一种用于叠置煤层气藏多向闭环抽采煤层气的方法

1.本发明涉及一种用于叠置煤层气藏多向闭环抽采煤层气的方法，尤其适用于横跨区域较大的叠置煤层气储层的煤层气高效开采。


背景技术：

2.煤层气的开发利用对于改善我国能源结构、实现温室气体减排具有重要意义。我国煤层气资源探明可采量超过10万亿m3，随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，煤层气开采逐步向深部进发。我国煤层气资源普遍具有低孔隙率、低渗透率等特点，极差的孔渗特性阻碍了煤层气的有效渗流，严重制约了煤层气产业的快速发展。
3.目前煤层气开采主要是通过排水卸压法进行气体抽采，通过地面井疏水降低储层孔隙水压，当储层压力低于临界解吸压力时，煤层气会发生大量解吸，从而促进储层中的游离气体运移至井筒形成混合气流，进而将混合气流抽采出。煤层气藏的孔渗特征决定了煤层气的赋存状态和流动行为，而目前大部分煤层气藏普遍具有低孔隙率、低渗透率等特点，严重制约了煤层气的解吸与排采。相关学者提出向煤层气储层注入co2、热蒸气等方式来提高煤层气抽采效率，通过气体竞争吸附或热力驱赶的方式使得吸附煤层气脱附，依靠压力梯度和裂隙网络发生扩散和渗流，最终促进煤层气流入抽采井筒内。但这些技术手段在实际施工中存在一定的局限性，例如，co2注入需要考虑co2捕集和运输成本，且co2进入煤层裂隙后其吸附膨胀性能导致裂隙内部压力持续增大，进而使得后续co2气体无法持续注入原位煤层；热蒸汽由于温度较高，因此需要在实际使用时设置蒸汽发生器才能产生所需的热蒸汽，导致其获取较为复杂，且注入过程中所需的温度维持难度系数较大，需要设置特定的保温设备，这样间接增加了热蒸汽的注入成本；另一方面，目前上述两类技术在叠置煤层气藏的气体抽采方面无法做到闭环施工，即注入的co2在完成压裂增透及竞争吸附后，剩余部分均排出煤层，注入的热蒸汽当其与原位煤层换热后，会液化成水，最终被留在煤层内或被抽水泵排出，均无法实现闭环重复利用的过程，并且由于co2气体持续注入，如不能很好的监控煤层内部压力，则易引起储层内部憋压，进而扩大施工安全隐患。
4.因此，针对目前横跨区域较大的叠置煤层气藏气体抽采技术存在的不足，如何能提供一种方法，在结合煤层气化技术和co2驱替技术基础上，实现横跨区域较大的叠置煤层气藏高效闭环抽采，能循环利用co2气体，不仅能降低煤层气开采成本，提高煤层气开采效率，而且能将部分co2气体封存在叠置煤层气藏内，实现煤层气低碳开采，为助力煤层气产业发展提供一种新的研究思路。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于叠置煤层气藏多向闭环抽采煤层气的方法，在结合煤层气化技术和co2驱替技术基础上，实现横跨区域较大的叠置煤层气藏高效闭环抽采，使co2气体循环利用，不仅能降低煤层气开采成本，提高煤层气开采效率，而且能将部分co2气体封存在叠置煤层气藏内，实现煤层气低碳开采。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于叠置煤层气藏多向闭环抽采煤层气的方法，具体步骤为：
7.a、先确定所需抽采的叠置煤层气藏，叠置煤层气藏由上煤层、岩层和下煤层组成，上煤层处于下煤层上方，且岩层处于上煤层和下煤层之间，首先利用钻机分别依次穿过上煤层、岩层并到达下煤层进行钻井施工，分别形成水平井和四个抽采井；所述四个抽采井分布在以水平井为圆心、一定距离为半径的圆周上，且四个抽采井均分圆周，其中水平井由一个竖直段和四个水平段组成，四个水平段均处于下煤层内且分别朝向四个抽采井，相邻水平段之间相互垂直；
