CN113653470A - 煤层原位制氢和煤层气开发一体化方法及结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层原位制氢和煤层气开发一体化方法及结构，属于能源开发技术领域。该方法包括以下步骤：通过注入井注入气化剂，通过开采井开采煤层气和气化气；其中，所述注入井为阶梯式水平井，所述注入井设有至少一个，且任意两个所述注入井的水平段在竖直方向上的投影均不重叠，任一个待开采煤层内设有至少一个所述阶梯式水平井的水平段。本发明的方法，避免了单煤层大面积连续气化，以及叠置多煤层重复位置气化，降低地层应力的改变范围和程度，分散地下亏空体积，降低地层或地面塌陷的风险，同时其成本相对较低。

Description

煤层原位制氢和煤层气开发一体化方法及结构

技术领域

本发明涉及能源开发技术领域，具体涉及一种煤层原位制氢和煤层气开发一体化方法以及利用该方法进行一体化开发的结构。

背景技术

煤炭地下气化是指将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤炭的热作用以及化学作用产生可燃气体的过程，该技术不仅可以回收矿井遗弃的煤炭资源，同时还可以用于难以开采或者开采经济性、安全性较差的薄煤层、深部煤层、高硫、高灰、高瓦斯煤层，其具有较好的经济效益和环境效益，提高了煤炭资源的利用率和利用水平。

对于地下煤层而言，其通常不仅具有煤炭资源，同时还伴生有煤层气，煤层气是一种重要的非常规天然气资源，其主要成分为甲烷。因此，在目前具有已经成熟的煤炭地下气化技术条件下，现有技术人员试图通过将煤炭地下气化技术和煤层气的开采技术进行联用，以达到一体化开采的目的。

如中国专利CN112081558A公开了一种煤炭地下气化与煤层气的协同开采方法、结构及构造方法，该专利通过设置由一口直井和一口或多口多重分支水平井组成的多重U型井作为开采结构，通过对下部煤层进行地下气化、上部煤层进行煤层气开采的办法对煤层气和煤炭气化气进行协同开采，增大了开采效率。但是，该技术存在以下问题：1、通常来说，U型井的构造难度大、构造成本高，其经济性较差，而需要向该技术一样设置多重U型井，从技术角度来讲，对于目前的技术手段来说是难以实现的，即使能够实现，该构造的成本远高于实际的煤层价值，不具有经济性；2、由于该技术采用多重U型井的方式，且在多重U型井的水平段进行气化，因此，多层气化段在同一竖直面上，在气化后，煤层亏空，压力降低，容易造成这一层段的地层不稳，容易发生事故，安全性较低。

发明内容

鉴于以上技术问题，本发明的一个目的是针对现有技术的缺陷，提供一种煤层原位制氢和煤层气开发一体化方法，在实现煤层气和煤炭气化气同时开采的同时，其成本较低，安全性较高。

为达成以上技术目的，本发明采用以下技术方案：一种煤层原位制氢和煤层气开发一体化方法，包括以下步骤：

通过注入井注入气化剂，通过开采井开采煤层气和气化气；

其中，所述注入井为阶梯式水平井，所述注入井设有至少一个，且任意两个所述注入井的水平段在竖直方向上的投影均不重叠，任一个待开采煤层内设有至少一个所述阶梯式水平井的水平段。

本发明的一种实施方式在于，所述开采井为丛式井，所述丛式井的定向井或第一直井穿过所有待开采煤层。

本发明的一种实施方式在于，所述开采井为多个第二直井或斜井的组合，所述第二直井或斜井穿过所有待开采煤层。

本发明进一步的实施方式在于，在该水平段的煤炭气化范围内设有一口穿过该水平段所在待开采煤层的直井或斜井，且所述水平段和与其相邻的直井或斜井连通或者不连通。

本发明的一种实施方式在于，在注入井注入气化剂，开采井开采煤层气和气化气的步骤前，还包括：通过开采井对煤层进行排水。

本发明的一种实施方式在于，对多层待开采煤层同时注入气化剂，同时气化；或，从最底层的待开采煤层开始，逐层向上注入气化剂、分段气化。

本发明的一种实施方式在于，在注入井注入气化剂，开采井开采煤层气和气化气的步骤后，还包括：开采出的煤层气和气化气在地面进行二氧化碳分离，将分离后的二氧化碳注入目标煤层。

