一种煤炭地下气化通道确定、贯通方法和系统.pdf

本发明涉及煤炭地下气化领域，尤其涉及确定、贯通煤炭气化通道的技术。本发明提供了一种煤炭气化通道确定、贯通方法和系统，所述方法包括：测量煤层水平方向的地应力；根据测量的水平方向的地应力，确定所述煤层裂隙发育方向；根据所述煤层裂隙发育方向确定所述煤炭气化通道的方向。由于根据煤层水平方向的地应力来确定煤层中裂隙的发育方向，根据煤层裂隙的发育方向来决定煤炭气化通道的走向，使得沿着煤层裂隙的发育方向开拓的煤炭气化通道在达到相同渗透率时，所需外力较小，从而提高气化通道的贯通效率。

1、  一种煤炭气化通道确定方法，其特征在于，包括：
测量煤层水平方向的地应力；
根据测量的水平方向的地应力，确定所述煤层裂隙发育方向；
根据所述煤层裂隙发育方向确定所述煤炭气化通道的方向。

2、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量煤层水平方向的地应力，具体为：
以定向取心方式获取所述煤层中至少一块岩石；
测量所述岩石水平方向的地应力，根据所述岩石水平方向的地应力确定所述煤层水平方向的地应力。

3、  如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述测量煤层水平方向的地应力之后，还包括：
根据测量的水平方向的地应力，确定所述煤炭气化通道的长度。

4、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量煤层水平方向的地应力，具体包括但不限于：
采用水力压裂应力测量方法、井壁崩落应力方向测量方法、长源距声波应力测量方法、地面电位法应力方向测量方法或者井下微地震波测量方法测量所述煤层水平方向的地应力；或者
利用地质和地震资料定性分析得到煤层的应力场分布情况，从而确定所述煤层水平方向的地应力；或者
采用应力场有限元数值模拟、地应力剖面解释、钻进参数反演或者长源距声波测井方法计算所述煤层水平方向的地应力。

5、  一种煤炭气化通道确定系统，其特征在于，包括：
煤层水平方向地应力测量装置，用于测量煤层水平方向的地应力；
煤层裂隙发育方向确定装置，用于根据所述煤层水平方向地应力测量装置测量的水平方向的地应力，确定所述煤层裂隙发育方向；
煤炭气化通道确定装置，用于根据所述煤层裂隙发育方向确定所述煤炭气化通道的方向。

6、  如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述煤层水平方向地应力测量装置，包括：
岩石获取模块，用于以定向取心方式获取所述煤层中至少一块岩石；
岩石水平地应力测量模块，用于测量所述岩石水平方向的地应力；
煤层水平方向地应力确定模块，用于根据所述岩石水平方向的地应力确定所述煤层水平方向的地应力。

7、  如权利要求5所述的系统，其特征在于，
所述煤炭气化通道确定装置还用于根据所述煤层水平方向地应力测量装置测量的水平方向的地应力，确定所述煤炭气化通道的长度。

8、  一种煤炭气化通道贯通方法，其特征在于，包括：
根据测量的煤层水平方向的地应力，确定所述煤层的裂隙发育方向；
根据所述煤层的裂隙发育方向确定所述煤炭气化通道的方向；
根据所述煤炭气化通道的方向确定产气井相对于气化剂注入井的方位后钻井；
在所述气化剂注入井与产气井之间的煤层贯通煤炭气化通道。

9、  如权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述钻井之前，还包括：
根据测量的煤层水平方向的地应力，确定所述煤炭气化通道的长度；
根据所述煤炭气化通道的长度，确定所述产气井相对于气化剂注入井的距离。

10、  如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述贯通煤炭气化通道，具体包括但不限于：
采用空气火力渗透、电力贯通、水力压裂或者定向钻进的方法贯通所述煤炭气化通道。

11、  一种煤炭气化通道贯通系统，其特征在于，包括：
煤层水平方向地应力测量装置，用于测量煤层水平方向的地应力；
煤层裂隙发育方向确定装置，用于根据所述煤层水平方向地应力测量装置测量的水平方向的地应力，确定所述煤层裂隙发育方向；
煤炭气化通道确定装置，用于根据所述煤层裂隙发育方向确定所述煤炭气化通道的方向；
钻井装置，用于根据所述煤炭气化通道的方向确定产气井相对于气化剂注入井的方位后钻井；
气化通道贯通装置，用于在所述气化剂注入井与产气井之间的煤层贯通煤炭气化通道。

