一種煤層氣與煤共采方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種煤層氣與煤共采方法，所述方法包括：鉆井步驟；壓裂貫通步驟；抽采煤層氣步驟；點(diǎn)火步驟及地下氣化步驟。本發(fā)明方法將煤炭地下氣化技術(shù)與煤層氣抽采技術(shù)結(jié)合，既可以利用地下氣化高溫加熱煤層，增加煤層透氣性，提高煤層氣采收率，還可以利用煤層氣進(jìn)行鉆井和壓裂貫通過程，提升地下氣化采煤的效率。
【專利說明】一種煤層氣與煤共采方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型地下含碳有機(jī)礦物儲(chǔ)層的開采工藝，更具體地是地下煤層氣和煤炭的共采方法。
【背景技術(shù)】
[0002]煤炭是我國的主要能源，在一次能源構(gòu)成中占比70%左右，而且資源總量相對(duì)豐富，預(yù)測(cè)資源總量約4.5萬億噸(2000米以淺)，其中賦存深度在600米以淺的資源量僅占比25%左右，就目前煤礦開采深度(400米)估計(jì)，我國地下煤炭預(yù)測(cè)總資源量中至少還有大約80%的煤炭資源還沒有被開發(fā)和利用，深部煤炭資源的開發(fā)將是一項(xiàng)長期的工作。隨著開采深度的增加，煤炭的伴生資源-瓦斯(也稱煤層氣)含量亦迅速增大，據(jù)煤層氣資源評(píng)價(jià)，我國埋深2000米以淺煤層氣地質(zhì)資源量約為36萬億立方米，居世界第三位，與陸上常規(guī)天然氣資源量相當(dāng)。
[0003]盡管我國煤層氣資源豐富，但我國煤層氣賦存條件區(qū)域性差異大，多數(shù)地區(qū)呈低壓力、低滲透、低飽和特點(diǎn)，除沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣外，其他地區(qū)目前實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化開發(fā)難度大。而且高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井多，隨著開采深度加大，地應(yīng)力和瓦斯壓力進(jìn)一步增加，井下抽采難度增大。不僅如此，隨著開采深度的不斷增加，地質(zhì)環(huán)境更加復(fù)雜，地應(yīng)力增大、涌水量加大、地溫升高，導(dǎo)致突發(fā)性工程災(zāi)害和重大惡性事故增加，如礦井沖擊地壓、瓦斯爆炸、礦壓顯現(xiàn)加劇、巷道圍巖大變形、流變、地溫升高等，對(duì)深部資源的安全高效開采造成了巨大威脅。因而無論是從采煤過程中安全需求的角度考慮，還是從提高煤炭資源利用率，促進(jìn)煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的角度考慮，都必須研究和解決難采煤及煤層氣的開采和利用問題。
[0004]公開的資料顯示，煤炭地下氣化技術(shù)可以將賦存在地下的煤層進(jìn)行可控燃燒，通過熱解作用和化學(xué)作用，產(chǎn)生可以有效利用的氣體能源，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭的原位氣化開采，該技術(shù)對(duì)于淺部煤層的氣化取得了相當(dāng)大的成功，并在前蘇聯(lián)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)行。上世紀(jì)石油危機(jī)后，歐洲部分國家曾采用煤炭地下氣化技術(shù)，從不能用常規(guī)方法開采的深部煤層取得能源，其中1978年?1986年，比利時(shí)和德國聯(lián)合在比利時(shí)的圖林首次進(jìn)行了深部煤層地下氣化試驗(yàn)(煤層深度為860m) ; 1988年，歐盟的6個(gè)成員國建立了歐洲地下煤炭氣化工作組，于1998年在西班牙特魯埃爾礦區(qū)進(jìn)行了中等深部煤層地下氣化(煤層深度為550?650m)試驗(yàn)，驗(yàn)證了歐洲深部煤層地下氣化技術(shù)的可行性。
[0005]煤炭地下氣化技術(shù)是目前開采深部煤炭資源最有效的技術(shù)，但是現(xiàn)有煤炭地下氣化技術(shù)通常僅僅考慮煤層的氣化，而隨著煤炭開采深度的增加，煤層氣含量將迅速增大，因而不可避免的會(huì)遇到煤層氣的抽采問題，具體問題包括:(I)對(duì)于煤層氣富集的煤層來說，如果直接實(shí)施煤層的氣化，會(huì)存在安全方面的威脅和資源的浪費(fèi)等問題；(2)如果采用常規(guī)的煤層氣開采手段，而不考慮與地下氣化技術(shù)的結(jié)合，那么后續(xù)實(shí)施煤炭地下氣化，則會(huì)存在鉆孔等功能的重疊，和投資成本的增加等；(3)向煤層中注入CO2可以提高煤層CH4的采收率，但僅在煤層氣抽采初期可以調(diào)高煤層氣產(chǎn)量，但是后期裂隙容易閉合，煤層氣產(chǎn)量下降很快；(4)作為氣化過程的中間體及產(chǎn)物組成之一，CO2參與了一系列的氧化還原反應(yīng)，是出口煤氣中的重要組分，含量約占15?60%，是關(guān)系煤氣熱值和有效組分含量的重要因素之一，但是現(xiàn)有工藝通常沒有考慮CO2的回收與利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，煤層氣抽采與煤炭地下氣化在鉆孔、壓裂、增隙改造等工藝環(huán)節(jié)存在一些相似性和協(xié)同效應(yīng)，可以將煤炭地下技術(shù)與煤層氣抽采技術(shù)結(jié)合起來綜合考慮地下煤炭資源和煤層氣資源的協(xié)同開發(fā)利用。