注氮增产煤层气的压力控制程序和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种注氮增产煤层气的压力控制程序和方法。具体地，本发明涉及一 种从一口或多口与煤层连通的井（以下简称为"注氮井"）向煤层注入氮气，促进烃类气体 解吸，从与煤层连通的多口井（以下简称为"生产井"）采集产出的烃类气体以及烃类气体 与氮气的混合气体，增解增产煤层气时，使用的压力控制程序和方法。
【背景技术】
[0002] 煤层气是煤层中的可燃性烃类气体，又称为瓦斯，其主要成分是甲烷。煤层气既是 天然气清洁能源，又是导致煤矿瓦斯突出和爆炸的原因。据报道，在煤炭资源丰富的中国、 美国、加拿大、澳大利亚等国家，煤层气资源量大于或相当于常规天然气资源量。煤层气是 人类重要的新的清洁能源。
[0003] 95%以上的煤层气以吸附态赋存在煤层中，呈液体薄膜附着在微孔隙表面，不能 自由移动，另有不到5%的煤层气以自由态赋存在孔隙、割理、裂隙空间中。当前开发煤层气 的主流技术是"钻井-压裂-排水-降压-采气"技术模式，依靠压裂增大煤层渗透率，依靠 排水降低煤层压力促进煤层气解吸。但是，大多数煤层的原始渗透率小于1毫达西，并且力 学强度小，压裂增加渗透率的效果不明显。此外，如果煤层力学强度小，由于煤层的塑性特 征，压裂增大渗透率的效果不能持久；如果煤体结构受成煤期后地质构造运动影响而破坏， 煤粉严重，那么，压裂增大渗透率的效果也不能持久。尽管煤层气资源量巨大，2013年世界 煤层气资源量超过260万亿立方米，远大于世界常规天然气探明储量187万亿立方米，但是 世界煤层气产量微乎其微，2013年世界煤层气总产量不到700亿立方米，仅仅是世界常规 天然气产量3. 38万亿立方米的2. 1 %。煤层气储量如此之大而产量如此之低，是因为当前 使用的"钻井-压裂-排水-降压-采气"技术模式只能开发少数渗透率高、力学强度适中 的优质煤层气储层，不适用于绝大多数煤层气储层。因此，需要发展新的煤层气开发技术。
[0004] Puri和Stein提出一种增产煤层气的方法，该方法从一口注氮井向煤层注入惰 性气体，例如，氮气，从一 口或多口生产井获得煤层气，能够提高煤层气产量（参见Rajen Puri and Michael H. Stein，1988 年，Method of coalbed methane production，美国专利 号4883122)。该专利方法要求"注氮压力充分地保持恒定不变（wherein the injection pressure is maintained substantially constant.) "，"注氮压力小于煤层气储层破裂压 力但是大于煤层气储层的初始压力（wherein the inert gas is injected at a pressure less than reservoir parting pressure but greater than initial reservoir pressure.) "。
[0005] 虽然在理论上向煤层注入的气体可以是任何惰性气体或不与煤层发生化学反应 的气体，但是在实践上向煤层注入的气体常常是高纯度氮气和以氮气为主要成分的混合气 体，例如，烟囱气、高炉气等。这主要是因为：（1)获得高纯度氮气的成本低廉，而获得其他 惰性气体或不与煤层发生化学反应的气体的成本相对昂贵。（2)由于烟肉气、高炉气的主要 成分是氮气和CO 2，向煤层注入烟肉气、高炉气，在增产煤层气的同时，又有碳埋藏、抵消二 氧化碳排放量的双重益处。但是，煤层对CO2的吸附能力强，煤层吸附大量CO 2后对采煤的 危害很大，因此，注烟肉气、高炉气不能应用于可开采煤层，而应当应用于埋藏深度大的不 可米煤层。
[0006] Puri和Stein的专利方法要求"注气压力充分地保持恒定不变"，"惰性气体被以 小于煤层气储层破裂压力但是大于煤层气储层的初始压力的压力注入（煤层）"。Puri和 Stein的专利方法没有被世界煤层气行业使用，原因之一是，实际上，该专利方法对注氮压 力的要求仅适用于渗透率高的优质煤层气储层，对绝大多数煤层气储层是不正确的，无法 实施的。
[0007] 本发明提供的注氮增产煤层气的压力控制程序和方法适用于任意煤层，使被注入 的氮气进入煤层内部，扫过注氮井与生产井之间的全部煤层，使氮气进入煤层微孔隙，促使 吸附态煤层气解吸，并驱排解吸后的自由态煤层气至生产井，达到增产煤层气之目的。
【发明内容】
[0008] 本发明涉及一种注氮增产煤层气的压力控制程序和方法。具体地，本发明涉及一 种从一口或多口与煤层连通的注氮井向煤层注入氮气，促进烃类气体解吸，从多口与煤层 连通的生产井采集产出的烃类气体以及烃类气体与氮气的混合气体，增解增产煤层气时， 使用的压力控制程序和方法。
