一种利用地热开采煤层气的装置及方法

1.本发明属于煤层气开采技术领域，涉及一种利用地热开采煤层气的装置及方法。


背景技术：

2.煤层气作为一种洁净能源，它不仅可以替代天然气，而且其储量非常丰富，具有广阔的开发前景。同时，对煤层气的开发利用，不仅可以减少环境污染，还可以提高煤矿生产的安全性，有效地降低煤矿瓦斯灾害。我国煤储层普遍具有渗透性差、煤层气吸附性强的特点，是造成煤层气运移困难、气井产量低的主要原因，如不采取相应的煤层气增产技术，很难从根本上提升产气量。注热开采煤层气技术是通过向含气煤层中注入热水或蒸汽，为煤层提供热量，可促使大量吸附煤层气快速解吸，提高气体排采驱动压力，是强化煤层气抽采的有效技术。
3.注热开采煤层气技术主要是通过地面管网将锅炉中产生的高温热水或蒸汽注入煤层中，提高煤层气解吸效率。目前，按照加热方式不同，注热开采煤层气技术所使用的锅炉系统为电热和燃煤两种类型。电热型锅炉以高级电能作为产生注入热水或蒸汽的能源，长年不断加热，电耗费用很高，经济可行性较差。燃煤型锅炉使用原始煤炭能，日常运行成本较低。因此，亟待寻求绿色、低碳、实用的能源推动煤层气热采技术的发展。
4.地热能是一种新型的、资源丰富的可再生能源，它来源于地球内部熔融岩浆和放射性物质的衰变。可以说，地热能是一种普遍存在的能源，地表任何位置向下探测均能在不同深度发现不同类型的地热能，岩层越深其地温及能量就越高，分为高焓、中焓和低焓地热。地壳的近似平均地热梯度是25℃/千米，不同地点地温梯度值不同，通常为（1.0～3.0）℃/百米。如此计算，一般条件下，地表温度为25℃，4000m埋深岩层的温度已超过100℃。不同温度对煤层气解吸量的影响非常显著，许多学者研究认为，将煤体由常温加热到60℃，煤层气解吸量比常温条件能提高50％以上。一般煤层气储层的开采埋深为600～1200m，正常地温条件下，继续向下钻探，均可以在该煤层气储层下部约3000m的位置发现温度超过100℃的地热岩层。因此，就近利用煤储层下部的地热资源进行煤层气强化抽采，是合理的、可付诸实施的创新工业化方案，对不同地区的含气煤层的开发具备普适性。
5.现有该领域内的中国专利cn 114856518 a，是利用地热获得的高温流体加热井内煤层气，进而将高温煤层气注入煤层，由此提高煤层气抽采效率的方法。
6.该方法利用煤层气作为加热煤层的换热介质，存在如下缺陷：1）井内实施煤层气换热，换热空间局限，换热效率差，导致煤层气升温慢。2）气体的换热系数和比热容很低，大气压下从20℃加热到100℃，同体积水携带的热量是同体积空气的3250倍，气体携热能力很差。可见，将煤层气作为换热介质不能携带大量热量进入煤层，也很难提升煤层气的产量。


技术实现要素：

7.本发明克服了现有技术的不足，提出一种利用地热开采煤层气的装置及方法，以提高换热效率并提升煤层气的产量。
8.为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
9.一种利用地热开采煤层气的装置，从地面至煤层气开采区域设置有煤层冷水抽采井、煤层热水注入井和煤层气开采井，所述煤层气开采区域通过压裂形成放热裂缝通道；煤层冷水抽采井和煤层热水注入井通过放热裂缝通道连通，形成煤层水通道。
10.从地面至煤层气开采区域下部的地热岩层设置有地热冷水注入井和地热热水抽采井，所述地热岩层通过压裂形成吸热裂缝通道；地热冷水注入井和地热热水抽采井通过吸热裂缝通道连通，形成地热水通道。
11.地热水通道与煤层水通道相连接，用于将地热水通道的热量传递至煤层水通道。