12、  如权利要求11所述的系统，其特征在于，
所述煤炭气化通道确定装置还用于根据所述煤层水平方向地应力测量装置测量的水平方向的地应力，确定所述煤炭气化通道的长度；以及
所述钻井装置还用于在钻井前还根据所述煤炭气化通道确定装置确定的煤炭气化通道的长度确定产气井相对于气化剂注入井的距离。

一种煤炭地下气化通道确定、贯通方法和系统
技术领域
本发明涉及煤炭地下气化领域，尤其涉及确定、贯通煤炭气化通道的技术。
背景技术
煤的洁净与高效利用是当今世界能源与环境保护领域中的重大课题之一。目前，国内可由工作人员下井挖掘的煤炭仅占煤炭资源储量的11.43％，对于其它的煤炭资源，如废弃矿井或是开采不经济的褐煤或是深部煤层等，则不适于派遣人员下井挖掘，而是采用煤炭地下气化的方法来开采、利用煤炭资源。
煤炭地下气化工艺要求煤层具有较高的气体渗透能力。然而煤层的天然渗透能力很差，因此在进行煤炭地下气化(UCG)操作之前需要先在煤层之中贯通气化通道。如图1所示的气化通道位于气化剂注入井和产气井之间，具有较高气体渗透性，以供气体通行。气化通道还有助于确定气化过程的途径及气化空腔的扩展速度，从而控制气化剂的注入速度及煤气产率，使UCG在一定程度上得到控制。
在贯通气化通道之前，需要确定气化通道路线。目前，对于气化通道路线的判断是在气化剂注入井周围几个不同方向分别打井，之后向气化剂注入井中鼓入高压气体，观察气化剂注入井周围的几口井中排出气体的量，选择排气量最大的井与气化剂注入井的连线方向作为气化通道方向。利用这种方法至少需要钻三口井，才能大致确定气化通道，成本较高；此外，这种方法确定的气化通道贯通效率较低，经常会出现无法贯通选择的气化通道、需要重新确定气化通道再次进行贯通的情况。因此，现有技术的确定、贯通气化通道的方法成本较高，贯通效率较低。
发明内容
本发明实施例提供了一种煤炭地下气化通道确定、贯通方法和系统，用于提高气化通道的贯通效率。
一种煤炭气化通道确定方法，包括：
测量煤层水平方向的地应力；
根据测量的水平方向的地应力，确定所述煤层裂隙发育方向；
根据所述煤层裂隙发育方向确定所述煤炭气化通道的方向。
所述测量煤层水平方向的地应力，具体为：
以定向取心方式获取所述煤层中至少一块岩石；
测量所述岩石水平方向的地应力，根据所述岩石水平方向的地应力确定所述煤层水平方向的地应力。
在所述测量煤层水平方向的地应力之后，还包括：
根据测量的水平方向的地应力，确定所述煤炭气化通道的长度。
一种煤炭气化通道确定系统，包括：
煤层水平方向地应力测量装置，用于测量煤层水平方向的地应力；
煤层裂隙发育方向确定装置，用于根据所述煤层水平方向地应力测量装置测量的水平方向的地应力，确定所述煤层裂隙发育方向；
煤炭气化通道确定装置，用于根据所述煤层裂隙发育方向确定所述煤炭气化通道的方向。
一种煤炭气化通道贯通方法，包括：
根据测量的煤层水平方向的地应力，确定所述煤层的裂隙发育方向；
根据所述煤层的裂隙发育方向确定所述煤炭气化通道的方向；
根据所述煤炭气化通道的方向确定产气井相对于气化剂注入井的方位后钻井；
在所述气化剂注入井与产气井之间的煤层贯通煤炭气化通道。
一种煤炭气化通道贯通系统，包括：
煤层水平方向地应力测量装置，用于测量煤层水平方向的地应力；
煤层裂隙发育方向确定装置，用于根据所述煤层水平方向地应力测量装置测量的水平方向的地应力，确定所述煤层裂隙发育方向；
煤炭气化通道确定装置，用于根据所述煤层裂隙发育方向确定所述煤炭气化通道的方向；
钻井装置，用于根据所述煤炭气化通道的方向确定产气井相对于气化剂注入井的方位后钻井；
气化通道贯通装置，用于在所述气化剂注入井与产气井之间的煤层贯通煤炭气化通道。
本发明实施例由于根据煤层水平方向的地应力来确定煤层中裂隙的发育方向，根据煤层裂隙的发育方向来决定煤炭气化通道的走向，使得沿着煤层裂隙的发育方向开拓的煤炭气化通道在达到相同渗透率时，所需外力较小，从而提高气化通道的贯通效率；或者施加相同的外力，则可以增加气化通道的长度，从而减小钻孔投资、节约成本。
