化学方法促进改善地下煤层的渗透性

本发明涉及一种方法，用于促进地下煤层中煤的内生裂隙的形成，并由此 经过化学处理改善存在的煤的内生裂隙对水和气体的相对渗透性。当煤基与氧 化气体接触时，煤层内传导和共边煤的内生裂隙体系的形成得到改善。高效传 导煤的内生裂隙体系的形成使得煤层的脱水更有效及时，并且增加甲烷渗透性 和产量，且增加了最终甲烷的回收率。本发明特别适宜于产量受差的煤的内生 裂隙改善限制的煤气制造领域。煤的内生裂隙体系的形成通过气蚀也便于井的 实现。

在地下煤层中发现大量甲烷气。

人们试图使用各种方法来更有效地从煤层中回收甲烷。

最简单的方法是减压法，其中钻孔从表面钻入煤层，通过减少压力造成甲 烷从煤层脱吸并流入钻孔且到表面，这样从钻孔得到甲烷。由于煤层通常没有 很多孔并且在煤层微孔内通常找不到甲烷而是吸附在煤上，使得该方法效率不 高。即使通过该方法可以从煤层制得甲烷，甲烷的制得相当慢。

在一些煤层内，天然渗透性足以移去内部(in situ)水使得甲烷的回收率 得以改善。在这样的煤层内，在煤层成岩作用期间开发煤的内生裂隙体系提供 凹槽路径，通过它水和甲烷移到用于移去的生产井。该煤层的水的移去或“脱 水”从凹槽路径移去水，使得甲烷通过凹槽路径流动并以大的速度流到生产 井。

许多煤层没有广泛开发煤的内生裂隙体系或具有没经完全开发的煤的内 生裂隙体系。这些煤层的水和气的渗透性很低，不能以很大的速度产生水和 气。结果，水填充凹槽，从这样的煤层以很大速度回收甲烷是很困难或不可能 的。这种低渗透性的含水煤层可以是水饱和的或者不完全水饱和的。很显然， 具有较好开发过的煤的内生裂隙体系的煤层在地质史期间可以受到一些类型 的分散的氧化流，而具有很少开发过的煤的内生裂隙体系的煤层在地质史内没 有显示出受到氧化流的迹象。

因此，进行不断努力，开发出在地质史期间在较好开发过的煤的内生裂隙 体系中用于重复条件影响的方法。

根据本发明，从地下煤层通过至少一个井穿入的甲烷回收速度，包括向煤 层注入气态氧化剂；在煤层中让气态氧化剂保持选定的时间，以促进煤层中煤 的内生裂隙体系的形成或加强，并增加煤层的气体渗透性；以及从煤层中以提 高的速度制得甲烷。

气态氧化剂可以包括臭氧、氧气及其组合。

被至少一个注射井和至少一个生产井穿入的地下煤层的甲烷制备速度和 气体渗透性通过以下而增加：

a)通过注射井向煤层内注入气态氧化剂；

b)煤层内让气态氧化剂保持选定时间，以促进煤层中煤的内生裂隙的形 成；以及

c)通过生产井以增加的速度从煤层制备甲烷。

从煤层通过井生产流体和颗粒煤以在井周围的煤层内形成洞穴之前，通过 向井周围的煤层注入气态氧化剂易于实现井穿透煤缝。

参照其优选实施方式并借助附图现在详细描述本发明，其中

图1为井从表面穿入地下煤层的示意图；

图2为井从表面穿入地下煤层，其中煤层断裂的示意图；

图3为注射井和生产井从表面穿入地下煤层的示意图；

图4注射井和生产井从表面穿入地下煤层，其中煤层从注射井断裂的示意 图；

图5为5点注射和生产井型的示意设计图。

图的论述中，使用相同号码自始至终所指相同或相似的部分。

图1中，显示了通过井孔14从表面12穿入的煤层10。井孔14包括位于 井孔14中的由水泥18浇铸的铸壳16。当井孔14被包盖时，应理解为图中所 示的优选实施方式可以用不被包盖或部分被包盖的井所代替。

