电加热煤层地下气化系统及方法
阅读说明：本技术 电加热煤层地下气化系统及方法 (Underground gasification system and method for electric heating coal bed ) 是由 蒋有伟 郭二鹏 关文龙 于 2019-11-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种电加热煤层地下气化系统及方法,该方法包括：数据处理装置筛选满足预设条件的目标层位；钻井装置按照垂直于最大主应力方向,在目标层位钻进多排水平井；按照目标层位的深度,将处于最深处和最浅处之间的水平井依次作为加热井和生产井；压裂装置对多排水平井进行分段压裂操作,压裂完成后注入支撑剂保持裂缝处于张开状态；电加热装置和生产装置分别对多排加热井进行不同的注入操作、加热操作,对多排生产井进行不同的生产操作。该方案可有效降低操作的复杂程度,提高煤层的生产效率,提高深层煤层的动用效果和气化效果。(The invention provides an underground gasification system and method of an electric heating coal bed, and the method comprises the following steps: the data processing device screens target horizons meeting preset conditions; the drilling device drills a plurality of rows of horizontal wells at the target layer according to the direction perpendicular to the maximum main stress; according to the depth of a target horizon, sequentially using horizontal wells positioned between the deepest position and the shallowest position as a heating well and a production well; the fracturing device carries out staged fracturing operation on multiple rows of horizontal wells, and after fracturing is finished, a propping agent is injected to keep fractures in an open state; the electric heating device and the production device respectively carry out different injection operations and heating operations on the multiple rows of heating wells and carry out different production operations on the multiple rows of production wells. The scheme can effectively reduce the complexity of operation, improve the production efficiency of the coal bed, and improve the utilization effect and gasification effect of the deep coal bed.)
技术领域
本发明涉及煤层开发技术领域，特别涉及一种电加热煤层地下气化系统及方法。
背景技术
煤炭地下气化技术(Underground Coal Gasification，UCG)又称原地煤气化，其工艺是将赋存于地下的煤层由物理采煤变为化学采气，其实质是将煤中的有用物质(挥发分、固定碳等)通过热解、燃烧、气化等物理和化学转化的方式转变为可燃气体。UCG包括有井式和无井式煤炭地下气化工艺，其将建井、采煤、气化三大工艺合而为一，具有产气成本低、安全性高和环境效益好的优点。UCG所产煤气成本仅为地面气化炉气化的25～50％，可以作为燃气发电、锅炉燃料以及合成化工产品的原料气，显著降低发电或合成化工产品的成本。UCG还具有显著的环境效益，大大减小燃煤污染、煤矸石及灰渣的排放，有效解决目前燃煤引发的大气雾霾问题，且与碳捕集和封存技术相结合，可有效减少温室气体排放。UCG首先是一种煤炭的开发方法，是对传统煤炭开采方式的创新，被誉为第二代采煤法；从其效益来看，又是一种高碳资源低碳化开发清洁能源新技术。该技术在低品质(高硫、高灰)、急倾斜、薄煤层、深部煤层、“三下”压煤以及常规技术经济不可采等残滞留煤的开采利用方面具有广阔的应用前景。
