一种煤层气与煤共采方法 |
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| 申请号 | CN201210356627.1 | 申请日 | 2012-09-21 | 公开(公告)号 | CN103670338A | 公开(公告)日 | 2014-03-26 |
| 申请人 | 新奥气化采煤有限公司; | 发明人 | 陈峰; 张树川; 甘中学; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种 煤 层气与煤共采方法，所述方法包括：钻井步骤；压裂贯通步骤；抽采 煤层 气步骤；点火步骤及地下 气化 步骤。本发明方法将 煤炭地下气化 技术与 煤层气 抽采技术结合，既可以利用地下气化高温加热煤层，增加煤层透气性，提高煤层气采收率，还可以利用煤层气进行钻井和压裂贯通过程，提升地下气化采煤的效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种煤层气与煤共采方法，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | 一种煤层气与煤共采方法技术领域背景技术[0002] 煤炭是我国的主要能源，在一次能源构成中占比70％左右，而且资源总量相对丰富，预测资源总量约4.5万亿吨(2000米以浅)，其中赋存深度在600米以浅的资源量仅占比25％左右，就目前煤矿开采深度(400米)估计，我国地下煤炭预测总资源量中至少还有大约80％的煤炭资源还没有被开发和利用，深部煤炭资源的开发将是一项长期的工作。随着开采深度的增加，煤炭的伴生资源-瓦斯(也称煤层气)含量亦迅速增大，据煤层气资源评价，我国埋深2000米以浅煤层气地质资源量约为36万亿立方米，居世界第三位，与陆上常规天然气资源量相当。 [0003] 尽管我国煤层气资源丰富，但我国煤层气赋存条件区域性差异大，多数地区呈低压力、低渗透、低饱和特点，除沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘外，其他地区目前实现规模化、产业化开发难度大。而且高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井多，随着开采深度加大，地应力和瓦斯压力进一步增加，井下抽采难度增大。不仅如此，随着开采深度的不断增加，地质环境更加复杂，地应力增大、涌水量加大、地温升高，导致突发性工程灾害和重大恶性事故增加，如矿井冲击地压、瓦斯爆炸、矿压显现加剧、巷道围岩大变形、流变、地温升高等，对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁。因而无论是从采煤过程中安全需求的角度考虑，还是从提高煤炭资源利用率，促进煤炭工业可持续发展的角度考虑，都必须研究和解决难采煤及煤层气的开采和利用问题。 [0004] 公开的资料显示，煤炭地下气化技术可以将赋存在地下的煤层进行可控燃烧，通过热解作用和化学作用，产生可以有效利用的气体能源，从而实现对煤炭的原位气化开采，该技术对于浅部煤层的气化取得了相当大的成功，并在前苏联实现了商业化运行。上世纪石油危机后，欧洲部分国家曾采用煤炭地下气化技术，从不能用常规方法开采的深部煤层取得能源，其中1978年～1986年，比利时和德国联合在比利时的图林首次进行了深部煤层地下气化试验(煤层深度为860m)；1988年，欧盟的6个成员国建立了欧洲地下煤炭气化工作组，于1998年在西班牙特鲁埃尔矿区进行了中等深部煤层地下气化(煤层深度为550～650m)试验，验证了欧洲深部煤层地下气化技术的可行性。 [0005] 煤炭地下气化技术是目前开采深部煤炭资源最有效的技术，但是现有煤炭地下气化技术通常仅仅考虑煤层的气化，而随着煤炭开采深度的增加，煤层气含量将迅速增大，因而不可避免的会遇到煤层气的抽采问题，具体问题包括：(1)对于煤层气富集的煤层来说，如果直接实施煤层的气化，会存在安全方面的威胁和资源的浪费等问题；(2)如果采用常规的煤层气开采手段，而不考虑与地下气化技术的结合，那么后续实施煤炭地下气化，则会存在钻孔等功能的重叠，和投资成本的增加等；(3)向煤层中注入CO2可以提高煤层CH4的采收率，但仅在煤层气抽采初期可以调高煤层气产量，但是后期裂隙容易闭合，煤层气产量下降很快；(4)作为气化过程的中间体及产物组成之一，CO2参与了一系列的氧化还原反应，是出口煤气中的重要组分，含量约占15～60％，是关系煤气热值和有效组分含量的重要因素之一，但是现有工艺通常没有考虑CO2的回收与利用。 