专利名称：联合开采煤田甲烷气、挥发物及炭或油田油气的设施装置及其开采方法
技术领域：
本发明涉及地下矿物资源，尤其煤田或油田开采领域，特别是涉及开采简捷、 高效、成本低的联合开采煤田甲烷气(又称煤层气或瓦斯，其主要成分为甲烷 气)、挥发物及炭或油田油气设施装置及其开采方法。
背景技术：
地下矿物资源，尤其原煤和石油是当今世界能源两大支柱，藏量大，分布广。 例如煤是世界上储藏量丰富的固体矿物燃料，广泛分布于世界各国中国、北 美、欧洲中部.、澳洲、南非、俄罗斯等国家和地区有大量储藏和开采，通常大 都以固体原煤形式直接开采，在原始煤田中伴随原煤共生的还有大量煤层气(或 称甲垸气或瓦斯)，我国煤层气开采量很少，根据不完全统计，我国煤层气占总
储量为31.46X1012M3,约占世界煤层气总资源量的13%，从现有开采的煤矿区， 煤层气平均抽取率只有24.2%，这应大量的煤层气至今仍未回收利用，造成资 源极大浪费，又给煤田安全开采带来了巨大内在隐患，时有瓦斯爆炸造成巨大 经济损失和人生安全。
固体原煤的化学结构及其复杂，多数是以含硫、氮结构的环状芳烃或杂环芳 烃的大分子结构组成，例如在炼焦过程中煤在高温下进行热裂解脱挥发成分得 焦炭，同时产生大量焦炉气及挥发物质，尽管有回收装置，还是严重污染环境， 尤其这些挥发物质中含有大量致癌物质，严重危害人类身心健康及人类生存环 :境，是有名污染源。目前煤层气开采通常利用已开采的煤田中现有采，煤矿井和巷道，再在煤巷道钻孔来开采煤层气。中国专利CN1563664A公开了一种在原始 煤田中，通过挖掘井筒、煤巷及钻孔来开采煤层气，但开采效果还不能令人满 思。
油田开采百十年来一直沿用利用游梁式抽油机泵(俗称叩头泵)在油井中抽 提原油的设备技术，油田开采对环境污染还是相当严重。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术开采煤田或油田技术和设备存在不足与 缺陷，经发明人多年从事煤田或油田等地下矿物资源的开采，开发研究及长期 开采实践，提供一种生产成本低，开采率高，技术设施装置独特新颖，开采方 法简捷，成本低，无环境污染的联合开采煤田甲烷气、挥发物及炭或油田油气 的设施装置及其开采方法。
本发明提供的联合开采煤田甲垸气、挥发物及炭或油田油气的设施装置，包 括一个或多个规则间距有序排列分布在煤田或油田的蒸汽注射井孔(称注射井 孔)，呈直立式(称竖井井孔)或呈>90°角的折弯式井孔，注射井孔的深度和 尺寸与开采设施装置能力、开采规模(能力)、被开采煤田煤层(或油田油层) 埋藏深度和厚度及分布情况等因素有密切关系，例如优选井孔直径为15厘米至 100厘米，在注射井孔井上(地面)端部设有蒸汽发生器装置及控制装置或自 动控制阀门，注射井孔井下端部(深入煤层或油层中端部)设有切割剖面层空 间，其尺寸与作业空间、技术水平及煤层或油层质量与厚度有关，例如切割剖 面层空间可以是100X 10X2米长方形空间或100米直径、1-2米厚的圆形或椭 圆形空间等。该切割剖面层空间通常采用高压水切割而成或其它现有技术切割多个生产井孔(或称抽提生产井孔)间距规则有序排列分布在每个蒸汽注射 井孔的四周，生产井孔的井上(地面)端部设有抽提装置与控制阀门，生产井 孔通过控制阀门与抽提装置相连通，生产井孔井的深度(长度)(或称井深)等 于或小于蒸汽注射井孔的深度，生产井孔下端部设有形状、大小相同或不同于 注射井孔的切割剖面层空间，且平行于井孔井下端部的切割剖面层空间，其中 注射井孔及切割剖面层空间。内的压力Pl大于生产井孔及生产井孔的切割剖面
