JP6838172B2

JP6838172B2 - 複数炭層における独立ガス含有システムの圧力制御単一ポンプ採掘装置および採掘方法

Info

Publication number: JP6838172B2
Application number: JP2019565863A
Authority: JP
Inventors: 財芳呉; 孝杰房; 寧寧劉; 秀明蒋; 莎莎張
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2018-10-24
Filing date: 2019-05-05
Publication date: 2021-03-03
Anticipated expiration: 2039-05-05
Also published as: KR102366868B1; KR20200047448A; JP2021503052A; WO2020082716A1; CN109458161A; AU2019264691A1; ZA202000092B

Description

本発明は、炭鉱開発技術分野に関し、特に、複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘装置および採掘方法に関する。

複数の炭層での炭層ガス採掘を行う際、貯留層不均一性、貯留層圧力、液体供給能力、浸透率、炭層ガス含有量およびガス飽和率などの要素の影響を受け、異なるガス含有システムの間で層間干渉現象がよく現れ、ガス井戸の生産能力を低下させる場合がある。当業者は、炭層ガスに関連する基礎的な地質、破砕と排水、採掘など多くの研究を行ってきたが、研究は主に単一炭層に関するものであり、複数炭層独立ガス含有システムに関する先行研究はほとんどない。現在、数炭層地区のガス井の生産能力は低く、先行技術に提案された「層別圧力制御、層複合採掘」の装置、方法および技術は、各炭層を垂直方向に分離できるが、各炭層に対する排水・降圧の速度を制御することができず、各炭層のガス生産能力も監視できないので、採掘過程において採掘の最適化は困難である。

上記従来技術の欠点を解決するために、本発明は、複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘装置および採掘方法を提供する。本発明によれば、各独立ガス含有システムにおいて独立の動的液面が形成され、前期に計算された数値シミュレーションの結果に基づいて、各独立ガス含有システムの排水・減圧の速度を調整し、層間干渉が低減され、圧力降下分配（ろうとあるいはじょうご）（ＰＲＥＳＳＵＲＥＤＲＯＰＦＵＮＮＥＬ、ｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒａｗｄｏｗｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）が可能な限り広がれ、ガスの生産量を増加させる。

本発明は、以下の技術的な解決手段を提案する。

複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘装置であって、内套管と外套管とを備え、外套管が前記内套管の外側に嵌合され、前記外套管は、複数の独立ガス含有システムを貫通し、前記内套管の内部に、送油管が設けられ、送油管の内部にサッカーロッドが設けられ、前記サッカーロッドの底端部とチューブポンプとが接続され、前記チューブポンプの底部に沈砂管が設けられ、前記沈砂管の上方に篩管が設けられ、前記内套管と外套管との間に、第１パッカーと第２パッカーとが設けられ、前記第１パッカーは、最下側の２つの独立ガス含有システムを除く各独立ガス含有システムの底端部に対応する内套管の外側に設けられ、前記第２パッカーは、下から上に向かって２番目の独立ガス含有システムの底端部に対応する内套管外側に設けられ、前記内套管の内管壁は、圧力計電纜と環状限流弁電纜とを設け、前記圧力計電纜の底端部は、圧力計に接続され、圧力計は内套管の内壁の底端部に設けられ、前記環状限流弁電纜の底端部は、各独立ガス含有システムの環状限流弁と接続される、複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘装置を提供する。

さらに、前記内套管外壁は、複数の半環状開口を設け、且つ半環状開口の外側に環状限流弁が取り付けられ、前記環状限流弁の高さおよび直径は、半環状開口の高さおよび直径よりも大きい、複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘装置を提供する。

さらに、前記環状限流弁は、限流弁とトラクターとで構成され、環状限流弁の開口サイズは、限流弁側のトラクターの引き込みによって制御され、環状限流弁電纜が内套管の壁を貫通してトラクターと接続される、複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘装置を提供する。

