一种富油煤地下原位转化综合利用方法

技术领域

本发明属于非常规能源技术领域，具体涉及一种富油煤地下原位转化综合利用方法。

背景技术

富油煤不仅是煤，更是一种煤基油气资源。富油煤地下原位转化技术是实现高碳资源低碳化开发的重要方向，变物理采煤为化学采煤，变矿井采煤为钻井采煤，变采煤为采油气，是实现煤炭低碳、绿色、安全、高效开发的重要手段，相较于传统的井工开采和地面热解工艺，具有占地面积小、环境污染小、投资小、安全系数高、有效解决深部资源利用等问题。

富油煤地下原位转化时煤层游离水会对热解区造成一定影响，主要体现在降低热效率、污染物扩散不易控制、油气产物采收率低、能耗高、收益率低的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种富油煤地下原位转化综合利用方法，以解决背景技术提到的问题。

为达上述目的，第一方面，本发明提供了一种富油煤地下原位转化综合利用方法，包括以下步骤：

S1：在富油煤热解区块煤层顶板的上方施工注热井一、开采井一、注热井二与开采井二，所述注热井一、开采井一、注热井二与开采井二下端均钻进至煤层底板内，然后在富油煤热解区块施工水平井一将注热井一与开采井一连通，在富油煤热解区块施工水平井二将注热井二与开采井二连通，最后对注热井一、开采井一、水平井一、注热井二、开采井二与水平井二下入套管进行固井作业；

S2：在富油煤热解区块边缘的煤层顶板上方施工若干注浆井，注浆井下端均钻进至煤层底板内，若干注浆井将富油煤热解区块围合，钻井完成后下入套管进行固井作业；

S3：对所有井段进行常规射孔作业，在富油煤热解区块段，对两相邻注浆井、注热井一与注热井二、开采井一与开采井二、水平井一与水平井二之间进行定向射孔；

S4：射孔完成后，对所有井段进行造缝作业；

S5：对注浆井进行注浆作业；

S6：注浆体终凝后进行原位热解作业。

进一步的，在步骤S4之前安装注热井一与注热井二、开采井一与开采井二的井口，并在各个井口上安装环空阀。

进一步的，步骤S4具体包括如下步骤：

S401：向各注浆井中注满水，在各注浆井中依次下入可控冲击波装置，依次对各注浆井的煤层段进行造缝作业，通过裂缝将各井连接，各注浆井的造缝半径不小于相邻注浆井的间距；

S402：注浆井造缝完成后，向注热井一、水平井一、开采井一，注热井二、水平井二、开采井二中注满水，依次对注热井一、开采井一，注热井二、开采井二的富油煤热解区块段以及水平井一、水平井二的各点位进行造缝作业；

S403：造缝作业完成后，进行地层排水作业。

进一步的，注浆开始前，在地面圈定监测条带，用于监测注浆体的空间扩散范围，在地面监测边界线范围采用高密度电阻率法测定富油煤层的初始电阻率数据，并根据富油煤层初始电阻率对浆体的电阻率进行调节，增大浆体与富油煤层初始电阻率的差异；

注浆开始后，对地层进行高密度电阻率法监测，实时与富油煤层初始电阻率进行对比，推断注浆体的扩散范围，并根据对比数据对注浆参数进行调节。

进一步的，所述地层排水作业包括如下步骤：

首先在各注浆井、注热井一、注热井二、开采井一、开采井二中下入注浆管、注气管，然后从注热井一、注热井二、开采井一、开采井二注入加压空气，地层中的水从各注浆井依次排出，然后再从各注浆井注入加压空气，地层中的水依次从注热井一、注热井二、开采井一、开采井二排出。

进一步的，步骤S6具体包括如下步骤：

S601：从注热井一中向水平井一下入第一封隔器，并启动第一封隔器，然后向注热井一下入井下电加热器一，将采出管一、花管一、第二封隔器依次连接，再将第二封隔器下放至水平井一靠近注热井一一端，并启动第二封隔器；