本发明进一步的实施方式在于，所述二氧化碳通过远离目标煤层内水平段的注入井注入目标煤层内。

本发明的另一个目的是提供一种煤层原位制氢和煤层气开发一体化结构，该一体化开发结构包括，

注入井，所述注入井设有至少一个，且所述注入井为阶梯式水平井，任意两个所述注入井的水平段在竖直方向上的投影均不重叠，任一个待开采煤层内设有至少一个所述阶梯式水平井的水平段；

开采井，所述开采井穿过所有待开采煤层，且对于注入井的任一个水平段，均有一口开采井穿过该水平段所在煤层的煤炭气化范围。

本发明的一种实施方式在于，所述开采井为丛式井，所述丛式井的定向井或第一直井穿过所有待开采煤层；或，所述开采井为多个第二直井或斜井的组合，所述第二直井或斜井穿过所有待开采煤层。

本发明的有益效果是：

（1）煤层气开发和煤炭原位制氢一体化，多个资源同时开发。

（2）实现了多煤层同时开发，同时采煤层气，同时点火制氢。

（3）制氢同时实现了CO₂埋存，实现零碳排放，保护环境。

（4）节约地面土地面积，只需两个井场就可实现多个煤层、多个气化位置的开发。

（5）避免了单煤层大面积连续气化，以及叠置多煤层重复位置气化，降低地层应力的改变范围和程度，分散地下亏空体积，降低地层或地面塌陷的风险。

（6）开采方式组合性多样，适应不同开发需求。

附图说明

图1为实施例1中的一体化开发结构示意图；

图2为实施例1中的一体化开发结构排水示意图；

图3为实施例1中的一体化开发结构开采煤层气示意图；

图4为实施例1中的一体化开发结构进行煤炭气化并回注二氧化碳示意图；

图5为实施例2中的一体化开发结构同时进行煤层气开采和对单一煤层进行煤炭气化示意图；

图6为实施例3中的一体化开发结构开采煤层气的示意图；

图7为实施例3中的一体化开发结构对3个煤层同时进行煤炭气化的示意图；

图8为实施例4中的一体化开发结构示意图；

图9为实施例4中的一体化开发结构开采煤层气示意图；

图10为实施例4中的一体化开发结构对单一煤层进行煤炭气化示意图。

图中，1为待开采煤层，2为隔层，3为注入井，4为开采井，5为煤炭气化范围，31为第一水平段，32为第二水平段，33为第三水平段，41为1号井，42为2号井，43为3号井，44为第二直井。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和技术优点更加清楚，下面将结合实施例及附图，对本发明的实施过程中的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明中，所述的气化剂是指，在煤炭在气化过程中所必须的介质，通常为水蒸气、氧气等。

本发明中，所述的气化气是指，在气化剂的作用下，煤炭在地下发生一系列化学反应而生成的气体，其主要成份为CH₄、H₂、CO、CO₂等。

本发明中，所述的阶梯式水平井是指，包含有多个造斜段和水平段、且相邻的水平段之间设有一个造斜段的特殊水平井。

本发明中，所述的第一直井是指，对于丛式井而言，其包括一口直井和多口定向井，所述的第一直井是指从式井中的直井。

本发明中，所述的第二直井是指，当注入井为多个直井或斜井的组合时，所述的第二直井为多个直井或斜井组合中的直井。

本发明中，所述的竖直方向上的投影是指，三维立体图形以竖直方向为投影路径，最终投影到水平面上的投影。

本发明中，所述的“煤炭气化范围”是指，本发明通过阶梯式水平井的水平段注入气化剂并在该水平段一定范围内的煤炭进行气化，该范围即指“煤炭气化范围”，工业上也有用“有效气化范围”、“地下气化炉”等名称。

