專利名稱：煤層氣熱采新工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于煤層氣開采工藝技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及通過加熱煤層提高煤層氣產(chǎn)量 的工藝方法，這是一種全新的煤層氣開采工藝，能夠有效地提高煤層氣的開采率。
背景技術(shù)：
我國煤層氣的資源比較豐富，而煤層氣的利用率還比較低，煤層氣的開采工藝 及增產(chǎn)工藝比較落后。目前煤層氣的開采方式主要有地面垂直井開采、地面采動 區(qū)開采、井下瓦斯抽放及廢棄礦井煤層氣抽放。地面垂直井開采是在地面打鉆井進 入尚未進行開采活動的煤層，通過排水降壓使煤層中的吸附氣解吸出來，由井筒流 到地面。這種開采方式產(chǎn)氣量大，資源回收率高、機動性強、可形成規(guī)模效益。它 要求有厚度較大的煤層或煤層群，煤儲層的滲透性要較好，以及較有利的地形條件。
地面采動區(qū)開采(GOB WELL)是從地面打鉆孔進入煤礦采動區(qū)上方，利用自然壓差 或瓦斯泵抽取聚集和殘留在受采動影響區(qū)的巖石、未開釆煤層之中以及采空區(qū)內(nèi)的 煤層氣，地面采動區(qū)井初期產(chǎn)量較大，但單井服務(wù)年限較短， 一般為1 2年。采動 區(qū)井嚴格受采煤活動的控制，并要求在主采煤層之上賦存多個煤層，以保證有足夠 的氣源。井下瓦斯抽放是從煤礦井下采掘巷道中打鉆孔，在地面通過瓦斯泵造成負 壓來抽取煤層中的氣體。這種方式在煤炭系統(tǒng)稱為礦井瓦斯抽放。礦井瓦斯抽放產(chǎn) 量小，資源回收利用率低，井下作業(yè)難度較大，并受制于煤礦采掘生產(chǎn)的進度，但 其適用條件比較廣泛，它多以礦井安全生產(chǎn)為目的，并兼及煤層氣資源的回收利用。 廢棄礦井煤層氣(C麗一COAL MINE METHANE)是近幾年才發(fā)展起來的一種新的煤層 氣開發(fā)方式，是從己報廢的(停采)煤礦井中抽取殘留、聚集在地下巖層和煤層中 的煤層氣并加以利用，由于該方式無需施工新鉆井，也不用進行儲層強化改造措施， 故所需費用低廉，而且抽放是在煤礦停產(chǎn)之后進行，不會與煤礦生產(chǎn)發(fā)生矛盾。
煤層氣增產(chǎn)的工藝技術(shù)主要有煤層氣水力壓裂增產(chǎn)技術(shù)和注氣增產(chǎn)法。煤層氣水 力壓裂增產(chǎn)技術(shù)是煤層氣開采最常用的增產(chǎn)措施。但是由于我國含煤地層一般都經(jīng)歷 了成煤后的強烈構(gòu)造運動，煤層的原始結(jié)構(gòu)往往遭到很大破壞，塑性大大增強，導(dǎo)致
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水力壓裂時，往往既不能進一步擴展原有的裂隙和割理，也不能產(chǎn)生新的較長的水力 裂縫，而主要是在煤層發(fā)生塑性變形，總的來看，效果并不理想。因此，對煤層水力 壓裂裂縫展布規(guī)律的認識對于提高壓裂效果至關(guān)重要。注氣增產(chǎn)法是美國AM0C0公司 開發(fā)的一項提高煤層氣產(chǎn)量的新方法。該方法被認為是一種具有發(fā)展前途的新措施， 受到各方面的廣泛關(guān)注。注氣增產(chǎn)法是將N2、 C02或煙道氣注入煤層，降低甲烷在煤 層中的分壓，有利于甲烷從煤體中置換解吸出來，提高單井產(chǎn)量和采收率。該工藝可 以有效提高煤層氣的生產(chǎn)潛力，而且還可以利用該工藝開發(fā)深部低滲透性煤層中的煤 層氣，因為注入C02有助于維持孔隙壓力，可以較好地保護深部煤層中的割理和其它 孔隙的開啟程度。為探索C02提高煤層氣采收率技術(shù)，中聯(lián)煤層氣公司在加拿大專家 的協(xié)作下，進行了單井注入、單井產(chǎn)出的注C02采氣試驗。試驗選在山西沁水盆地南 部棗園井組的TL一003井作為試驗井，經(jīng)注入、關(guān)井(使C02充分置換CH4)、排采和 氣體組分監(jiān)測，實現(xiàn)了單井注入/產(chǎn)出試驗，取得了預(yù)期成果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新的煤層氣增產(chǎn)工藝技術(shù)方法。
