CN115539130B - 一种不可采煤层强化煤层气开采及co2封存的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不可采煤层强化煤层气开采及CO2封存的方法，先通过CO2泡沫脉动压裂的方式对不可采煤层进行压裂，从而扩大储层改造范围，提升煤体裂化效果，为CO2的封存提供广阔的吸附空间，接着开始进行CO2注入驱替煤层气强化抽采过程，通过CO2注入与煤层气抽采同时进行，CO2气体在抽采***、注入井、不可采煤层和排采井之间形成封闭的循环，从而使CO2气体持续注入煤层内的各个裂隙内，持续驱替吸附态甲烷解吸排出，并将CO2气体吸附在煤层内，直至煤层气被大量抽采完毕后，对不可采煤层进行封井实现CO2封存。不仅能有效提高该煤层的瓦斯抽采率，还对CO2封存后具有较好的密封效果。
Description
技术领域
本发明涉及煤层气开发和CO2地质封存领域，特别是涉及一种不可采煤层强化煤层气开采及CO2封存的方法。
背景技术
CO2的地质封存作为一条具有巨大潜力的碳减排技术路径而受到人们的广泛关注。深部不可采含气煤层是封存CO2的理想目标地层，其上部一般具有天然密封盖层，能够有效防止CO2的逸散从而保证CO2地质封存的稳定性与持久性。同时，利用煤体对CO2优先吸附的特点，注入CO2能够更有效的驱替和置换煤层中的CH4。但是目前现有将CO2注入不可采煤层进行封存技术，其由于无法对深部煤层具有较好的压裂，进而无法在煤层内形成复杂的裂隙网络，导致CO2注入量较少，因此封存效果较差，如需进行大规模压裂则需要增加较大的设备，导致成本较高，另外现有的方式无法对煤层内的瓦斯气体进行有效抽采，故目前很少采用深部不可采煤层进行CO2封存，另外其他的CO2封存方式还存在封存时密封效果较差，导致后期CO2逸出，从而可能造成安全性的影响。因此如何提供一种方法，能将CO2气体大量注入深部不可采煤层内，同时能有效提高该煤层的瓦斯抽采率，另外煤层对CO2封存后能具有较好的密封效果，有效降低CO2封存成本，是本行业的研究方向之一。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种不可采煤层强化煤层气开采及CO2封存的方法，能将CO2气体大量注入深部不可采煤层内，同时能有效提高该煤层的瓦斯抽采率，另外煤层对CO2封存后能具有较好的密封效果，有效降低CO2封存成本。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种不可采煤层强化煤层气开采及CO2封存的方法，具体步骤为：
A、钻井施工：先确定不可采煤层的位置，然后从地面穿过岩层与含水层向不可采煤层分别施工注入井和排采井，在注入井形成后，从注入井最深处沿不可采煤层走向钻取水平压裂段，完成后停止钻井工作；
B、布设CO2注入及煤层气抽采***：将注入管一端从地面伸入注入井并到达水平压裂段，注入管另一端处于注入井外部，抽采管一端从地面伸入排采井内、另一端处于排采井外部；注入井和排采井内分别装有第一封隔器和第二封隔器，分别对注入井和排采井进行密封；高压脉动泵的出口与注入管另一端连接，高压脉动泵的进口与泡沫发生器的出口连接，泡沫发生器的两个进口分别通过管路与发泡剂储存罐和CO2储存罐连接，抽采泵的抽气口与抽采管另一端连接，抽采泵的排气口通过管路与CO2-甲烷分离器的进气口连接，CO2-甲烷分离