12.优选的，所述地热水通道与煤层水通道相连接，是地热热水抽采井出水口经地面换热站与地热冷水注入井相连接，煤层冷水抽采井的出水口经地面换热站与煤层热水注入井相连接。
13.优选的，所述地热水通道与煤层水通道相连接，是地热热水抽采井出水口与煤层热水注入井进水口相连接，煤层冷水抽采井的出水口与地热冷水注入井的进水口相连接。
14.优选的，所述煤层冷水抽采井的出水口端和地热热水抽采井的出水口端均连接有除渣装置。
15.优选的，煤层热水注入井进水口前端与二次加热站相连接。
16.一种利用地热开采煤层气的方法，包括以下步骤：1）分别向煤层气开采区域钻入煤层冷水抽采井和煤层热水注入井，采用压裂方式形成放热裂缝通道；煤层冷水抽采井和煤层热水注入井通过放热裂缝通道连通，形成煤层水通道。
17.2）分别向煤层气开采区域下部的地热岩层钻入地热冷水注入井和地热热水抽采井，采用压裂方式形成吸热裂缝通道；地热冷水注入井和地热热水抽采井通过吸热裂缝通道连通，形成地热水通道。
18.3）将地热水通道与煤层水通道相连接，用于将地热水通道的热量传递至煤层水通道；向煤层气开采区域钻入煤层气开采井，通过地热水通道将热量传递至煤层水通道对煤层气开采区域加热，再通过煤层气开采井开采煤层气。
19.优选的，所述将地热水通道与煤层水通道相连接，是将地热热水抽采井出水口与煤层热水注入井进水口相连接，煤层冷水抽采井的出水口与地热冷水注入井的进水口相连接；通过地热水通道直接将热量传递至煤层水通道。
20.优选的，所述将地热水通道与煤层水通道相连接，是将地热热水抽采井出水口经地面换热站与地热冷水注入井相连接，煤层冷水抽采井的出水口经地面换热站与煤层热水注入井相连接；通过地热水通道间接将热量传递至煤层水通道。
21.优选的，所述地热岩层与煤层气开采区域的距离＞1500m，且地热岩层的温度≥80℃；沿煤层热水注入井注入放热裂缝通道中的热水温度≥100℃。
22.优选的，所述放热裂缝通道位于煤层与其底板的交界面处或位于所述交界面以上1.0m的范围内。
23.优选的，所述放热裂缝通道和吸热裂缝通道均可采用水力压裂或定向钻井的连通方式。
24.本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
1、本发明就近利用煤层下部常规地温梯度形成的地热岩层作为循环水换热层，地热资源明确且易于获取，方案具备普适性。
25.2、在煤层下部区域实施水力压裂形成换热裂缝通道，相当于在煤层下部铺设了“热毯”的效能，热量和气体垂直于裂缝面向上传递，而水主要则是沿着运移阻力低的裂缝面水平流动，不易运移到煤体上部产生“水锁”现象。
26.3、对于煤层气的加热不仅利用了换热后形成的热水为热源，从裂缝面传递上来的热气也作为一种热源为煤层气加热，提高了煤层气与煤层的解离，使煤层气的抽采效率和抽采量有效提高。
附图说明
27.图1是实施例1和2中地热热水水质较差时利用地热开采煤层气的装置的整体示意图。
28.图2是实施例3中地热热水水质较好时利用地热开采煤层气的装置的整体示意图。
29.图中，1-放热裂缝通道；2-煤层冷水抽采井；3-煤层热水注入井；4-吸热裂缝通道；5-地热冷水注入井；6-地热热水抽采井；7-换热站；8-二次加热站；9-除渣装置；10-煤层气开采井；11-煤层气开采区域；12-地热岩层；实线箭头表示水的流动方向；虚线箭头表示煤层气的流动方向。
具体实施方式
30.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
