CN113914846A - 一种应用双羽状水平井改善煤炭地下气化气腔发育的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用双羽状水平井改善煤炭地下气化气腔发育的方法，包括以下步骤：S1：施工注气井进气孔；S2：施工注气井水平分支井；S3：施工生产井产气孔；S4：施工生产井水平分支井；S5：施工辅助孔；S6：通过所述注入井井口下入点火装置、气化剂注入装置、后退装置等辅助装置；S7:在上述水平分支井点注入气化剂点火；S8：指端处相邻两水平分支井气化腔形成连通后，将上述辅助装置设置于中后段水平分支井点处，重复S5‑S8步骤至所有水平分支井处煤层气腔实现整体气化与连通；S9:在生产井的地面端安装抽气装置。本发明使用方法能够突破直井与水平井的点或线范围注采的局限,大范围沟通煤层裂隙***，增大反应接触面积，提高采气率。
Description
技术领域
本发明涉及煤层气注热增产技术领域，特别是涉及一种应用双羽状水平井改善煤炭地下气化气腔发育的方法。
背景技术
煤炭地下气化是将处于地下的煤炭进行有控制地燃烧，通过对煤的热作用及化学作用产生可燃气体(CH4、H2、CO)的过程。现代煤炭地下气化工艺路线是在可控后退注入点(CRIP)气化工艺路线的基础上，集成了现代钻井技术、先进的石油装备及井下测量技术而形成。相较常规煤炭开采工艺，地下煤气化工艺利用化学采煤方法替代物理采煤，实现煤炭地下原位转化为气态产物，地面无固体废弃物排放；变深层(1000～3000m)难动用煤炭为现实可采资源，极大提高煤炭可采资源量。
由于深层煤层中岩石和煤炭的隔热与低渗透率特性，使得煤炭地下气化产生的合成气难以在煤层和岩层中流动，导致点火后煤炭气化产出气体与释放的热量易局限于一个较小范围内，不仅影响气化腔的形成与发展，难以形成远场效应，同时还易在水平井点火处形成局部高温对水平井造成损坏，引发生产事故。克服这一问题可通过改善近井地带渗透率，加速气腔初期快速发育，增加生产注入井间连通性来实现。
本发明提出一种应用双羽状水平井改善煤炭地下气化气腔发育的方法，即在目标煤层的顶部与底部分别钻入羽状水平分支生产井与羽状分支注入井，在注入井指端处的水平分支井首先进行点火，形成气腔，并通过正上方对应的生产分支井实现连通，从而建立独立气化炉；重复此步骤，可在指端多个分支井点依次形成独立气化炉，随着独立气腔的发育，各气化炉间将形成连通，实现由“点”至“线”的转化；当指端处的气化炉扩展至一定程度，将水平注入井中点火器移动至水平井中后部的分支井点进行点火，重复上述过程在此水平段上建立气化炉，在此形成的气化炉发育到一定程度后将与之前形成的气腔形成连通，实现由“线”至“面”的转变，最终形成大规模的气腔。此方法不仅提高了气体扩散速率与热量的对流效应，避免局部高温导致注汽井井喷，地面设施发生***和火灾等事故的发生，还大大减少了地面钻井占地面积，节约钻井时间，增大单井采出煤炭量，显著提高生产效率。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种应用双羽状水平井改善煤炭地下气化气腔发育的方法
一种深层煤炭地下气化炉，包括：
注入井，所述注入井包括竖直段和水平段，所述竖直段连通地表与目标煤层，所述水平段位于近煤层底部；
注入井水平分支井，所述注入井水平分支井与所述注入井水平段连通；
生产井，所述生产井包括竖直段和水平段，所述竖直段连通地表与目标煤层，所述水平段位于近煤层顶部；
生产井水平分支井，所述生产井水平分支井与所述生产井水平段连通，所述生产水平分支井与注入水平分支井沿水平段呈对应分布；
辅助孔，所述辅助孔顶端位于地表，底端与所述注气井水平段相连通，所述辅助孔和所述注气井竖直段分置于所述注气井水平段的两端。