器的两个分离排出口分别通过管路与CO2储存罐和甲烷储存罐连接，注入管和抽采管之间通过连通管连接，所述发泡剂储存罐和泡沫发生器之间的管路上装有发泡剂阀门，CO2储存罐和泡沫发生器之间的管路上装有CO2阀门，注入管上装有压力表和注入阀门，抽采管上装有第一抽采阀门，连通管上装有第二抽采阀门，抽采泵和CO2-甲烷分离器之间的管路上装有甲烷浓度传感器，CO2-甲烷分离器和甲烷储存罐之间的管路上装有甲烷阀门，完成CO2注入及煤层气抽采***的布设；
C、对不可采煤层进行压裂：初始状态各个阀门均为关闭状态，打开第一抽采阀门、甲烷阀门、注入阀门、CO2阀门和发泡剂阀门，开启泡沫发生器、高压脉动泵、抽采泵和CO2-甲烷分离器，此时发泡剂储存罐中的发泡剂与CO2储存罐中的CO2进入泡沫发生器内进行混合发泡后形成CO2泡沫，接着CO2泡沫经过高压脉动泵施加脉动力后形成脉动CO2泡沫，然后脉动CO2泡沫经过注入管到达水平压裂段对不可采煤层进行脉动压裂，从而在水平压裂段周围形成裂隙网络，并通过裂隙网络与排采井连通，进而部分CO2气体进入裂隙内，在压裂过程中实时观测甲烷浓度传感器数值的变化情况；待甲烷浓度传感器数值出现明显变化且检测的甲烷浓度在10％以上时停止压裂工作，此时关闭泡沫发生器与高压脉动泵，同时关闭CO2阀门、发泡剂阀门、注入阀门，完成不可采煤层的压裂过程；
D、对不可采煤层内的煤层气进行第一阶段抽采：打开甲烷阀门和第二抽采阀门，并持续保持抽采泵和CO2-甲烷分离器的工作状态开始进行煤层气抽采，此时裂隙网络内的煤层气部分从裂隙中析出至水平压裂段，还有部分煤层气从裂隙中析出至排采井内，接着水平压裂段内的煤层气依次经过注入管、连通管、抽采管和抽采泵后进入CO2-甲烷分离器内，同时排采井内的煤层气经过抽采管和抽采泵后也进入CO2-甲烷分离器，煤层气在CO2-甲烷分离器内经过分离后，甲烷进入甲烷储存罐内进行储存，其余CO2气体再次进入CO2储存罐，在持续抽采过程中观测甲烷浓度传感器的数值，待甲烷浓度降至0.5％以下时，关闭抽采阀门二，完成第一阶段抽采；
E、CO2注入驱替煤层气强化抽采：打开CO2阀门，再次开启高压脉动泵，CO2气体经过泡沫发生器和高压脉动泵向水平压裂段持续注入CO2气体，CO2气体进入裂隙网络内与煤层气形成竞争吸附，从而驱替煤层气从煤层内解吸至排采井内，同时保持抽采泵的持续工作状态，形成注入-抽采同时作业，此时排采井内的煤层气和CO2气体混合气体经过抽采管和抽采泵后进入CO2-甲烷分离器，混合气体在CO2-甲烷分离器内经过分离后，甲烷进入甲烷储存罐内进行储存，其余CO2气体再次进入CO2储存罐，CO2气体持续循环，使煤层大量吸附CO2气体，进而持续驱替煤层气解吸被抽采，在该过程中观测压力表与甲烷传感器的数值变化，根据压力表的压力峰值调节高压脉动泵的脉动频率，使压力表显示的压力峰值维持在35～45MPa范围内，接着观察甲烷浓度传感器检测的浓度变化，待甲烷浓度降至0.1％停止注入和抽采，此时关闭CO2阀门、高压脉动泵、甲烷阀门、抽采泵和CO2-甲烷分离器，完成CO2注入驱替煤层气强化抽采过程；
F、CO2封存：将注入管和抽采管分别从注入井和排采井中取出并对注入井和排采井进行密封，从而将不可采煤层内吸附的大量CO2进行封存。
进一步，所述不可采煤层为深度超过1000m的薄煤层，且煤层上部存在含水层能作为CO2地质封存的天然屏障，同时该煤层的顶板为泥岩或致密砂岩或砂质泥岩作为盖层。采用上述煤层进行CO2地质封存，能进一步保证其封存效果，大大降低后期CO2从煤层内逸出的可能性。