31.实施例1地热岩层埋深3000m，厚度100m，其热储温度为较低温（85℃）；煤层气储层埋深1000m，煤层厚度10m，地热热水水质较差。利用地热开采煤层气的装置和方法，如图1所示，其具体步骤如下：1、分别在煤层气储层和地热岩层中实施钻井和压裂工程。首先，钻井进入煤层即煤层气开采区域11的靠近下部的区域，钻井深度为1010m，构成煤层冷水抽采井2和煤层热水注入井3。对钻井底部的煤层与底板的交界面处实施压裂工程，形成放热裂缝通道1，放热裂缝通道1位于煤层与其底板的交界面。放热裂缝通道1连通煤层冷水抽采井2和煤层热水注入井3。然后，钻井进入煤层气开采区域11下部的地热岩层12，钻井深度为3050m，构成地热冷水注入井5和地热热水抽采井6。在地热钻井底部实施压裂工程，形成吸热裂缝通道4并连通地热冷水注入井5和地热热水抽采井6。放热裂缝通道1和吸热裂缝通道4均可采用水力压裂或定向钻井的连通方式。
32.2、煤层冷水抽采井2、煤层热水注入井3与地面换热站7连通形成第一回路；地热冷水注入井5、地热热水抽采井6与地面换热站7连通形成第二回路，第一回路和第二回路分别形成两个独立通道的换热水循环系统。
33.3、运行过程中，将冷水沿地热冷水注入井5注入地热岩层12中的吸热裂缝通道4，
使冷水与围岩换热后形成80℃热水，再由地热热水抽采井6排出，经由地面设置的除渣装置9去除水体中的大颗粒悬浮物后进入地面换热站7，降温后再沿地热冷水注入井5注入地热岩层12，形成地热水循环系统。
34.4、80℃热水在地面换热站7内对另一通道中冷水换热后产出75℃热水，75℃热水再经由二次加热站8进行二次加热后形成100℃热水，该二次加热站8为电加热方式。100℃热水沿煤层热水注入井3注入放热裂缝通道1，由煤层与底板的交界面处向上逐渐加热煤体，促使大量吸附煤层气解吸后沿煤层气开采井10产出。放热后的冷水经煤层冷水抽采井2进入地面除渣装置9去除水体中的大颗粒悬浮物后进入地面换热站7进行循环换热升温，形成煤层水循环系统。
35.根据水温变化和煤层气产出效率，对煤层冷水抽采井2和煤层热水注入井3进行不同时间间隔功能轮换，即抽采井变为注入井；注入井变为抽采井。根据水温变化，对地热冷水注入井5和地热热水抽采井6进行不同时间间隔功能轮换，即抽采井变为注入井；注入井变为抽采井。
36.实施例2地热岩层埋深4000m，厚度100m，其热储温度为较高温（110℃）；煤层气储层埋深1000m，煤层厚度12m，地热热水水质较差。利用地热开采煤层气的装置和方法，如图1所示，其具体步骤如下：1、分别在煤层气储层和地热岩层中实施钻井和压裂工程。首先，钻井进入煤层即煤层气开采区域11的下部区域，钻井深度为1011.5m，构成煤层冷水抽采井2和煤层热水注入井3。对钻井底部的煤层与底板的交界面上0.5m处实施压裂工程，形成放热裂缝通道1并连通煤层冷水抽采井2和煤层热水注入井3。然后，钻井进入煤层气开采区域11下部的地热岩层12，钻井深度为4050m，构成地热冷水注入井5和地热热水抽采井6。在地热钻井底部实施压裂工程，形成吸热裂缝通道4并连通地热冷水注入井5和地热热水抽采井6。
37.2、煤层冷水抽采井2、煤层热水注入井3与地面换热站7连通；地热冷水注入井5、地热热水抽采井6与地面换热站7连通，分别形成两个独立通道的换热水循环系统。
38.3、运行过程中，将冷水沿地热冷水注入井5注入地热岩层12中的吸热裂缝通道4，与围岩换热后形成的105℃热水由地热热水抽采井6排出，经由地面的除渣装置9去除水体中的大颗粒悬浮物后进入地面换热站7，降温后再沿地热冷水注入井5注入地热岩层12，形成地热水循环系统。