现阶段煤炭地下气化尚没有实现产业化生产，其中一个重要原因就是煤炭地下气化的规模小，产气不稳定。一方面是受外部水文和地质环境的影响，气化煤层条件(煤厚、煤质等)和赋存条件(地质、水文、构造等)复杂多变，给煤炭地下气化过程增加了难度，需要人为进行调控的因素多；二是煤炭地下气化过程控制手段有限，受地下气化空间的高温、气体、煤体热破裂、围岩应力、覆岩垮落、裂隙带发育等因素影响，难以像地下煤气发生炉一样采取有效的监测和控制手段，增加了人为调控的难度。
现有技术方案针对不同的煤层赋存条件，国内外学者提出了不同类型的煤炭地下气化炉型结构和气化生产方法。在气化炉型构建方面，从注气通道、气化通道和排气通道的分布位置来看，可以把地下气化炉分为几种炉型，即盲孔炉、一线炉、V型炉、U型炉和E型炉等，后来又发明了多孔炉、可转换注排气操作的长壁炉。国外地下气化的研究方向主要是无井式煤炭地下气化工艺，通过在地面钻井构建煤炭地下气化炉，比较成熟的无井式气化工艺包括线性注入点后退工艺(Controlled Retraction Injection Point，CRIP)以及平行定向钻井CRIP工艺。现有的有井式煤炭地下气化工艺采用相邻的两个垂直钻井分别作为气化剂的注入井和产气井，然后采用多种连通方法(如火力连通、电力连通、反向燃烧、空气压裂等)使两个垂直钻井底部在煤层中贯通形成气化通道，然后由注气井鼓入气化剂，由产气井生产煤气。该气化炉建炉工艺缺点在于贯通速度慢、贯通方向性差，垂直井间距大时贯通困难或无法贯通；垂直钻井间距较小，接替生产时，垂直钻井数量多，投资大；气化炉内没有注气装置，气化剂在整个气化炉内扩散燃烧，导致燃烧范围和边界无法有效控制，产气品质低；扩大的燃烧范围导致覆岩大面积垮落，围岩稳定性控制效果差。现有的无井式CRIP工艺，在注气控制方面采用拉管式移动注气点装置，周期性的后退拉动注气点，每次将注气点后退移动一段距离，该工艺需要在地面搭建大型的注气弯管螺旋拉动装置，设备投资高，工艺操作复杂，注气弯管在地面端密闭困难，当煤层埋深较大时，受地质应力以及钻孔变形的影响，移动注气装置操作可靠性降低。
因此，为了解决现阶段煤炭地下气化炉生产系统面临的问题，需要研发一种与地质环境相适应的，具有可导可控功能的煤炭地下气化炉生产系统和工艺，为进一步实现煤炭地下气化的产业化提供技术支持。
发明内容
本发明实施例提供了一种电加热煤层地下气化系统及方法，解决了现有技术中现阶段煤炭地下气化炉生产系统操作复杂程度高、煤层生产效率低等的技术问题。
本发明实施例提供了一种电加热煤层地下气化系统，包括：
数据处理装置、钻井装置、压裂装置、电加热装置、生产装置和监控装置；
所述数据处理装置用于：筛选满足预设条件的目标层位，根据目标层位的深度和厚度确定水平井的分布情况，根据水平井的分布情况确定水平井的压裂操作情况、水平井的注入加热和生产操作情况；
所述钻井装置用于：基于水平井的分布情况，按照垂直于最大主应力方向，在目标层位钻进多排水平井；
其中，按照目标层位的深度，将处于最深处和最浅处之间的水平井依次作为加热井和生产井；
所述压裂装置用于：按照水平井的压裂操作情况，对多排水平井进行分段压裂操作，压裂完成后注入支撑剂保持裂缝处于张开状态；
所述电加热装置和生产装置分别用于：按照水平井的注入加热和生产操作情况、监控装置监测到的注水操作和加热操作过程中的温度数据、压力数据和产气数据，对多排加热井进行不同的注入操作、加热操作，对多排生产井进行不同的生产操作。
本发明实施例还提供了一种电加热煤层地下气化方法，包括：
数据处理装置筛选满足预设条件的目标层位，根据目标层位的深度和厚度确定水平井的分布情况，根据水平井的分布情况确定水平井的压裂操作情况、水平井的注入加热和生产操作情况；
钻井装置基于水平井的分布情况，按照垂直于最大主应力方向，在目标层位钻进多排水平井；其中，按照目标层位的深度，将处于最深处和最浅处之间的水平井依次作为加热井和生产井；
压裂装置按照水平井的压裂操作情况，对多排水平井进行分段压裂操作，压裂完成后注入支撑剂保持裂缝处于张开状态；
