富油煤原位油气开发系统和方法

本发明涉及富油煤层气化，尤其涉及一种富油煤原位油气开发系统和方法。

背景技术：

1、富油煤通过中低温热解可以生产甲烷、氢气等热解气以及高品质油品等低碳或无碳的资源，具有油气转化效率高、生产成本低的优势。我国富油煤中的潜在油气资源丰富，富油煤作为我国重要的战略能源，储量巨大，采用地下原位热解转化是对富油煤“留碳取油”的主要趋势，富油煤原位热解摒弃了传统的煤炭开采方法，是直接在地下热解提油的新技术。该技术是通过注入井注入热量原位加热富油煤层，使内部有机质裂解产生油气，并通过采油工艺开采到地面的开发方式。

2、富油煤热解的产物是煤焦油和煤气，为了获得更多的油气进一步提高煤层的热解范围，需要较高的热解温度，这就要求加热技术本身能够为煤岩提供更高的温度。目前已提出的加热方式有电阻发热传导加热、热气体对流加热、原位燃烧化学加热以及微波辐射加热。其中，电阻发热传导加热是利用电阻或导电介质发热，以热传导方式加热岩层，但由于煤层导热系数极低，热量传递慢，并且地下水等复杂环境对加热干扰大，难以满足工业生产要求；热气体对流加热是用高温空气或水蒸气对煤岩进行加热，但注入井和井身设备受高温影响无法长期稳定工作，且热量输送过程损失大；以原位燃烧为代表的化学加热反应边界难以管理，控制工艺复杂；微波辐射加热技术成熟度低，且射频频率较高，加之煤岩介电常数过低，导致辐射加热范围有限。综合来看，富油煤面临煤导热系数低、地下原位热解环境复杂和原位热解效率低的问题，亟需一种高效、稳定、操作性强的富油煤热解系统及方法。

3、在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种富油煤原位油气开发系统和方法，高效、稳定、操作性强的开发富油煤层。为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

2、本发明的一种富油煤原位油气开发系统包括：

3、生产井，自地面朝富油煤层由定向钻孔的方式向下延伸且进入富油煤层中；

4、注入井，自地面朝富油煤层由定向钻孔的方式向下延伸且与生产井贯通，注入井间隔生产井，钻孔在富油煤层中延伸到生产井形成反应通道；

5、悬挂式注入管，其上端设于注入井井口，下端延伸到所述富油煤层中的钻孔直到连通所述生产井；

6、柔性注入管，其安装于悬挂式注入管内，柔性注入管的上端位于地面且柔性注入管随悬挂式注入管延伸至富油煤层中，柔性注入管经由地面驱动装置在悬挂式注入管中移动；

7、柔性采出管，其安装于生产井内，柔性采出管的上端位于地面且下端延伸至富油煤层中，柔性采出管经由地面采出驱动装置在钻孔中移动；

8、等离子发生器，其安装于柔性注入管下端的端部以随柔性注入管移动而移动，所述等离子发生器包括，

9、等离子发生器本体，其固定连接柔性注入管，

10、阳极，其设于所述等离子发生器本体的底部，所述阳极经由阳极接线柱连接电源阳极，

11、阴极，其设于所述等离子发生器本体中且相对地间隔所述阳极布置，所述阴极经由阴极接线柱连接电源阴极，

12、工作介质气体注入口，其设于所述等离子发生器本体远离所述底部的顶端，以将工作介质气体输送到阴极与阳极之间以等离子化生成工作介质气体粒子，工作介质气体包括氮气和氢气，其中，等离子化的氮气或氢气粒子与富油煤层热解反应产出包含半焦层的油气产品，以及工作介质气体注入口切换注入氢气输送到阴极与阳极之间以生成等离子化的氢气粒子，其与所述半焦层进行半焦加氢气化反应生成甲烷气体。

13、所述的一种富油煤原位油气开发系统中，所述等离子发生器本体内设有连接所述工作介质气体注入口的气体旋流器以将均匀分布工作介质气体。

14、所述的一种富油煤原位油气开发系统中，所述等离子发生器本体还包括阳极冷却水入口和阳极冷却水出口，所述阳极的下侧连接阳极冷却水入口以导入冷却水进水，阳极的上侧连接阳极冷却水出口排出冷却水回水，构成下进上出的冷却水排布形式。