一方面，可以利用煤炭地下氣化產(chǎn)生的高溫介質(zhì)加熱煤層，高溫下煤層氣中CH4吸附能力大大降低，同時(shí)熱能在向煤層傳遞的過程中氣體受熱膨脹，有利于建立生產(chǎn)壓差，從而提高煤層氣滲流速度；另一方面，前期煤層氣壓裂增產(chǎn)、排水降壓等過程，使煤層透氣性提高，將有利于煤炭地下氣化工藝的火區(qū)的建立和后續(xù)氣化過程的進(jìn)行，同時(shí)煤層受熱后滲透性可以提高2?10倍，因而更有利于促進(jìn)CH4解吸。另夕卜，從產(chǎn)品角度看，二氧化碳和甲烷分離的成本較氮?dú)夂图淄榈姆蛛x成本低，煤氣中的一氧化碳和氫氣可以直接合成甲烷，其最終產(chǎn)品和煤層氣一樣都是甲烷?？梢?，煤層氣抽采可以同地下氣化相結(jié)合，兩者相互促進(jìn)，相互協(xié)同，既可以提高煤層氣的采出率，同時(shí)由于提高了煤層的透氣性，增加了反應(yīng)表面積，又有利于煤炭地下氣化反應(yīng)的進(jìn)行。
[0007]鑒于我國煤層氣開采的難點(diǎn)，煤炭地下氣化技術(shù)在煤炭開采中的優(yōu)勢(shì)，以及兩者在工藝技術(shù)上存在的上述協(xié)同效應(yīng)，本發(fā)明的目的是提供一種煤層氣與煤的共采新方法，該方法將煤層氣開采和煤炭地下氣化技術(shù)相耦合，共采過程中使用了含有二氧化碳的介質(zhì)。
[0008]為此，本發(fā)明提供一種煤層氣與煤共采方法，包括:
[0009]I)鉆井步驟:由地面向地下含碳有機(jī)礦物儲(chǔ)層例如煤層進(jìn)行鉆井以提供使所述煤層與地面連通的至少一個(gè)進(jìn)氣鉆孔和至少一個(gè)出氣鉆孔；
[0010]2)壓裂貫通步驟:由所述進(jìn)氣鉆孔向所述煤層注入含有二氧化碳的壓裂介質(zhì)，強(qiáng)制所述壓裂介質(zhì)在所述煤層中流動(dòng)，并由所述出氣鉆孔排出，從而使所述進(jìn)氣鉆孔和所述出氣鉆孔在所述煤層中通過連通裂隙連通；
[0011]3)抽采煤層氣步驟:由所述進(jìn)氣鉆孔向所述煤層注入驅(qū)替介質(zhì)，對(duì)所述煤層中的煤層氣進(jìn)行驅(qū)替，并由所述出氣鉆孔收集；
[0012]4)點(diǎn)火步驟:在所述出氣鉆孔底部的煤層中建立火區(qū)，以引燃煤層；以及
[0013]5)地下氣化步驟:由所述進(jìn)氣鉆孔向所述煤層注入含二氧化碳的氣化劑，所述氣化劑與所述煤層進(jìn)行氣化反應(yīng)和熱解反應(yīng)，產(chǎn)生熱能和氣化煤氣，所述熱能向所述煤層內(nèi)部傳遞以產(chǎn)生熱解煤氣，同步驅(qū)替所述煤層氣以產(chǎn)生游離甲烷，所述游離甲烷與所述氣化煤氣、所述熱解煤氣一起從所述出氣鉆孔排出并收集。
[0014]然而，需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明方法不是地下氣化與煤層氣抽采技術(shù)的簡單組合，必須對(duì)各自原有的工藝加以改進(jìn)，以適應(yīng)兩種工藝技術(shù)的耦合，具體表現(xiàn)在采用了如下至少一項(xiàng)改進(jìn):
[0015]a.煤層氣鉆井時(shí)優(yōu)選按照煤層主裂隙垂直方向鉆水平井。主裂隙方向位于煤層水平面，可以通過地應(yīng)力測(cè)量、定向取芯分析等手段確定，現(xiàn)行的煤層氣抽采沒有考慮水平井的方向問題[0016]b.煤層氣水平井水平段的距離按照地下氣化火區(qū)縱向擴(kuò)展范圍(即水平井方向)來確定，而決定這個(gè)擴(kuò)展范圍的主要參數(shù)有煤層的地應(yīng)力分布和大小、煤層的原始滲透率和不同溫度下的滲透率，煤的反應(yīng)活性，煤層的構(gòu)造及斷層，煤巖在不同溫度下的巖石力學(xué)性質(zhì)等。必要時(shí)還需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，歸納總結(jié)合適的長度?，F(xiàn)行的煤層氣抽采沒有按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)考慮水平井水平段長度；
[0017]c.煤層氣的進(jìn)出氣孔規(guī)格(即材質(zhì)、內(nèi)外徑、井結(jié)構(gòu)、施工工藝)按照地下氣化的工藝確定，具體是進(jìn)出氣量，溫度，運(yùn)行壓力，服務(wù)年限等。而煤層氣抽采中進(jìn)出氣孔僅根據(jù)壓力和出氣量大小來確定規(guī)格；
[0018]d.煤層氣抽采在鉆垂直井時(shí)考慮套管的下放深度和水平井水平段的軌跡在煤層的下部，接近底板，以保證煤層的回采率。這一點(diǎn)在煤層氣抽采中沒有考慮；
[0019]e.設(shè)計(jì)地下氣化的氣化爐時(shí)考慮煤層氣壓裂的范圍(通過現(xiàn)場(chǎng)各孔壓力值分布確定)，確定爐區(qū)布置范圍；地下氣化設(shè)計(jì)氣化爐時(shí)只根據(jù)煤層熱態(tài)影響范圍(通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫孔確定)確定爐區(qū)的布置范圍，而煤層氣壓裂的范圍顯然大于這個(gè)熱態(tài)影響范圍；
[0020]f.地下氣化點(diǎn)火前，監(jiān)測(cè)進(jìn)出氣孔的甲烷含量，控制進(jìn)氣中氧氣的含量，保證不發(fā)生爆炸事故；由于煤層氣抽采是冷態(tài)下進(jìn)行，沒有氧氣介入，不需要考慮甲烷的爆炸問題。