附图说明
图1为现有技术的气化剂注入井、产气井和气化通道示意图；
图2为本发明实施例的确定、贯通煤炭气化通道的方法流程图；
图3为本发明实施例的根据煤层最大水平地应力的方向确定煤层裂隙发育方向的示意图；
图4为本发明实施例的以定向取心方式获得煤层中的岩石的示意图；
图5a为本发明实施例的确定煤炭气化通道的系统的结构示意图；
图5b为本发明实施例的贯通煤炭气化通道的系统的结构示意图；
图6为本发明实施例的煤层水平方向地应力测量装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明的发明人考虑到在煤层之中往往具有裂隙，而天然形成的裂隙可以提供有效的渗透通道。因此，本发明实施例利用煤层中的裂隙来选择、贯通煤炭气化通道。具体可以是根据测量的煤层水平方向的地应力来确定煤层中裂隙的发育方向(即裂隙的走向)，根据煤层裂隙的发育方向来决定煤炭气化通道的走向。这样，沿着煤层裂隙的发育方向来开拓煤炭气化通道可以使得气化通道达到相同的渗透率时，所需外力较小，从而提高气化通道的贯通效率；或者施加相同的外力，则可以增加气化通道的长度，从而减小钻孔投资、节约成本。
下面结合附图来详细说明本发明实施例的技术方案。
本发明实施例提供的一种确定、贯通煤炭气化通道的具体方法，流程图如图2所示，包括如下具体步骤：
S201、测量确定煤层水平方向的地应力。
由于煤层处于地下，无法直接判断其裂隙的走向，则可以根据地质构造的原理——地层中的裂缝走向与地层中最大水平地应力的方向基本是一致的，从而先测定煤层水平方向的地应力，进而确定煤层最大水平地应力的方向，就可以确定出煤层裂隙发育方向(如图3所示)。
对于地层地应力的测量方法目前有多种，本领域技术人员可以根据实际情况选择一种最适合当地煤层情况的方法来测量煤层的水平方向的地应力。具体测量煤层水平方向的地应力的方法将在后续进行详细介绍。
S202、根据测量的水平方向的地应力，确定所述煤层裂隙发育方向。
根据测量的水平方向的地应力，确定出最大水平地应力的方向；根据煤层的最大水平地应力的方向，就可以判定出煤层裂隙发育方向。也就是说，沿着煤层的最大水平地应力的方向即为煤层裂隙发育方向。
S203、根据所述煤层裂隙发育方向确定煤炭气化通道的方向。
在确定了煤层裂隙发育方向后，以煤层裂隙发育方向作为煤炭气化通道的方向。也就是说，沿着煤层裂隙发育方向设置煤炭气化通道。
S204、使得气化剂注入井与产气井之间的连线方向与确定的煤炭气化通道的方向一致。
在贯通煤炭气化通道之前，需要钻气化剂注入井和产气井。通常可以在确定煤炭气化通道方向之前钻气化剂注入井，然而，根据本发明实施例确定煤炭气化通道方向的方法，既可以在确定煤炭气化通道方向之前、也可以在确定煤炭气化通道方向之后钻气化剂注入井。
在确定了煤炭气化通道方向后，就可以确定产气井相对于气化剂注入井的方位了。具体为，产气井与气化剂注入井的连线方向与确定的煤炭气化通道方向尽量保持一致即可。
在确定了产气井相对于气化剂注入井的方位后，即可实施产气井的钻井。使得产气井与气化剂注入井之间的连线方向尽量与确定的煤炭气化通道的方向保持一致，从而就可以使得产气井与气化剂注入井之间的煤炭气化通道是沿着煤层裂隙发育方向的，从而煤炭气化通道的贯通效率高、更节约成本。
S205、根据定煤层水平方向的地应力，确定煤炭气化通道的长度。
为了更进一步提高煤炭气化通道的贯通效率高，还可以根据煤层水平方向的地应力，确定出煤炭气化通道的长度，从而更为精确的确定出产气井的钻井位置，获得更高的煤炭气化通道的贯通效率。
例如，在考虑诸多因素(比如煤层厚度、气化通道的有效半径、煤的弹性模量、煤的压缩系数等)后，可以采用如下公式计算煤炭气化通道的长度值W：
W = ah K - K 1 K + K 1 r 2 2 H × T - - - ( 1 ) ]]>
上式中，a为设定常数，h为通道工作面高度，K为煤层渗透率，K₁为围岩渗透率，r为煤炭气化通道的有效半径，H为煤层厚度，T为贯通时间。其中煤层渗透率K可以根据最大、最小水平地应力之差计算：
