專利名稱：煤層氣井循環(huán)注二氧化碳系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于煤礦生產(chǎn)節(jié)能環(huán)保技術領域，特別涉及煤層氣井循環(huán)注二氧化碳系統(tǒng)。
背景技術：
煤層氣主要是賦存在煤層中以甲烷為主要成分的氣體。煤層氣作為一種高效、潔凈能源，近年來愈來愈受到人們的廣泛關注。要把賦存在煤層中的煤層氣采出來，較高的煤層裂隙通道是其有效采出的重要條件之一。滲透率的大小是表示裂隙發(fā)育程度的重要指標。由于我國煤儲層普遍為低滲儲層，因此如何改變煤儲層的導流能力是提高煤層氣采收率的關鍵之一。目前，改造煤儲層導流能力的方法主要有兩種，一種是通過卸應力的方法使煤儲層的導流能力提高，這種方法主要應用于煤礦井下。一種是通過物理方法或化學方法或物理與化學相結(jié)合的方法，采用水作為傳動介質(zhì)，或化學處理方法來達到增透的效果。水力壓裂是其中的主要措施之一，通過水力壓裂，使煤層的裂縫導流能力提高，煤層氣井通過排7jC，降低了煤儲層的壓力，當儲層中的壓力降低到臨界解吸壓力以下時，吸附在煤層中的氣體將解吸出來，達到開采煤層氣的目的。隨著煤層中的甲烷氣體的產(chǎn)出，煤層中的壓力下降，當降低到一定程度時，吸附著的氣體將無法解吸出來。實驗結(jié)果表明，在同樣的溫度、壓力條件下，二氧化碳在煤中的吸附能力大于甲烷，在這種情況下，把由煤炭發(fā)電等產(chǎn)生的二氧化碳氣體進行收集，注入到開采著的煤層氣井中，一方面通過二氧化碳的注入，提高了煤儲層的能量，另一方面，二氧化碳與煤層內(nèi)的甲烷氣體發(fā)生競爭吸附，讓吸附著的甲烷氣體解吸產(chǎn)出，提高了煤層氣井甲烷的采收率；當甲烷氣體解吸到一定程度時，儲層能量及裂隙通道不足以使更多的甲烷氣體解吸時，可再次注入二氧化碳，再次讓不再解吸的甲烷氣體解吸，直到?jīng)]有開采利用價值為止。目前，地面已經(jīng)能實現(xiàn)注二氧化碳來提高采收率，但目前的注二氧化碳的設備比較龐大，二氧化碳注入后，隨著排水降壓的進行，一部分二氧化碳又回從煤層中解吸產(chǎn)出，如何研制出一種簡便、易行的能循環(huán)注二氧化碳的設備，同時又能把注入后解吸出的甲烷氣體和二氧化碳氣體進行分別收集，再次利用二氧化碳的目的，對于節(jié)約注二氧化碳的成本，提高甲烷的采收率具有重要的現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術中的不足之處，提供一種體積較小、成本低、易于組織操作的煤層氣井循環(huán)注二氧化碳系統(tǒng)。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案煤層氣井循環(huán)注二氧化碳系統(tǒng)，包括依次連接的智能抽采部分27、氣體分離部分28、二氧化碳壓縮脫水冷凝部分29和循環(huán)注二氧化碳動力部分30。所述智能抽采部分包括智能抽采機I、井下壓力計6、井下溫度計5、氣流量計3和水流量計2，井下壓力計6和井下溫度計5分別設在煤層氣生產(chǎn)井31的井底，智能抽采機I的抽油桿4放置到煤層氣生產(chǎn)井31的煤層段上下5-10m處(排采初期，放置于煤層之上0-5m處，第一次修井后，即可放置于煤層段之下O-IOm處)，煤層氣生產(chǎn)井31的上端連接有氣管路32和水管路33，氣流量計3設在氣管路32上，水流量計2設在水管路33上。所述氣體分離部分28包括氣水分離器8、污水池9、除水分離器10、氣相色譜儀11和甲烷二氧化碳分離器12，氣水分離器8和污水池9順次連接在水管路33上，除水分離器10和甲烷二氧化碳分離器12順次連接在氣管路32上，氣相色譜儀11連接在除水分離器10和甲烷二氧化碳分離器12之間的氣管路32上，甲烷二氧化碳分離器12連接有甲烷壓縮站13。所述二氧化碳壓縮脫水冷凝部分29包括依次連接在氣管路32上的至少一組的壓縮機14和冷凝器15、至少一組蒸汽塔/再生塔16、至少一組冷卻壓縮機17和冷卻冷凝器18。