进一步，所述注入井与排采井的直径均为100mm，两竖直井间距为150m，注入管进入水平压裂段的长度为100m，水平压裂段与排采井的水平距离为15m。采用这种参数进行施工，能在后续压裂形成裂隙网络后，保证裂隙网络能将水平压裂段和排采井连通，从而便于后续CO2注入驱替煤层气强化抽采的工作。
进一步，所述第一封隔器与第二封隔器均为压缩式Y441型封隔器，密封长度为5～8m。采用这种型号及长度能满足对注入井和排采井的密封。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明采用CO2泡沫作为压裂流体拓展CO2吸附空间，并通过脉动压裂的方式可解决传统水力压裂的耗水量大、压裂液反排困难、产生“水锁”伤害等缺点，有效降低水的存在对于CO2地质封存的抑制作用，并且脉冲式压裂可降低煤体起裂压力，扩大储层改造范围，提升煤体裂化效果，为CO2的封存提供广阔的吸附空间，同时形成裂隙网络后CO2泡沫中的CO2气体能进入裂隙内与吸附态的甲烷形成竞争吸附，驱替吸附态甲烷解吸排出，从而实现在压裂形成裂隙网络的同时还能驱替甲烷解吸的作用，使煤层气排出同时CO2气体吸附在煤层内。
2、本发明在进行第一阶段抽采后，当甲烷浓度降低后开始进行CO2注入驱替煤层气强化抽采过程，通过CO2注入与煤层气抽采同时进行，CO2气体在抽采***、注入井、不可采煤层和排采井之间形成封闭的循环，从而使CO2气体持续注入煤层内的各个裂隙内，持续驱替吸附态甲烷解吸排出，并将CO2气体吸附在煤层内，直至煤层气被大量抽采完毕后，煤层内也吸附了大量的CO2气体，如此实现了不可采煤层内大量注入CO2气体进行吸附留存，同时驱替煤层气强化抽采效率的效果。
3、本发明在完成煤层气抽采及CO2注入过程后，将注入井和排采井进行密封，由于封存CO2的不可采煤层上方含水层的存在以及封闭性较强的岩层作为盖层，相当于给CO2的封存场所添加了两道密闭防线，有效防止CO2在封存过程中的逸出，给CO2的地质封存提供了更稳定的封存环境。
附图说明
图1是本发明的整体布设示意图。
图中：1-发泡剂储存罐；2-CO2储存罐；3-发泡剂阀门；4-CO2阀门；5-泡沫发生器；6-高压脉动泵；7-压力表；8-注入阀门；9-第一封隔器；10-注入管；11-注入井；12-不可采煤层；13-排采井；14-第二封隔器；15-抽采管；16-第一抽采阀门；17-抽采泵；18-甲烷浓度传感器；19-CO2-甲烷分离器；20-甲烷储存罐；21-甲烷阀门；22-第二抽采阀门；23-连通管；24-水平压裂段；25-岩层；26-含水层；P1-注入井竖直钻进截止位置；P2-注入管端部位置；P3-水平压裂段施工截止位置；P4-排采井钻进截止位置；P5-封隔器初始位置；P6-封隔器终点位置。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的具体步骤为：
A、钻井施工：先确定不可采煤层12的位置，然后从地面穿过岩层25与含水层26向不可采煤层12分别施工注入井11和排采井13，使注入井11和排采井13分别达到P1和P4位置，在注入井11形成后，从注入井11的P1位置沿不可采煤层12走向钻取水平压裂段24达到P3位置，完成后停止钻井工作；其中注入井11与排采井13的直径均为100mm，两竖直井间距为150m，注入管11进入水平压裂段24的长度为100m，水平压裂段24与排采井13的水平距离为15m。采用这种参数进行施工，能在后续压裂形成裂隙网络后，保证裂隙网络能将水平压裂段24和排采井13连通，从而便于后续CO2注入驱替煤层气强化抽采的工作。
