一种在井下利用冷热交替作用抽采煤层气的方法与流程

本发明涉及非常规油气开采技术领域，具体是一种在井下利用冷热交替作用抽采煤层气的方法。

背景技术：

煤层气是煤的一种伴生气体，主要成分是甲烷，在煤矿中，煤层气俗称为“瓦斯”。煤层气是一种可燃性气体，它既是一种宝贵的资源，也是威胁煤矿安全生产的最大隐患。在采矿过程中，瓦斯从煤层内扩散、涌出到矿井的巷道中，当巷道中的瓦斯浓度达到爆炸界限，遇到明火时，就会造成煤矿瓦斯爆炸事故。因此被当作一种洁净能源加以开采和利用，不仅可以实现新能源的开发利用，而且还可以有效防止煤矿开采过程中的瓦斯突出所引发的矿山灾害。

目前，对于煤层气的抽采有多种方法，已公知的主要抽采方法有：煤矿巷道内的地下本煤层钻孔抽放方法和地面实施的多分支水平井抽采技术。煤矿巷道内的地下本煤层钻孔抽放方法是从煤矿井下巷道向煤层施工钻孔，并进行抽采的一项技术。该技术主要是降低煤层中的煤层气含量，保证煤矿的安全生产。地面实施的多分支水平井抽采技术是从地面向煤层垂直施工一个钻孔，钻孔进入煤层后变为水平钻孔，并由一个钻孔分成若干个钻孔，形成较大的抽采范围。该技术主要用于地面煤层气开采。因为煤対甲烷的吸附性比较强，煤层的渗透性比较低，煤层中煤层气的原始压力小，一般在0.5mpa—1.0mpa之间，因此不论上述哪种方法都不能有效抽采出煤层中的煤层气。还有一种方法为驱替技术，该技术原理是：由于煤体对二氧化碳、氮气的吸附性高于甲烷，国内外也有向煤层中注入二氧化碳、氮气等气体，以驱替出煤体中的甲烷。

煤层气属于原生气体，它是被吸附在煤体内的微小孔隙中，根据煤层气开采理论，由于煤层气压力的变化，煤层气首先解吸为游离煤层气，并逐渐由孔隙和不可渗流的微裂隙扩散到大的裂隙中，这是煤层气的扩散阶段；其次，在压力梯度的作用下，有高压力区向低压力区流动，这是煤层气的渗流阶段。在煤层气抽采过程中，这两步缺一不可。对于低渗透煤层，由于渗流阶段无法进行，因此驱替技术对于煤层气开采效果甚微。

为了增加煤层气在煤层中的渗透性，目前最常用的技术是水力压裂法，通过对煤层进行压裂，使煤层的原生裂隙得以扩展，增加了煤层气的运移通道，从而提高了煤层气的开采效率；但上述方法存在一定的局限性，因为某些特殊环境的影响，压裂的效果和效率均不太理想，而且我国水资源分布极不均匀，一些地区水资源及其短缺，而压裂过程中需要大量的水源供给；在进行压裂作业之后，所排放的压裂液对环境也造成了不同程度的影响。

目前，国内外许多学者也研究了温度对煤体中瓦斯解吸速度的影响规律。试验发现温度能够提高煤体中的煤层气解吸速度，但试验的温度范围为30℃—70℃。其结果对于快速、高效开采煤层气没有产生特别影响。因此，也未提出相应的工业技术方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述煤层气抽采方法的不足，提供一种在井下利用冷热交替作用抽采煤层气的方法，该方法对在井下低渗透煤层中抽采煤层气效果显著。该方法利用红外热源对煤层进行加热，然后利用液氮进行骤冷，使煤层原生裂隙得到大范围扩展，液氮汽化，高温作用下，氮气能够降低煤对煤层气的吸附性，加快煤层气的解吸速度，由于加热和游离气体增多，增大了煤层气压力，同时，对煤体进行冷热交替作用后，加热后煤层产生许多新的裂缝，增大煤层的渗透性，从而提高了抽采率和抽采速度，能够更有效的进行煤层气抽采。该方法能够有效的进行煤层气抽采，加快煤层气抽采速度和提高抽采率。