本发明所采用的技术方案是：一种应用双羽状水平井改善煤炭地下气化气腔发育的方法，包括以下步骤：
S1：施工注气井进气孔，所述进气孔包括竖直段和水平段，所述竖直段连通地表与目标煤层，所述水平段位于近煤层底部；
S2：施工注气井水平分支井，所述水平分支井与所述注气井进气孔水平段连通；
S3：施工生产井产气孔，所述产气孔包括竖直段和水平段，所述竖直段连通地表与目标煤层，所述水平段位于近煤层中；
S4：施工生产井水平分支井，所述水平分支井与所述生产井产气孔水平段连通，所述水平分支井与所述注气井水平分支井一一对应；
S5：施工辅助孔，所述辅助孔顶端位于地表，底端与所述注气井水平段相连通，所述辅助孔和所述注气井竖直段分置于所述注气井水平段的两端；
S6:通过所述注入井井口下入点火装置、气化剂注入装置、后退装置等一系列的煤炭地下气化辅助装置至水平井指端分支井处；
S7:在上述水平分支井点注入气化剂，进行点火，形成煤炭地下气化的高温氧化区，煤炭开始燃烧并产生高温气体形成合成气腔；煤炭燃烧产生的高热量沿分支井通道快速扩散，加热通道附近煤炭并发生气化反应，促进气化腔自注入井水平分支井向生产井水平分支井发育，降低点火处井段局部高温累积的风险；
S8：在指端处相邻两水平分支井气化腔形成“点”至“线”连通后，将上述点火及相关辅助装置设置于中后段水平分支井点处，重复S5-S7步骤建立新的气腔并与之前形成的气腔实现大面积连通，重复此步骤至所有水平分支井处煤层气腔实现整体气化与连通；
S9:在生产井的地面端安装抽气装置，使煤炭地下气化产生的合成气进入生产井水平分支井，排出地面；
进一步地，在上述步骤S1和S3中,所述水平段的长度为300～1500米。
进一步地，在上述步骤S1和S3中,所述水平段应与目标煤层的裂隙方向或者主应力方向平行。
进一步地，在上述步骤S2和S4中,所述水平分支井与所述水平段上与所述水平段部分的夹角介于30°到45°之间，水平分布距离为40～120米。
进一步地，在上述步骤S2和S4中,所述水平分支井应分置于所述水平段两侧且对称分布。
进一步地，在上述步骤S2和S4中,所述水平分支井至少两个为一组，第一个水平分支井钻开点据所述辅助孔在130米以上，每个水平分支井钻开点间距离为140米。
进一步地，在上述步骤S1、S2、S3、S4和S5中，所有钻孔中应设置支护装置。
进一步地，所述支护装置为钻孔的保护结构，如设置套管，在套管的外侧施工水泥环等保护结构等。
有益效果：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、减少水平井的钻孔数量、经济成本和时间成本。
2、突破了直井与水平井的点或线范围注采的局限，具有控制面积大、导流能力强的特点,能大范围沟通煤层裂隙***。
3、增大反应接触面积，提高气体扩散速率与热量的对流效应，促进地下气化腔的形成与发育。
4、避免局部高温导致注汽井井喷，地面设施发生***和火灾等事故的发生。
5、合成气采出率显著提高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的煤炭地下气化炉的结构示意图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
实施例：
如图1所示，本发明实施例提供的一种双水平羽状煤炭地下气化炉炉身结构包括：注气井进气孔1、注气井水平分支井2、生产井产气孔3、生产井水平分支井4、辅助孔5；注气井进气孔1包括竖直段1.1和相连通水平段1.2，所述竖直段1.1连通地表与目标煤层，所述水平段1.2位于近煤层底部；生产井产气孔3包括竖直段3.1和相连通水平段3.2，所述竖直段3.1连通地表与目标煤层，所述水平段3.2位于近煤层底部；注气井水平分支井2与生产井水平分支井4一一对应；辅助孔5顶端位于地表，底端与所述注气井水平段相连通，所述辅助孔5和所述注气井进气孔竖直段1.1分置于所述注气井进气孔水平段1.2的两端。
