對接井水力運移卸壓開采煤層氣方法的探討

馮立杰 李朝輝 姜光杰 劉振鋒

(1.鄭州大學(xué)管理工程研究所,河南 450001;2.河南省煤層氣開發(fā)利用有限公司,河南 450016)

對接井水力運移卸壓開采煤層氣方法的探討

馮立杰1,2李朝輝1姜光杰1,2劉振鋒1

(1.鄭州大學(xué)管理工程研究所,河南 450001;2.河南省煤層氣開發(fā)利用有限公司,河南 450016)

我國存在不少單一貯層、松軟結(jié)構(gòu)、低滲透性的煤層結(jié)構(gòu),同時這種煤層也多是瓦斯突出區(qū)域,對此類結(jié)構(gòu)采用地面壓裂技術(shù)或水平井技術(shù)抽采煤層氣,效果十分有限,基于此本文提出一種地面鉆井,井下水力對接、水力運移卸壓開采煤層氣的方法,并對其機(jī)理和運行模式進(jìn)行分析,期望為低滲透性煤層煤層氣開采提供一種新思路。

煤層氣 滲透率 水力運移 卸壓開采

Abstract:The structure of coalbed mostly has the characters of single layer,soft structure,and low permeability in China,and it is always the gas outburst area.When extracting coalbed methane,the technology of ground fracturing technology or horizontal well is limited by this structure.Aimed at this problem,this paper proposed a method of surface drilling,underground water butt and water transport relief to extract coalbed methane,analyzed the mechanism and operating mode.It also provided a new idea for the low permeability of coal seam when extracting coalbed methane.

Keywords:Coalbed methane;permeability;water transport;pressure relief and extraction

1 引言

煤層氣的合理開發(fā)利用,不僅可以減少煤礦事故的發(fā)生,還可以得到一種潔凈燃料,緩解能源緊缺。由于我國煤盆地變形演化歷史復(fù)雜,盆地原形及構(gòu)造樣式多變,煤的多階段演化和多熱源疊加變質(zhì)作用明顯,決定了煤層氣藏的地質(zhì)條件和儲層物性具有特殊性[2],而影響我國煤層氣開采的主要因素包括:開采技術(shù)條件、地質(zhì)條件以及經(jīng)濟(jì)因素等[3]。煤儲層壓力是水和氣體從煤中裂隙流向井筒的動力,而含氣飽和度是溫度、壓力、圍巖條件、煤吸附能力等綜合作用的結(jié)果,其直接影響著煤層氣的解吸量,在摒棄壓力相同的條件下,壓力高的飽和煤層比低壓欠飽和的煤層可以解吸更多的氣體。通常的煤層氣開采技術(shù)主要以鉆井所在“點”為考察對象,以有限的鉆井影響范圍為假想目標(biāo)來設(shè)計鉆井和完井程序以及儲層增產(chǎn)激勵措施,而實際上,煤層氣的產(chǎn)出更需要以“面”為單位,綜合的考慮整個煤層氣藏范圍內(nèi)流動力場、地應(yīng)力場和地?zé)釄龅南嗷ビ绊?。我國煤層的滲透率普遍偏低,部分地區(qū)的煤層具有煤質(zhì)松軟、低壓低滲、高瓦斯及較好封存條件的特點,該煤層以韌性變形為主,其主要由層間滑動造成,是由于強(qiáng)烈的構(gòu)造破壞及強(qiáng)烈塑性變形的產(chǎn)物,呈鱗片狀或土狀,滲透性極差(均在0.001md以下),在開采煤層氣過程中有可能造成產(chǎn)量過早的停止,且這類煤層往往是煤與瓦斯突發(fā)區(qū)。對于此類松軟、低壓、低滲透、高瓦斯、高突煤儲層的煤層氣,目前還沒有有效的提前地面開采方法。因此,本文針對這一問題,根據(jù)我國煤層氣儲層特有的地質(zhì)條件,結(jié)合煤層氣開采的影響因素,對目前已得到推廣的煤層氣開采模式及技術(shù)進(jìn)行了分析,提出了對接井水力運移卸壓開采煤層氣的方法,為更好地開發(fā)利用煤層氣提供了借鑒。

