本發(fā)明屬于煤層氣開采技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種冰楔調(diào)壓的煤層氣開采方法和裝置。

背景技術(shù)：

煤層氣是指賦存在煤層中的非常規(guī)天然氣，其以甲烷為主要組分，屬于煤的伴生型礦產(chǎn)資源。煤層氣燃燒具有熱值高、污染低的特點(diǎn)，是優(yōu)質(zhì)的新興清潔能源。煤層氣由于儲(chǔ)層具備自生自儲(chǔ)、低孔隙度低滲透率、高有機(jī)質(zhì)含量等與常規(guī)天然氣儲(chǔ)層不同的特點(diǎn)，氣體的賦存形式也相對(duì)不同，煤層氣的賦存形式以吸附氣和游離氣為主。

現(xiàn)有煤層氣開采技術(shù)中，一般采用水力壓裂的方法，在地面鉆探煤層氣井后，在井內(nèi)設(shè)置油管和套管，在目的層位進(jìn)行水力壓裂作業(yè)，構(gòu)造人工裂縫網(wǎng)絡(luò)，提高煤層滲透率，為煤層氣的運(yùn)移提供通道。壓裂結(jié)束后，開始排水采氣作業(yè)，通過油管將地層中的水排出，通過油套環(huán)空采氣。

煤層氣賦存方式是吸附氣和游離氣并存，儲(chǔ)層滲透性和孔隙度都較低，通過水力壓裂施工造縫之后，游離氣通過裂縫構(gòu)成的流動(dòng)通道流入井筒后采出，煤層中壓力逐漸降低，解吸氣逐步解吸并繼續(xù)通過流動(dòng)通道進(jìn)入井筒后采出，維持煤層氣井持續(xù)產(chǎn)氣。現(xiàn)有的基于壓裂技術(shù)的煤層氣開采方法，在采氣一段時(shí)間后，采氣井產(chǎn)量會(huì)急劇遞減，產(chǎn)量穩(wěn)定期短、總產(chǎn)量低，最終難以達(dá)到經(jīng)濟(jì)開發(fā)的效果,其中主要原因表現(xiàn)在以下幾方面：首先由于水力壓裂作業(yè)將大量的壓裂液壓入到煤層中，而壓裂液主要成分為水和支撐劑，高壓水起破碎造縫作用，支撐劑起支撐微裂縫的作用。但是由于煤巖當(dāng)中含有一定的泥質(zhì)成分遇水會(huì)發(fā)生膨脹作用，因此容易重新封堵裂縫網(wǎng)絡(luò)，影響煤層氣的流動(dòng)過程。另一方面，水進(jìn)入微孔隙后，由于“水鎖效應(yīng)”封堵孔喉結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步的影響到了解吸氣的解吸過程，因此依靠傳統(tǒng)的水力壓裂技術(shù)進(jìn)行煤層氣開采方法較難獲得很高的產(chǎn)氣量和總采收率。此外，水力壓裂投資大，壓裂過程會(huì)浪費(fèi)大量水，壓裂液反排如不能及時(shí)妥善的處理還會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服上述不足，提供一種冰楔調(diào)壓的煤層氣開采方法和裝置，以解決現(xiàn)有煤層氣開采技術(shù)產(chǎn)量穩(wěn)定期短、總產(chǎn)量低、投資大和環(huán)保性差等問題。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種冰楔調(diào)壓的煤層氣開采方法，具體步驟如下：

一、為實(shí)現(xiàn)注水冷卻作業(yè)和采氣作業(yè)，從地面設(shè)計(jì)位置向目的煤層13的指定位置鉆探一口煤層氣井作為作業(yè)井8，在作業(yè)井8的設(shè)計(jì)距離內(nèi)周邊鉆探一口或多口煤層氣井作為采氣井9；

二、在作業(yè)井8和采氣井9內(nèi)分別下入套管1，在目的煤層13處使用篩管2完井；

三、在作業(yè)井8和采氣井9內(nèi)分別下入油管3，將封隔裝置4分別下入至作業(yè)井8中的目的煤層13的頂板14和底板15位置處進(jìn)行封隔，在井口安裝作業(yè)系統(tǒng)5，其中，作業(yè)管線5t通過井口裝置6連接油管3，出口管線5u通過井口裝置6連接油套環(huán)形空間；

