專利名稱：水平井混合氣體驅(qū)替煤層氣方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種煤層氣開采方法，尤其涉及一種水平井混合氣體驅(qū)替煤層氣 方法。
背景技術(shù)：
我國煤層大多含氣量較高，平均含氣量10mVt以上的礦區(qū)，占41%;但煤層 的滲透率較低， 一般為0.002 16. 17mD (毫達(dá)西)。其中，滲透率小于1.0 mD 的占72%，非常不利于煤層氣的幵采和利用。我國煤層普遍滲透率低、解吸速度 慢而導(dǎo)致絕大多數(shù)煤層試驗(yàn)井產(chǎn)量低、衰減快、難以形成穩(wěn)定的工業(yè)性氣流。
當(dāng)前技術(shù)比較成熟的煤層氣開采方式有地面垂直井、地面采動(dòng)區(qū)井(Gob well)、井下水平孔(即煤礦井下瓦斯抽放)和廢棄礦井均采用單純抽采方式。為 了提高煤層氣單產(chǎn)量，還采用定向羽狀分支水平孔技術(shù)、水壓致裂增滲、解放層 增滲等技術(shù)，取得了一定的效果。當(dāng)前井下煤層氣開采主要還是抽采為主，采用 負(fù)壓抽取煤層氣，但煤層氣的采收率較低，同時(shí)水平孔的深度有限，抽采的影響 范圍有限，浪費(fèi)了大量煤層氣資源。
目前驅(qū)替開采煤層氣的方法多種多樣，例如水驅(qū)替、C02驅(qū)替、&氣驅(qū)替 煤層氣技術(shù)。水驅(qū)替煤層氣的效果有待商榷；C02驅(qū)替煤層氣效果較好，但是會(huì) 引起煤基質(zhì)膨脹，降低煤層的滲透性，影響煤層的注入性，導(dǎo)致注入困難，并不 適合我國的低滲煤層；N2驅(qū)替煤層氣的效果較好，但其置換效果有限，同時(shí)0)2 和N2的分離成本較貴，影響煤層氣驅(qū)替開采的經(jīng)濟(jì)性。
驅(qū)替范圍受鉆井的分布影響很大。如圖l，當(dāng)傳統(tǒng)垂直井驅(qū)替方式中采收井 (22)四點(diǎn)布置，存在驅(qū)替死區(qū)(40)，該部分煤層氣無法采收或者充分采收， 降低了煤層氣的采收率；且垂直井很大一部分處于其它巖層(非煤層)中，極小 的部分在煤層中，占用了大量資金。 總之，井下煤層氣抽采的效果還有待提高，開發(fā)新型的煤層氣增產(chǎn)技術(shù)方式 對(duì)于我國煤炭企業(yè)具有經(jīng)濟(jì)、安全和環(huán)保等方面的多重意義，因此必須尋找新的 經(jīng)濟(jì)的、采收率高的煤層氣開采方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有煤層氣開采技術(shù)存在的上述缺點(diǎn)和不足，擴(kuò)大 現(xiàn)有技術(shù)的使用范圍，提供一種水平井混合氣體驅(qū)替煤層氣方法；該方法不僅有 利于提高煤層氣的采收率、采收速度和采收范圍，降低驅(qū)替成本，同時(shí)在不可開 采煤層中封存廢棄氣體或者封存溫室氣體。
本發(fā)明包括下列步驟
① 如圖2、 3、 4，通過水平井生成工藝在煤層(30)中形成若干水平井(10)， 若干水平井(10)由交替間隔排列的結(jié)構(gòu)一樣的注入井(11)和采收井(12)組 成，每個(gè)水平井(10)包括相互連通的垂直段(13)和水平段(14);
② 采用高壓注入設(shè)備將混合氣體通過注入井(11)注入含煤層氣的煤層(30 )
中；
③ 在采收井(12)中獲取含有煤層氣的混合氣體，直到獲取的甲烷濃度低于 經(jīng)濟(jì)開采濃度和安全濃度為止。
本發(fā)明的工作原理和特點(diǎn)
