[发明专利]深层煤气化天然气开发体系

说明书

技术领域

煤田开发和天然气开发。

背景技术

  水平钻井技术，随钻对接技术，三维地震勘探技术，四维地震勘探技术，井间地震勘探技术。

发明内容

开发对象：地层深部煤田。地层深度大于500米，目前采煤技术难以达到深部煤田。

 开发方式：将两井对接，形成“U”形通风井。先通空气将深部煤层点燃，升温，然后再通高温、高压水蒸气，让水蒸气与煤反应气化成天然气开采。与目前常规机械采煤不同，采出的是天然气，不是煤。与地面气化天然气技术不同，天然气是在地层中直接气化。不用采煤也不用建气化厂。与废弃矿井气化天然气不同，第一，煤层是原始煤炭，不是机械开发后的残余煤炭；第二，深度大；第三，燃烧室不是废弃巷道，是井孔；第四，也是最重要的一点高压气化，压力一般大于100个大气压，以保证产出的甲烷，而不是水煤气。

原理：在高温高压条件下碳与水蒸气反应形成二氧化碳和甲烷，化学平衡两边的气体分子各两个，左边2个水汽分子，右边1个甲烷和一个二氧化碳。体积基本不变，还减少了很少很少一点点，因为煤炭气化了。

  2C + 2H₂O = CO₂+ CH₄

在高温常压条件下碳与水蒸气反应形成一氧化碳和氢气，化学平衡两边的气体分子增加一倍，左边2个水汽分子，右边1个甲烷和一个二氧化碳。

  C + H₂O = CO+ H₂

油气勘探实践表明，岩石封闭强度很高，超高压气田气体压力是静水压力的2倍以上。岩石破裂力范围一般是静水压力的1.5-2.3倍。破裂压力的高低与岩石的成岩程度和围压有关，中国的煤层基本为中生界和古生界煤层，岩石老，成岩程度，围岩破裂压力高。深部地层围压大，破裂压力高。较浅的煤层围压也是曾经深埋过的，虽然绝对值降低，但相对静水压力比值升高。 一般情况下500米以上的煤层围岩破裂压力均大于100大气压。能够满足地下高温高压煤层气化天然气条件。

开发体系由以下系统组成：

1. 钻井对接系统

在三维地震勘探和探井已经确认了煤层空间展布的条件下。用随钻测井技术（LWD）沿煤层钻水平井。用随钻对接技术（JWD）实现两井直接对接（内容详见JWD钻井技术专利申请，申请号为201010299101.5）。

2. 气化监测系统

煤层气化的结果会导致井孔加大。常压下岩石的强度可以支撑直径大于1米的巷道。高压对巷道的支撑可以使这个巷道更大。空气波阻抗比地层小很多，所以它们之间是一个很强的反射界面。地震分辨率与地震波长有关，地震可探测1/16波长的巷道存在，能够确认1/4波长的巷道尺寸。现在地面地震（附图1）在1000米的主频可以达到100HZ，1/4波长大约1米左右。所以煤层气化形成的直径1米以上的巷道就可以通过地面地震探测。按特定时间间隔连续进行三维地震勘探——四维地震勘探就可以检测煤层的气化过程。如果利用井间地震缩短距离可以提高接收频率，实现更高精度监测。

3. 气化控制系统

 通过控制入口水蒸气的流量、温度和压力，以及出口的流量和压力控制煤层的气化范围及其温度压力，这样就能控制煤层的气化速度和范围，以及气化后顶板陷落范围和速度。流量、温度和压力越大，气化速度越快。气化慢陷落慢，压力高陷落慢。根据煤层气化监测的结果和经验总结的理论调节出入流体参数，使煤田的可控开采。

注蒸汽井井口设备包括水管网，天然气蒸汽发生器，蒸汽增压机，蒸汽流量计、压力计和温度计。井下蒸汽流量计、压力计和温度计，井下蒸汽电力增温器。电力和通讯缆线，计算机控制系统。

采天然气井口设备包括，防喷器，采气管汇，天然气管网，天然气流量计、压力计和温度计。流量和压力控制阀门。井下天然气流量计、压力计和温度计。电力和通讯缆线，计算机控制系统。

4. 整体开发系统

矩阵式布井，工厂化接替开发。一次整体布井，批钻井，批完井，注蒸汽井与采天然气井接替向前。该片煤层采完后，采气井变为注蒸汽井，为下一口采气井注蒸汽。通常情况下煤田存在多煤层，为此整体设计，整体实施，分层分阶段开发。多个煤层一批次钻井。然后由上而下，逐层开发。下层的井先用着井间地震监测上部井气化情况。同时上部煤层燃烧提高围岩温度，使其下煤层的吸附气变为游离气，并促进了生气反应。这样下部煤层游离气压力升高与井孔之间产生巨大的流体压差，形成微裂隙为生产煤层气提供了条件。如果临近的上下地层存在富有机质页岩，也可以考虑开发页岩气使得资源全部得到利用。与普通煤层气和页岩气开发不同，通常不进行压裂，以免破坏围岩的封闭性。