半焦层进行半焦加氢气化反应生成甲烷气体，甲烷气体经由生产井14输出，根据生产井14出口的甲烷气体流量变化，逐渐提高等离子发生器5氮气流量和电流，使之满负荷运行，当甲烷气体流量小于预定甲烷气体流量值，判断半焦加氢气化反应结束，关闭等离子发生器5；
步骤3，地面驱动装置8移动柔性注入管4预定距离以及地面采出驱动装置移动柔性采出管15预定距离，重复步骤1-2直至结束富油煤油气开发任务。
本方法保障了富油煤层高效稳定生产，可使等离子体发生器和油气采出管可控移动，实现了煤层热解边界可控以及高油气采收率；原位等离子热解气化两阶段采收油气，一阶段中低温等离子热解，二阶段中温半焦加氢气化，极大地提高了资源利用率与轻质油品和富甲烷气体采收率。
在一个实施方式中，等离子发生器5电源的实际电流与预定电流相差±10A以内，则等离子发生器5启动起弧成功，如实际电流为零或者低于预定电流，则起弧失败，重复等离子发生器启动操作。
在一个实施方式中，开采方法包括，
1）安装
注入井和生产井14的表层套管1上端位于地面，下端位于地面以下，具体位置依据第四系松散层深度决定，表层套管1长度由地面至第四系松散层附近。
注入井和生产井14的生产套管2位于表层套管1内部，上端位于地面，下端延伸至定向井垂直段与弯曲段连接处。
注入井和生产井14的悬挂式注入管3由若干管段组成，其中，本实施例定向井中垂直段及弯曲段悬挂式注入管3管材采用钢材质，水平段悬挂式注入管3采用玻璃钢材质。根据定向井垂直段、弯曲段、水平段长度，在地面将若干管段由梯形扣等专用连接方式连接组成悬挂式注入管3，使悬挂式注入管3下端由玻璃钢材质组成，玻璃钢材质悬挂式注入管3长度等于定向井水平段长度，此后，再连接上钢材质悬挂式注入管3，钢材质悬挂式注入管3长度由定向井垂直段与弯曲段决定。采用边下悬挂式注入管3边连接方式，由地面悬挂器7逐渐下入煤层中。
悬挂式注入管3下入完毕后，再通过地面设备下入注入井的柔性注入管4和生产井14的柔性采出管15。柔性注入管4和柔性采出管15下入前，将等离子发生器电缆9、工作介质气体注入管、冷却水进出水管一端穿入柔性注入管4内，安装于地面驱动装置8上，等离子发生器电缆9、工作介质气体注入管、冷却水进出水管另一端穿过柔性注入管4。柔性注入管4位于悬挂式注入管3内部，一端位于地面，连接于地面驱动装置8，另一端穿过注入头6后，将等离子发生器电缆9、工作介质气体注入管、冷却水进出水管与等离子发生器本体33连接，再将柔性注入管4与等离子发生器本体33用嵌入式固定装置32连接，由地面驱动装置8逐渐下入到悬挂式注入管3内部，延伸直至生产井14底部左侧。
生产井14的柔性采出管15位于悬挂式注入管3内部，一端位于地面，连接于地面采出驱动装置，另一端穿过注入头6伸入富油煤层通道中，下端开口敞开。生产井14柔性采出管15与柔性注入管4下端之间水平距离根据等离子发生器5功率以及热解气化过程油气采出情况具体而定。
2）反应通道吹扫
等离子发生器5工作介质气体为氢气，以及热解和气化煤气中氢气和一氧化碳浓度高，为保障煤层热解气化生产安全，热解气化生产开始前，应对煤层反应通道进行吹扫，将通道内空气置换完全。从辅助口13注入氮气等惰性气体，持续一段时间，并检测生产井14出口气体组成，直至气体中氧气含量低于1%，则置换完成。
3）等离子发生器启动操作
