CN112901120B - 一种煤层气u型井注气循环负压抽采装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤层气U型井注气循环负压抽采装置及方法，该***包括负压抽采***、设置在水平井内的注气管、以及用于连通所述负压抽采***与所述注气管的循环供气***；所述循环供气***将所述负压抽采***中抽出的地下水转换为高温水蒸气，随后与所述负压抽采***中抽采出的小部分煤层气混合并增压后通过注气管供入煤储层；该方法包括步骤：一、施工U型井及煤层气U型井注气循环负压抽采装置；二、降压抽采煤层气；三、负压抽采煤层气。本发明通过向煤储层注入本煤储层产出的煤层气与高温水蒸气的混合气体，结合地面负压抽采，三方面共同作用提高产气效率，便于推广使用。
Description
技术领域
本发明属于煤层气开采技术领域，具体涉及一种煤层气U型井注气循环负压抽采装置及方法。
背景技术
煤层气是一种非常规清洁高效能源，目前我国煤层气在不同地区均取得一定的技术突破和商业开发。但是相比美国、澳大利亚等国，我国煤层气井数量多、但是产气总量低，特别是单井产气效率低。造成这些问题存在的主要原因是我国现存在的地面煤层气开发技术与“低压、低渗透性”等储层特征匹配度低、适应性差，无法激发煤储层本身的产气能力。
现今我国地面煤层气的开采方式主要通过“排水-降压-产气”传统作业体系，除此之外还通过压裂液向煤储层中注入CO2、N2和化学活性剂等增强储层的渗透性和润湿性，但是这些流体的注入极大地破坏煤储层的原始物性，严重影响煤层气的采收率。通过地面煤层气井的现场排采发现，一旦排水量下降，即当井筒液面降低至煤层以下时，螺杆泵的排水降压能力基本失效，产气量随即降低，因此这些问题严重制约了我国煤层气产业发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种煤层气U型井注气循环负压抽采装置，通过向煤储层注入本煤储层产出的煤层气与高温水蒸气的混合气体，结合地面负压抽采，三方面共同作用提高产气效率，其中，注入本煤储层的煤层气利用流体的附壁作用增强了煤-水接触面积，气泡的溃灭产生的高温高压激化了煤层中吸附的煤层气的解吸；注入高温水蒸气通过水蒸气携带的热量提高煤储层温度，从而增强煤层气的解吸率；负压抽采可以激发煤基质中水的状态发生变化、结合水向游离水转变，并促进空化传质，从而提高了煤储层吸附气体的解吸和运移其设计新颖合理，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种煤层气U型井注气循环负压抽采装置，所述U型井包括工程井、生产井、以及连通工程井与生产井的水平井，水平井位于煤储层中，其特征在于：包括设置在生产井井口处的负压抽采***、设置在水平井内的注气管、以及用于连通所述负压抽采***与所述注气管的循环供气***；
所述循环供气***将所述负压抽采***中抽出的地下水转换为高温水蒸气，随后与所述负压抽采***中抽采出的小部分煤层气混合并增压后通过注气管供入煤储层，使得吸附在煤储层孔隙内煤表面的气体解吸。
上述的一种煤层气U型井注气循环负压抽采装置，其特征在于：所述负压抽采***包括伸入至生产井内的抽水泵、以及设置在生产井井口处的负压泵和与负压泵出口连通的气水分离器，负压泵与生产井井口之间设置有三通管，三通管的第一管路与生产井连通，三通管的第二管路与负压泵的抽气口连通，三通管的第三管路与气水分离器连通，