[0021]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述鉆井按照在煤層水平面并沿煤層主裂隙垂直方向鉆水平井。
[0022]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，煤層氣抽采在鉆垂直井時(shí)考慮套管的下放深度和水平井水平段的軌跡在在煤層下部，距離煤層底板I?3米。
[0023]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述壓裂介質(zhì)是二氧化碳和氧氣的混合物，并且其中氧氣的體積濃度為20%以下。
[0024]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，在所述抽采煤層氣步驟3)中對(duì)所述煤層中的煤層氣進(jìn)行驅(qū)替是注入CO2或氮?dú)膺M(jìn)行驅(qū)替。
[0025]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述方法還包括:6)回收CO2步驟:將所述地下氣化步驟中產(chǎn)生的CO2進(jìn)行回收，并且將所回收的CO2的一部分用作所述氣化劑。
[0026]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述回收CO2步驟中回收的CO2用作所述壓裂貫通步驟的壓裂介質(zhì)或用作所述抽采煤層氣步驟的驅(qū)替介質(zhì)。
[0027]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述方法還包括:7)C02封存步驟:在所述進(jìn)氣鉆孔和所述出氣鉆孔之間的煤層完成所述地下氣化后，將回收的部分CO2封存到燃空區(qū)(該燃空區(qū)是煤層氣化后殘留的空腔)，進(jìn)行埋藏和封存。
[0028]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，還包括在所述點(diǎn)火步驟4)之前進(jìn)行安全檢測(cè)步驟以確保點(diǎn)火安全。
[0029]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述壓裂貫通步驟中的壓裂介質(zhì)是氣態(tài)、液態(tài)或超臨界態(tài)二氧化碳，或者其中氧氣的體積濃度為20%以下的二氧化碳和氧氣的混合物，或者是由液態(tài)CO2、水凍膠(如胍膠，其作用是提高壓裂介質(zhì)的稠度，降低壓裂介質(zhì)的濾失，增大裂縫寬度)和化學(xué)添加劑(如氯化鉀，其作用是使壓裂介質(zhì)形成穩(wěn)定的體系)組成的混合液。
[0030]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述地下氣化步驟中含二氧化碳的氣化劑中氧氣的體積濃度為20?70%，以保證灰分不發(fā)生熔融。
[0031]在一個(gè)優(yōu)先實(shí)施方式中，所述地下氣化步驟中含二氧化碳的氣化劑中的氧氣體積濃度為20?50%，以構(gòu)建氣化通道。
[0032]在一個(gè)優(yōu)先實(shí)施方式中，所述地下氣化步驟中含二氧化碳的氣化劑中的氧氣體積濃度為40?70%，用于氣化通道構(gòu)建完成后的煤層氣化。
[0033]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，如果在煤層氣抽采完，煤層的含水量小于煤層氣化所需的水量時(shí)，氣化劑為氧氣、二氧化碳和水蒸氣的混合物。其中加入水蒸氣的量應(yīng)該是煤層氣化所需水量減去煤層含水量再除以水蒸氣的分解率。
[0034]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述建立火區(qū)通過電點(diǎn)火(例如，在擬建立火區(qū)的煤層中放置電加熱器，控制點(diǎn)火孔壓力大于靜水壓頭，保證點(diǎn)火孔無水，然后通電加熱、引燃煤層建立火區(qū))或固體燃料點(diǎn)火(例如在擬建立火區(qū)的煤層中放置熾熱的焦炭，通入氧氣以燃燒焦炭進(jìn)而引燃煤層建立火區(qū))完成。
[0035]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，在所述壓裂貫通步驟中，當(dāng)所述進(jìn)氣孔中的壓力急劇下降(指壓力下降幅度達(dá)到原始?jí)毫Φ?% /天左右或更大)并且所述出氣孔的出氣流量為IOONmVh以上時(shí)，所述進(jìn)氣鉆孔和所述出氣鉆孔在所述煤層中已經(jīng)形成連通裂隙。
[0036]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述地下氣化包括正向燃燒(即氣化工作面火焰移動(dòng)方向和氣流方向一致)、逆向燃燒(即氣化工作面火焰移動(dòng)方向和氣流方向相反)或后退注氣點(diǎn)燃燒(即在水平井中，插入一套連續(xù)管，在地面抽拉這套連續(xù)管，實(shí)現(xiàn)連續(xù)管在水平井中后退移動(dòng)，在不同位置進(jìn)行點(diǎn)火和氣化)。
[0037]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述氣化煤氣、熱解煤氣和煤層氣經(jīng)過所述出氣鉆孔排出后被收集用于甲烷合成、甲烷-發(fā)電或甲烷-甲醇生產(chǎn)。