さらに、前記採掘装置は、独立ガス含有システムのガス生産量を測定するためのガス流量計と、内套管を固定するためのセントラライザーとを備え、前記ガス流量計は坑口に固設され、前記セントラライザーは、内套管と外套管との間に設けられる、複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘装置を提供する。

さらに、前記第１パッカーの長手方向に、ガス産出補助通路と内套管通路とが設けられ、前記内套管通路は第１パッカーの中央部に位置され、前記ガス産出補助通路と内套管通路とが外接され、且つガス産出補助通路直径は内套管通路よりも小さく、前記内套管が内套管通路を貫通して外套管と固定され、前記第２パッカーは、最底端部の独立ガス含有システムと、前記最底端部の独立ガス含有システムと隣接する独立ガス含有システムとを分仕切り、各独立ガス含有システムを個別な独立構造にし、且つ第２パッカーの長手方向に、内套管を貫通するための内套管通路が設けられる、複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘装置を提供する。

さらに、前記採掘装置は、複数のガス産出補助管を備え、前記ガス産出補助管がガス産出補助通路を貫通し、且つガス産出補助管と上端部とガス流量計とが接続され、下端部は、それぞれ、対応する独立ガス含有システムと連通され、前記ガス産出補助管は、各独立ガス含有システムの動的液面の観察および調整に使用される、複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘装置を提供する。

さらに、前記ガス産出補助管の下端部は、最頂端部の独立ガス含有システムおよび最底端部の独立ガス含有システムを除く各独立ガス含有システムと連通される、複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘装置を提供する。

複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘方法であって、浸透力学原理に基づき、且つ炭層ガス開発実験と数値シミュレーション技術とに結びつけて、石炭貯留層圧力の伝達パータンを予測し、環状限流弁の排出量の基準とするステップと、目標領域の単一炭層ガス含有特性および貯留層圧力の層分布性質に基づいて、目標領域の炭層群を、３つの独立ガス含有システムに区画し、区画された独立ガス含有システムに従って、第１独立ガス含有システムの底端部の内套管の外側に第１パッカーが取り付けられ、第２独立ガス含有システムの底端部の内套管の外側に第２パッカーが取り付けられ、第１パッカーにおけるガス産出補助通路とガス産出補助管とを連通し、圧力計電纜と圧力計とを接続し、且つ圧力計が内套管の内壁の底部に固定されたあと、圧力計と、圧力計と圧力計電纜とを接続する部分を密封するステップと、独立ガス含有システムの区画結果および各ガス含有システムの貯留層特徴に基づき、数値シミュレーションの結果に結びつけて、各独立ガス含有システムの最大ガス生産能力に至る時点で、液柱の高さに応じて半環状開口を開け、且つ、応力受け部分を予め設置し、半環状開口の外側に環状限流弁を取り付け、ここでは２つの環状限流弁が取り付けられ、環状限流弁電纜が内套管の管壁を貫通して環状限流弁トラクターと接続され、最後に、環状限流弁と環状限流弁電纜との接続部分を密封するステップと、環状限流弁と圧力計とを固定している内套管、パッカー、ガス産出補助管を設計深度に固定し、パッカーを封じ、内套管と外套管との間に、独立ガス含有システムに対応する独立空間が形成されるステップと、坑口を設置して、ポンピングを開始し、採掘中に、三つの独立ガス含有システムの貯留層特徴および数値シミュレーションの結果に基づいて、環状限流弁の排水量を計画し、各環状限流弁の開口サイズを制御し、各独立ガス含有システムのポンプポートに流入する水の量を制御し、圧力計とガス流量計の測定値を読み取りながら、圧力計の数値が確実に減少することを確認し、貯留層への損傷を減らし、圧力降下分配が可能な限り広がれ、ガス流量計の測定値と数値シミュレーションの結果とを比較することまたは反転計算に基づいて、環状限流弁の流量を調整する基準とするステップと、
採掘の後期では、炭層の液体生産量が減少し、ストロークを減少し、動的液面の下降速度を低下させ、各独立ガス含有システムに最大ガス産出能力に達した後、動的液面は、炭層が露出しないように、半環状開口の頂部境界まで下降されるステップと、を含む、複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘方法を提供する。