等离子发生器5启动时，在工作介质气体注入口25控制注入氮气或氢气，打开冷却水注入口11和回水口12阀门，控制等离子发生器5的阴极22的进水回水流量和阳极34的进水回水流量，设置等离子发生器5电流参数，启动等离子发生器5电源，观察等离子发生器5电源控制系统实际电流参数，电流参数与设置参数接近，则表明等离子发生器5启动起弧成功；如实际电流为零或者远低于设置电流，则起弧失败，重复等离子发生器5起弧操作。
4）热解过程操作
等离子发生器5启动成功后，进行正常热解。
根据生产井14出口油气流量和组分变化，逐渐提高等离子发生器5氮气或氢气流量和电流，控制富油煤层大部分在600℃左右。在运行过程中，关注等离子发生器5冷却水回水温度变化，适时调整等离子发生器5冷却水进水流量和温度，避免等离子发生器5超温。
5）半焦加氢气化过程操作
热解反应进行一定时间后，依据生产井14出口油气产量下降情况，判定该区域煤层完成热解反应过程。关闭等离子发生器5电源，将等离子发生器5电流输入参数设置为0，关闭氮气或氢气入口阀门，保留等离子发生器5冷却水进水流量，保护等离子发生器5，避免超温。打开氢气注入阀门，将等离子发生器5工作介质气体切换为氢气，设置等离子发生器5电流参数，启动等离子发生器5电源，启动等离子发生器5电源。等离子发生器5启动成功后，逐渐提高等离子发生器5氢气流量和电流，控制热解半焦层大部分在900℃左右，进行半焦加氢气化反应。并适当后撤生产井14的柔性采出管15，避免柔性采出管15超温损坏。
加氢气化反应进行一定时间后，依据生产井14出口气化煤气产量下降情况，判定该区域煤层完成气化反应过程。关闭等离子发生器5电源，将等离子发生器5电流输入参数设置为0，关闭氢气入口阀门，保留等离子发生器5冷却水进水流量，保护等离子发生器5，避免超温。通过地面驱动装置8后撤柔性注入管4一定距离，重启等离子发生器5，继续进行正常热解和气化反应，生产井14的柔性采出管15也随之向前移动相应距离。
实施例1（氮气等离子体热解及氢气等离子体气化）：
本发明实施例提出的富油煤原位油气开发系统包括注入井、等离子发生器5、如钻孔的反应通道和生产井14。注入井主要功能为驱动等离子发生器5和工作气体介质以及冷却介质注入，注入的工作介质气体经等离子发生器5高压电离，高温高能高活性氮气与煤层发生热解反应产出油气产品。生产井14主要功能为油气产品实时抽采，避免油品冷凝，提高油气采收率。其中，注入井和生产井14均由定向井构建而成，并由表层套管1、生产套管2、悬挂式注入管3以及柔性注入管4或柔性采出管15构成。
注入井和生产井14表层套管1上端位于地面，下端位于地面以下，具体位置依据第四系松散层深度决定，表层套管1长度由地面至第四系松散层以下1~5米。注入井和生产井14生产套管2位于表层套管1内部，上端位于地面，下端延伸至定向井垂直段与弯曲段连接处。注入井和生产井14悬挂式注入管3由若干管段组成，其中，本实施例定向井中垂直段及弯曲段悬挂式注入管3管材采用钢材质，水平段悬挂式注入管3采用玻璃钢材质。根据定向井垂直段、弯曲段、水平段长度，在地面将若干管段由梯形扣等专用连接方式连接组成悬挂式注入管3，使悬挂式注入管3下端由玻璃钢材质组成，玻璃钢材质悬挂式注入管3长度等于定向井水平段长度，此后，再连接上钢材质悬挂式注入管3，钢材质悬挂式注入管3长度由定向井垂直段与弯曲段决定。采用边下悬挂式注入管3边连接方式，由地面悬挂器7逐渐下入煤层中。
