專利名稱：火燒煤層開(kāi)采煤層氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤層氣開(kāi)采技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及的是一種火燒煤層開(kāi)采煤層氣的方法。
背景技術(shù)：
煤層氣俗稱“瓦斯”，是在煤化過(guò)程中生成并儲(chǔ)存在煤層中的混合氣體，其主要成份是甲烷，占90%以上。我國(guó)煤層氣在埋深2000m以淺，儲(chǔ)量約為31.46X1012m3。煤層氣發(fā)熱量可達(dá)到8000kcal/m3以上，與常規(guī)天然氣大致相當(dāng)。煤層氣既是清潔燃料和化工原料，也是一種強(qiáng)溫室氣體，其溫室效應(yīng)是(X)2的21倍，更是煤礦安全事故的“殺手”。煤層氣的開(kāi)發(fā)利用，不僅可以有效改善不合理的能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)環(huán)境，減少大氣污染和溫室效應(yīng)， 而且還可以減少煤礦瓦斯事故，保障煤礦安全生產(chǎn)。同時(shí)煤層氣可作為天然氣的補(bǔ)充氣源， 保證國(guó)家能源安全，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。由于我國(guó)煤田地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層的透氣性低，造成煤層氣的抽采率低，總抽采量少，至今還很少能形成商業(yè)性開(kāi)發(fā)和利用，同時(shí)為了完成煤層氣“十二五”規(guī)劃目標(biāo)，煤層氣地面開(kāi)采技術(shù)有待革新性的突破。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種火燒煤層開(kāi)采煤層氣的的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種火燒煤層開(kāi)采煤層氣的方法，(1)布置井網(wǎng)在一個(gè)四點(diǎn)或五點(diǎn)或七點(diǎn)的井組的中心，鉆一口注氣井；( 貫通煤層；C3)點(diǎn)燃煤層；通過(guò)點(diǎn)火系統(tǒng)和地面控制臺(tái)，把煤層點(diǎn)燃；(4)采集煤層氣；( 控制煤層的燃燒范圍；可以在燃燒蔓延的方向上打一排注水井，注入高壓水形成地下水墻阻斷燃燒；在火勢(shì)較猛的地方，采用注高壓水泥漿來(lái)阻斷燃
；Bs
JyCi。所述的方法，所述步驟O)，對(duì)于一些致密的煙煤或無(wú)煙煤層時(shí)，采用電力貫通。所述的方法，所述電力貫通具體做法如下首先要在一個(gè)是注氣井、一個(gè)是采氣井里各放一個(gè)電極，把電極插進(jìn)孔底煤層里，然后接上電源，通以高壓，這樣在兩個(gè)鉆孔之間的煤層里構(gòu)成一條特殊的導(dǎo)電通路，電流通過(guò)煤層的時(shí)候，把煤層加熱，使它失去水分、揮發(fā)物等成分而變成焦炭，同時(shí)由于水分和揮發(fā)物等成分變成為氣體散失，體積縮小，因此煤層的孔隙和裂隙也大大的增加。所述的方法，所述點(diǎn)火系統(tǒng)包括通空氣管(4)、通可燃?xì)夤蹸3)、通點(diǎn)火電纜管(1) 和護(hù)管O)、火花塞(6)、火焰槍(5)、溫度傳感器(7)，護(hù)管(2)用于保護(hù)通空氣管、通可燃?xì)夤?3)和通點(diǎn)火電纜管(1)并將它們聚在一起，通空氣管(4)上端連接空氣儲(chǔ)氣罐， 通可燃?xì)夤蹸3)連接可燃?xì)怏w儲(chǔ)氣罐，點(diǎn)火電纜(1)連接點(diǎn)火線圈，空氣管(4)和可燃?xì)夤?(3)末端連接到火焰槍(5)，火焰槍(5) 口段下方有火花塞(6)，火花塞(6)連接到點(diǎn)火電纜