S602：从注热井二中向水平井二下入第三封隔器，并启动第三封隔器，然后向注热井二下入井下电加热器二，将采出管二、花管二、第四封隔器依次连接，再将第四封隔器下放至水平井二靠近注热井二一端，并启动第四封隔器；

S603：对注热井一与开采井一连线上的富油煤区块进行热解，并通过采出管一将热解产物输送至地面；

S604：对注热井二与开采井二连线上的富油煤区块进行热解，并通过采出管二将热解产物输送至地面；

S605：对注热井一、开采井二连线上的富油煤区块进行热解，并通过采出管二将热解产物输送至地面；

S606：对注热井二、开采井一连线上的富油煤区块进行热解，并通过采出管一将热解产物输送至地面。

进一步的，该方法还包括步骤S7：首先向注热井一、注热井二中注入空气，分别启动井下电加热器一和井下电加热器二，将热解后的富油煤层点燃；

然后通过开采井一、开采井二的产物组分监测热解后的煤层燃烧情况，当煤层点燃后，将空气切换为混合气，所述混合气组分包括O

进一步的，所述采出管一、采出管二均为具有加热功能的保温管。

进一步的，在注浆停止后，向注热井一、注热井二、开采井一、开采井二注入加压空气，所述加压空气压力大于井内空气初始压力，用于防止浆体在注浆停止后继续流动。

进一步的，再次地下原位转化时，首先计算富油煤地下原位转化生产过程中的月投入费用，根据热解产物的量计算富油煤地下原位转化生产过程中的月获收益；然后根据所述月投入支出费用和所述月获收益，计算富油煤地下原位转化生产过程中的月利润；最后根据富油煤地下原位转化生产过程中的月利润对地下原位转化工艺参数进行月度调整。

本发明的优点是：

1.本发明提供的这种富油煤地下原位转化综合利用方法，通过在富油煤热解区块煤层段形成一层连续的注浆体，阻断热解区和外围地层的水力联系，解决富油煤地下原位转化时受地层水侵入影响加热效率、同时也可防止热解污染物向外围地层扩散。

2.本发明提供的这种富油煤地下原位转化综合利用方法，通过水平井与封隔器联合使用，可以防止重质煤焦油堵塞地层，提高热解产物采收率。

3.本发明提供的这种富油煤地下原位转化综合利用方法，通过注浆井与注热井、开采井交替作为加压空气注入井、排水井，可提高热解区地层水的驱离效果。

4.本发明提供的这种富油煤地下原位转化综合利用方法，通过氧气与热解后的煤反应，降低富油煤地下原位转化工艺的能量消耗。

5.本发明提供的这种经济性评价方法，可以对富油煤地下原位转化方法的经济效益进行月度评价，可监测地下原位转化方法的运行情况，可以根据月利润曲线对工艺的运行参数适当的月度调整，提高整个项目的经济性。

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

附图说明

图1是井位布置及定向射孔方向示意图。

图2是工艺运行时高温流体在图1中B-B处的截面示意图。

图3是注浆井在图1中A-A处的截面示意图。

图4是监测条带的示意图。

图5是注入气体及热解产物流动示意图。

附图标记说明：1、富油煤热解区块；2、煤层顶板；3、煤层底板；4、开采井一；5、水平井一；6、注热井一；7、开采井二；8、水平井二；9、注热井二；10、注气管；11、环空阀；12、井下电加热器一；13、第一封隔器；14、第二封隔器；15、花管一；16、采出管一；17、注浆井；18、监测条带。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“对齐”、“重叠”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例1

本实施例提供了一种富油煤地下原位转化综合利用方法，如图1所示，首先根据富油煤热解区块1的地质资料，确定注浆井17、注热井一6、开采井一4、注热井二9与开采井二7的位置，然后实施以下步骤：