通過注入井(11)向煤層(30)注入混合氣體，混合氣體可包含各種氣體成 分，通過混合氣體置換煤層氣，并驅(qū)趕它流向采收井(12)。 相對(duì)于其它驅(qū)替方法，本發(fā)明主要有以下兩個(gè)特點(diǎn) 1、利用混合氣體 混合氣體具有以下作用
一是置換，注入的強(qiáng)置換氣體與CH4競爭吸附，置換CH4分子，促進(jìn)煤層氣 解吸，同時(shí)降低CH4的分壓，進(jìn)一步促使CH4解吸；
二是驅(qū)趕，混合氣體的注入維持了比單純抽氣更高的壓力梯度，起到增加流
體流速的作用，促使煤層氣的對(duì)流、彌散，驅(qū)趕和攜帶CH4流向采收井(12);
三是變滲，混合氣體的注入維持了較高的孔隙壓力，增大孔隙度和孔隙連通 性，有利于提高煤層滲透性。此外，混合氣體中不同置換比的氣體成分可引起煤
層膨脹或收縮(相對(duì)于吸附甲烷時(shí))，可以降低或提高煤層滲透性，改善煤層的 可注入性。
2、在水平井(10)中形成交替間隔排列的注入井(11)和采收井(12) 利用注入井(11)和采收井(12)進(jìn)行煤層氣驅(qū)替開采，減少垂直井?dāng)?shù)量， 降低氣體驅(qū)替開采成本，增加煤層氣采收率，降低煤層氣的濃度，對(duì)于可開采煤 層，提高整個(gè)煤層開采的安全環(huán)境，同時(shí)采收煤層氣；對(duì)于不可開采煤層，減少 溫室氣體排放。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果
1、 發(fā)揮強(qiáng)置換氣體的競爭吸附能力。煤對(duì)強(qiáng)置換氣體(如S02、 H2S、 C02、 N0X、 Sa等氣體)的吸附能力比CH4強(qiáng)，注入強(qiáng)置換氣體可以促進(jìn)CH4的脫附。當(dāng) 然，注入的強(qiáng)置換氣體也降低CH4在煤層中的分壓，也有一定的促進(jìn)C仏脫附的 效果。發(fā)揮弱置換氣體的增滲作用。弱置換氣體驅(qū)替甲垸后，煤層發(fā)生收縮，有 增大滲透性的作用。例如弱置換氣體(如N2、 H2、 H6)使煤層滲透系數(shù)增加l 個(gè)量級(jí)以上，總體而言可以通過混合氣體中不同置換能力的氣體成分，控制煤基 質(zhì)的脹縮，控制煤層的滲透性，這對(duì)于低滲透煤層的煤層氣開發(fā)具有重要意義。
2、 利用水平井混合氣體驅(qū)替煤層氣開采方法，可以減少驅(qū)替開采建設(shè)成本， 增加驅(qū)替的范圍，提高煤層氣的采收率，利用大部分煤層氣資源。
3、 水平井混合氣體驅(qū)替煤層氣降低了采區(qū)煤層的瓦斯含量，降低瓦斯突出 和煤層突出的風(fēng)險(xiǎn)，改善了煤層開采的安全性；不可開采煤層則可以進(jìn)行廢棄氣 體地質(zhì)封存。
總之，本發(fā)明兼顧強(qiáng)置換氣體的優(yōu)勢競爭吸附和弱置換氣體的增滲和降低甲 烷氣體分壓的效果；提高煤層氣的采收率和單產(chǎn)量，同時(shí)在不可開采煤層可進(jìn)行 廢棄氣體的地質(zhì)封存和減排。


圖1是垂直井驅(qū)替死區(qū)煤層氣示意圖2是本發(fā)明多層水平井分布示意圖(主視)；
圖3是本發(fā)明多層水平井分布示意圖(側(cè)視)；
圖4是本發(fā)明多層水平井混合氣體驅(qū)替煤層氣示意圖;
圖5是本發(fā)明混合氣體流動(dòng)示意圖之一； 圖6是本發(fā)明混合氣體流動(dòng)示意圖之二； 圖7是本發(fā)明多分支水平井水平布置示意圖。 其中-
IO—水平井，
11— 注入井；
12— 采收井；
13— 水平段； 14一垂直段。
20—傳統(tǒng)鉆井，
21—傳統(tǒng)注入井；22—傳統(tǒng)采收井。