所述循环供气***包括储水池、气体混合箱、用于连接气体混合箱与储水池的第一供气管路、以及用于连接气体混合箱与气水分离器的排气口的第二供气管路，气体混合箱与注气管之间通过混合气体管路连通，第一供气管路上设置有高温蒸汽发生器和设置在高温蒸汽发生器与气体混合箱之间的第一单向阀，第二供气管路上设置有第二单向阀，混合气体管路上依次设置有增压泵、压力计和第三单向阀，增压泵靠近气体混合箱布设，气水分离器的排水口与储水池连接。
上述的一种煤层气U型井注气循环负压抽采装置，其特征在于：所述气水分离器的排气口分两路，一路与气体混合箱连通，另一路与储气设备连接。
上述的一种煤层气U型井注气循环负压抽采装置，其特征在于：所述注气管伸入至水平井内的管段上开设有多个注气口。
上述的一种煤层气U型井注气循环负压抽采装置，其特征在于：所述高温蒸汽发生器输出的水蒸气的温度为80℃～100℃。
上述的一种煤层气U型井注气循环负压抽采装置，其特征在于：所述气体混合箱内的混合气体由体积比为(90～95)：(5～10)的高温水蒸气和煤层气组成。
上述的一种煤层气U型井注气循环负压抽采装置，其特征在于：所述增压泵增压后的混合气体管路中的气体压力为1.3Pc～1.7Pc，其中，Pc为水平井井底流压。
上述的一种煤层气U型井注气循环负压抽采装置，其特征在于：所述抽水泵的出水端与储水池连接。
同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理、通过煤层气循环负压抽采提高煤层气抽采率的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、施工U型井及煤层气U型井注气循环负压抽采装置；
步骤二、降压抽采煤层气：
步骤201、打开抽水泵，抽水泵由U型井向储水池内抽水，生产井内液面高度降低，煤储层压力随之降低，生产井开始产气；
步骤202、生产井产出的气体通过气水分离器分离出煤层气和水体，分离出的水体进入储水池，分离出的煤层气进入储气设备；
步骤203、当气水分离器中分离的煤层气流量稳定后，开启第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀和高温蒸汽发生器，高温蒸汽发生器抽取储水池的水并输出高温水蒸气至气体混合箱，气水分离器分离出的煤层气一部分进入气体混合箱，另一部分进入储气设备；
通过调整第一单向阀和第二单向阀的开度调整气体混合箱中气体的占比，气体混合箱中的混合气体由体积比为(90～95)：(5～10)的高温水蒸气和煤层气组成；
步骤204、气体混合箱中的混合气体经增压泵增压后通过注气管注入煤储层，使得吸附在煤储层孔隙内煤表面的气体解吸，生产井产出的气体再次通过气水分离器分离出煤层气和水体，分离出的煤层气一部分进入气体混合箱与出高温水蒸气一起再次增压注入煤储层，另一部分进入储气设备，实现煤层气的循环抽采；
步骤三、负压抽采煤层气：
当U型井内液面降至煤层顶板时，抽水泵排水降压能力失效，此时打开负压泵，降低U型井内压力，保持第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀以及高温蒸汽发生器的开启，持续采集煤层气，直至煤层气抽采作业结束。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用煤层气，即甲烷与高温水蒸气混合，相比于氮气，甲烷的导热性能更好，能够在煤储层附壁后溃灭，瞬间产生高温和振动，激励煤层气解吸，提高产量。
2、本发明中与所述高温水蒸气混合的所述煤层气需求量较小，少量的甲烷气体与高温水蒸气混合就能够提高煤层气的解吸率。
