一种用于富油煤地下原位转化的模块化及梯级开发方法

摘要

本发明提供了一种用于富油煤地下原位转化的模块化及梯级开发方法，该方法包括：将选定的富油煤层划分为多个区块，对每个区块的富油煤进行梯级开发；用微生物对煤层进行第一级开发，提取煤层中的煤焦油和气；再通过加热流体对煤层进行第二级开发，第二次提取煤层中的煤焦油；再向煤层注入气化剂对煤层进行第三级开发，将煤层残留的固定碳转化为可燃气体；最后将径向井周围煤层气化后形成的气化空腔进行填充。本发明将富油煤开发区划分为多个富油煤区块，可降低整个富油煤开发项目的施工难度，提高对富油煤资源的利用效率。

说明书

技术领域

本发明属于富油煤开采技术领域，具体涉及一种用于富油煤地下原位转化的模块化及梯级开发方法。

背景技术

富油煤是一种煤基油气资源，是我国油气资源的重要补充。地下原位转化技术是实现煤炭资源向低碳化和绿色开发的主要方向，相较于传统的煤炭资源开发工艺，可降低对环境的破坏，提高资源利用率，降低运输和人工成本。富油煤的地下原位转化技术主要包括地下原位气化和地下原位热解。地下原位气化是在地下原位将富油煤点燃，进行有控制的燃烧，将富油煤转化为气体，提取至地表分级分质利用。地下原位热解是在高温条件下，将富油煤中的有机质裂解为煤焦油和气，而后将产物提取至地表分级分质利用。

现有的地下原位转化技术多为单一的地下原位气化和地下原位热解技术，专利CN113803040A提出了一种富油煤地下原位气化与热解一体化共采方法，该方案中的导热柱施工较为困难、成本较高，且未对地下原位产生的气化腔进行处理，可能使煤层顶板坍塌，阻断气化工艺的进行。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于富油煤地下原位转化的模块化及梯级开发方法,通过模块化和梯级开发的方法解决现有技术对煤层利用不充分，及煤层气化后空腔易坍塌的问题，降低对富油煤资源进行综合利用的开发难度。

为达上述目的，本发明提供了一种用于富油煤地下原位转化的模块化及梯级开发方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、将富油煤开发区分为多个富油煤区块；

步骤二、在每个富油煤区块内钻进一口注入井和一口生产井，注入井和生产井钻进至煤层底板以下，注入井和生产井之间用数个径向井连通，对注入井和生产井全井段固井，并向径向井中下入套管，然后对径向井进行射孔作业；

步骤三、从注入井向煤层注入微生物发酵液，所述微生物发酵液压力大于煤层起裂压力，然后关闭注入井和生产井，进行第一级开发，第一级开发停止后从生产井中抽取反应产物，并在地面进行分离；

步骤四、向注入井中下入井下加热器，向生产井中下入产物抽取管，并在产物抽取管下部设置耐高温封隔器，耐高温封隔器位于上部径向井和下部径向井之间；向煤层中注入加热流体对煤层加热进行第二级开发，所述加热流体的压力大于煤层起裂压力，加热流体将煤层由下至上热解，然后将下部煤层的产物与上部煤层的产物提取至地面分离；

步骤五、对煤层的第二级开发完成后，向生产井中填充过滤层，然后从注入井向下层径向井中下入管状点火器，并注入气化剂；

步骤六、对煤层进行气化作业进行第三级开发，气化产物由生产井提取至地面分离，下层径向井周围的煤层气化后形成气化空腔，然后通过管状点火器向气化空腔中填充固体颗粒，最后注入耐高温早强水泥浆液，将固体颗粒固结；