四、打開作業(yè)系統(tǒng)5中的高壓注水管線閥門5c，利用高壓注水泵5a將高壓清水泵入作業(yè)井8的目的煤層13實(shí)施注水作業(yè)，直至水壓、注入時(shí)間和注水量達(dá)到設(shè)計(jì)值，形成一定體積的煤水飽和體，構(gòu)造人工微裂縫網(wǎng)絡(luò)；

五、注水作業(yè)完成后，關(guān)閉高壓注水管線閥門5c，將頂板14處的封隔裝置4解封，并使其下滑到目的煤層13的篩管2處進(jìn)行篩孔封堵，打開壓縮空氣注入管線閥門5h和排液出口管線閥門5r，利用空壓機(jī)5f向油管3內(nèi)注入壓縮空氣，將作業(yè)井8井筒中剩余的水通過油套環(huán)形空間排至井口，由排液出口管線5q排出，直到井筒剩余水排完后關(guān)閉壓縮空氣注入管線閥門5h和排液出口管線閥門5r；

六、打開冷劑注入管線閥門5k和冷劑回收管線閥門5o，利用制冷裝置5i將冷劑送至作業(yè)井8目的煤層13處進(jìn)行制冷，使目的煤層13的溫度逐步降低，這樣，注入目的煤層13中的水逐步從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，體積膨脹，從而沖頂目的煤層13的頂板14和底板15，在作業(yè)井8的目的煤層13中形成冰楔，從而使冰楔周圍的煤巖內(nèi)的應(yīng)力發(fā)生變化，使其中吸附的甲烷從吸附狀態(tài)解析出來成為游離狀態(tài)；

七、打開采氣井9，利用油套環(huán)形空間進(jìn)行采氣，并在井底存在積液時(shí)開啟潛液泵7利用油管3及時(shí)將積液排出到地面，保持采氣井9的干燥作業(yè)環(huán)境；

八、在采氣井9開采處于衰竭狀態(tài)后，為了把作業(yè)井8周圍目的煤層13的煤層氣充分采出，可將原作業(yè)井8冰楔溶解后，將原作業(yè)井8和采氣井9進(jìn)行互換，進(jìn)行上述步驟三～七，在原采氣井9目的煤層13處重新制造冰楔，將原作業(yè)井8轉(zhuǎn)為采氣井9，開始新的產(chǎn)氣過程。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的還提出了一種冰楔調(diào)壓的煤層氣開采裝置，用于實(shí)現(xiàn)有效可控的煤層氣開采。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種冰楔調(diào)壓的煤層氣開采裝置，包括：套管1、篩管2、油管3、封隔裝置4、作業(yè)系統(tǒng)5、井口裝置6和潛液泵7，其特征是，在作業(yè)井8的套管1內(nèi)目的煤層13的頂板14和底板15處分別設(shè)有封隔裝置4，作業(yè)系統(tǒng)5通過作業(yè)管線5t和出口管線5u與井口裝置6連接油管3和油套環(huán)形空間，采氣井9底部設(shè)有潛液泵7，作業(yè)時(shí)對(duì)作業(yè)井8目的煤層13進(jìn)行冰楔調(diào)壓作業(yè)，再利用采氣井9對(duì)煤層氣進(jìn)行開采。

所述的套管1用于固定煤層氣井井壁，為耐壓管道，耐壓范圍0～60MPa。

所述的篩管2用于連通煤層氣井井筒和目的煤層13，提供流體進(jìn)出通道，為耐壓管道，耐壓范圍0～60MPa。

所述的油管3用于高壓水、壓縮空氣和冷劑注入使用，和套管1之間形成油套環(huán)形空間。油管3為加保溫層的耐壓管道，防止冷劑在未到達(dá)目的煤層13前冷量流失，耐壓范圍0～60MPa。

所述的封隔裝置4用于隔離其他層位單獨(dú)對(duì)目的煤層13進(jìn)行注水的作業(yè)或封隔目的層位防止回水，為專用的可密封和可解封的滑動(dòng)式配套封隔裝置。

所述的井口裝置6用于煤層氣井頂端和外部環(huán)境隔絕作用，設(shè)置有油管3連接孔和油套環(huán)形空間出口孔。作業(yè)管線5t利用法蘭組件和井口裝置6的油管3連接孔連接，出口管線5u利用法蘭組件和油套環(huán)形空間出口孔連接，便于作業(yè)使用。