所述循環(huán)注二氧化碳動力部分30包括水箱21、砂罐車22、壓裂泵車25、混砂裝置23、高低壓管匯24和移動式存儲罐車19，移動式存儲罐車19連接在氣管路32上，水箱21和砂罐車22分別與混砂裝置23連接，混砂裝置23和壓裂泵車25通過高低壓管匯24與氣管路32的注氣端連接，高低壓管匯24上連接有儀表26。所述氣管路32和水管路33上分別設有閥門7。采用上述技術方案，具有以下有益效果
I、智能抽采部分主要是通過智能抽采機把煤層中的甲烷氣體抽采到地面；氣體分離部分主要是把開采出的水和氣先進行分離，然后把甲烷氣體和二氧化碳氣體進行分離；二氧化碳壓縮脫水冷凝部分2主要是實現(xiàn)收集到的甲烷氣體加以利用，二氧化碳氣體回收再利用；循環(huán)注二氧化碳動力部分主要是通過高壓水流破煤巖的同時把二氧化碳注入到煤層的孔、裂隙中。2、智能抽采機主要用來抽采煤層中的水使煤儲層壓力降低，達到解吸甲烷氣體的目的。智能抽采機主要由轉(zhuǎn)子、定子和提供動力的裝置和自動記錄調(diào)整裝置組成。自動記錄調(diào)整裝置能夠根據(jù)動液面下降的速度變化自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從而適應動液面的變化。方法為首先給定動液面高度，先以一定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，在運轉(zhuǎn)過程中，聲波傳感器得到動液面的高度，與給定的動液面高度進行比較，得出動液面下降的比例，給定動液面高度下運轉(zhuǎn)動液面下降比例與理論要求的下降比例一致時，儀器以此轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)；當下降比例不一致時，根據(jù)下降快慢控制儀會調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速適應動液面下降速度，最終實現(xiàn)動液面的自動控制。井下溫度計主要是用來監(jiān)測井下的溫度。井下壓力計主要用來監(jiān)測井底壓力的變化，監(jiān)測動液面的變化，為調(diào)整排采工作制度提供依據(jù)。智能抽采機抽采的水經(jīng)過水管路，抽出的氣經(jīng)過氣管路。水管路和氣管路上分別安裝有水流量計和氣流量計，分別記錄水的流量和氣的流量。3、氣水分離器主要是分離煤層氣井排出的水中的氣體。氣水分離器采用傳統(tǒng)的重力沉降氣水分離器，利用氣體與液體的密度不同，液體在與氣體一起流動時，液體會受到重力的作用，產(chǎn)生一個向下的速度，而氣體仍然朝著原來的方向流動，也就是說液體與氣體在重力場中有分離的傾向，向下的液體附著在壁面上匯集在一起通過排放管排出，從而達到氣水分離的目的。氣水分離器與水管路相連接，水管路中的水，經(jīng)過氣水分離器，將氣體從水分中分離，氣水分離器上安裝有壓力表，能夠讀取氣體的壓力，根據(jù)氣體的壓力決定是否對分離出的氣體加以利用，經(jīng)過氣水分離器中水，被排進污水池。除水分離器主要目的是去除二氧化碳和甲烷混合氣體中少部分的水，除水分離器設計采用擋板式分離器，當大量含水的氣體進入除水分離器后，在其中以離心向下傾斜式運動。