电加热装置和生产装置分别按照水平井的注入加热和生产操作情况、监控装置监测到的注水操作和加热操作过程中的温度数据、压力数据和产气数据，对多排加热井进行不同的注入操作、加热操作，对多排生产井进行不同的生产操作。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述所述方法的计算机程序。
在本发明实施例中，通过数据处理装置筛选满足预设条件的目标层位，根据目标层位的深度和厚度确定水平井的分布情况，根据水平井的分布情况确定水平井的压裂操作情况、水平井的注入加热和生产操作情况，通过钻井装置基于水平井的分布情况，按照垂直于最大主应力方向，在目标层位钻进多排水平井，按照目标层位的深度，将处于最深处和最浅处之间的水平井依次作为加热井和生产井；通过压裂装置按照水平井的压裂操作情况，对多排水平井进行分段压裂操作，压裂完成后注入支撑剂保持裂缝处于张开状态，通过电加热装置和生产装置分别按照水平井的注水加热生产操作情况、监控装置监测到的注水操作和加热操作过程中的温度数据、压力数据和产气数据，对多排加热井进行不同的注入操作、加热操作，对多排生产井进行不同的生产操作，这样相比现有技术当中的煤炭地下气化炉生产系统而言，本发明可有效降低操作的复杂程度，提高煤层的生产效率，提高深层煤层的动用效果和气化效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种电加热地下气化煤层有效方法井网部署示意图；
图2是本发明实施例提供的一种加热地下气化煤层有效方法水平井井筒结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种电加热煤层地下气化方法流程图。
具体实施方式
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中，提供了一种电加热煤层地下气化系统，包括：数据处理装置、钻井装置、压裂装置、电加热装置、生产装置和监控装置；
所述数据处理装置用于：筛选满足预设条件的目标层位，根据目标层位的深度和厚度确定水平井的分布情况，根据水平井的分布情况确定水平井的压裂操作情况、水平井的注入加热和生产操作情况；
所述钻井装置用于：基于水平井的分布情况，按照垂直于最大主应力方向，在目标层位钻进多排水平井；
其中，按照目标层位的深度，将处于最深处和最浅处之间的水平井依次作为加热井和生产井；
所述压裂装置用于：按照水平井的压裂操作情况，对多排水平井进行分段压裂操作，压裂完成后注入支撑剂保持裂缝处于张开状态；
所述电加热装置和生产装置分别用于：按照水平井的注水加热生产操作情况、监控装置监测到的注水操作和加热操作过程中的温度数据、压力数据和产气数据，对多排加热井进行不同的注入操作、加热操作，对多排生产井进行不同的生产操作。
在本发明实施例中，所述数据处理装置具体用于：
获取待处理煤层的深度、厚度和所包含组分情况；
根据待处理煤层的深度、厚度和所包含组分情况筛选满足预设条件的目标层位；
所述预设条件包括：目标层位的深度小于预设深度阈值、目标层位的厚度大于厚度阈值，目标层位所包含组分情况大于预设组分阈值；
所述预设深度阈值为2000m，所述厚度阈值为10m。
另外预设条件还包括：煤层具有较好的盖层，区域内没有断层。
在本发明实施例中，所述数据处理装置具体用于：
根据目标层位的深度和厚度确定在目标层位内钻进水平井的排数和排距、每排中两口水平井间的井距、每口水平井的长度、处于最深处的水平井与目标层位底部的距离、处于最浅处的水平井与目标层位顶部的距离。
其中，按照垂直于最大主应力方向，在距离目标层位底部上方3-5m处平行钻进多口水平井，井距10～20m，水平井长度200～1500m，距离下部一排水平井上方10～15m处平行部署多口水平井长度200～1500m，井距同样为10～20m。根据煤层厚度，继续在垂直方向上重复平行部署多排水平井，距离目标层位顶部3～5m处部署水平井排，水平井长度200～1500m，相邻水平井距离100～200m，完全控制整个油藏厚度。
例如，当确定在目标层位内钻进三排水平井时，最下一排为加热井，中间一排先作为生产井，然后其不能生产的时候，再作为加热井，最上一排作为生产井；
当确定在目标层位内钻进四排水平井时，最下一排为加热井，倒数第二排先作为生产井，然后其不能生产的时候，再作为加热井，此时倒数第三排先作为生产井，然后其不能生产的时候，再作为加热井，最上一排作为生产井。
在本发明实施例中，所述水平井为多分支井形式；
所述数据处理装置具体用于：