步骤七、重复步骤六，将煤层由下至上气化，并将气化空腔填充。

进一步的，所述固体颗粒由超临界二氧化碳携带至气化空腔。

进一步的，所述微生物发酵液为黄袍原毛平革菌，所述微生物发酵液不仅可提取煤层中的煤焦油和气，还可增强煤层的造缝效果，提升后续工艺的开发质量。

进一步的，用步骤三和步骤四中的产物对注入的加热流体在地面进行预热。

进一步的，所述注入井和生产井的套管外侧均设置有温度传感器，所述温度传感器分别位于煤层顶板、煤层中部和煤层底板，用于监测反应温度。

进一步的，所述加热流体的温度为600℃-800℃。

进一步的，所述过滤层由多孔陶粒组成，用于过滤步骤六中的固体颗粒，确保固体颗粒充填至气化空腔，防止固体颗粒充满生产井。

进一步的，步骤一至步骤六为单一开发区块的开发步骤，对于整个富油煤开发区块，区块n-1中产生的可燃气体可作为区块n中步骤四的热源，用于产生加热流体。

进一步的，区块n-1的填充层作为热储层，预热区块n步骤六中的超临界二氧化碳。

进一步的，步骤六中填充层全部用多孔耐高温早强水泥，填充层的热量利用完后，填充层可作为二氧化碳的储层。

本发明的优点是：本发明提供这种用于富油煤地下原位转化的模块化及梯级开发方法，将富油煤开发区划分为多个富油煤区块，可降低整个富油煤开发项目的施工难度，提高对富油煤资源的利用效率；微生物发酵液不仅提高了对煤层的造缝效果，同时产出了部分煤焦油和气，提高了对富油煤的资源利用效率，同时，也是对煤层的预热，降低第二级开发时所需注入的热量；第二级开发时注入的加热流体还可杀灭煤层中残留的微生物；第三级开发时，向气化空腔中充满填充层，可提高第三级开发的稳定性同时，填充层可作为热储层预热第二级开发和第三级开发时所需加热的流体，减少煤层热量的浪费，提高富油煤的资源利用率。

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是富油煤区块划分示意图。

图2是煤层钻井结构示意图。

图3是径向井射孔示意图。

图4是微生物发酵液注入后的示意图。

图5是提取煤焦油示意图。

图6是局部气化空腔填充层示意图。

图7是气化空腔填充层示意图。

附图标记说明：1、注入井；2、生产井；3、监测井；4、煤层顶板；5、煤层；6、煤层底板；7、径向井；8、微生物发酵液；9、耐高温封隔器；10、井下加热器。

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用于富油煤地下原位转化的模块化及梯级开发方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、如图1所示，将富油煤开发区分为多个富油煤区块；

步骤二、如图2所示，在每个富油煤区块内钻进一口注入井1和一口生产井2，注入井1和生产井2钻进至煤层底板6以下，具体的，上述注入井1与生产井2钻进至煤层底板6以下5米处，注入井1和生产井2全井段固井，在注入井1和生产井2的套管外侧均设置有温度传感器，温度传感器分别位于煤层顶板4上部2米、煤层5中部和煤层底板6下部2米，用于监测反应温度，注入井1和生产井2之间用数个径向井7连通，并向径向井7中下入套管，该套管为耐高温套管，然后对径向井7进行射孔作业，射孔方向如图3所示，图3中x轴为径向井7的上下参考轴，y轴为径向井7的左右参考轴；具体的，径向井7的数量，取决于煤层5的厚度。

步骤三、如图4所示，从注入井1向煤层5注入调配好的微生物发酵液8，所述微生物发酵液8压力大于煤层5起裂压力，具体的，微生物发酵液8为黄袍原毛平革菌，然后关闭注入井1和生产井2，进行第一级开发，通过高压将微生物发酵液8注入煤层5，微生物发酵液8通过射孔后的通道进入煤层5内，在发酵过程中，高压的微生物发酵液8会使煤层5产生密集的裂缝，并将微生物发酵液8填充至煤层5，通过设置的温度传感器实时监测富油煤区块内的反应温度，并实时检测气体产物的组分，判断煤层5的生化反应进程；当煤层5的生化反应速率不在快速增长时，停止对煤层5的第一级开发；第一级开发停止后从生产井2中抽取反应产物，并在地面进行分离，将可燃气体、煤焦油和二氧化碳分别储存；由于煤层5中的有机质与高压的微生物发酵液8产生一系列的生化反应，当反应产物全部抽取后，煤层5会产生大量的孔裂隙，可用于对煤层5的第二级开发；

微生物发酵液8不仅使煤层5在反应前产生大量的裂缝，微生物发酵液8与煤层5中有机质的反应会进一步强化微生物发酵液8的造缝效果，提升后续工艺的开发质量；同时，微生物发酵液8也将煤层5中的部分有机质转化为油和气。第一级开发时，微生物发酵液8对煤层5产生的造缝效果，比传统的水力压裂效果有较大提升。此外，一系列生化反应产生的热量也是对煤层5的初步预热，可减少煤层5第二级开发时所需要注入的热量。

