井下抽排巷混合气体驱替煤层气开采系统及其方法 |
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申请号 | CN200710053269.6 | 申请日 | 2007-09-19 | 公开(公告)号 | CN101122217A | 公开(公告)日 | 2008-02-13 |
申请人 | 中国科学院武汉岩土力学研究所; | 发明人 | 李小春; 魏宁; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种井下抽排巷混合气体驱替 煤 层气开采系统及其方法,涉及一种 煤层 气开采技术。本开采方法包括下列步骤:①将各种气体形成一种混合气体;混合气体包括强置换气体中的一种或几种,强置换气体包括H2S、SO2、CO2;混合气体还包括弱置换气体中的一种或几种,弱置换气体包括N2、H2、He;②利用高压注入设备将混合气体通过注入孔(1)注入煤层(5)中;③同时利用抽排设备在抽排孔(6)中获取含有 煤层气 的气体,直到获取的甲烷浓度低于经济开采浓度和安全浓度为止。本发明提高煤层气的采收率和单产量; 温室 气体 减排效果十分显著;同时也有减少瓦斯突出 风 险的效果;适用于低渗透可开采煤层的煤层气开采领域。 | ||||||
权利要求 | 1.一种井下抽排巷混合气体驱替煤层气开采系统,包括包括煤层(5)、机 巷(2)、风巷(3)、抽排巷(4)和抽排孔(6); |
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说明书全文 | 技术领域本发明涉及一种煤层气开采技术,尤其涉及一种井下抽排巷混合气体驱替煤 层气开采系统及其方法。 背景技术煤层气属于非常规天然气,俗称瓦斯,由CH4、CO2、O2、N2、CO、H2S、NOx 等气体组成的混合气体,主要成分是CH4(甲烷),占80~90%。它是成煤过程中 生成后以吸着和游离状态赋存于煤层及周围岩层的天然气体。 2005年,全国井下抽采煤矿瓦斯近23亿m3,利用量约10亿m3,释放瓦斯 约150亿m3。低预抽率的直接后果是:污染环境(煤炭开采、加工、运输过程中 约150亿m3的煤层气排向大气,相当于排放2.3亿tCO2e),浪费资源,瓦斯灾害 频繁,采煤效率低下。 我国煤层大多含气量较高,平均含气量10m3/t以上的矿区,占41%;但煤层 的渗透率较低,一般为0.002~16.17mD(毫达西)。其中,渗透率小于1.0mD 的占72%,非常不利于煤层气的开采和利用。我国煤层普遍渗透率低、解吸速度 慢而导致绝大多数煤层试验井产量低、衰减快、难以形成稳定的工业性气流。 当前技术比较成熟的煤层气开采方式有地面垂直井、地面采动区井、井下水 平孔(即煤矿井下瓦斯抽放)和废弃矿井。这几种方式采用单纯抽采。为了提高煤 层气单产量,还采用定向羽状分支水平孔技术、水压致裂增渗、解放层增渗等技 术,取得了一定的效果。当前井下煤层气开采主要还是水平井抽采为主,采用负 压抽取煤层气;煤层气的采收率较低,同时水平孔的深度有限,抽采的影响范围 有限,容易在采区的中部形成煤层气开采空白带,浪费了大量煤层气资源。 目前驱替开采煤层气的方法多种多样,例如:水驱替、CO2驱替、N2驱替煤 层气技术。水驱替煤层气的效果有待商榷;CO2驱替煤层气效果好,但是会引起 煤基质膨胀,降低煤层的渗透性,影响煤层的注入性,导致注入困难,并不适合 我国的低渗煤层;N2驱替煤层气的效果较好,但其置换效果有限;同时CO2和N2 的分离成本较贵,影响煤层气驱替开采的经济性。 