實驗研究結(jié)果表明，煤層溫度每升高rc，煤吸附瓦斯的能力降低約為8%，其 原因是溫度升高時，瓦斯活性增大，難于被煤體吸附，同時已被吸附的瓦斯分子易 于獲得動能，從煤體表面脫逸出來。同時當(dāng)煤層溫度達到一定程度時，煤將發(fā)生熱
解反應(yīng)，煤的熱解是煤中有機質(zhì)受熱分解生成揮發(fā)性氣體(CH4、 H2、 CO等)產(chǎn)物的過
程。因此，適當(dāng)提高煤層溫度，能顯著提高煤層氣的產(chǎn)量。
本發(fā)明是以如下技術(shù)方案實現(xiàn)的
在煤層氣生產(chǎn)井1或氣化井5、 11的下部放熾熱的焦碳，并壓入氣化劑，將孔 底煤層點燃，通過局部煤層燃燒所釋放的熱量，加熱其鄰近的煤層，提髙煤層的解 析能力、滲透系數(shù)和滲透壓力，從而提高煤層氣產(chǎn)率。
氣化劑可為任意煤層開采用氣化氣體，優(yōu)選空氣、富氧或純氧-水蒸汽。
本發(fā)明可采用三種方法實現(xiàn)，即單井加熱煤層氣開采工藝、垂直井組盲孔加熱 煤層氣開采工藝和水平定向井分層氣化加熱煤層氣開采工藝。 l.單井加熱煤層氣抽放工藝
采用單井加熱煤層，在煤層中，根據(jù)煤層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，打鉆孔或利用原有的瓦 斯生產(chǎn)井1至煤層2底部，在孔底下放熾熱的焦碳，并壓入氣化劑，可以是空氣或
富氧，使焦碳和孔底煤層局部燃燒，燃燒所產(chǎn)生的熱量向煤層里傳遞，加熱煤層， 待煤層在設(shè)計的范圍里，達到10(TC以上時，停止供入氣化劑，打開井口將廢氣排放 干凈，根據(jù)孔口出氣成分的測量，收集煤層氣(主要是CH4)，這樣能夠顯著提高單 井煤層氣產(chǎn)量。另一種方法是減少供入氣化劑，使燃燒所產(chǎn)生的熱煙氣(主要成分是 C02、 C0)壓入煤層，用熱煙氣驅(qū)趕和置換煤層氣，在相鄰的單井里收集煤層氣。由多 個單井組成井群，可實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。
2. 垂直井組盲孔加熱煤層氣抽放工藝
在煤層10中打一口垂直井5，根據(jù)煤層氣開采布井要求和試驗所獲得的溫度場 擴展情況，在該孔四周適當(dāng)?shù)木嚯x打若干產(chǎn)氣井， 一般打四口產(chǎn)氣井(3,4，8，9)。在 孔5底部下放熾熱焦碳后，再下放一根供氣管6，在供氣管6中供入氣化劑，用熾熱 的焦碳點燃煤層IO，由供氣管6和鉆孔5之間的環(huán)形空間7中排出煤氣，實現(xiàn)盲孔 氣化，生產(chǎn)煤氣，同時加熱煤層IO。煤層10加熱后，在產(chǎn)氣井，如井3、井4、 井8和井9收集煤層氣，煤層氣產(chǎn)量會大大增加。
3. 水平定向井分層氣化加熱煤層氣開采工藝
在兩層或兩層以上的煤層中，如果煤層間的距離在50m以內(nèi)，則可以通過氣化 下部(或中間)煤層13來加熱上層和下層煤15。在下部(或中間)煤層13中，布置水 平定向井12，并施工垂直進氣井ll，構(gòu)成一個地下燃燒氣化爐，該氣化爐一般選擇 較薄的煤層中，在垂直井ll底部下放焦碳，點燃煤層，并送入氣化劑，當(dāng)氣化劑為 空氣時可生產(chǎn)低熱值煤氣，當(dāng)鼓入富氧或純氧-水蒸汽時可生產(chǎn)中熱值煤氣，由定向 井12排出煤氣。在燃燒氣化煤層的上(下)煤層15中布置煤層氣采氣井14，煤層氣 釆氣井可以是定向水平井或定向羽狀井14，也可以在煤層15中每隔50 150m施工 多個垂直井(平面網(wǎng)格布置)，收集煤層氣。當(dāng)下部(或中間)煤層13燃燒氣化釋放熱 量傳遞到上(下)部煤層15時，可顯著提高上(下)部煤層15煤層氣產(chǎn)量。