确定分支的间距、每分支井的长度和每分支井的井距。
上述所有的水平井段以割缝筛管完井。
在本发明实施例中，所述数据处理装置具体用于：
根据每口水平井的长度，确定压裂段数和每段的段距；
所述压裂装置具体用于：
按照压裂段数和每段的段距，对每口水平井进行分段压裂操作，压裂完成后注入支撑剂保持裂缝处于张开状态。
具体的，对煤层内所有加热水平井进行分段压裂操作，沿水平井段80～100m设定为一个分段，每口水平井压裂10～15段，将煤层分割成纵横交错的块状结构。
在本发明实施例中，所述电加热装置为电加热器、封隔器和注入管线；
所述加热井中放置有电加热装置和监控装置，所述生产井中放置举升设备和监控装置；
监控装置包括温度检测设备、压力检测设备、气体浓度检测设备和气体产量检测设备。
在本发明实施例中，在靠近油藏底部的一排水平井，下入高功率电加热器，封隔器，监测装置等作为加热井。上面一排相邻水平井下入举升设备作为生产井。其他井排依次类推。
对处于最深处的加热井、往上一排的生产井进行如下操作：
加热器按照第一预设加热温度(比如500～800℃)、第一预设加热功率(比如1～2MW)对处于最深处的加热井进行加热；
注入管线按照第一预设注水数据(比如注水速度在1.5～3t/h，注水20t)向处于最深处的加热井中注水，其中所述第一预设注水数据包括注水速度和注水量；
加热井中的压力检测设备检测到地层压力达到第一预设地层压力(比如12MPa)时，停止注水；
根据压力检测设备实时检测到的压力通过注入管线进行补充定量注水，保持压力系数在第一预设压力系数范围(比如0.8～1.2)内；
在封隔器上方的井筒内，通过注入管线补充水柱保持压力，防止封隔器失效；
观察生产井套管中套压升高情况，往上一排的生产井中的压力检测设备和气体浓度检测设备检测到该生产井中的套管压力达到第一预设套压(比如0.5MPa以上)、气体浓度达到第一预设气体浓度(比如甲烷浓度>95％)时，该生产井中的举升设备开始工作；保持加热器温度在500～800℃(也可以是其他数值)。
观察生产井附近温度变化情况，往上一排的生产井中的温度检测设备检测到该生产井温度上升至第一预设温度(比如200℃以上)时，加热井中的加热器的加热温度降低至第二预设加热温度(比如400～500℃)，其控制目标为生产井底温度不超过200℃(也可以是其他数值)；
当往上一排的生产井中的气体产量检测设备检测到的该生产井日产气量低于第一预设日产气量(比如500m3/d)时，该生产井中的举升设备停止工作；
对处于最深处和最浅处之间的依次作为加热井和生产井的水平井重复进行如下操作：
对当做加热井的一排水平井，其中的加热器按照第二预设加热温度(比如500～800℃)、第二预设加热功率(比如2MW)对该加热井进行加热，加热第一预设天数时停止加热，通过其中的注入管线按照第一预设注气数据向该加热井注入气体，其中的压力检测设备、气体浓度检测设备检测到该加热井中的套管压力达到第二预设套压、气体浓度达到第二预设气体浓度(即H2浓度)时，该排加热井以上一排的水平井中的举升设备开始工作；其中，第二预设加热温度大于第一预设加热温度，第二预设加热功率大于第一预设加热功率；
该排加热井以上一排的水平井中的温度检测设备和气体浓度检测设备检测到该水平井中的温度达到第二预设温度(比如200℃)、气体浓度达到第三预设气体浓度(即O2浓度超过5％)时，该水平井中的举升设备停止工作。
下面通过具体的实施例来说明。
实施例1
目标煤层深度1120m，厚度20m，煤层上方有60～100m厚的泥岩层，煤质属于褐煤，灰分13％，挥发分57％，水分10％，固定碳20％。测定甲烷吸附量在37m3/m3。
1，筛选目标层位，深度小于2000m，厚度大于10m，煤层具有较好的盖层(盖层是指位于储集层之上能够封隔储集层使其中的油气免于向上逸散的保护层)，甲烷吸附量>20m3/m3，挥发分含量>20％区域内没有断层。
2，按照垂直于最大主应力方向，在距离目的底部上方3m处平行钻进多口水平井，井距10m，水平井长度400m，距离下部一排水平井上方10m处平行部署多口水平井长度400m，井距同样为10m。根据煤层厚度，仅部署该两排水平加热井，距离煤层顶部3m处部署生产水平井排，水平井长度400m。如图1所示。
该实施例中，对水平井进行了分支操作，如图2所示，水平井分支间距90m，分支长70m，相邻水平井距离100m。
水平井分支以割缝筛管完井。
3，对煤层内水平加热井进行分段压裂操作。沿水平井段80m设定为一个分段，每口水平井压裂5段，将煤层分割成纵横交错的块状结构。压裂完成后注入粒径1mm的石英砂支撑剂保持裂缝处于张开状态。
