水平井混合气体驱替煤层气方法 【技术领域】
本发明涉及一种煤层气开采方法，尤其涉及一种水平井混合气体驱替煤层气方法。
背景技术
我国煤层大多含气量较高，平均含气量10m3/t以上的矿区，占41％；但煤层的渗透率较低，一般为0.002～16.17mD(毫达西)。其中，渗透率小于1.0mD的占72％，非常不利于煤层气的开采和利用。我国煤层普遍渗透率低、解吸速度慢而导致绝大多数煤层试验井产量低、衰减快、难以形成稳定的工业性气流。
当前技术比较成熟的煤层气开采方式有：地面垂直井、地面采动区井(Gobwell)、井下水平孔(即煤矿井下瓦斯抽放)和废弃矿井均采用单纯抽采方式。为了提高煤层气单产量，还采用定向羽状分支水平孔技术、水压致裂增渗、解放层增渗等技术，取得了一定的效果。当前井下煤层气开采主要还是抽采为主，采用负压抽取煤层气，但煤层气的采收率较低，同时水平孔的深度有限，抽采的影响范围有限，浪费了大量煤层气资源。
目前驱替开采煤层气的方法多种多样，例如：水驱替、CO2驱替、N2气驱替煤层气技术。水驱替煤层气的效果有待商榷；CO2驱替煤层气效果较好，但是会引起煤基质膨胀，降低煤层的渗透性，影响煤层的注入性，导致注入困难，并不适合我国的低渗煤层；N2驱替煤层气的效果较好，但其置换效果有限，同时CO2和N2的分离成本较贵，影响煤层气驱替开采的经济性。
驱替范围受钻井的分布影响很大。如图1，当传统垂直井驱替方式中采收井(22)四点布置，存在驱替死区(40)，该部分煤层气无法采收或者充分采收，降低了煤层气的采收率；且垂直井很大一部分处于其它岩层(非煤层)中，极小的部分在煤层中，占用了大量资金。
总之，井下煤层气抽采的效果还有待提高，开发新型的煤层气增产技术方式对于我国煤炭企业具有经济、安全和环保等方面的多重意义，因此必须寻找新的经济的、采收率高的煤层气开采方法。
【发明内容】
本发明的目的就在于克服现有煤层气开采技术存在的上述缺点和不足，扩大现有技术的使用范围，提供一种水平井混合气体驱替煤层气方法；该方法不仅有利于提高煤层气的采收率、采收速度和采收范围，降低驱替成本，同时在不可开采煤层中封存废弃气体或者封存温室气体。
本发明包括下列步骤：
①如图2、3、4，通过水平井生成工艺在煤层(30)中形成若干水平井(10)，若干水平井(10)由交替间隔排列的结构一样的注入井(11)和采收井(12)组成，每个水平井(10)包括相互连通的垂直段(13)和水平段(14)；
②采用高压注入设备将混合气体通过注入井(11)注入含煤层气的煤层(30)中；
③在采收井(12)中获取含有煤层气的混合气体，直到获取的甲烷浓度低于经济开采浓度和安全浓度为止。
本发明的工作原理和特点：
通过注入井(11)向煤层(30)注入混合气体，混合气体可包含各种气体成分，通过混合气体置换煤层气，并驱赶它流向采收井(12)。
相对于其它驱替方法，本发明主要有以下两个特点：
1、利用混合气体
混合气体具有以下作用：
一是置换，注入的强置换气体与CH4竞争吸附，置换CH4分子，促进煤层气解吸，同时降低CH4的分压，进一步促使CH4解吸；
二是驱赶，混合气体的注入维持了比单纯抽气更高的压力梯度，起到增加流体流速的作用，促使煤层气的对流、弥散，驱赶和携带CH4流向采收井(12)；
三是变渗，混合气体的注入维持了较高的孔隙压力，增大孔隙度和孔隙连通性，有利于提高煤层渗透性。此外，混合气体中不同置换比的气体成分可引起煤层膨胀或收缩(相对于吸附甲烷时)，可以降低或提高煤层渗透性，改善煤层的可注入性。
2、在水平井(10)中形成交替间隔排列的注入井(11)和采收井(12)
利用注入井(11)和采收井(12)进行煤层气驱替开采，减少垂直井数量，降低气体驱替开采成本，增加煤层气采收率，降低煤层气的浓度，对于可开采煤层，提高整个煤层开采的安全环境，同时采收煤层气；对于不可开采煤层，减少温室气体排放。
本发明具有以下优点和积极效果：
1、发挥强置换气体的竞争吸附能力。煤对强置换气体(如SO2、H2S、CO2、NOx、SOx等气体)的吸附能力比CH4强，注入强置换气体可以促进CH4的脱附。当然，注入的强置换气体也降低CH4在煤层中的分压，也有一定的促进CH4脱附的效果。发挥弱置换气体的增渗作用。弱置换气体驱替甲烷后，煤层发生收缩，有增大渗透性的作用。例如：弱置换气体(如：N2、H2、He)使煤层渗透系数增加1个量级以上，总体而言可以通过混合气体中不同置换能力的气体成分，控制煤基质的胀缩，控制煤层的渗透性，这对于低渗透煤层的煤层气开发具有重要意义。
2、利用水平井混合气体驱替煤层气开采方法，可以减少驱替开采建设成本，增加驱替的范围，提高煤层气的采收率，利用大部分煤层气资源。
