一种煤与油页岩油气资源共采系统及方法

本发明属于煤与油页岩油气资源共采，具体涉及一种煤与油页岩油气资源共采系统及方法。

背景技术：

1、油页岩作为一种非常规油气资源，以资源丰富和可开发利用的特点被列为二十一世纪重要的接替能源之一。油页岩开发利用的范围非常广泛，除了可以开发出页岩油和煤气等优质燃料，还可以应用到制造水泥、生产化学药品、合成建筑材料以及研制土壤增肥剂等工程领域各个方面。

2、油页岩的传统开采方法是地表干馏方法，利用井工开采方式将油页岩从地下开采出来，将油页岩提运到地表后，经过低温干馏方法处理，制取出油页岩油或通过燃烧的方式进行发电，这种传统开采方法虽然在技术上相对成熟，但是其存在的缺点也不容忽视。地表干馏方法提取油页岩油的过程中会产生大量的废渣，同时存在深部开采困难大、开采效率低，并且易污染环境的问题。

3、针对我国油页岩矿层多与煤层互层共伴生的资源赋存特征，形成了煤与油页岩联合开采的思想。为了解决煤炭资源初次开采后遗留煤体资源的充分利用问题，以及共伴生油页岩油气资源的高效抽采问题，亟需提供一种新型的煤与油页岩油气资源共采系统及方法，实现煤与油页岩油气资源科学环保地共同开采。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种煤与油页岩油气资源共采系统及方法，该系统能实现煤与油页岩高效绿色共采，其能使残留的煤层资源在地下得到二次利用，能避免开采过程污染环境，在节省资源的同时，还能显著提高油页岩内油气资源的开采效率。该方法实施过程简单、实施成本低，其能显著提高上覆油页岩中油气的开采效率，开采全程均在地下进行，对环境污染极小，其为我国煤与油页岩油气资源共采领域提供了一种低碳、绿色、高效、便捷的新途径。

2、本发明提供一种煤与油页岩油气资源共采系统，包括开采井组、气化组件、抽采组件、地质监测组件、采集组件和终端控制设备；

3、所述开采井组包括注入井和采出井，所述注入井竖直地设置在目标开采区域中，其内部安装有套筒，其出口端延伸至煤层采空区中，其进口端位于地表；所述采出井与注入井间隔设定距离地竖直地设置在目标开采区域中，其内部安装有套筒，其进口端延伸至上覆油页岩中裂隙带顶端处，其出口端位于地表；

4、所述气化组件包括注入装置和气化剂调节装置；所述注入装置包括增压直流管、加料管和混合器；所述增压直流管的出口端插装于注入井进口端的套筒中；所述加料管的出口端与增压直流管上段的一侧固定连接，并与增压直流管的内腔相连通；所述混合器的旋转单元可转动地设置在增压直流管中段的内腔中，混合器的驱动部分安装于增压直流管的外侧壁上，用于驱动旋转单元进行旋转动作；所述气化剂调节装置包括流量调节阀和流量计；所述流量调节阀串接在增压直流管上，且位于加料管的出口端和混合器的旋转单元之间；所述流量计安装在流量调节阀的阀体上，并与流量调节阀的阀腔连通，用于实时采集注入流量信号；

5、所述抽采组件包括分离装置，所述分离装置的进口端与采出井出口端的套筒连接，用于将采出井排出的油气混合物进行油气分离；

6、所述地质监测组件包括三维地质监测仪、温度探针、压力探针和数值计算平台；所述三维地质监测仪布置在目标开采区域的地表处；所述温度探针安装在采出井进口端的侧壁上，用于采集温度信号；所述压力探针安装在注入井出口端的侧壁上，用于采集压力信号；所述数值计算平台设置在地表，其分别与流量计、三维地质监测仪、温度探针和压力探针连接；

