CN110566172A - 一种高压火电厂烟气压裂煤层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压火电厂烟气压裂煤层的方法，从环保及资源高效利用的角度出发，从火电厂距离地面30m脱硫塔出口进行取气，获得的烟气经过专用预处理装置处理后，通过专用钻孔及压裂抽采管路注入煤层进行压裂以提高煤体渗透率，从而促进煤体中甲烷的解吸。其中，钻孔与煤层底板之间的夹角为30°，注入煤体的气体压力为30~50MPa，注入气体的温度为40~50℃，配合市场已有的封堵材料解决对应的压裂封堵问题。本发明在压裂过程中使用的压裂气体为火电厂烟气，此混合气体化学性质较为稳定，属于惰化气体且在注入煤层后能在压裂的同时起到防灭火、驱替甲烷的作用。
Description
技术领域
本发明涉及高压气体压裂煤层领域，具体为一种高压火电厂烟气压裂煤层的方法，适用于火电厂烟气高效利用。
背景技术
随着非常规油气资源的大量开发，目前的非常规油气资源储量已经很难满足我国快速增长的经济需求，因此，如何采取有效的措施以实现非常规气的增产是目前亟待解决的问题。关于非常规油气的开发，水力压裂的方式已被广泛应用于煤层气、页岩气及致密气等非常规气体的开采过程中，同时在现场应用中也已经取得了较为理想的效果。然而，在水力压裂的过程中普遍存在水资源浪费严重、储层污染严重等问题。基于此，大多数研究学者开始研究无水压裂方法，目前的无水压裂以液氮压裂、CO2压裂、超临界CO2压裂为主。然而，上述方法中均需要专业技术进行压裂材料的制备，整体经济成本较高，在一定程度上造成了资源浪费。
近年来，煤电污染问题已经收到了世界广泛关注，其中包含SO2、NOx等多种空气污染物，但其主要成分中的N2及CO2均属于惰性气体，可以通过将其注入煤体以实现其封存，但目前大多煤层普遍存在渗透性较差的问题，可以通过将烟气预处理后加压配合专用的钻孔管路实现煤层压裂，压裂完成后进行封孔也能在一定程度上实现烟气的封存，同时起到防灭火的作用。专利CN105064967A中公开了一种煤层气体压裂及赶驱方法，该方法考虑了煤体对瓦斯及压裂气体的吸附性能差异，将压裂与驱赶结合实现瓦斯抽采率的提升。专利CN109138959公开了一种利用超临界CO2聚能压裂的方法并在石油及天然气领域进行应用，结合超临界CO2自身的优势可以实现同一层段的多次压裂，整体增产效果较为理想。专利CN103061795公开了一种利用坑口电厂烟道气体的防灭火方法，将收集到的烟气经预处理系统处理后直接注入采空区以实现矿井防灭火，同时有效实现了CO2的封存。
发明内容
本发明目的是提供一种利用火电厂烟气压裂煤层的方法，该方法可以有效提高烟气的利用率，在进行煤层压裂的同时实现驱替及烟气封存，最终实现提高煤层气产量及降低瓦斯爆炸危险性的目的。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种高压火电厂烟气压裂煤层的方法，包括如下步骤：
步骤1、在矿井脱硫塔口进行取气，通过风机沿管道输送烟气的流量为4000m3/h，经压缩机压缩后备用。
步骤2、根据煤层的实际地质情况确定相应的孔间距参数，在一块煤层开采之前预先在该块煤层内钻设一组钻孔，由煤层底板向煤层顶板进行钻孔，保证钻孔与煤层水平面之间的倾角大于30°，钻孔的末端应当穿过煤层顶板进入岩层0.5m以上，一组钻孔的具体数量需要依据压裂的范围进行确定，一组钻孔的数量为3个以上，钻孔位于同一平面；钻孔间距设计值为5~8m。
步骤3、在该块煤层顶板钻设返排管路。
步骤4、钻孔施工完成后，选取位于中间的钻孔作为压裂孔，插入压裂抽采管，两侧的钻孔作为注浆孔，插入注浆管，然后通过注浆孔注入注浆材料以实现钻孔及煤体的密封；封孔完成后将压裂孔与压缩机及气体运输管路相连接，在对应的管路中添加阀门、流量计及压力传感器。
步骤5、当上述设备安装完成后，向压裂抽采管中注入高压烟气，其中高压烟气的压力值为30~50MPa，注入后的压力降低至25MPa以下时需继续注入气体60min以上后停止注入，同时，烟气注入系统中注入烟气的温度在40~50℃之间。
步骤6、压裂过程中N2及CO2吸附在煤体孔隙及裂缝上，压裂过程中产生的CH4在压裂期间通过返排管路抽出进行后续利用或通过燃烧的方式将其处理。