3、水平井混合气体驱替煤层气降低了采区煤层的瓦斯含量，降低瓦斯突出和煤层突出的风险，改善了煤层开采的安全性；不可开采煤层则可以进行废弃气体地质封存。
总之，本发明兼顾强置换气体的优势竞争吸附和弱置换气体的增渗和降低甲烷气体分压的效果；提高煤层气的采收率和单产量，同时在不可开采煤层可进行废弃气体的地质封存和减排。
【附图说明】
图1是垂直井驱替死区煤层气示意图；
图2是本发明多层水平井分布示意图(主视)；
图3是本发明多层水平井分布示意图(侧视)；
图4是本发明多层水平井混合气体驱替煤层气示意图；
图5是本发明混合气体流动示意图之一；
图4是本发明混合气体流动示意图之二；
图7是本发明多分支水平井水平布置示意图。
其中：
10-水平井，
11-注入井；
12-采收井；
13-水平段；
14-垂直段。
20-传统钻井，
21-传统注入井；22-传统采收井。
30-煤层。
40-驱替死区。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
1、关于步骤①
水平井生成工艺术在煤炭、煤层气开采、石油领域已经存在；我国水平井生成工艺处于世界领先地位(主要指石油、煤炭部门)，可直接采用这些工艺进行水平井生成。现有且成熟的水平井生成工艺有：垂直水平井、小曲率半径水平井、多分支水平井、羽状水平井、超长水平井等工艺技术。若煤层有多个矿层或者矿层很厚的情况，就需要多层水平井。一般情况下，采用超长水平井可有效地减少钻井垂直部分的重复钻进；特别对于埋藏较深、比较薄的矿层，超长水平井驱替相对于传统煤层气开采方法具有不可比拟的成本优势。水平井生成工艺参照石油、煤炭部门水平井成井技术进行。只有主水平井的情况下，注入井与采收井之间的间距选择方法与传统煤层气开采方法一致，控制范围为1m～1000m，根据开采时间一般取100～300m为最佳距离；有分支井的情况下，分支井与分支井之间的间距与一般驱替方法的间距的选择方法一致。
如图2、3、7，将水平井(10)分为注入井(11)和采收井(12)。一般而言，钻井分布为交替状，多层水平井时，可以在矿层空间上形成空间布井，形成空间上的交替间隔状。
其中，注入井(11)和采收井(12)应顺煤层(30)方向，注入井(11)和采收井(12)的水平段与煤层(30)方向的夹角为±40度范围。
2、关于步骤②
1)将各种气体按照一定比例混合形成混合气体，通过高压注入设备(如高压注气泵、高压容器等)将混合气体经注入井(11)注入煤层(30)。
2)混合气体成分包含比较广，主要包括强置换气体，选择SOx、NOx、H2S、CO2等气体和弱置换气体，选择N2、H2等气体。混合强置换气体和弱置换气体，同时可包含O2，破坏煤基质表面结构，引起煤层气脱附。
混合气体平均置换率参照以下公式计算：
R‾=Σi=1npi×Ri=0.2~5---[1]]]>
其中：
-混合气体平均置换率；
pi-各种气体的体积比例；
Ri-各种气体的置换率，即在相同压力下，各种气体对煤基质吸附量相对于甲烷对煤基质吸附量的比率。
主要混合气体置换率可按照以下参数进行计算：
SO2∶H2S∶CO2∶CH4∶N2∶H2＝5∶4∶2∶1∶0.2∶0.1；
或经过试验确定和参考其它资料。其它气体直接由试验结果确定。
为0.2时，主要为降低甲烷分压促使其解吸；为5时，主要是竞争吸附促使甲烷解吸。
O2主要作用破坏煤基质表面，提高煤层温度，促使甲烷解吸，但控制条件以不引起煤层自燃为准。氧气单独控制，其控制标准为O2浓度在0％～21％范围内，作为辅助手段加入煤层中。
注入过程中根据煤层的压力和温度变化动态调整混合气体的构成，例如：开始注入较大的气体，根据煤层的注入性，调整的构成(即：气体比例)，采用小值的驱替混合气体驱替，交替注入驱替煤层气；或者采用平均的平稳的采用驱替混合气体驱替煤层气。
另外，混合气体可直接采用工业废气、空气、废弃气体、含硫尾气或者它们的混合气体加入调节成分气体，混合气体浓度要求低或者不要求，大幅度降低气源成本和降低混合气体驱替煤层气的总成本；同时将废弃气体封存与不可开采煤层中，降低大气污染。
对于不可开采煤层，气体成分可以随意；但对于可开采煤层，考虑到将来开采该煤层，注入的气体不能有很强的毒性，一般采用CO2和N2混合驱替效果比较好。
3、关于步骤③
在采收井(12)中获取煤层气或者含有煤层气的驱替混合气体，分离出甲烷后的其它气体成分可重新作为驱替混合气体中的成分循环使用。混合气体驱替混合气体驱替煤层气可大幅度提高煤层气的产量和开采速度；若进行废弃气体注入则可实现大规模废弃气体的地质封存。