30—煤層。 40—驅(qū)替死區(qū)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明
1、關(guān)于步驟①
水平井生成工藝術(shù)在煤炭、煤層氣開采、石油領(lǐng)域已經(jīng)存在；我國水平井生
成工藝處于世界領(lǐng)先地位(主要指石油、煤炭部門)，可直接采用這些工藝進(jìn)行
水平井生成?，F(xiàn)有且成熟的水平井生成工藝有垂直水平井、小曲率半徑水平井、 多分支水平井、羽狀水平井、超長水平井等工藝技術(shù)。若煤層有多個(gè)礦層或者礦 層很厚的情況，就需要多層水平井。 一般情況下，采用超長水平井可有效地減少 鉆井垂直部分的重復(fù)鉆進(jìn)；特別對(duì)于埋藏較深、比較薄的礦層，超長水平井驅(qū)替 相對(duì)于傳統(tǒng)煤層氣開采方法具有不可比擬的成本優(yōu)勢。水平井生成工藝參照石 油、煤炭部門水平井成井技術(shù)進(jìn)行。只有主水平井的情況下，注入井與采收井之 間的間距選擇方法與傳統(tǒng)煤層氣開采方法一致，控制范圍為lm 1000m，根據(jù)開 采時(shí)間一般取100 300m為最佳距離；有分支井的情況下，分支井與分支井之間 的間距與一般驅(qū)替方法的間距的選擇方法一致。
如圖2、 3、 7，將水平井(10)分為注入井(11)和采收井(12)。 一般而
言，鉆井分布為交替狀，多層水平井時(shí)，可以在礦層空間上形成空間布井，形成 空間上的交替間隔狀。
其中，注入井(11)和采收井(12)應(yīng)順煤層(30)方向，注入井(11)和 采收井(12)的水平段與煤層(30)方向的夾角為土40度范圍。
2、關(guān)于步驟②
1) 將各種氣體按照一定比例混合形成混合氣體，通過高壓注入設(shè)備(如高 壓注氣泵、高壓容器等)將混合氣體經(jīng)注入井(11)注入煤層(30)。
2) 混合氣體成分包含比較廣，主要包括強(qiáng)置換氣體，選擇S0X、 N0X、 H2S、 C02等氣體和弱置換氣體，選擇N2、 H2等氣體?；旌蠌?qiáng)置換氣體和弱置換氣體， 同時(shí)可包含02，破壞煤基質(zhì)表面結(jié)構(gòu)，引起煤層氣脫附。
混合氣體平均置換率f參照以下公式計(jì)算
冗=xi , =0.2~5 [1]
;=1
其中-
^一混合氣體平均置換率； A—各種氣體的體積比例；
^一各種氣體的置換率，即在相同壓力下，各種氣體對(duì)煤基質(zhì)吸附量相對(duì)于 甲垸對(duì)煤基質(zhì)吸附量的比率。
主要混合氣體置換率可按照以下參數(shù)進(jìn)行計(jì)算
S02: H2S: C02: CH4: N2: H2 = 5: 4: 2: 1: 0.2: 0.1;
或經(jīng)過試驗(yàn)確定和參考其它資料。其它氣體直接由試驗(yàn)結(jié)果確定。
Z為0.2時(shí)，主要為降低甲烷分壓促使其解吸；X為5時(shí)，主要是競爭吸
附促使甲烷解吸。
02主要作用破壞煤基質(zhì)表面，提高煤層溫度，促使甲烷解吸，但控制條件以 不引起煤層自燃為準(zhǔn)。氧氣單獨(dú)控制，其控制標(biāo)準(zhǔn)為02濃度在0% 21%范圍內(nèi)， 作為輔助手段加入煤層中。
注入過程中根據(jù)煤層的壓力和溫度變化動(dòng)態(tài)調(diào)整混合氣體的構(gòu)成，例如開 始注入y較大的氣體，根據(jù)煤層的注入性，調(diào)整X的構(gòu)成(即氣體比例)，采
用小》值的驅(qū)替混合氣體驅(qū)替，交替注入驅(qū)替煤層氣；或者采用平均的^，平
穩(wěn)的采用驅(qū)替混合氣體驅(qū)替煤層氣。