2 煤層氣開采研究現(xiàn)狀

針對煤層氣開采的影響因素,為有效的開發(fā)利用煤層氣,國內(nèi)外對煤層氣研究的不斷深入,開采技術(shù)也不斷的進(jìn)步,如早期的常規(guī)直井開采、水力壓裂,演變?yōu)樗骄?然后是多分支井開采;單一的排水降壓演化為注氣(CO2、N2)開采等。

2.1 煤層氣開采模式

目前,我國煤層氣開采模式主要包括井下抽采和地面鉆井開采兩種[3]。井下抽采煤層氣是從煤礦井下采掘巷道中打鉆孔,通過瓦斯泵造成負(fù)壓來抽取煤層中的煤層氣,其利用率達(dá)80%,但井下回收率很低,只有20%左右;地面鉆井開采煤層氣方式是在地面打鉆井進(jìn)入煤層中,通過排水降壓使煤層中吸附的煤層氣解吸出來,并由井筒流至地面,也可利用自然壓差或瓦斯泵通過井筒抽取那些聚集和殘留在未受采動區(qū)影響的巖石、未開采的煤層之中和采空區(qū)內(nèi)的煤層氣,地面鉆井開采煤層氣產(chǎn)氣量大、資源回收率高。

2.2 煤層氣增產(chǎn)技術(shù)

目前,煤層氣增產(chǎn)技術(shù)主要有[4]:

(1)水力壓裂技術(shù)。水力壓裂技術(shù)是開采煤層氣的一種有效的增產(chǎn)方法。其主要機(jī)理為:通過高壓以驅(qū)動水流擠入煤層中原有的或壓裂后出現(xiàn)的裂縫內(nèi),擴(kuò)寬并伸展這些裂縫,進(jìn)而在煤層中產(chǎn)生更多的次生裂縫與裂隙,增加煤層中煤層氣的透氣性,煤層由于受降壓影響,煤層氣解吸的表面積增大,保證了煤層氣能迅速并相對持久的排放,其產(chǎn)量較壓裂前增加3～20倍,其增產(chǎn)效果非常顯著。

(2)煤中多元氣體驅(qū)替技術(shù)。通過向煤層中注入其他氣體,降低甲烷在煤孔隙中的分壓,促進(jìn)甲烷在煤中的解吸。同時,注入氣體還增加了煤層氣向氣井流動的動力,有利于壓力封閉型煤層氣克服在低滲透煤層中的流動阻力。目前氣體注入驅(qū)替主要采用注入N2和注入CO2驅(qū)替解吸兩種方法。

(3)定向羽狀水平鉆井技術(shù)[5]。定向羽狀水平井是指在一個主水平井眼兩側(cè)再鉆出多個分支井眼作為泄氣通道。分支井筒能夠穿越更多的煤層裂縫系統(tǒng),最大限度地溝通裂縫通道,增加泄氣面積和煤層的滲透率,從而提高單井產(chǎn)量。定向羽狀分支水平鉆井技術(shù)目前被認(rèn)為是一種效果比較好且成本不太高的新型的煤層氣開采技術(shù),但這項開采技術(shù)涉及了鉆井、開發(fā)和儲層改造等許多方面,有許多關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步深入研究。