従来技術と比べ、本発明は以下の利点を有する。

（１）石炭貯留層の特性の違いに応じて、炭層群を異なるガス含有システムに分割し、且つ各独立ガス含有システム用のパッカーに分割され、異なるガス含有システムを異なる圧力システムで密閉される。また、内套管は、独立ガス含有システムに対応する特定な位置に、半環状開口を設け、且つ環状限流弁を取り付ける。バルブの開閉を調整することによって、内套管のポンプポートに流入する水の量を制御することができ、各独立ガス含有システムの圧力降下分配が広がれ、各独立ガス含有システムの生産能力を増加することができる。

（２）ガス産出補助管は各独立ガス含有システムに生成されたガスを隔置し、ガス産出補助管の頂端部にガス流量計が取り付けられ、各独立ガス含有システムに生成されたガス産出量を検測でき、数値シミュレーションによって得られた予測結果と実際のガス産出量とを比較することまたは反転計算に基づいて、環状限流弁の流量を修正し、各独立ガス含有システムの圧力降下分配の広がりを安定に持続させることができる。

本発明の複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘装置の構造を示す概念図である。本発明の環状限流弁の構造を示す概念図である。図３ａは第１パッカーの断面図であり、図３ｂは第２パッカーの断面図である。

１：圧力計電纜、２：環状限流弁電纜、３：ガス流量計、４：セントラライザー、５：サッカーロッド、６：送油管、７：外套管、８：内套管、９：環状限流弁、１０：ガス産出補助管、１１：第１パッカー、１２：第２パッカー、１３：チューブポンプ、１４：篩管（ｓｉｅｖｅｔｕｂｅ）、１５：沈砂管、１６：圧力計、１７：限流弁、１８：トラクター、１９：ガス産出補助通路、２０：内套管通路。

本発明をよく理解するために、以下の図面および実施形態を参照しながら本発明について説明する。以下の実施形態は、本発明を理解するための記載であり、本発明の保護の範囲を限定するものではない。

図１および図２に示すように、複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘装置は、内套管８と外套管７とを備え、前記内套管８が前記外套管７の内部に設けられ（すなわち、前記外套管７が前記内套管８の外部に嵌合される）、前記外套管７が複数の独立したガス含有システムを貫通し、前記内套管８の内部に、送油管６が設けられ、送油管６の内部にサッカーロッド５が設けられ、前記サッカーロッド５の底端部がチューブポンプ１３に接続され、前記チューブポンプ１３の底部に沈砂管１５が設けられ、前記沈砂管１５の上方に篩管１４が設けられる。

前記内套管８と外套管７との間に、第１パッカー１１と第２第１パッカー１２が設けられ、前記第１パッカー１１は、最下側の２つの独立ガス含有システムを除く各独立ガス含有システムの底端部に対応する内套管８の外側に設けられ、前記第２第１パッカー２は、下から上に向かって２番目の独立ガス含有システムの底端部に対応する内套管８の外側に設けられる。

前記内套管８の内管壁は、圧力計電纜１と環状限流弁電纜２とを設けており、前記圧力計電纜１の底端部が圧力計１６に接続され、圧力計１６は内套管８の内壁の底端部に固定され、前記環状限流弁電纜２の底端部が各独立ガス含有システムの環状限流弁９と接続される。

上記実施形態において、前記内套管８外壁は、複数の半環状開口を設け、かつ半環状開口の外側には環状限流弁９が取り付けられ、前記環状限流弁９の高さおよび直径は半環状開口の高さおよび直径よりも大きい。前記環状限流弁９は、限流弁１７とトラクター１８とで構成され、環状限流弁９の開口サイズは、限流弁１７側のトラクター１８の引き込み動作によって制御され、環状限流弁電纜２は、内套管８の壁を貫通してトラクター１８と接続される。

