專利名稱：一種煤層注熱的二氧化碳提高煤層氣采收率的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于煤層氣開采技術領域，尤其涉及一種煤層注熱的二氧化碳提高煤層氣采收率的方法。
背景技術：
我國的煤層氣(煤礦瓦斯)資源十分豐富。據(jù)最新一輪全國煤層氣資源評價成果，全國煤層埋深2000m以淺煤層氣總資源量為36. 81萬億m3 (與我國陸上天然氣相當)，主要分布在華北和西北地區(qū)，煤層氣可采資源總量約10萬億m3。開發(fā)和利用煤層氣對調整我國能源結構，減少溫室氣體排放，改善煤礦安全生產條件，解決煤礦瓦斯災害問題，都具有重大意義。對于煤層氣儲層來說，含氣飽和度、滲透性和儲層壓力是控制其可采性的最重要 地質參數(shù)。低含氣飽和度、低孔隙度、低滲透率、低儲層壓力是我國煤層氣藏的主要特點，這些特點會造成煤層氣開采的困難，其中低滲透率無法形成以抽放井為半徑的解吸一擴散一滲流圈，低壓及低飽和造成氣體解吸量很少甚至不能解吸。因此，針對中國這種具有特殊性的煤儲層，如何有效地進行煤層氣的開發(fā)，成為亟需解決的問題。煤層氣多分支水平井技術的出現(xiàn)，突破了以往微小面積排水降壓和裂縫內流體阻力大的束縛，通過有效溝通煤層割理和裂縫系統(tǒng)，增加各分支井眼的波及面積和泄氣面積，降低裂隙內氣液兩相流的流動阻力，加速流體的排出，提高單井產量和采出程度。利用該技術，在美國，San Juan盆地獲得了最高28X 104m3/d、平均2X104m3/d的單井產量；在中國，亞美大陸公司2004 2006年在大寧煤礦完成了 6 口多分支井，單井產量達到2X104m3/d，其中DNP02井是中國第一口多分支水平井；該公司2006年在潘莊區(qū)塊鉆多分支井6 口，單井產量達到(2 10) X104m3/d。但是，在石油天然氣的開采過程中，依靠地層天然的能量，其回收率僅30%左右。與常規(guī)天然氣相比，煤層氣的儲存方式以吸附為主，煤層儲氣能量低，滲透性差，開采難度更大，目前全國煤礦瓦斯抽出率平均不足20%。另外，實踐證明，注水開采煤層氣的效果并不十分理想。目前，中國發(fā)明專利(專利號ZL02155689.X)公開了一種煤層氣的熱力開采方法，該方法是通過熱吞吐方式注入熱能，增加吸附態(tài)煤層氣(甲烷)的自由能，從而增加甲烷從煤層孔隙表面上解吸的速度，同時氣體受熱膨脹加速滲流流動，從而達到大幅度提高煤層氣產量、實現(xiàn)煤層氣的工業(yè)化開發(fā)的目的。該方法只是單純地注入熱能加熱煤層，對煤層氣采收率的提高并不顯著。中國發(fā)明專利(申請?zhí)?01110097776. 6)公開了一種煤層氣開采的新方法，該方法用高壓流體對煤層進行壓裂處理后，向進氣井注入至少400-600°C的高溫氮氣或者高溫煙道氣，燜井7 15天，利用高溫氣體加熱煤層，使氮氣的小分子能夠與煤分子反應，充分置換煤層間隙以及分子團中的煤層氣。但是，由于煤對氮氣的吸附能力比其對甲烷的吸附能力弱，氮氣是不能與甲烷進行競爭吸附的，即氮氣不能從煤的基質孔隙中把甲烷“擠”出來，但氮氣注入煤層后，在等壓條件下通過降低甲烷的有效分壓，使得吸附甲烷的平衡孔隙壓力降低而解析出來。因此，該方法對煤層氣采收率的提高也非常有限。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種煤層注熱的二氧化碳提高煤層氣采收率的方法。該方法可有效克服煤層低滲、低壓、低飽和等因素帶來的不利影響，實現(xiàn)中國地質條件下煤層氣的高效開發(fā)。本發(fā)明為解決上述技術問題所采取的技術方案為
一種煤層注熱二氧化碳提高煤層氣采收率的方法，其特征在于，它包括如下步驟
1)在地面實施煤層氣多分支水平井后，單井排水降壓，自然產氣至產量低于工業(yè)氣流標準時； 2)排水降壓，向井內注入熱的二氧化碳，所述注入熱的二氧化碳的溫度在180 220°C范圍內，注入壓力不大于地層破裂壓力且不超過5MPa ；