3 對接井水力運移卸壓開采技術(shù)探討

我國煤儲層地質(zhì)條件的復(fù)雜性和儲層物性的特殊性,決定了必須針對具體的地質(zhì)條件選擇有利的煤層氣開發(fā)模式和相應(yīng)的開發(fā)技術(shù)。通過對近幾年的煤層氣開采新技術(shù)進(jìn)行研究、探索,本文對水力壓裂改造技術(shù)、煤中多元氣體驅(qū)替技術(shù)、定向羽狀水平鉆井技術(shù)等進(jìn)行篩選組合,并結(jié)合我國部分地區(qū)煤質(zhì)松軟、結(jié)構(gòu)復(fù)雜煤層的特點,綜合考慮影響煤層氣開采的主要因素,提出了對接井水力運移卸壓開采煤層氣的方法。

3.1 對接井水力運移卸壓開采技術(shù)機(jī)理分析

煤層氣通常以游離及吸附兩種方式賦存于煤層中,而吸附煤層氣約占90%以上,這就導(dǎo)致煤儲層進(jìn)行煤層氣開采作業(yè)時,其運移路徑為:微孔隙表面吸附煤層氣的解吸及擴(kuò)散,轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x型煤層氣,賦存于較大的孔隙或裂隙之中。煤層氣吸附與解吸是互為條件轉(zhuǎn)化的,當(dāng)游離煤層氣壓強(qiáng)低于吸附煤層氣壓強(qiáng)時,吸附煤層氣較快地轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x煤層氣,反之亦然。在氣體滲流力學(xué)中,由連續(xù)性方程可以得出對于煤層氣的非穩(wěn)態(tài)滲流方程為[6]:

其中:p——吸附平衡壓力;e∧——煤層氣的滲透率;μ——動力粘度;k——滲透系數(shù);k,μ的變化可以忽略不計

由公式可以得出,滲透率與壓力成反比關(guān)系,減小壓力即卸壓可以增大滲透率。

3.2 對接井水力運移卸壓開采煤層氣方法描述

對接井水力運移卸壓開采煤層氣的運行模式可分為設(shè)置排煤水出氣井、設(shè)置注水出氣井、掏穴、對接、水力運移等五個階段。這五個階段不可分割,需連續(xù)進(jìn)行,具體如下:

①施工設(shè)置排煤水出氣井。在已勘探的工作面區(qū)域,用空氣泡沫液、水霧等做循環(huán)介質(zhì),從地面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或沖擊鉆井進(jìn)入煤層或煤層以下,設(shè)置為排煤水出氣井,如圖1所示,并在井口設(shè)置有氣、煤、水分離裝置,搜集產(chǎn)出的煤層氣,同時將井下排出的煤水混合物進(jìn)行分離,分離后的清水循環(huán)使用。

圖1 排煤水出氣井

②施工設(shè)置注水出氣井。在工作面區(qū)域,由地面鉆井進(jìn)至煤層,但該井應(yīng)與排煤水出氣井保持適當(dāng)?shù)木嚯x(該井距根據(jù)鉆井實測的煤層滲透率推測得出),并設(shè)置注水出氣井,如圖2所示,并在井口設(shè)置一種能夠進(jìn)水且能出氣的封井裝置。

③掏穴。在排煤水出氣井的目的煤層段,利用機(jī)械的方法或流體沖擊方式或爆炸方式等進(jìn)行擴(kuò)孔掏穴,使孔內(nèi)目的煤層段形成的洞穴直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆孔直徑的鉆孔,在井底形成洞穴,使之作為輸送介質(zhì)的通道。

圖2 注水出氣井

④對接。在井下工作區(qū)域,注水出氣井與排煤水出氣井通過流體壓差或機(jī)械鉆進(jìn)方式,連通兩井,實現(xiàn)井下對接。

⑤水力運移。在注水出氣井連續(xù)的入水,水流沖刷兩井間煤體,水力運移煤粉至排煤水出氣井,并通過機(jī)械排至地面,通過煤水運移,注水出氣井與排煤水出氣井形成卸壓空間,如圖3所示。

