对接井水力运移卸压开采煤层气方法的探讨

冯立杰 李朝辉 姜光杰 刘振锋

(1.郑州大学管理工程研究所,河南 450001;2.河南省煤层气开发利用有限公司,河南 450016)

对接井水力运移卸压开采煤层气方法的探讨

冯立杰1,2李朝辉1姜光杰1,2刘振锋1

(1.郑州大学管理工程研究所,河南 450001;2.河南省煤层气开发利用有限公司,河南 450016)

我国存在不少单一贮层、松软结构、低渗透性的煤层结构,同时这种煤层也多是瓦斯突出区域,对此类结构采用地面压裂技术或水平井技术抽采煤层气,效果十分有限,基于此本文提出一种地面钻井,井下水力对接、水力运移卸压开采煤层气的方法,并对其机理和运行模式进行分析,期望为低渗透性煤层煤层气开采提供一种新思路。

煤层气 渗透率 水力运移 卸压开采

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

煤层气的合理开发利用,不仅可以减少煤矿事故的发生,还可以得到一种洁净燃料,缓解能源紧缺。由于我国煤盆地变形演化历史复杂,盆地原形及构造样式多变,煤的多阶段演化和多热源叠加变质作用明显,决定了煤层气藏的地质条件和储层物性具有特殊性[2],而影响我国煤层气开采的主要因素包括:开采技术条件、地质条件以及经济因素等[3]。煤储层压力是水和气体从煤中裂隙流向井筒的动力,而含气饱和度是温度、压力、围岩条件、煤吸附能力等综合作用的结果,其直接影响着煤层气的解吸量,在摒弃压力相同的条件下,压力高的饱和煤层比低压欠饱和的煤层可以解吸更多的气体。通常的煤层气开采技术主要以钻井所在“点”为考察对象,以有限的钻井影响范围为假想目标来设计钻井和完井程序以及储层增产激励措施,而实际上,煤层气的产出更需要以“面”为单位,综合的考虑整个煤层气藏范围内流动力场、地应力场和地热场的相互影响。我国煤层的渗透率普遍偏低,部分地区的煤层具有煤质松软、低压低渗、高瓦斯及较好封存条件的特点,该煤层以韧性变形为主,其主要由层间滑动造成,是由于强烈的构造破坏及强烈塑性变形的产物,呈鳞片状或土状,渗透性极差(均在0.001md以下),在开采煤层气过程中有可能造成产量过早的停止,且这类煤层往往是煤与瓦斯突发区。对于此类松软、低压、低渗透、高瓦斯、高突煤储层的煤层气,目前还没有有效的提前地面开采方法。因此,本文针对这一问题,根据我国煤层气储层特有的地质条件,结合煤层气开采的影响因素,对目前已得到推广的煤层气开采模式及技术进行了分析,提出了对接井水力运移卸压开采煤层气的方法,为更好地开发利用煤层气提供了借鉴。

2 煤层气开采研究现状

针对煤层气开采的影响因素,为有效的开发利用煤层气,国内外对煤层气研究的不断深入,开采技术也不断的进步,如早期的常规直井开采、水力压裂,演变为水平井,然后是多分支井开采;单一的排水降压演化为注气(CO2、N2)开采等。

2.1 煤层气开采模式

目前,我国煤层气开采模式主要包括井下抽采和地面钻井开采两种[3]。井下抽采煤层气是从煤矿井下采掘巷道中打钻孔,通过瓦斯泵造成负压来抽取煤层中的煤层气,其利用率达80%,但井下回收率很低,只有20%左右;地面钻井开采煤层气方式是在地面打钻井进入煤层中,通过排水降压使煤层中吸附的煤层气解吸出来,并由井筒流至地面,也可利用自然压差或瓦斯泵通过井筒抽取那些聚集和残留在未受采动区影响的岩石、未开采的煤层之中和采空区内的煤层气,地面钻井开采煤层气产气量大、资源回收率高。

2.2 煤层气增产技术

目前,煤层气增产技术主要有[4]:

(1)水力压裂技术。水力压裂技术是开采煤层气的一种有效的增产方法。其主要机理为:通过高压以驱动水流挤入煤层中原有的或压裂后出现的裂缝内,扩宽并伸展这些裂缝,进而在煤层中产生更多的次生裂缝与裂隙,增加煤层中煤层气的透气性,煤层由于受降压影响,煤层气解吸的表面积增大,保证了煤层气能迅速并相对持久的排放,其产量较压裂前增加3～20倍,其增产效果非常显著。

(2)煤中多元气体驱替技术。通过向煤层中注入其他气体,降低甲烷在煤孔隙中的分压,促进甲烷在煤中的解吸。同时,注入气体还增加了煤层气向气井流动的动力,有利于压力封闭型煤层气克服在低渗透煤层中的流动阻力。目前气体注入驱替主要采用注入N2和注入CO2驱替解吸两种方法。

(3)定向羽状水平钻井技术[5]。定向羽状水平井是指在一个主水平井眼两侧再钻出多个分支井眼作为泄气通道。分支井筒能够穿越更多的煤层裂缝系统,最大限度地沟通裂缝通道,增加泄气面积和煤层的渗透率,从而提高单井产量。定向羽状分支水平钻井技术目前被认为是一种效果比较好且成本不太高的新型的煤层气开采技术,但这项开采技术涉及了钻井、开发和储层改造等许多方面,有许多关键技术需要进一步深入研究。