7、所述采集组件包括产物计量器，所述产物计量器分别与分离装置和数值计算平台连接，用于实时采集目标产品的流量信号；

8、所述终端控制设备分别与混合器的驱动部分、分离装置、流量调节阀和数值计算平台连接。

9、作为一种优选，所述终端控制设备和数值计算平台均为工业计算机。利用工业计算机进行数据的处理与数值计算分析，能使数据的获取的指令的传递过程更加便捷高效，有利于提高系统的可靠性。

10、进一步，为了能通过预先压裂的方式提高未受煤层开采扰动区域的油页岩层渗透率，以实现油气资源充分高效的开采作业，所述开采井组还包括压裂井，所述压裂井竖直地设置在目标开采区域中，其内部安装有套筒，其出口端延伸至上覆油页岩层中未受煤层开采扰动区内，其进口端位于地表。

11、进一步，为了能更有效确保残余煤体开采利用的高效性，防止出现残余煤炭气化资源的不足情况，所述目标开采区域在煤层采空区的两侧均存留有煤柱，这样，煤炭气化过程能将大量残余煤柱进行回收，进而可采出大量难采的残留煤柱煤炭资源。

12、进一步，为了能通过供入高温水蒸气和纯氧的方式形成有利于促使残留煤进行气化的气化剂，所述增压直流管的进口端与高温水蒸气供应源连接，所述加料管的进口端与纯氧供应源连接。

13、本发明中，使注入井的下端延伸至煤层采空区中，并于其中插装套筒，可以便于利用注入井向煤层采空区注入气化剂，进一步能利用气化剂促使煤层采空区中的残留煤发生燃烧反应，并气化成高温煤气，更进一步地，高温煤气和气化剂会经裂隙流至处于煤层开采三带效应裂隙影响下的上覆油页岩位置处，并会与上覆油页岩发生热解反应生成油气混合物。使采出井的下端延伸至上覆油页岩裂隙带顶端处，并于其中插装套筒，可以便于利用油气混合物具有向低压区流动的特性，通过采出井将油气混合物导流至地表处，以实现油气混合物的开采作业。这种开采井组的设置方式可以直接且高效地将煤层采空区、上覆油页岩与位于地表的气化组件和分离装置进行连接，可有效节约工程成本，并有利于提高流入效率和开采效率。在注入井的进口端连接气化组件，并使气化组件中注入装置具有相互连通的增压直流管和加料管，可以便于利用增压直流管和加料管分别进行高压水蒸气和纯氧的加注作业。使注入装置中设置有混合器，可以便于利用混合器来将所加注的高压水蒸气和纯氧进行高效的混合，从而能形成效果更好的气化剂，有利于加快气化剂与残留煤的反应进程。在注入装置中连接气化剂调节装置，可以便于调节气化剂的注入流量。通过在流量调节阀上设置流量计，可以便于实时采集所加注气化剂的流量信号，进而能获知所加注气化剂的流量数据，由此，可以便于数值计算平台与终端控制设备依据所加注气化剂的流量数据来反馈控制流量调节阀，从而能更精确地控制和高速气化剂的注入过程。在采出井的出口端连接分离装置，可以便于直接在采出井井口处进行油气产物的分离处理，有利于减少中间输送环节，提高了作业效率。通过三维地质监测仪的设置，可以便于在地表便捷地采集到震波信号，有利于后续数值计算平台根据震波信号对目标开采区域下方的地质结构进行精确分析，从而能高效精准地确定出煤层采空区和煤层开采三带效应裂隙所在的区域，这样，便能快速准确地确定好开采井组的钻取位置。通过在采出井的进口端侧壁上埋入温度传感器，可以便于实时采集到采出井进口端附近的温度信号，进而便于根据温度信号获得油气混合物的温度数据，根据该温度数据有利于准确地判断出热解反应是否充分，同时，能以该温度数据作为反馈数据，便于终端控制设备更好地调节流量调节阀的阀口开度。通过在注入井的出口端侧壁上埋入压力传感器，可以便于实时采集到注入井出口端附近的压力信号，进而便于根据压力信号获得煤层采空区的压力数据，根据该压力数据有利于准确地判断出煤层采空区中燃烧反应的情况，同时，能以该压力数据作为反馈数据，便于终端控制设备更好地调节流量调节阀的阀口开度。使产物计量器与分离装置连接，可以便于实时采集到目标产品的流量信号，进而便于数值计算平台根据产物的流量信号获得产物的流量数据，并能以该流量数据为反馈数据预测输入参数，最终实现终端控制设备对流量控制阀的精准调节，以充分提高油产物和气产物的产率。使终端控制设备分别与混合器、分离装置、流量调节阀和数值计算平台连接，可以利用终端控制设备作为整个系统的中央控制单元，并负责对各个部分进行操作控制，通过智能化的调控可以实现对油气资源开发过程的高效管理，明显提高生产效率。