8.b、在水平井的竖直段装有第一封堵器和第二封堵器，其中第一封堵器处于水平井的井口处，第二封堵器处于岩层位置，从而使水平井的四个水平段至第二封堵器之间形成第一密闭空间，第一封堵器和第二封堵器之间的水平井的竖直段形成第二密闭空间；在各个抽采井的井口处均装有第三封堵器，使其对各个抽采井进行封堵，在地面上设有气化剂注入泵、co2注入泵、气体分离器、ch4发电机组、抽采泵和换热机组，气化剂注入泵的出口与气化剂注入管一端连接，气化剂注入管另一端穿过第一封堵器和第二封堵器后伸入第一密闭空间至竖直段与水平段的连接处，在气化剂注入管内靠近另一端处装有点火器，气化剂注入管与气化剂注入泵的出口连接处装有压力表，气化剂注入管另一端装有四向分流器，四向分流器包括连接管、壳体和四个伸缩注入装置，四个伸缩注入装置各自的伸缩方向分别朝向四个水平段，所述伸缩注入装置包括第一变径伸缩管、第二变径伸缩管、第三变径伸缩管和第四变径伸缩管，其中第一变径伸缩管处于第二变径伸缩管内，且能从第二变径伸缩管内滑动伸出，第二变径伸缩管处于第三变径伸缩管内，且能从第三变径伸缩管内滑动伸出，第三变径伸缩管处于第四变径伸缩管内，且能从第四变径伸缩管内滑动伸出，连接管一端与气化剂注入管另一端连接，连接管另一端分别通过四个连接支管与四个伸缩注入装置的第四变径伸缩管连接，在四个连接支管上均装有单向阀，分别为单向阀a、单向阀b、单向阀c和单向阀d；初始时四个单向阀均为关闭状态，且四个伸缩注入装置均处于完全收缩状态；四个气体抽采管一端分别穿过各个抽采井的第三封堵器伸入其内部、另一端均与抽采泵的进气口连接，抽采泵的出气口通过管路与换热机组的进气口连接，换热机组的出气口通过管路与气体分离器的进气口连接，气体分离器的ch4出气口通过管路与ch4发电机组的进气口连接，ch4发电机组的排气口和气体分离器的co2出气口均通过co2输送管路与co2注入泵的进口连接，co2输送管路外部包裹有冷凝器；co2注入泵的出口与co2注入管一端连接，co2注入管另一端穿过第一封堵器伸入第二密闭空间，完成系统的布设工作；伸缩注入装置采用这种结构在安装时处于收缩状态，便于四向分流器从水平井竖直段安装至所需位置，在进行气化剂注入时，第一变径伸缩管、第二变径伸缩管、第三变径伸缩管和第四变径伸缩管能依次伸出，使得气化剂注入至对应的水平段内部，并且由于第一变径伸缩管的口径比第四变径伸缩管的口径要小的多，因此气化剂在推动伸缩注入装置伸展后，最终从第一变径伸缩管的端口喷出时，能增加气化剂喷射速度，使气化剂进一步达到该水平段的最深处；
9.c、设定一个压力阈值，然后启动气化剂注入泵，将混合好的气化剂通过气化剂注入泵的泵送作用，使气化剂经过气化剂注入管持续注入四向分流器，此时开启单向阀a，使气化剂经过单向阀a对与其对应的伸缩注入装置进行施压，进而该伸缩注入装置的第一变
径伸缩管、第二变径伸缩管、第三变径伸缩管和第四变径伸缩管均向其中一个水平段内伸出，直至完全伸出时，气化剂通过第一变径伸缩管端部持续进入该水平段内，通过压力表实时测量气化剂注入管内的压力值，当压力值达到设定的压力阈值时，此时停止气化剂注入泵，并启动点火器，使得当前水平段内的气化剂与ch4气体发生气化反应；接着开启气化剂注入泵，并关闭单向阀a、开启单向阀b，并重复上述过程，使单向阀b对应的水平段内的气化剂与ch4气体发生气化反应；然后依次重复使单向阀c和单向阀d依次打开，从而使