待煤層氣開采完畢后，利用煤層氣采氣井構(gòu)建煤炭地下氣化爐，進一步氣化煤 層，獲得可燃氣體，即將煤層氣開采工藝和煤炭地下氣化工藝結(jié)合起來，實現(xiàn)煤炭 資源安全、高效、清潔開采。 本發(fā)明的效益
1、我國煤層氣資源豐富，但由于地質(zhì)構(gòu)造原因，煤層滲透率普遍較低，因此煤 層氣產(chǎn)率較低，研究和發(fā)明新的煤層氣增產(chǎn)技術(shù)對我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要
的意義。
2、 本發(fā)明通過提高煤層溫度，使瓦斯活性增大，難于被煤體吸附，同時已被吸 附的瓦斯分子易于獲得動能，從煤體表面脫逸出來，能顯著提高煤層氣的產(chǎn)量。
3、 將煤炭地下氣化技術(shù)與煤層氣開采技術(shù)相結(jié)合，形成一種全新的煤層氣和煤
炭資源開采新工藝，能夠大大地提高煤層氣的采收率，并能實現(xiàn)煤炭資源安全、高 效、清潔開采。


圖l單井加熱煤層氣抽放工藝
其中，1-鉆孔或原有的瓦斯生產(chǎn)井X5; 2-煤層。
圖2垂直井組盲孔加熱煤層氣抽放工藝
其中，5-盲孔氣化井；3、 4、 8、 9-煤層氣生產(chǎn)井；6-供風(fēng)管；7-環(huán)形空間；10-煤層。
圖3水平定向井分層氣化加熱煤層氣開采工藝
其中，ll-垂直進氣井；12-水平定向井(氣化通道)；13-中(下)氣化煤層；14-煤層氣采氣井；15-上(下)煤層(煤層氣采集煤層)；16-煤層間距(巖層)。 圖4實施例的水平定向井分層氣化加熱煤層氣開采工藝
其中，17-垂直進氣井；18-水平定向井(氣化通道)；19-下氣化煤層；20-煤層 氣采氣井；2卜上煤層(煤層氣采集煤層)；22-煤層間距(巖層)。 圖3為摘要附圖。
具體實施例方式
以下僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，當(dāng)不能以此限定本發(fā)明的范圍。即大凡依本發(fā) 明申請專利范圍所作的均等變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明專利涵蓋的范圍內(nèi)。 實施例1
單井加熱煤層氣抽放工藝，如圖l單井所示在煤層中，根據(jù)煤層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)， 打鉆孔或利用原有的瓦斯生產(chǎn)井1至煤層2底部，在孔底下放熾熱的焦碳，并壓入 空氣或富氧，使焦碳和孔底煤層局部燃燒，燃燒所產(chǎn)生的熱量向煤層里傳遞，加熱 煤層，待煤層在設(shè)計的范圍里，達到10(TC以上時，停止供入空氣或富氧，打開井口 將廢氣排放干凈，根據(jù)孔口出氣成分的測量，收集煤層氣(主要是CH4)，這樣能夠 顯著提高單井煤層氣產(chǎn)量。另一種方法是減少供入空氣或富氧量，使燃燒所產(chǎn)生的
熱煙氣(主要成分是C02、 CO)壓入煤層，用熱煙氣驅(qū)趕和置換煤層氣，在相鄰的單井 里收集煤層氣。由多個單井組成井群，可實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。 實施例2