一种煤层原位制氢和煤层气开发一体化方法，包括以下步骤：

通过注入井3注入气化剂，通过开采井4开采煤层气和气化气；

其中，所述注入井4为阶梯式水平井，所述注入井4设有至少一个，且任意两个所述注入井4的水平段在竖直方向上的投影均不重叠，任一个待开采煤层1内设有至少一个所述阶梯式水平井的水平段。

对于多层的待开采煤层1而言，其分布通常如图1所示，隔层2或盖层将两层相邻的待开采煤层1分隔开来，隔层2或盖层通常为泥岩、泥页岩或砂岩等致密岩层，对其进行开采时，需要进行分段开采和气化。

本发明中，采用阶梯式水平井为注入气化剂的注入井3，且在每一个待开采煤层1内均设有至少一个阶梯式水平井的水平段，由于煤炭气化通常发生在水平段内，因此，这样可以保证每一个待开采煤层1都可以进行煤炭气化。同时，为了避免多个待开采煤层1的煤炭气化段都在同一竖直面上，限定了任意两个水平段在水平面上的投影均不重叠，这样就最大限度的保证了每一个煤炭气化段在垂向上的差异，即使某一层待开采煤层因煤炭气化而产生亏空，也不会造成地层的塌陷，安全性更好。

在一些实施例中，由于单层煤层在横向上的分布面积较广，仅采用一个阶梯式水平井难以达到最大限度的开采，因此，可设置多个阶梯式水平井，在同一个待开采煤层内设置多个水平段，且每个水平段之间间隔一定的距离，距离可根据水平段的长度、气化面积确定。

对于开采井4而言，由于其兼有煤层气开采和气化气开采的功能，始终有一口开采井4穿过一个水平段的煤炭气化范围5内部，发明人发现，由于在煤炭气化过程中，煤炭被燃烧，煤层压力增大的同时，煤层会生成新的裂缝，同时渗透率也会增大，因此，只需要将待开采煤层1内的水平段和开采井4设置于一定的距离范围内，即可实现气化气和煤层气的开采，无需将水平段和开采井4连通，生产成本大幅降低。

在一些实施例中，所述开采井4为丛式井，所述丛式井的定向井或第一直井穿过所有待开采煤层。丛式井为包括一个第一直井和多个定向井的井组，仅需一个井场就可以实现多个开采点的开采，节约生产成本。同时，对于丛式井而言，注入井3的每一个水平段的煤炭气化范围内，都设有一个穿过该水平段所在的煤层的丛式井的第一直井或定向井。

在一些实施例中，所述开采井4为多个第二直井44或斜井的组合，所述第二直井44或斜井穿过所有待开采煤层1。由于由于丛式井对钻井技术要求稍高，因此，对于一些能够钻多口井的地区，可采用直接钻多口第二直井44或斜井的方式进行开采，由于直井的开凿难度小，因此，大多数情况下可开凿多口第二直井44，且注入井4的每一个水平段的煤炭气化范围5内，都有一个第二直井44或斜井穿过该水平段所在的煤层。

在一些实施例中，在注入井3注入气化剂，开采井4开采煤层气和气化气的步骤前，还包括：通过开采井4对待开采煤层1进行排水。由于煤层通常为含水层，因此，在煤层中或者煤层的隔断层中含有大量的地层水，在对煤层气及气化气进行开采前有必要对煤层进行排水，注入井3和开采井4均可作为排水井，但通常情况下，以开采井4作为排水井。

在一些实施例中，在对待开采煤层1中的煤炭进行气化时，可对多层待开采煤层1同时注入气化剂、同时气化的方式，这样做的优势在于，其能够节约生产时间，节约生产成本。在另外一些实施例中，可从最底层的待开采煤层1开始，逐层向上注入气化剂进行气化，当当前的煤层气化并开采完毕后，向上一层的待开采煤层1注入气化剂并进行气化，这样做的优势在于，操作较为简单，对设备以及操作人员的要求更低。