3、本发明充分利用并发挥了工程井的注气通道作用，注入的气体为本煤储层的煤层气与水蒸气的混合气体，使煤层气的抽采过程中没有对煤储层产生任何污染，实现煤层气的循环抽采，同时解决了煤粉容易将抽水泵掩埋的问题，在保护了设备的情况下极大地提高了煤层气抽采效率。
4、本发明采用的方法，步骤简单，同时便于地面监控，操作方便。
综上所述，本发明设计新颖合理，通过向煤储层注入本煤储层产出的煤层气与高温水蒸气的混合气体，结合地面负压抽采，三方面共同作用提高产气效率，其中，注入本煤储层的煤层气利用流体的附壁作用增强了煤-水接触面积，气泡的溃灭产生的高温高压激化了煤层中吸附的煤层气的解吸；注入高温水蒸气通过水蒸气携带的热量提高煤储层温度，从而增强煤层气的解吸率；负压抽采可以激发煤基质中水的状态发生变化、结合水向游离水转变，并促进空化传质，从而提高了煤储层吸附气体的解吸和运移，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明采用的煤层气U型井注气循环负压抽采装置的结构示意图。
附图标记说明:
1—工程井； 2—生产井； 3—抽水泵；
4—储水池； 5—负压泵； 6—高温蒸汽发生器；
7—气水分离器； 8—第一单向阀； 9—储气设备；
10—第二单向阀； 11—气体混合箱； 12—增压泵；
13—压力计； 14—第三单向阀； 15—注气管；
16—注气口； 17—三通管； 18—水平井；
19-第一供气管路； 20-第二供气管路； 21-混合气体管路。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的一种煤层气U型井注气循环负压抽采装置，所述U型井包括工程井1、生产井2、以及连通工程井1与生产井2的水平井18，水平井18位于煤储层中，包括设置在生产井2井口处的负压抽采***、设置在水平井18内的注气管15、以及用于连通所述负压抽采***与所述注气管15的循环供气***；
所述循环供气***将所述负压抽采***中抽出的地下水转换为高温水蒸气，随后与所述负压抽采***中抽采出的小部分煤层气混合并增压后通过注气管15供入煤储层，使得吸附在煤储层孔隙内煤表面的气体解吸。
需要说明的是，本发明采用煤层气，即甲烷与高温水蒸气混合，相比于氮气，甲烷的导热性能更好，能够在煤储层附壁后溃灭，瞬间产生高温和振动，激励煤层气解吸，提高产量。
需要说明的是，与所述高温水蒸气混合的所述煤层气需求量较小，少量的甲烷气体与高温水蒸气混合就能够提高煤层气的解吸率；
需要说明的是，通过向煤储层注入本煤储层产出的煤层气与高温水蒸气的混合气体，结合地面负压抽采，三方面共同作用提高产气效率，其中，注入本煤储层的煤层气利用流体的附壁作用增强了煤-水接触面积，气泡的溃灭产生的高温高压激化了煤层中吸附的煤层气的解吸；注入高温水蒸气通过水蒸气携带的热量提高煤储层温度，从而增强煤层气的解吸率；负压抽采可以激发煤基质中水的状态发生变化、结合水向游离水转变，并促进空化传质，从而提高了煤储层吸附气体的解吸和运移；
需要说明的是，本发明充分利用并发挥了工程井1的注气通道作用，注入的气体为本煤储层的煤层气与水蒸气的混合气体，使煤层气的抽采过程中没有对煤储层产生任何污染，实现煤层气的循环抽采，同时解决了煤粉容易将抽水泵3掩埋的问题，在保护了设备的情况下极大地提高了煤层气抽采效率；
需要说明的是，本发明与现有技术相比无需额外制备与分离具有高导热率的气体，如氮气、氦气等，避免产出的煤层气与其他气体分离不完全，简化了生产工序，提高了生产效率。
本实施例中，所述负压抽采***包括伸入至生产井2内的抽水泵3、以及设置在生产井2井口处的负压泵5和与负压泵5出口连通的气水分离器7，负压泵5与生产井2井口之间设置有三通管17，三通管17的第一管路与生产井2连通，三通管17的第二管路与负压泵5的抽气口连通，三通管17的第三管路与气水分离器7连通，