圖3 對接井水力運移卸壓開采煤層氣方法

⑥氣、水、煤分離。排煤水出氣井的井口設(shè)置有氣、煤、水分離裝置,如圖4所示,全面搜集產(chǎn)出的煤層氣,同時將排出的煤水混合物進(jìn)行煤水分離,處理后的清水注入前述注水出氣井循環(huán)使用;注水出氣井的井口裝置,如圖5所示,既能保證順利注水,又能保證產(chǎn)出煤層氣的地面回收。

圖4 氣、煤、水分離裝置

圖5 注水出氣井口裝置

上述步驟結(jié)束后,可再設(shè)置一個注水出氣井,重復(fù)對接、水力運移步驟。若煤層是近水平煤層,可以排煤水出氣井為中心向四周呈輻射狀分布設(shè)置多個注水出氣井;若煤層是傾斜煤層,可以前述排煤水出氣井為中心向高標(biāo)位煤層呈半圓形分布設(shè)置多個注水出氣井。若注水出氣井井底已經(jīng)形成半掏穴狀態(tài),可在其附近合理井距內(nèi)再設(shè)置新的注水出氣井,并同處于半掏穴狀態(tài)的注水出氣井對接,重復(fù)上述步驟。若為了加快產(chǎn)氣速度,可以采用煤中多元氣體驅(qū)替技術(shù),對剩余煤體進(jìn)行采氣處理。

該方法設(shè)置排煤水出氣井和多個注水出氣井,并在井下實現(xiàn)對接,通過在注水出氣井運用水流沖刷煤體進(jìn)行卸壓,有效降低了煤層氣孔隙的壓力,疏通了滲流通道,增大滲透率;同時,此方法在煤層中實現(xiàn)井下對接,兩井之間的接觸面積增大,大大提高了煤層氣的開采量。

4 結(jié)論

我國煤層氣藏普遍具有低壓、低滲、低飽和等特性,其中低滲透率是阻礙煤層氣開發(fā)的主要因素。部分地區(qū)煤層由于強(qiáng)烈的構(gòu)造破壞而呈鱗片狀或土狀,滲透性極差(均在0.001md以下),但又往往是煤與瓦斯突發(fā)區(qū),常規(guī)的開采方法難以實現(xiàn)煤層氣經(jīng)濟(jì)、規(guī)模的開發(fā)。根據(jù)我國煤儲層的特殊性,針對松軟、低壓、低滲、高瓦斯煤層,本文提出了對接井水力運移卸壓開采煤層氣的方法,為我國煤層氣開發(fā)提供了一種新的思路。

[1] 林宗虎.煤層氣——一種亟待開發(fā)利用的清潔能源[J].工業(yè)鍋爐,2006,(3):1-5.

[2] 饒孟余,馮三利.煤、氣一體化開采煤層氣方法的探討[J].中國煤田地質(zhì),2002,14(1):20-22,25.

[3] 王連剛,李俊乾.我國煤層氣開發(fā)模式與開發(fā)技術(shù)問題探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2010,38(04):104-107.

[4] 張小五,喬軍偉.淺述提高煤層氣采收率方法[J].陜西煤炭,2008,(5):24-25,10.

[5] 鮮保安等.煤層氣定向羽狀水平井開采機(jī)理與應(yīng)用分析[J].天然氣工業(yè),2005,25(1):114-116.

[6] 李忠華,張永利,等.流體力學(xué)[M].沈陽:東北大學(xué)出版社,2004,(5):183-187.

Discussion on Pressure Relief for Coalbed Methane Extraction Using Water Transport in Connection Well

Feng Lijie1,2,Li Zhaohui1,Jiang Guangjie1,Liu Zhenfeng2
(1.Institute of Management Engineering,Zhengzhou University,Henan 450001;2.Henan Provincial Coal Seam Gas Development and Utilization Co.,Ltd.,Henan 450016)

馮立杰,河南省煤層氣開發(fā)利用有限公司副總經(jīng)理,河南礦山搶險救災(zāi)中心主任。

(責(zé)任編輯 桑逢云)