一种富油煤地下原位转化及经济性评价方法与流程

1.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及经济性评价方法。


背景技术：

2.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。
3.富油煤地下原位转化运行时，热解产物会随着煤层中的水向外扩散，污染地下水，重质煤焦油在煤层中长距离运移会堵塞煤层裂隙，阻碍富油煤地下原位转化运行，此外煤层中含有的水会极大的影响地下原位加热效率，极端情况下，煤层中源源不断补充的水会使煤层无法加热至热解温度，影响地下原位转化运行，能耗高、收益率低。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种富油煤地下原位转化及经济性评价方法，以解决背景技术提到的问题。
5.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方法，具体包括以下步骤：
6.s1：在富油煤热解区煤层顶板的上方施工注热井与开采井，所述注热井与开采井下端均钻进至煤层底板，然后再富油煤热解区施工水平井将注热井与开采井连通，最后对注热井、开采井与水平井下入套管进行固井作业；
7.s2：在富油煤热解区边缘的煤层顶板的上方施工前注浆井与后注浆井，所述前注浆井与后注浆井的下端均钻进至煤层底板，然后对前注浆井与后注浆井入套管进行固井作业；
8.s3：在富油煤热解区边缘施工与前注浆井与后注浆井连通的注浆框架通道，并对注浆框架通道进行固井作业；
9.所述注浆框架通道包括位于煤层顶板的上注浆环形通道、位于煤层的若干中注浆环形通道、位于煤层底板的下注浆环形通道，所述上注浆环形通道、中注浆环形通道，上注浆环形通道内侧连通有若干上水平通道，下注浆环形通道内侧连通有若干下水平通道；
10.s4：对注浆框架通道以及注热井煤层段、开采井煤层段和水平井各点位进行射孔、造缝作业；
11.s5：对注浆框架通道进行注浆作业；
12.s6：浆体终凝后进行原位热解作业。
13.进一步的，在步骤s4之前安装注热井、开采井、前注浆井与后注浆井的井口，并在各个井口上安装环空阀
14.进一步的，步骤s4具体包括如下步骤：
15.步骤s4具体包括如下步骤：
16.s401：对注热井煤层段、开采井煤层段和水平井进行常规射孔作业，对注浆框架通道进行定向射孔；
17.s402：射孔完成后，向注浆框架通道中注满水，在注浆框架通道下入造缝设备进行造缝作业；
18.s403：向注热井中注满水，利用造缝设备依次对注热井煤层段、开采井煤层段和水平井各点位进行造缝作业；
19.s404：造缝作业完成后，进行地层排水作业。
20.进一步的，注浆开始前，在地面圈定监测边界线，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。
21.进一步的，在注浆停止后，向注热井、开采井再次注入加压空气，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。
22.进一步的，步骤s6具体包括如下步骤：
23.s601：首先从注热井中向水平井下入第一封隔器，并启动第一封隔器，然后向注热井下入井下电加热器；
24.s602：将采出管、花管、第二封隔器依次连接，再将第二封隔器下放至水平井靠近注热井一端，并启动第二封隔器；
25.s603：关闭注热井和开采井的环空阀，向注热井中注入氮气，所述氮气压力大于地层裂缝启动压力；
26.s604：启动井下电加热器，对富油煤热解区进行热解，并通过采出管将热解产物输送至地面。
27.进一步的，所述采出管为具有加热功能的保温管，具体为电加热保温管。
28.进一步的，随着热解反应的进行，采出管、花管和第二封隔器不断向开采井移动，并降低氮气纯度和井下电加热器的温度，在氮气纯度降低时逐渐提高氧气的浓度。
29.第二方面，本发明还提供了一种基于上述富油煤地下原位转化方法的经济性评价方法，首先计算富油煤地下原位转化生产过程中的月投入支出费用，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；最后根据月利润对富油煤地下原位转化工艺进行月度调整。
30.本发明的优点是：
31.1.本发明提供的这种富油煤地下原位转化方法，在富油煤热解区外围空间形成一层连续的三维注浆体，富油煤热解区位于三维注浆体内，阻断富油煤热解区与外围空间的地下水和热解产物运移，提高地下原位转化加热效率，能耗低，有效提高了收益率，同时防止了污染物的扩散。
32.2.本发明提供的这种富油煤地下原位转化方法，利用高密度电阻率法实时监测注浆体在空间上的扩散范围，可以及时调整注浆参数，相对精确的控制注浆体在空间上均匀
分布。
33.3.本发明提供的这种富油煤地下原位转化方法，通过逐步降低氮气纯度和井下电加热器的温度，利用氧气与辅助加热区的残留油/热解后的煤反应对氮气辅助加热，可降低富油煤地下原位转化的能量消耗。