本发明的一种在井下利用冷热交替作用抽采煤层气的方法，按以下步骤进行：

步骤1，在煤层中建立一个井网

从地面进行竖直钻井，布置井网，钻井的井深直至煤层，井口数≥2，垂直钻井进入煤层后，煤层段下筛管套管，煤层以上下隔热套管，并进行相应固井；

其中，布置的井网中，至少一口井作为工作井，其作用为实施冷热交替作用；其他井作为采气生产井，其作用为采集煤层气；

步骤2，加热

将热源从工作井中下入到煤层中，热源温度调至380～450℃，对煤层进行加热，待煤层温度≥350℃，停止加热；

所述的热源为电磁热源，其具有瞬时升温特性；

步骤3，制冷

通过工作井，向煤层中注入液氮，液氮的注入量根据地质条件和煤体特征不同而定，液氮汽化后，制冷结束；

步骤4，冷热交替

重复步骤2和步骤3多次，让煤层一直处于冷热交替作业状态中，在采气生产井抽采煤层气。

所述的步骤1中，所述的钻井，其间隔距离为100～500m，井网布置可以单排或者多排分布。

所述的步骤1中，工作井至少为一个，当工作井为多个时，能有效实现井网连通和加快煤层气的采收效率。

所述的步骤1中，所述的煤层以上下隔热套管，具体为煤层以上的煤层顶板上覆岩层段下隔热套管。

作为优选，所述的步骤2中，所述的电磁热源为红外热源。

所述的步骤2中，电磁热源由于其特殊的电磁特性和瞬间升温的特性，黑色物质对其热量具有较好的吸收能力，因此热能在煤层中能够进行较快传播，提高加热效率。

所述的步骤3中，所述的液氮不仅对煤层有致裂特性，其汽化后氮气能够提高煤层气的解吸运移效率。

所述的步骤4中，所述的煤层冷热交替作用中，当煤层渗透率较低，在建立井网时，井网并未连通，在步骤4中，将工作井中的冷热交替作业时间延长，直至井网连通。

所述的步骤4中，所述的采气生产井抽采煤层气，具体为采气生产井进行排水降压抽采含有煤层气的混合气体，然后采用公知的混合气体分离方法，即可得到气态的煤层气，实现混合气体分离。

所述的步骤4中，所述的煤层冷热交替作业过程中，步骤2的加热和步骤3的制冷均对煤层具有致裂作用，冷热交替作用能对煤层形成双重致裂效果，能够提高煤层的损伤效率。

所说的步骤4中，所述的煤层冷热交替作业过程中，在步骤2的加热和步骤3的注入液氮过程中均无氧气参与，能够有效防止因为高温煤层出现自燃现象。

本发明采用的在井下利用冷热交替作用抽采煤层气的方法，其原理为，在煤层达到一个高温的情况下，加入液氮，从而加速煤层原生裂隙的扩展以及煤层气的运移速率。因为煤层被加热后，其中吸附的瓦斯将迅速解吸称为游离瓦斯，气体从吸附状态变为游离状态后，气体体积迅速增大，煤层中瓦斯压力随之增大。而注入的液氮对处于高温状态的煤层有有一个骤冷作用，能够对煤层实现双重致裂效果，并且液氮在高温的作用下能够发生汽化，形成的氮气利用其较强的吸附能力能很好的实现对煤层气的解析作用以及加速煤层原生裂隙的扩展以及煤层气的运移速率。在氮气的驱动作用下，游离煤层气迅速向低于常压的采气生产井流动。最后，在采气生产井，采用公知的混合气体分离方法，即可得到气态的煤层气，实现混合气体分离。本方法能够实现迅速、高效开采煤层气的目的，加快煤层气抽采速度，提高抽采率。

本发明的一种在井下利用冷热交替作用抽采煤层气的方法，相比于现有技术，其优点在于：

1.本发明的方法可以同时选取多井作为实施冷热交替作用的工作井，从而有效实现井网连通和加快煤层气的采收效率。

2.本发明的加热和制冷均对煤层具有致裂作用，冷热交替作用能对煤层形成双重致裂效果，能够提高煤层的损伤效率。

3.本发明采用的制冷介质——液氮不仅对煤层有致裂特性，其汽化后氮气能够提高煤层气的解吸运移效率。而现有工艺中的液态水具有水锁制约煤层气产出、污染地下水和保温能力不足等缺点，而本发明采用液氮冷冻作用更明显，且由于其化学惰性，可以和煤岩体接触立即冷冻而不会破坏煤介质特性。