步骤7、压裂完成后进行焖井，焖井结束后进行剩余烟气的返排，由于返排的气体主要成分为N2及CO2，通过专用管路沿巷道运输至矿井回风大巷随风流排出至地面。
本发明方法具有如下优点：
1、高压烟气压裂煤层技术，可以有效应用于煤层，可以用于煤与瓦斯突出的防治，同时能够在一定程度上增加目标煤层渗透性，最终实现煤层气的增产。
2、使用高压烟气作为压裂气体时，由于烟气的主要组成为N2及CO2等惰性气体，因此在瓦斯防治过程中不存在爆炸危险性，在一定程度上能够起到抑制燃烧和爆炸的作用，整体安全性较高。
3、压裂过程中使用的高压烟气来自于火电厂脱硫塔，而压裂过程中温度及压力相互配合时将会取得更为理想的压裂效果，脱硫塔出口处的烟气温度基本在40~50℃之间，与注入压力联合作用后压裂效果理想。
4、本方法具有快速降低煤层瓦斯压力，快速抽采瓦斯，缩短瓦斯预抽时间，降低抽采成本，提高生产力水平，提升矿井安全生产系数等多方面优势。
5、由于高压烟气中含有的14%及以上的CO2，在进行压裂的过程中可以在一定程度上起到驱替煤层甲烷的作用，其中，根据已有的研究中关于竞争吸附的描述，CO2相对于CH4及N2对于煤体具有更强的吸附作用。基于此，高压烟气能够有效实现煤层压裂及甲烷驱替等作用。
本发明利用火电厂烟气注入采空区实现煤层压裂可以在有效实现煤层压裂的同时封存烟气，利用烟气进行压裂的方法有效解决了现阶段烟气对环境的危害问题，避免利用水力压裂等方式对煤层的影响，同时避免了煤体中瓦斯运移通道被堵塞的问题，最终实现煤体透气性的提升，降低了矿井瓦斯突出的危险，操作方法也较为简单，整体实用性较强。
本发明设计合理，具有很好的实际应用及推广价值。
附图说明
图1表示本发明方法应用示意图。
图中：1-脱硫塔，2-引风机，3-储气罐，4-压缩机，5-防爆电机，6-流量计，7-压力传感器，8-阀门，9-压裂管，10-注浆管，11-返排管路，12-煤体。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。
某矿区主要含煤地层为侏罗系西山窑组，含煤29层（组），煤层平均总厚75m，煤种以长焰煤为主。矿井属高瓦斯矿井，各煤层瓦斯含量均较高，甲烷最高含量为18.15m3/t，依照《煤炭资源地质勘探规范》说明，该区各煤层瓦斯分带均属二氧化碳~氮气带。但由于地质变化能够引起局部瓦斯富集、突出，不排除煤层中局部富集瓦斯的可能。采用注入火电厂烟气压裂的方法，具体实施方法如下：
步骤1、在矿井脱硫塔口进行取气，通过引风机沿管道输送烟气的流量为4000m3/h，经压缩机压缩后备用。其中，脱硫塔口取得的烟气需要经过预处理系统进行相应的脱硝、降温及除湿等处理后才可通过相应的管道注入至煤层完成相应的压裂任务。
步骤2、在一块煤层开采之前预先在该块煤层内钻设一组钻孔，根据矿井地质情况设计钻孔参数，单个钻孔直径为85mm，由煤层底板向煤层顶板进行钻孔，保证钻孔与煤层水平面之间的倾角大于30°，钻孔的末端应当穿过煤层顶板进入岩层0.5m以上，一组钻孔的数量为3个，钻孔位于同一平面；根据煤层的实际地质情况确定相应的孔间距参数，钻孔间距设计值为5m。
步骤3、在该块煤层顶板钻设返排管路，即沿煤层顶板向上钻孔并铺设专用气体管路收集压裂过程中所产生的甲烷，作为甲烷收集管路。
步骤4、钻孔施工完成后，如图1所示，选取位于中间的钻孔作为压裂孔，插入压裂抽采管（高压胶管），安装的高压管中应当含有多个压裂孔；两侧的钻孔作为注浆孔，插入注浆管（高压胶管），然后通过注浆孔注入注浆材料（水泥砂浆）以实现钻孔及煤体的密封。封孔完成后将压裂孔与压缩机（高压气泵）及气体运输管路相连接，在对应的注气管路中添加阀门、流量计及压力传感器等设备，高压气泵的动力来源为井下防爆电机。
步骤5、当上述设备安装完成后，向压裂抽采管中注入高压烟气，在压裂过程中，通过高压气泵向井下连续注入高压烟气，注入钻孔内的高压烟气能够有效压裂煤层，增加煤体的孔裂隙发育程度。关于上述注入高压烟气的时间及压力需要综合分析煤层实际地质情况后进行相应调整。其中，高压烟气的压力值为30~50MPa，注入后的压力降低至25MPa以下时需继续注入气体60min以上后停止注入，以保证压裂效果。同时，烟气注入系统中注入烟气的温度在40~50℃之间。在压裂过程中温度与压力的相互配合能够在一定程度上提升整体压裂效果，而脱硫塔口的烟气温度在40~50℃之间，不需要在注气系统中增加升温装置。