3)燜井，關閉氣井；
4)排水降壓，采氣；
5)從米出氣體中分離出二氧化碳和煤層氣；
6)重復步驟2) 5)，直至產量低于工業(yè)氣流標準時，關井。上述方案中，所述步驟2)中的二氧化碳從天然氣田氣、合成氨副產氣、石油煉制副產氣、石灰窯尾氣、或燃煤鍋爐煙道氣中提純獲得。上述方案中，所述步驟2)中的二氧化碳通過在鍋爐中燃燒采出的部分煤層氣時放出的熱量來加熱。本發(fā)明的原理為
在25°C的實驗溫度和平衡水條件下，以晉城地區(qū)3號煤層樣為測試對象，氮氣、甲烷和二氧化碳三種純氣體的等溫吸附實驗結果表明，其Langmuir常數(shù)Vl (蘭氏體積)分別為14. 63cm3/g>34. 58 cm3/g和42. 25 cm3/g,說明三種氣體在煤中的吸附能力大小順序是二氧化碳 > 甲烷〉氮氣；而/\ (蘭氏壓力)分別為2. 14MPa，I. 71 MPa和O. 59 MPa，說明三種氣體優(yōu)先解吸的順序是氮氣〉甲烷〉二氧化碳(/\值越大表明氣體越容易從煤中解吸)。也就是說氮氣的吸附能力比甲烷的吸附能力低，在與甲烷的競爭吸附中處于劣勢；二氧化碳的吸附能力比甲烷的吸附能力高，在與甲烷的競爭吸附中占據(jù)優(yōu)勢。同等條件下的在甲烷和氮氣二元氣體的等溫解吸實驗結果表明，吸附相的甲烷相對濃度逐漸增加，氮氣的相對濃度逐漸降低。而甲烷和二氧化碳二元氣體的等溫解吸實驗結果表明，吸附相的甲烷相對濃度逐漸降低，二氧化碳的相對濃度逐漸增加。說明二氧化碳可以促進甲烷的解吸，提高其相對解吸速率。這些說明在進行注氣強化煤層甲烷排采時，注入二氧化碳比注入氮氣可以更高效地驅替煤層甲烷，提高煤層甲烷的采收率。因此，I) 二氧化碳會與煤體中的煤層氣(甲烷)發(fā)生競爭吸附，將吸附在煤體中的甲烷置換出來；2)熱的二氧化碳會增加吸附態(tài)甲烷的自由能，從而增加甲烷從煤體中解吸的速度，同時氣體受熱膨脹加速滲流流動；3)煤體被加熱后，基于煤巖脫水和煤基質收縮等原因，其滲透率會增加，甲烷將會加速進入井內。本發(fā)明的有益效果為1.本發(fā)明的二氧化碳從天然氣田氣、合成氨副產氣、石油煉制副產氣、石灰窯尾氣、或燃煤鍋爐煙道氣中提純獲得，可以變廢為寶，有利于節(jié)能減排和降低“溫室效應”的影響，并且價格低廉，來源充足且廣泛，將其注入至井內，能滿足持續(xù)開采煤層氣的需求，可大幅提高煤層氣的采收率并且成本較低；
2.將注入熱的二氧化碳的溫度控制在180 220°C范圍內，注入壓力不大于地層破裂壓力且不超過5MPa，可獲得較高的煤層氣采收率。


圖I為本發(fā)明實施例中的煤層氣多分支水平井及煤層氣開采示意圖。圖2為本發(fā)明實施例提供的注熱的二氧化碳提高煤層氣采收率的流程圖。圖3為采用溫度為200°C的二氧化碳將一噸煤溫度升高到40 180°C時所需二氧化碳的當量噸數(shù)圖，這里二氧化碳的比熱容為840 J/(kg · )，煤的比熱容為1000 J/ (kg · °C )，自然狀態(tài)下煤層中煤體溫度為30°C左右。這里假設二氧化碳加熱煤體時的效率為 100%ο圖4為晉城3號煤層煤樣從室溫以20°C為梯度、每個溫度點加熱2h、逐漸升溫到180°C期間，煤樣質量(g)和氣測滲透率(mD)隨時間的變化情況。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的描述，當然下述實施例不應理解為對本發(fā)明的限制。如圖2所示，本發(fā)明提供一種煤層注熱二氧化碳提高煤層氣采收率的方法，其特征在于，它包括如下步驟