15、所述的一种富油煤原位油气开发系统中，所述等离子发生器本体还包括阴极冷却水入口和阴极冷却水出口，所述阴极连通阴极冷却水入口和阴极冷却水出口。

16、所述的一种富油煤原位油气开发系统中，所述阴极与阴极接线柱经由中空管道连接，阴极冷却水入口设于中空管道远离阳极的一端，阴极冷却水出口设于中空管道远离阳极的底部，阴极冷却水进水管穿入所述中空管道且阴极冷却水进水管一端连接所述阴极冷却水入口，另一端深入所述阴极与阴极之间保持空隙1-10 mm，冷却水进水返回至阴极冷却水进水管与中空管道之间的环形空间，环形空间连通所述阴极冷却水出口排出冷却水回水。

17、所述的一种富油煤原位油气开发系统中，阳极冷却水入口、阳极冷却水出口、阴极冷却水入口和阴极冷却水出口均连通冷却水进出水管，冷却水进出水管在柔性注入管内延伸并分别连通地面上的冷却水注入口和回水口，阳极接线柱和阴极接线柱均连接等离子发生器电缆，等离子发生器电缆在柔性注入管内延伸并连通地面上的电源，所述工作介质气体注入口连接工作介质气体注入管，工作介质气体注入管在柔性注入管内延伸并连通地面的氮气储罐和氢气储罐。

18、所述的一种富油煤原位油气开发系统中，所述注入井和生产井分别还包括，

19、表层套管，其上端连接于地面，下端在地面以下自由悬挂，

20、生产套管，其设置于表层套管内部，生产套管上端连接于地面，下端在地面以下自由悬挂且延伸到富油煤层。

21、所述的一种富油煤原位油气开发系统中，所述悬挂式注入管和柔性注入管之间间隙设置了辅助口，辅助口可控地将惰性气体输送至钻孔中进行吹扫以在热解反应前空气置换。

22、一种富油煤原位油气开发系统的开发方法包括，

23、步骤1，工作介质气体注入口可控地注入氮气到阴极和阳极之间，设置等离子发生器电流参数、阴极进水回水流量和阳极进水回水流量，启动等离子发生器以等离子化生成等离子化的氮气粒子，等离子化的氮气粒子与富油煤层热解反应产出包含半焦层的油气产品，阳极冷却水入口和阴极冷却水入口分别将冷却水导入阳极和阴极以进行冷却，在等离子发生器运行过程中，基于阴极回水温度和阳极回水温度调整阴极进水流量和阳极进水流量，避免等离子发生器温度超过预定温度，

24、步骤2，油气产品经由生产井输出，根据生产井出口的油气流量和组分变化，逐渐提高等离子发生器氮气流量和电流，使之满负荷运行，当流量小于预定流量值，判断热解反应结束，关闭等离子发生器电源，将等离子发生器电流输入参数设置为0，保留冷却水进水流量，工作介质气体注入口切换成注入氢气，设置等离子发生器电流参数，启动等离子发生器电源，氢气输送到阴极与阳极之间以生成等离子化的氢气粒子，其与所述半焦层进行半焦加氢气化反应生成甲烷气体，甲烷气体经由生产井输出，根据生产井出口的甲烷气体流量变化，逐渐提高等离子发生器氮气流量和电流，使之满负荷运行，当甲烷气体流量小于预定甲烷气体流量值，判断半焦加氢气化反应结束，关闭等离子发生器；

25、步骤3，地面驱动装置移动柔性注入管预定距离以及地面采出驱动装置移动柔性采出管预定距离，重复步骤1-2直至结束富油煤油气开发任务。

26、所述的方法中，等离子发生器电源的实际电流与预定电流相差±10a以内，则等离子发生器启动起弧成功，如实际电流为零或者低于预定电流，则起弧失败，重复等离子发生器启动操作。

27、在上述技术方案中，本发明提供的一种富油煤原位油气开发系统，具有以下有益效果：提出等离子热解气化两阶段工艺和双定向井采收工艺，针对富油煤导热系数低、地下原位热解环境复杂的特点以及面临的原位热解效率低的问题，对传统的富油煤原位热解方法进行改进，改进后可为富油煤提供高效、稳定、操作性强的油气转化方法。热解气化两阶段工艺首先采用等离子体产生的高焓值高能量密度活性粒子，对煤岩的加热以辐射加热和对流传热为主对煤层快速加热，产生轻质油品和氢气、甲烷为主的热解气体，再使用氢气等离子体，对热解半焦进行加氢气化反应，将半焦转化为甲烷气体，进一步提高油气收率。地下水以及冒落的煤岩不影响等离子发生器工作状态，保障了生产稳定性。双定向井可使等离子体发生器和油气采出管可控移动，实现了煤层热解边界可控以及高油气采收率。等离子发生器是电气控制，启停方便，原位热解操作性极强。系统性地解决了富油煤热解难题，可高效地将煤炭转化为油气产品，减少了采矿和地面煤炭转化生产安全和地表、环境破坏。