层空间内的压力P2，即P1〉P2，注射井孔通过蒸汽发生器装置产生的高压高温 蒸汽通过注射井孔不断送人井下末端的切割剖面层空间对煤层或油层连续加热 加压，使煤层中的煤层气(甲烷气)、挥发物或油田的油气餾份通过煤层或油层 进入生产井孔末端的切割剖面层空间，由于加热和压力差，使煤层中煤层气、 挥发(性)物质或油田的油气餾份通过生产井孔及控制装置或阀门与抽提装置 生产甲垸气、挥发物质或油田的各种油气餾份(图l、 2)。
本发明提供的联合开采煤田甲烷气、挥发物及炭或油田油气的设施装置的另 一技术方案，包括一个或多个规则间距有序排列分布在煤田或油田的套管式蒸 汽注射抽提井孔，分内管和外管(外套管)，其内管为蒸汽注射通道管，外管为 渗透管，直接与煤层或油田相通(煤层气、挥发物可直接从煤层中进入管道内)， 为生产抽提甲烷气、挥发物或油气的抽提通道管，在套管式蒸汽注射抽提井孔 (称注射抽提井孔)的井下中下部和端部分别平行设有尺寸、形状相同或不相 同的切割剖面层空间，其切割剖面层空间例如为10X2X1至1000X4X2米长 方形空间或直径100至1000米，厚1-4米的圆形或椭圆形切割剖面层空间，通 常采用高压水或其他技术方法切割而成。 在注射抽提井孔井上(地面上)端部设有蒸汽发生器(或蒸汽发生装置)、抽提生产装置及控制设备，蒸汽发生器与注射抽提井孔的内管及端部切割剖面层 空间相连通，抽提生产装置与注射抽提井孔的外管及中下部切割剖面层空间相 连通，其中注射抽提井孔内管至端部切割剖面空间的压力Pl大于注射抽提
井孔外管至中下部切割剖面空间的压力P2，即P1 > P2，注射抽提井孔井上端 部蒸汽发生器装置产生的高压高温蒸汽通过注射抽提井孔的内管直入井下端部 的切割剖面层空间中对煤层或油层加温加热，迫使煤田中的煤层气及煤热裂变 产生挥发物一起不断进入中下部切割剖面层空间通过外管由注射抽提井孔井上 端部的抽提生产装置及控制设备不断抽提回收甲烷气或挥发物质，从而达到开 采煤层气，挥发物及炭，以及油气餾份(图3、 4)
本发明提供的联合开采煤田甲烷气、挥发物及炭或油田油气的设施装置的另 一个技术方案，包括一个或多个有序间距排列分布在煤田或油田中的套管式蒸 汽注射抽提井孔，分内管和外管，内管为注射蒸汽(高压蒸汽)通道，外管为 抽提，甲烷气及挥发物或油气通道，注射抽提井孔的尺寸和深度与煤层或油层 埋藏的深度、厚度以及开采设备能力有密切关系，例如井孔的尺寸优选为 15-100厘米，在注射抽提井孔井上(地面上)端部设有控制装置(或自动控制 阔门)、蒸汽发生器装置及抽提装置，井下(深入煤层或油层)端部设有切割剖 面层空间，例如可以为250-1000X5X2的长方体形或10至100米直径、厚2-10 米的圆形等，使高温高压蒸汽源源不断对煤层或油层加热，或在其切割剖面层 空间内间隔设有多个蒸汽加热器或催化加热器(为铂金属催化剂，市售产品) 对煤层进行蒸汽加热或催化热裂变转变成挥发物及炭；
生产井孔，有若干个生产井孔有序间距排列分布在蒸汽注射抽提井孔的周围 (即一个套管式注射抽提井孔有若干个生产井孔分布在其周围)，构成一组开采井孔，在套管式注射抽提井孔及生产井孔的井下中下部分别设有相对于套管式 注射抽提井孔井下端切割剖面层空间的尺寸、形状相同或不相同的切割剖面层 空间，注射抽提井孔的外管与所有生产井孔及其切割剖面层空间相通，通过蒸 汽发生器装置产生高温高压蒸汽经其内管蒸汽通道进入井下端部的切割剖面层 空间进行蒸汽加热煤层或油层，或通过蒸汽加热器或催化加热器进行蒸汽催化 加热，加速煤层气，挥发物或油田油气被生产井孔或注射抽提井孔抽提出来的 外管进入井上地面抽提装置，在生产过程中，通常最先抽提出来是煤层的煤层 气(甲烷气)或油田的气体，抽提到一定程度后随着蒸汽加热或蒸汽催化加热， 使煤层发生裂解，煤的本质发生变化进行热裂解或催化裂解成挥发性物质，被 抽提出地面，最后是剩余炭(相对于焦炭)实现最终开采。对于油田的油层通 过蒸汽加热或催化加热使原油不断汽油化，相当于炼油厂原油常减压蒸馏一样，