第一步在地面實施煤層氣多分支水平井后，單井自然產氣至產量低于工業(yè)氣流標準(如井深小于500m時，單井氣產量低于500m3/d ;井深在500 IOOOm之間時，單井產量低于IOOOmVd)。本實施例的多分支水平井如圖I所示，在一個主水平井眼4兩側再側鉆出多個分支井眼5作為泄氣通道，同時為了滿足排水降壓采氣的需要，在距主水平井I井口 200m左右處鉆一口直井(洞穴井)2與主水平井眼4在煤層內連通(即洞穴3處)，用于排水降壓采氣。熱的二氧化碳從主水平井I注入，煤層氣從直井2采出。多分支水平井通常采用的井身結構為Φ244. 5mm表層套管+Φ 177. 8mm技術套管+Φ 152. 4mm主水平井眼(裸眼)+ Φ 152. 4mm分支水平井眼，洞穴井的井身結構一般為Φ244. 5mm表層套管+Φ 177. 8mm技術套管(煤層頂板)+裸眼段(包括口袋)。第二步向井內注入熱的二氧化碳，所述注入熱的二氧化碳的溫度為200°C ； 注入二氧化碳的純度不低于99%。二氧化碳注入壓力不大于地層破裂壓力且不應超過
5MPa。將一噸煤溫度升高到40 180°C時所需二氧化碳的當量噸數(shù)為O. 07 8. 93噸，可參照圖3。二氧化碳可由合成氨副產氣、石油煉制副產氣、石灰窯尾氣、或燃煤鍋爐煙道氣提純獲得。二氧化碳會與煤基質微孔隙中的煤層氣(甲烷)發(fā)生競爭吸附，將吸附在煤體中的甲烷置換出來；熱的二氧化碳所攜帶的熱量會增加吸附態(tài)甲烷的自由能，從而增加甲烷從煤層孔隙表面上解吸的速度，同時氣體受熱膨脹加速滲流流動，如圖4所示，煤體被加熱后，其滲透率大幅增加，甲烷將會加速進入井筒，故煤層氣的采收率會大大提高。第三步燜井，關閉氣井；
注入完成后，關井使其壓力恢復。連續(xù)進行5 15天。第四步采氣；
注入熱的二氧化碳結束后，關井平衡2 15天，再進行排采。第五步分離煤層甲烷和二氧化碳；
第六步，重復第二步到第五步，直至氣井產量低于工業(yè)氣流標準時，關井。本實施例采用變壓吸附的方式回收二氧化碳，即甲烷和二氧化碳的混合氣體首先進入預處理工序，先將混合氣中的硫化物、氮氧化物、水、高烴類等具有更強吸附能力的吸附質脫除；然后再進入變壓吸附工序，從吸附相中得到純度較高的二氧化碳氣體。此回收的二氧化碳可以作為小量的補充至第二步。需要說明的是，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種煤層注熱二氧化碳提高煤層氣采收率的方法，其特征在于，它包括如下步驟 1)在地面實施煤層氣多分支水平井后，單井排水降壓，自然產氣至產量低于工業(yè)氣流標準時； 2)排水降壓，向井內注入熱的二氧化碳，所述注入熱的二氧化碳的溫度在180 220°C范圍內，注入壓力不大于地層破裂壓力且不超過5MPa ； 3)燜井，關閉氣井； 4)排水降壓，采氣； 5)從米出氣體中分離出二氧化碳和煤層氣； 6)重復步驟2) 5)，直至產量低于工業(yè)氣流標準時，關井。
2.如權利要求I所述的煤層注熱二氧化碳提高煤層氣采收率的方法，其特征在于，所述步驟2)中的二氧化碳從天然氣田氣、合成氨副產氣、石油煉制副產氣、石灰窯尾氣、或燃煤鍋爐煙道氣中提純獲得。
3.如權利要求I或2所述的煤層注熱的二氧化碳提高煤層氣采收率的方法，其特征在于，所述步驟2)中的二氧化碳通過在鍋爐中燃燒采出的部分煤層氣時放出的熱量來加熱。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種煤層注熱二氧化碳提高煤層氣采收率的方法，它包括如下步驟1)在地面實施煤層氣多分支水平井后，單井排水降壓，自然產氣至產量低于工業(yè)氣流標準時；2)排水降壓，向井內注入熱的二氧化碳，所述注入熱的二氧化碳的溫度在180～220℃范圍內，注入壓力不超過5MPa；3)燜井，關閉氣井；4)排水降壓，采氣；5)從采出氣體中分離出二氧化碳和煤層氣；6)重復步驟2)～5)，直至產量低于工業(yè)氣流標準時，關井。采用本方法可以達到有效降低煤層瓦斯含量并大幅度提高煤層氣產量，實現(xiàn)煤層氣的工業(yè)化開發(fā)的目的。
文檔編號E21B43/24GK102937016SQ20121041916
公開日2013年2月20日 申請日期2012年10月29日 優(yōu)先權日2012年10月29日
發(fā)明者蔡記華, 劉浩, 袁野, 王濟君, 谷穗 申請人:中國地質大學(武漢)