垂直井組盲孔加熱煤層氣抽放工藝，在煤層10中打一口垂直井5，見圖2，根 據(jù)煤層氣開采布井要求和試驗所獲得的溫度場擴展情況，在該孔四周適當(dāng)?shù)木嚯x打 四口產(chǎn)氣井(3，4，8，9)。在孔5底部下放熾熱焦碳后，再下放一根供氣管6，在供氣 管6中供入氣化劑，用熾熱的焦碳點燃煤層10，由供氣管6和鉆孔5之間的環(huán)形空 間7中排出煤氣，實現(xiàn)盲孔氣化，生產(chǎn)煤氣，同時加熱煤層IO。煤層10加熱后，在 井3、井4、井8和井9收集煤層氣，煤層氣產(chǎn)量會大大增加。 實施例3
水平定向井分層氣化加熱煤層氣開采工藝，在兩層或兩層以上的煤層中，如果 煤層間的距離16在50ni以內(nèi)，則可以通過氣化下部(或中間)煤層13來加熱上層和 下層煤15，如圖3所示。在下部(或中間)煤層13中，布置水平定向井12，并施工 垂直進氣井ll，構(gòu)成一個地下燃燒氣化爐，該氣化爐一般選擇較薄的煤層中，在垂 直井ll底部下放焦碳，點燃煤層，并送入氣化劑，當(dāng)氣化劑為空氣時可生產(chǎn)低熱值 煤氣，當(dāng)鼓入富氧或純氧-水蒸汽時可生產(chǎn)中熱值煤氣，由定向井12排出煤氣。在 燃燒氣化煤層的上(下)煤層15中布置煤層氣采氣井14，煤層氣采氣井可以是定向水 平井或定向羽狀井14，也可以在煤層15中每隔50 150m施工多個垂直井(平面網(wǎng)格 布置)，收集煤層氣。當(dāng)下部(或中間)煤層13燃燒氣化釋放熱量傳遞到上(下)部煤 層15時，可顯著提高上(下)部煤層15煤層氣產(chǎn)量。 實施例4
參見圖4，在內(nèi)蒙古烏蘭察布市弓溝煤田設(shè)計了一套煤層氣熱采工程技術(shù)方案。 煤層分上下兩層，上層比較厚約12米，下層煤較薄約1 2米，中間巖層從10 30 米不等，煤層傾角5度左右。
工程采用在下部煤層中布置無井式地下氣化爐，通過燃燒氣化下部煤層，來給 上部煤層加熱，達到提高上部煤層氣產(chǎn)量的作用。在下部煤層19中，布置一臺無井 式氣化的線性爐，由地面向煤層打一垂直井17，孔徑為#219，管子壁厚為10mm， 釆用耐高溫水泥固井，在孔底拓孔，達到# 500，垂直井打到煤層底板以下約3 5 米，垂直井在煤層底部裸孔2 3米。在沿煤層傾斜方向打一個水平定向井18，孔徑 為#159，定向井長度為600m，水平定向井18沿煤層底部，距離煤層底板0. 7米沿
煤層向下傾斜，與垂直井17貫通，定向井18的垂直段與垂直井17—樣需要下管、 固井。在水平井18的地面上布置有地面設(shè)備，主要是煤氣的凈化處理及利用的地面 設(shè)備，在垂直井17的地面上布置的氣化劑的制取及輸送設(shè)備。
在上部煤層21中，在對應(yīng)的地下氣化爐的上部，沿煤層傾斜方向布置有煤層氣 的開采井20,開采井20采用羽狀結(jié)構(gòu)，在沿煤層上部打一水平定向井，垂直段孔徑 為# 300，水平段孔徑為f159，長度為600 800米，在定向井的水平段采用側(cè)向開 孔技術(shù)，每20 50米打一個側(cè)孔，孔徑為-100，長度為20 100米，側(cè)孔與水平 井的夾角為45 60度，在井口地面上布置有煤層氣加工處理裝置。
權(quán)利要求
1. 一種煤層氣熱采新工藝，其特征在于在煤層氣生產(chǎn)井或氣化井的下部放熾熱的焦碳，并壓入氣化劑，將孔底煤層點燃，通過局部煤層燃燒所釋放的熱量，加熱其鄰近的煤層，提高煤層的解析能力、滲透系數(shù)和滲透壓力，從而提高煤層氣產(chǎn)率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤層氣熱采新工藝，其特征在于氣化劑為空氣、富氧或 純氧-水蒸汽。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的任意一種煤層氣熱采新工藝，其特征在于可采用三 種方法實現(xiàn)，即單井加熱煤層氣開采工藝、垂直井組盲孔加熱煤層氣開采工藝和水 平定向井分層氣化加熱煤層氣開采工藝。