悬挂式注入管3下入完毕后，再通过地面设备下入注入井的柔性注入管4和生产井14的柔性采出管15。注入井的柔性注入管4和生产井14的柔性采出管15下入前，将等离子发生器电缆9、工作介质气体注入管、冷却水进出水管一端穿入柔性注入管4内，安装于地面驱动装置8上，等离子发生器电缆9、工作介质气体注入管、冷却水进出水管另一端穿过柔性注入管4。柔性注入管4位于悬挂式注入管3内部，一端位于地面，连接于地面驱动装置8，另一端穿过注入头6后，将等离子发生器电缆9、工作介质气体注入管、冷却水进出水管与等离子发生器本体33连接，再将柔性注入管4与等离子发生器本体33用嵌入式固定装置32连接，由地面驱动装置8逐渐下入到悬挂式注入管3内部，延伸直至生产井14底部左侧。
生产井14的柔性采出管15位于悬挂式注入管3内部，一端位于地面，连接于地面采出驱动装置，另一端穿过注入头6伸入富油煤层通道中，下端开口敞开。生产的井柔性采出管15与注入井的柔性注入管4下端之间水平距离设置为10 m左右。
从辅助口13注入氮气等惰性气体，持续一段时间，并检测生产井14出口气体组成，直至气体中氧气含量低于1%，则置换完成。
等离子发生器5启动时，在工作介质气体注入口25控制注入氮气，打开冷却水注入口11和回水口12阀门，控制等离子发生器5的阴极22进水回水流量和阳极34进水回水流量，设置等离子发生器5电流参数，启动等离子发生器5电源，观察等离子发生器5电流参数，如实际电流与设置电流相差±10A以内，表明等离子发生器5启动成功。
等离子发生器5启动成功后，开始煤层热解反应。
根据生产井14出口油气流量和组分变化，逐渐提高等离子发生器5氮气流量和电流，控制富油煤层大部分在600℃左右。热解过程稳定后，经测算，焦油收率8.7%左右，热解气收率18.2%，其中热解气组分中，去除工作介质气体后，氢气体积分数为26%，甲烷体积分数为21%，一氧化碳体积分数为15%，CnHm体积分数为5%左右，其余为二氧化碳。在运行过程中，关注等离子发生器5冷却水回水温度变化，适时调整等离子发生器5冷却水进水流量和温度，避免等离子发生器5超温。
热解反应进行28h后，生产井14出口油气产量下降明显，判定该区域煤层完成热解反应过程。关闭等离子发生器5电源，将等离子发生器5电流输入参数设置为0，关闭氮气入口阀门，保留等离子发生器5冷却水进水流量，保护等离子发生器5，避免超温。打开氢气注入阀门，将等离子发生器5工作介质气体切换为氢气，设置等离子发生器5电流参数，启动等离子发生器5电源，启动等离子发生器5电源。等离子发生器5启动成功后，逐渐提高等离子发生器5氢气流量和电流，控制热解半焦层大部分在900℃左右，进行半焦加氢气化反应。并后撤生产井14的柔性采出管1510m左右，避免生产井14柔性采出管15超温损坏。待加氢气化反应温度后，气化煤气中去除介质气体后，甲烷体积浓度达到97.5%左右。
加氢气化反应进行16h后，依据生产井14出口气化煤气产量下降情况，判定该区域富油煤层完成气化反应过程。关闭等离子发生器5电源，将等离子发生器5电流输入参数设置为0，关闭氢气入口阀门，保留等离子发生器5冷却水进水流量，保护等离子发生器5，避免超温。通过地面柔性注入管4驱动装置后撤柔性注入管450m，重启等离子发生器5，继续进行正常热解反应，生产井14的柔性采出管15也随之向前移动50m。
实施例2（氢气等离子体热解和氢气等离子体气化）：