3 对接井水力运移卸压开采技术探讨

我国煤储层地质条件的复杂性和储层物性的特殊性,决定了必须针对具体的地质条件选择有利的煤层气开发模式和相应的开发技术。通过对近几年的煤层气开采新技术进行研究、探索,本文对水力压裂改造技术、煤中多元气体驱替技术、定向羽状水平钻井技术等进行筛选组合,并结合我国部分地区煤质松软、结构复杂煤层的特点,综合考虑影响煤层气开采的主要因素,提出了对接井水力运移卸压开采煤层气的方法。

3.1 对接井水力运移卸压开采技术机理分析

煤层气通常以游离及吸附两种方式赋存于煤层中,而吸附煤层气约占90%以上,这就导致煤储层进行煤层气开采作业时,其运移路径为:微孔隙表面吸附煤层气的解吸及扩散,转变为游离型煤层气,赋存于较大的孔隙或裂隙之中。煤层气吸附与解吸是互为条件转化的,当游离煤层气压强低于吸附煤层气压强时,吸附煤层气较快地转变为游离煤层气,反之亦然。在气体渗流力学中,由连续性方程可以得出对于煤层气的非稳态渗流方程为[6]:

其中:p——吸附平衡压力;e∧——煤层气的渗透率;μ——动力粘度;k——渗透系数;k,μ的变化可以忽略不计

由公式可以得出,渗透率与压力成反比关系,减小压力即卸压可以增大渗透率。

3.2 对接井水力运移卸压开采煤层气方法描述

对接井水力运移卸压开采煤层气的运行模式可分为设置排煤水出气井、设置注水出气井、掏穴、对接、水力运移等五个阶段。这五个阶段不可分割,需连续进行,具体如下:

①施工设置排煤水出气井。在已勘探的工作面区域,用空气泡沫液、水雾等做循环介质,从地面进行旋转或冲击钻井进入煤层或煤层以下,设置为排煤水出气井,如图1所示,并在井口设置有气、煤、水分离装置,搜集产出的煤层气,同时将井下排出的煤水混合物进行分离,分离后的清水循环使用。

图1 排煤水出气井

②施工设置注水出气井。在工作面区域,由地面钻井进至煤层,但该井应与排煤水出气井保持适当的距离(该井距根据钻井实测的煤层渗透率推测得出),并设置注水出气井,如图2所示,并在井口设置一种能够进水且能出气的封井装置。

③掏穴。在排煤水出气井的目的煤层段,利用机械的方法或流体冲击方式或爆炸方式等进行扩孔掏穴,使孔内目的煤层段形成的洞穴直径远远大于钻孔直径的钻孔,在井底形成洞穴,使之作为输送介质的通道。

图2 注水出气井

④对接。在井下工作区域,注水出气井与排煤水出气井通过流体压差或机械钻进方式,连通两井,实现井下对接。

⑤水力运移。在注水出气井连续的入水,水流冲刷两井间煤体,水力运移煤粉至排煤水出气井,并通过机械排至地面,通过煤水运移,注水出气井与排煤水出气井形成卸压空间,如图3所示。

图3 对接井水力运移卸压开采煤层气方法

⑥气、水、煤分离。排煤水出气井的井口设置有气、煤、水分离装置,如图4所示,全面搜集产出的煤层气,同时将排出的煤水混合物进行煤水分离,处理后的清水注入前述注水出气井循环使用;注水出气井的井口装置,如图5所示,既能保证顺利注水,又能保证产出煤层气的地面回收。

图4 气、煤、水分离装置

图5 注水出气井口装置

上述步骤结束后,可再设置一个注水出气井,重复对接、水力运移步骤。若煤层是近水平煤层,可以排煤水出气井为中心向四周呈辐射状分布设置多个注水出气井;若煤层是倾斜煤层,可以前述排煤水出气井为中心向高标位煤层呈半圆形分布设置多个注水出气井。若注水出气井井底已经形成半掏穴状态,可在其附近合理井距内再设置新的注水出气井,并同处于半掏穴状态的注水出气井对接,重复上述步骤。若为了加快产气速度,可以采用煤中多元气体驱替技术,对剩余煤体进行采气处理。

该方法设置排煤水出气井和多个注水出气井,并在井下实现对接,通过在注水出气井运用水流冲刷煤体进行卸压,有效降低了煤层气孔隙的压力,疏通了渗流通道,增大渗透率;同时,此方法在煤层中实现井下对接,两井之间的接触面积增大,大大提高了煤层气的开采量。

4 结论

我国煤层气藏普遍具有低压、低渗、低饱和等特性,其中低渗透率是阻碍煤层气开发的主要因素。部分地区煤层由于强烈的构造破坏而呈鳞片状或土状,渗透性极差(均在0.001md以下),但又往往是煤与瓦斯突发区,常规的开采方法难以实现煤层气经济、规模的开发。根据我国煤储层的特殊性,针对松软、低压、低渗、高瓦斯煤层,本文提出了对接井水力运移卸压开采煤层气的方法,为我国煤层气开发提供了一种新的思路。

[1] 林宗虎.煤层气——一种亟待开发利用的清洁能源[J].工业锅炉,2006,(3):1-5.

[2] 饶孟余,冯三利.煤、气一体化开采煤层气方法的探讨[J].中国煤田地质,2002,14(1):20-22,25.

[3] 王连刚,李俊乾.我国煤层气开发模式与开发技术问题探讨[J].煤炭科学技术,2010,38(04):104-107.

[4] 张小五,乔军伟.浅述提高煤层气采收率方法[J].陕西煤炭,2008,(5):24-25,10.

[5] 鲜保安等.煤层气定向羽状水平井开采机理与应用分析[J].天然气工业,2005,25(1):114-116.

[6] 李忠华,张永利,等.流体力学[M].沈阳:东北大学出版社,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)

冯立杰,河南省煤层气开发利用有限公司副总经理,河南矿山抢险救灾中心主任。

(责任编辑 桑逢云)