B、布设CO2注入及煤层气抽采***：将注入管10一端从地面伸入注入井11并到达水平压裂段24的P2位置，注入管10另一端处于注入井11外部，抽采管15一端从地面伸入排采井13内、另一端处于排采井13外部；在注入井11和排采井13内同一水平高度的P5和P6位置之间分别装有第一封隔器9和第二封隔器14，分别对注入井11和排采井13进行密封，其中第一封隔器9与第二封隔器14均为压缩式Y441型封隔器，密封长度为5～8m。采用这种型号及长度能满足对注入井11和排采井13的密封。高压脉动泵6的出口与注入管10另一端连接，高压脉动泵6的进口与泡沫发生器5的出口连接，泡沫发生器5的两个进口分别通过管路与发泡剂储存罐1和CO2储存罐2连接，抽采泵17的抽气口与抽采管15另一端连接，抽采泵17的排气口通过管路与CO2-甲烷分离器19的进气口连接，CO2-甲烷分离器19的两个分离排出口分别通过管路与CO2储存罐2和甲烷储存罐20连接，注入管10和抽采管15之间通过连通管23连接，所述发泡剂储存罐1和泡沫发生器5之间的管路上装有发泡剂阀门3，CO2储存罐2和泡沫发生器5之间的管路上装有CO2阀门4，注入管10上装有压力表7和注入阀门8，抽采管15上装有第一抽采阀门16，连通管23上装有第二抽采阀门22，抽采泵17和CO2-甲烷分离器19之间的管路上装有甲烷浓度传感器18，CO2-甲烷分离器19和甲烷储存罐20之间的管路上装有甲烷阀门21，完成CO2注入及煤层气抽采***的布设；
C、对不可采煤层进行压裂：初始状态各个阀门均为关闭状态，打开第一抽采阀门16、甲烷阀门21、注入阀门8、CO2阀门4和发泡剂阀门3，开启泡沫发生器5、高压脉动泵6、抽采泵17和CO2-甲烷分离器19，此时发泡剂储存罐1中的发泡剂与CO2储存罐2中的CO2进入泡沫发生器5内进行混合发泡后形成CO2泡沫，接着CO2泡沫经过高压脉动泵6施加脉动力后形成脉动CO2泡沫，然后脉动CO2泡沫经过注入管10到达水平压裂段24对不可采煤层12进行脉动压裂，从而在水平压裂段24周围形成裂隙网络，并通过裂隙网络与排采井13连通，进而部分CO2气体进入裂隙内，在压裂过程中实时观测甲烷浓度传感器18数值的变化情况；待甲烷浓度传感器18数值出现明显变化且检测的甲烷浓度在10％以上时停止压裂工作，此时关闭泡沫发生器5与高压脉动泵6，同时关闭CO2阀门4、发泡剂阀门3、注入阀门8，完成不可采煤层12的压裂过程；
D、对不可采煤层内的煤层气进行第一阶段抽采：打开甲烷阀门21和第二抽采阀门22，并持续保持抽采泵17和CO2-甲烷分离器19的工作状态开始进行煤层气抽采，此时裂隙网络内的煤层气部分从裂隙中析出至水平压裂段24，还有部分煤层气从裂隙中析出至排采井13内，接着水平压裂段24内的煤层气依次经过注入管10、连通管23、抽采管15和抽采泵17后进入CO2-甲烷分离器19内，同时排采井13内的煤层气经过抽采管15和抽采泵17后也进入CO2-甲烷分离器19，煤层气在CO2-甲烷分离器19内经过分离后，甲烷进入甲烷储存罐20内进行储存，其余CO2气体再次进入CO2储存罐2，在持续抽采过程中观测甲烷浓度传感器18的数值，待甲烷浓度降至0.5％以下时，关闭抽采阀门二22，完成第一阶段抽采；
