CN110318675B - 一种深部煤层气热共采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深部煤层气热共采方法，第一步、施工第一竖向钻井，井眼采用保温套管进行气密封和隔热保护；第二步、根据煤层厚度进行分层水平井的施工，根据煤层真厚度M和瓦斯抽放半径R确定分层数量K；令K＝M/2R；第三步、施工第二竖向钻井；第四步、施工水平井的环向分散孔，随后进行瓦斯首次抽采；第五步、对各钻孔进行水力压裂，形成三维裂隙网络，进行瓦斯二次抽采；第六步、第一竖向钻井作为注水井，第二竖向钻井作为出蒸气井，将水注入深部煤层，利用热传递的原理将地热能转移到水蒸气中，并对水蒸气抽采利用。能对1500‑3000米的深部煤层进行瓦斯抽采和地热能开采，提高地热抽采效率，节能减排，防止了水土污染及热污染等地质环境问题。
Description
技术领域
本发明属于地热与煤层气开采领域，具体提出了一种深部煤层气热共同开采的方法。
背景技术
我国3000米以浅的煤层气资源总量共计约55万亿立方米，全国3000米以浅煤层气资源量约55万亿立方米,其中煤层埋深1500-3000米煤层气资源量占54.5％。目前井工煤矿开采和煤层气开发开采的多为1500米以浅的煤层及煤层气，对于深部煤层气的开采存在较大的技术难度。加之深部煤层所受地应力较高，煤层渗透率低，严重制约煤层气开采效率。
地热资源是一种绿色清洁能源，在地壳中蕴藏量巨大。全球在地下5000m以下的地热资源量约为4948万亿吨标准煤，己成为世界各国争相开采的新能源。我国可开发深度在2～3km地热能约为1400亿吨标准煤。
地热资源开发利用技术经历了两代的演变，第一代对地热能源的开采技术的基本特征是直采、直供、直排，也就是最传统的一种技术方法。矿山地热的最初期的利用从矿井回风开始，将由地热产生温度较高的热空气引入井口解决冬季入风冻井的问题，节省了人工预热风源的能量消耗；在有热水涌出的矿山，常利用矿山地热水加热洗浴和生活用水，或利用矿井排水作为冷热源，通过矿井排水系统输送井下热能至地面，在工业广场建立热交换站，将取得的热能用于井口防冻和井上建筑供暖。第一代技术方法环保水准很低，可持续发展性不强。第二代是采灌结合、用热不用水，即开采地热以地下水热的形式开采，提取热能之后再进行回灌。第二代技术的缺陷在于采灌井之间的连通性不易确定，而且回灌效率低，也会不同程度的对地下水造成污染，但相比于第一代直接排放、只采不灌等存在部分优势。
现有的地热资源开采技术，仅仅局限于地热开采，尚未见深部煤层煤层气与地热共采的相关技术资料，而钻井成本高是制约地热开采的重大因素。
发明内容
本发明旨在提供一种赋存在1500-3000米范围的深部煤层的煤层气开采、地热能开采的方法。
为此，本发明所采用的技术方案为：一种深部煤层气热共采方法，其步骤为：
第一步、在开采煤田地表向下施工第一竖向钻井，第一竖向钻井穿过深部煤层上覆岩层、浅部已采煤层，井眼采用保温套管进行气密封和隔热保护；
第二步、第一竖向钻井到达深部煤层最深分层后，根据煤层厚度由上到下依次进行各分层水平井的施工，第一竖向钻井与各分层水平井之间采用圆弧过渡，每分层水平井的长度、数量由开采煤田范围确定，分层数量K按照下述方法进行确定：
(1)根据地质资料和实际钻探资料确定煤层的真厚度M；
(2)构建力热耦合作用下煤体渗透率演化模型，结合煤层透气性系数λ，计算深部煤层自然解吸条件下瓦斯抽放半径R；
(3)根据煤层真厚度M和瓦斯抽放半径R确定分层数量K；
令K＝M/2R，当K<1时，N取1，当K>1时，N取K的整数部分；
第三步、施工第二竖向钻井，第二竖向钻井与各分层水平井均垂直连通；
第四步、在各分层水平井上施工环向分散孔，随后利用第一、第二竖向钻井进行瓦斯首次抽采；