油煤原位油气开发系统包括注入井、等离子发生器5、反应通道和生产井14。注入井主要功能为驱动等离子发生器5和工作气体介质以及冷却介质注入，注入的工作介质气体为氢气，氢气经等离子发生器5高压电离，高温高能高活性氢气粒子与煤层发生热解反应产出油气产品。生产井14主要功能为油气产品实时抽采，避免油品冷凝，提高油气采收率。其中，注入井和生产井14均由定向井构建而成，并由表层套管1、生产套管2、悬挂式注入管3以及柔性注入管4或柔性采出管15构成。
注入井和生产井14表层套管1上端位于地面，下端位于地面以下，具体位置依据第四系松散层深度决定，表层套管1长度由地面至第四系松散层以下1~5米。注入井和生产井14生产套管2位于表层套管1内部，上端位于地面，下端延伸至定向井垂直段与弯曲段连接处。
注入井和生产井14的悬挂式注入管3由若干管段组成，其中，本实施例定向井中垂直段及弯曲段悬挂式注入管3管材采用钢材质，水平段悬挂式注入管3采用玻璃钢材质。根据定向井垂直段、弯曲段、水平段长度，在地面将若干管段由梯形扣等专用连接方式连接组成悬挂式注入管3，使悬挂式注入管3下端由玻璃钢材质组成，玻璃钢材质悬挂式注入管3长度等于定向井水平段长度，此后，再连接上钢材质悬挂式注入管3，钢材质悬挂式注入管3长度由定向井垂直段与弯曲段决定。采用边下悬挂式注入管3边连接方式，由地面悬挂器7逐渐下入煤层中。
悬挂式注入管3下入完毕后，再通过地面设备下入注入井的柔性注入管4和生产井14的柔性采出管15。注入井的柔性注入管4和生产井14的柔性采出管下入前，将等离子发生器电缆9、工作介质气体注入管、冷却水进出水管一端穿入柔性注入管4内，安装于地面驱动装置8上，等离子发生器电缆9、工作介质气体注入管、冷却水进出水管另一端穿过柔性注入管4。柔性注入管4位于悬挂式注入管3内部，一端位于地面，连接于地面驱动装置8，另一端穿过注入头6后，将等离子发生器电缆9、工作介质气体注入管、冷却水进出水管与等离子发生器本体33连接，再将柔性注入管4与等离子发生器本体33用嵌入式固定装置32连接，由地面驱动装置8逐渐下入到悬挂式注入管3内部，延伸直至生产井14底部左侧。
生产井14的柔性采出管15位于悬挂式注入管3内部，一端位于地面，连接于地面采出驱动装置，另一端穿过注入头6伸入富油煤层通道中，下端开口敞开。生产井14的柔性采出管15与注入井的柔性注入管4下端之间水平距离设置为10 m左右。
从辅助口13注入氮气等惰性气体，持续一段时间，并检测生产井14出口气体组成，直至气体中氧气含量低于1%，则置换完成。
等离子发生器5启动时，在氢气注入口控制注入氢气，打开冷却水注入口11和回水口12阀门，控制等离子发生器5的阴极22进水回水流量和阳极34进水回水流量，设置等离子发生器5电流参数，启动等离子发生器5电源，观察等离子发生器5电流参数，如实际电流与设置电流相差±10A以内，表明等离子发生器5启动成功。
等离子发生器5启动成功后，开始煤层热解反应。
根据生产井14出口油气流量和组分变化，逐渐提高等离子发生器5氢气流量和电流，控制富油煤层大部分在600℃左右。热解过程稳定后，经测算，焦油收率13.6%左右，热解气收率27.5%，其中热解气组分中，去除工作介质气体氢气外，甲烷体积分数为51%，一氧化碳体积分数为7.8%，CnHm体积分数为8.1%左右，其余为二氧化碳。在运行过程中，关注等离子发生器5冷却水回水温度变化，适时调整等离子发生器5冷却水进水流量和温度，避免等离子发生器5超温。