所述的潛液泵7用于防止采氣井9井底積液，保證采氣作業(yè)的干燥環(huán)境。

所述的作業(yè)系統(tǒng)5包括高壓注水泵5a、高壓注水管線5b、高壓注水管線閥門5c、高壓注水流量計(jì)5d、壓力表5e、空壓機(jī)5f、壓縮空氣注入管線5g、壓縮空氣注入管線閥門5h、制冷裝置5i、冷劑注入管線5j、冷劑注入管線閥門5k、冷劑注入流量計(jì)5l、管匯5m、冷劑回收管線5n、冷劑回收管線閥門5o、冷劑回收流量計(jì)5p、排液出口管線5q、排液出口管線閥門5r、中控設(shè)備5s、作業(yè)管線5t和出口管線5u。

所述的高壓注水泵5a用于煤層氣井的注水使用。高壓注水泵5a通過高壓注水管線5b和作業(yè)管線5t連接油管3，在注水作業(yè)時(shí)，將水注入至目的煤層13中。

所述的空壓機(jī)5f用于煤層氣井注水完成后返排水使用?？諌簷C(jī)5f通過壓縮空氣注入管線5g和作業(yè)管線連接油管3，返排作業(yè)時(shí)，空壓機(jī)5f將壓縮空氣注入井筒內(nèi)，讓水從油套環(huán)形空間返排至井口，并通過出口管線和排液出口管線5q送至地面進(jìn)行回收處理。

所述的制冷裝置5i用于降低冷劑溫度、提供冷劑循環(huán)動(dòng)力。制冷裝置5i通過冷劑注入管線5j和油管3相連，冷劑送到目的煤層13換熱后，通過油套環(huán)形空間返回至出口管線，經(jīng)過冷劑回收管線5n回到制冷裝置5i,實(shí)現(xiàn)冷劑循環(huán)。制冷裝置5i制冷溫度范圍為0℃～-150℃。

所述的冷劑可采用專用的液態(tài)或氣態(tài)冷劑。

所述的中控設(shè)備5s用于控制注水、返排和制冷等步驟的操作，通過信號(hào)傳輸線纜連接高壓注水泵5a、空壓機(jī)5f、制冷裝置5i、壓力表5e和高壓注水流量計(jì)5d等。

為實(shí)現(xiàn)制冷作業(yè)，還可采用蒸汽壓縮式制冷方式，在本裝置基礎(chǔ)上加入井下冷頭盤管換熱。

本發(fā)明的工作原理：在分析待開采區(qū)域的煤層區(qū)域地質(zhì)情況和地勘資料后，通過在設(shè)計(jì)的煤層區(qū)域注入水，利用水制冰體積膨脹的原理在煤層頂、底板之間形成冰楔進(jìn)行調(diào)壓，讓煤層氣解吸從采氣井9排出實(shí)現(xiàn)煤層氣的開采?？刂谱⑺畨毫Α⒆⑷霑r(shí)間和注水量來控制冰楔的波及范圍和大小。開采時(shí)向作業(yè)井8目的煤層13注入的高壓清水，當(dāng)注水壓力、注入時(shí)間和注水量達(dá)到設(shè)計(jì)值后，在煤層中構(gòu)造微裂縫網(wǎng)絡(luò)，然后通過專有的制冷技術(shù)和裝置將煤層裂縫中的注入水凝結(jié)成冰，在作業(yè)井8目的煤層13形成一定范圍的冰楔，沖頂目的煤層13的頂?shù)装?，進(jìn)而調(diào)整作業(yè)井8到采氣井9之間的煤層應(yīng)力分布，從而構(gòu)造該區(qū)域新的微裂縫網(wǎng)絡(luò)，提高煤層氣的運(yùn)移能力。同時(shí)，在采氣井9開采的過程中，隨著煤層應(yīng)力的降低，促進(jìn)了吸附態(tài)煤層氣的解吸，實(shí)現(xiàn)煤層氣運(yùn)移-降壓-解吸的動(dòng)態(tài)耦合過程。該方法可有效避免孔喉“水鎖效應(yīng)”問題以及由于煤層中泥質(zhì)成分遭遇外來水侵而發(fā)生膨脹所造成的微裂縫重新閉合問題，實(shí)現(xiàn)煤層氣的產(chǎn)氣量、穩(wěn)定期、總采收率可控化開采的目的。

本發(fā)明涉及的注水壓力、注入時(shí)間、注水量和制冷時(shí)間主要根據(jù)目的煤層煤體結(jié)構(gòu)、產(chǎn)氣需求情況和運(yùn)行費(fèi)用等因素綜合考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本發(fā)明的有益效果：