∂ K ∂ σ ′ = K [ 2 ( 1 - 2 v ) E - C f ] - - - ( 2 ) ]]>
其中，K为渗透率，σ′为最大水平地应力与最小水平地应力之差，v为煤的泊松比，E为煤的弹性模量，C_f为煤的压缩系数。
本领域技术人员也可以采用其它公式、或者采用统计方法来获得煤炭气化通道的长度值与煤层水平方向的地应力之间的关系。
S206、进行钻井。
在确定了煤炭气化通道方向后，就可以确定产气井相对于气化剂注入井的方位了，之后即可实施产气井的钻井。
为了更进一步提高煤炭气化通道的贯通效率，还可以在确定出煤炭气化通道的长度，根据煤炭气化通道的长度确定出产气井相对于气化剂注入井的距离后，再实施产气井的钻井。
S207、在气化剂注入井与产气井之间的煤层贯通煤炭气化通道。
可以采用多种方法来贯通气化剂注入井与产气井之间的煤炭气化通道，例如包括但不限于：电力贯通、水力压裂、空气火力渗透、定向钻井等方法。
电力贯通法是以工业频率的交变电流加于煤层，借助电能的热效应，使煤层的物理结构发生破坏，在两个钻孔中电极间的煤层内形成一条窄的具有透气性的被烧穿的焦化通道，再经过热加工扩大焦化通道，从而在钻孔间的煤层中贯通出气化通道。
水力压裂法是通过向煤层中注入高压溶液，高压溶液流经煤层，在两个钻孔之间的煤层中贯通出一个通道作为气化通道。
空气火力渗透法是利用煤层的天然透气性把气化煤层看作由气孔和裂缝隔离的煤块所组成煤的自然层，在热力作用下，煤层的这种分离状态将不断加强，从而在两个钻孔间的煤层中建立气化通道。
在根据煤层中裂隙发育方向确定煤炭气化通道后，进一步通过压力、水力或是火力等贯通方法建立气化通道，有利于煤层中的裂缝进一步发育，从而保证煤层具有较高的气体渗透能力。这样有助于在气化过程中提高传热，传质以及反应强度，强化煤层的裂隙，提高气化的效率及煤气产率。
上述步骤S201测量煤层水平方向的地应力，目前可以采用多种方法实现，比如：水力压裂应力测量方法、井壁崩落应力方向测量、长源距声波应力测量、地面电位法应力方向测量、井下微地震波法测地应力方向、套心应力解除等矿场应力测量的方法；
或者，利用地质和地震资料，如火山颈、断层类型、油井井眼稳定性、取心收获率、地层起伏、地质构造、震源机制等，进行定性分析得到煤层的应力场分布情况，从而确定所述煤层水平方向的地应力；
或者，采用应力场有限元数值模拟、地应力剖面解释、钻进参数反演、长源距声波测井自适应等方法计算煤层水平方向的地应力；
再或者通过岩心测量方法获得所要测量的地层——煤层的水平方向的地应力。本领域技术人员可以选取最符合实际情况的方法来测量煤层的水平方向的地应力。
其中，较佳的方法是岩心测量方法。由于岩心测量可以在室内测定，不需要大量的现场设备和人员，因此具有较低的成本。岩心测量方法主要是利用岩石的凯撒(Kaiser)效应来测量煤层中的岩石的水平方向的地应力，由于岩石水平方向的地应力反映了煤层水平方向的地应力，因此，可以通过测量煤层中至少一个岩石的水平方向的地应力来确定煤层水平方向的地应力。由于通常是将岩石从煤层取出后测量其水平方向的地应力；因此为了保证取出后测试的岩石的水平方向的地应力能够反映其所在煤层的水平方向的地应力，需要保证岩石取出后的位置状态是与煤层中的位置状态相一致的。也就是说，在取岩石和测试岩石的过程中不能翻转、旋转该岩石，否则，测试出的岩石的水平方向的地应力不能反映其所在煤层的水平方向的地应力。因此，采用定向取心的方法来获取煤层中的岩石，可以保持岩石在煤层中所处的姿势(如图4所示)，使得测量的岩石的水平方向的地应力能反映其所在煤层的水平方向的地应力。
岩石的Kaiser效应是指岩石对所受过的应力具有记忆功能，当外界应力达到岩石所受过的最大先期应力时岩石开始出现明显的声发射现象。利用岩石的Kaiser效应，可以在水平方向通过压力机向岩石逐级增加应力，记录岩石的应力-应变关系，并测试岩石在应力增加过程中的声发射频率，根据测试结果判断岩石水平方向的地应力，从而可以得出岩石水平方向的最大或最小地应力方向。