热解反应进行22h后，生产井14出口油气产量下降明显，判定该区域煤层完成热解反应过程。关闭等离子发生器5电源，将等离子发生器5电流输入参数设置为0，关闭氮气入口阀门，保留等离子发生器5冷却水进水流量，保护等离子发生器5，避免超温。打开氢气注入阀门，设置等离子发生器5电流参数，启动等离子发生器5电源，启动等离子发生器5电源。等离子发生器5启动成功后，逐渐提高等离子发生器5氢气流量和电流，控制热解半焦层大部分在900℃左右，进行半焦加氢气化反应。并后撤生产井14柔性注入管410m左右，避免生产井14柔性注入管4超温损坏。待加氢气化反应温度后，气化煤气中去除介质气体后，甲烷体积浓度达到99%以上。
加氢气化反应进行13h后，依据生产井14出口气化煤气产量下降情况，判定该区域的富油煤层完成气化反应过程。关闭等离子发生器5电源，将等离子发生器5电流输入参数设置为0，关闭氢气入口阀门，保留等离子发生器5冷却水进水流量，保护等离子发生器5，避免超温。通过地面驱动装置8后撤柔性注入管450m，重启等离子发生器5，继续进行正常热解反应，生产井14的柔性采出管15也随之向前移动50m。
最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (10)
1.一种富油煤原位油气开发系统，其特征在于，其包括，
生产井，自地面朝富油煤层由定向钻孔的方式向下延伸且进入富油煤层中；
注入井，自地面朝富油煤层由定向钻孔的方式向下延伸且与生产井贯通，注入井间隔生产井，钻孔在富油煤层中延伸到生产井形成反应通道；
悬挂式注入管，其上端设于注入井井口，下端延伸到所述富油煤层中的钻孔直到连通所述生产井；
柔性注入管，其安装于悬挂式注入管内，柔性注入管的上端位于地面且柔性注入管随悬挂式注入管延伸至富油煤层中，柔性注入管经由地面驱动装置在悬挂式注入管中移动；
柔性采出管，其安装于生产井内，柔性采出管的上端位于地面且下端延伸至富油煤层中，柔性采出管经由地面采出驱动装置在钻孔中移动；
等离子发生器，其安装于柔性注入管下端的端部以随柔性注入管移动而移动，所述等离子发生器包括，
等离子发生器本体，其固定连接柔性注入管，
阳极，其设于所述等离子发生器本体的底部，所述阳极经由阳极接线柱连接电源阳极，
阴极，其设于所述等离子发生器本体中且相对地间隔所述阳极布置，所述阴极经由阴极接线柱连接电源阴极，
工作介质气体注入口，其设于所述等离子发生器本体远离所述底部的顶端，以将工作介质气体输送到阴极与阳极之间以等离子化生成工作介质气体粒子，工作介质气体包括氮气和氢气，其中，等离子化的氮气或氢气粒子与富油煤层热解反应产出包含半焦层的油气产品，以及工作介质气体注入口切换注入氢气输送到阴极与阳极之间以生成等离子化的氢气粒子，其与所述半焦层进行半焦加氢气化反应生成甲烷气体。
2.根据权利要求1所述的一种富油煤原位油气开发系统，其特征在于，所述等离子发生器本体内设有连接所述工作介质气体注入口的气体旋流器以将均匀分布工作介质气体。
3.根据权利要求1所述的一种富油煤原位油气开发系统，其特征在于，所述等离子发生器本体还包括阳极冷却水入口和阳极冷却水出口，所述阳极的下侧连接阳极冷却水入口以导入冷却水进水，阳极的上侧连接阳极冷却水出口排出冷却水回水，构成下进上出的冷却水排布形式。
4.根据权利要求3所述的一种富油煤原位油气开发系统，其特征在于，所述等离子发生器本体还包括阴极冷却水入口和阴极冷却水出口，所述阴极连通阴极冷却水入口和阴极冷却水出口。