夾帶的水分由于速度的降低而被分離出來。被分離出來的液體流入下部經(jīng)疏水閥排出，干燥清潔的蒸汽從分離器出口排出。氣管線中的混合氣體，經(jīng)過除水分離器，混合氣體中的水分被去除，然后進行后續(xù)的處理。甲烷二氧化碳分離器主要作用是將甲烷和二氧化碳分離，甲烷二氧化碳分離器中內(nèi)置有變壓吸附器，利用裝在變壓吸附器內(nèi)的活性炭、分子篩、硅膠等固體吸附劑，對甲烷和二氧化碳混合氣體進行吸附，根據(jù)甲烷和二氧化碳沸點的不同，通過改變壓力，從而達到氣體分離的目的。被分離的甲烷氣體通過氣管路進入甲烷壓縮站，氣體壓縮后輸出到供氣站，供氣站經(jīng)過壓縮、深度脫水后可以直接銷售，二氧化碳氣體通過管線進入二氧化碳壓縮冷系統(tǒng)。
氣相色譜儀連接在除水分離器和甲烷二氧化碳分離器之間的氣管路上，在氣樣采集管路中，通過多層過濾(聚合過濾和膜分離器)，除去混合氣體樣品中的水氣，干燥過的混合氣體直接進入氣相色譜儀，氣相色譜儀對混合氣體中甲烷和二氧化碳的含量進行分析，為甲烷、二氧化碳分離器提供依據(jù)。4、由三級往復式壓縮機和冷卻冷凝器組成的壓縮裝置，壓縮機使用水冷式汽缸，主要作用是將二氧化碳的壓力轉(zhuǎn)化為液化時需要的壓力(2100KPa)，壓縮機的這種汽缸可以提高壓縮機作業(yè)的整體效率，同時降低排放速度，減少壓縮機的級數(shù)，在每一級之后需要冷卻冷凝器去除壓縮熱，冷卻冷凝器中安裝有水分離器，水分離器用來去除壓縮和冷卻后的冷凝水。由兩個蒸汽塔(再生塔)組成的脫水裝置，兩個塔交替作業(yè)，蒸汽塔中裝滿分子篩，在蒸汽階段，將水存留在分子篩床上，在再生階段，使用熱空氣流將積聚的水從篩床上去除，并排放到大氣中。每個塔直徑是2m，塔的高度是3. 5m，再生采用的是鼓風機和電子加熱器產(chǎn)生的熱空氣來作業(yè)的，一個蒸汽塔的作業(yè)循環(huán)約為24h，再生階段約為12h，在塔出口的頂部的干基二氧化碳氣流被連續(xù)監(jiān)控，確保穩(wěn)定在_30°C以下。冷卻裝置主要用來液化干基二氧化碳氣流，并準備輸送到二氧化碳注入泵車上，冷卻系統(tǒng)采用兩級丙烷冷卻循環(huán)裝置，由冷卻壓縮機、冷卻冷凝劑、抽氣鼓和節(jié)熱器組成，被冷卻后的液態(tài)二氧化碳，被輸送到移動式二氧化碳存儲罐車中。5、水箱主要是用來盛裝壓裂時的壓裂液。一般由6*3*3的長方體組成，在水箱的下部安裝有一個出水口，以及閥門，能讓水從出水口中出來，出口直徑為8cm。壓裂泵車主要用來提供壓裂時的壓力。由動力裝置、泵體裝置及車身等組成。動力裝置主要用來提供壓力，泵體裝置通過活塞的往復運動把壓裂液及支撐劑注入到井下。由于一臺壓裂泵車提供的排量有限，為了把支撐劑和壓裂液注入到更遠處，一般由6-7臺壓裂泵車并聯(lián)，它們之間主要由高低壓管匯進行連接。高低壓管匯主要用來把多臺壓裂泵車并聯(lián)在一起。高低壓管匯由兩排管口組成，上面一排是低壓，下面一排是高壓。兩排各由6-8個管口組成。低壓部分主要通過高壓管線與混砂裝置進行連接；高壓部分主要通過高壓管線與壓裂泵車連接?；焐把b置主要是把支撐劑和壓裂液混合攪拌均勻，并通過壓裂泵車輸送到井下?；焐把b置主要通過轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動，來對支撐劑和水體進行攪拌，起到混合均勻的作用。轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動的速度快慢決定了支撐劑的流速，進而改變著壓裂時壓裂液中支撐劑的濃度。移動式二氧化碳注入泵車主要是把二氧化碳注入到煤層孔、裂隙中。