第五步、在瓦斯抽采管路中放置瓦斯浓度、流量监测感应器，实时监测瓦斯浓度与流量，当浓度与流量达到设定的最低值后，对各钻孔进行水力压裂，形成三维裂隙网络，进行瓦斯二次抽采；
第六步、瓦斯抽采结束后，第一竖向钻井作为注水井，第二竖向钻井作为出蒸气井，将水注入深部煤层，利用热传递的原理将地热能转移到水蒸气中，并对水蒸气抽采利用。
作为上述方案的优选，开采形成的高温水蒸气经第二竖向钻井到达地面进行发电。由于深部地热温度高，利用价值更高，用于发电，其社会效益和经济效益更加显著。
进一步优选为，在每个所述分层设置有三个水平井，三个水平井等距间隔设置，居中的水平井正对第一、第二竖向钻井，两侧的水平井的左右两端分别朝居中的水平井垂直折弯后相连，整体呈“日”字形布置。在确保气热抽采彻底的前提下，尽可能通过优化每层水平井的布置，减少钻孔复杂度，提高抽采效率。
同理，每个所述分层的水平井在深部煤层里前后居中、左右居中布置。
本发明的有益效果：
(1)该深部煤层气热共采方法，施工的第一、第二竖向钻井，能够深入1500-3000米埋深煤层，并在各分层水平井上施工环向分散孔，通过环向分散孔的施工增加煤体渗透率，形成三维高渗透煤体裂隙网络，大幅提高煤层气抽采效果；
(2)首先利用钻井瓦斯首次抽采，当瓦斯浓度达到设定最低值，转而进行水力压裂，增大煤层透气性，形成渗透率更高、连通性更强的三维裂隙网络，同时，水力压裂还具有注水驱气的效果；随后进行煤层气二次抽采，提高资源开采率，避免能源的浪费；
(3)当瓦斯抽采结束再将地面水利用钻井送至深部高温煤层，利用热传递的原理将地热能转移到水并使水汽化并使水汽化变为水和水蒸气混合物(水的具体形态由深部煤层地温决定)，再直接利用第二定向井抽采至地面进行综合利用；该深部煤层气热共采方法利用抽采煤层气的钻井和钻孔直接进行地热资源的开采，提高了钻井钻孔利用率，具有明显的技术先进性和高效性特点，具有实际的运用价值。
附图说明
图1为发明的结构示意图。
图2为图1的A-A剖视图。
图3为深部煤层的煤层厚度为5米，抽放半径为3米时布置1层水平井的示意。
图4为深部煤层的煤层厚度为10米，抽放半径为3米时布置1层水平井的示意。
图5为深部煤层的煤层厚度为15米，抽放半径为3米时布置2层水平井的示意。
图6为施工环向分散孔的水平井。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
结合图1、图2所示，一种深部煤层气热共采方法，适用于3000米以下的深部煤层的瓦斯抽采、地热能开采，主要包括以下步骤：
第一步、在开采煤田地表向下施工第一竖向钻井1，第一竖向钻井1穿过深部煤层上覆岩层、浅部已采煤层，井眼采用保温套管2进行气密封和隔热保护；保温套管2在保证井眼良好气密性的同时，与外界保持较低的热交换，减少热量损失。
第二步、第一竖向钻井1到达深部煤层3最深分层后，再根据煤层厚度由上到下依次进行各分层水平井4的施工，第一竖向钻井1与各分层水平井4之间采用圆弧过渡。每分层水平井的长度、数量由开采煤田范围确定。
最好是，如图2所示，在每个分层设置有三个水平井4，三个水平井4等距间隔设置，居中的水平井4正对第一竖向钻井1、第二竖向钻井5，两侧的水平井4的左右两端分别朝居中的水平井4垂直折弯后相连，整体呈“日”字形布置。在确保气热抽采彻底的前提下，尽可能通过优化每层水平井的布置，减少钻孔复杂度，提高抽采效率。另外，每个分层的水平井4在深部煤层里最好前后居中、左右居中布置。分层数量K按照下述方法进行确定：
(1)根据地质资料和实际钻探资料确定煤层的真厚度M；
(2)构建力热耦合作用下煤体渗透率演化模型，结合煤层透气性系数λ，计算深部煤层自然解吸条件下瓦斯抽放半径R；
(3)根据煤层真厚度M和瓦斯抽放半径R确定分层数量K；