本领域技术人员可以理解，虽然上述说明中，为便于理解，对方法的步骤采用了顺序性描述，但是应当指出，对于上述步骤的顺序并不作严格限制。
本发明实施例提供的一种确定煤炭气化通道的系统，如图5a所示，包括：煤层水平方向地应力测量装置501、煤层裂隙发育方向确定装置502、煤炭气化通道确定装置503。
煤层水平方向地应力测量装置501用于测量煤层水平方向的地应力。具体的测量方法可以采用如上介绍的测量方法，此处不再赘述。
煤层裂隙发育方向确定装置502用于根据所述煤层水平方向地应力测量装置测量的水平方向的地应力，确定所述煤层裂隙发育方向。煤层裂隙发育方向确定装置502依据所述煤层水平方向地应力中最大水平地应力的方向，判断出所述煤层裂隙发育方向。
煤炭气化通道确定装置503用于根据所述煤层裂隙发育方向确定所述煤炭气化通道的方向。煤炭气化通道确定装置503确定所述煤炭气化通道的方向尽量与煤层裂隙发育方向一致。
进一步，煤炭气化通道确定装置503还用于根据所述煤层水平方向地应力测量装置测量的水平方向的地应力，确定所述煤炭气化通道的长度。具体确定煤炭气化通道长度的方法如前所述，此处不再赘述。
煤层水平方向地应力测量装置501的一种具体结构如图6所示，包括：岩石获取模块601、岩石水平地应力测量模块602、煤层水平方向地应力确定模块603。
岩石获取模块601用于以定向取心方式获取所述煤层中至少一块岩石；
岩石水平地应力测量模块602用于测量所述岩石水平方向的地应力；
煤层水平方向地应力确定模块603用于根据所述岩石水平方向的地应力确定所述煤层水平方向的地应力。
本发明实施例提供的一种贯通煤炭气化通道的系统，如图5b所示，包括如上所述的煤层水平方向地应力测量装置501、煤层裂隙发育方向确定装置502和煤炭气化通道确定装置503之外，还包括：钻井装置504、气化通道贯通装置505。
其中，钻井装置504用于根据煤炭气化通道确定装置503确定的煤炭气化通道的方向，确定产气井相对于气化剂注入井的方位后钻井。
气化通道贯通装置505用于在所述气化剂注入井与产气井之间的煤层贯通煤炭气化通道。具体贯通方法可以采用前述贯通方法之一。
进一步，钻井装置504还用于在钻井前还根据煤炭气化通道确定装置503确定的煤炭气化通道的长度确定产气井相对于气化剂注入井的距离；在确定了产气井相对于气化剂注入井的方位和距离后再实施钻井，可以使得产气井与气化剂注入井之间的煤炭气化通道的贯通效率更高。
本发明实施例由于根据煤层水平方向的地应力来确定煤层中裂隙的发育方向，根据煤层裂隙的发育方向来决定煤炭气化通道的走向，使得沿着煤层裂隙的发育方向开拓的煤炭气化通道在达到相同渗透率时，所需外力较小，从而提高气化通道的贯通效率；或者施加相同的外力，则可以增加气化通道的长度，从而减小钻孔投资、节约成本。
在根据煤层中裂隙发育方向确定煤炭气化通道后，进一步通过压力、水力或是火力等贯通方法建立气化通道，有利于煤层中的裂缝进一步发育，从而保证煤层具有较高的气体渗透能力。这样有助于在气化过程中提高传热，传质以及反应强度，强化煤层的裂隙，提高气化的效率及煤气产率。
此外，由于煤层处于较浅地层中，在这种地质环境下，最大水平地应力是最小水平地应力及垂直地应力的几倍，沿着最大地应力方向开拓气化通道，使得气化通道受通道周围地应力作用最小，在一定程度上降低了气化通道坍塌堵塞的可能性及岩石蠕变对井孔中套管的损伤程度。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
还可以理解的是，附图或实施例中所示的装置结构仅仅是示意性的，表示逻辑结构。其中作为分离部件显示的模块可能是或者可能不是物理上分开的，作为模块显示的部件可能是或者可能不是物理模块。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。