所述循环供气***包括储水池4、气体混合箱11、用于连接气体混合箱11与储水池4的第一供气管路19、以及用于连接气体混合箱11与气水分离器7的排气口的第二供气管路20，气体混合箱11与注气管15之间通过混合气体管路21连通，第一供气管路19上设置有高温蒸汽发生器6和设置在高温蒸汽发生器6与气体混合箱11之间的第一单向阀8，第二供气管路20上设置有第二单向阀10，混合气体管路21上依次设置有增压泵12、压力计13和第三单向阀14，增压泵12靠近气体混合箱11布设，气水分离器7的排水口与储水池4连接。
本实施例中，所述抽水泵3为螺杆泵。
需要说明的是，与高温水蒸气混合注入煤储层的煤层气在对煤储层作用完毕后，通过生产井2进入气水分离器7进行再次分配，全程无气体泄漏，对环境没有污染，同时保证了生产的安全性，使用效果好。
本实施例中，所述气水分离器7的排气口分两路，一路与气体混合箱11连通，另一路与储气设备9连接。
本实施例中，第二供气管路20上的第二单向阀10用于控制气水分离器7排气口的两路通道通过的煤层气量的大小，气体混合箱11中的混合气体需要多少煤层气就调整第二单向阀10开度使第二供气管路20输出的煤层气量达到该值。
本实施例中，所述注气管15伸入至水平井18内的管段上开设有多个注气口16。
本实施例中，多个注气口16沿水平井18长度方向均匀布设，注气管15的一个断面上周向开设有多个注气口16。
本实施例中，所述注气管15为耐高温不锈钢管，注气管15靠近生产井2的端部未封闭，使注入的本煤储层的煤层气激荡了水平井18中水体的运移，增加了煤水接触面积，注入气体的微冲击可以防止生产井2井底附件煤粉埋泵、降低排采中断的可能性。
本实施例中，所述高温蒸汽发生器6输出的水蒸气的温度为80℃～100℃。
需要说明的是，将注入煤储层中的混合气体的温度通过水蒸气控制在80℃～100℃内，水蒸气产生了对煤储层的传热作用和湿润作用，高温水蒸气将携带的热量直接传递给煤储层，随着排水降压的进行，水平井筒顶面与水面脱离，水蒸气的注入增强了储层表面的润湿效果。注入的水蒸气温度不宜过高也不宜过低，温度过高的水蒸气，如230℃的高温水蒸气会引起煤层中的黏土矿物膨胀，容易堵塞煤层气的产气通道，温度过低的水蒸气则传热效果不好，煤层气产量不高。
本实施例中，所述气体混合箱11内的混合气体由体积比为(90～95)：(5～10)的高温水蒸气和煤层气组成。
需要说明的是，煤层气，即甲烷在17℃的溶解度为3.5mg/100ml，即3.38％。由于注入的气体温度为80℃～100℃之间，气体的溶解度升高，为了防止混合的甲烷气体全部溶解，将注入的甲烷气体体积设定为5％～10％，该浓度下，混合气体注入煤储层中，甲烷气体分子在煤储层附壁后溃灭，瞬间产生高温和振动，激励煤层气解吸。
需要说明的是，所述负压抽采***中抽采出的小部分煤层气混合并增压后通过注气管15供入煤储层，所述小部分煤层气的体积即为所述气体混合箱11内所需的煤层气体积。
本实施例中，所述增压泵12增压后的混合气体管路21中的气体压力为1.3Pc～1.7Pc，其中，Pc为水平井18井底流压。
需要说明的是，气体注入压力过大容易导致注入的甲烷气体被压入煤储层，达不到驱替和激励产气的效果，注气压力太小不足以产生水气的激荡。
需要说明的是，由于目前煤层气井最小的枯竭压力为0.2Mpa，正产大气压力为0.1Mpa，因此，本实施例中，负压抽采压力设定为0.05Mpa，后期可以持续的促进煤层甲烷的解吸运移。