1、采用本發(fā)明方法和裝置開采煤層氣具備靈活、低污染、低反排的特點(diǎn)；

2、整個(gè)開采裝置均可重復(fù)使用，具有成本相對(duì)低廉的特點(diǎn)。

3、本發(fā)明提供的一種冰楔調(diào)壓煤層氣開采方法和裝置適用于直井、定向井或水平井的煤層氣地面開發(fā)；

4、可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況和開采需要，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的井工廠開發(fā)模式。

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種冰楔調(diào)壓的煤層氣開采方法應(yīng)用于煤層氣直井開采的示意圖；

圖2為本發(fā)明一種冰楔調(diào)壓的煤層氣開采裝置中作業(yè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明一種冰楔調(diào)壓的煤層氣開采方法應(yīng)用于煤層氣水平井開采的側(cè)面示意圖；

圖4為本發(fā)明一種冰楔調(diào)壓的煤層氣開采方法應(yīng)用于煤層氣水平井開采的剖面示意圖；

圖5為本發(fā)明一種冰楔調(diào)壓的煤層氣開采方法應(yīng)用于有斷層帶附近的煤層氣井開采示意圖。

圖中：

1、套管，2、篩管，3、油管，4、封隔裝置，5、作業(yè)系統(tǒng)，6、井口裝置，7、潛液泵，8、作業(yè)井，9、采氣井，10、水平作業(yè)井，11、水平采氣井，12、冰封井，13、目的煤層，14、頂板，15、底板，16、斷層帶，5a、高壓注水泵，5b、高壓注水管線，5c、高壓注水管線閥門，5d、高壓注水流量計(jì)，5e、壓力表，5f、空壓機(jī)，5g、壓縮空氣注入管線，5h、壓縮空氣注入管線閥門，5i、制冷裝置，5j、冷劑注入管線，5k、冷劑注入管線閥門，5l、冷劑注入流量計(jì)，5m、管匯，5n、冷劑回收管線，5o、冷劑回收管線閥門，5p、冷劑回收流量計(jì)，5q、排液出口管線，5r、排液出口管線閥門，5s、中控設(shè)備，5t、作業(yè)管線，5u、出口管線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明一種冰楔調(diào)壓的煤層氣開采方法和裝置系利用煤層和頂?shù)装鍘r層的不同地質(zhì)特性和吸水特性，將一定量的清水在一定的時(shí)間內(nèi)注入目的煤層后，利用專有的制冷系統(tǒng)將目的煤層中的注入水冷卻成冰，由于水變成冰后體積發(fā)生膨脹，在裂縫影響范圍內(nèi)沖頂目的煤層的頂?shù)装澹鬼數(shù)装灏l(fā)生彈性變形，從而在作業(yè)井目的煤層形成冰楔，改變目的煤層應(yīng)力分布，制造微裂縫網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)運(yùn)移-降壓-解吸的動(dòng)態(tài)耦合過程，實(shí)現(xiàn)煤層氣的靈活可控、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的開采方式。

實(shí)施例1

參照?qǐng)D1和圖2，本實(shí)施例中利用冰楔調(diào)壓方法開采煤層氣包括以下步驟：

(1)鉆探兩口煤層氣井，分別為作業(yè)井8和采氣井9，分別下入套管1并采用篩管2完井。

(2)在作業(yè)井8內(nèi)下入封隔裝置4到目的煤層13的頂板14和底板15位置處進(jìn)行封隔，并安裝好作業(yè)系統(tǒng)5；開啟高壓注水泵5a將高壓清水通過高壓注水管線5b泵入目的煤層13中，構(gòu)造人工微裂縫網(wǎng)絡(luò)。

(3)在水壓、注入時(shí)間和注水量達(dá)到設(shè)計(jì)值后，解鎖封隔裝置4，使封隔裝置4下滑到目的煤層13位置，封鎖目的煤層位置的篩孔，再開啟空壓機(jī)5f，通過油管3向井下注入壓縮空氣，使作業(yè)井8井筒中清水通過油套環(huán)空返排至地面回收處理。