上記実施形態において、前記採掘装置は、独立ガス含有システムからのガス産量を測定するためのガス流量計３と、内套管を固定するためのセントラライザー４とを備え、前記ガス流量計３は、坑口に固設され、前記セントラライザー４は、内套管８と外套管７との間に設けられ、ガス流量計３は渦巻流量計（Ｓｗｉｒｌｍｅｔｅｒ／ｖｏｒｔｅｘｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎｆｌｏｗｍｅｔｅｒ）であり、セントラライザー４は弾性変位規制セントラライザーである。

図３に示すように、前記第１パッカー１１の長手方向には、ガス産出産出補助通路１９と内套管通路２０とが設けられ、前記内套管通路２０が第１パッカー１１の中央部に位置され、前記ガス産出補助通路１９と内套管通路２０とが外接され、かつガス産出ガス産出補助通路１９の直径は内套管通路２０よりも小さく、前記内套管８が内套管通路２０を貫通して外套管７に固定される。前記第２第１パッカー２は、最底端部の独立ガス含有システムとそれに隣接する独立ガス含有システムとを仕切り、各独立ガス含有システムを個別な独立構造にし、第２第１パッカー２の長手方向には、内套管８を貫通するための内套管通路２０が設けられる。

上記実施形態において、前記採掘装置は、複数のガス産出ガス産出補助管１０を備え、前記ガス産出ガス産出補助管１０がガス産出ガス産出補助通路１９を貫通し、且つガス産出補助管１０の上端部とガス流量計３とが接続されており、下端部がそれぞれ対応する独立ガス含有システムに連通され、前記ガス産出補助管１０は、各独立ガス含有システムの動的液面の観察と調整にも使用されることができる。

以下、３つの独立ガス含有システムの炭層ガスシステムの制御圧単一ポンプでの採掘を例として、実施するステップを説明する。

（ステップ１）
浸透力学（多孔質媒体における流体力学、ＭｅｃｈａｎｉｃｓｏｆＦｌｕｉｄｓｉｎＰｏｒｏｕｓＭｅｄｉａ）原理に基づき、且つ炭層ガス開発実験と数値シミュレーション技術とに結びつけて、石炭貯留層圧力の伝達パータンを予測し、環状限流弁の排出量の基準とする。

（ステップ２）
目標領域の単一炭層ガス含有特性および貯留層圧力の層分布性質に基づいて、目標領域の炭層群を、３つの独立ガス含有システムに区画し、区画された独立ガス含有システムに従って、第１独立ガス含有システムの底端部の内套管の外側に第１パッカーが取り付けられ、第２独立ガス含有システムの底端部の内套管の外側に第２パッカーが取り付けられ、第１パッカーにおけるガス産出補助通路とガス産出補助管とを連通し、圧力計電纜と圧力計とを接続し、且つ圧力計が内套管の内壁の底部に固定されたあと、圧力計と、圧力計と圧力計電纜とを接続する部分を密封する。

（ステップ３）
独立ガス含有システムの区画結果および各ガス含有システムの貯留層特徴に基づき、数値シミュレーションの結果に結びつけて、各独立ガス含有システムの最大ガス産出能力に至る時点で、液柱の高さに応じて半環状開口を開け、且つ、応力受け部分を予め設置し、半環状開口の外側に環状限流弁が取り付けられ、ここでは２つの環状限流弁が取り付けられ、環状限流弁電纜が内套管の管壁を貫通して環状限流弁トラクターと接続され、最後に、環状限流弁と環状限流弁電纜との接続部分を密封する。

（ステップ４）
環状限流弁と圧力計とを固定している内套管、パッカー、ガス産出補助管を設計深度に固定し、パッカーを封じ、内套管と外套管との間に、独立ガス含有システムに対応する独立空間が形成される。