四个水平段内的气化剂均与ch4气体发生气化反应；气化反应会产生大量辐射热和co2气体，辐射热使下煤层内的煤体温度快速升高，进而导致煤体发生热破裂产生裂隙，同时产生的co2气体会使四个水平段内的气压持续增大，使得co2气体进入产生的裂隙进一步进行冲击扩展，最终使产生的裂隙形成裂隙网络，裂隙网络将上煤层、岩层和下煤层进行连通，同时四个水平段内各自的气化区域由于气化反应会形成一定体积的卸压区，在地应力和卸压效应的双重作用下，处于上煤层和岩层内的裂隙网络会进一步增大孔隙度和渗透率；与此同时，在煤体升温降低ch4气体吸附性和co2气体竞争吸附的双重作用下，使得上煤层和下煤层内的ch4气体快速解吸；
10.d、等待一段时间后，启动抽采泵通过四个气体抽采管从四个抽采井开始抽采混合气体，该混合气体包括煤层解吸的ch4气体和气化反应产生的部分co2气体，然后将混合气体经过换热机组，经过换热后使混合气体的温度降低至常温，换热机组获得的热量用于为后续水蒸气的制备提供热能；常温混合气体进入气体分离器，气体分离器将co2气体和ch4气体分离，分离后的ch4气体进入ch4发电机组，启动ch4发电机组将ch4气体燃烧进行发电，实现煤层气的利用；发电产生的co2气体与气体分离器分离后的co2气体均进入co2输送管路，由于co2输送管路外部包裹冷凝器；在co2气体处于co2输送管路时使其温度持续降低直至形成液态co2后，将液态co2通过co2注入泵及co2注入管注入第二密闭空间，在该空间内液态co2气化后进入上煤层内的裂隙，并再次对上煤层内的ch4气体进行驱替；
11.e、按照上述方式持续进行闭环抽采，能将抽采出的ch4气体转化成电能进行后续利用，发电产生的co2气体及气化反应产生的co2气体能持续进行闭环使用。
12.进一步，所述第一封堵器、第二封堵器和第三封堵器可以采用现有的封堵器也可以采用本发明的高压封堵器，所述高压封堵器包括弹性外壳、高压囊体和四个弧形爪齿，高压囊体处于弹性外壳内，四个弧形爪齿均匀分布在高压囊体外部，弹性外壳与高压囊体之间注满粘液，弹性外壳上开设有孔眼。采用这种结构在初始状态，便于封堵器安装，然后进行封堵时，通过向高压囊体注入高压水使其开始膨胀，高压囊体的体积在外壳内不断增大，进而使四个弧形爪齿向外扩展，最终随着高压囊体的不断膨胀力作用，四个弧形爪齿能够楔入所处钻井的井壁岩层内进行紧固，同时高压囊体完全膨胀后能对外壳进行施压，由于外壳为弹性材质所以高压囊体通过外壳对井壁进行压紧，最终使高压封堵器与井壁完全贴合；另外在高压囊体膨胀过程中外壳内的粘液受压从孔眼流出，并能充满膨胀后的高压封堵器与井壁未完全贴合处及井壁的破裂处，最终保证对所在钻井的封堵效果。
13.进一步，所述气化剂由o2和水蒸气混合形成。o2进入煤层后通过点火器的点燃，使其与ch4气体进行气化反应，同时水蒸气能提高煤体内部温度，及保证ch4气体和o2的气化反应稳定进行。
14.进一步，所述抽采井的井底进入下煤层2～3m范围内，且水平井和抽采井之间的半
径为200～300m。
15.进一步，所述步骤c中的压力阈值为5mpa。
16.进一步，在换热机组与气体分离器之间设有过滤器组，用于去除ch4和co2混合气体中其他气体杂质。