S1：如图1和图2所示，在富油煤热解区块1煤层顶板2的上方施工注热井一6、开采井一4、注热井二9与开采井二7，所述注热井一6、开采井一4、注热井二9与开采井二7下端均钻进至煤层底板3内5米，然后在富油煤热解区块1施工水平井一5将注热井一6与开采井一4连通，在富油煤热解区块1施工水平井二8将注热井二9与开采井二7连通，优选的，水平井一5与水平井5位于富油煤热解区块1的中间位置，注热井一6、水平井一5和开采井一4横截面，与注热井二9、水平井二8和开采井二7横截面均为H型结构，最后对注热井一6、开采井一4、水平井一5、注热井二9、开采井二7与水平井二8下入套管进行固井作业；

在平面上，注热井一6和注热井二9设置在煤层地下水补给源方向，注热井一6和注热井二9间距40米。

注热井和开采井成孔直径为480mm，钻井完成后下入直径为298.5mm的套管，并完成固井作业；水平井成孔直径为185mm，钻井完成后下入直径为114.3mm的套管，并完成固井作业；所用套管为耐高温套管。

S2：如图1和图3所示，在富油煤热解区块1边缘的煤层顶板2上方施工若干注浆井17，注浆井17直径为185mm，注浆井17下端均钻进至煤层底板3内5米，若干注浆井17将富油煤热解区块1围合，其形状根据富油煤热解区块1而定，钻井完成后下入直径为114.3mm的套管进行固井作业；

具体的，注浆井17成孔直径为185mm，钻井完成后下入直径为114.3mm的套管，完成固井作业；所用套管为耐高温套管。

固井完成后安装注热井一6与注热井二9、开采井一4与开采井二7的井口，并在各个井口上安装环空阀11，注热井一6与注热井二9的井口上还安装有压力传感器和流量计。

S3：对所有井段进行常规射孔作业，每米16个孔；在富油煤热解区块1段，对两相邻注浆井17、注热井一6与注热井二9、开采井一4与开采井二7、水平井一5与水平井二8之间进行定向射孔，射孔方向如图1所示，用于强化相邻注浆井17、注热井一6与注热井二9、开采井一4与开采井二7、水平井一5与水平井二8在富油煤热解区块1段的造缝效果，定向射孔数量为每米12个孔；

S4：射孔完成后，对所有井段进行造缝作业，具体包括如下步骤：

S401：向各注浆井17中注满水，其作用是传递可控冲击波产生的压力，然后在各注浆井17中依次下入可控冲击波装置，具体的，所述可控冲击波装置为致裂型可控冲击波装置，型号为：KK-ZL-600，在使用时调整可控冲击波装置的参数，裂缝扩展半径控制在5米，相邻作业点间距5米，依次对各注浆井17的煤层段进行造缝作业，通过裂缝将各井连接，各注浆井17的造缝半径不小于相邻注浆井17间距的一半即可；

S402：注浆井17造缝完成后，向注热井一6、水平井一5、开采井一4，注热井二9、水平井二8、开采井二7中注满水，调整可控冲击波装置的参数，裂缝扩展半径控制在20米，通过裂缝将各井连接，注热井煤层段、开采井煤层段的相邻作业点间距为5米，水平井相邻作业点间距为5米，依次对注热井一6、开采井一4，注热井二9、开采井二7的富油煤热解区块1段以及水平井一5、水平井二8的各点位进行造缝作业，造缝作业开始前，关闭各井井口；

S403：造缝作业完成后，进行地层排水作业，所述地层排水作业方法为：首先在各注浆井17、注热井一6、注热井二9、开采井一4、开采井二7中下入注浆管、注气管10，然后从注热井一6、注热井二9、开采井一4、开采井二7注入加压空气，其空气压力为地层起裂压力，地层深度不同压力数值不同，地层中的水从各注浆井17依次排出，然后再从各注浆井17注入加压空气，地层中的水依次从注热井一6、注热井二9、开采井一4、开采井二7排出，可确保热解区中的水基本排出至地表。当各注浆中排出空气的总流量为所注入加压空气流量的90％、空气中水的体积百分数为10％时，停止从注热井、开采井注入加压空气；再从各注浆井17同时注入加压空气，从注热井、开采井同时排出地层中的水。当注热井、开采井中排出空气的总流量为注入流量的90％、空气中水的体积百分数为10％时，停止注入加压空气，关闭各井，地层排水作业结束。