同时，在上述的实施例中，在对煤炭进行气化前，可首先将煤层气进行开采，待煤层气开采完毕后，再进行煤炭的气化，这样的优势在于整个操作过程更加安全，同时开采更加彻底；还可以在气化的同时对煤层气进行开采，使煤层气和气化气一起开采出来，这样操作的优势在于，其更加节约时间。

在一些实施例中，将气化气和煤层气开采出来后，还包括：将煤层气和气化气中的二氧化碳进行分离，并将分离后的二氧化碳注入目标煤层中。由于气化气中含有大量的二氧化碳，如果将分离出的二氧化碳直接进行排放，那么会增大碳排放量，因此，将分离出的二氧化碳重新注入地层中，既能够减少碳排放，还能够增加地层压力。优选的，为了充分发挥注入地层中二氧化碳的功效，将二氧化碳通过远离待开采煤层1内水平段的注入井注入该目标煤层内部。在煤炭气化过程中，待开采煤层1内的压力升高，但随着对气化气的持续开采，该区域内的压力逐渐降低，因此，将二氧化碳通过这样的方式注入煤层内，能够进一步驱使煤层气朝水平段所在区域前进，对煤层气的开采更加彻底，同时也能够提高煤层的压力，防止煤层内压力过低而垮塌。

本发明的另一个目的是提供一种煤层原位制氢和煤层气开发一体化结构，包括，

注入井3，所述注入井3设有至少一个，且所述注入井3为阶梯式水平井，任意两个所述注入井3的水平段在竖直方向上的投影均不重叠，任一个待开采煤层1内设有至少一个所述阶梯式水平井的水平段；

具体的，根据待开采煤层1在横向上的分布面积、每个水平段的气化面积确定需要设置的注入井3的数量。水平段在竖直方向上的投影不重叠的设置方式，使得经过煤炭气化后地层稳定性更高，不容易发生塌陷等安全事故。任一个待开采煤层1内部设置有至少一个水平段，使得所有的待开采煤层1均能够得到充分的开采。同时，在每一个水平段上具有煤炭气化所需的点火器等设备属于现有技术，因此在此对其详细结构不予赘述。

开采井4，所述开采井4穿过所有待开采煤层1，所述注入井3的任一个水平段的所在煤层的煤炭气化范围5内设有一个穿过该水平段所在待开采煤层1的开采井4。

具体的，任一个水平段，在其所在煤层的煤炭气化范围5内均设有一个穿过该水平段所在待开采煤层的开采井4。由于该范围较大，对钻井的精确度要求较低，因此，相对来说成本更低。

对于开采井4而言，其可以为丛式井，也可以为多个第二直井44或斜井的组合，但是，至少有一口开采井4穿过所有的待开采煤层1，穿过所有待开采煤层1的开采井4越多，最终的结果越好。

实施例1

如图1所示，本实施例中，以丛式井为开采井4，以阶梯状水平井为注入井3进行煤层原位制氢和煤层气一体化开发，且设有一口阶梯状水平井，在本实施例中，设有三层待开采煤层1，相邻待开采煤层1之间由隔层2隔开。

在本实施例中，对于注入井3，其设有三个水平段：第一水平段31、第二水平段32和第三水平段33，第一水平段31设于上部待开采煤层内，第二水平段32设于中间待开采煤层内，第三水平段33设于底部待开采煤层内，同时，第一水平段31、第二水平段32和第三水平段33在竖直方向的投影均不重叠；对于开采井4，其设有一口第一直井和两口定向井：两口定向井分别为1号井41和3号井43，第一直井为2号井42，2号井42穿过第二水平段32所在待开采煤层的煤炭气化范围5，1号井41穿过第一水平段31所在待开采煤层的煤炭气化范围5，3号井43穿过第三水平段33所在待开采煤层的煤炭气化范围5。