34.4.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。
35.下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
附图说明
36.图1是井位布置平面示意图。
37.图2是原位转化时高温流体在地层中的流动示意图。
38.图3是辅助加热时流体在地层中的流动示意图。
39.图4是前、后注浆井a-a截面布置示意图。
40.图5是后注浆井c-c截面示意图。
41.图6是注浆框架通道b-b截面射孔方向示意图
42.图7是注浆框架通道c-c截面射孔方向示意图。
43.图8是注浆体b-b截面示意图。
44.图9注入气体及热解产物流动示意图。
45.附图标记说明：1、富油煤热解区；2、煤层顶板；3、注热井；4、开采井；5、煤层底板；6、水平井；7、前注浆井；8、后注浆井；9、注浆框架通道；901、上注浆环形通道；902、中注浆环形通道；903、下注浆环形通道；904、上水平通道；905、下水平通道；10、环空阀；11、监测边界线；12、第一封隔器；13、井下电加热器；14、采出管；15、花管；16、第二封隔器；17、注浆体；18、辅助加热区；19、注气管；20、注浆管。
具体实施方式
46.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。
47.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。
48.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。
49.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。
50.实施例1
51.本实施例提供了一种富油煤地下原位转化方法，如图1-图5所示，首先根据富油煤热解区1块的地质资料，确定前注浆井7、后注浆井8、注热井3、开采井4和水平井6的位置，然后实施以下步骤：
52.s1：在富油煤热解区1煤层顶板2的上方施工注热井3与开采井4，所述注热井3与开采井4下端均钻进至煤层底板5以下5米，然后再富油煤热解区1施工水平井6将注热井3与开采井4连通，注热井3、水平井6和开采井4横截面形成h型结构，最后对注热井3、开采井4与水平井6下入套管进行固井作业；
53.注热井3和开采井4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；
54.s2：在富油煤热解区1边缘的煤层顶板2的上方施工前注浆井7与后注浆井8，所述前注浆井7与后注浆井8的下端均钻进至煤层底板5以下5米，然后对前注浆井7与后注浆井8入套管进行固井作业；
55.具体的注浆井成孔直径为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；
56.s3：在富油煤热解区1边缘施工与前注浆井7与后注浆井8连通的注浆框架通道9，并对注浆框架通道9进行固井作业，完成后安装注热井3、开采井4、前注浆井7与后注浆井8的井口，并在各个井口上安装环空阀10；
57.所述注浆框架通道9包括位于煤层顶板2的上注浆环形通道901、位于煤层的若干中注浆环形通道902、位于煤层底板5的下注浆环形通道903，所述上注浆环形通道901、中注浆环形通道902，上注浆环形通道901内侧连通有若干上水平通道904，下注浆环形通道903内侧连通有若干下水平通道905；
58.具体的，所述注浆框架通道9各相邻环形通道间距为10米，上注浆环形通道901与上水平通道904位于煤层顶板2由下至上5米处，下注浆环形通道903与下水平通道905位于煤层顶板2由上至下5米处；
59.s4：对注浆框架通道9以及注热井3煤层段、开采井4煤层段和水平井6各点位进行射孔、造缝作业，具体包括如下步骤：
60.s401：对注热井3煤层段、开采井4煤层段和水平井6进行常规射孔作业，每米16个孔，对注浆框架通道9进行定向射孔，用于注浆框架通道9的强化造缝效果，定向射孔数量为每米12个孔，射孔方向如图6和图7所示；
61.s402：射孔完成后，向注浆框架通道9中注满水，在注浆框架通道9下入造缝设备，具体的所述造缝设备为可控冲击波装置，更为具体的，所述可控冲击波装置为致裂型可控冲击波装置，其型号为：kk-zl-500，下入后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，依次对注浆框架通道9的各通道以及前注浆井7和后注浆井8进行造缝作业；注浆框架通道9的相邻通道通过造缝连通，在注浆后可保证注浆体形成一个三维注浆体；
62.s403：向注热井3中注满水，用于传递可控冲击波装置产生的压力，调整造缝设备的参数，裂缝扩展半径控制在20米，注热井3煤层段、开采井4煤层段的相邻作业点间距为5米，水平井6相邻作业点间距为10米，依次对注热井3煤层段、开采井4煤层段和水平井6各点位进行造缝作业；