E、CO2注入驱替煤层气强化抽采：打开CO2阀门4，再次开启高压脉动泵6，CO2气体经过泡沫发生器5和高压脉动泵6向水平压裂段持续注入CO2气体，CO2气体进入裂隙网络内与煤层气形成竞争吸附，从而驱替煤层气从煤层内解吸至排采井13内，同时保持抽采泵17的持续工作状态，形成注入-抽采同时作业，此时排采井13内的煤层气和CO2气体混合气体经过抽采管15和抽采泵17后进入CO2-甲烷分离器19，混合气体在CO2-甲烷分离器19内经过分离后，甲烷进入甲烷储存罐20内进行储存，其余CO2气体再次进入CO2储存罐2，CO2气体持续循环，使煤层大量吸附CO2气体，进而持续驱替煤层气解吸被抽采，在该过程中观测压力表7与甲烷传感器18的数值变化，根据压力表7的压力峰值调节高压脉动泵6的脉动频率，使压力表7显示的压力峰值维持在35～45MPa范围内，接着观察甲烷浓度传感器18检测的浓度变化，待甲烷浓度降至0.1％停止注入和抽采，此时关闭CO2阀门4、高压脉动泵6、甲烷阀门21、抽采泵17和CO2-甲烷分离器19，完成CO2注入驱替煤层气强化抽采过程；
F、CO2封存：将注入管10和抽采管15分别从注入井11和排采井13中取出并对注入井11和排采井13进行密封，从而将不可采煤层内吸附的大量CO2进行封存。
上述不可采煤层12为深度超过1000m的薄煤层，且煤层上部存在含水层26能作为CO2地质封存的天然屏障，同时该煤层的顶板为泥岩或致密砂岩或砂质泥岩作为盖层。采用上述煤层进行CO2地质封存，能进一步保证其封存效果，大大降低后期CO2从煤层内逸出的可能性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种不可采煤层强化煤层气开采及CO2封存的方法，其特征在于，具体步骤为：
A、钻井施工：先确定不可采煤层的位置，然后从地面穿过岩层与含水层向不可采煤层分别施工注入井和排采井，在注入井形成后，从注入井最深处沿不可采煤层走向钻取水平压裂段，完成后停止钻井工作；
B、布设CO2注入及煤层气抽采***：将注入管一端从地面伸入注入井并到达水平压裂段，注入管另一端处于注入井外部，抽采管一端从地面伸入排采井内、另一端处于排采井外部；注入井和排采井内分别装有第一封隔器和第二封隔器，分别对注入井和排采井进行密封；高压脉动泵的出口与注入管另一端连接，高压脉动泵的进口与泡沫发生器的出口连接，泡沫发生器的两个进口分别通过管路与发泡剂储存罐和CO2储存罐连接，抽采泵的抽气口与抽采管另一端连接，抽采泵的排气口通过管路与CO2-甲烷分离器的进气口连接，CO2-甲烷分离器的两个分离排出口分别通过管路与CO2储存罐和甲烷储存罐连接，注入管和抽采管之间通过连通管连接，所述发泡剂储存罐和泡沫发生器之间的管路上装有发泡剂阀门，CO2储存罐和泡沫发生器之间的管路上装有CO2阀门，注入管上装有压力表和注入阀门，抽采管上装有第一抽采阀门，连通管上装有第二抽采阀门，抽采泵和CO2-甲烷分离器之间的管路上装有甲烷浓度传感器，CO2-甲烷分离器和甲烷储存罐之间的管路上装有甲烷阀门，完成CO2注入及煤层气抽采***的布设；