4.本发明采用的红外热源由于其特殊的电磁特性和瞬间升温的特性，黑色物质对其热量具有较好的吸收能力，因此热能在煤层中能够进行较快传播，提高加热效率。采用红外热源等电磁热源，其将煤层进行加热，通过sem扫描电镜分析，联通煤层孔隙和发育煤层原生裂隙作用极其明显。

5.本发明过程中，在加热和注入液氮过程中均无氧气参与，能够有效防止因为高温煤层出现自燃现象。

6.本发明通过利用红外热源对煤层进行加热，然后利用液氮进行骤冷，使煤层原生裂隙得到大范围扩展，液氮汽化，高温作用下，氮气能够降低煤对煤层气的吸附性，加快煤层气的解吸速度，由于加热和游离气体增多，增大了煤层气压力，同时，对煤体进行冷热交替作用后加热后煤层产生许多新的裂缝，增大煤层的渗透性。从而提高了抽采率和抽采速度，能够更有效的进行煤层气抽采。

附图说明

下面结合附图进一步说明本发明。

图1为本发明实施例1中，在井下利用冷热交替作用抽采煤层气的井网布置图，其中，(a)为井网布置图的俯视图，(b)为沿图(a)中a-a线的剖视图。

图2为未加热的煤层不同放大倍数的sem图，其中，(1)放大倍数100×，(2)放大倍数200×，(3)放大倍数500×。

图3为本发明实施例1，采用红外加热煤层的不同放大倍数的sem图，其中，(4)放大倍数100×，(5)放大倍数200×，(6)放大倍数500×。

图4为本发明实施例2中，在井下利用冷热交替作用抽采煤层气的井网布置图，其中，(c)为井网布置图的俯视图，(d)为沿图(c)中b-b线的剖视图。

以上图1和图4中，1-工作井，2-采气生产井，3-隔热套管，4-筛管套管，5-煤层顶板上覆岩层，6-煤层，7-煤层底板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

一种在井下利用冷热交替作用抽采煤层气的方法，按以下步骤进行：

步骤1，在煤层中建立一个井网

从地面进行竖直钻井，布置井网，其井网布置图见图1，图1中，(a)为井网布置图的俯视图，(b)为沿图(a)中a-a线的剖视图，钻井间隔距离为300m，钻井的井深直至煤层6，井口数为5，其中，垂直钻井进入煤层6后，煤层6段下筛管套管4，煤层6以上的煤层顶板上覆岩层5段下隔热套管3，并依据规范要求进行相应固井；

固井后，在布置的5口井的井网中，选一口井作为工作井1，其作用为实施冷热交替作用；其他井作为采气生产井2，其作用为采集煤层气；

对布置的井网中煤层进行sem扫描分析，其不同放大倍数的sem图见图2中的图(1)、(2)、(3)；

步骤2，加热

将作为热源的红外加热装置从工作井1中下入到煤层6中，利用红外热源的瞬时升温特性，将红外热源的温度调至400℃，对煤层进行持续加热，待煤层温度≥350℃，停止加热；

加入的红外加热装置作为热源，其具有特殊的电磁特性和瞬间升温的特性，黑色物质对其热量具有较好的吸收能力，因此热能在煤层中能够进行较快传播，提高加热效率。

对加热后的煤层进行sem扫描分析，其不同放大倍数的sem图见图3中的图(4)、(5)、(6)；通过与未加热的煤层的sem图进行分析，得到经过加热后的煤层，其联通煤层孔隙和发育煤层原生裂隙作用极其明显。

步骤3，制冷

通过工作井1，向煤层6中注入液氮，液氮的注入量根据地质条件和煤体特征不同而定，液氮汽化后，制冷结束；

所述的液氮不仅对煤层有致裂特性，其汽化后氮气能够提高煤层气的解吸运移效率。

步骤4，冷热交替

液氮汽化后，再次用红外加热装置作为热源对煤层6进行加热重复步骤2，当煤层温度≥350℃，进行步骤3，多次对步骤2和步骤3进行重复，让煤层一直处于冷热交替作业状态中，对采气生产井进行排水降压抽采含有煤层气的混合气体，然后采用公知的混合气体分离方法，即可得到气态的煤层气，实现混合气体分离。