轻组分如C4 (含1-4个碳原子的烃类气体)以前气态烃先汽化，随后C4以上 轻质烃如C5餾份继续被分餾出来，直至剩余重油渣油热裂变或催化热裂变成挥 发组分被生产井孔抽提出地面，实现最终开采。
本发明提供的联合开采煤田甲垸气、挥发物及炭或油田油气的方法，包括下 列步骤
① 建立上述联合开采煤田甲烷气、挥发物及炭或油田油气的设施装置。
② 由步骤0)的设施装置中的蒸汽发生器装置产生高压高温蒸汽其压力大于煤 层或油层压力，根据蒸汽注射井孔或蒸汽注射抽提井孔的深度产生蒸汽压力， 注入套管式蒸汽注射抽提井孔或蒸汽注射抽提井孔下端的切割剖面层空间中对 煤田或油田进行加热加压，或通过催化加热对煤层或油层进行催化加热；
③ 由生产井孔井上的控制阀门装置及抽提装置抽提出进入生产井孔或其井下端部切割剖面层空间内甲垸气、挥发物或油田油气餾份；
⑨煤层甲烷气、挥发物或油田油气餾份开采尽后，开采炭。
本发明提供的联合开采煤田甲垸气、挥发物及炭或油田油气的设施装置及其 开采方法的特点为
(1) 本发明的设施装置结构独特新颖，其中各设备采用最先进的技术设 备，布局合理，开采安全，操作费用及投资少，成本低经济。
(2) 开采方法简单、方便、有效，开采率高，大大超过目前煤田及油田
的采出率，高达90-95%。
(3) 大大减少或消除地下采煤工人的烦重劳动以及彻底消除井下工人 恶劣的卫生环境确保工人的安全。
(4) 大大减少或消除煤田区或油田区的污染周围环境。
(5) 降低基本投资和开采煤矿操作费用，增加开矿利润。 本发明提供的联合开采煤田甲烷气、挥发物及炭或油田油气的设施装置及其
开采方法可适用于煤田、油田以及其它矿产资源如金属和非金属矿。
图1、 2为联合开采煤田甲烷气、挥发物及炭或油田油气实施装置的蒸汽注射 井孔与生产井孔结构示意图。
图3、 4为联合开采煤田甲烷气、挥发物及炭或油田油气的设施装置的套管式 蒸汽注射抽提井孔结构示意图。
图5为联合开采煤田甲烷气、挥发物及炭或油田油气的设施装置的套管式蒸 汽注射抽提井孔、生产井孔及加热结构示意图。图6为开采煤田甲烷气、挥发物及炭或油田油气的设施装置的套管式蒸汽注 射抽提井孔、生产井孔及催化加热结构示意图。
具体实施例方式
本发明提供下列具体实施方案结合附图来进一步说明本发明，但本发明的保 护范围并不限于下列具体实施方案。 实施方案之一
本发明提供的联合开采煤田甲垸气、挥发物及炭的设施装置，包括一个蒸汽
注射井孔2，呈直立式竖井孔，注射井孔的深度为1000呎(英呎)，井孔直径 为30厘米，在注射井孔(地面)端部设有蒸汽发生器装置3及控制装置4，注 射井孔井下端部(深入煤层中端部)设有切割剖面层空间5，为100X10X2米 长方体空间。该切割剖面层空间通常采用高压水切割而成。多个生产井孔6， 间距规则有序排列分布在蒸汽注射井孔2的四周，生产井孔的井上(地面)端 部设有抽提装置7与控制阀门8，生产井孔通过控制阀门与抽提装置相连通， 生产井孔深度等于蒸汽注射井孔的深度，生产井孔井下端部设有形状、大小相 同于注射井孔的切割剖面层空间9，且平行于注射井孔并下端部的切割剖面层 空间，其中注射井孔及切割剖面层空间内的压力Pl大于生产井孔及生产井孔的 切割剖面层空间内的压力P2即P1〉P2，注射井孔通过蒸汽发生器装置产生的 高压高温蒸汽通过注射井孔不断送入井下末端的切割剖面层空间对煤层1连续 加热加压，使煤层中的煤层气(甲烷气)、挥发物通过煤层进入生产井孔末端的 切割剖面层空间，由于加热及压力差，使煤层中煤层气、挥发性物质通过生产 井孔及控制装置与抽提装置生产甲烷气、挥发物质(如图l)。 