煤层气热采新工艺.pdf

一种煤层气热采新工艺，其特征在于：在煤层气生产井或气化井的下部放炽热的焦碳，并压入气化剂，将孔底煤层点燃，通过局部煤层燃烧所释放的热量，加热其邻近的煤层，提高煤层的解析能力、渗透系数和渗透压力，从而提高煤层气产率。

1.  一种煤层气热采新工艺，其特征在于：在煤层气生产井或气化井的下部放炽热的焦碳，并压入气化剂，将孔底煤层点燃，通过局部煤层燃烧所释放的热量，加热其邻近的煤层，提高煤层的解析能力、渗透系数和渗透压力，从而提高煤层气产率。

2.  根据权利要求1所述的煤层气热采新工艺，其特征在于：气化剂为空气、富氧或纯氧-水蒸汽。

3.  根据权利要求1或2所述的任意一种煤层气热采新工艺，其特征在于：可采用三种方法实现，即单井加热煤层气开采工艺、垂直井组盲孔加热煤层气开采工艺和水平定向井分层气化加热煤层气开采工艺。

4.  根据权利要求3所述的煤层气热采新工艺，其特征在于：采用单井(1)加热煤层，在煤层(2)中，打钻孔或利用原有的瓦斯生产井(1)，在生产井(1)孔底下放炽热的焦碳，并压入气化剂，使焦碳和孔底煤层局部燃烧，燃烧所产生的热量向煤层里传递，加热煤层，待煤层在设计的范围里平均温度达到100℃以上时，停止供入气化剂，打开井口将废气排放干净，根据孔口出气成分的测量，收集煤层气。

5.  根据权利要求3所述的煤层气热采新工艺，其特征在于：采用单井加热煤层，在井(1)中减少供入气化剂，使燃烧所产生的热烟气压入煤层，用热烟气驱赶和置换煤层气，在相邻的单井里收集煤层气，由多个单井组成井群，可实现规模化生产。

6.  根据权利要求3所述的煤层气热采新工艺，其特征在于：用垂直井组盲孔加热煤层气开采工艺，在煤层(10)中打一口垂直井(5)，根据煤层气开采布井要求和试验所获得的温度场扩展情况，在该孔四周适当的距离打产气井，在孔(5)底部下放炽热焦碳后，再下放一根供风管(6)，在供气管(6)中供入气化剂，点燃煤层，由供气管(6)和钻孔(5)之间的环形空间(7)中排出煤气，实现盲孔气化，生产煤气，同时加热煤层(10)，煤层(10)加热后，在产气井收集煤层气，增加煤层气产量。

7.  根据权利要求3所述的煤层气热采新工艺，其特征在于：采用水平定向井分层气化加热煤层气开采工艺，在两层或两层以上的煤层中，煤层间的岩层(16)距离在50m以内时，通过气化下部/中间一层煤(13)来加热上层/下层煤(15)，在下部/中间煤层(13)中，布置水平定向井(12)，并施工垂直井(11)，构成一个煤炭地下气化炉，在垂直井(11)底部下放焦碳，点燃煤层，并送入气化剂，水平定向井(12)排出煤气，在燃烧气化煤层(13)的上/下部煤层(15)中布置煤层气采气井(14)。

8.  根据权利要求7所述的煤层气热采新工艺，其特征在于：气化炉选择在较薄的煤层中。

9.  根据权利要求7所述的煤层气热采新工艺，其特征在于：煤层气采气井(14)为定向水平井、定向羽状井或在煤层15中每隔50～150m施工多个平面网格布置的垂直井，收集煤层气。

10.  根据权利要求7所述的煤层气热采新工艺，其特征在于：待煤层气开采完毕后，利用煤层气采气井(14)构建煤炭地下气化炉，进一步气化煤层，获得可燃气体，即将煤层气开采工艺和煤炭地下气化工艺结合起来。