实施例2

一种在井下利用冷热交替作用抽采煤层气的方法，按以下步骤进行：

步骤1，在煤层中建立一个井网

从地面进行竖直钻井，布置井网，其井网布置图见图4，图4中，(c)为井网布置图的俯视图，(d)为沿图(c)中b-b线的剖视图，钻井间隔距离为500m，钻井的井深直至煤层6，井口数为14，其中，垂直钻井进入煤层6后，煤层6段下筛管套管4，煤层6以上的煤层顶板上覆岩层5段下隔热套管3，并依据规范要求进行相应固井；

固井后，在布置的14口井的井网中，选其中2口井作为工作井1，其作用为实施冷热交替作用；其他井作为采气生产井2，其作用为采集煤层气；

此处，工作井为2个时，能有效实现井网连通和加快煤层气的采收效率。

步骤2，加热

将作为热源的红外加热装置从工作井1中下入到煤层6中，利用红外热源的瞬时升温特性，将红外热源的温度调至450℃，对煤层进行持续加热，待煤层温度≥350℃，停止加热；

加入的红外加热装置作为热源，其具有特殊的电磁特性和瞬间升温的特性，黑色物质对其热量具有较好的吸收能力，因此热能在煤层中能够进行较快传播，提高加热效率。

步骤3，制冷

通过工作井1，向煤层6中注入液氮，液氮的注入量根据地质条件和煤体特征不同而定，液氮汽化后，制冷结束；

所述的液氮不仅对煤层有致裂特性，其汽化后氮气能够提高煤层气的解吸运移效率。

步骤4，冷热交替

液氮汽化后，再次用红外加热装置作为热源对煤层6进行加热重复步骤2，当煤层温度≥350℃，进行步骤3，多次对步骤2和步骤3进行重复，让煤层一直处于冷热交替作业状态中，煤层6渗透率较低，井网并未连通，此时将工作井中的冷热交替作业时间延长，直至井网连通。对采气生产井进行排水降压抽采含有煤层气的混合气体，然后采用公知的混合气体分离方法，即可得到气态的煤层气，实现混合气体分离。

实施例3

一种在井下利用冷热交替作用抽采煤层气的方法，按以下步骤进行：

步骤1，在煤层中建立一个井网

从地面进行竖直钻井，布置井网，钻井间隔距离为100m，钻井的井深直至煤层6，井口数为3，其中，垂直钻井进入煤层6后，煤层6段下筛管套管4，煤层6以上的煤层顶板上覆岩层5段下隔热套管3，并依据规范要求进行相应固井；

固井后，在布置的3口井的井网中，选其中1口井作为工作井1，其作用为实施冷热交替作用；其他井作为采气生产井2，其作用为采集煤层气；

步骤2，加热

将作为热源的红外加热装置从工作井1中下入到煤层6中，利用红外热源的瞬时升温特性，将红外热源的温度调至380℃，对煤层进行持续加热，待煤层温度≥350℃，停止加热；

加入的红外加热装置作为热源，其具有特殊的电磁特性和瞬间升温的特性，黑色物质对其热量具有较好的吸收能力，因此热能在煤层中能够进行较快传播，提高加热效率。

步骤3，制冷

通过工作井1，向煤层6中注入液氮，液氮的注入量根据地质条件和煤体特征不同而定，液氮汽化后，制冷结束；

所述的液氮不仅对煤层有致裂特性，其汽化后氮气能够提高煤层气的解吸运移效率。

步骤4，冷热交替

液氮汽化后，再次用红外加热装置作为热源对煤层6进行加热重复步骤2，当煤层温度≥350℃，进行步骤3，多次对步骤2和步骤3进行重复，让煤层一直处于冷热交替作业状态中，对采气生产井进行排水降压抽采含有煤层气的混合气体，然后采用公知的混合气体分离方法，即可得到气态的煤层气，实现混合气体分离。