如图4所示，在地面圈定监测条带18，用于监测注浆体的空间扩散范围，在平面上，监测条带18边界线离井位的距离为15米。注浆开始前，在地面监测边界线范围采用高密度电阻率法测定富油煤层的初始电阻率数据，高密度电阻率法的各项测定参数根据富油煤热解区块1的地质资料确定。结合地层初始电阻率数据，反演地层中井位的空间位置，并与地层地质资料和钻井资料对比，调整地层电阻率数据的反演算法，当反演得到的地层井位空间位置与实际井位空间位置数据相差0.1％时，停止调整反演算法。根据所获取富油煤层的电阻率数据，选择耐高温水泥浆所用电阻率调节剂的种类。当富油煤层电阻率低于耐高温水泥浆的电阻率时，电阻率调节剂为超细立方氮化硼粉末；当富油煤层初始电阻率高于耐高温水泥浆的电阻率时，电阻率调节剂为超细纯铁粉；电阻率调节剂的添加量占水泥浆质量的5％-10％，电阻率调节剂的最大直径为富油煤层最小缝宽的1/3。通过增大耐高温水泥浆与富油煤层的电阻率差异，提高注浆体扩散范围监测的准确性，随后开始注浆作业。

S5：对注浆井17进行注浆作业，具体步骤如下：

同时从各注浆井17注入耐高温水泥浆，打开两口注热井，关闭两口开采井，通过两口注热井的压力传感器和流量计实时监测排出空气的压力和流量，当注热井排出空气流量为理论流量的1/3时，降低注浆泵量为初始泵量的2/3，维持注浆压力，关闭两口注热井，打开两口开采井，当注热井和开采井排出空气的累计流量为理论流量的2/3时，再次打开两口注热井；当注热井和开采井排出空气的累计流量为理论流量的5/4时，停止注浆；同时向注热井和开采井注入加压空气，维持注热井和开采井的空气压力为初始气体压力的5/4，同时关闭各井的井口，可防止耐高温水泥浆在注浆停止后继续流动，确保注浆体的体积可控。在富油煤热解区块1煤层段形成一圈连续的注浆体可阻断热解区与外部空间的物质传输通道；

排出空气流量理论值的计算公式如式1所示，

式1中：Q-为排出空气流量理论值；P

注浆时，可根据注浆体的扩散范围及时调整注浆参数，使注浆体在空间上均匀分布，同时还可提高注浆体的强度。注浆开始后，对地层进行高密度电阻率法监测，并实时与富油煤层的初始电阻率进行对比，初步推断注浆体的扩散范围，当对比数据异常时，对监测数据进行反演，判定注浆体扩散是否异常，若注浆体扩散异常则调整注浆的各项参数，确保注浆体的扩散范围可控；若反演结果正常则保持原始参数继续注浆。

S6：注浆体终凝后打开注热井一6与注热井二9，排出热解区的空气，进行原位热解作业，具体步骤如下：

S601：从注热井一6中向水平井一5下入第一封隔器13，并启动第一封隔器13，然后向注热井一6下入井下电加热器一12，第一封隔器13用于确保注热井一6中的高温气体流经热解后的煤层。将采出管一16、花管一15、第二封隔器14依次连接，再将第二封隔器14下放至水平井一5靠近注热井一6一端，并启动第二封隔器14；第二封隔器14用于确保高温流体流经待热解的煤层，花管一15确保地层高温流体能经采出管输送至地表；所用第一封隔器13、第二封隔器14为耐高温封隔器。

S602：从注热井二9中向水平井二8下入第三封隔器，并启动第三封隔器，然后向注热井二9下入井下电加热器二，第三封隔器用于确保注热井二9中的高温气体流经热解后的煤层。将采出管二、花管二、第四封隔器依次连接，再将第四封隔器下放至水平井二8靠近注热井二9一端，并启动第四封隔器；第四封隔器用于确保高温流体流经待热解的煤层，花管二确保地层高温流体能经采出管输送至地表；所用第三封隔器、第四封隔器为耐高温封隔器。