煤层气热采新工艺
技术领域
本发明属于煤层气开采工艺技术领域，特别涉及通过加热煤层提高煤层气产量的工艺方法，这是一种全新的煤层气开采工艺，能够有效地提高煤层气的开采率。
背景技术
我国煤层气的资源比较丰富，而煤层气的利用率还比较低，煤层气的开采工艺及增产工艺比较落后。目前煤层气的开采方式主要有：地面垂直井开采、地面采动区开采、井下瓦斯抽放及废弃矿井煤层气抽放。地面垂直井开采是在地面打钻井进入尚未进行开采活动的煤层，通过排水降压使煤层中的吸附气解吸出来，由井筒流到地面。这种开采方式产气量大，资源回收率高、机动性强、可形成规模效益。它要求有厚度较大的煤层或煤层群，煤储层的渗透性要较好，以及较有利的地形条件。地面采动区开采(GOB WELL)是从地面打钻孔进入煤矿采动区上方，利用自然压差或瓦斯泵抽取聚集和残留在受采动影响区的岩石、未开采煤层之中以及采空区内的煤层气，地面采动区井初期产量较大，但单井服务年限较短，一般为1～2年。采动区井严格受采煤活动的控制，并要求在主采煤层之上赋存多个煤层，以保证有足够的气源。井下瓦斯抽放是从煤矿井下采掘巷道中打钻孔，在地面通过瓦斯泵造成负压来抽取煤层中的气体。这种方式在煤炭系统称为矿井瓦斯抽放。矿井瓦斯抽放产量小，资源回收利用率低，井下作业难度较大，并受制于煤矿采掘生产的进度，但其适用条件比较广泛，它多以矿井安全生产为目的，并兼及煤层气资源的回收利用。废弃矿井煤层气(CMM—COAL MINE METHANE)是近几年才发展起来的一种新的煤层气开发方式，是从已报废的(停采)煤矿井中抽取残留、聚集在地下岩层和煤层中的煤层气并加以利用，由于该方式无需施工新钻井，也不用进行储层强化改造措施，故所需费用低廉，而且抽放是在煤矿停产之后进行，不会与煤矿生产发生矛盾。
煤层气增产的工艺技术主要有煤层气水力压裂增产技术和注气增产法。煤层气水力压裂增产技术是煤层气开采最常用的增产措施。但是由于我国含煤地层一般都经历了成煤后的强烈构造运动，煤层的原始结构往往遭到很大破坏，塑性大大增强，导致水力压裂时，往往既不能进一步扩展原有的裂隙和割理，也不能产生新的较长的水力裂缝，而主要是在煤层发生塑性变形，总的来看，效果并不理想。因此，对煤层水力压裂裂缝展布规律的认识对于提高压裂效果至关重要。注气增产法是美国AMOCO公司开发的一项提高煤层气产量的新方法。该方法被认为是一种具有发展前途的新措施，受到各方面的广泛关注。注气增产法是将N₂、CO₂或烟道气注入煤层，降低甲烷在煤层中的分压，有利于甲烷从煤体中置换解吸出来，提高单井产量和采收率。该工艺可以有效提高煤层气的生产潜力，而且还可以利用该工艺开发深部低渗透性煤层中的煤层气，因为注入CO₂有助于维持孔隙压力，可以较好地保护深部煤层中的割理和其它孔隙的开启程度。为探索CO₂提高煤层气采收率技术，中联煤层气公司在加拿大专家的协作下，进行了单井注入、单井产出的注CO₂采气试验。试验选在山西沁水盆地南部枣园井组的TL—003井作为试验井，经注入、关井(使CO₂充分置换CH₄)、排采和气体组分监测，实现了单井注入/产出试验，取得了预期成果。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的煤层气增产工艺技术方法。
实验研究结果表明，煤层温度每升高1℃，煤吸附瓦斯的能力降低约为8％，其原因是温度升高时，瓦斯活性增大，难于被煤体吸附，同时已被吸附的瓦斯分子易于获得动能，从煤体表面脱逸出来。同时当煤层温度达到一定程度时，煤将发生热解反应，煤的热解是煤中有机质受热分解生成挥发性气体(CH₄、H₂、CO等)产物的过程。因此，适当提高煤层温度，能显著提高煤层气的产量。
本发明是以如下技术方案实现的：
在煤层气生产井1或气化井5、11的下部放炽热的焦碳，并压入气化剂，将孔底煤层点燃，通过局部煤层燃烧所释放的热量，加热其邻近的煤层，提高煤层的解析能力、渗透系数和渗透压力，从而提高煤层气产率。