通過將注入泵和二氧化碳運輸車輛組合在一起，主要是存儲液態(tài)二氧化碳和提供二氧化碳循環(huán)注入時的壓力。由二氧化碳注入泵、二氧化碳存儲罐以及所有必要的安全閥、排放閥組成，該泵車計量精度高、安全性好。壓力傳感器和流量傳感器主要是記錄注入時的施工壓力和流量。本發(fā)明主要是針對目前注二氧化碳設備龐大、成本費用高、組織操作較困難、采出的二氧化碳氣體無法再次利用而引起溫室效應等主要問題，研制出一種循環(huán)注二氧化碳裝置，形成循環(huán)注二氧化碳的工藝方法體系，達到循環(huán)利用二氧化碳氣體，減少施工成本，提高煤層氣甲烷采收率和經(jīng)濟效益的目的。本發(fā)明能進行煤儲層的改造，增加煤儲層的導流能力，通過循環(huán)注氣，能把煤層中 更多的甲烷氣體采出來，提高了煤層中甲烷的產(chǎn)出速率，降低了煤層氣井的回采周期，提高了煤層氣井的采收率和經(jīng)濟效益。本發(fā)明通過循環(huán)注氣，能封存部分二氧化碳，減少了大氣中的二氧化碳氣體排放，降低溫室效應。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構示意 圖2是本發(fā)明中循環(huán)注氣工藝流程 圖3是循環(huán)注氣工藝中等間距布井的示意 圖4是循環(huán)注氣工藝中平行四邊形布井的示意 圖5是循環(huán)注氣工藝中不規(guī)則布井的示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發(fā)明的煤層氣井循環(huán)注二氧化碳系統(tǒng)，包括依次連接的智能抽采部分27、氣體分離部分28、二氧化碳壓縮脫水冷凝部分29和循環(huán)注二氧化碳動力部分30。智能抽采部分包括智能抽采機I、井下壓力計6、井下溫度計5、氣流量計3和水流量計2，井下壓力計6和井下溫度計5分別設在煤層氣生產(chǎn)井31的井底，智能抽采機I的抽油桿4放置到煤層氣生產(chǎn)井31的煤層段上下5-10m處(排采初期，放置于煤層之上0_5m處，第一次修井后，即可放置于煤層段之下O-IOm處)，煤層氣生產(chǎn)井31的上端連接有氣管路32和水管路33，氣流量計3設在氣管路32上，水流量計2設在水管路33上。氣體分離部分28包括氣水分離器8、污水池9、除水分離器10、氣相色譜儀11和甲烷二氧化碳分離器12，氣水分離器8和污水池9順次連接在水管路33上，除水分離器10和甲烷二氧化碳分離器12順次連接在氣管路32上，氣相色譜儀11連接在除水分離器10和甲烷二氧化碳分離器12之間的氣管路32上，甲烷二氧化碳分離器12連接有甲烷壓縮站13。二氧化碳壓縮脫水冷凝部分29包括依次連接在氣管路32上的至少一組的壓縮機14和冷凝器15、至少一組蒸汽塔16、至少一組冷卻壓縮機17和冷卻冷凝器18。循環(huán)注二氧化碳動力部分30包括水箱21、砂罐車22、壓裂泵車25、混砂裝置23、高低壓管匯24和移動式存儲罐車19，移動式存儲罐車19連接在氣管路32上，水箱21和砂罐車22分別與混砂裝置23連接，混砂裝置23和壓裂泵車25通過高低壓管匯24與氣管路32的注氣端連接，高低壓管匯24上連接有儀表26。氣管路32和水管路33上分別設有若干個閥門7。