[0038]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述地下氣化步驟中的所述氣化劑的輸送通過環(huán)空型(即雙層套管)輸送管道由地面輸送至所述火區(qū)或者直接通過鉆孔由地面輸送至所述火區(qū)。
[0039]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述回收CO2步驟中回收的CO2用作所述壓裂貫通步驟的壓裂介質(zhì)或用作所述抽采煤層氣步驟的驅(qū)替介質(zhì)。
[0040]本發(fā)明方法將煤炭地下氣化技術(shù)與煤層氣抽采技術(shù)結(jié)合，既可以利用地下氣化高溫加熱煤層，增加煤層透氣性，提高煤層氣采收率；又可以實(shí)現(xiàn)鉆井工藝與壓裂技術(shù)的耦合，同時(shí)可將CO2直接捕集作為煤層氣驅(qū)替的介質(zhì)以及地下氣化過程的氣化劑，調(diào)控煤氣有效組分含量。通過技術(shù)的耦合，提高煤層氣采出率、調(diào)節(jié)煤氣有效氣體組成、降低煤氣生產(chǎn)成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO2捕集和資源化利用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]圖1是根據(jù)本發(fā)明的煤層氣與煤共采方法的流程示意圖；
[0042]圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的煤層氣與煤共采方法的示意圖，其中鉆孔之間的煤層通過冷態(tài)壓裂，注入CO2抽采煤層氣；
[0043]圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的煤層氣與煤共采方法的示意圖，其中建立火區(qū)對(duì)裂隙進(jìn)行熱加工，擴(kuò)大成氣化通道，同步驅(qū)替煤層氣；
[0044]圖4是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式的煤層氣與煤共采方法的示意圖，其中采用羽狀分支水平鉆井技術(shù)抽采煤層氣；
[0045]圖5是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式的煤層氣與煤共采方法的示意圖，其中進(jìn)行點(diǎn)火及通道熱加工，擴(kuò)大成氣化通道，同步驅(qū)替煤層氣；
[0046]圖6是根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施方式的煤層氣與煤共采方法的示意圖，其中采用定向水平鉆井技術(shù)抽采煤層氣；以及
[0047]圖7是根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施方式的煤層氣與煤共采方法的示意圖，其中進(jìn)行點(diǎn)火及通道熱加工，擴(kuò)大成氣化通道，同步驅(qū)替煤層氣。
[0048]附圖標(biāo)記說明
[0049]1-煤層
[0050]2-地面
[0051]3-上覆巖層
[0052]4-連通裂隙
[0053]5-進(jìn)氣鉆孔
[0054]6-出氣鉆孔
[0055]1-O2 管線
[0056]8-C02 管線
[0057]9-排水管線
[0058]10-煤層氣管線
[0059]11-初始火區(qū)
[0060]12-氣化通道
[0061]13-煤氣管線
[0062]14-羽狀分支水平井
[0063]15-水平井
【具體實(shí)施方式】
[0064]鑒于我國煤層氣開采的難點(diǎn)，以及煤炭地下氣化技術(shù)在煤炭開采中的優(yōu)勢(shì)，本發(fā)明提供一種煤層氣與煤的共采新方法。
[0065]鑒于這些方面，本發(fā)明方法將煤層氣開采和煤炭地下氣化技術(shù)相耦合，由于地下氣化與地面煤層氣抽采過程都需要借助鉆孔來實(shí)現(xiàn)，一個(gè)地下氣化單元，通常至少需要一個(gè)進(jìn)氣鉆孔、一個(gè)出氣鉆孔及連接兩個(gè)鉆孔之間的氣化通道，氣化通道通常采用壓裂和火力貫通等手段實(shí)現(xiàn)；而一個(gè)煤層氣抽采單元，通常需要至少一個(gè)盲孔，如一個(gè)垂直孔或多分枝的水平井，并且需要采用壓裂手段進(jìn)行增隙，也可以包括一個(gè)注氣井和多個(gè)生產(chǎn)井。所以地下氣化與地面煤層氣抽采在技術(shù)上某種程度的相似性，將煤炭地下氣化技術(shù)與煤層氣抽采技術(shù)結(jié)合，既可以利用地下氣化高溫加熱煤層，增加煤層透氣性，提高煤層氣采收率；又可以實(shí)現(xiàn)鉆井工藝與壓裂技術(shù)的耦合，同時(shí)可將CO2直接捕集作為煤層氣驅(qū)替的介質(zhì)以及地下氣化過程的氣化劑，調(diào)控煤氣有效組分含量。通過技術(shù)的耦合，提高煤層氣采出率、調(diào)節(jié)煤氣有效氣體組成、降低煤氣生產(chǎn)成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO2捕集和資源化利用。
[0066]如圖1所示，本發(fā)明的方法可以包括鉆井、壓裂貫通、抽采煤層氣、煤層點(diǎn)火、地下氣化、回收CO2以及CO2封存等步驟。
[0067]更具體地，本發(fā)明的煤層氣與煤的共采方法包括如下步驟:
[0068]步驟al:從地面向煤層中鉆至少2個(gè)鉆孔，兩個(gè)鉆孔底端的連線與煤層的主裂隙方向一致，其中一個(gè)作為進(jìn)氣鉆孔，另一個(gè)作為出氣鉆孔，由進(jìn)氣鉆孔注入作為壓裂介質(zhì)的高壓(即高于煤層的破裂壓力)含有二氧化碳的壓裂介質(zhì)，強(qiáng)制CO2沿著煤層中的孔隙和裂隙移動(dòng)并從出氣鉆孔排出，從而在鉆孔間煤層中建立連通裂隙；
[0069]步驟a2:關(guān)閉出氣鉆孔，由進(jìn)氣鉆孔繼續(xù)向煤層連續(xù)注入CO2，然后停止注入CO2,關(guān)閉進(jìn)氣鉆孔并關(guān)閉出氣鉆孔進(jìn)行燜井，使CO2驅(qū)替煤層CH4,之后重新開啟出氣鉆孔，抽采煤層氣；
[0070]步驟a3:根據(jù)煤層氣解析情況重復(fù)步驟a2，當(dāng)出氣鉆孔氣體中CH4含量出現(xiàn)明顯降低(例如甲烷體積濃度小于5% )后，則在出氣鉆孔底部煤層點(diǎn)火，之后將CO2和純氧配成一定濃度的CO2富氧氣體(稱為CO2富氧)，經(jīng)由進(jìn)氣鉆孔沿著孔間煤層形成的連通裂隙連續(xù)輸送至火區(qū)，使火源迎著CO2富氧氣流方向向進(jìn)氣鉆孔方向移動(dòng)，CO2富氧與煤層發(fā)生氣化反應(yīng)、熱解反應(yīng)，連通裂隙被加工為氣化通道并繼續(xù)氣化同時(shí)生成氣化煤氣和熱解煤氣:
[0071]C+02 — C02_394kJ/mol
[0072]
C+^02 ^CO-1 I lkJ/mol
[0073]C+C02 — 2C0+173kJ/mol
[0074]C+H20 — H2+C0+131kJ/mol
[0075]煤一H2+CH4+C02+焦油 + 半焦 +...[0076]同時(shí)，釋放出來的熱量傳遞到煤層中，促進(jìn)CH4解吸，并干燥煤層增加煤層透氣性，解吸后的甲烷與氣化煤氣、熱解煤氣一并由出氣鉆孔排出；
[0077]步驟a4:當(dāng)所述CO2富氧進(jìn)氣壓力和煤氣出氣壓力之差出現(xiàn)明顯降低(一般為
`0.3MPa左右)后，增大CO2富氧流量或增加CO2富氧氧濃度，進(jìn)一步提高反應(yīng)區(qū)溫度，強(qiáng)化CH4解吸，并使火源逆著CO2富氧氣流方向向出氣鉆孔方向移動(dòng)，保證CO2與熾熱的煤層充分接觸反應(yīng)，同時(shí)完成鉆孔間煤層的原位氣化開采；
[0078]進(jìn)一步，所述步驟中CO2，可以為氣態(tài)、液態(tài)、超臨界態(tài)CO2，也可以由液態(tài)CO2、水凍膠(如胍膠，其作用是提高壓裂介質(zhì)的稠度，降低壓裂介質(zhì)的濾失，增大裂縫寬度)和化學(xué)添加劑(如氯化鉀，其作用是使壓裂介質(zhì)形成穩(wěn)定的體系)組成的混合液。
[0079]進(jìn)一步，在壓裂作業(yè)中，監(jiān)測(cè)CO2注入鉆孔壓力變化情況，當(dāng)鉆孔壓力出現(xiàn)迅速下降(即壓力降幅達(dá)到原壓力值5%每天左右或更大)，且出氣流量不小于IOONmVh時(shí)，表明在鉆孔間煤層中已經(jīng)形成連通裂隙。
[0080]進(jìn)一步,所述CO2富氧,要求步驟a3氧氣體積濃度為20~50%,要求步驟a4氧氣濃度為40~70%，以保證灰分不發(fā)生熔融。如果煤層水量不足以氣化所需煤炭，氣化劑中還需添加水蒸氣，水蒸氣的量根據(jù)上文所述確定。
[0081]進(jìn)一步，所述CO2富氧的輸送，可以通過環(huán)空型輸送管道由地面輸送至火區(qū)；也可以直接通過鉆孔由地面輸送至火區(qū)。
[0082]所述方法中還可以包括步驟a5，回收CO2:將煤層地下氣化過程產(chǎn)生的CO2進(jìn)行回收，并將部分CO2作為煤層地下氣化的氣化劑，用于調(diào)控煤氣組分與熱值。
[0083]所述方法中還可以包括步驟a6，CO2封存:兩鉆孔間煤層完成氣化后，將回收的部分CO2填充到煤層氣化后形成的燃空區(qū)，進(jìn)行埋藏和封存。
[0084]所述鉆孔中，兩個(gè)鉆孔中可以保證氣化過程的進(jìn)行，一個(gè)用于進(jìn)氣，一個(gè)用于出氣；同時(shí)煤層氣抽采過程中，可以一個(gè)鉆孔用于注氣驅(qū)替煤層氣，一個(gè)鉆孔用于生產(chǎn)收集從煤層中被驅(qū)替出來的煤層氣；
[0085]所述方法中煤層壓裂方式至少包括:氣體壓裂、水力壓裂或者泡沫壓裂、機(jī)械式鉆進(jìn)技術(shù)。
[0086]所述方法中，步驟al也可以用O2和CO2進(jìn)行壓裂，O2濃度在20%以內(nèi)，具體根據(jù)煤層中甲烷含量和甲烷爆炸極限確定。
[0087]所述方法中建立火區(qū)的方式可以是高溫和高壓二氧化碳和氧氣的混合氣體通入鉆孔孔底，其中溫度按照氧氣濃度、煤層著火點(diǎn)、煤層裸露面積、管道熱損等確定，壓力根據(jù)煤層靜水壓頭確定。
[0088]所述方法中建立火區(qū)的方式還包括:電點(diǎn)火、固體燃料點(diǎn)火，或者利用作業(yè)區(qū)域內(nèi)原有火區(qū)或燃空區(qū)高溫煤層。
[0089]所述方法中地下氣化方式至少包括:正向燃燒、逆向燃燒或者后退注氣點(diǎn)燃燒。正向燃燒是指火焰工作面移動(dòng)方向和氣流方向一致，逆向燃燒是指火焰工作面移動(dòng)方向和氣流方向相反，而后退注氣點(diǎn)燃燒是指在水平井中，插入一套連續(xù)管，在地面抽拉這套連續(xù)管，實(shí)現(xiàn)連續(xù)管在水平井中后退移動(dòng)，在不同位置進(jìn)行點(diǎn)火和氣化。