实施方案之二 ，本发明的联合开采煤田甲垸气、挥发物及炭的设施装置，包括一个套管式蒸 汽注射抽提井孔11，分内管12和外管13 (外套管)，其内管为蒸汽注射通道管， 外管为渗透管，直接与煤层1相通(煤层气、挥发物可直接入煤层中进入外管 内)，为生产抽提甲烷气、挥发物的抽提通管道，在套管式蒸汽注射抽提井孔的
井下中下部和端部分别平行设有尺寸、形状相同的切割剖面层空间17、 18，其 切割剖面层空间1000X4X2米长方形空间，通常采用高压水切割而成。
在注射抽提井孔井上地面上端部设有蒸汽发生器装置3、抽提生产装置4，蒸 汽发生器装置与注射抽提井孔的内管及端部切割剖面层空间相连通，抽提生产 装置与注射抽提井孔的外管及中下部切割剖面空间的压力Pl大于注射抽提井 孔外管至中下部切割剖面空间的压力P2，即P1 〉P2，注射抽提井孔井上端部 蒸汽发生器产生的高压高温蒸汽通过注射抽提井孔的内管直入井下端部的切割 剖面层空间中对煤层加温加压，迫使煤层中的煤层气及煤热裂变产生挥发物一 起不断进入中部切割剖面层空间通过外管由注射抽提井孔井上端部的抽提生产 装置及控制设备，不断抽提回收甲烷气或挥发物质，从而达到开采煤层气挥发 物及炭的目的(图3、 4)
具体实施方案之三
本发明的联合开采煤田甲烷气、挥发物及炭的设施装置包括一个套管式蒸汽 注射抽提井孔ll，分内管15和外管16，内管为注射蒸汽(高压蒸汽)通道， 外管为抽提甲垸气及挥发物通道，注射抽提井孔的深度为1000呎井孔直径为 50厘米，在注射抽提井孔上(地面上)端部设有控制装置3、蒸汽发生器装置 4及抽提装置5，井下端部设有切割剖面层空间9，为250X5X2米的长方体形， 在此切割剖面层空间9内间隔设有催化加热器2G(为铂金属催化剂，市售产品)，对煤层1进行蒸汽催化加热，加速煤层气被抽提出或煤层催化热裂变转变成挥 发物及炭。
生产井孔6，有若干个生产井孔有序间距排列分布在蒸汽注射抽提井孔的周 围(即一个套管式注射抽提井孔若干个生产井孔分布在其周围)构成一组开采 井孔，在套管式注射抽提井孔11及生产井孔的井下中下部分别设有相对于套管 式注射抽提井孔井下端切割剖面空间的尺寸、形状不同的切割剖面层空间，注 射抽提井孔外管与所有生产井孔及其切割剖面层空间相通，通过蒸汽发生器装 置产生高温高压蒸汽经其内管蒸汽通道进入井下端部的切割剖面层空间进行蒸 汽加热煤层或油层，以及通过催化加热器进入井孔的外管进入井上抽提装置， 在生产过程中，通常最先抽提出来是煤层的煤层气(甲烷气)抽提到一定程度 后，随着蒸汽加热或蒸汽催化加热，使煤层发生裂解，煤的本质发生变化进行 热裂解或催化裂解成挥发性物质，被抽提出地面，最后是仍余炭(相当于焦炭)实
现最终开采(图6)。
具体实施方案之四
本实施方案相同于实施方案之一,不同是蒸汽注射井孔呈90°角折弯式井孔， 在其折弯式井孔井下端部切割剖面层空间上方设有若干个生产井孔(图2)。 具体实施方案之五
本实施方案相同于实施方案之二，不同是切割剖面层空间呈圆盘形(图4)。 具体实施方案之六
本实施方案相同于实施方案之三，不同是井下端部切割剖面层空间中为蒸汽 加热(图5)。
权利要求