14、该系统能使残留的煤层资源在地下得到二次利用，整个开采过程基本都在地下进行，避免了对环境的污染。同时，该系统能通过利用煤层开采形成上覆岩层裂隙带，增大了上覆油页岩层的裂隙导通性与热解反应面积，且热解反应提高了油页岩的渗透率，实现了油气资源更充分的开采过程，在节省资源的同时，还显著提高了油页岩层内油气资源的开采效率，实现了煤与油页岩高效绿色共采目标。

15、本发明还提供了一种煤与油页岩油气资源共采方法，采用一种煤与油页岩油气资源共采系统，包括以下步骤：

16、步骤一：先确定出目标开采区域，再从目标开采区域对应的上方地表开始向煤层采空区方向竖直地钻孔，钻孔数量至少为两个，其中，至少一个钻孔延伸至煤层采空区中，放入相适配的套管后作为注入井，至少一个钻孔延伸至处于煤层开采三带效应裂隙影响下的上覆油页岩层中，放入相适配的套管后作为采出井；

17、步骤二：在注入井出口端的侧壁上埋入压力探针，在采出井进口端的侧壁上埋入温度探针；将气化组件中增压直流管的出口端插装于注入井进口端的套筒中；将抽采组件中分离装置的进口端与采出井的出口端进行连接；

18、建立产物计量器与分离装置的连接；分别建立数值计算平台与流量计、产物计量器、温度探针和压力探针的连接；分别建立终端控制设备与混合器的驱动部分、分离装置、流量调节阀和数值计算平台的连接；

19、步骤三：将高温水蒸气供应源接入增压直流管的进口端，将纯氧供应源接入加料管的进口端，向气化组件同步供入高温水蒸气和纯氧，并按照设定流量比例分别对高温水蒸气供应源和纯氧供应源的供入流量进行控制；

20、同时，通过终端控制设备控制混合器的驱动部分启动工作，利用混合器使高温水蒸气和纯氧充分混合形成气化剂，同时，利用混合器的增压作用将气化剂高速加注到注入井中，并经注入井输送至煤层采空区中；利用气化剂与煤层采空区中的残留煤发生燃烧反应，使残留煤气化成高温煤气，这一过程中，利用煤层采空区中的煤矸石维持煤层采空区孔裂隙结构的稳定性和导流性，并促进燃烧过程更充分；

21、步骤四：继续进行气化剂的注入，使残留煤到高温煤气的气化过程持续进行，同时，利用不断增加的气化剂将产生的高温煤气沿着煤层采空区中的裂隙驱向上覆油页岩，并在与上覆油页岩接触后发生热解反应生成油气混合物，这一过程中，利用煤层开采三带效应裂隙对上覆油页岩的影响，增加上覆油页岩的渗透率，同时，利用热解过程促使上覆油页岩的渗透率增加，同步利用增加的渗透率反向促使热解过程更充分；

22、同时，利用不断增加的高温煤气与热解油气促使油气混合物从上覆油页岩的裂隙中向低压区流动；

23、步骤五：利用负压的作用，使油气混合物经上覆油页岩中的裂隙流出并进入采出井的出口端，再经采出井从地下抽采出并注入至分离装置中；利用分离装置对油气混合物进行油气分离处理，得到目标产品。