3(1)，并且在火焰槍周圍安裝溫度傳感器(7)，用于判斷是否點(diǎn)火成功。所述的方法，所述點(diǎn)火系統(tǒng)，利用點(diǎn)火線圈產(chǎn)生足夠的高壓電流，通過(guò)點(diǎn)火電纜， 高壓電流到達(dá)火花塞，進(jìn)而在火花塞的中心電極和側(cè)電極之間跳火，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電火花，電火花進(jìn)而引燃由壓風(fēng)機(jī)壓入和火焰槍噴出的可燃?xì)怏w，進(jìn)而引燃部分煤層的燃燒，由溫度傳感器返回的數(shù)據(jù)，斷定煤層被點(diǎn)燃后，停止向井內(nèi)注入可燃性氣體，改為向井內(nèi)注入空氣。所述的方法，在點(diǎn)火時(shí)，控制點(diǎn)火電纜的功率在20KW，電流在2A左右?？梢栽谌紵拥姆较蛏洗蛞慌抛⑺?，注入高壓水形成地下水墻阻斷燃燒；在火勢(shì)較猛的地方，采用注高壓水泥漿來(lái)阻斷燃燒。我國(guó)煤層氣資源豐富，煤層氣的開(kāi)發(fā)利用既可彌補(bǔ)常規(guī)天然氣的不足；又可有效地降低溫室效應(yīng)和減少煤礦瓦斯事故。我國(guó)煤田地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層的透氣性低，鑒于我國(guó)煤儲(chǔ)層的特點(diǎn)，借鑒火燒油層、煤的地下氣化以及注熱、注二氧化碳對(duì)提高煤層氣產(chǎn)出機(jī)理上，本發(fā)明提出一種地面強(qiáng)化開(kāi)采煤層氣的新方法-火燒煤層開(kāi)采煤層氣?；馃簩娱_(kāi)采煤層氣是一種地面強(qiáng)化開(kāi)采煤層氣的新方法。


圖1為井網(wǎng)布置示意圖；圖2為電力貫通示意圖；圖3為點(diǎn)火系統(tǒng)橫截面示意圖；圖4為點(diǎn)火系統(tǒng)的井底結(jié)構(gòu)剖面示意圖。1:通點(diǎn)火電纜管 2:護(hù)管 3:通可燃?xì)怏w管 4:通空氣管 5:火焰槍6:火花塞7:溫度傳感器 8:煤層
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1火燒煤層開(kāi)采煤層氣的原理及實(shí)施步驟所謂的火燒煤層開(kāi)采煤層氣就是通過(guò)點(diǎn)火系統(tǒng)和地面控制臺(tái)把煤層引燃，并控制注氣量使煤層處于不完全燃燒狀態(tài)，從而加快煤層氣(主要是甲烷)的解吸和擴(kuò)散，提高煤層氣采收率的一種方法。通過(guò)點(diǎn)火系統(tǒng)火把煤層點(diǎn)燃，不斷鼓風(fēng)維持燃燒，煤層中的每種碳?xì)涑煞趾涂諝庵械难鯕獍l(fā)生如下反應(yīng)C+02 = CO2 Δ H < 02C+02 = 2C0 Δ H < 02Η2+02 = 2Η20 Δ H < 0第二種反應(yīng)的生成物一氧化碳，在有氧氣的參與下，又進(jìn)一步燃燒生成二氧化碳。2C0+02 = 2C02 Δ H < 0以上的反應(yīng)是燃燒反應(yīng)，在化學(xué)上也叫氧化反應(yīng)，需要消耗氧氣，因此空氣越往前走，氧氣的含量越少，直到氧氣完全耗盡為止，這里就成為燃燒帶的終點(diǎn)。