C、对不可采煤层进行压裂：初始状态各个阀门均为关闭状态，打开第一抽采阀门、甲烷阀门、注入阀门、CO2阀门和发泡剂阀门，开启泡沫发生器、高压脉动泵、抽采泵和CO2-甲烷分离器，此时发泡剂储存罐中的发泡剂与CO2储存罐中的CO2进入泡沫发生器内进行混合发泡后形成CO2泡沫，接着CO2泡沫经过高压脉动泵施加脉动力后形成脉动CO2泡沫，然后脉动CO2泡沫经过注入管到达水平压裂段对不可采煤层进行脉动压裂，从而在水平压裂段周围形成裂隙网络，并通过裂隙网络与排采井连通，进而部分CO2气体进入裂隙内，在压裂过程中实时观测甲烷浓度传感器数值的变化情况；待甲烷浓度传感器数值出现明显变化且检测的甲烷浓度在10％以上时停止压裂工作，此时关闭泡沫发生器与高压脉动泵，同时关闭CO2阀门、发泡剂阀门、注入阀门，完成不可采煤层的压裂过程；
D、对不可采煤层内的煤层气进行第一阶段抽采：打开甲烷阀门和第二抽采阀门，并持续保持抽采泵和CO2-甲烷分离器的工作状态开始进行煤层气抽采，此时裂隙网络内的煤层气部分从裂隙中析出至水平压裂段，还有部分煤层气从裂隙中析出至排采井内，接着水平压裂段内的煤层气依次经过注入管、连通管、抽采管和抽采泵后进入CO2-甲烷分离器内，同时排采井内的煤层气经过抽采管和抽采泵后也进入CO2-甲烷分离器，煤层气在CO2-甲烷分离器内经过分离后，甲烷进入甲烷储存罐内进行储存，其余CO2气体再次进入CO2储存罐，在持续抽采过程中观测甲烷浓度传感器的数值，待甲烷浓度降至0.5％以下时，关闭抽采阀门二，完成第一阶段抽采；
E、CO2注入驱替煤层气强化抽采：打开CO2阀门，再次开启高压脉动泵，CO2气体经过泡沫发生器和高压脉动泵向水平压裂段持续注入CO2气体，CO2气体进入裂隙网络内与煤层气形成竞争吸附，从而驱替煤层气从煤层内解吸至排采井内，同时保持抽采泵的持续工作状态，形成注入-抽采同时作业，此时排采井内的煤层气和CO2气体混合气体经过抽采管和抽采泵后进入CO2-甲烷分离器，混合气体在CO2-甲烷分离器内经过分离后，甲烷进入甲烷储存罐内进行储存，其余CO2气体再次进入CO2储存罐，CO2气体持续循环，使煤层大量吸附CO2气体，进而持续驱替煤层气解吸被抽采，在该过程中观测压力表与甲烷传感器的数值变化，根据压力表的压力峰值调节高压脉动泵的脉动频率，使压力表显示的压力峰值维持在35～45MPa范围内，接着观察甲烷浓度传感器检测的浓度变化，待甲烷浓度降至0.1％停止注入和抽采，此时关闭CO2阀门、高压脉动泵、甲烷阀门、抽采泵和CO2-甲烷分离器，完成CO2注入驱替煤层气强化抽采过程；
F、CO2封存：将注入管和抽采管分别从注入井和排采井中取出并对注入井和排采井进行密封，从而将不可采煤层内吸附的大量CO2进行封存。
2.根据权利要求1所述的不可采煤层强化煤层气开采及CO2封存的方法，其特征在于，所述不可采煤层为深度超过1000m的薄煤层，且煤层上部存在含水层能作为CO2地质封存的天然屏障，同时该煤层的顶板为泥岩或致密砂岩或砂质泥岩作为盖层。
3.根据权利要求1所述的不可采煤层强化煤层气开采及CO2封存的方法，其特征在于，所述注入井与排采井的直径均为100mm，两竖直井间距为150m，注入管进入水平压裂段的长度为100m，水平压裂段与排采井的水平距离为15m。
4.根据权利要求1所述的不可采煤层强化煤层气开采及CO2封存的方法，其特征在于，所述第一封隔器与第二封隔器均为压缩式Y441型封隔器，密封长度为5～8m。
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