（ステップ５）
坑口を設置して、ポンピングを開始し、採掘中に、三つの独立ガス含有システムの貯留層特徴および数値シミュレーションの結果に基づいて、環状限流弁の排水量を計画し、各環状限流弁の開口サイズを制御し、各独立ガス含有システムのポンプポートに流入する水の量を制御し、圧力計とガス流量計の測定値を読み取りながら、圧力計の数値が確実に減少することを確認し、貯留層への損傷を減らし、圧力降下分配が可能な限り広がれ、ガス流量計の測定値と数値シミュレーションの結果とを比較することまたは反転計算に基づいて、環状限流弁の流量を調整する基準とする。

（ステップ６）
採掘の後期では、炭層の液体生産量が減少し、ストロークを減少し、動的液面の下降速度を低下させ、各独立ガス含有システムに最大ガス産出能力に達した後、動的液面は、炭層が露出しないように、半環状開口の頂部境界まで下降される。

本発明の実施形態は、好ましい実施形態を開示しているが、これには限定されない。当業者は、本発明の発想を理解し、または上記の実施形態に基づいて、開示された実施形態を変更または改良することができ、本発明の技術的な思想から逸脱することのない変更または改良は、いずれも本願特許請求の範囲に含まれている。

Claims

複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘装置であって、
内套管（８）と外套管（７）とを備え、
外套管（７）が前記内套管（８）の外側に嵌合され、
前記外套管（７）は、複数の独立ガス含有システムを貫通し、
前記内套管（８）の内部に、送油管（６）が設けられ、送油管（６）の内部にサッカーロッド（５）が設けられ、前記サッカーロッド（５）の底端部とチューブポンプ（１３）とが接続され、前記チューブポンプ（１３）の底部に沈砂管（１５）が設けられ、前記沈砂管（１５）の上方に篩管（１４）が設けられ、
前記内套管（８）と外套管（７）との間に、第１パッカー（１１）と第２パッカー（１２）とが設けられ、前記第１パッカー（１１）は、最下側の２つの独立ガス含有システムを除く各独立ガス含有システムの底端部に対応する内套管（８）の外側に設けられ、前記第２パッカー（１２）は、下から上に向かって２番目の独立ガス含有システムの底端部に対応する内套管（８）外側に設けられ、
前記内套管（８）の内管壁は、圧力計電纜（１）と環状限流弁電纜（２）とを設け、前記圧力計電纜（１）の底端部は、圧力計（１６）に接続され、圧力計（１６）は内套管（８）の内壁の底端部に設けられ、前記環状限流弁電纜（２）の底端部は、各独立ガス含有システムの環状限流弁（９）と接続される、ことを特徴とする複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘装置。
前記内套管（８）外壁は、複数の半環状開口を設け、且つ半環状開口の外側に環状限流弁（９）が取り付けられ、前記環状限流弁（９）の高さおよび直径は、半環状開口の高さおよび直径よりも大きい、ことを特徴とする請求項１に記載の複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘装置。
前記環状限流弁（９）は、限流弁（１７）とトラクター（１８）とで構成され、環状限流弁（９）の開口サイズは、限流弁（１７）側のトラクター（１８）の引き込みによって制御され、環状限流弁電纜（２）が内套管（８）の壁を貫通してトラクター（１８）と接続され、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘装置。
前記採掘装置は、独立ガス含有システムのガス生産量を測定するためのガス流量計（３）と、内套管を固定するためのセントラライザー（４）とを備え、前記ガス流量計（３）は坑口に固設され、前記セントラライザー（４）は、内套管（８）と外套管（７）との間に設けられる、ことを特徴とする請求項１に記載の複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘装置。