17.与现有技术相比，本发明的叠置煤层气藏高效闭环抽采方法具有四个方面的应用优势：第一，通过下煤层气化过程可产生大量的辐射热和co2气体，煤岩层与气化区域之间存在的剧烈温度变化可诱发热破裂产生，同时气化产生的co2气体可随着裂隙扩展发生运移，不断增大的气体体积可进一步对热破裂产生的裂隙进行扩展发育，造成上煤层、岩层和下煤层内部形成相互连通的多尺度裂隙网络，为后续煤层气的抽采提供运移通道；第二，下煤层气化区域由于气化形成的空洞可形成一定体积的卸压区，在地应力和卸压效应的双重作用下，处于上煤层和岩层内部已形成的裂隙网络会进一步增大孔隙度和渗透率，与此同时，在煤体升温降低ch4气体吸附性和co2气体竞争吸附的双重作用下，使得上煤层和下煤层内的ch4气体快速解吸；第三，经过分离压缩之后的co2气体和发电产生的co2气体可再次注入上煤层中，在下煤层气化诱发的裂隙网络中产生流动，co2吸附性能较强的优势促进上煤层ch4气体的解吸驱替，同时也能够起到一定程度的co2地质封存，整个工作流程形成一个闭环，同时开采出的ch4气体通过ch4发电机组转化成电能进行的后续利用，实现了煤层气资源的高效开采与利用；第四，通过设置四向分流器，能实现对水平井四个水平段依次进行气化反应，进而能实现对横跨区域较大的叠置煤层气储层的煤层气高效开采。因此，本发明在结合煤层气化技术和co2驱替技术基础上，实现横跨区域较大的叠置煤层气藏高效闭环抽采，使co2气体循环利用，不仅能降低煤层气开采成本，提高煤层气开采效率，而且能将部分co2气体封存在叠置煤层气藏内，实现煤层气低碳开采。
附图说明
18.图1为本发明的布设示意图。
19.图2为本发明中高压封堵器的初始状态示意图；
20.图3为本发明中高压封堵器的膨胀状态示意图；
21.图4为本发明中气化剂注入管及点火器的结构示意图；
22.图5为图4的俯视图；
23.图6是本发明中四向分流器收缩时的结构示意图；
24.图7是本发明中四向分流器伸出时的结构示意图。
25.图中：1-上煤层；2-下煤层；3-岩层；4-水平井；5-抽采井；6-第一封堵器；7-第二封堵器；8-第三封堵器；9-气化剂注入管；9-1-点火器；9-2-压力表；10-co2注入管；11-气化剂注入泵；12-co2注入泵；13-气体抽采管；14-换热机组；15-气体分离器；16-ch4发电机组；17-co2输送管路；18-裂隙网络；19-气化区域；20-高压封堵器；21-孔眼；22-弧形爪齿；23-高压囊体；24-粘液；25-四向分流器；25-1-第一变径伸缩管；25-2-第二变径伸缩管；25-3-第三变径伸缩管；25-4-第四变径伸缩管。
具体实施方式
26.下面将对本发明作进一步说明。
27.如图1所示，本发明的具体步骤为：
28.a、先确定所需抽采的叠置煤层气藏，叠置煤层气藏由上煤层1、岩层3和下煤层2组成，上煤层1处于下煤层2上方，且岩层3处于上煤层1和下煤层2之间，首先利用钻机分别依次穿过上煤层1、岩层3并到达下煤层2进行钻井施工，分别形成水平井4和四个抽采井5；所述四个抽采井5分布在以水平井4为圆心、200～300m为半径的圆周上，且四个抽采井5均分圆周，其中水平井4由一个竖直段和四个水平段组成，四个水平段均处于下煤层2内且分别朝向四个抽采井5，相邻水平段之间相互垂直；所述各个抽采井5的井底均进入下煤层2～3m范围内；