如图1所示，本发明实施例提供的一种煤炭地下气化炉构建方法，包括以下步骤：
S1:施工注气井进气孔竖直段1.1，下入套管并固井。于目标煤层底板以上2-3米施工注气井进气孔水平段1.2，下入套管并固井。
S2:在G1靶点处施工注气水平分支井组2.1，G1靶点处距离辅助孔5100米以上，下入套管并固井；在G2靶点处施工注气井水平分支井组2.2，G2靶点距离G1靶点140米，下入套管并固井；注气井水平分支井组2.3重复注气井水平定向钻孔组2.2施工过程。
S3:施工生产井产气孔竖直段3.1，下入套管并固井。于目标煤层顶板以下2-3米施工生产井产气孔水平段3.2，下入套管并固井。
S4:生产井水平分支井4重复注气井水平分支井2施工过程。
S5:施工辅助孔5，自地表钻进至目标煤层，底端与所述注气井进气孔水平段1.2相连通。
S6:通过所诉注气井井口下入点火装置、气化剂注入装置、后退装置等一系列的煤炭地下气化的辅助装置至第一组水平分支井处；
S7:在G1靶点处注入气化剂，进行点火，形成煤炭地下气化的高温氧化区，煤炭开始燃烧并产生高温气体形成合成气腔；煤炭燃烧产生的高热量沿分支井通道快速扩散，加热通道附近煤炭，促进煤炭发生还原反应、不完全燃烧反应以及干燥干馏反应，促进合成气腔自注气井水平分支井组2.1向生产井水平分支井组4.1发育，降低辅助装置附近局部高温出现的风险；上述反应产生一系列高温的混合气体；
S8：在第一组注气井水平分支井2.1处煤层生产完毕后，将上诉辅助装置设置于G2靶点处，重复S5步骤直至将整个区域开采结束。
S9:在生产井的地面端安装抽气装置，使煤炭地下气化产生的合成气进入生产井水平分支井4，自生产井产气孔3排出地面；
本实施例中，注气井进气孔水平段1.2的长度取决于定向钻井的施工技术水平和气化的实际需求，其长度一般在300～1500米，与目标煤层的裂隙方向或者主应力方向平行。注气井水平分支井2和生产井水平分支井4长度在40-150米，与注气井进气孔水平段1.2、生产井产气孔水平段3.2的夹角介于30°到45°之间，分置于所述注气井水平段1.2两侧对称分布。
本实施例中，所有钻孔中应设置支护装置，所述支护装置为钻孔的保护结构，如设置套管，在套管的外侧施工水泥环等保护结构等。
本实施例中，在进行气化时，由通过注气井进气孔1下入点火装置、气化剂注入装置、后退装置等一系列的煤炭地下气化的辅助装置至G1靶点处，由注气井水平分支井2进行煤炭地下气化，合成气进入生产井水平分支井4，由生产井产气孔3输出生成的合成气。
本实施例中，在地下气化过程中，注气井水平分支井2中包括多个注气靶点G1、G2、G3等，所诉辅助装置设置于G1靶点处进行注气气化，当第一组注气井水平分支井2.1处气化完毕后，若设计开采储量和/或当煤气有效组分含量、热值出现明显下降，无法通过改变工艺技术参数进行调整时，将所诉辅助装置后移到G2靶点处进行注气气化，重复上诉操作直至将整个区域开采结束。各注气靶点以及相互间距离的确定根据设备的不同和具体气化需求确定。
本实施例中，辅助孔5具有多个作用：一、作为辅助通气孔，排出各类废气；二作为靶点，在煤炭地下气化炉进行施工过程中，先行施工辅助孔5，再以辅助孔5作为靶点施工其它钻孔。
本实施例中，常温的煤炭地下气化的气化剂从注气井进入煤层，到达煤层内部的气化燃烧空腔，与煤发生反应，形成高温的CH4、CO2、H2等气体，高温气体不断聚集，通过裂缝通道形成合成气腔，不断扩散热量加热周边煤层发育气腔，然后在地面与地底的储层压压力差的作用下运移至地表本发明提供的一种基于吸附势理论计算甲烷在页岩中真实吸附量的方法，以吸附势理论为基础，所用修正D-A等温吸附模型具有清晰的物理背景，克服了常用Langmuir等温吸附模型的不足，结合超临界等温吸附实验测试数据，在求解模型参数和各温度下吸附相甲烷密度过程中采用循环迭代和最优化的思路，所得模型参数及吸附相甲烷密度可以使得各温度压力下的吸附势和吸附相体积在同一吸附特征曲线上，这样获得的吸附相密度和真实吸附量可以很好地满足吸附势理论和最优化理论，所得结果更加合理可靠。本发明除用于计算甲烷在页岩中真实吸附量，还可推广用于计算甲烷在煤、活性炭等吸附剂中的真实吸附量，具有广泛的应用价值。
