CN113818842A - 一种页岩气高效开采、低温制氢、废气利用一体化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种页岩气高效开采、低温制氢、废气利用一体化方法，属于油气田开发领域；本发明通过在井口对接低温制氢装置，来实现页岩气向清洁能源H2的转化，并将反应副产物CO2回注到地层，实现页岩气的高效开发，减少碳排放，降低温室效应；其技术方案是：将页岩气井产物经分离提纯后，部分甲烷作为反应热源提供能量，其余甲烷和部分水体作为制氢原料参与反应，多余的水体作为压裂液被再次利用；随后对制氢产物进行分离提纯，未反应完全的CO将继续参与反应，CO2回注到气藏置换页岩气、补充地层能量进而提高页岩气采收率，高纯度H2则直接转储。至此，便实现了页岩气高效开发‑低温制氢‑废气利用一体化的页岩气低温直接转化利用技术。

Description

一种页岩气高效开采、低温制氢、废气利用一体化方法
技术领域
本发明属于油气田开发领域，特别涉及一种页岩气高效开采、低温制氢、废气利用一体化方法。
背景技术
由于全球页岩气资源量巨大，约占非常规天然气总和的二分之一。因此，在现有的经济技术条件下实现页岩气的高效开发利用，具有十分重要的意义。但页岩气储层渗透率极低，目前主要是采用水力压裂技术对页岩气进行开采，其原理是通过向地层注入含有化学物质的水，当注入液超过地层的吸收能力时，会在地层中产生裂缝，增加渗流通道，从而实现页岩气的高效采出。页岩气开采具有初期产量高，但递减速率快，后期产量处于稳定的特点，页岩气藏中的游离气是开采初期产量的主要组成部分，而开采后期的产量主要来自页岩气藏中的吸附气解吸。目前为止，全球开发页岩气藏主要通过水力压裂技术来改善气藏，使其得以商业性开发。但国内外对页岩气藏注气增产的研究较少，并且针对水力压裂井段产量随开采下降的情况，通过注入CO2 驱替来达到增产效果的研究有限。有研究表明页岩对CO2的吸附能力优于CH4，并有注CO2开采煤层气的成功案例，可以通过注CO2置换驱替页岩气，提高页岩气采收率。
由于氢能具有较高的热值、储量丰足、用途广泛，可用于制氨、制甲醇、冶金、燃料电池、火箭推动剂等，所以氢能及其相关技术一直是国内外研究的热点。氢能作为一种清洁的二次能源，可以通过多种方法进行制取，主要包括电解水、煤气化、氨催化分解、生物质/烃类催化重整、工业副产物提取等。其中，电解水制氢通过水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气，该过程需消耗大量的电能，生产规模小；煤气化制氢需要除尘、脱硫等操作，操作复杂，不具优势；生物质制氢技术尚不成熟；化石燃料制氢是目前主要采用的制氢技术，其中以甲烷蒸汽重整制氢技术最为成熟，并已经大规模工业化。甲烷蒸汽重整制氢反应通常需要在温度高于500℃条件下进行，并会产生CO2温室气体。经过大量调研发现，可以制备新型催化剂Ru/C，可以实现200~500 ℃ 条件下实现制氢过程。
页岩气主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数。页岩气制氢会产生CO2气体，常规方式很难对其进行规模化处理。现有CO2处理技术主要包括地下储存、海洋储存以及森林和陆地生态储存。地下储存方法主要包括不可采煤层储存、采空的油气层储存、强化采油（气）回注储存、深部盐水层储存等多种方式。总体而言，海洋储存由于技术经济、环境影响等一系列复杂问题需要解决，目前还在探索阶段；森林和陆地生态储存对森林面积需求大，故适用性低；而利用天然储层的储存方式比较安全可靠，不仅应用上较为灵活，而且也有较充裕的储存能力，这是当前处理CO2最主要的方法。
随着全球气候的日益恶化，节能减排重视程度越来越高，利用水力压裂技术开采页岩气，在井口采用低温制氢技术制取二次能源H2，并将废气产物CO2回注置换驱替页岩气，不仅可以强化采气，在井口获得清洁能源，并可以将大量CO2注入储层，实现永久封存，减少了环境污染，降低了开发成本，提高了经济效益。
发明内容
本发明目的是：为了提高页岩气的采收率及其利用率，并实现节能减排，降低开发成本，提高经济效益。本发明建立了一种页岩气高效开采、低温制氢、废气利用一体化方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种页岩气高效开采、低温制氢、废气利用一体化方法，该方法包括下列步骤：
S100、选择页岩气井，通过水力压裂技术将页岩储层的页岩气开采至地面；
S200、在井口通过气液分离器对页岩气井产物进行分离；
S300、在气液分离器后面对接甲烷蒸汽重整制氢装置；
S400、页岩气主要成分是甲烷，通过甲烷重整制氢反应式，以及所需要的反应温度200~500℃，确定作为制氢原料的页岩气量、水量以及提供热源的页岩气量；
S500、根据原料气页岩气与水比例为1:2~1:2.5向甲烷蒸汽重整反应容器输送页岩气和产出水，通入氧气，加入催化剂Ru/C，点燃燃料气，进行制氢反应；
S600、对制氢产物CO、CO2、H2充分进行分离提纯；
S700、将未完全反应的CO气体循环至甲烷蒸汽重整反应容器继续参与反应，提纯后的H2用储气罐储存；
S800、废气CO2回注到页岩储层，补充地层能量，驱替置换页岩气，或直接埋存于页岩储层。