采用工廠中產(chǎn)生的二氧化碳氣體，通過三級往復式壓縮機壓縮、蒸汽塔16 (再生塔)脫水、兩級丙烷冷卻循環(huán)系統(tǒng)(冷卻壓縮機17和冷卻冷凝器18)冷凝后被收集在移動式二氧化碳存儲罐車19中，通過增壓泵作用，注入到二氧化碳注入井34的煤層35中，在煤層35中，二氧化碳對甲烷氣體進行驅(qū)替作用，加快了甲烷在煤層35氣井中的產(chǎn)出速率，同時有一部分二氧化碳氣體產(chǎn)出，產(chǎn)出的甲烷和二氧化碳混合氣體經(jīng)過甲烷、二氧化碳和水分離系統(tǒng)的分離，甲烷進入甲烷壓縮站13被壓縮，二氧化碳通過三級往復 式壓縮機壓縮、蒸汽塔16 (再生塔)脫水、兩級丙烷冷卻循環(huán)系統(tǒng)冷凝后，重新被收集在移動式二氧化碳存儲罐車19中，通過增壓泵二氧化碳被循環(huán)注入到煤層35中。這樣就起到循環(huán)注入的目的。如圖2所示，本發(fā)明的循環(huán)注氣工藝及流程為
①、循環(huán)注氣的布井地點的確定
通過對評價區(qū)的煤層厚度、滲透率、含氣量等的資源條件和儲層物性進行評價，在評價出有利區(qū)塊后，同時考慮地面條件，應盡量選擇地形、地貌相對簡單、平坦的地區(qū)，以便于道路施工和井場布置及集輸電線路建設。若在正在采煤的礦區(qū)進行，則要考慮與煤礦的采掘銜接問題，以便最大限度地減少施工風險，充分利用地面鉆井進行產(chǎn)氣。②、井網(wǎng)布置方式的確定
當煤層裂隙比較發(fā)育，在不同方向滲透性差別不大，水平最大主應力與最小主應力大小差值較小時(一般不超過2MPa)，且地質(zhì)構造條件不太復雜，地形條件允許時，可采用等間距的布井方式，如圖3所示，中間一個為注入井50，周邊為生產(chǎn)井51。當煤層裂隙發(fā)育差異性較大，在不同方向滲透差別較大時，水平最大主應力與最小主應力大小差值較大時(超過了 2MPa)，且地質(zhì)構造條件不太復雜，地形條件允許時，在水平最大主應力方向上，井網(wǎng)距離大些，垂直于水平最大主應力方向上，采用平行四邊形的布井方式，如圖4所示，中間一個為注入井52，周邊為生產(chǎn)井53。當煤層裂隙發(fā)育差異性較大時，水平最大主應力與最小主應力大小差值較大時(超過了 2MPa)，且地質(zhì)構造條件發(fā)生強烈變化，地形條件也比較復雜時，則采用不規(guī)則的布井方式，如圖4所示，中間一個為注入井54，周邊為生產(chǎn)井55。③、一次壓裂工藝參數(shù)確定 a.當煤層為單一厚煤層時
液量的確定根據(jù)煤層厚度，確定出壓裂液總量，一般情況下，壓裂液總量為(80 150*煤層厚度)，前置液量為壓裂液總量的35% 45%，頂替液量為煤層埋深/100*1. 2，攜砂液量為壓裂液總量的40% 55%。排量的確定施工時，施工排量一般為7. O 8. 5m3/min ；
砂比及加砂順序的確定一般情況下，平均砂比為10% 15%。加砂順序一般為3%-5%-7%-I0%-I3%-I6%-I8%-20%。砂量的確定單位厚度上的砂量為6 9m3/m。b.當煤層為多煤層，煤層之間的間距小于20m時可以采用投球壓裂技術。射孔時，在煤層段一般為16孔/m，中間砂巖層段一般為24孔/m或32孔/m。其他設計參數(shù)與單一煤層相同。④、安裝排采設備排采
選擇排采設備時，應能滿足地層的最小供液能力和最大供液能力的需要。同時考慮經(jīng)濟成本，進行排采。⑤、循環(huán)注氣參數(shù)確定 a.注氣時間的確定
當煤層氣井從開始產(chǎn)氣后逐漸地上升，當達到產(chǎn)氣高峰后，維持一段時間后，然后產(chǎn)氣量開始下降，當持續(xù)下降時，此時則需要開始二次注氣。注氣后關井一段時間后繼續(xù)排米，產(chǎn)氣后達到產(chǎn)氣高峰維持一段時間后又開始出現(xiàn)產(chǎn)氣持續(xù)下降時，則需要再次注氣，如此循環(huán)。 b.注氣量的確定