本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种应用双羽状水平井改善煤炭地下气化气腔发育的方法，主要特征在于：包括以下步骤：
S1：施工注气井进气孔，所述进气孔包括竖直段和水平段，所述竖直段连通地表与目标煤层，所述水平段位于近煤层底部；
S2：施工注气井水平分支井，所述水平分支井与所述注气井进气孔水平段连通；
S3：施工生产井产气孔，所述产气孔包括竖直段和水平段，所述竖直段连通地表与目标煤层，所述水平段位于近煤层中；
S4：施工生产井水平分支井，所述水平分支井与所述生产井产气孔水平段连通，所述水平分支井与所述注气井水平分支井一一对应；
S5：施工辅助孔，所述辅助孔顶端位于地表，底端与所述注气井水平段相连通，所述辅助孔和所述注气井竖直段分置于所述注气井水平段的两端；
S6:通过所述注入井井口下入点火装置、气化剂注入装置、后退装置等一系列的煤炭地下气化辅助装置至水平井指端分支井处；
S7:在上述水平分支井点注入气化剂，进行点火，形成煤炭地下气化的高温氧化区，煤炭开始燃烧并产生高温气体形成合成气腔；煤炭燃烧产生的高热量沿分支井通道快速扩散，加热通道附近煤炭并发生气化反应，促进气化腔自注入井水平分支井向生产井水平分支井发育，降低点火处井段局部高温累积的风险；
S8：在指端处相邻两水平分支井气化腔形成“点”至“线”连通后，将上述点火及相关辅助装置设置于中后段水平分支井点处，重复S5-S7步骤建立新的气腔并与之前形成的气腔实现大面积连通，重复此步骤至所有水平分支井处煤层气腔实现整体气化与连通；
S9:在生产井的地面端安装抽气装置，使煤炭地下气化产生的合成气进入生产井水平分支井，排出地面。
2.如权利要求1中所述的一种应用双羽状水平井改善煤炭地下气化气腔发育的方法，其特征在于：在上述步骤S1和S3中,所述水平段的长度为300～1500米。
3.如权利要求1中所述的一种应用双羽状水平井改善煤炭地下气化气腔发育的方法，其特征在于：在上述步骤S1和S3中,所述水平段应与目标煤层的裂隙方向或者主应力方向平行。
4.如权利要求1中所述的一种应用双羽状水平井改善煤炭地下气化气腔发育的方法，其特征在于：在上述步骤S2和S4中,所述水平分支井与所述水平段上与所述水平段部分的夹角介于30°到45°之间，水平分布距离为40～120米。
5.如权利要求1中所述的一种应用双羽状水平井改善煤炭地下气化气腔发育的方法，其特征在于：在上述步骤S2和S4中,所述水平分支井应分置于所述水平段两侧且对称分布。
6.如权利要求1中所述的一种应用双羽状水平井改善煤炭地下气化气腔发育的方法，其特征在于：在上述步骤S2和S4中,所述水平分支井至少两个为一组，第一个水平分支井钻开点据所述辅助孔在130米以上，每个水平分支井钻开点间距离为140米。
7.如权利要求1中所述的一种应用双羽状水平井改善煤炭地下气化气腔发育的方法，其特征在于：在上述步骤S1、S2、S3、S4和S5中，所有钻孔中应设置支护装置。
8.如权利要求1中所述的一种应用双羽状水平井改善煤炭地下气化气腔发育的方法，其特征在于：所述支护装置为钻孔的保护结构，如设置套管，在套管的外侧施工水泥环等保护结构等。
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