4，在靠近油藏底部的一排水平井，下入1MW高功率电加热器，封隔器，压力监测装置等作为加热井。上面一排相邻水平井下入举升设备作为生产井。顶部一排水平井作为生产井。
5，在加热井内下入注入管线。
6，打开加热井内的加热器，设定加热温度在500～800℃，加热功率1MW。通过注入管线向目的层加热井附近注水，注水速度在1.5t/h，注水20t之后，地层压力增加到12MPa，停止注入水。随后根据压力监测情况补充定量注入水，保持压力系数在0.8～1.2。在封隔器上方井筒内补充水柱保持压力，防止封隔器失效。
7，观察生产井套管中套压升高情况，临近生产井中2天后有套压升高0.6MPa，同时测得甲烷浓度97％，即开始打开生产井生产。保持加热器温度在500℃以上。
8，观察生产井附近温度变化情况，若生产井附近温度上升至200℃以上，则降低加热温度至300～500℃，其控制目标为生产井底温度不超过200℃。
9，生产井稳定生产，15口生产井峰值产气量达到40000方/天。持续生产了864天之后，单井平均生产井日产气量少于500m3/d，停止生产。在中间一排加热井中提高加热器功率至2MW，加热温度设定在800℃。连续加热50天之后关闭加热器，开始注入空气，单井注空气速度保持在10000方/天，监测生产井套管温度、压力和H2含量。
10，套管压力超过3MPa，H2含量超过10％时打开顶部生产井开井生产。生产过程保持套压3MPa以上。
11，持续生产389天之后，生产井温度达到200℃，产出O2浓度超过5％，停止整个操作过程。最终单生产井气化煤量达5.28万吨，产气量峰值达到40000方/天，累积产气达到5723万方，初期甲烷含量达到70％以上，提高加热器温度之后，CO和H2含量达到50％左右。
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种电加热煤层地下气化方法，如下面的实施例所述。由于电加热煤层地下气化方法解决问题的原理与电加热煤层地下气化系统相似，因此电加热煤层地下气化方法的实施可以参见电加热煤层地下气化系统的实施，重复之处不再赘述。
如图3所示，该电加热煤层地下气化方法包括：
步骤301：数据处理装置筛选满足预设条件的目标层位，根据目标层位的深度和厚度确定水平井的分布情况，根据水平井的分布情况确定水平井的压裂操作情况、水平井的注入加热和生产操作情况；
步骤302：钻井装置基于水平井的分布情况，按照垂直于最大主应力方向，在目标层位钻进多排水平井；其中，按照目标层位的深度，将处于最深处和最浅处之间的水平井依次作为加热井和生产井；
步骤303：压裂装置按照水平井的压裂操作情况，对多排水平井进行分段压裂操作，压裂完成后注入支撑剂保持裂缝处于张开状态；
步骤304：电加热装置和生产装置分别按照水平井的注入加热和生产操作情况、监控装置监测到的注水操作和加热操作过程中的温度数据、压力数据和产气数据，对多排加热井进行不同的注入操作、加热操作，对多排生产井进行不同的生产操作。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述所述方法的计算机程序。
综上所述，本发明提供的电加热地下气化煤层的有效方法与现有的煤层气开发方法相比具有较大改进：本发明的生产过程分为两个阶段，第一阶段为用水蒸气加热至200℃左右开采煤层一级热解气的阶段，第二阶段为用电加热器加热至500～800℃的地下煤二级热解气化阶段，这两种方法结合较好的利用了低温气化资源和煤高温气化资源。1)初期水蒸气加热优点在于均匀和高效，可以将体积压裂后的整个煤层加热到200℃以上，可以最大程度的采出煤层中易挥发的部分会引起页岩油进一步的裂化，保证产出液态油最大化。2)注入的蒸汽在较高温度(500～800℃)下和煤层具有较长的接触时间和较高的温度，对煤炭中固态结焦物质具有明显改质作用，提高提高转化效率；由于200℃操作阶段产出大量的一级热解气，煤层中大量挥发分已经挥发，剩余的焦炭形成了多孔介质，具有一定的渗透性，为后期注水或者注气提供了条件；3)操作初期过程不注入空气和氧气，保证操作过程安全和产出气体的高质量。操作过程后期注入空气继续气化，可以保证焦炭的充分气化，提高气化效率；4)与地面煤气化工艺不同，煤层里面有丰富的金属元素可以作为催化剂，从而促进煤层内不成熟物质的转化，提高煤炭转换效率。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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