(4)開啟制冷裝置5i，通過冷劑換熱，將目的煤層13中的注入水逐漸凝結(jié)成冰；由于水變成冰后體積發(fā)生膨脹，進(jìn)而使裂縫影響范圍內(nèi)的目的煤層13上下的頂?shù)装灏l(fā)生應(yīng)力變形，形成楔狀結(jié)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)目的煤層13的壓力體系，構(gòu)造了從作業(yè)井8到采氣井9之間新的穩(wěn)定微裂縫，打通了氣體流動(dòng)通道，促進(jìn)煤層氣的滲流和解吸。

(5)打開采氣井9進(jìn)行開井采氣，大量的煤層氣從目的煤層13流入采氣井9井筒，依靠井底和井口壓力從油套環(huán)空提升至出口管線匯入地面輸氣系統(tǒng)。

本方法可以應(yīng)用于定向井，步驟同本例。

實(shí)施例2

參照?qǐng)D3和圖4，冰楔調(diào)壓煤層氣開采方法應(yīng)用于煤層氣水平井開采具體包括以下步驟：

(1)在目的煤層13中鉆探煤層氣水平作業(yè)井10和水平采氣井11，下入套管1并且水平段采用篩管2完井。

(2)在水平作業(yè)井10內(nèi)下入封隔裝置4至作業(yè)段前后兩端，并安裝好作業(yè)系統(tǒng)5，利用高壓注水泵5a將高壓清水泵入作業(yè)段目的煤層13進(jìn)行作業(yè)，構(gòu)造人工微裂縫網(wǎng)絡(luò)。

(3)造縫完成后，解鎖封隔裝置4，使封隔裝置4滑移到作業(yè)段位置并封鎖目的段位置的篩孔，再開啟空壓機(jī)5f通過油管3向井下注入空氣，使水平作業(yè)井10井筒中清水通過油套環(huán)空返排到地面。

(4)開啟制冷裝置5i，通過冷劑換熱，將目的煤層13中注入的水逐漸凝結(jié)成冰。由于水變成冰后體積發(fā)生膨脹，進(jìn)而使裂縫影響范圍內(nèi)的煤層上下頂?shù)装灏l(fā)生應(yīng)力變形，形成楔狀結(jié)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)目的煤層13的壓力體系，構(gòu)造了從作業(yè)井8到采氣井9之間新的穩(wěn)定微裂縫，打通了氣體流動(dòng)通道，促進(jìn)煤層氣的滲流和解吸。

(5)打開水平采氣井11進(jìn)行開井采氣，大量的煤層氣由目的煤層13流入水平采氣井11的井筒并提升至地面匯入地面輸氣系統(tǒng)。

(6)作業(yè)段作業(yè)完畢后，再次在水平作業(yè)井10安裝作業(yè)系統(tǒng)5對(duì)新作業(yè)段進(jìn)行作業(yè)，重復(fù)本例(2)、(3)和(4)中過程直至完成整個(gè)水平段煤層氣開采。

實(shí)施例3

參照?qǐng)D5，本發(fā)明一種冰楔調(diào)壓煤層氣開采方法應(yīng)用于有斷層帶16附近的煤層氣井開采。本實(shí)施例為目的煤層13附近發(fā)育有小斷層時(shí)，為保證冰楔調(diào)壓產(chǎn)出的氣體不逸散，還可在小斷層與作業(yè)井8附近加布一口冰封井12起到冰封作用，隔離氣體的逸散。具體實(shí)施步驟如下：

(1)鉆探兩口煤層氣井，分別為作業(yè)井8和采氣井9，分別下入套管1并采用篩管2完井。

(2)在作業(yè)井8和斷層帶16之間，鉆探冰封井12，下入套管1并采用篩管2完井，作為封堵氣體逸散使用。

(3)將作業(yè)系統(tǒng)5安裝于作業(yè)井8和冰封井12，利用高壓注水泵5a將高壓清水通過高壓注水管線5b泵入目的煤層13中，構(gòu)造人工微裂縫網(wǎng)絡(luò)。注水作業(yè)完成后，利用空壓機(jī)5f對(duì)作業(yè)井8和冰封井12井筒中的水進(jìn)行返排。

(4)開啟制冷裝置5i，通過冷劑制冷，將目的煤層13中的水逐漸凝結(jié)成冰。冰封井12起到冰封地層，防止氣體逸散的作用。作業(yè)井8井下的冰楔起到調(diào)壓作用，用于開采煤層氣。

(5)打開采氣井9進(jìn)行開井采氣，大量的煤層氣由目的煤層13流入井筒并提升至地面匯入地面輸氣系統(tǒng)。