本实施例中，所述抽水泵3的出水端与储水池4连接。
所述抽水泵3抽出的井下水为储水池4提供水源，同时，使向煤储层中通入的高温水蒸气也来自于本煤储层，避免了对煤储层的污染。
如图1所示的一种方法，包括以下步骤：
步骤一、施工U型井及煤层气U型井注气循环负压抽采装置；
本实施例中，按照煤层气U型井的施工要求和顺序施工，施工U型井的工程井1、生产井2、以及连通工程井1与生产井2的水平井18，水平井18位于煤储层中，工程井1和生产井2均为竖井，对工程井1和生产井2进行常规固井操作；
步骤二、降压抽采煤层气：
步骤201、打开抽水泵3，抽水泵3由U型井向储水池4内抽水，生产井2内液面高度降低，煤储层压力随之降低，生产井2开始产气；
步骤202、生产井2产出的气体通过气水分离器7分离出煤层气和水体，分离出的水体进入储水池4，分离出的煤层气进入储气设备9；
步骤203、当气水分离器7中分离的煤层气流量稳定后，开启第一单向阀8、第二单向阀10、第三单向阀14和高温蒸汽发生器6，高温蒸汽发生器6抽取储水池4的水并输出高温水蒸气至气体混合箱11，气水分离器7分离出的煤层气一部分进入气体混合箱11，另一部分进入储气设备9；
通过调整第一单向阀8和第二单向阀10的开度调整气体混合箱11中气体的占比，气体混合箱11中的混合气体由体积比为(90～95)：(5～10)的高温水蒸气和煤层气组成；
步骤204、气体混合箱11中的混合气体经增压泵12增压后通过注气管15注入煤储层，使得吸附在煤储层孔隙内煤表面的气体解吸，生产井2产出的气体再次通过气水分离器7分离出煤层气和水体，分离出的煤层气一部分进入气体混合箱11与出高温水蒸气一起再次增压注入煤储层，另一部分进入储气设备9，实现煤层气的循环抽采；
步骤三、负压抽采煤层气：
当U型井内液面降至煤层顶板时，抽水泵3排水降压能力失效，此时打开负压泵5，降低U型井内压力，保持第一单向阀8、第二单向阀10、第三单向阀14以及高温蒸汽发生器6的开启，持续采集煤层气，直至煤层气抽采作业结束。
需要说明的是。开启高温蒸汽发生器6时需要保证当前储水池4内水量达到储水量下限；
需要说明的是，与高温水蒸气混合注入煤储层的煤层气在对煤储层作用完毕后，通过生产井2进入气水分离器7进行再次分配，全程无气体泄漏，对环境没有污染，同时保证了生产的安全性，使用效果好。
本实施例中，负压抽采压力设定为0.05Mpa，可以在后期可以持续的促进煤层甲烷的解吸运移。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (3)
1.一种煤层气U型井注气循环负压抽采方法，所述U型井包括工程井(1)、生产井(2)、以及连通工程井(1)与生产井(2)的水平井(18)，水平井(18)位于煤储层中，其特征在于：包括设置在生产井(2)井口处的负压抽采***、设置在水平井(18)内的注气管(15)、以及用于连通所述负压抽采***与所述注气管(15)的循环供气***；
所述循环供气***将所述负压抽采***中抽出的地下水转换为高温水蒸气，随后与所述负压抽采***中抽采出的小部分煤层气混合并增压后通过注气管(15)供入煤储层，使得吸附在煤储层孔隙内煤表面的气体解吸；
所述负压抽采***包括伸入至生产井(2)内的抽水泵(3)、以及设置在生产井(2)井口处的负压泵(5)和与负压泵(5)出口连通的气水分离器(7)，负压泵(5)与生产井(2)井口之间设置有三通管(17)，三通管(17)的第一管路与生产井(2)连通，三通管(17)的第二管路与负压泵(5)的抽气口连通，三通管(17)的第三管路与气水分离器(7)连通；