1.联合开采煤田甲烷气、挥发物及炭或油田油气的设施装置，包括一个或多个蒸汽注射井孔，间距规则有序排列分布在煤田或油田中，呈直立式或≥90°角的折弯式井孔，在蒸汽注射井孔井上端部设有蒸汽发生器装置及控制装置，井下端部设有切割剖面层空间，高压高温蒸汽通过蒸汽注射井孔直入井下切割剖面层空间；多个生产井孔，间距规则有序排列分布在每个蒸汽注射井孔的四周，生产井孔的井上端部设有抽提装置与控制阀门，生产井孔通过控制阀门与抽提装置相连通，生产井孔的深度等于或小于蒸汽注射井孔的深度，生产井孔井下端部设有形状、大小相同或不同于蒸汽注射井孔的切割剖面层空间，且平行于蒸汽注射井孔井下端部的切割剖面层空间，其中蒸汽注射井孔及其切割剖面层空间内压力P1大于生产井孔及其切割剖面层空间内压力P2。
2. 联合开采煤田甲烷气、挥发物及炭或油田油气的设施，包括一个或多 个套管式蒸汽注射提抽井孔，间距规则有序排列分布在煤田或油田中，分内管 和外管，其内管为蒸汽注射通道管，外管为渗透管，直接与煤层或油层相通， 在套管式蒸汽注射抽提井孔的井下中下部和端部分别平行设有尺寸、形状相同 或不相同的切割剖面层空间，在套管式注射抽提井孔的井上端部设有蒸汽发生 器装置、抽提生产装置及控制设备，蒸汽发生器装置与注射抽提井孔的内管及 其井下端部切割剖面层空间相联通，抽提生产装置与注射抽提井孔的外管及中 下部切割剖面层空间相连通，其中注射抽提井 L。内管至端部切割剖面层空间的 压力Pl大于注射抽提井孔外管至中下部切割剖面层空间的压力P2，甲烷气、 ;挥发物或油田油气通过中下部切割剖面层空间经外管由注射抽提井孔井上端的抽提生产装置及控制设备被抽提出来。
3. 联合开采煤田甲烷气、挥发物及炭或油田油气的设施装置，包括一个 或多个间距有序排列分布在煤田或油田的套管式蒸汽注射抽提井孔，分内管和 外管，内管为注射蒸汽通道，外管为抽提甲烷气、挥发物或油气通道，在蒸汽 注射抽提井孔的井上端部设有控制装置、蒸汽发生器装置及抽提装置，井下端部设有切割剖面层空间，或在切割剖面层空间内设有蒸汽加热器或催化加热器; 若干个生产井孔有序间距排列分布在套管式蒸汽注射抽提井孔的周围，在生产 井孔及套管式注射抽提井孔的井下中下部分别设有相对于套管式注射抽提井孔 井下端部切割剖面层空间的尺寸、形状相同或不相同的切割剖面层空间；注射 抽提井孔的外管与所有生产井孔及其井下中下部切割剖面层空间相通。
4. 联合开采煤田甲烷气、挥发物及炭或油田油气的方法，包括下列步骤 (D建立联合开采煤田甲垸气、挥发物及炭或油田油气的设施装置；② 由步骤d)设施装置的蒸汽发生器装置产生高温高压蒸汽，其压力大于煤层 或油层压力，注射入套管式蒸汽注射抽提井孔及其井下端部切割剖面层空间对 煤层或油田迸行蒸汽加热加压，或通过蒸汽加热器或催化加热器对煤层或袖层 进行催化加热；③ 由生产井孔井上的控制阀门装置及抽提装置抽提出进入生产井孔或其井下端部切割剖面层空间内甲烷气、挥发物或油田油气餾份； 改煤层甲烷气、挥发物或油田油气餾份开采尽后，开采炭。
全文摘要
本发明涉及联合开采煤田甲烷气、挥发物及炭或油田油气的设施装置，主要包括蒸汽注射井孔或套管式蒸汽注射抽提井孔，生产井孔或生产抽提井孔，在井孔的井上端部设有控制装置、抽提装置及蒸汽发生器装置，在井下端部及中下部设有切割剖面层空间或在井下端部设有的切割剖面层空间内设置蒸汽加热器或催化加热器，对煤层或油层进行高温高压蒸汽加热或催化加热，使煤田甲烷气、挥发物或油田油气被迅速抽提装置抽出地面。该装置结构独特技术先进，开采方便简单，采出率高，投资操作费用及成本低的设施装置及其开采方法，可广泛被应用于煤田、油田及其金属或非金属矿产资源中进行开采。
文档编号E21B43/00GK101555783SQ20091014361
公开日2009年10月14日 申请日期2009年5月27日 优先权日2009年5月27日
发明者王逢旦 申请人:王逢旦