所述采出管一16、采出管二均为具有加热功能的保温管，具体的说，采出管一16、采出管二均为电加热保温管，可确保采出管壁面温度保持在150℃，防止重质煤焦油冷却，堵塞采出管。

S603：对注热井一6与开采井一4连线上的富油煤区块进行热解，热解方法为：关闭开采井一4、开采井二7，向注热井一6中注入加压N

S604：对注热井二9与开采井二7连线上的富油煤区块进行热解，热解方法为：向注热井二9注入N

随着热解反应的进行，采出管不断向开采井移动，热解产物直接经过采出管输送至地面，未在地层中经过长距离的运移，可防止热解产物堵塞地层，确保热解产物及时排出至地面，提高热解产物的采收率。

S605：对注热井一6、开采井二7连线上的富油煤区块进行热解，具体步骤如下：

打开开采井一4，对注热井二9与开采井一4连线上的富油煤进行热解提油，当开采井一4获得的油气产物为相同条件下实验室所获油气产物的15％时，依次关闭井下电加热器二、注热井二9、开采井一4；

S605：对注热井二9、开采井一4连线上的富油煤区块进行热解，具体步骤如下：

向注热井一6中注入加压N

如图5所示，步骤S603、S604、S605热解产物由采出管输送至地面后，然后经热补偿/冷却机组输送至气液分离器，液态产物经油水分离器处理后，将煤焦油储存于储油罐中，废水储存与储水罐中；气态产物经在线分析仪测定后输送至气体分离装置，在线分析仪用于分析气态产物的组分及其百分含量，气态产物经气体分离装置分离后，将各组分分别存储。

当热解产物温度较低时，热补偿/冷却机组用于加热热解产物，将热解产物加热至150℃，防止热解产物温度过低堵塞管道；当热解产物温度较高时，热补偿/冷却机组用于冷却热解产物，将热解产物冷却至150℃，防止热解产物温度过高影响气液分离效果。

S7：对热解后的富油煤层进行再次开发，具体方法如下：

首先，向注热井一6、注热井二9中注入空气，分别启动井下电加热器一12和井下电加热器二，设定井下电加热器的出口温度为500℃，将热解后的富油煤层点燃；

然后，通过开采井一4、开采井二7的产物组分监测热解后的煤层燃烧情况，当煤层点燃后，将空气切换为混合气，所述混合气组分包括O

混合气中的O

进一步的，再次地下原位转化时，首先计算富油煤地下原位转化生产过程中的月投入费用，根据热解产物的量计算富油煤地下原位转化生产过程中的月获收益；然后根据所述月投入支出费用和所述月获收益，计算富油煤地下原位转化生产过程中的月利润；最后根据富油煤地下原位转化生产过程中的月利润对地下原位转化工艺参数进行月度调整。

月度投入费用计算方法如下式2：

式2中：A-为月度投入费用，万元；Bw-为钻完井及注浆费用，万元；Y-为项目计划生产月数；Dw-为地面设备及项目基础设施建设费用，万元；Pw-为项目设备月维护费用，万元；Ew-为电费，元/kW·h；W-为月用电量，kW·h；Fw-为项目人员月度费用，万元；

月度收益计算如下式3：

B＝Q

式3中：B-为月度收益，万元；Q

月利润H计算如下式4：

H＝B-A (4)

综上所述，本发明提供的这种富油煤地下原位转化综合利用方法，通过在富油煤热解区块1煤层段形成一层连续的注浆体，阻断热解区和外围地层的水力联系，解决富油煤地下原位转化时受地层水侵入影响加热效率、同时也可防止热解污染物向外围地层扩散。通过水平井与封隔器联合使用，可以防止重质煤焦油堵塞地层，提高热解产物采收率。通过注浆井17与注热井、开采井交替作为加压空气注入井、排水井，可提高热解区地层水的驱离效果。通过氧气与热解后的煤反应，降低气化反应的能量消耗；而且可以对富油煤地下原位转化方法的经济效益进行月度评价，可监测地下原位转化方法的运行情况，可以根据历史月利润对工艺的运行参数适当的月度调整，提高整个项目的经济性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。