5.根据权利要求4所述的一种富油煤原位油气开发系统，其特征在于，所述阴极与阴极接线柱经由中空管道连接，阴极冷却水入口设于中空管道远离阳极的一端，阴极冷却水出口设于中空管道远离阳极的底部，阴极冷却水进水管穿入所述中空管道且阴极冷却水进水管一端连接所述阴极冷却水入口，另一端深入所述阴极，与阴极之间保持空隙1-10 mm，冷却水进水返回至阴极冷却水进水管与中空管道之间的环形空间，环形空间连通所述阴极冷却水出口排出冷却水回水。
6.根据权利要求5所述的一种富油煤原位油气开发系统，其特征在于，阳极冷却水入口、阳极冷却水出口、阴极冷却水入口和阴极冷却水出口均连通冷却水进出水管，冷却水进出水管在柔性注入管内延伸并分别连通地面上的冷却水注入口和回水口，阳极接线柱和阴极接线柱均连接等离子发生器电缆，等离子发生器电缆在柔性注入管内延伸并连通地面上的电源，所述工作介质气体注入口连接工作介质气体注入管，工作介质气体注入管在柔性注入管内延伸并连通地面的氮气储罐和氢气储罐。
7.根据权利要求1所述的一种富油煤原位油气开发系统，其特征在于，所述注入井和生产井分别还包括，
表层套管，其上端连接于地面，下端在地面以下自由悬挂，
生产套管，其设置于表层套管内部，生产套管上端连接于地面，下端在地面以下自由悬挂且延伸到富油煤层。
8.根据权利要求1所述的一种富油煤原位油气开发系统，其特征在于，所述悬挂式注入管和柔性注入管之间间隙设置了辅助口，辅助口可控地将惰性气体输送至钻孔中进行吹扫以在热解反应前空气置换。
9.一种利用权利要求1-8中任一项所述的一种富油煤原位油气开发系统的开发方法，其特征在于，其包括，
步骤1，工作介质气体注入口可控地注入氮气到阴极和阳极之间，设置等离子发生器电流参数、阴极进水回水流量和阳极进水回水流量，启动等离子发生器以等离子化生成等离子化的氮气粒子，等离子化的氮气粒子与富油煤层热解反应产出包含半焦层的油气产品，阳极冷却水入口和阴极冷却水入口分别将冷却水导入阳极和阴极以进行冷却，在等离子发生器运行过程中，基于阴极回水温度和阳极回水温度调整阴极进水流量和阳极进水流量，避免等离子发生器温度超过预定温度，
步骤2，油气产品经由生产井输出，根据生产井出口的油气流量和组分变化，逐渐提高等离子发生器氮气流量和电流，使之满负荷运行，当流量小于预定流量值，判断热解反应结束，关闭等离子发生器电源，将等离子发生器电流输入参数设置为0，保留冷却水进水流量，工作介质气体注入口切换成注入氢气，设置等离子发生器电流参数，启动等离子发生器电源，氢气输送到阴极与阳极之间以生成等离子化的氢气粒子，其与所述半焦层进行半焦加氢气化反应生成甲烷气体，甲烷气体经由生产井输出，根据生产井出口的甲烷气体流量变化，逐渐提高等离子发生器氮气流量和电流，使之满负荷运行，当甲烷气体流量小于预定甲烷气体流量值，判断半焦加氢气化反应结束，关闭等离子发生器；
步骤3，地面驱动装置移动柔性注入管预定距离以及地面采出驱动装置移动柔性采出管预定距离，重复步骤1-2直至结束富油煤油气开发任务。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，等离子发生器电源的实际电流与预定电流相差±10A以内，则等离子发生器启动起弧成功，如实际电流为零或者低于预定电流，则起弧失败，重复等离子发生器启动操作。
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