63.s404：造缝作业完成后，进行地层排水作业，具体步骤如下：
64.先在注浆井、注热井3、开采井4中下入注浆管20、注气管19，然后从注热井3、开采井4注入加压空气，具体的，所述加压空气压力不小于地层起裂压力，地层深度不同压力数值不同，地层中的水从前注浆井7、后注浆井8排出，然后再从前注浆井7、后注浆井8注入加压空气，地层中的水从注热井3、开采井4排出，可确保热解区中的水基本排出至地表。当前注浆井7、后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3、开采井4注入加压空气；再从前注浆井7、后注浆井8注入加压空气，从注热井3、开采井4排出地层中的水。当注热井3、开采井4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；采用前/后注浆井8与注热井3/开采井4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，从而可以降低能耗，提高收益率。
65.如图1所示，随后在地面圈定监测边界线11，用于监测注浆体的空间扩散范围，在平面上，监测边界线11离各井井位的距离为30米。在地面监测边界线11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1块的地质资料确定。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。
66.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,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，提高耐高温水泥浆的电阻率；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，降低耐高温水泥浆的电阻率；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17扩散范围监测的准确性。
67.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17的扩散范围，并根据对比数据对注浆参数进行调节，使注浆体17在空间上均匀分布，同时还可提高注浆体17的强度。当对比数据异常时，对监测数据进行反演，判定注浆体17扩散是否异常，若注浆体17扩散异常则调整注浆的各项参数，确保注浆体17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。
68.s5：对注浆框架通道9进行注浆作业，具体过程如下：
69.从前注浆井7、后注浆井8注入耐高温水泥浆，打开注热井3的环空阀10，关闭开采井4的环空阀10，通过注热井3井口安装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3排出空气流量为理论流量的1/3时，降低注浆泵量，维持注浆压力，同时，关闭注热井3的环空阀103，打开开采井4的环空阀104，当注热井3和开采井4排出空气的累计流量为理论流量的2/3时，再次打开注热井3环空阀103；当注热井3和开采井4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3和开采井4注入加压空气，维持注热
井3和开采井4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17的体积可控，可提高连续三维注浆体17的填充效果。
70.排出空气流量的理论值的计算方法如下式1：
[0071][0072]
式1中：q-为排出空气流量的理论值；p1-为初始气体压力；p2-为注浆时气体的实时压力；v1-为热解区裂隙体积；a-为排出空气所用管道的横截面积；t-为排出空气所用时间。
[0073]
在注浆停止后，向注热井3、开采井4再次注入加压空气，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。
[0074]
注浆完成后，在富油煤热解区1外围空间形成一圈连续的三维注浆体17，断面图如图8所示，可阻断热解区与外围空间的物质传输通道，防止地下水进入热解区、热解产物污染外围地下空间水体。当注浆体17终凝完成后，打开注热井3的环空阀10，排出热解区的空气。
[0075]
s6：浆体终凝后进行原位热解作业，具体过程如下：
[0076]
s601：首先从注热井3中向水平井6下入第一封隔器12，并启动第一封隔器12，然后向注热井3下入井下电加热器13，第一封隔器12用于确保注热井3中的高温气体流经热解后的煤层；
[0077]