气化剂可为任意煤层开采用气化气体，优选：空气、富氧或纯氧-水蒸汽。
本发明可采用三种方法实现，即单井加热煤层气开采工艺、垂直井组盲孔加热煤层气开采工艺和水平定向井分层气化加热煤层气开采工艺。
1.单井加热煤层气抽放工艺
采用单井加热煤层，在煤层中，根据煤层的地质结构，打钻孔或利用原有的瓦斯生产井1至煤层2底部，在孔底下放炽热的焦碳，并压入气化剂，可以是空气或富氧，使焦碳和孔底煤层局部燃烧，燃烧所产生的热量向煤层里传递，加热煤层，待煤层在设计的范围里，达到100℃以上时，停止供入气化剂，打开井口将废气排放干净，根据孔口出气成分的测量，收集煤层气(主要是CH₄)，这样能够显著提高单井煤层气产量。另一种方法是减少供入气化剂，使燃烧所产生的热烟气(主要成分是CO₂、CO)压入煤层，用热烟气驱赶和置换煤层气，在相邻的单井里收集煤层气。由多个单井组成井群，可实现规模化生产。
2.垂直井组盲孔加热煤层气抽放工艺
在煤层10中打一口垂直井5，根据煤层气开采布井要求和试验所获得的温度场扩展情况，在该孔四周适当的距离打若干产气井，一般打四口产气井(3，4，8，9)。在孔5底部下放炽热焦碳后，再下放一根供气管6，在供气管6中供入气化剂，用炽热的焦碳点燃煤层10，由供气管6和钻孔5之间的环形空间7中排出煤气，实现盲孔气化，生产煤气，同时加热煤层10。煤层10加热后，在产气井，如：井3、井4、井8和井9收集煤层气，煤层气产量会大大增加。
3.水平定向井分层气化加热煤层气开采工艺
在两层或两层以上的煤层中，如果煤层间的距离在50m以内，则可以通过气化下部(或中间)煤层13来加热上层和下层煤15。在下部(或中间)煤层13中，布置水平定向井12，并施工垂直进气井11，构成一个地下燃烧气化炉，该气化炉一般选择较薄的煤层中，在垂直井11底部下放焦碳，点燃煤层，并送入气化剂，当气化剂为空气时可生产低热值煤气，当鼓入富氧或纯氧-水蒸汽时可生产中热值煤气，由定向井12排出煤气。在燃烧气化煤层的上(下)煤层15中布置煤层气采气井14，煤层气采气井可以是定向水平井或定向羽状井14，也可以在煤层15中每隔50～150m施工多个垂直井(平面网格布置)，收集煤层气。当下部(或中间)煤层13燃烧气化释放热量传递到上(下)部煤层15时，可显著提高上(下)部煤层15煤层气产量。
待煤层气开采完毕后，利用煤层气采气井构建煤炭地下气化炉，进一步气化煤层，获得可燃气体，即将煤层气开采工艺和煤炭地下气化工艺结合起来，实现煤炭资源安全、高效、清洁开采。
本发明的效益
1、我国煤层气资源丰富，但由于地质构造原因，煤层渗透率普遍较低，因此煤层气产率较低，研究和发明新的煤层气增产技术对我国煤层气产业的发展具有重要的意义。
2、本发明通过提高煤层温度，使瓦斯活性增大，难于被煤体吸附，同时已被吸附的瓦斯分子易于获得动能，从煤体表面脱逸出来，能显著提高煤层气的产量。
3、将煤炭地下气化技术与煤层气开采技术相结合，形成一种全新的煤层气和煤炭资源开采新工艺，能够大大地提高煤层气的采收率，并能实现煤炭资源安全、高效、清洁开采。
附图说明
图1单井加热煤层气抽放工艺
其中，1-钻孔或原有的瓦斯生产井×5；2-煤层。
图2垂直井组盲孔加热煤层气抽放工艺
其中，5-盲孔气化井；3、4、8、9-煤层气生产井；6-供风管；7-环形空间；10-煤层。
图3水平定向井分层气化加热煤层气开采工艺
其中，11-垂直进气井；12-水平定向井(气化通道)；13-中(下)气化煤层；14-煤层气采气井；15-上(下)煤层(煤层气采集煤层)；16-煤层间距(岩层)。
图4实施例的水平定向井分层气化加热煤层气开采工艺
其中，17-垂直进气井；18-水平定向井(气化通道)；19-下气化煤层；20-煤层气采气井；21-上煤层(煤层气采集煤层)；22-煤层间距(岩层)。