燃燒生成物繼續(xù)沿著火焰工作面向出煤氣孔的方向前進(jìn)，當(dāng)它遇到燒熱的煤表面的時(shí)候，就再一次同煤層中的碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)C02+C = 2C0ΔΗ > 0H20+C = C0+H2Δ H > 0或2H20+C = C02+2H2 Δ H > 0這些反應(yīng)需要吸收大量的熱量，這些熱量由燃燒帶內(nèi)發(fā)生氧化反應(yīng)時(shí)放出的熱量來(lái)供給。上述反應(yīng)在化學(xué)上叫做還原反應(yīng)，所以發(fā)生這種反應(yīng)的地帶稱為還原帶。還原反應(yīng)需要吸收熱量，這樣就使得火焰工作面沿著長(zhǎng)度方向的熱量越來(lái)越少，溫度越降越低。到最后，煤層表面的溫度終于降低到不足以維持還原反應(yīng)的進(jìn)行，這里就是還原反應(yīng)帶的終點(diǎn)。從煤層表面的溫度降低到不足以維持還原反應(yīng)進(jìn)行的那一點(diǎn)起，就開(kāi)始了氣化的 “干餾帶”。氣化的生成物在干餾帶里前進(jìn)，由于溫度條件的限制，它們不能再與煤中的碳發(fā)生反應(yīng)。它們只是用殘余的熱量把煤層“烘熱”，加快甲烷的解吸。通過(guò)以上的分析，我們把火燒煤層開(kāi)采煤層氣的機(jī)理總結(jié)如下(1)煤層燃燒生成的0)2對(duì)煤層氣增產(chǎn)機(jī)理本質(zhì)上包括“驅(qū)動(dòng)與“置換哪個(gè)方面。 煤對(duì)不同氣體的吸附情況是不同的，大小順序與范德華力的順序一致，即Q(CO2) > Q(CH4) > Q(N2)。(X)2與煤表面大分子之間的吸附作用大于CH4,即(X)2更易與煤表面大分子結(jié)合。 因此，當(dāng)向煤層中積聚大量ω2時(shí)，CO2將排擠吸附在煤表面的CH4使其解吸，而自身則被吸附到煤表面。這種作用被稱為競(jìng)爭(zhēng)吸附置換作用。(2)煤層燃燒產(chǎn)生的熱量，使煤層的溫度升高。隨溫度的升高，煤層對(duì)甲烷的吸附能力減弱，解吸速率加快，吸附時(shí)間縮短。溫度對(duì)CH4解吸起活化作用，溫度越高，游離CH4 越多，吸附氣越少。試驗(yàn)研究表明，溫度每升高1°C，煤吸附甲烷的能力降低約8%，其原因是溫度升高，甲烷活性增大，難于被煤體吸附，同時(shí)已被吸附的氣體分子易于獲得動(dòng)能從煤體表面解吸出來(lái)。(3)產(chǎn)物水分子與煤之間有相似的特性。水與煤之間不存在共價(jià)鍵，不以較弱的范德華力吸附在煤中的，水分子為極性分子，根據(jù)相似相容原理，水分子比CH4更容易吸附于煤中，從而取代了 CH4的位置，與煤層氣形成了競(jìng)爭(zhēng)吸附從而增加了 CH4解吸量。(4)煤層在高溫的影響下發(fā)生干裂，形成很多裂隙，類似于壓裂對(duì)煤層造成的儲(chǔ)層改造，有利于煤層氣在煤層中的滲透。另外，煤在高溫和接觸樣的條件下，容易發(fā)生表面氧化，在煤表面形成碳氧絡(luò)合物。煤經(jīng)氧化后易于破裂，表面積增加，粘結(jié)性變差甚至消失，加快煤層氣的解吸。(5)火燒煤層燃燒掉的煤，形成洞穴，類似于酸蝕的作用，增加新產(chǎn)生的裂縫的表面積，形成大孔道，增大了煤層的孔隙，提高煤層氣向裂縫網(wǎng)絡(luò)中的擴(kuò)散能力。(6)火燒煤層對(duì)煤層的作用及其產(chǎn)物不污染煤層，減小對(duì)儲(chǔ)層的損害?；馃簩娱_(kāi)采煤層氣的實(shí)施步驟如下(1)井網(wǎng)的布置。在一個(gè)四點(diǎn)或五點(diǎn)或七點(diǎn)的井組(采氣井)的中心，鉆一口注氣井，如圖1所示。