39.4、105℃热水在地面换热站7内对另一通道中冷水换热后产出100℃热水，100℃热水沿煤层热水注入井3注入放热裂缝通道1并向上逐渐加热煤体，促使大量吸附煤层气解吸后沿煤层气开采井10产出。放热后的冷水经煤层冷水抽采井2进入地面的除渣装置9去除水体中的大颗粒悬浮物后进入地面换热站7进行循环换热升温，形成煤层水循环系统。
40.根据水温变化和煤层气产出效率，对煤层冷水抽采井2和煤层热水注入井3进行不同时间间隔功能轮换，即抽采井变为注入井；注入井变为抽采井。根据水温变化，对地热冷水注入井5和地热热水抽采井6进行不同时间间隔功能轮换，即抽采井变为注入井；注入井变为抽采井。
41.实施例3地热岩层埋深3000m，厚度100m，其热储温度为较低温（85℃）；煤层气储层埋深
1000m，煤层厚度10m，地热热水水质较好。利用地热开采煤层气的装置和方法，参照图2，其具体步骤如下：1、分别在煤层气储层和地热岩层中实施钻井和压裂工程。首先，钻井进入煤层即煤层气开采区域11的下部区域，钻井深度为1010m，构成煤层冷水抽采井2和煤层热水注入井3。对钻井底部的煤层与底板的交界面处实施压裂工程，形成放热裂缝通道1并连通煤层冷水抽采井2和煤层热水注入井3。然后，钻井进入煤层气开采区域11下部的地热岩层12，钻井深度为3050m，构成地热冷水注入井5和地热热水抽采井6。在地热钻井底部实施压裂工程，形成吸热裂缝通道4并连通地热冷水注入井5和地热热水抽采井6。
42.2、煤层冷水抽采井2与地热冷水注入井5直接连通，煤层热水注入井3与地热热水抽采井6直接连通。
43.3、运行过程中，将冷水沿地热冷水注入井5注入地热岩层12中的吸热裂缝通道4，与围岩换热后形成80℃热水由地热热水抽采井6排出，经由地面的除渣装置9去除水体中的大颗粒悬浮物后，通过煤层热水注入井3前端的二次加热站8对热水进入二次加热至100℃，再沿煤层热水注入井3注入放热裂缝通道1，由煤层与底板的交界面处向上逐渐加热煤体，促使大量吸附煤层气解吸后沿煤层气开采井10产出。
44.4、放热后的冷水经煤层冷水抽采井2进入地面的除渣装置9去除水体中的大颗粒悬浮物后沿地热冷水注入井5注入地热岩层12中，形成水循环换热系统。
45.根据水温变化和煤层气产出效率，对煤层冷水抽采井2和煤层热水注入井3进行不同时间间隔功能轮换，即抽采井变为注入井；注入井变为抽采井。根据水温变化，对地热冷水注入井5和地热热水抽采井6进行不同时间间隔功能轮换，即抽采井变为注入井；注入井变为抽采井。
46.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

技术特征：
1.一种利用地热开采煤层气的装置，其特征在于，从地面至煤层气开采区域（11）设置有煤层冷水抽采井（2）、煤层热水注入井（3）和煤层气开采井（10），所述煤层气开采区域（11）通过压裂形成放热裂缝通道（1）；煤层冷水抽采井（2）和煤层热水注入井（3）通过放热裂缝通道（1）连通，形成煤层水通道；从地面至煤层气开采区域（11）下部的地热岩层（12）设置有地热冷水注入井（5）和地热热水抽采井（6），所述地热岩层（12）通过压裂形成吸热裂缝通道（4）；地热冷水注入井（5）和地热热水抽采井（6）通过吸热裂缝通道（4）连通，形成地热水通道；地热水通道与煤层水通道相连接，用于将地热水通道的热量传递至煤层水通道。2.根据权利要求1所述的一种利用地热开采煤层气的装置，其特征在于，所述地热水通道与煤层水通道相连接，是地热热水抽采井（6）出水口经地面换热站（7）与地热冷水注入井（5）相连接，煤层冷水抽采井（2）的出水口经地面换热站（7）与煤层热水注入井（3）相连接。