24、进一步，为了能通过预先压裂的方式来解决煤层开采未扰动区的油页岩渗透率低的问题，以能更有效地增加后续热解反应的表面积及高温气体导通性，确保后续热解反应的更充分进行，在步骤一中，钻孔数量至少为三个，其中，至少一个钻孔位于注入井和采出井之间，并作为注采中间钻孔，使注采中间钻孔的出口端延伸至上覆油页岩中，并插入套管后作为压裂井；在步骤二中，在压裂井的进口端接入超临界二氧化碳供应源，利用超临界二氧化碳供应源向压裂井注入高压超临界二氧化碳，通过高压二氧化碳对上覆油页岩层进行压裂作业，完成压裂作业后关闭压裂井；在步骤三中，压裂后上覆油页岩层中的二氧化碳渗透至煤层采空区中，并在残留煤气化过程的高温条件影响下与碳反应生成可利用的煤气资源。

25、进一步，为了能快速精准地确定出煤层采空区及煤层开采三带效应裂隙的位置，在步骤一中，确定目标开采区域位置的方法如下:

26、将三维地质监测仪布置在地表处，并将三维地质监测仪与数值计算平台进行连接；利用人工震源产生震波，并通过三维地质监测仪同步对目标开采区域中的震波进行采集，再输送至数值计算平台；利用数值计算平台对震波进行分析处理，并通过数值模拟确定出‌目标开采区域中的裂隙导通地质结构信息，再依据地质结构信息选择煤层采空区作为目标开采区域，同时，确保煤层采空区存留有煤矸石和残留煤。由于上覆油页岩所处垮落带裂隙、裂隙带裂隙和弯曲下沉带裂隙位置的不同，其渗透率改变也会不同。上覆油页岩的渗透率改变，处于垮落带裂隙影响下的渗透率改变最大，处于裂隙带裂隙影响下的渗透率改变其次，处于弯曲下沉带影响下的渗透率改变最小。通过这种方法确定出目标开采区域，能有效利用煤层开采“三带”效应的裂隙对油页岩渗透性能产生影响，方便对裂隙演变进行探测，从而有助于进行更高效地抽采出热解油气资源，有利于提高后续开采效率。

27、进一步，为了能对开采过程进行全流程化的监测，同时，为了能通过闭环调节的方式实现对气化剂流量的便捷精准调节，以显著提高油产物和气产物的产率，在步骤三中，利用流量计实时采集通过流量调节阀的注入流量信号，并传输至数值计算平台；利用温度探针实时采集采出井进口端的温度信号，并传输至数值计算平台；利用压力探针实时采集注入井出口端的压力信号，并传输至数值计算平台；通过数值计算平台依据注入流量信号、温度信号和压力信号获得注入流量数据、温度数据和压力数据，并根据注入流量数据、温度数据和压力数据进行计算分析获得抽采参数，再将抽采参数上传至终端控制设备；

28、同时，利用产物计量器实时采集经分离装置分离后的油产物流量信号、气产物流量信号，并上传反馈至数值计算平台，数值计算平台根据油产物流量信号和气产物流量信号获得油产物流量数据和气产物流量数据，再依据油产物流量数据和气产物流量数据对油气资源含量进行计算预测分析，并根据油气资源含量的预测结果和气化剂的注入流量数据优化抽采参数，再将抽采参数上传至终端控制设备；终端控制设备依据抽采参数控制流量调节阀的阀口开度和分离装置的功率，以实现气化剂注入流量的精确控制和油气混合物的分离效率，进而有效提高油产物和气产物的产率。

29、进一步，为了能实时了解开采区裂隙的变化情况，以便于更好地优化采集过程，利用三维地质监测仪实时采集来自地下的震波信号，并输送至数值计算平台，数值计算平台对震波进行分析处理，并依据分析处理结果实时感知出上覆油页岩或煤层的裂隙变化情况，再根据上覆油页岩或煤层的裂隙变化情况进一步反馈控制流量调节阀的阀口开度，以进一步优化油气混合物的采集过程。由于地下采掘过程会导致地层中产生裂隙带，这些裂隙有助于气体和气化剂在煤层和油页岩中的流动，因此，通过对地层岩体裂隙的分布演化进行准确及时的监测，有助于优化注气过程，并有助于避免开采过程中的灾害性事件。