(2)煤層的貫通。為了順利的點(diǎn)燃煤層則要求煤層有較多的裂縫。通常褐煤具備這樣的條件，而且它的反應(yīng)性能良好。對(duì)于一些致密的煙煤或無(wú)煙煤層時(shí)，這時(shí)候就應(yīng)該采用擴(kuò)大天然裂隙和制造人工裂縫的方法。在此我們采用電力貫通，具體做法如下首先要在兩個(gè)鉆孔(一個(gè)是注氣井，一個(gè)是采氣井)里各放一個(gè)電極，把電極插進(jìn)孔底煤層里，然后接上電源，通以高壓，這樣在兩個(gè)鉆孔之間的煤層里構(gòu)成一條特殊的導(dǎo)電通路，如圖2所示。電流通過(guò)煤層的時(shí)候，把煤層加熱，使它失去水分、揮發(fā)物等成分而變成焦炭。同時(shí)由于水分和揮發(fā)物等成分變成為氣體散失，體積縮小，因此煤層的孔隙和裂隙也大大的增加。電力貫通所需的電流和電壓，變化的范圍很大(電壓在6000V以下；通常采用 1300-3000V;功率300-1200W)，這是因?yàn)楦鞣N不同的煤層具有不同的臨界擊穿電壓值(即在這種電壓的作用下，煤層才能被擊穿貫通)。在貫通開(kāi)始之初，因?yàn)槊簩永锏暮勘容^多，電阻比較小，這時(shí)候應(yīng)該采用較低的電壓。等到電流穩(wěn)定一個(gè)時(shí)期后，再把電壓升高到最高值。(3)煤層的點(diǎn)燃。通過(guò)點(diǎn)火系統(tǒng)和地面控制臺(tái)，把煤層點(diǎn)燃。參考圖3和圖4，為點(diǎn)火系統(tǒng)的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖和井底結(jié)構(gòu)剖面示意圖；點(diǎn)火系統(tǒng)包括通空氣管4、通可燃?xì)夤?、通點(diǎn)火電纜管1和護(hù)管2，護(hù)管2的作用主要是保護(hù)通空氣管4、通可燃?xì)夤?和通點(diǎn)火電纜管1并將它們聚在一起。通空氣管4上端連接空氣儲(chǔ)氣罐，通可燃?xì)夤?連接可燃?xì)怏w儲(chǔ)氣罐，點(diǎn)火電纜連接點(diǎn)火線圈。點(diǎn)火系統(tǒng)井底結(jié)構(gòu)剖面示意圖4主要有火花塞6、 火焰槍5、點(diǎn)火電纜管1、空氣管4、可燃?xì)夤?和溫度傳感器7組成?？諝夤?和可燃?xì)夤?3末端連接到火焰槍5，火焰槍5 口段下方有火花塞6，火花塞6連接到點(diǎn)火電纜1，并且在火焰槍周圍安裝溫度傳感器7，用于判斷是否點(diǎn)火成功。點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火原理利用點(diǎn)火線圈產(chǎn)生足夠的高壓電壓，通過(guò)點(diǎn)火電纜1，電流到達(dá)火花塞6，進(jìn)而在火花塞6的中心電極和側(cè)電極之間跳火，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電火花。電火花進(jìn)而引燃由壓風(fēng)機(jī)壓入和火焰槍5噴出的可燃?xì)怏w，進(jìn)而引燃部分煤層的燃燒。由溫度傳感器7返回的數(shù)據(jù)，斷定煤層被點(diǎn)燃后，停止向井內(nèi)注入可燃性氣體，改為向井內(nèi)注入空氣。火花能量和熱表面面積等對(duì)甲烷的爆炸極限均有影響。如甲烷在電流強(qiáng)度IA的電火花作用下，無(wú)論濃度如何都不會(huì)引起爆炸。但當(dāng)電流強(qiáng)度增加至2A時(shí)，其爆炸極限為 5. 9% 13.6% ；3A時(shí)為5. 85% 14.8%。鑒于火燒油層點(diǎn)火系統(tǒng)，所以在點(diǎn)火時(shí)控制是點(diǎn)火電纜的功率在20KW，電流在2A左右。(4)煤層氣的采集。在煤氣出口處就得到了如下成分的氣體混合物C02、CO、CH4, CnHm、02、N2以及SO2等。在這種混合氣體的組成成分里，CO2, O2和N2是不能燃燒的氣體，它們的存在只能降低煤層氣的熱值。其他成分都屬于可燃性氣體，其中有以甲烷、一氧化碳和