另外，混合氣體可直接采用工業(yè)廢氣、空氣、廢棄氣體、含硫尾氣或者它們 的混合氣體加入調(diào)節(jié)成分氣體，混合氣體濃度要求低或者不要求，大幅度降低氣 源成本和降低混合氣體驅(qū)替煤層氣的總成本；同時(shí)將廢棄氣體封存與不可開采煤
層中，降低大氣污染。
對(duì)于不可開采煤層，氣體成分可以隨意；但對(duì)于可開采煤層，考慮到將來開 采該煤層，注入的氣體不能有很強(qiáng)的毒性， 一般采用C02和N2混合驅(qū)替效果比較 好。
3、關(guān)于步驟③
在采收井(12)中獲取煤層氣或者含有煤層氣的驅(qū)替混合氣體，分離出甲院 后的其它氣體成分可重新作為驅(qū)替混合氣體中的成分循環(huán)使用?；旌蠚怏w驅(qū)替混 合氣體驅(qū)替煤層氣可大幅度提高煤層氣的產(chǎn)量和開采速度；若進(jìn)行廢棄氣體注入 則可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模廢棄氣體的地質(zhì)封存。
權(quán)利要求
1、一種水平井混合氣體驅(qū)替煤層氣方法，其特征在于包括下列步驟①通過水平井工藝技術(shù)在煤層(30)中形成若干水平井(10)，若干水平井(10)由交替間隔排列的結(jié)構(gòu)一樣的注入井(11)和采收井(12)組成，每個(gè)水平井(10)包括相互連通的垂直段(13)和水平段(14)；②采用高壓注入設(shè)備將混合氣體通過注入井(11)注入含煤層氣的煤層(30)中；③在采收井(12)中獲取含有煤層氣的混合氣體，直到獲取的甲烷濃度低于經(jīng)濟(jì)開采濃度和安全濃度為止。
2、 按權(quán)利要求1所述的一種水平井混合氣體驅(qū)替煤層氣方法，其特征在于步驟①在煤層(30)中形成的水平井(10)為順煤層(30)方向，其夾角在±40 度范圍內(nèi)。
3、 按權(quán)利要求1所述的一種水平井混合氣體驅(qū)替煤層氣方法，其特征在于步驟②混合氣體主要包括強(qiáng)置換氣體成分和弱置換氣體成分； ^參照以下公式計(jì)算<formula>formula see original document page 2</formula>其中-^一混合氣體平均置換率；A—混合氣體中各種氣體的體積比例； 《一各種氣體的置換率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水平井混合氣體驅(qū)替煤層氣方法，涉及一種煤層氣開采方法。本發(fā)明包括下列步驟①通過水平井工藝在煤層(30)中形成若干水平井(10)，若干水平井(10)由交替間隔排列的結(jié)構(gòu)一樣的注入井(11)和采收井(12)組成；②采用高壓注入設(shè)備將混合氣體通過注入井(11)注入含煤層氣的煤層(30)中；③在采收井(12)中獲取含有煤層氣的混合氣體，直到獲取的甲烷濃度低于經(jīng)濟(jì)開采濃度和安全濃度為止。本發(fā)明兼顧強(qiáng)置換氣體的優(yōu)勢競爭吸附和弱置換氣體的增滲和降低甲烷氣體分壓的效果；提高煤層氣的采收率和單產(chǎn)量，降低煤層氣開采的成本，同時(shí)可進(jìn)行廢棄氣體地質(zhì)封存，大規(guī)模減排和封存廢棄氣體。
文檔編號(hào)E21B43/16GK101173604SQ20071016836
公開日2008年5月7日 申請(qǐng)日期2007年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月16日
發(fā)明者李小春, 寧 魏 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所