铸壳16可以伸入或穿过煤层10，通过铸壳16在煤缝中打孔，以提供流 体与铸壳16的煤层相通。井孔14延伸到煤层10而且包括管道20和封隔器 22。安置封隔器22以防止管道20的外径和铸壳16的内径的流动。井孔14 也包括适于向煤层10注入气态或液体蒸汽，或从煤层回收气态或液体蒸汽的 装置24。

在本发明实际操作中，按箭头26所示注入气态氧化剂，气态氧化剂通过 管道20按箭头28所示进入煤层10。圈30表示处理区域。气态氧化剂以选定 的时间注入煤层10，并且注入的量足以在煤层10中加强或促进传导、连续的 煤的内生裂隙体系的形成。在选定时间之后或注入选定量的气态氧化剂之后， 该井可以关闭一段时间，该时间可以高达或大于24小时。或者，在注入气态 氧化剂过程中煤层中操作的氧化剂可以经过足够的时间。

一般地，井关闭直到井孔内压力回到煤层压力并且随后持续达另外12小 时。关闭期间使得氧化剂在煤层10内迁移，以氧化煤层10的成分，得以加强 煤的内生裂隙体系和增加煤层10的气体渗透性。在关闭期间，水、甲烷或两 者一起可以从煤层回收，以在区域30内使煤层脱水且制得甲烷。这里使用的 词“脱水”不是指完全从煤层10中除去水，而是从煤层10中除去足够的水分， 以打开煤层10中煤的内生裂隙体系内的通道，以便可以通过该通道从煤层10 制得甲烷。

气态氧化剂含有选自臭氧、氧气和其组合的氧化剂。其中，优选臭氧。使 用臭氧时其浓度可达气态氧化剂混合物的100体积百分比。

当使用氧气时，其浓度适宜高达约气态氧化剂混合物的50体积百分比， 具有浓度达约30体积百分比为优选，具有浓度约23-约35体积百分比是理 想的。含有氧气的气态氧化剂混合物可以为空气，但是优选为含有上述浓度氧 气的富含氧气的空气。这些氧化剂可以在上面论述范围内以气态氧化剂混合物 的形式使用。

如所述的气态氧化剂混合物中使用的理想的氧化剂以避免在井孔或煤缝 内燃烧，避免在井孔附近的煤汽化或液化等。为了煤的内生裂隙和煤的内生裂 隙体系增加煤层对气体和液体的渗透性同时避免燃烧的发生，申请人试图在物 理方面改变煤层结构，以促进煤层中煤的内生裂隙和煤的内生裂隙体系的形 成。对煤层表面使用气态氧化剂混合物的申请，可以经过煤层内天然发生的断 面、人工创造的断面、煤层中其它存在的通道等取得，本申请提供通向煤中矿 物组份的细微组织通道、以影响该细微组织组成、结构和细微组织之间的连 接，借此促进煤的内生裂隙和煤的内生裂隙体系的形成，并增加煤的渗透性。 这种处理不会造成从煤层中除去煤、或煤组份。通过创造煤的内生裂隙和煤的 内生裂隙体系来改变煤结构，以增加煤层内的渗透性来实现这些目的，而没有 从煤层中除去煤，并且没有煤的汽化或其它物理破坏。

图1所示的实施方式中，使用单个井，用于注入气态氧化剂以化学性加强 或促进煤的内生裂隙体系的形成，并增加区域30中气体和液体的渗透性，以 便最终增加从煤层10中的甲烷制得速度。这里使用的词汇“增加”指的是相 对于未经处理的煤层的变化。

图2中，表示相似的实施方式，只是煤层10通过断面32破裂。井的操作 基本上与图1所示的相同，只是煤层10预先经破裂，或受流体破裂，在至少 部分破裂操作过程中该流体可能包括气态氧化剂溶液。例如，使用普通破裂法 可以得到满意效果，如果煤层10足以不可穿入，则在气态氧化剂之后作为初 级促进法。气态氧化剂加强煤的内生裂隙的渗透性并增加经过断面接触的区域 的渗透性。在这样例子中，井可以按前面讨论的关闭并且气态氧化剂选自前面 所述的那些。在气态氧化剂注入之前，在煤层10中通常形成断面。应理解为 气态氧化剂也可以注入煤层上面、下面或断面区域中。