氫氣為主。( 煤層燃燒范圍的控制?？梢栽谌紵拥姆较蛏洗蛞慌抛⑺⑷敫邏核纬傻叵滤畨ψ钄嗳紵?；在火勢(shì)較猛的地方，采用注高壓水泥漿來(lái)阻斷燃燒。實(shí)施例2火燒煤層開(kāi)采煤層注意的問(wèn)題1爆炸問(wèn)題點(diǎn)燃煤層采用電打火點(diǎn)燃可燃?xì)?甲烷)與空氣。1體積甲烷與2體積氧氣完全反應(yīng)，氧氣在空氣中體積為21 %，恰好完全反應(yīng)時(shí)，甲烷在空氣中的體積分?jǐn)?shù)為9. 5 %，此時(shí)爆炸最劇烈。而甲烷與空氣混合爆炸極限為5% 15%，井下局部氣體混合會(huì)達(dá)到爆炸極限，點(diǎn)火爆炸。爆炸極限不是一個(gè)固定值，它受各種外界因素的影響而變化，如初始溫度、 初始?jí)毫?、惰性介質(zhì)或雜質(zhì)、容器的材質(zhì)和尺寸等。當(dāng)溫度不變時(shí)，隨著壓力的升高，爆炸極限相應(yīng)地?cái)U(kuò)大當(dāng)壓力不變時(shí)，隨著溫度的升高，爆炸極限也相應(yīng)地?cái)U(kuò)大，爆炸極限上限隨溫度、壓力的變化大于爆炸極限下限的變化。所以在火燒煤層時(shí)應(yīng)該控制連接通可燃?xì)夤芎屯諝夤艿臍忾y管徑之比小于1 4. 5，并且兩壓風(fēng)機(jī)壓入儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體壓力相等，從而使甲烷氣體在混合氣體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%。2地下煤火問(wèn)題所有起火燃燒都需要三個(gè)因素空氣、可燃物和足以產(chǎn)生火花的溫度。避免火燒煤層產(chǎn)生地下煤火問(wèn)題，要求煤層不能與大量氧氣接觸，同時(shí)考慮到火燒煤層點(diǎn)火的成功率， 建議火燒煤層在地下400-1500m的深度進(jìn)行。3坍塌問(wèn)題防止火燒煤層后的區(qū)域的塌陷，可采用填沙法。將沙和水混合后注入地下，混合物在地下沉淀后就能對(duì)地面形成支撐，這樣還阻止了氧氣接觸到火。應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換， 而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種火燒煤層開(kāi)采煤層氣的方法，其特征在于，(1)布置井網(wǎng)在一個(gè)四點(diǎn)或五點(diǎn)或七點(diǎn)的井組的中心，鉆一口注氣井；( 貫通煤層；C3)點(diǎn)燃煤層；通過(guò)點(diǎn)火系統(tǒng)和地面控制臺(tái)，把煤層點(diǎn)燃；(4)采集煤層氣；( 控制煤層的燃燒范圍；可以在燃燒蔓延的方向上打一排注水井，注入高壓水形成地下水墻阻斷燃燒；在火勢(shì)較猛的地方，采用注高壓水泥漿來(lái)阻斷燃燒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟O)，對(duì)于一些致密的煙煤或無(wú)煙煤層時(shí)，采用電力貫通。