[0090]所述方法中CO2可以通過多種途徑回收，主要取決于煤氣的用途和品質(zhì)等，如用作發(fā)電，可以回收煤氣發(fā)電后產(chǎn)生的煙氣中的CO2，如用作化工合成，可以在煤氣凈化中脫碳工段分離并回收煤氣中的CO2，也可以利用煤氣或煤層氣直接燃燒生成的煙氣。
[0091]所述方法中氣化煤氣、熱解煤氣、煤層氣經(jīng)過出氣鉆孔排出后，可用于甲烷合成，或者進(jìn)行多聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)，如甲烷-發(fā)電，甲烷-甲醇等，生產(chǎn)多種能源化工產(chǎn)品。
[0092]本發(fā)明還提供了一種優(yōu)選煤層氣與煤的共采方法，整個(gè)流程以CO2的資源化利用為核心，該方法的具體優(yōu)點(diǎn)如下:
[0093]本發(fā)明將煤層氣開采與地下氣化相結(jié)合，相比其他煤層氣抽采技術(shù)，大大提高了煤層氣的采收率，降低成本，同時(shí)也考慮CO2的回收和利用，特別適合于低滲透煤層，煤層氣開采與地下氣化具有很強(qiáng)的相互協(xié)同作用，具體表現(xiàn)在:
[0094]第一步中所鉆鉆孔，既可以用于煤層氣壓裂和第二步煤層氣抽采井，也可以用于第三步點(diǎn)火和第四步熱解和氣化的進(jìn)出氣孔，使煤層氣鉆井與地下氣化鉆井相互耦合，有利于減少鉆井投入，節(jié)省成本，對(duì)于深部煤層資源的開采，成本節(jié)約尤其明顯；
[0095]第一步中二氧化碳?jí)毫芽梢蕴岣叩诙矫簩託獬椴蛇^程中甲烷氣的解析，煤層中吸附的大量二氧化碳可以為后續(xù)第三步點(diǎn)火和第四步熱解和氣化過程中控制煤層溫度，防止煤層局部超溫，產(chǎn)生自燃或氣化通道熔融等不利于點(diǎn)火和氣化的問題，還可以提高第四步中煤層熱解氣的產(chǎn)量；另外，第一步壓裂過程大大提高煤層滲透率，為第四步熱解和氣化提供了有利的傳熱和傳質(zhì)條件，增加氣化工作面的擴(kuò)展范圍，提高煤層氣化回采率；如果第一步中加入二氧化碳和氧氣的混合物作為壓裂介質(zhì)，則停留在煤層的氧氣則有利于點(diǎn)火并且可以在第四步的氣化過程中，和可燃?xì)怏w反應(yīng)，進(jìn)一步提高煤層的溫度，既可防止在二氧化碳?jí)毫押竺簩恿严堕]合問題，又可加速煤層氣中甲烷的解析和煤的熱解，從而提高了生成的煤氣中甲烷的含量，煤氣品質(zhì)也可得到明顯提升。但是必須控制混合氣體中的氧含量在甲烷的爆炸極限之外，具體可以通過控制氧濃度實(shí)現(xiàn)；
[0096]第二步煤層氣抽采過程析出大量甲烷，煤層反復(fù)經(jīng)歷加壓和減壓過程，煤層滲透率大大提高，有利于第四步中氣化工作面的擴(kuò)展，出氣井周圍富集的甲烷也有利于點(diǎn)火；
[0097]第四步中通過地下氣化反應(yīng)產(chǎn)生的高溫促進(jìn)煤層裂隙的形成(即熱態(tài)增隙)，使煤層冷態(tài)壓裂與熱態(tài)增隙互補(bǔ)來產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，提高了煤層氣的滲流能力，煤層升溫后也大大有利于甲烷的解析，并且防止了第一步二氧化碳?jí)毫押竺簩恿严堕]合問題產(chǎn)生；通過物理解吸和化學(xué)反應(yīng)結(jié)合，可大大增加煤層氣產(chǎn)量；co2能夠加快CO的生成速率，抑制水煤氣變換反應(yīng)，有效的調(diào)節(jié)煤氣中有效組分含量，氫碳比適合于合成甲烷，同時(shí)CO2用于驅(qū)替CH4也提高煤層氣采出率，實(shí)現(xiàn)CO2捕集和資源化利用，實(shí)現(xiàn)CO2減排。
[0098]下面通過具體實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述，但應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不局限于這些實(shí)施例。
[0099]實(shí)施例1
[0100]本實(shí)施例參照?qǐng)D2和圖3進(jìn)行描述。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一種煤層氣與煤共采方法的示意圖，其中鉆孔之間的煤層通過冷態(tài)壓裂，注入CO2抽采煤層氣；而圖3是該煤層氣與煤共采方法的示意圖，其中建立火區(qū)對(duì)裂隙進(jìn)行熱加工，擴(kuò)大成氣化通道，同步驅(qū)替煤層氣。如圖2和圖3所示，在本實(shí)施例中根據(jù)擬氣化煤層范圍設(shè)置鉆孔，鉆孔數(shù)量由煤層儲(chǔ)量和煤氣生產(chǎn)規(guī)模等決定，但為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明至少應(yīng)該包括一個(gè)進(jìn)氣孔和一個(gè)出氣孔，【具體實(shí)施方式】如下所述:
[0101]參見圖2和圖3，由地面2經(jīng)由上覆巖層3向煤層I中施工垂直孔作為進(jìn)氣鉆孔5，在距進(jìn)氣鉆孔5 —定距離范圍內(nèi)(一般在200米到600米之間，具體可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)煤種等確定，例如變質(zhì)程度越深其鉆孔長度越長，對(duì)于褐煤一般選取200米左右，煙煤選取500米左右)施工垂直孔作為出氣鉆孔6，該進(jìn)、出氣鉆孔的底部位于煤層I中，距離煤層底板2米，進(jìn)氣鉆孔5和出氣鉆孔6的底端連線與煤層主裂隙方向一致，進(jìn)出氣鉆孔的間距可由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)煤層、地層等情況確定。