发明内容[0006] 本发明人发现，煤层气抽采与煤炭地下气化在钻孔、压裂、增隙改造等工艺环节存在一些相似性和协同效应，可以将煤炭地下技术与煤层气抽采技术结合起来综合考虑地下煤炭资源和煤层气资源的协同开发利用。一方面，可以利用煤炭地下气化产生的高温介质加热煤层，高温下煤层气中CH4吸附能力大大降低，同时热能在向煤层传递的过程中气体受热膨胀，有利于建立生产压差，从而提高煤层气渗流速度；另一方面，前期煤层气压裂增产、排水降压等过程，使煤层透气性提高，将有利于煤炭地下气化工艺的火区的建立和后续气化过程的进行，同时煤层受热后渗透性可以提高2～10倍，因而更有利于促进CH4解吸。另外，从产品角度看，二氧化碳和甲烷分离的成本较氮气和甲烷的分离成本低，煤气中的一氧化碳和氢气可以直接合成甲烷，其最终产品和煤层气一样都是甲烷。可见，煤层气抽采可以同地下气化相结合，两者相互促进，相互协同，既可以提高煤层气的采出率，同时由于提高了煤层的透气性，增加了反应表面积，又有利于煤炭地下气化反应的进行。 [0007] 鉴于我国煤层气开采的难点，煤炭地下气化技术在煤炭开采中的优势，以及两者在工艺技术上存在的上述协同效应，本发明的目的是提供一种煤层气与煤的共采新方法，该方法将煤层气开采和煤炭地下气化技术相耦合，共采过程中使用了含有二氧化碳的介质。 [0008] 为此，本发明提供一种煤层气与煤共采方法，包括： [0009] 1)钻井步骤：由地面向地下含碳有机矿物储层例如煤层进行钻井以提供使所述煤层与地面连通的至少一个进气钻孔和至少一个出气钻孔； [0010] 2)压裂贯通步骤：由所述进气钻孔向所述煤层注入含有二氧化碳的压裂介质，强制所述压裂介质在所述煤层中流动，并由所述出气钻孔排出，从而使所述进气钻孔和所述出气钻孔在所述煤层中通过连通裂隙连通； [0011] 3)抽采煤层气步骤：由所述进气钻孔向所述煤层注入驱替介质，对所述煤层中的煤层气进行驱替，并由所述出气钻孔收集； [0012] 4)点火步骤：在所述出气钻孔底部的煤层中建立火区，以引燃煤层；以及[0013] 5)地下气化步骤：由所述进气钻孔向所述煤层注入含二氧化碳的气化剂，所述气化剂与所述煤层进行气化反应和热解反应，产生热能和气化煤气，所述热能向所述煤层内部传递以产生热解煤气，同步驱替所述煤层气以产生游离甲烷，所述游离甲烷与所述气化煤气、所述热解煤气一起从所述出气钻孔排出并收集。 [0014] 然而，需要强调的是，本发明方法不是地下气化与煤层气抽采技术的简单组合，必须对各自原有的工艺加以改进，以适应两种工艺技术的耦合，具体表现在采用了如下至少一项改进： [0015] a.煤层气钻井时优选按照煤层主裂隙垂直方向钻水平井。主裂隙方向位于煤层水平面，可以通过地应力测量、定向取芯分析等手段确定，现行的煤层气抽采没有考虑水平井的方向问题 [0016] b.煤层气水平井水平段的距离按照地下气化火区纵向扩展范围(即水平井方向)来确定，而决定这个扩展范围的主要参数有煤层的地应力分布和大小、煤层的原始渗透率和不同温度下的渗透率，煤的反应活性，煤层的构造及断层，煤岩在不同温度下的岩石力学性质等。必要时还需要结合现场试验，归纳总结合适的长度。现行的煤层气抽采没有按照这个标准考虑水平井水平段长度； [0017] c.煤层气的进出气孔规格(即材质、内外径、井结构、施工工艺)按照地下气化的工艺确定，具体是进出气量，温度，运行压力，服务年限等。而煤层气抽采中进出气孔仅根据压力和出气量大小来确定规格； [0019] e.设计地下气化的气化炉时考虑煤层气压裂的范围(通过现场各孔压力值分布确定)，确定炉区布置范围；地下气化设计气化炉时只根据煤层热态影响范围(通过现场测温孔确定)确定炉区的布置范围，而煤层气压裂的范围显然大于这个热态影响范围； [0020] f.地下气化点火前，监测进出气孔的甲烷含量，控制进气中氧气的含量，保证不发生爆炸事故；由于煤层气抽采是冷态下进行，没有氧气介入，不需要考虑甲烷的爆炸问题。 [0021] 在一个优选实施方式中，所述钻井按照在煤层水平面并沿煤层主裂隙垂直方向钻水平井。 [0022] 在一个优选实施方式中，煤层气抽采在钻垂直井时考虑套管的下放深度和水平井水平段的轨迹在在煤层下部，距离煤层底板1～3米。 [0023] 在一个优选实施方式中，所述压裂介质是二氧化碳和氧气的混合物，并且其中氧气的体积浓度为20％以下。 [0024] 在一个优选实施方式中，在所述抽采煤层气步骤3)中对所述煤层中的煤层气进行驱替是注入CO2或氮气进行驱替。 [0025] 在一个优选实施方式中，所述方法还包括：6)回收CO2步骤：将所述地下气化步骤中产生的CO2进行回收，并且将所回收的CO2的一部分用作所述气化剂。 [0026] 在一个优选实施方式中，所述回收CO2步骤中回收的CO2用作所述压裂贯通步骤的压裂介质或用作所述抽采煤层气步骤的驱替介质。 [0027] 在一个优选实施方式中，所述方法还包括：7)CO2封存步骤：在所述进气钻孔和所述出气钻孔之间的煤层完成所述地下气化后，将回收的部分CO2封存到燃空区(该燃空区是煤层气化后残留的空腔)，进行埋藏和封存。 [0028] 在一个优选实施方式中，还包括在所述点火步骤4)之前进行安全检测步骤以确保点火安全。 [0029] 在一个优选实施方式中，所述压裂贯通步骤中的压裂介质是气态、液态或超临界态二氧化碳，或者其中氧气的体积浓度为20％以下的二氧化碳和氧气的混合物，或者是由液态CO2、水冻胶(如胍胶，其作用是提高压裂介质的稠度，降低压裂介质的滤失，增大裂缝宽度)和化学添加剂(如氯化钾，其作用是使压裂介质形成稳定的体系)组成的混合液。 [0030] 在一个优选实施方式中，所述地下气化步骤中含二氧化碳的气化剂中氧气的体积浓度为20～70％，以保证灰分不发生熔融。 [0031] 在一个优先实施方式中，所述地下气化步骤中含二氧化碳的气化剂中的氧气体积浓度为20～50％，以构建气化通道。 [0032] 在一个优先实施方式中，所述地下气化步骤中含二氧化碳的气化剂中的氧气体积浓度为40～70％，用于气化通道构建完成后的煤层气化。 [0033] 在一个优选的实施方式中，如果在煤层气抽采完，煤层的含水量小于煤层气化所需的水量时，气化剂为氧气、二氧化碳和水蒸气的混合物。其中加入水蒸气的量应该是煤层气化所需水量减去煤层含水量再除以水蒸气的分解率。 [0034] 在一个优选实施方式中，所述建立火区通过电点火(例如，在拟建立火区的煤层中放置电加热器，控制点火孔压力大于静水压头，保证点火孔无水，然后通电加热、引燃煤层建立火区)或固体燃料点火(例如在拟建立火区的煤层中放置炽热的焦炭，通入氧气以燃烧焦炭进而引燃煤层建立火区)完成。 [0035] 在一个优选实施方式中，在所述压裂贯通步骤中，当所述进气孔中的压力急剧下降(指压力下降幅度达到原始压力的5％/天左右或更大)并且所述出气孔的出气流量为3 100Nm/h以上时，所述进气钻孔和所述出气钻孔在所述煤层中已经形成连通裂隙。 [0036] 在一个优选实施方式中，所述地下气化包括正向燃烧(即气化工作面火焰移动方向和气流方向一致)、逆向燃烧(即气化工作面火焰移动方向和气流方向相反)或后退注气点燃烧(即在水平井中，插入一套连续管，在地面抽拉这套连续管，实现连续管在水平井中后退移动，在不同位置进行点火和气化)。 [0037] 在一个优选实施方式中，所述气化煤气、热解煤气和煤层气经过所述出气钻孔排出后被收集用于甲烷合成、甲烷-发电或甲烷-甲醇生产。 [0038] 在一个优选实施方式中，所述地下气化步骤中的所述气化剂的输送通过环空型(即双层套管)输送管道由地面输送至所述火区或者直接通过钻孔由地面输送至所述火区。 [0039] 在一个优选实施方式中，所述回收CO2步骤中回收的CO2用作所述压裂贯通步骤的压裂介质或用作所述抽采煤层气步骤的驱替介质。 [0040] 本发明方法将煤炭地下气化技术与煤层气抽采技术结合，既可以利用地下气化高温加热煤层，增加煤层透气性，提高煤层气采收率；又可以实现钻井工艺与压裂技术的耦合，同时可将CO2直接捕集作为煤层气驱替的介质以及地下气化过程的气化剂，调控煤气有效组分含量。通过技术的耦合，提高煤层气采出率、调节煤气有效气体组成、降低煤气生产成本，同时实现CO2捕集和资源化利用。附图说明 [0041] 图1是根据本发明的煤层气与煤共采方法的流程示意图； [0042] 图2是根据本发明一个实施方式的煤层气与煤共采方法的示意图，其中钻孔之间的煤层通过冷态压裂，注入CO2抽采煤层气； [0043] 图3是根据本发明一个实施方式的煤层气与煤共采方法的示意图，其中建立火区对裂隙进行热加工，扩大成气化通道，同步驱替煤层气； [0044] 图4是根据本发明另一个实施方式的煤层气与煤共采方法的示意图，其中采用羽状分支水平钻井技术抽采煤层气； [0045] 图5是根据本发明另一个实施方式的煤层气与煤共采方法的示意图，其中进行点火及通道热加工，扩大成气化通道，同步驱替煤层气； [0046] 图6是根据本发明又一个实施方式的煤层气与煤共采方法的示意图，其中采用定向水平钻井技术抽采煤层气；以及 [0047] 图7是根据本发明又一个实施方式的煤层气与煤共采方法的示意图，其中进行点火及通道热加工，扩大成气化通道，同步驱替煤层气。 [0048] 附图标记说明 [0049] 1-煤层 [0050] 2-地面 [0051] 3-上覆岩层 [0052] 4-连通裂隙 [0053] 5-进气钻孔 [0054] 6-出气钻孔 [0055] 7-O2管线 [0056] 8-CO2管线 [0057] 9-排水管线 [0058] 10-煤层气管线 [0059] 11-初始火区 [0060] 12-气化通道 [0061] 13-煤气管线 [0062] 14-羽状分支水平井 [0063] 15-水平井 具体实施方式[0064] 鉴于我国煤层气开采的难点，以及煤炭地下气化技术在煤炭开采中的优势，本发明提供一种煤层气与煤的共采新方法。 [0065] 鉴于这些方面，本发明方法将煤层气开采和煤炭地下气化技术相耦合，由于地下气化与地面煤层气抽采过程都需要借助钻孔来实现，一个地下气化单元，通常至少需要一个进气钻孔、一个出气钻孔及连接两个钻孔之间的气化通道，气化通道通常采用压裂和火力贯通等手段实现；而一个煤层气抽采单元，通常需要至少一个盲孔，如一个垂直孔或多分枝的水平井，并且需要采用压裂手段进行增隙，也可以包括一个注气井和多个生产井。所以地下气化与地面煤层气抽采在技术上某种程度的相似性，将煤炭地下气化技术与煤层气抽采技术结合，既可以利用地下气化高温加热煤层，增加煤层透气性，提高煤层气采收率；又可以实现钻井工艺与压裂技术的耦合，同时可将CO2直接捕集作为煤层气驱替的介质以及地下气化过程的气化剂，调控煤气有效组分含量。通过技术的耦合，提高煤层气采出率、调节煤气有效气体组成、降低煤气生产成本，同时实现CO2捕集和资源化利用。 [0066] 如图1所示，本发明的方法可以包括钻井、压裂贯通、抽采煤层气、煤层点火、地下气化、回收CO2以及CO2封存等步骤。 [0067] 更具体地，本发明的煤层气与煤的共采方法包括如下步骤： [0068] 步骤a1：从地面向煤层中钻至少2个钻孔，两个钻孔底端的连线与煤层的主裂隙方向一致，其中一个作为进气钻孔，另一个作为出气钻孔，由进气钻孔注入作为压裂介质的高压(即高于煤层的破裂压力)含有二氧化碳的压裂介质，强制CO2沿着煤层中的孔隙和裂隙移动并从出气钻孔排出，从而在钻孔间煤层中建立连通裂隙； [0069] 步骤a2：关闭出气钻孔，由进气钻孔继续向煤层连续注入CO2，然后停止注入CO2，关闭进气钻孔并关闭出气钻孔进行焖井，使CO2驱替煤层CH4，之后重新开启出气钻孔，抽采煤层气； [0070] 步骤a3：根据煤层气解析情况重复步骤a2，当出气钻孔气体中CH4含量出现明显降低(例如甲烷体积浓度小于5％)后，则在出气钻孔底部煤层点火，之后将CO2和纯氧配成一定浓度的CO2富氧气体(称为CO2富氧)，经由进气钻孔沿着孔间煤层形成的连通裂隙连续输送至火区，使火源迎着CO2富氧气流方向向进气钻孔方向移动，CO2富氧与煤层发生气化反应、热解反应，连通裂隙被加工为气化通道并继续气化同时生成气化煤气和热解煤气： [0071] C+O2→CO2-394kJ/mol [0072] [0073] C+CO2→2CO+173kJ/mol [0074] C+H2O→H2+CO+131kJ/mol [0075] 煤→H2+CH4+CO2+焦油+半焦+… [0076] 同时，释放出来的热量传递到煤层中，促进CH4解吸，并干燥煤层增加煤层透气性，解吸后的甲烷与气化煤气、热解煤气一并由出气钻孔排出； [0077] 步骤a4：当所述CO2富氧进气压力和煤气出气压力之差出现明显降低(一般为0.3MPa左右)后，增大CO2富氧流量或增加CO2富氧氧浓度，进一步提高反应区温度，强化CH4解吸，并使火源逆着CO2富氧气流方向向出气钻孔方向移动，保证CO2与炽热的煤层充分接触反应，同时完成钻孔间煤层的原位气化开采； [0078] 进一步，所述步骤中CO2，可以为气态、液态、超临界态CO2，也可以由液态CO2、水冻胶(如胍胶，其作用是提高压裂介质的稠度，降低压裂介质的滤失，增大裂缝宽度)和化学添加剂(如氯化钾，其作用是使压裂介质形成稳定的体系)组成的混合液。 [0079] 进一步，在压裂作业中，监测CO2注入钻孔压力变化情况，当钻孔压力出现迅速下3 降(即压力降幅达到原压力值5％每天左右或更大)，且出气流量不小于100Nm/h时，表明在钻孔间煤层中已经形成连通裂隙。 [0080] 进一步，所述CO2富氧，要求步骤a3氧气体积浓度为20～50％，要求步骤a4氧气浓度为40～70％，以保证灰分不发生熔融。如果煤层水量不足以气化所需煤炭，气化剂中还需添加水蒸气，水蒸气的量根据上文所述确定。 [0081] 进一步，所述CO2富氧的输送，可以通过环空型输送管道由地面输送至火区；也可以直接通过钻孔由地面输送至火区。 [0082] 所述方法中还可以包括步骤a5，回收CO2：将煤层地下气化过程产生的CO2进行回收，并将部分CO2作为煤层地下气化的气化剂，用于调控煤气组分与热值。 [0083] 所述方法中还可以包括步骤a6，CO2封存：两钻孔间煤层完成气化后，将回收的部分CO2填充到煤层气化后形成的燃空区，进行埋藏和封存。 [0084] 所述钻孔中，两个钻孔中可以保证气化过程的进行，一个用于进气，一个用于出气；同时煤层气抽采过程中，可以一个钻孔用于注气驱替煤层气，一个钻孔用于生产收集从煤层中被驱替出来的煤层气； [0086] 所述方法中，步骤a1也可以用O2和CO2进行压裂，O2浓度在20％以内，具体根据煤层中甲烷含量和甲烷爆炸极限确定。 [0087] 所述方法中建立火区的方式可以是高温和高压二氧化碳和氧气的混合气体通入钻孔孔底，其中温度按照氧气浓度、煤层着火点、煤层裸露面积、管道热损等确定，压力根据煤层静水压头确定。 [0088] 所述方法中建立火区的方式还包括：电点火、固体燃料点火，或者利用作业区域内原有火区或燃空区高温煤层。 [0089] 所述方法中地下气化方式至少包括：正向燃烧、逆向燃烧或者后退注气点燃烧。正向燃烧是指火焰工作面移动方向和气流方向一致，逆向燃烧是指火焰工作面移动方向和气流方向相反，而后退注气点燃烧是指在水平井中，插入一套连续管，在地面抽拉这套连续管，实现连续管在水平井中后退移动，在不同位置进行点火和气化。 [0090] 所述方法中CO2可以通过多种途径回收，主要取决于煤气的用途和品质等，如用作发电，可以回收煤气发电后产生的烟气中的CO2，如用作化工合成，可以在煤气净化中脱碳工段分离并回收煤气中的CO2，也可以利用煤气或煤层气直接燃烧生成的烟气。 [0091] 所述方法中气化煤气、热解煤气、煤层气经过出气钻孔排出后，可用于甲烷合成，或者进行多联产生产，如甲烷-发电，甲烷-甲醇等，生产多种能源化工产品。 [0092] 本发明还提供了一种优选煤层气与煤的共采方法，整个流程以CO2的资源化利用为核心，该方法的具体优点如下： [0093] 本发明将煤层气开采与地下气化相结合，相比其他煤层气抽采技术，大大提高了煤层气的采收率，降低成本，同时也考虑CO2的回收和利用，特别适合于低渗透煤层，煤层气开采与地下气化具有很强的相互协同作用，具体表现在： [0094] 第一步中所钻钻孔，既可以用于煤层气压裂和第二步煤层气抽采井，也可以用于第三步点火和第四步热解和气化的进出气孔，使煤层气钻井与地下气化钻井相互耦合，有利于减少钻井投入，节省成本，对于深部煤层资源的开采，成本节约尤其明显； [0095] 第一步中二氧化碳压裂可以提高第二步煤层气抽采过程中甲烷气的解析，煤层中吸附的大量二氧化碳可以为后续第三步点火和第四步热解和气化过程中控制煤层温度，防止煤层局部超温，产生自燃或气化通道熔融等不利于点火和气化的问题，还可以提高第四步中煤层热解气的产量；另外，第一步压裂过程大大提高煤层渗透率，为第四步热解和气化提供了有利的传热和传质条件，增加气化工作面的扩展范围，提高煤层气化回采率；如果第一步中加入二氧化碳和氧气的混合物作为压裂介质，则停留在煤层的氧气则有利于点火并且可以在第四步的气化过程中，和可燃气体反应，进一步提高煤层的温度，既可防止在二氧化碳压裂后煤层裂隙闭合问题，又可加速煤层气中甲烷的解析和煤的热解，从而提高了生成的煤气中甲烷的含量，煤气品质也可得到明显提升。