CN113803048A - 一种基于热解的煤炭原位分选开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于热解的煤炭原位分选开采方法。主要是解决现有开采方法存在的无法实现通过煤层原位热解实现挥发分提取和采收的技术问题。本发明采用的技术方案是：首先在目标煤层中平行建造至少两口用于注热和排出挥发分产物采收的定向井，并对井筒进行隔热处理；然后对定向井之间的煤体进行致裂增透；最后通过从注热井对煤层注入高温气体(氮气或者水蒸气)，将煤层加热至热解，热解产生的气体产物在气流的驱动下从挥发分产物采收井排出，遗留原煤层重量比例50％以上的固定碳在煤层的原位。
Description
技术领域
本发明属于地下能源开采技术领域，具体涉及一种基于热解的煤炭原位分选开采方法。
背景技术
煤炭在工业上有两种用途，一是作为能源，利用煤燃烧释放的热能，例如燃煤锅炉、燃煤发电等等；二是作为资源，通过提取煤中的有机质合成塑料及烃类有机原料等。煤清洁高效利用对充分发挥煤炭资源优势、缓解石油资源短缺、确保能源安全、保护生态环境具有重要的意义。
从工业分析上把煤分为四种组分，即：水分、挥发分、固定碳和灰分。煤中的挥发分既是重要的化工原料，也可作为低碳的绿色能源，而煤中的固定碳则是造成碳排放主要源头。目前不论是井工开采，还是露天开采都属于挖掘式开采，这种开采方法无法实现煤炭的分选式开采。
发明内容
本发明的目的是解决现有开采方法存在的无法实现通过煤层原位热解实现挥发分提取和采收的技术问题，提供一种基于热解的煤炭原位分选开采方法。该方法在原位对煤炭进行选择性开采，将利用价值高的挥发分开采出来，将造成环境污染的固定碳留在地层中。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于热解的煤炭原位分选开采方法，其煤炭原位分选开采的步骤为：
①采用公知的方法在目标煤层中平行建造至少两口定向井，并对定向井的垂直井筒进行隔热处理，分别设置为注热井和排采井；
②将定向井之间的煤体进行致裂增透构建气体渗流通道，形成煤炭挥发分可开采的通道；
③通过注热井向煤层注入高温气体，加热煤层，使煤层在原位进行热解；
④将热解产生的气体产物通过破裂的煤体渗流至排采井，并从排采井排出；
⑤当热解的气体产物产量下降开始时，将注热井与排采井对调，按照步骤③所述方式再次向煤层注入高温气体实施原位热解煤体，按照步骤④所述方式从排采井提取挥发分；
⑥遗留原煤层重量比例50％以上的固定碳在煤层的原位。
进一步地，所述注热井与排采井的间距根据煤层能够致裂增透的区域大小决定，距离在100米至300米之间。
进一步地，所述高温气体为氮气或者水蒸气，所述高温气体的氧气含量为零，温度为800℃-900℃，高温气体的流量依据煤体温度场、热解产物生成速率因素进行动态调节；以摩尔质量计算，高温气体的流速为气体产物流速的 1-2倍。
进一步地，对于挥发分含量低的煤体，高温气体采用水蒸气。
进一步地，当热解的气体产物产量下降时，将注热井与排采井对调为，由原排采井注热、原注热井排采，对原排采井附近的煤层进行热解。
进一步地，所述的方法对煤体进行原位分选开采，仅开采煤炭中工业价值高的挥发分，将煤中50％左右的固定碳残留在原位，形成多孔的骨架，用于支撑上覆岩层。
本发明的有益效果：
本发明采用上述技术方案，使用高温水蒸气加热煤层进行煤的原位热解时，水与煤发生化学反应，能够增加可燃性气体的产量。即：
C+H2O＝CO+H2 (1)
CO+H2O＝CO2+H2 (2)
其中：反应生成的一氧化碳和氢气作为可燃性气体，和挥发分一起被排出。由于煤对二氧化碳有很强的吸附性，反应生成的二氧化碳被遗留在地层中的固定碳吸附，保留在地层中。解决了现有技术无法实现通过煤层原位热解实现挥发分提取和采收的技术问题。热解后残余的固定碳转变为孔隙发育的多孔骨架，在开采过程中作为油气产物的渗流通道，保证开采的正常；挥发分提取完成后，残余的固定碳能够支撑上覆地层的压力，防止地面沉降，消除开采对地层环境的破坏和影响。
与背景技术相比，本发明的优点为：1)本发明仅开采煤炭中对工业作用更大的挥发分，而将煤炭开采以及使用过程中产生环境污染和碳排放的固定碳保留在原位；2)保留在地层中的固定碳作为高温气体以及产物的渗流通道，保证了开采的持续性，避免了煤炭全部气化造成通道坍塌导致开采终止；3) 留在地层中的固定碳以多孔的结构形式保留在原位，可支撑上覆的岩层，防治煤炭开采引起的地面沉降；4)克服了传统的井工方式的煤炭开采造成地层破坏导致地下水流失引起的土地荒漠化等，以及传统的煤炭资源利用造成的环境污染；5)这种开采方式不会对大气环境和地质环境造成伤害，是一种绿色的煤炭开采方式。
附图说明
图1是本发明垂向平行布置注热井和排采井的示意图；
图2是本发明水平平行布置注热井和排采井的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。
实施例1：
如图1所示，在一个厚度为10m以上，埋藏深度100m以上的近水平的单一中厚煤层1中，采用基于热解的煤炭原位分选开采方法进行原位热解煤体提取挥发分的开采。
其具体步骤如下：