步骤四、如图5所示，当对煤层5的第一级开发工艺完成后，向注入井1中下入井下加热器10，向生产井2中下入产物抽取管11，并在产物抽取管11下部设置耐高温封隔器9，耐高温封隔器9位于上部径向井7和下部径向井7之间；向煤层5中注入加热流体(氮气、超临界二氧化碳、燃烧后的烟气等)对煤层5进行第二级开发，具体的，所述加热流体的温度为600℃-800℃，加热流体的压力大于煤层5起裂压力，加热流体流经煤层5中的大量流动通道(煤层5第一级开发后留下的孔裂隙)，快速的将煤层5由下至上热解，下部煤层5的产物从产物抽取管11提取至地面分离，将可燃气体、煤焦油和二氧化碳分别储存；然后将耐高温封隔器9放置在煤层顶板4的下部，上部煤层5的产物从产物抽取管11提取至地面分离，将可燃气体、煤焦油和二氧化碳分别储存；

当富油煤区块产生的可燃气体的能量足够将流体加热至所需温度以及压力时，井下加热器10用可燃气体作为热源，当可燃气体的能量不足时，井下加热器10用电能将流体加热至所需温度和压力值范围；可以用步骤三和步骤四中的产物对注入的加热流体可在地面进行预热，减小加热加热流体所需的热量，提高富油煤开发区块的能量利用率；第二级开发时注入的加热流体还可杀灭步骤一中的微生物；

步骤五、对煤层5的第二级开发完成后，向生产井2中填充过滤层，所述过滤层由多孔陶粒组成，用于将填充气化空腔的固体颗粒隔离在煤层5中，然后从注入井1向下层径向井7中下入管状点火器(用于对煤层5进行点火)，并注入气化剂；

步骤六、如图6和图7所示，对煤层5进行气化作业进行第三级开发，气化产物由生产井2提取至地面分离，将可燃气体、煤焦油和二氧化碳分别储存。由于煤层5在第二级开发时已经被加热，因此，煤层5的气化点火相比传统的煤层5气化更加容易。下层径向井7周围的煤层5气化后会形成气化空腔，当气化空腔的体积占所开发区块的10％时，通过管状点火器向气化空腔中先填充固体颗粒(固体颗粒为煤矸石和地面建筑固体废料等，可以提高地面固废的利用率)，固体颗粒由超临界二氧化碳携带至空腔，固体颗粒第一次填充完成后，从注入井1向下层径向井7下入振动器，将气化空腔中的固体颗粒填充密实，再次向气化空腔中充填固体颗粒，并用振动器强化充填效果，然后注入耐高温早强水泥浆液，将固体颗粒固结，增强填充层的强度，防止煤层顶板4塌陷。

步骤七、重复步骤六，将煤层5由下至上气化，并将气化空腔填充。

进一步的，步骤六中填充层所用水泥为普通耐高温早强水泥和多孔耐高温早强水泥。图1中，整个富油煤开发项目的边缘区块(如区块1至区块5，区块n-2，区块n-1和区块n)，步骤六中的左径向井7所在的填充层(区块的边缘部分)用普通耐高温早强水泥，右径向井7所在的填充层(区块靠近中心的部分)用多孔耐高温早强水泥；中心区块(如区块6和区块7)，步骤六中填充层全部用多孔耐高温早强水泥，确保流体的通过，以形成超临界二氧化碳存储腔体。

进一步的，煤层顶板4向下钻进两口监测井3，具体的，监测井3的底部距离煤层2米，监测井3用于放置位于煤层顶板4的温度传感器。

进一步的，步骤一至步骤六为单一开发区块的开发步骤，对于整个富油煤开发区块，区块n-1中产生的可燃气体可作为区块n中步骤四的热源，用于产生加热流体

进一步的，区块n-1的填充层作为热储层，预热区块n步骤六中的超临界二氧化碳。

当填充层的热量利用完后，填充层可作为二氧化碳的储层，将超临界二氧化碳封存于填充层，减少富油煤开发过程中的碳排放；每个富油煤开发区块的开发步骤可独立进行，也可关联进行。

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。