但是必须控制混合气体中的氧含量在甲烷的爆炸极限之外，具体可以通过控制氧浓度实现； [0096] 第二步煤层气抽采过程析出大量甲烷，煤层反复经历加压和减压过程，煤层渗透率大大提高，有利于第四步中气化工作面的扩展，出气井周围富集的甲烷也有利于点火； [0097] 第四步中通过地下气化反应产生的高温促进煤层裂隙的形成(即热态增隙)，使煤层冷态压裂与热态增隙互补来产生协同效应，提高了煤层气的渗流能力，煤层升温后也大大有利于甲烷的解析，并且防止了第一步二氧化碳压裂后煤层裂隙闭合问题产生；通过物理解吸和化学反应结合，可大大增加煤层气产量；CO2能够加快CO的生成速率，抑制水煤气变换反应，有效的调节煤气中有效组分含量，氢碳比适合于合成甲烷，同时CO2用于驱替CH4也提高煤层气采出率，实现CO2捕集和资源化利用，实现CO2减排。 [0098] 下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述，但应当理解，本发明并不局限于这些实施例。 [0099] 实施例1 [0100] 本实施例参照图2和图3进行描述。图2是根据本发明的一种煤层气与煤共采方法的示意图，其中钻孔之间的煤层通过冷态压裂，注入CO2抽采煤层气；而图3是该煤层气与煤共采方法的示意图，其中建立火区对裂隙进行热加工，扩大成气化通道，同步驱替煤层气。如图2和图3所示，在本实施例中根据拟气化煤层范围设置钻孔，钻孔数量由煤层储量和煤气生产规模等决定，但为实现本发明至少应该包括一个进气孔和一个出气孔，具体实施方式如下所述： [0101] 参见图2和图3，由地面2经由上覆岩层3向煤层1中施工垂直孔作为进气钻孔5，在距进气钻孔5一定距离范围内(一般在200米到600米之间，具体可以由本领域技术人员根据煤种等确定，例如变质程度越深其钻孔长度越长，对于褐煤一般选取200米左右，烟煤选取500米左右)施工垂直孔作为出气钻孔6，该进、出气钻孔的底部位于煤层1中，距离煤层底板2米，进气钻孔5和出气钻孔6的底端连线与煤层主裂隙方向一致，进出气钻孔的间距可由本领域技术人员根据煤层、地层等情况确定。 [0102] 进气钻孔5孔口安装O2管线7、CO2管线8，出气钻孔6孔口安装排水管线9、煤层气管线10、煤气管线13，其中O2管线7用于输送纯氧、CO2管线8用于输送CO2，并在进气钻孔5内混合配成一定体积浓度的CO2富氧(本实施例中，氧气浓度为10％左右)；排水管线9用于在压裂和抽采煤层气阶段来抽排煤层水，煤层气管线10用于在抽采煤层气阶段来排放煤层气，以及气化完成后输送CO2，以将CO2封存至煤层气化后形成的燃空区内，煤气管线 13用于输送点火后气化过程生成的粗煤气。具体操作过程为： [0103] 将CO2管线8输送的高压二氧化碳和O2管线7输送的氧气经由进气钻孔5连续注入煤层1中，注入压力为煤层破裂压力的1.1倍，强制气体介质沿煤层天然孔隙和裂隙移动，对煤体进行压裂，产生连通裂隙4，从而与出气钻孔6在煤层1中相互连通，完成压裂后的气体经由出气钻孔6并从煤层气管线10排出至地面。 [0104] 关闭出气钻孔6，由进气钻孔5向煤层1继续注入高压CO2，注入压力不大于煤层破裂压力，注入总量根据煤层饱和气含量决定，待CO2总注入量满足要求后停止注入，关闭进气钻孔5，并关闭出气孔焖井1～15天，以保证CO2与煤层充分接触、驱替煤层中吸附的CH4；之后重新开启出气钻孔6，并由排水管线9对煤层水进行抽排，以对煤层1脱水，同时打开煤层气管线10以降低出气钻孔6压力，以利于煤层气解吸或脱附，并由煤层气管线10收集至地面管网。抽采一段时间后，当出气钻孔6孔底压力降至10kPa以下后，进行下一个循环的注入和抽采。 [0105] 当出气钻孔6气体中CH4含量出现明显降低(即其体积浓度小于5％)后，打开出气钻孔6，提出排水管线9，安装煤气管线13。之后打开出气钻孔6与煤气管线13间的连通阀门，并由进气钻孔5向煤层1继续注入高压CO2，注入压力大于煤层静水压力，注入量根据煤层含水量决定，并由煤气管线13排出，以将钻孔间煤层内的水分带出，即疏干煤层水分，使出气钻孔6孔底煤层保持干燥。 [0106] 将电点火器下放至出气钻孔6孔底煤层段，打开出气钻孔6与煤气管线13间的连通阀门，将O2管线7送来的纯氧、CO2管线8送来的CO2，在进气钻孔5内混合配成氧气体积浓度20～30％的CO2富氧作为气化剂，沿连通裂隙4送入出气钻孔6孔底煤层。之后监测出气孔的甲烷含量，控制进气中氧气的含量，保证出气钻孔O2浓度不在甲烷爆炸极限范围内。O2浓度或者甲烷含量满足要求后，启动点火器对出气钻孔6孔底煤层进行点火，建立初始火区11。气化剂与煤层1发生反应生成的粗煤气经由煤气管线13排出，控制CO2富氧流3 量(约300-500m/小时)使火区温度不低于煤层自燃着火点温度。 [0107] 待火区温度超过1000℃后，如果进气压力下降幅度超过10％时，以每次500～3 3 1000Nm/h增加CO2富氧流量，直至流量达到5000～8000Nm/h之间，以使火源迎着CO2富氧气流方向向进气钻孔方向移动，由于CO2富氧与煤层发生气化反应、热解反应： [0108] C+O2→CO2-394kJ/mol [0109] [0110] C+CO2→2CO+173kJ/mol [0111] C+H2O→H2+CO+131kJ/mol [0112] 煤→H2+CH4+CO2+焦油+半焦+… [0113] 沿连通裂隙4并将部分煤层气化掉，扩大了连通裂隙，逐渐形成气化通道12，以利于煤气排出；同时释放出来的热量传递到煤层中，促进CH4解吸，并干燥煤层增加煤层透气性，解吸后的甲烷与气化煤气、热解煤气一并由出气钻孔6及煤气管线13排出。 [0114] 之后维持该流量和O2浓度，进行逆向燃烧(即，火焰前沿的扩展方向与供入气体的流向相反)，并实时监测进气钻孔5的压力。当进气钻孔5与出气钻孔6压力相差不大(压差小于0.3MPa左右)时，表明：进气钻孔5的下端与出气钻孔6的下端之间的气化通道12构建成功。 [0115] 气化通道12完成构建后，增大从进气钻孔5上端向井下供给的CO2富氧气体的增加氧气浓度(每天增加2～5％)到40～60％以提高反应区温度，并进行正向气化(即，火焰前沿的扩展方向与供入气体的流向相同)，保证CO2与气化通道内炽热的煤层充分接触反应，以完成钻孔间煤层的气化；同时，由于气化空间扩大，地应力作用显现，在热作用的共同作用下气化通道周边的煤层产生破碎带，加速煤层气释放。在实际操作中，可根据煤层夹矸厚度、含水量，钻孔间距等情况，对CO2富氧气体流量和/或氧气浓度进行调整，如果煤层含水量小于气化反应所需水量，可以注入二氧化碳富氧和水蒸气气体，注入水蒸气的量为气化反应所需水量和煤层含水量的差除以水蒸气分解率。 [0116] 煤层气化过程结束后形成燃空区，其空间被灰渣、焦渣、夹矸、顶板岩石、未气化的煤层所充填，可以作为封存CO2的空间。封存开始后，关闭出气钻孔6，打开CO2管线7，注入3 3 高压CO2，CO2压力一般控制在6～8MPa，CO2注入量一般控制在400～500Nm/m(每单位体积的燃空区内可以封存400～500标立方的CO2)，具体根据燃空区体积、煤层水文地质情况等决定。 [0117] 本发明中所生产的气化煤气、热解煤气和煤层气经过出气钻孔排出后，用于甲烷合成。 [0118] 实施例2 [0119] 实施例2采用羽状分支水平钻井技术加快煤层气抽采速度，同时利用分支井技术沟通煤层天然裂隙与割理，增加煤层裸露面积，有利于后续气化过程的进行，本实施例参照图4和图5进行描述。图4是根据本发明的一种煤层气与煤共采方法的示意图，其中采用羽状分支水平钻井技术抽采煤层气；图5是根据该煤层气与煤共采方法的示意图，具体实施如下： [0120] 由地面2经由上覆岩层3向煤层1中施工垂直钻孔作为出气钻孔6，在距出气钻孔6一定距离范围(参照实施例1)内施工进气钻孔5，使钻孔5与钻孔6在煤层中连通，进气钻孔5为羽状水平钻孔，包括若干组羽状分支水平井14，钻孔底部位于预气化的煤层1中。 羽状分支水平井的主水平井、分支井的孔径、长度和分支井的数量，根据煤层与煤层气开采面积确定。为了防止井壁发生塌陷，也可以在主水平井内下入筛管进行支护。 [0121] 羽状水平钻井完成施工后，在出气钻孔6内，下放抽水杆泵，安装排水管线9和煤层气管线10；进气钻孔5井口安装O2管线7、CO2管线8，关闭出气钻孔6与煤气管线10间的连通阀门，由进气钻孔5向煤层1连续注入高压N2，注入压力不大于煤层破裂压力，注入总量根据煤层饱和气含量决定，待N2总注入量满足要求后停止注入，关闭进气钻孔5，并关闭出气孔焖井10～20天，以保证N2与煤层充分接触、驱替煤层中吸附的CH4；之后重新开启出气钻孔6，并由排水管线9对煤层水进行抽排，以对煤层1脱水，同时打开煤层气管线10降低出气钻孔6压力，以利于煤层气解吸或脱附，并由煤层气管线10收集至地面管网。抽采一段时间后，当出气钻孔6孔底压力降至10kPa以下后，进行下一个循环的注入和抽采。 [0122] 当出气钻孔6气体中CH4含量出现明显降低(体积浓度小于5％)后，打开出气钻孔6，提出排水管线9，安装煤气管线13。之后打开出气钻孔6与煤气管线13间的连通阀门，并由进气钻孔5向煤层1继续注入高压CO2，注入压力大于煤层静水压力，注入量根据煤层含水量决定，并由煤气管线13排出，以将钻孔间煤层内的水分带出即疏干煤层水分，使出气钻孔6孔底煤层保持干燥。 [0123] 将O2管线7送来的纯氧、CO2管线8送来的CO2，在进气钻孔5内混合配成体积浓度为20～30％的CO2富氧作为气化剂，沿连通裂隙4送入出气钻孔6孔底煤层。之后监测出气孔的甲烷含量，控制进气中氧气的含量，保证出气钻孔O2浓度不在甲烷爆炸极限范围内。O2浓度或者甲烷含量满足要求后，打开出气钻孔6与煤气管线13间的连通阀门，向出气钻孔6孔底投入炽热的焦炭，焦炭的投放量根据煤层厚度、套管尺寸、煤层着火点等确定，使出气钻孔6孔底煤层点燃，建立初始火区11。气化剂与煤层1发生反应生成的粗煤气经由煤气管线13排出，控制CO2富氧流量使火区温度不低于煤层自燃着火点温度[0124] 待火区温度超过1000℃后，如果进气压力下降幅度超过10％时，以每次300～3 3 500Nm/h增加CO2富氧流量，直至流量达到3000～5000Nm/h之间。以使火源迎着CO2富氧气流方向向进气钻孔方向移动，由于CO2富氧与煤层发生气化反应、热解反应： [0125] C+O2→CO2-394kJ/mol [0126] [0127] C+CO2→2CO+173kJ/mol [0128] C+H2O→H2+CO+131kJ/mol [0129] 煤→H2+CH4+CO2+焦油+半焦+… [0130] 沿连通裂隙4并将部分煤层气化掉，扩大了连通裂隙，逐渐形成气化通道12，以利于煤气排出；同时释放出来的热量传递到煤层中，促进CH4解吸，并干燥煤层增加煤层透气性，解吸后的甲烷与气化煤气、热解煤气一并由出气钻孔6及煤气管线13排出。 [0131] 之后维持该流量进行逆向燃烧(亦即，火焰前沿的扩展方向与供入气体的流向相反)，并实时监测进气钻孔5的压力。当进气钻孔5上端连接的压力表所显示的压力出现明显的降低(压力降幅一般为初始压力的10～60％)时，表明初始火区11扩展至进气钻孔5孔底附近。当进气钻孔5与出气钻孔6压力相差不大(或压差小于0.3MPa)时，表明：进气钻孔5的下端与出气钻孔6的下端之间的气化通道12构建成功。 [0132] 气化通道12完成构建后，增大从进气钻孔5上端向井下供给的CO2富氧气体的氧气浓度(每天增加2～5％)到50～70％以提高反应区温度，并进行正向气化(亦即，火焰前沿的扩展方向与供入气体的流向相同)，保证CO2与气化通道内炽热的煤层充分接触反应，以完成钻孔间煤层的气化，同时由于气化空间扩大，地应力作用显现，在热作用的共同作用下气化通道周边的煤层产生破碎带，加速煤层气释放。具体根据煤层夹矸厚度、含水量，钻孔间距等情况，对CO2富氧气体流量和/或氧气浓度进行调整。 [0133] 本发明中所生产的气化煤气、热解煤气和煤层气经过出气钻孔排出后，用于甲烷-发电。 [0134] 实施例3 [0135] 实施例3与实施例2基本相同，不同之处在于采用定向水平钻井技术建立初始排水采气的通道，形成U型结构的水平井15的布置方式，该水平井垂直于煤层主裂隙方向，并利用垂直井即出气钻孔6进行排水，进气钻孔5进行采气，完成煤层气初始排采后，在出气钻孔6建立火区，并开始热加工通道，同步驱替煤层气，并完成钻孔间煤层气化，本实施例参照图6和图7进行描述。图6是根据本发明的一种煤层气与煤共采方法的示意图，其中采用定向水平钻井技术抽采煤层气，而图7是根据该煤层气与煤共采方法的示意图，其中进行点火及通道热加工，扩大成气化通道，同步驱替煤层气。本发明所生产的气化煤气、热解煤气和煤层气经过出气钻孔排出后，用于甲烷-甲醇生产。 [0136] 本发明利用地下气化产生大量热量，在加热煤层、提高煤层甲烷解析能力的同时，使用于煤层气压裂的通道大大扩大，能够极大的提高煤层气产量，从根本上解决中国煤层气储层的低渗透率问题。同时，地下气化对煤层气抽采完的煤层进行化学利用，所产煤气中含有大量甲烷和一氧化碳及氢气，通过地面工艺的转换，获取清洁的甲烷。本发明对煤层气和煤层本身进行协同开发、综合利用，不仅可大大降低生产开发成本，而且可以提高最终产品甲烷的产量，煤气的品质也得到了较大提升，实现了煤与煤层气的共采。另外，以含二氧化碳的流体作为压裂、气化等加工介质，既提高煤层中甲烷解析能力，提高了煤层气的开采率，又提高地下气化煤气中甲烷等可燃气体有效气组分的含量，过程中产生的二氧化碳还能循环利用，本发明是一种低碳、高效、清洁的新方法。 |
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