总体上,井下煤层气开采的效果还有待提高。开发新型的煤层气增产技术方 式对于我国煤炭企业具有经济、安全和环保等方面的多重意义,必须寻找一种经 济的、采收率高的煤层气开采方法。 发明内容本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足,扩大现有技术的 使用范围,提供一种井下抽排巷混合气体驱替煤层气开采系统及其方法。 该方法不仅有利于提高煤层气的采收率、采收速度和采收范围,同时在不可 开采煤层中存储废弃和温室气体。 本发明的目的是这样实现的: 一、井下抽排巷混合气体驱替煤层气开采系统(简称本开采系统) 如图1、2,本开采系统包括包括煤层(5)、机巷(2)、风巷(3)、抽排巷 (4)和抽排孔(6); 在煤层(5)平面的周围有机巷(2)和风巷(3),在煤层(5)上方或下方 有抽排巷(4),在煤层(5)中有若干抽排孔(6); 在抽排巷(4)中设置有与煤层(5)连通的若干注入孔(1)。 在地下煤层气采区由煤层(5)、机巷(2)、风巷(3)、抽排巷(4)和和抽 排孔(6)组成了一种常规的的巷道抽排系统;通过设置注入孔(1),从而形成 了本发明的一种井下抽排巷混合气体驱替煤层气开采系统。 二、井下抽排巷混合气体驱替煤层气开采方法(简称本开采方法) 本开采方法是以本系统为作业平台,包括下列步骤: ①将各种气体形成一种混合气体;混合气体包括强置换气体中的一种或几 种,强置换气体包括H2S、SO2、CO2;混合气体还包括弱置换气体中的一种或几种, 弱置换气体包括N2、H2、He; ②利用高压注入设备将混合气体通过注入孔(1)注入煤层(5)中; ③同时利用抽排设备在抽排孔(6)中获取含有煤层气的气体,直到获取的 甲烷浓度低于经济开采浓度和安全浓度为止。 本发明的工作原理: 针对我国低渗透的可开采煤层,本发明提出了混合气体驱替煤层气的技术, 即一种通过钻孔向煤层注入以相对甲烷为强置换气体(如:H2S、SO2、CO2)或弱 置换气体(N2、H2)为主的混合气体以置换煤层气,并驱赶它流向生产井的技术。 相对于其它驱替方法,本发明主要利用以下两个方面:混合气体驱替技术和巷道 中形成注入孔和抽排孔,具有以下作用: 一是置换,注入的混合气体中的强置换成分与CH4竞争吸附,置换CH4分子, 促进煤层气解吸,同时降低CH4的分压,又进一步促使CH4解吸; 二是驱赶,混合气体的注入维持了比单纯抽气更高的压力梯度,起到增加流 体流速的作用,促使煤层气的对流、弥散,驱赶和携带CH4流向生产井; 三是变渗,混合气体注入维持了较高的孔隙压力,增大孔隙度和孔隙连通性, 有利于提高煤层渗透性。不同的混合气体可引起煤层膨胀或收缩(相对于吸附甲 烷时),可以降低或提高煤层渗透性,改善煤层的可注入性。 另外,在抽排巷(4)中形成注入孔(1),在机巷(2)和风巷(3)中形成 水平抽排孔(6);利用注入孔(1)和抽排孔(6)进行煤层气驱替开采,可与采 煤过程同步,对煤矿采煤生产影响小,而且降低煤层瓦斯(煤层气)浓度,从而 提高整个煤层开采的安全环境;同时采收煤层气,还减少温室气体排放。 本发明具有以下优点和积极效果: 1、发挥强置换气体的竞争吸附能力。煤对强置换气体SO2、H2S、CO2的吸附 能力比CH4强,注入强置换气体可以促进CH4的脱附。当然,注入的SO2、H2S、CO2 降低CH4在煤层中的分压,也有一定的促进CH4脱附的效果。 2、发挥弱吸附气体的增渗作用。弱吸附气体驱替甲烷后,煤层发生收缩, 有增大渗透性的作用。例如:弱吸附气体(如:N2、He)使煤层渗透系数增加1 个量级。这对于低渗透煤层的煤层气开发具有重要意义。 