图3为摘要附图。
具体实施方式
以下仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明的范围。即大凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
实施例1
单井加热煤层气抽放工艺，如图1单井所示：在煤层中，根据煤层的地质结构，打钻孔或利用原有的瓦斯生产井1至煤层2底部，在孔底下放炽热的焦碳，并压入空气或富氧，使焦碳和孔底煤层局部燃烧，燃烧所产生的热量向煤层里传递，加热煤层，待煤层在设计的范围里，达到100℃以上时，停止供入空气或富氧，打开井口将废气排放干净，根据孔口出气成分的测量，收集煤层气(主要是CH₄)，这样能够显著提高单井煤层气产量。另一种方法是减少供入空气或富氧量，使燃烧所产生的热烟气(主要成分是CO₂、CO)压入煤层，用热烟气驱赶和置换煤层气，在相邻的单井里收集煤层气。由多个单井组成井群，可实现规模化生产。
实施例2
垂直井组盲孔加热煤层气抽放工艺，在煤层10中打一口垂直井5，见图2，根据煤层气开采布井要求和试验所获得的温度场扩展情况，在该孔四周适当的距离打四口产气井(3，4，8，9)。在孔5底部下放炽热焦碳后，再下放一根供气管6，在供气管6中供入气化剂，用炽热的焦碳点燃煤层10，由供气管6和钻孔5之间的环形空间7中排出煤气，实现盲孔气化，生产煤气，同时加热煤层10。煤层10加热后，在井3、井4、井8和井9收集煤层气，煤层气产量会大大增加。
实施例3
水平定向井分层气化加热煤层气开采工艺，在两层或两层以上的煤层中，如果煤层间的距离16在50m以内，则可以通过气化下部(或中间)煤层13来加热上层和下层煤15，如图3所示。在下部(或中间)煤层13中，布置水平定向井12，并施工垂直进气井11，构成一个地下燃烧气化炉，该气化炉一般选择较薄的煤层中，在垂直井11底部下放焦碳，点燃煤层，并送入气化剂，当气化剂为空气时可生产低热值煤气，当鼓入富氧或纯氧-水蒸汽时可生产中热值煤气，由定向井12排出煤气。在燃烧气化煤层的上(下)煤层15中布置煤层气采气井14，煤层气采气井可以是定向水平井或定向羽状井14，也可以在煤层15中每隔50～150m施工多个垂直井(平面网格布置)，收集煤层气。当下部(或中间)煤层13燃烧气化释放热量传递到上(下)部煤层15时，可显著提高上(下)部煤层15煤层气产量。
实施例4
参见图4，在内蒙古乌兰察布市弓沟煤田设计了一套煤层气热采工程技术方案。煤层分上下两层，上层比较厚约12米，下层煤较薄约1～2米，中间岩层从10～30米不等，煤层倾角5度左右。
工程采用在下部煤层中布置无井式地下气化炉，通过燃烧气化下部煤层，来给上部煤层加热，达到提高上部煤层气产量的作用。在下部煤层19中，布置一台无井式气化的线性炉，由地面向煤层打一垂直井17，孔径为∮219，管子壁厚为10mm，采用耐高温水泥固井，在孔底拓孔，达到∮500，垂直井打到煤层底板以下约3～5米，垂直井在煤层底部裸孔2～3米。在沿煤层倾斜方向打一个水平定向井18，孔径为∮159，定向井长度为600m，水平定向井18沿煤层底部，距离煤层底板0.7米沿煤层向下倾斜，与垂直井17贯通，定向井18的垂直段与垂直井17一样需要下管、固井。在水平井18的地面上布置有地面设备，主要是煤气的净化处理及利用的地面设备，在垂直井17的地面上布置的气化剂的制取及输送设备。
在上部煤层21中，在对应的地下气化炉的上部，沿煤层倾斜方向布置有煤层气的开采井20，开采井20采用羽状结构，在沿煤层上部打一水平定向井，垂直段孔径为∮300，水平段孔径为∮159，长度为600～800米，在定向井的水平段采用侧向开孔技术，每20～50米打一个侧孔，孔径为∮100，长度为20～100米，侧孔与水平井的夹角为45～60度，在井口地面上布置有煤层气加工处理装置。