s602：将采出管14、花管15、第二封隔器16依次连接，再将第二封隔器16下放至水平井6靠近注热井3一端，并启动第二封隔器16，第二封隔器16用于确保高温流体流经待热解的煤层，花管15确保地层高温流体能经采出管14输送至地表；
[0078]
s603：关闭注热井3和开采井4的环空阀10，向注热井3中注入氮气，所述氮气压力大于地层裂缝启动压力；
[0079]
所述氮气的注入方法为：首先空气经空气压缩机压缩后输送至制氮机，优选的，该制氮机可以对制得氮气的浓度进行设定，制氮机将氮气提纯后输送至增压机，增压机将氮气增压后输送至注热井3中的注气管19，氮气经井下电加热器13加热后输送至煤层。
[0080]
s604：启动井下电加热器13，井下电加热器13的出口温度初步设置为650℃，对富油煤热解区1进行热解，并通过采出管14将热解产物输送至地面；
[0081]
注入气体及热解产物流动示意图如图9所示，富油煤经高温氮气加热后，产生的重质煤焦油、轻质煤焦油和空气产物经采出管14输送至地面进行分级分质利用，所用采出管14为具有加热功能的保温管，具体为电加热保温管，可确保采出管14壁面温度保持在150℃，防止重质煤焦油冷却，堵塞采出管14。随着热解反应的进行，采出管14、花管15和第二封隔器16不断向开采井4移动，热解产物直接经过采出管14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。
[0082]
随着热解反应的进行，采出管14、花管15和第二封隔器16移动条件如下，当采出管14获得的油气产物为相同条件下实验室所获油气产物的80％时，将采出管14向开采井4方向移动，移动速度为5米/次；当采出管14向开采井4移动距离为15米时，将氮气纯度和井下
电加热器13温度降低，利用氮气中混合的氧气与辅助加热区18的残留油/热解后的煤反应，进一步提高氮气的温度至650℃。通过降低氮气的纯度和井下电加热器13的功率，可在保持油气采收率的前提下，降低富油煤地下原位转化所消耗的能量。氮气纯度和井下电加热器13出口温度的参数组合调整顺序依次为：(99％，650℃)、(96％，600℃)、(93％，550℃)、(91％，500℃)，相邻参数组合的调整间隔为10小时，参数组合调整完成后氮气纯度设置为91％，井下电加热器13出口温度设置为500℃，氮气的其余参数根据采出管14中的产物组分情况实时调整。当采出管14获得的油气产物为相同条件下实验室所获油气产物的20％时，依次将井下电加热器13、注热井3、开采井4关闭，工艺运行停止。
[0083]
热解产物经采出管14输送至地面，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；气态产物经在线气体分析仪输送至气体分离装置，在线气体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。
[0084]
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。
[0085]
本实施例还提供了一种经济性评价方法，首先计算富油煤地下原位转化生产过程中的月投入支出费用，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；最后根据月利润对富油煤地下原位转化工艺进行月度调整，以提高整个项目的经济性。
[0086]
月度投入费用计算方法如下式2：
[0087][0088]
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；
[0089]
月度收益计算如下式3：
[0090]
b＝q
l
·
p
l
qg·
pgꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0091]
式3中：b-为月度收益，万元；q
l-为煤焦油月产量，桶；p
l-为煤焦油价格，元/桶；q
g-为气态产物月产量，m3；p
g-为气态产物价格，元/m3；a-为月度投入费用。气态产物包含ch4、co、h2等多种气体，计算时按照ch4的产量和价格统一折算。
[0092]
月利润h计算如下式4：
[0093]
h＝b-a
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0094]
综上所述，本发明提供的这种富油煤地下原位转化方法，在富油煤热解区1外围空间形成一层连续的三维注浆体17，阻断富油煤热解区1与外围空间的地下水和热解产物运移，提高地下原位转化加热效率，防止污染物扩散；在原位转化过程中，通过逐步降低氮气纯度和井下电加热器13的温度，利用氧气与辅助加热区18的残留油/热解后的煤反应对氮气辅助加热，可降低富油煤地下原位转化的能量消耗，提高经济效益。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。
[0095]
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。