注氣量是根據(jù)煤層的埋藏能力結(jié)合二氧化碳注入泵的排量確定的。注入的氣量主要是能滿足氣體盡量的擴散到單井控制的面積范圍內(nèi)。一般情況下，根據(jù)單井控制面積，煤層厚度計算得出注入氣量。
權利要求
1.煤層氣井循環(huán)注二氧化碳系統(tǒng)，其特征在于包括依次連接的智能抽采部分(27)、氣體分離部分(28)、二氧化碳壓縮脫水冷凝部分(29)和循環(huán)注二氧化碳動力部分(30)。
2.根據(jù)權利要求I所述的煤層氣井循環(huán)注二氧化碳系統(tǒng)，其特征在于所述智能抽采部分包括智能抽采機(I)、井下壓力計(6)、井下溫度計(5)、氣流量計(3)和水流量計(2)，井下壓力計(6)和井下溫度計(5)分別設在煤層氣生產(chǎn)井(31)的井底，智能抽采機(I)的抽油桿(4)放置到煤層氣生產(chǎn)井(31)的煤層段上下5-10m處，煤層氣生產(chǎn)井(31)的上端連接有氣管路(32)和水管路(33)，氣流量計(3)設在氣管路(32)上，水流量計(2)設在水管路(33)上。
3.根據(jù)權利要求2所述的煤層氣井循環(huán)注二氧化碳系統(tǒng)，其特征在于所述氣體分離部分(28)包括氣水分離器(8)、污水池(9)、除水分離器(10)、氣相色譜儀(11)和甲烷二氧化碳分離器(12)，氣水分離器(8)和污水池(9)順次連接在水管路(33)上，除水分離器(10)和甲烷二氧化碳分離器(12)順次連接在氣管路(32)上，氣相色譜儀(11)連接在除水分離器(10)和甲烷二氧化碳分離器(12)之間的氣管路(32)上，甲烷二氧化碳分離器(12)連接有甲烷壓縮站(13)。
4.根據(jù)權利要求3所述的煤層氣井循環(huán)注二氧化碳系統(tǒng)，其特征在于所述二氧化碳壓縮脫水冷凝部分(29 )包括依次連接在氣管路(32 )上的至少一組的壓縮機(14 )和冷凝器(15)、至少一組蒸汽塔/再生塔(16)、至少一組冷卻壓縮機(17)和冷卻冷凝器(18)。
5.根據(jù)權利要求4所述的煤層氣井循環(huán)注二氧化碳系統(tǒng)，其特征在于所述循環(huán)注二氧化碳動力部分(30)包括水箱(21)、砂罐車(22)、壓裂泵車(25)、混砂裝置(23)、高低壓管匯(24)和移動式存儲罐車(19)，移動式存儲罐車(19)連接在氣管路(32)上，水箱(21)和砂罐車(22)分別與混砂裝置(23)連接，混砂裝置(23)和壓裂泵車(25)通過高低壓管匯(24)與氣管路(32)的注氣端連接，高低壓管匯(24)上連接有儀表(26)。
6.根據(jù)權利要求2-5任一項所述的煤層氣井循環(huán)注二氧化碳系統(tǒng)，其特征在于所述氣管路(32)和水管路(33)上分別設有閥門(7)。
全文摘要
煤層氣井循環(huán)注二氧化碳系統(tǒng)，包括依次連接的智能抽采部分(27)、氣體分離部分(28)、二氧化碳壓縮脫水冷凝部分(29)和循環(huán)注二氧化碳動力部分(30)。本發(fā)明能進行煤儲層的改造，增加煤儲層的導流能力，通過循環(huán)注氣，能把煤層中更多的甲烷氣體采出來，提高了煤層中甲烷的產(chǎn)出速率，降低了煤層氣井的回采周期，提高了煤層氣井的采收率和經(jīng)濟效益。本發(fā)明通過循環(huán)注氣，能封存部分二氧化碳，減少了大氣中的二氧化碳氣體排放，降低溫室效應。
文檔編號E21B47/00GK102877819SQ201210383730
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月11日 優(yōu)先權日2012年10月11日
發(fā)明者倪小明, 王延斌, 李全中, 陳文學, 張崇崇 申請人:河南理工大學