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的煤層氣熱采新工藝，其特征在于采用單井(l)加熱煤層， 在煤層(2)中，打鉆孔或利用原有的瓦斯生產(chǎn)井(l)，在生產(chǎn)井(l)孔底下放熾熱的焦 碳，并壓入氣化劑，使焦碳和孔底煤層局部燃燒，燃燒所產(chǎn)生的熱量向煤層里傳遞，加熱煤層，待煤層在設(shè)計的范圍里平均溫度達到IO(TC以上時，停止供入氣化劑，打開井口將廢氣排放干凈，根據(jù)孔口出氣成分的測量，收集煤層氣。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的煤層氣熱釆新工藝，其特征在于采用單井加熱煤層，在井(l)中減少供入氣化劑，使燃燒所產(chǎn)生的熱煙氣壓入煤層，用熱煙氣驅(qū)趕和置換煤 層氣，在相鄰的單井里收集煤層氣，由多個單井組成井群，可實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的煤層氣熱采新工藝，其特征在于用垂直井組盲孔加熱煤層氣開采工藝，在煤層(10)中打一口垂直井(5)，根據(jù)煤層氣開釆布井要求和試驗所 獲得的溫度場擴展情況，在該孔四周適當(dāng)?shù)木嚯x打產(chǎn)氣井，在孔(5)底部下放熾熱焦 碳后，再下放一根供風(fēng)管(6)，在供氣管(6)中供入氣化劑，點燃煤層，由供氣管(6) 和鉆孔(5)之間的環(huán)形空間(7)中排出煤氣，實現(xiàn)盲孔氣化，生產(chǎn)煤氣，同時加熱煤 層(IO)，煤層(10)加熱后，在產(chǎn)氣井收集煤層氣，增加煤層氣產(chǎn)量。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的煤層氣熱采新工藝，其特征在于采用水平定向井分層氣 化加熱煤層氣開采工藝，在兩層或兩層以上的煤層中，煤層間的巖層(16)距離在50m 以內(nèi)時，通過氣化下部/中間一層煤(13)來加熱上層/下層煤(15)，在下部/中間煤層 (13)中，布置水平定向井(12)，并施工垂直井(ll)，構(gòu)成一個煤炭地下氣化爐，在 垂直井(ll)底部下放焦碳，點燃煤層，并送入氣化劑，水平定向井(12)排出煤氣， 在燃燒氣化煤層(13)的上/下部煤層(15)中布置煤層氣采氣井(14)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的煤層氣熱采新工藝，其特征在于氣化爐選擇在較薄的煤層中。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的煤層氣熱采新工藝，其特征在于煤層氣采氣井(14)為定向水平井、定向羽狀井或在煤層15中每隔50 150m施工多個平面網(wǎng)格布置的垂直 井，收集煤層氣。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的煤層氣熱采新工藝，其特征在于待煤層氣開采完畢后， 利用煤層氣采氣井(14)構(gòu)建煤炭地下氣化爐，進一步氣化煤層，獲得可燃氣體，即 將煤層氣開采工藝和煤炭地下氣化工藝結(jié)合起來。
全文摘要
一種煤層氣熱采新工藝，其特征在于在煤層氣生產(chǎn)井或氣化井的下部放熾熱的焦碳，并壓入氣化劑，將孔底煤層點燃，通過局部煤層燃燒所釋放的熱量，加熱其鄰近的煤層，提高煤層的解析能力、滲透系數(shù)和滲透壓力，從而提高煤層氣產(chǎn)率。
文檔編號E21B43/24GK101382061SQ200710146030
公開日2009年3月11日 申請日期2007年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月7日
發(fā)明者劉麗梅, 李延生, 杰 梁, 梁新星 申請人:新奧科技發(fā)展有限公司