如图2所示，开采时，由于这些煤层内含有大量的煤层水，因此，先采用丛式井对待开采煤层1进行排水，图中标示出了煤层水的运移方向；

如图3所示，采用阶梯状水平井进行采煤层气，在该过程中，同时利用丛式井进行排水和采煤层气，图中标示出了煤层气和煤层水的运移方向；

如图4所示，煤层气采完或不具有经济的开采价值后，通过注入井3注入气化剂：首先对最下层的待开采煤层注入气化剂并点火进行煤炭气化并形成煤炭气化范围5，煤炭气化过程中，将生成的气化气通过3号井43采出，对采出的气化气进行二氧化碳分离，将分离出的二氧化碳通过1号井31注入最底层的待开采煤层中，当最底层的气化段气化完成后，开始对中部待开采煤层内的煤炭进行气化，如此往复，直至三层待开采煤层均开采完毕，当对中部待开采煤层的煤炭进行气化时，通过1号井41或3号井43将二氧化碳注入中部待开采煤层中，当对上部待开采煤层进行气化时，通过3号井43将二氧化碳注入上部待开采煤层中。图中标示出了气体的运移方向。

实施例2

本实施例中，一体化开发结构和实施例1中相同，不同之处在于一体化开发方法。

如图5所示，在本实施例中，待开采煤层1含水较低，直接对待开采煤层1进行采气：首先对最下层的待开采煤层注入气化剂并点火进行煤炭气化并形成煤炭气化范围5，同时通过1号井41、2号井42对煤层气进行开采，通过3号井43同时对煤层气和气化气进行开采，此时，由于最底层的待开采煤层发生煤炭气化过程，气化过程中会产生大量热，有助于最底层待开采煤层和相邻待开采煤层的煤层气开采，将开采出的煤层气和气化气进行二氧化碳分离后，将分离出的二氧化碳通过1号井41注入最底层待开采煤层中；当最底层待开采煤层的煤炭气化过程完成且气化气采集也完成后，依次对底层待开采煤层相邻的上部待开采煤层进行气化，如此往复，直至三层待开采煤层均开采完毕，开采过程中，当对中部待开采煤层的煤炭进行气化时，通过1号井41或3号井43将二氧化碳注入中部待开采煤层中，当对上部待开采煤层进行气化时，通过3号井43将二氧化碳注入上部待开采煤层中。图中标示出了气体的运移方向。

实施例3

本实施例中，一体化开发结构和实施例1中相同，不同之处在于一体化开发方法。

如图6所示，在本实施例中，首先利用阶梯状水平井对三个待开采煤层1开采煤层气，同时利用丛式井对三个待开采煤层1进行开采煤层气和排水，直至煤层气开采完毕或不具有经济的开采价值。

如图7所示，通过阶梯状水平井同时对3个待开采煤层1注入气化剂并点火进行煤炭气化并形成煤炭气化范围5，利用丛式井进行采气，开采过程中，将开采出气体进行二氧化碳分离，并将分离出的二氧化碳通过1号井41注入底部煤层和中部煤层、3号井43注入上部煤层和中部煤层中，由于同一井筒内同注同采是目前较为成熟的技术，因此，本实施例中对其结构不予赘述。

实施例4

如图8所示，本实施例中，设有三层待开采煤层1，且相邻待开采煤层1均由隔层2隔开，以三口第二直井44为开采井4，以一口阶梯状水平井为注入井3，其中，阶梯状水平井设有3个水平段：第一水平段31、第二水平段32和第三水平段33，第一水平段31设于上部待开采煤层内，第二水平段设于中间待开采煤层内，第三水平段设于底部待开采煤层内；对于每一个水平段，均有一口第二直井44穿过该水平段所在待开采煤层1的煤炭气化范围5。

如图9所示，首先利用阶梯状水平井对三个待开采煤层1开采煤层气，在该过程中，同时利用三口第二直井44进行开采煤层气和排水，直至煤层气开采完毕或不具有经济的开采价值，图中标示出了煤层气和煤层水的简化运移方向。