3.根据权利要求1所述的一种利用地热开采煤层气的装置，其特征在于，所述地热水通道与煤层水通道相连接，是地热热水抽采井（6）出水口与煤层热水注入井（3）进水口相连接，煤层冷水抽采井（2）的出水口与地热冷水注入井（5）的进水口相连接。4.根据权利要求1所述的一种利用地热开采煤层气的装置，其特征在于，所述煤层冷水抽采井（2）的出水口端和地热热水抽采井（6）的出水口端均连接有除渣装置（9）。5.根据权利要求1所述的一种利用地热开采煤层气的装置，其特征在于，煤层热水注入井（3）进水口前端与二次加热站（8）相连接。6.一种利用地热开采煤层气的方法，其特征在于，包括以下步骤：1）分别向煤层气开采区域（11）钻入煤层冷水抽采井（2）和煤层热水注入井（3），采用压裂方式在煤层气开采区域（11）形成放热裂缝通道（1）；煤层冷水抽采井（2）和煤层热水注入井（3）通过放热裂缝通道（1）连通，形成煤层水通道；2）分别向煤层气开采区域（11）下部的地热岩层（12）钻入地热冷水注入井（5）和地热热水抽采井（6），采用压裂方式在地热岩层（12）形成吸热裂缝通道（4）；地热冷水注入井（5）和地热热水抽采井（6）通过吸热裂缝通道（4）连通，形成地热水通道；3）将地热水通道与煤层水通道相连接，用于将地热水通道的热量传递至煤层水通道；向煤层气开采区域（11）钻入煤层气开采井（10），通过地热水通道将热量传递至煤层水通道对煤层气开采区域加热，再通过煤层气开采井（10）开采煤层气。7.根据权利要求6所述的一种利用地热开采煤层气的方法，其特征在于，所述将地热水通道与煤层水通道相连接，是将地热热水抽采井（6）出水口与煤层热水注入井（3）进水口相连接，煤层冷水抽采井（2）的出水口与地热冷水注入井（5）的进水口相连接；通过地热水通道直接将热量传递至煤层水通道。8.根据权利要求6所述的一种利用地热开采煤层气的方法，其特征在于，所述将地热水通道与煤层水通道相连接，是将地热热水抽采井（6）出水口经地面换热站（7）与地热冷水注入井（5）相连接，煤层冷水抽采井（2）的出水口经地面换热站（7）与煤层热水注入井（3）相连接；通过地热水通道间接将热量传递至煤层水通道。9.根据权利要求6所述的一种利用地热开采煤层气的方法，其特征在于，所述地热岩层（12）与煤层气开采区域（11）的距离＞1500m，且地热岩层（12）的温度≥80℃；沿煤层热水注入井（3）注入放热裂缝通道（1）中的热水温度≥100℃。
10.根据权利要求6所述的一种利用地热开采煤层气的方法，其特征在于，所述放热裂缝通道（1）位于煤层与其底板的交界面处或位于所述交界面以上1.0m的范围内。

技术总结
本发明公开了一种利用地热开采煤层气的装置及方法，属于煤层气开采技术领域；通过在煤层气开采区域形成的放热裂缝通道将煤层冷水抽采井和煤层热水注入井连通，形成煤层水通道；再通过在地热岩层形成的吸热裂缝通道将地热冷水注入井和地热热水抽采井连通，形成地热水通道；地热水通道与煤层水通道相连接，用于将地热水通道的热量传递至煤层水通道，进行煤层气开采；本发明对煤层气的加热不仅利用了换热后形成的热水为热源，从裂缝面传递的热气也作为一种热源为煤层气加热，提高了煤层气与煤层的解离，使煤层气的抽采效率和抽采量有效提高。高。高。


技术研发人员：康志勤 高鹏贵 郭洋 王磊 朱淳 孙丁伟 贾毅超 杨栋 赵静 赵阳升
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/7/12