①在目标煤层1中采用公知的方法平行建造两口定向井，并对定向井的垂直井筒进行隔热处理，分别设置为注热井1-2和排采井1-3；注热井1-2的水平段位于煤层上部，接近煤层顶板；排采井1-3的水平段垂向平行位于煤层下部，接近煤层底板；
②对注热井1-2和排采井1-3之间的煤体进行致裂增透，构建气体渗流通道；所述致裂增透为利用定向射孔实施煤层水力压裂，实现相邻的定向井间煤体的增透，形成煤炭挥发分可开采的通道；
③通过注热井1-2对煤层注入高温水蒸气，利用高温水蒸气对上半部分煤层加热至热解；
④将热解产生的气体产物通过破裂的煤体渗流至排采井1-3，并从排采井 1-3排出；
⑤当热解的气体产物产量下降开始时，将注热井1-2与排采井1-3对调，通过排采井1-3对煤层注入高温水蒸气，利用高温水蒸气对下半部分煤层加热至热解，将热解产生的气体产物通过破裂的煤体渗流至注热井1-2，并从注热井1-2排出；
⑥遗留原煤层重量比例50％以上的固定碳在煤层的原位。
所述高温水蒸气的氧气含量为零，温度为800℃-900℃，水蒸气气体流量依据煤体温度场、热解产物生成速率等因素进行动态调节。以摩尔质量计算，高温气体的流速为气体产物流速的1-2倍。
所述注热井与排采井的间距根据煤层能够被压裂增透的区域大小决定，距离在100米至300米之间。
实施例2：
如图2所示，在一个厚度为10m以下，埋藏深度100m以上的近水平的单一薄煤层5中，采用基于热解的煤炭原位分选开采方法进行原位热解煤体提取挥发分的开采。
其具体步骤如下：
①采用公知的方法建造用于注热及排出挥发分产物采收的三个定向井2、 3、4至薄煤层5中部，并对三个定向井2、3、4的垂直井筒进行隔热处理；将中间的第二定向井2设置为注热井，两侧的第一定向井3和第三定向井4 设置为排采井；注热井和两侧排采井的水平段平行设置在薄煤层5中；
②对第一定向井3至第三定向井4之间的煤层进行压裂增透；压裂增透的方法与实施例1中的相同；
③通过设为注热井的第二定向井2对煤层注入高温水蒸气，利用高温水蒸气将靠近注热井周围的煤层压裂区域加热至热解；
④将热解产生的气体产物通过破裂的煤体渗流至设为排采井的第一定向井3和第三定向井4，并第一定向井3和第三定向井4排出；
⑤当热解的气体产物产量下降开始时，将两侧的排采井即第一定向井3 和第三定向井4作为注热井对煤层注入高温水蒸气，利用高温水蒸气对靠近第一定向井3和第三定向井4周围的煤层压裂区域加热至热解，将热解产生的气体产物通过破裂的煤体渗流至第二定向井2，并从第二定向井2排出。
⑥遗留原煤层重量比例50％以上的固定碳在煤层的原位。
所述注热井与排采井的间距根据煤层能够被压裂增透的区域大小决定，距离在100米至300米之间。
所述高温水蒸气的氧气含量为零，温度为800℃-900℃，水蒸气气体流量依据煤体温度场、热解产物生成速率等因素进行动态调节。以摩尔质量计算，高温气体的流速为气体产物流速的1-2倍。
上述实施例中的高温水蒸气还可以用高温氮气代替。
本发明能够以多种形式具体实施而不脱离本发明的精神和范围，应当理解，上述实施例不限于前述的细节，而应在权利要求所限定的范围内广泛地解释。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作岀若干改进和等效范围内的变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于热解的煤炭原位分选开采方法，其特征在于，煤炭原位分选开采的步骤为：
①采用公知的方法在目标煤层中平行建造至少两口定向井，并对定向井的垂直井筒进行隔热处理，分别设置为注热井和排采井；
②将定向井之间的煤体进行致裂增透构建气体渗流通道，形成煤炭挥发分可开采的通道；
③通过注热井向煤层注入高温气体，加热煤层，使煤层在原位进行热解；
④将热解产生的气体产物通过破裂的煤体渗流至排采井，并从排采井排出；
⑤当热解的气体产物产量下降开始时，将注热井与排采井对调，按照步骤③所述方式再次向煤层注入高温气体实施原位热解煤体，按照步骤④所述方式从排采井提取挥发分；
⑥遗留原煤层重量比例50％以上的固定碳在煤层的原位。
2.根据权利要求1所述的一种基于热解的煤炭原位分选开采方法，其特征在于：所述注热井与排采井的间距根据煤层能够致裂增透的区域大小决定，距离在100米至300米之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于热解的煤炭原位分选开采方法，其特征在于：所述高温气体为氮气或者水蒸气，所述高温气体的氧气含量为零，温度为800℃-900℃，高温气体的流量依据煤体温度场、热解产物生成速率因素进行动态调节；以摩尔质量计算，高温气体的流速为气体产物流速的1-2倍。
4.根据权利要求1所述的一种基于热解的煤炭原位分选开采方法，其特征在于：对于挥发分含量低的煤体，高温气体采用水蒸气。
5.根据权利要求1所述的一种基于热解的煤炭原位分选开采方法，其特征在于：当热解的气体产物产量下降时，将注热井与排采井对调为，由原排采井注热、原注热井排采，对原排采井附近的煤层进行热解。
6.根据权利要求1所述的一种基于热解的煤炭原位分选开采方法，其特征在于：所述的方法对煤体进行原位分选开采，仅开采煤炭中工业价值高的挥发分，将煤中50％左右的固定碳残留在原位，用于支撑上覆岩层。
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