[0009] 本发明是采用以下技术手段实现的：
[0010] 本发明涉及一种注氮增产煤层气的压力控制程序和方法。具体地，本发明涉及一 种从一口或多口与煤层连通的注氮井向煤层注入氮气，促进烃类气体解吸，从多口与煤层 连通的生产井采集产出的烃类气体以及烃类气体与氮气的混合气体，增解增产煤层气时， 使用的压力控制程序和方法，以达到使被注入的氮气进入煤层内部，扫过注氮井与生产井 之间的全部煤层，使氮气进入煤层微孔隙，促使吸附态煤层气解吸，并驱排解吸后的自由态 煤层气至生产井，达到增产煤层气之目的。
[0011] 具体的压力控制步骤、流程和方法如下：
[0012] (a)在注氮初始阶段、过渡阶段、稳定阶段，根据需要，使用不同的注氮压力；
[0013] (b)根据煤层气储层渗透率，使用不同的注氮压力；
[0014] (C)监测生产井井口压力、氮气百分含量；
[0015] (d)对高渗透率煤层气储层，在初始阶段和过渡阶段，必要时憋压，使注氮压力大 于初始储层压力并且大于煤层静水压力；
[0016] (e)对高渗透率煤层气储层，在出现氮气百分含量异常井时，在保持注氮速率的前 提下，选择性减小异常井排气量，或者降低注氮压力，或者同时减小异常井排气量并降低注 氮压力；
[0017] (f)对高渗透率煤层气储层，在出现氮气百分含量异常井时，在降低注氮压力至小 于初始储层压力并且小于静水压力后，如果氮气百分含量异常井数量继续增加或氮气百分 含量随时间的变化的速率不减小或继续异常地变大，转换使用低压振荡加压模式；
[0018] (g)对低渗透率煤层气储层，在保持预定注氮速率和注氮压力远小于煤层气储层 顶板和底板围岩破裂压力的前提下，使用尽可能小的注氮压力；
[0019] (h)对低渗透率煤层气储层，在初始阶段和过渡阶段，在注氮压力大于煤层破裂压 力并且远小于煤层气储层顶板和底板围岩破裂压力但是注氮速率仍然小于预定注氮速率 的情况下，转换使用高压振荡加压模式；
[0020] (h)对低渗透率煤层气储层，在出现氮气百分含量异常井时，降低注氮压力，或者 选择性减小氮气百分含量异常井排气量，或者同时降低注氮压力并减小氮气百分含量异常 井排气量；
[0021] (i)对低渗透率煤层气储层，在出现氮气百分含量异常井时，在降低注氮压力至小 于煤层破裂压力则注氮速率小于预定注氮速率，升高注氮压力到远小于煤层顶板和底板围 岩破裂压力则氮气百分含量异常井数量增加或氮气百分含量随时间的变化的速率继续异 常地变大的情况下，转换使用高压振荡加压模式；
[0022] (j)在注氮增解增产整个生产期内，按照图3的逻辑判断流程，根据注氮井的注氮 压力、注氮速率、生产井的井口压力、产气量、氮气体积百分含量的变化，做出判断，根据判 断调整注氮压力、生产井排气量。
[0023] 本发明与现有技术相比，具有以下明显的有益效果和优势：
[0024] 使用本发明方法提供的注氮增产煤层气的压力控制程序和方法适用于任意煤层 气储层，只要煤层有足够大的含气量。
[0025] 世界煤层气储量巨大，而产量很低，是因为当前使用的煤层气开发技术能够开发 最优质的煤层气储层，不适用于绝大多数煤层气储层。本发明提供的技术能够开发大多数 煤层气储层，使巨量煤层气资源造福人类。
【附图说明】
[0026] 图I (a)是高渗透率煤层气储层煤样品的照片，图（b)和（c)是低渗透率煤层同一 个煤样品不同角度的照片。图1的照片比较了高、低渗透率煤层气储层割理、裂隙发育程度 的巨大差异，这是煤层气储层渗透率差别的原因，也是确定注氮压力控制程序、选择压力控 制方法的依据之一。
[0027] 图2 (a)和图2 (b)分别是是液体、气体在连通岩石孔隙的孔道中渗流流速断面示 意图。该图证明，由于滑脱滑脱效应，管壁处气体分子参与流动，相当于增大了孔道流动空 间，因此，气体在煤层中的渗透率匕大于煤层的绝对渗透率K，当然地远大于液体在煤层中 的渗透率I。
[0028] 图3是注氮压力控制流程图。
【具体实施方式】
[0029] 以下结合【具体实施方式】，对本发明做进一步说明。
[0030] 本发明所述的"氮气"是高纯度氮气和以氮气为主要成分的气体。高纯度氮气是 氮气体积百分含量大于95%的气体。以氮气为主要成分的气体是氮气体积百分含量大于 50 %的混合气体，例如，烟囱气、高炉气。
[0031] 注氮增产煤层气的关键是如何使被注入的氮气进入煤层内部，扫过注氮井与生产 井之间的全部煤层，使氮气进入煤层微孔隙，促使吸附态煤层气解吸，并驱排解吸后的自由 态煤层气至生产井。这个"促解驱排"作用促使煤层气解吸和从注氮井向生产井运移，到达 生产井井口被采集。注氮压力必须足够大，至少必须大于初