[0102]進(jìn)氣鉆孔5孔口安裝O2管線7、CO2管線8，出氣鉆孔6孔口安裝排水管線9、煤層氣管線10、煤氣管線13,其中O2管線7用于輸送純氧、CO2管線8用于輸送CO2,并在進(jìn)氣鉆孔5內(nèi)混合配成一定體積濃度的CO2富氧(本實(shí)施例中，氧氣濃度為10%左右)；排水管線9用于在壓裂和抽采煤層氣階段來抽排煤層水，煤層氣管線10用于在抽采煤層氣階段來排放煤層氣，以及氣化完成后輸送CO2,以將CO2封存至煤層氣化后形成的燃空區(qū)內(nèi)，煤氣管線13用于輸送點(diǎn)火后氣化過程生成的粗煤氣。具體操作過程為:
[0103]將CO2管線8輸送的高壓二氧化碳和O2管線7輸送的氧氣經(jīng)由進(jìn)氣鉆孔5連續(xù)注入煤層I中，注入壓力為煤層破裂壓力的1.1倍，強(qiáng)制氣體介質(zhì)沿煤層天然孔隙和裂隙移動(dòng)，對(duì)煤體進(jìn)行壓裂，產(chǎn)生連通裂隙4，從而與出氣鉆孔6在煤層I中相互連通，完成壓裂后的氣體經(jīng)由出氣鉆孔6并從煤層氣管線10排出至地面。
[0104]關(guān)閉出氣鉆孔6，由進(jìn)氣鉆孔5向煤層I繼續(xù)注入高壓CO2,注入壓力不大于煤層破裂壓力，注入總量根據(jù)煤層飽和氣含量決定，待CO2總注入量滿足要求后停止注入，關(guān)閉進(jìn)氣鉆孔5，并關(guān)閉出氣孔燜井I?15天，以保證CO2與煤層充分接觸、驅(qū)替煤層中吸附的CH4 ;之后重新開啟出氣鉆孔6，并由排水管線9對(duì)煤層水進(jìn)行抽排，以對(duì)煤層I脫水，同時(shí)打開煤層氣管線10以降低出氣鉆孔6壓力，以利于煤層氣解吸或脫附，并由煤層氣管線10收集至地面管網(wǎng)。抽采一段時(shí)間后，當(dāng)出氣鉆孔6孔底壓力降至IOkPa以下后，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)的注入和抽采。
[0105]當(dāng)出氣鉆孔6氣體中CH4含量出現(xiàn)明顯降低(即其體積濃度小于5%)后，打開出氣鉆孔6，提出排水管線9，安裝煤氣管線13。之后打開出氣鉆孔6與煤氣管線13間的連通閥門，并由進(jìn)氣鉆孔5向煤層I繼續(xù)注入高壓CO2，注入壓力大于煤層靜水壓力，注入量根據(jù)煤層含水量決定，并由煤氣管線13排出，以將鉆孔間煤層內(nèi)的水分帶出，即疏干煤層水分，使出氣鉆孔6孔底煤層保持干燥。
[0106]將電點(diǎn)火器下放至出氣鉆孔6孔底煤層段，打開出氣鉆孔6與煤氣管線13間的連通閥門，將O2管線7送來的純氧、CO2管線8送來的CO2，在進(jìn)氣鉆孔5內(nèi)混合配成氧氣體積濃度20~30%的CO2富氧作為氣化劑，沿連通裂隙4送入出氣鉆孔6孔底煤層。之后監(jiān)測(cè)出氣孔的甲烷含量，控制進(jìn)氣中氧氣的含量，保證出氣鉆孔O2濃度不在甲烷爆炸極限范圍內(nèi)。O2濃度或者甲烷含量滿足要求后，啟動(dòng)點(diǎn)火器對(duì)出氣鉆孔6孔底煤層進(jìn)行點(diǎn)火，建立初始火區(qū)11。氣化劑與煤層I發(fā)生反應(yīng)生成的粗煤氣經(jīng)由煤氣管線13排出，控制CO2富氧流量(約300-500m3/小時(shí))使火區(qū)溫度不低于煤層自燃著火點(diǎn)溫度。
[0107]待火區(qū)溫度超過1000°C后，如果進(jìn)氣壓力下降幅度超過10%時(shí)，以每次500~1000NmVh增加CO2富氧流量，直至流量達(dá)到5000~8000Nm3/h之間，以使火源迎著CO2富氧氣流方向向進(jìn)氣鉆孔方向移動(dòng)，由于CO2富氧與煤層發(fā)生氣化反應(yīng)、熱解反應(yīng):
[0108]C+02 — C02_394kJ/mol
[0109]
【權(quán)利要求】
1.一種煤層氣與煤共采方法，所述方法包括: 1)鉆井步驟:由地面向煤層進(jìn)行鉆井以提供使所述煤層與地面連通的至少一個(gè)進(jìn)氣鉆孔和至少一個(gè)出氣鉆孔； 2)壓裂貫通步驟:由所述進(jìn)氣鉆孔向所述煤層注入含有二氧化碳的壓裂介質(zhì)，強(qiáng)制所述壓裂介質(zhì)在所述煤層中流動(dòng)，并由所述出氣鉆孔排出，從而使所述進(jìn)氣鉆孔和所述出氣鉆孔在所述煤層中連通； 3)抽采煤層氣步驟:由所述進(jìn)氣鉆孔向所述煤層注入驅(qū)替介質(zhì)，對(duì)所述煤層中的煤層氣進(jìn)行驅(qū)替，并由所述出氣鉆孔收集； 4)點(diǎn)火步驟:在所述出氣鉆孔底部的煤層中建立火區(qū)，以引燃所述煤層；以及 5)地下氣化步驟:由所述進(jìn)氣鉆孔向所述煤層注入含二氧化碳的氣化劑，所述氣化劑與所述煤層進(jìn)行氣化反應(yīng)和熱解反應(yīng)，產(chǎn)生熱能和氣化煤氣，所述熱能向所述煤層內(nèi)部傳遞以產(chǎn)生熱解煤氣，同步驅(qū)替所述煤層氣以產(chǎn)生游離甲烷，所述游離甲烷與所述氣化煤氣、所述熱解煤氣一起從所述出氣鉆孔排出并收集。