步骤6、重复上述操作完成不同位置煤块的钻孔的高压烟气注入，实现后续相关煤层的连续压裂。
步骤7、压裂过程中注入的高压烟气属于惰化气体，化学性质稳定，能够在压裂完成后实现煤层防灭火，其主要成分为CO2及N2，由于在煤层中的竞争吸附，高压烟气中的CO2含量一般在14%左右，由于其竞争吸附能力较强，因此，当高压烟气注入煤体后能在一定程度上实现甲烷驱替及烟气封存。则N2及CO2吸附在煤体孔隙及裂缝上，压裂过程中产生的CH4在压裂期间通过返排管路抽出进行后续利用或通过燃烧的方式将其处理。
步骤8、压裂完成后进行焖井，依据矿井煤层实际地质情况确定相应焖井时间。注入的火电厂高压烟气完成压裂任务，焖井结束后沿甲烷收集管路进行剩余烟气的返排，由于返排的气体主要成分为N2及CO2，因此可以再通过专用管路沿巷道运输至矿井回风大巷随风流排出至地面。
总之，本发明从环保及资源高效利用的角度出发，从火电厂距离地面30m脱硫塔出口进行取气，获得的烟气经过专用预处理装置处理后，通过专用钻孔及压裂抽采管路注入煤层进行压裂以提高煤体渗透率，从而促进煤体中甲烷的解吸。本发明在压裂过程中使用的压裂气体为火电厂烟气，此混合气体化学性质较为稳定，属于惰化气体且在注入煤层后能在压裂的同时起到防灭火、驱替甲烷的作用。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖于本发明权利要求书的保护范围中。
Claims (2)
1.一种高压火电厂烟气压裂煤层的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、在矿井脱硫塔口进行取气，通过风机沿管道输送烟气的流量为4000m3/h，经压缩机压缩后备用；
步骤2、根据煤层的实际地质情况确定相应的孔间距参数，在一块煤层开采之前预先在该块煤层内钻设一组钻孔，由煤层底板向煤层顶板进行钻孔，保证钻孔与煤层水平面之间的倾角大于30°，钻孔的末端应当穿过煤层顶板进入岩层0.5m以上，一组钻孔的数量为3个以上，钻孔位于同一平面；
步骤3、在该块煤层顶板钻设返排管路；
步骤4、钻孔施工完成后，选取位于中间的钻孔作为压裂孔，插入压裂抽采管，两侧的钻孔作为注浆孔，插入注浆管，然后通过注浆孔注入注浆材料以实现钻孔及煤体的密封；封孔完成后将压裂孔与压缩机及气体运输管路相连接，在对应的管路中添加阀门、流量计及压力传感器；
步骤5、当上述设备安装完成后，向压裂抽采管中注入高压烟气，其中高压烟气的压力值为30~50MPa，注入后的压力降低至25MPa以下时需继续注入气体60min以上后停止注入，同时，烟气注入系统中注入烟气的温度在40~50℃之间；
步骤6、压裂过程中N2及CO2吸附在煤体孔隙及裂缝上，压裂过程中产生的CH4在压裂期间通过返排管路抽出进行后续利用或通过燃烧的方式将其处理；
步骤7、压裂完成后进行焖井，焖井结束后进行剩余烟气的返排，由于返排的气体主要成分为N2及CO2，通过专用管路沿巷道运输至矿井回风大巷随风流排出至地面。
2.根据权利要求1所述的一种高压火电厂烟气压裂煤层的方法，其特征在于：步骤2中，钻孔间距设计值为5~8m。
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| CN114837731A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-08-02 | 中国矿业大学 | 高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网系统及方法 |
| CN114837731B (zh) * | 2022-05-25 | 2023-02-24 | 中国矿业大学 | 高温烟气压注与脉冲气协同构建煤层复杂缝网系统及方法 |
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