图3中，注射井34和生产井36从表面12穿入煤层10。注射井34与生 产井36分隔开，其间距根据特定煤层的特征而定。根据本发明，上述气态氧 化剂通过注射井34按箭头26注入至煤层10并按箭头28所示至处理区域30， 该区域可以从注射井34按一般圆周方向延伸，但是一般优先向邻近生产井延 伸。

设置生产井36以从煤层10取水、甲烷或两者。通过生产井36生产流体 造成气态氧化剂朝生产井36迁移。理想地，连续注入气态氧化剂直到实现渗 透性理想的增加，或制得液体容量的增加。渗透性或从生产井36制得的液体 容量的增加象征着煤层10中煤的内生裂隙的形成或加强而造成渗透性增加， 以便附加量的流体从用于生产的煤层10按箭头38所示通过生产井36和管线 释放。箭头38显示从两个方向指向生产井36，说明流体将连续以低速从煤层 10的未处理部分回收。

图4所示实施方式与图3所示相似，只是煤层10通过断面32破裂。图2 所示实施方式内的断面32可以大体上任意延伸。相反，图4所示实施方式中 断面32的所需延伸不超过生产井36的一半长。很显然，如果断面32完全延 伸至生产井36，在注射井34和生产井36之间使用任何种类的流体或气体驱 动是很困难的。具有断面32的气态氧化剂的使用如前面所述。

图5中，显示了5点井布置。这样的井布置对实施本发明是有用的，并且 可以在整个宽广区域以循环方式使用。这样的布置对本领域技术人员为已知， 仅作简单论述。图5所示布置中，通过注射井34注入气态氧化剂以处理区域 30来加强从生产井36中回收流体和甲烷。当以生产井36中以增加的速度得到 流体为达到所需煤的内生裂隙形成或渗透性增加时，或者在选定的时间下，可 以停止注入气态氧化剂，注射井34转变成生产井。然后这个区域将通过最初 的生产井和转变的注射井来生产。加强煤的内生裂隙形成的区域将增加甲烷制 得速度和最终的甲烷回收率。

在许多例子中，煤层中的井通过煤缝的“成洞”制得井周围的洞穴来实现。 这种实现技术公开在1995年5月23日出版的Ian D.Palmer和Dan Yee的美国 专利U.S.5,417,286，“Method For Enhancing The Recovery of Methane From A Solid Carbonaceous Subterranean Formation”和1992年10月4-7日公开的I.D. Palmer、M.J.Mavor、J.P.Seidle、J.L.Spitler和R.F.Volz的西班牙专利SPE 24906，“Openhole Cavity Completions in Coalbed Methane Wells in the San Juan Basin”。因此引入了美国专利U.S.5,417,286的全部以参考。在一些例子中， 被井穿入的煤层当从煤层中生产流体时可能不易成洞。在这样例子中，为开发 井周围煤层中的煤的内生裂隙，可以注入气态氧化剂以削弱煤层，并便于成洞 的引发。

对用于气体注入处理以加强从煤层10中甲烷的回收率，本发明方法作为 预处理也是有益的。使用二氧化碳单独或者与其它气体一起，用来增加煤层中 甲烷的产量为已知。相似地，使用惰性气体，如氮气、氩气等，以通过增加煤 层中压力并由此除去附加量甲烷来从煤层中除去附加量甲烷，作为降低煤缝中 大气的甲烷部分压力，对本领域技术人员是已知的。使用这些方法要求煤层对 于气体流入或通过煤层是可渗透的，以便可以回收甲烷。本发明方法改善了煤 层的渗透性，可以在使用气体清扫或气体脱吸处理之前使用以改善甲烷的回收 率。

本发明参照某些优选实施方式作了描述，应注意所论述的这些实施方式中 是描述性的而不是限制其本身，并且在本发明范围内进行许多变化和改进是可 能的。本领域技术人员基于上述的描述可以认为许多这样的变化和改进是显而 易见的和所需要的。