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤層氣與煤共采方法，其特征在于，所述壓裂介質(zhì)是二氧化碳和氧氣的混合物，并且其中氧氣的體積濃度為20 %以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤層氣與煤共采方法，其特征在于，所述方法還包括: 6)回收CO2步驟:將所述地下氣化步驟中產(chǎn)生的CO2進(jìn)行回收，并且將所回收的CO2的一部分用作所述氣化劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的煤層氣與煤共采方法，其特征在于，所述方法還包括:` 7)CO2封存步驟:在所述進(jìn)氣鉆孔和所述出氣鉆孔之間的煤層完成所述地下氣化后，將回收的部分CO2填充到燃空區(qū)，進(jìn)行埋藏和封存。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤層氣與煤共采方法，其特征在于，還包括在所述點(diǎn)火步驟4)之前進(jìn)行安全檢測(cè)步驟以確保點(diǎn)火安全。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤層氣與煤共采方法，其特征在于，在所述抽采煤層氣步驟3)中，對(duì)所述煤層中的煤層氣進(jìn)行驅(qū)替是注入CO2或氮?dú)膺M(jìn)行驅(qū)替。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤層氣與煤共采方法，其特征在于，所述進(jìn)氣鉆孔或所述出氣鉆孔由定向鉆孔和垂直鉆孔構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤層氣與煤共采方法，其特征在于，所述進(jìn)氣鉆孔和所述出氣鉆孔由垂直鉆孔構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤層氣與煤共采方法，其特征在于，所述建立火區(qū)通過電點(diǎn)火或固體燃料點(diǎn)火。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤層氣與煤共采方法，其特征在于，所述地下氣化包括正向燃燒、逆向燃燒或后退注氣點(diǎn)燃燒。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤層氣與煤共采方法，其特征在于，所述鉆井按照煤層主裂隙垂直方向鉆水平井。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤層氣與煤共采方法，其特征在于，所述壓裂貫通步驟中使用的CO2為氣態(tài)、液態(tài)或超臨界態(tài)CO2,或者是由液態(tài)CO2、水凍膠和化學(xué)添加劑組成的混合液。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤層氣與煤共采方法，其特征在于，在所述壓裂貫通步驟中，當(dāng)所述進(jìn)氣鉆孔中的壓力迅速下降并且所述出氣鉆孔的出氣流量為IOONmVh以上時(shí)，所述進(jìn)氣鉆孔和所述出氣鉆孔在所述煤層中已經(jīng)形成連通。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤層氣與煤共采方法，其特征在于，所述地下氣化步驟中，所述含二氧化碳的氣化劑中的氧氣體積濃度為20~70%，以保證灰分不發(fā)生熔融。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的一種煤層氣與煤共采方法，其特征在于，所述地下氣化步驟中，所述含二氧化碳的氣化劑中的氧氣體積濃度為20~50%，用于構(gòu)建氣化通道。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的一種煤層氣與煤共采方法，其特征在于，所述地下氣化步驟中，所述含二氧化碳的氣化劑中的氧氣體積濃度為40~70%，用于所述氣化通道構(gòu)建完成后的煤層氣化。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤層氣與煤共采方法，其特征在于，如果在煤層氣抽采完，煤層的含水量小于煤層氣化所需的水量時(shí)，所述含有二氧化碳的氣化劑為氧氣、二氧化碳和水蒸氣的混合物。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤層氣與煤共采方法，其特征在于，所述地下氣化步驟中的所述氣化劑的輸送通過環(huán)空型輸送管道或者鉆孔由地面輸送至所述火區(qū)。
19.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種煤層氣與煤共采方法，其特征在于，所述回收CO2步驟中回收的CO2來自于煤氣發(fā)電產(chǎn)生的煙氣或煤氣凈化中脫碳工段。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤層氣與煤共采方法，其特征在于，所產(chǎn)生的氣化煤氣、熱解煤氣和煤層氣經(jīng)過所述出氣鉆孔排出后，用于甲烷合成、甲烷-發(fā)電或甲烷-甲醇生產(chǎn)。
21.根據(jù)權(quán)利要求3所述的 一種煤層氣與煤共采方法，其特征在于，所述回收CO2步驟中回收的CO2用作所述壓裂貫通步驟的壓裂介質(zhì)或用作所述抽采煤層氣步驟的驅(qū)替介質(zhì)。
【文檔編號(hào)】E21F7/00GK103670338SQ201210356627
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月21日
【發(fā)明者】陳 峰, 張樹川, 甘中學(xué) 申請(qǐng)人:新奧氣化采煤有限公司