所述循环供气***包括储水池(4)、气体混合箱(11)、用于连接气体混合箱(11)与储水池(4)的第一供气管路(19)、以及用于连接气体混合箱(11)与气水分离器(7)的排气口的第二供气管路(20)，气体混合箱(11)与注气管(15)之间通过混合气体管路(21)连通，第一供气管路(19)上设置有高温蒸汽发生器(6)和设置在高温蒸汽发生器(6)与气体混合箱(11)之间的第一单向阀(8)，第二供气管路(20)上设置有第二单向阀(10)，混合气体管路(21)上依次设置有增压泵(12)、压力计(13)和第三单向阀(14)，增压泵(12)靠近气体混合箱(11)布设，气水分离器(7)的排水口与储水池(4)连接；
所述高温蒸汽发生器(6)输出的水蒸气的温度为80℃～100℃；
所述抽水泵(3)的出水端与储水池(4)连接；
该方法包括以下步骤：
步骤一、施工U型井及煤层气U型井注气循环负压抽采装置；
步骤二、降压抽采煤层气：
步骤201、打开抽水泵(3)，抽水泵(3)由U型井向储水池(4)内抽水，生产井(2)内液面高度降低，煤储层压力随之降低，生产井(2)开始产气；
步骤202、生产井(2)产出的气体通过气水分离器(7)分离出煤层气和水体，分离出的水体进入储水池(4)，分离出的煤层气进入储气设备(9)；
步骤203、当气水分离器(7)中分离的煤层气流量稳定后，开启第一单向阀(8)、第二单向阀(10)、第三单向阀(14)和高温蒸汽发生器(6)，高温蒸汽发生器(6)抽取储水池(4)的水并输出高温水蒸气至气体混合箱(11)，气水分离器(7)分离出的煤层气一部分进入气体混合箱(11)，另一部分进入储气设备(9)；
通过调整第一单向阀(8)和第二单向阀(10)的开度调整气体混合箱(11)中气体的占比；
步骤204、气体混合箱(11)中的混合气体经增压泵(12)增压后通过注气管(15)注入煤储层，使得吸附在煤储层孔隙内煤表面的气体解吸，生产井(2)产出的气体再次通过气水分离器(7)分离出煤层气和水体，分离出的煤层气一部分进入气体混合箱(11)与出高温水蒸气一起再次增压注入煤储层，另一部分进入储气设备(9)，实现煤层气的循环抽采；
步骤三、负压抽采煤层气：
当U型井内液面降至煤层顶板时，抽水泵(3)排水降压能力失效，此时打开负压泵(5)，降低U型井内压力，保持第一单向阀(8)、第二单向阀(10)、第三单向阀(14)以及高温蒸汽发生器(6)的开启，持续采集煤层气，直至煤层气抽采作业结束；
所述气体混合箱(11)内的混合气体由体积比为(90～95)：(5～10)的高温水蒸气和煤层气组成；
所述增压泵(12)增压后的混合气体管路(21)中的气体压力为1.3Pc～1.7Pc，其中，Pc为水平井(18)井底流压；
气体注入压力过大容易导致注入的甲烷气体被压入煤储层，达不到驱替和激励产气的效果，注气压力太小不足以产生水气的激荡；
注入本煤储层的煤层气利用流体的附壁作用增强了煤-水接触面积，气泡的溃灭产生的高温高压激化了煤层中吸附的煤层气的解吸；
为了防止混合的甲烷气体全部溶解，将注入的甲烷气体体积设定为5％～10％，该浓度下，混合气体注入煤储层中，甲烷气体分子在煤储层附壁后溃灭，瞬间产生高温和振动，激励煤层气解吸。
2.根据权利要求1所述的一种煤层气U型井注气循环负压抽采方法，其特征在于：所述气水分离器(7)的排气口分两路，一路与气体混合箱(11)连通，另一路与储气设备(9)连接。
3.根据权利要求1所述的一种煤层气U型井注气循环负压抽采方法，其特征在于：所述注气管(15)伸入至水平井(18)内的管段上开设有多个注气口(16)。
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