30、本发明中，利用注入井以设定流量比例向煤层采空区中注入高温水蒸气和纯氧，并使二者充分混合形成气化剂，能利用气化剂与煤层采空区中的残留煤体发生充分的气化反应，进而能生成温度更高的高温煤气，这样便将残留煤炭转化为可抽采的气态产物，提高了资源回收率。在气化过程中，利用煤层采空区中的煤矸石维持采空区及覆岩结构的稳定，进而能使气化过程的残留煤体气化更加充分。利用持续注入的气化剂将产生的高温煤气驱向上覆油页岩层中，能促使在高温煤气影响下油页岩发生热解反应生成油气混合物，这一过程中利用煤层开采三带效应裂隙对上覆油页岩的影响，可更加有效增加上覆油页岩的渗透率。同时，利用油页岩热解反应也能促使上覆油页岩的渗透率增加，增加的渗透率可以显著增加后续热解反应的表面积，进而能反向促使热解过程更充分，在多重因素的交互影响下，可以确保热解过程充分地进行，这种方式使得油页岩中的油气资源得到了充分的开采，从根本上解决了油页岩开采难度大、利用率低的问题，同时使地下的残留煤得到二次利用，并节省了大量地面资源，减少资源浪费的同时，有效保护了环境。利用负压的作用使油气混合物经上覆油页岩中的裂隙经采出井进入到分离装置中，可以便捷高效地实现油气产物的分离，进而能直接得到目标产品，减少了中间转运输送环节。

31、综上所述，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

32、1.解决了煤层采空区遗留煤体资源浪费的问题：在传统煤层开采过程中，采空区的残留煤块通常难以有效利用，造成了资源的浪费，该方法通过气化剂注入煤层采空区，利用煤层中的残留煤进行气化产生高温煤气，有效提高了采空区残余资源的利用率。

33、2.解决了油页岩开发难度高的技术难题：油页岩资源开发过程中需要较高的能量输入，传统的开采和热解技术效率较低，造成大量额外的资源浪费。该方法利用煤体气化高温煤气通过裂隙进入上覆油页岩层中，驱动油页岩热解转化为油气混合物，有效降低了热解所需的能耗，实现了油页岩油气资源的高效开采。

34、3.解决了致密油页岩油气资源开采难度大的技术难题：煤层开采导致上覆油页岩层形成复杂的“三带”裂隙网络，传统开采方式难以充分利用这些裂隙，该方法通过利用煤层开采“三带”裂隙，显著提高了油页岩的渗透率，增强了裂隙气体的流动性与油页岩热解效率，优化并提高了资源回收效率。

35、4.解决了地表环境污染的问题：传统的煤矿开采和油页岩开发会造成严重的地表环境污染问题，该方法采用地下气化和热解技术，整个开采过程都在地下进行，减少了对地表环境的污染，并且通过优化气化剂注入的方式实现了油气资源的精准开采，降低了环境污染风险，实现了绿色共采。

36、5.减少了煤层与油页岩共采区地表沉陷：传统油页岩井工开采采空区上覆岩层塌陷可能导致井下安全隐患和地表沉降的情况，通过对油页岩进行原位热解，实现油页岩油气资源的原位开采，避免了传统开采方式产生大量采空区，防止了油页岩层的二次大规模运移，降低了采空区上方地表的沉陷。 该方法实施过程简单、实施成本低，其能对煤层开采遗留残煤实现进一步开采回收利用，并显著提高了上覆油页岩层中油气资源的开采效率，其开采全程均在地下进行，对环境污染极小，为我国煤与油页岩油气资源共采领域提供了一种低碳、绿色、高效、便捷的新途径。