3、混合气体可直接采用工业废气、空气、废弃气体或者它们的混合气体加 入调节成分气体,提纯浓度要求低或者不提纯,大幅度降低气源成本和降低混合 气体驱替煤层气的总成本;同时使废弃气体封存于不可开采煤层中,降低大气污 染。 4、利用开采煤层中现有的巷道,减少驱替开采建设成本,在抽排巷形成注 入孔和机巷风巷中形成抽排孔进行混合气体驱替煤层气,可以消除采区中部的煤 层气开采空白带,利用大部分煤层气资源;同时降低了采区煤层的瓦斯含量,降 低瓦斯突出和煤层突出的风险,改善了煤层开采的安全性。 总之,本发明提高煤层气的采收率和单产量;对于可开采煤层,混合气体最 终要释放出来,但预先抽出了CH4,减少了CH4排放量,减排效果十分显著;同 时也有减少瓦斯突出风险的效果;适用于低渗透可开采煤层。 附图说明 图1是本开采系统结构主视图; 图2是图1的A-A剖视图; 图3是甲烷累积产量随时间变化关系坐标图。 其中: 1-注入孔; 2-机巷; 3-风巷; 4-抽排巷; 5-煤层; 6-抽排孔。 X-时间(天); y-CH4累积产量(m3); f-甲烷累积产量随时间变化曲线。 具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明: 一、本开采系统 在掘进机巷(2)、风巷(3)和抽排巷(4)等巷道过程中,形成注入孔(1)和 抽排孔(6);通过抽排巷(4)形成的注入孔(1)一般位于煤层(5)采区的中 部位置,其与煤层既可以垂交,也可斜交。通过已经形成的注入孔(1)和抽排 孔(6)进行混合气体驱替开采煤层气,这样驱替过程可与采煤过程完美结合, 尽量减少对采煤过程的影响。 二、本开采方法 1、关于步骤① 将各种气体按照一定比例混合形成一种混合气体; 比例按以下公式计算: pi为各种气体的体积比例; Ri为各种气体的置换率: 为平均置换率。 置换率可参考如下结论,具体根据试验结果确定。 SO2∶H2S∶CO2∶CH4∶N2∶H2=5∶4∶2∶1∶0.2∶0.1; 氧气为额外添加气,其气体比例控制范围为0~21%之间。 该参数为0.2时,主要为降低甲烷分压促使其解吸;参数为3时,主要是竞 争吸附促使甲烷解吸,对于我国大多数煤层一般采用低置换率混合气体驱替。 注入过程中根据煤层的压力和温度变化动态调整混合气体的构成,例如:开 始注入较大的气体,根据煤层的注入性,调整的构成(即:各种气体比例), 采用小值的混合气体驱替,可以改善注入性,采用大的置换率,可以提高置换 速度。注入过程中,可以采用不同置换率的混合气体交替注入驱替煤层气;或者 采用平均的,平稳的采用混合气体驱替煤层气。 O2主要作用破坏煤基质表面,提高煤层温度,促使甲烷解吸,其控制标准为 以不引起煤层自燃和甲烷过度氧化为准。控制标准为O2浓度在0%~21%范围内, 在平均置换率中考虑氧气的置换率为0。 注入过程中各种气体成分的比例可以变化,整个混合气体的置换率也可以波 动变化,可采取弱置换气体和强置换气体交替注入驱替开采煤层气。 现阶段,强置换气体主要采用CO2,弱置换气体主要采用N2,其它气体有一 定副作用,最好少用。 2、关于步骤② 高压注入设备,包括高压注气泵,气瓶,高压容器等。 3、关于步骤③ 在抽排孔(6)中获取煤层气或者含有煤层气的混合气体,分离出甲烷后的 其它气体成分可重新作为混合气体中的成分循环使用。 三、试验结果 如图3,井下抽排巷混合气体驱替煤层气试验,开始采用抽排孔(6)单独 抽排,煤层气到一定量后,增加很少;后采用驱替的方法进行,煤层气中累计甲 烷产量大幅度上升,证明了井下抽排巷混合气体驱替煤层气试验确实可以增加煤 层气的产量和采收率。 |