令K＝M/2R，当K<1时，N取1，当K>1时，N取K的整数部分。
例如：如图3所示，当深部煤层3的煤层厚度为5米，抽放半径为3米时，K＝0.83，N取1，即煤层中布置一层水平井4。
如图4所示，当深部煤层3的煤层厚度为10米，抽放半径为3米时，K＝1.67，N仍取1，即煤层中布置一层水平井4，自然条件下无法抽放的瓦斯待采取水力压裂措施之后再进行抽采；
如图5所示，当深部煤层3的煤层厚度为15米，抽放半径为3米时，K＝2.5，N取2，即煤层中布置两层水平井4。
每分层水平井4的数量根据开采区域范围确定，当开采区域范围较大时，每层可设置多个水平井4，同层的各个水平井4与第一竖向钻井1分别连通，如图2所示，在一层设置有三个水平井4，按照深部煤层的煤层厚度设置了三层水平井。
第三步、施工第二竖向钻井5，第二竖向钻井5与各分层水平井4均垂直连通，第二竖向钻井5一次钻进完成。
第四步、在各分层水平井4上施工环向分散孔6(如图6所示)，增加煤体渗透率，随后利用第一竖向钻井4、第二竖向钻井5进行瓦斯首次抽采。
第五步、在瓦斯抽采管路中放置瓦斯浓度、流量监测感应器，实时监测瓦斯浓度与流量，当浓度与流量达到设定的最低值后，瓦斯抽采效率显著下降，在对各钻孔进行水力压裂，形成三维裂隙网络，进行瓦斯二次抽采。
第六步、瓦斯抽采结束后，第一竖向钻井1作为注水井，第二竖向钻井5作为出蒸气井，将水注入深部煤层，利用热传递的原理将地热能转移到水蒸气中，并对水蒸气抽采利用。
开采形成的高温水蒸气经第二竖向钻井到达地面可以直接利用，或进行发电。
Claims (4)
1.一种深部煤层气热共采方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、在开采煤田地表向下施工第一竖向钻井，第一竖向钻井穿过深部煤层上覆岩层、浅部已采煤层，井眼采用保温套管进行气密封和隔热保护；
第二步、第一竖向钻井到达深部煤层最深分层后，根据深部煤层厚度由上到下依次进行各分层水平井的施工，第一竖向钻井与各分层水平井之间采用圆弧过渡，每分层水平井的长度、数量由开采煤田范围确定，分层数量K按照下述方法进行确定：
(1)根据地质资料和实际钻探资料确定深部煤层的真厚度M；
(2)构建力热耦合作用下煤体渗透率演化模型，结合深部煤层透气性系数λ，计算深部煤层自然解吸条件下瓦斯抽放半径R；
(3)根据深部煤层的真厚度M和瓦斯抽放半径R确定分层数量K；
令K＝M/2R，当K<1时，N取1，当K>1时，N取K的整数部分；
第三步、施工第二竖向钻井，第二竖向钻井与各分层水平井均垂直连通；
第四步、在各分层水平井上施工环向分散孔，随后利用第一、第二竖向钻井进行瓦斯首次抽采；
第五步、在瓦斯抽采管路中放置瓦斯浓度、流量监测感应器，实时监测瓦斯浓度与流量，当浓度与流量达到设定的最低值后，对各环向分散孔水力压裂，形成三维裂隙网络，进行瓦斯二次抽采；
第六步、瓦斯抽采结束后，第一竖向钻井作为注水井，第二竖向钻井作为出蒸气井，将水注入深部煤层，利用热传递的原理将地热能转移到水蒸气中，并对水蒸气抽采利用。
2.按照权利要求1所述的深部煤层气热共采方法，其特征在于：开采形成的高温水蒸气经第二竖向钻井到达地面进行发电。
3.按照权利要求1或2所述的深部煤层气热共采方法，其特征在于：在每个所述分层设置有三个水平井，三个水平井等距间隔设置，居中的水平井正对第一、第二竖向钻井，两侧的水平井的左右两端分别朝居中的水平井垂直折弯后相连，整体呈“日”字形布置。
4.按照权利要求1或2所述的深部煤层气热共采方法，其特征在于：每个所述分层的水平井在深部煤层里前后居中且左右居中布置。
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