如图10所示，通过注入井3注入气化剂并进行煤炭气化：首先对最下层的待开采煤层注入气化剂并点火进行煤炭气化并形成煤炭气化范围5，煤炭气化过程中，将生成的气化气通过最右侧的第二直井44采出，对采出的气化气进行二氧化碳分离，将分离出的二氧化碳通过最左侧的第二直井44注入最底层的待开采煤层中，当最底层的气化段气化完成后，开始对中部待开采煤层内的煤炭进行气化，如此往复，直至三层待开采煤层均开采完毕，开采过程中，当对中部待开采煤层的煤炭进行气化时，通过最左侧或最右侧的第二直井注入分离出的二氧化碳，当对上部待开采煤层进行气化时，通过最右侧的第二直井注入二氧化碳。

实质上，在以上实施例中，在对二氧化碳进行回注时，原则上仅需要将二氧化碳通过不同的开采井注入气化段所在煤层即可，但是考虑到需要尽可能的对煤层气进行开发，当注入的二氧化碳距离煤炭气化范围太近时，二氧化碳容易被重新采出，因此通常选用距离目标煤炭气化范围较远的注入井注入二氧化碳。

以上实施例中，需指出的是，术语“第一”、“第二”、“上”、“下”、“中”、“右”、“左”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，不能理解为对本发明的限制。

以上所述实施例仅为本发明的部分实施例，用于描述本发明的基本原理、实施目的及详细流程，并不限制本发明的使用范围。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方案所做的任何修改，等同变化与修饰，均属本发明技术方案的范畴。本发明在上文已优选实施例公开，但是本领域的技术人员应理解的是，这些实施例仅用于描述本发明，而不应理解为限制本发明的范围。在不脱离本发明原理的前提下，对本发明的进一步改进也应视为在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种煤层原位制氢和煤层气开发一体化方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过注入井注入气化剂，通过开采井开采煤层气和气化气；

其中，所述注入井为阶梯式水平井，所述注入井设有至少一个，且所述注入井的任意两个水平段在竖直方向上的投影均不重叠，任一个待开采煤层内设有至少一个所述阶梯式水平井的水平段。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述开采井为丛式井，所述丛式井的定向井或第一直井穿过所有待开采煤层。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述开采井为多个第二直井或斜井的组合，至少有一个所述第二直井或斜井穿过所有待开采煤层。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，任一所述的水平段，在该水平段的煤炭气化范围内设有一口穿过该水平段所在待开采煤层的直井或斜井，且所述水平段和与其相邻的直井或斜井连通或者不连通。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在注入井注入气化剂，通过开采井开采煤层气和气化气的步骤前，还包括：通过开采井对煤层进行排水。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对多层待开采煤层同时注入气化剂，同时气化；或，从最底层的待开采煤层开始，逐层向上注入气化剂、分段气化。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在注入井注入气化剂，开采井开采煤层气和气化气的步骤后，还包括：开采出的煤层气和气化气在地面进行二氧化碳分离，将分离后的二氧化碳注入目标煤层。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳通过远离目标煤层内水平段的注入井注入目标煤层内。

9.一种煤层原位制氢和煤层气开发一体化结构，其特征在于，包括，

注入井，所述注入井设有至少一个，且所述注入井为阶梯式水平井，任意两个所述注入井的水平段在竖直方向上的投影均不重叠，任一个待开采煤层内设有至少一个所述阶梯式水平井的水平段；

开采井，所述开采井穿过所有待开采煤层，且对于注入井的任一个水平段，均有一口开采井穿过该水平段所在煤层的煤炭气化范围。

10.根据权利要求9所述结构，其特征在于，所述开采井为丛式井，所述丛式井的定向井或第一直井穿过所有待开采煤层；或，所述开采井为多个第二直井或斜井的组合，所述第二直井或斜井穿过所有待开采煤层。

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