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述電力貫通具體做法如下首先要在一個(gè)是注氣井、一個(gè)是采氣井里各放一個(gè)電極，把電極插進(jìn)孔底煤層里，然后接上電源，通以高壓，這樣在兩個(gè)鉆孔之間的煤層里構(gòu)成一條特殊的導(dǎo)電通路，電流通過(guò)煤層的時(shí)候，把煤層加熱，使它失去水分、揮發(fā)物等成分而變成焦炭，同時(shí)由于水分和揮發(fā)物等成分變成為氣體散失，體積縮小，因此煤層的孔隙和裂隙也大大的增加。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述點(diǎn)火系統(tǒng)包括通空氣管G)、通可燃?xì)夤?3)、通點(diǎn)火電纜管(1)和護(hù)管(2)、火花塞(6)、火焰槍(5)、溫度傳感器(7)，護(hù)管(2) 用于保護(hù)通空氣管G)、通可燃?xì)夤?3)和通點(diǎn)火電纜管(1)并將它們聚在一起，通空氣管 (4)上端連接空氣儲(chǔ)氣罐，通可燃?xì)夤蹸3)連接可燃?xì)怏w儲(chǔ)氣罐，點(diǎn)火電纜(1)連接點(diǎn)火線圈，空氣管(4)和可燃?xì)夤蹸3)末端連接到火焰槍(5)，火焰槍(5) 口段下方有火花塞(6)， 火花塞(6)連接到點(diǎn)火電纜(1)，并且在火焰槍周圍安裝溫度傳感器(7)，用于判斷是否點(diǎn)火成功。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述點(diǎn)火系統(tǒng)，利用點(diǎn)火線圈產(chǎn)生足夠的高壓電流，通過(guò)點(diǎn)火電纜，高壓電流到達(dá)火花塞，進(jìn)而在火花塞的中心電極和側(cè)電極之間跳火，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電火花，電火花進(jìn)而引燃由壓風(fēng)機(jī)壓入和火焰槍噴出的可燃?xì)怏w，進(jìn)而引燃部分煤層的燃燒，由溫度傳感器返回的數(shù)據(jù)，斷定煤層被點(diǎn)燃后，停止向井內(nèi)注入可燃性氣體，改為向井內(nèi)注入空氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在點(diǎn)火時(shí)，控制點(diǎn)火電纜的功率在20KW， 電流在2A左右。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種火燒煤層開(kāi)采煤層氣的方法，(1)布置井網(wǎng)在一個(gè)四點(diǎn)或五點(diǎn)或七點(diǎn)的井組的中心，鉆一口注氣井；(2)貫通煤層；(3)點(diǎn)燃煤層；通過(guò)點(diǎn)火系統(tǒng)和地面控制臺(tái)，把煤層點(diǎn)燃；(4)采集煤層氣；(5)控制煤層的燃燒范圍；可以在燃燒蔓延的方向上打一排注水井，注入高壓水形成地下水墻阻斷燃燒；在火勢(shì)較猛的地方，采用注高壓水泥漿來(lái)阻斷燃燒。煤層氣的開(kāi)發(fā)利用既可彌補(bǔ)常規(guī)天然氣的不足；又可有效地降低溫室效應(yīng)和減少煤礦瓦斯事故。
文檔編號(hào)E21B43/243GK102536184SQ20121001334
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者周衛(wèi)東, 張衛(wèi)東, 王會(huì)向, 王瑞和, 王緒性 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)