前記第１パッカー（１１）の長手方向に、ガス産出補助通路（１９）と内套管通路（２０）とが設けられ、前記内套管通路（２０）は第１パッカー（１１）の中央部に位置され、前記ガス産出補助通路（１９）と内套管通路（２０）とが外接され、且つガス産出補助通路（１９）直径は内套管通路（２０）よりも小さく、前記内套管（８）が内套管通路（２０）を貫通して外套管（７）と固定され、前記第２パッカー（１２）は、最底端部の独立ガス含有システムと、その隣接する独立ガス含有システムとを仕切り、各独立ガス含有システムを個別な独立構造にし、且つ第２パッカー（１２）の長手方向に、内套管（８）を貫通するための内套管通路（２０）が設けられる、ことを特徴とする請求項１に記載の複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘装置。
前記採掘装置は、複数のガス産出補助管（１０）を備え、前記ガス産出補助管（１０）がガス産出補助通路（１９）を貫通し、且つガス産出補助管（１０）の上端部とガス流量計（３）とが接続され、下端部は、それぞれ、対応する独立ガス含有システムと連通され、前記ガス産出補助管（１０）は、各独立ガス含有システムの動的液面の観察および調整に使用される、ことを特徴とする請求項１に記載の複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘装置。
前記ガス産出補助管（１０）の下端部は、最頂端部の独立ガス含有システムおよび最底端部の独立ガス含有システムを除く各独立ガス含有システムと連通される、ことを特徴とする請求項６に記載の複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘装置。
複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘方法であって、
浸透力学原理に基づき、且つ炭層ガス開発実験と数値シミュレーション技術とに結びつけて、石炭貯留層圧力の伝達パータンを予測し、環状限流弁の排出量の基準とするステップと、
目標領域の単一炭層ガス含有特性および貯留層圧力の層分布性質に基づいて、目標領域の炭層群を、複数の独立ガス含有システムに区画し、区画された独立ガス含有システムに従って、最下側の２つの独立ガス含有システムを除く各独立ガス含有システムの底端部に対応する内套管の外側に第１パッカーが取り付けられ、下から上に向かって２番目の独立ガス含有システムの底端部の内套管の外側に第２パッカーが取り付けられ、第１パッカーにおけるガス産出補助通路とガス産出補助管とを連通し、圧力計電纜と圧力計とを接続し、且つ圧力計が内套管の内壁の底部に固定され、圧力計と、圧力計と圧力計電纜とを接続する部分を密封するステップと、
独立ガス含有システムの区画結果および各ガス含有システムの貯留層特徴に基づき、数値シミュレーションの結果に結びつけて、各独立ガス含有システムの最大ガス生産能力に至る時点で、液柱の高さに応じて半環状開口を開け、且つ、応力受け部分を予め設置し、半環状開口の外側に環状限流弁が取り付けられ、環状限流弁電纜が内套管の管壁を貫通して環状限流弁トラクターと接続され、環状限流弁と環状限流弁電纜との接続部分を密封するステップと、
環状限流弁と圧力計とが固定されている内套管、パッカー、ガス産出補助管を設計深度に固定し、内套管と外套管との間に、独立ガス含有システムに対応する独立空間を形成させるステップと、
坑口を設置して、ポンピングを開始し、採掘中に、各独立ガス含有システムの貯留層特徴および数値シミュレーションの結果に基づいて、環状限流弁の排水量を計画し、各環状限流弁の開口サイズを制御し、各独立ガス含有システムのポンプポートに流入する水の量を制御し、圧力計とガス流量計の測定値を読み取りながら、圧力計の数値が平穏に減少することを確認し、これで貯留層への損傷を減らし、圧力降下分配が可能な限り広がれ、ガス流量計の測定値と数値シミュレーションの結果とを比較することまたは反転計算に基づいて、環状限流弁の流量を調整する基準とするステップと、
採掘の後期では、炭層の液体生産量が減少し、ストロークを減少し、動的液面の下降速度を低下させ、各独立ガス含有システムに最大ガス産出能力に達した後、動的液面は、炭層が露出しないように、半環状開口の頂部境界まで下降されるステップと、を含む、（複数炭層における独立ガス含有システムの制御圧単一ポンプ採掘方法。