29.b、在水平井4的竖直段装有第一封堵器6和第二封堵器7，其中第一封堵器6处于水平井4的井口处，第二封堵器7处于岩层3位置，从而使水平井6的四个水平段至第二封堵器7之间形成第一密闭空间，第一封堵器6和第二封堵器7之间的水平井4的竖直段形成第二密闭空间；在各个抽采井5的井口处均装有第三封堵器8，使其对各个抽采井5进行封堵，在地面上设有气化剂注入泵11、co2注入泵12、气体分离器15、ch4发电机组16、抽采泵和换热机组14，气化剂注入泵11的出口与气化剂注入管9一端连接，气化剂注入管9另一端穿过第一封堵器6和第二封堵器7后伸入第一密闭空间至竖直段与水平段的连接处，如图4和5所示，在气化剂注入管9内靠近另一端处装有点火器9-1，气化剂注入管9与气化剂注入泵11的出口连接处装有压力表9-2，气化剂注入管9另一端装有四向分流器25，如图6和7所示，四向分流器25包括连接管、壳体和四个伸缩注入装置，四个伸缩注入装置各自的伸缩方向分别朝向四个水平段，所述伸缩注入装置包括第一变径伸缩管25-1、第二变径伸缩管25-2、第三变径伸缩管25-3和第四变径伸缩管25-4，其中第一变径伸缩管25-1处于第二变径伸缩管25-2内，且能从第二变径伸缩管25-2内滑动伸出，第二变径伸缩管25-2处于第三变径伸缩管25-3内，且能从第三变径伸缩管25-3内滑动伸出，第三变径伸缩管25-3处于第四变径伸缩管25-4内，且能从第四变径伸缩管25-4内滑动伸出，连接管一端与气化剂注入管9另一端连接，连接管另一端分别通过四个连接支管与四个伸缩注入装置的第四变径伸缩管25-4连接，在四个连接支管上均装有单向阀，分别为单向阀a、单向阀b、单向阀c和单向阀d；初始时四个单向阀均为关闭状态，且四个伸缩注入装置均处于完全收缩状态；四个气体抽采管13一端分别穿过各个抽采井5的第三封堵器8伸入其内部、另一端均与抽采泵的进气口连接，抽采泵的出气口通过管路与换热机组14的进气口连接，换热机组14的出气口通过管路与气体分离器15的进气口连接，在换热机组14与气体分离器15之间设有过滤器组，用于去除ch4和co2混合气体中其他气体杂质；气体分离器15的ch4出气口通过管路与ch4发电机组16的进气口连接，ch4发电机组16的排气口和气体分离器15的co2出气口均通过co2输送管路17与co2注入泵12的进口连接，co2输送管路17外部包裹有冷凝器，用于将通过co2输送管路17的co2气体降温液化成液态；co2注入泵12的出口与co2注入管10一端连接，co2注入管10另一端穿过第一封堵器6伸入第二密闭空间，完成系统的布设工作；伸缩注入装置采用这种结构在安装时处于收缩状态，便于四向分流器25从水平井竖直段安装至所需位置，在进行气化剂注入时，第一变径伸缩管25-1、第二变径伸缩管25-2、第三变径伸缩管25-3和第四变径伸缩管25-4能依次伸出，使得气化剂注入至对应的水平段内部，并且由于第一变径伸缩管25-1的口径比第四变径伸缩管25-4的口径要小的多，因此气化剂在推动伸缩注入装置伸展后，最终从第一变径伸缩管25-1的端口喷出时，能增加气化剂喷射速度，使气化剂进一步达到
该水平段的最深处；
30.如图2和3所示，所述第一封堵器6、第二封堵器7和第三封堵器8均为高压封堵器，所述高压封堵器包括弹性外壳、高压囊体23和四个弧形爪齿22，高压囊体23处于弹性外壳内，四个弧形爪齿22均匀分布在高压囊体23外部，弹性外壳与高压囊体23之间注满粘液24，弹性外壳上开设有孔眼21。采用这种结构在初始状态，便于封堵器安装，然后进行封堵时，通过向高压囊体23注入高压水使其开始膨胀，高压囊体23的体积在外壳内不断增大，进而使四个弧形爪齿22向外扩展，最终随着高压囊体23的不断膨胀力作用，四个弧形爪齿22能够楔入所处钻井的井壁岩层内进行紧固，同时高压囊体23完全膨胀后能对外壳进行施压，由于外壳为弹性材质所以高压囊体23通过外壳对井壁进行压紧，最终使高压封堵器23与井壁完全贴合；另外在高压囊体23膨胀过程中外壳内的粘液24受压从孔眼21流出，并能充满膨胀后的高压封堵器20与井壁未完全贴合处及井壁的破裂处，最终保证对所在钻井的封堵效果；
31.c、设定压力阈值为5mpa，然后启动气化剂注入泵11，所述气化剂由o2和水蒸气混合形成，将混合好的气化剂通过气化剂注入泵的泵送作用，使气化剂经过气化剂注入管9持续注入四向分流器25，此时开启单向阀a，使气化剂经过单向阀a对与其对应的伸缩注入装置进行施压，进而该伸缩注入装置的第一变径伸缩管25-1、第二变径伸缩管25-2、第三变径伸缩管25-3和第四变径伸缩管25-4均向其中一个水平段内伸出，直至完全伸出时，气化剂通过第一变径伸缩管25-1端部持续进入该水平段内，通过压力表9-2实时测量气化剂注入管内的压力值，当压力值达到设定的压力阈值时，此时停止气化剂注入泵11，并启动点火器9-1，使得当前水平段内的气化剂与ch4气体发生气化反应；接着开启气化剂注入泵11，并关闭单向阀a、开启单向阀b，并重复上述过程，使单向阀b对应的水平段内的气化剂与ch4气体发生气化反应；然后依次重复使单向阀c和单向阀d依次打开，从而使四个水平段内的气化剂均与ch4气体发生气化反应；气化反应会产生大量辐射热和co2气体，辐射热使下煤层2内的煤体温度快速升高，进而导致煤体发生热破裂产生裂隙，同时产生的co2气体会使四个水平段内的气压持续增大，使得co2气体进入产生的裂隙进一步进行冲击扩展，最终使产生的裂隙形成裂隙网络18，裂隙网络18将上煤层1、岩层3和下煤层2进行连通，同时四个水平段内各自的气化区域19由于气化反应会形成一定体积的卸压区，在地应力和卸压效应的双重作用下，处于上煤层1和岩层3内的裂隙网络18会进一步增大孔隙度和渗透率；与此同时，在煤体升温降低ch4气体吸附性和co2气体竞争吸附的双重作用下，使得上煤层1和下煤层2内的ch4气体快速解吸；
32.d、等待一段时间后，启动抽采泵通过四个气体抽采管13从四个抽采井5开始抽采混合气体，该混合气体包括煤层解吸的ch4气体和气化反应产生的部分co2气体，然后将混合气体经过换热机组14，经过换热后使混合气体的温度降低至常温，换热机组14获得的热量用于为后续水蒸气的制备提供热能；常温混合气体进入气体分离器15，气体分离器15将co2气体和ch4气体分离，分离后的ch4气体进入ch4发电机组16，启动ch4发电机组16将ch4气体燃烧进行发电，实现煤层气的利用；发电产生的co2气体与气体分离器15分离后的co2气体均进入co2输送管路17，由于co2输送管路17外部包裹冷凝器；在co2气体处于co2输送管路17时使其温度持续降低直至形成液态co2后，将液态co2通过co2注入泵12及co2注入管10注入第二密闭空间，在该空间内液态co2气化后进入上煤层1内的裂隙，并再次对上煤层1内的ch4气体
进行驱替；
33.e、按照上述方式持续进行闭环抽采，能将抽采出的ch4气体转化成电能进行后续利用，发电产生的co2气体及气化反应产生的co2气体能持续进行闭环使用。
34.上述气化剂注入泵11、co2注入泵12、气体分离器15、ch4发电机组16、抽采泵、换热机组14、单向阀a、单向阀b、单向阀c和单向阀d均为现有设备或器件，其中co2注入泵12最大注入压力可达70mpa，气化剂注入泵11最大注入压力可达40mpa；气体分离器15不仅能将ch4和co2气体进行单一气体分离，同时具备对单一气体进行提纯、压缩功能。
35.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。