进一步所述的一种页岩气高效开采、低温制氢、废气利用一体化方法，其特征在于：页岩气高效开采，其通过向钻完井工程已建好的页岩气井内泵入超过页岩气储层承受能力的水体，使页岩气储层破裂产生裂缝，沟通页岩气向井内的流通通道，使页岩气采出。
进一步所述的一种页岩气高效开采、低温制氢、废气利用一体化方法，其特征在于：通过气液分离器对页岩气井产物进行分离，产物中页岩气用作甲烷重整制氢的热源和原料气，气田产出水和压裂液返排水体用作甲烷重整制氢的原料水，多余水量继续配置压裂液。
进一步所述的一种页岩气高效开采、低温制氢、废气利用一体化方法，其特征在于：甲烷与水蒸气在催化剂作用下，将会发生如下反应：
Figure 544888DEST_PATH_IMAGE002
Figure 993187DEST_PATH_IMAGE004
Figure 320394DEST_PATH_IMAGE006
甲烷制氢过程是：甲烷先与水反应生成含有H2、CO和水蒸气的合成气，然后再水蒸气的作用下，合成气中的CO将转换为CO2，最终甲烷被转化为以CO2和H2为主的合成气；通过化学反应平衡式及反应温度200~500℃、压力1.5~3.0MPa、水碳比3~3.5，确定页岩气与水的比例为1:2~1:2.5。
进一步所述的一种页岩气高效开采、低温制氢、废气利用一体化方法，其特征在于：通过甲烷蒸汽重整制氢装置上的燃料气入口，通入页岩气，燃料气入口配有点火装置；通过甲烷蒸汽重整制氢装置上的原料气入口，通入页岩气和产出水，比例按照页岩气与水的比例为1:2~1:2.5。
进一步所述的一种页岩气高效开采、低温制氢、废气利用一体化方法，其特征在于：采取的是Ru/C催化剂实现200~500℃条件下的甲烷制氢过程。
进一步所述的一种页岩气高效开采、低温制氢、废气利用一体化方法，其特征在于：采用金属膜分离法，利用制氢产物CO、CO2、H2混合气体中各组分对膜渗透率的差别进行充分分离提纯。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）对页岩气井产物在井口进行利用，减少了处理运输成本，有效增大经济效益；（2）采用低温制氢方法，减少了页岩气的消耗，提高了页岩气的利用率并增加了氢气的产率；（3）对CO2进行回注驱替置换页岩气，既降低了温室效应，又补充了地层能量，提高了页岩气的采收率。
附图说明
在附图中：
图1是本方法技术路线图。
具体实施方式
下面结合实施方式和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供了一种页岩气高效开采、低温制氢、废气利用一体化方法，图1为本方法的技术路线图，该方法包括下列步骤：
第一，选择页岩气井，通过水力压裂技术将页岩储层的页岩气开采至地面；
第二，在井口通过气液分离器对页岩气井产物进行分离；
第三，在气液分离器后面对接甲烷蒸汽重整制氢装置；
第四，页岩气主要成分是甲烷，通过甲烷重整制氢反应式，以及所需要的反应温度200~500℃，确定作为制氢原料的页岩气量、水量以及提供热源的页岩气量；
第五，根据原料气页岩气与水比例为1:2~1:2.5向甲烷蒸汽重整反应容器输送页岩气和产出水，通入氧气，加入催化剂Ru/C，点燃燃料气，进行制氢反应；
第六，对制氢产物CO、CO2、H2充分进行分离提纯；
第七，将未完全反应的CO气体循环至甲烷蒸汽重整反应容器继续参与反应，提纯后的H2用储气罐储存；
第八，废气CO2回注到页岩储层，补充地层能量，驱替置换页岩气，或直接埋存于页岩储层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）对页岩气井产物在井口进行利用，减少了处理运输成本，有效增大经济效益；（2）采用低温制氢方法，减少了页岩气的消耗，提高了页岩气的利用率并增加了氢气的产率；（3）对CO2进行回注驱替置换页岩气，既降低了温室效应，又补充了地层能量，提高了页岩气的采收率。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种页岩气高效开采、低温制氢、废气利用一体化方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
S100、选择页岩气井，通过水力压裂技术将页岩储层的页岩气开采至地面；
S200、在井口通过气液分离器对页岩气井产物进行分离；
S300、在气液分离器后面对接甲烷蒸汽重整制氢装置；
S400、页岩气主要成分是甲烷，通过甲烷重整制氢反应式，以及所需要的反应温度200~500℃，确定作为制氢原料的页岩气量、水量以及提供热源的页岩气量；
S500、根据原料气页岩气与水比例为1:2~1:2.5向甲烷蒸汽重整反应容器输送页岩气和产出水，通入氧气，加入催化剂Ru/C，点燃燃料气，进行制氢反应；
S600、对制氢产物CO、CO2、H2充分进行分离提纯；
S700、将未完全反应的CO气体循环至甲烷蒸汽重整反应容器继续参与反应，提纯后的H2用储气罐储存；
S800、废气CO2回注到页岩储层，补充地层能量，驱替置换页岩气，或直接埋存于页岩储层。
2.根据权利要求1所述的一种页岩气高效开采、低温制氢、废气利用一体化方法，其特征在于，页岩气高效开采，其通过向钻完井工程已建好的页岩气井内泵入超过页岩气储层承受能力的水体，使页岩气储层破裂产生裂缝，沟通页岩气向井内的流通通道，使页岩气采出。
3.根据权利要求1所述的一种页岩气高效开采、低温制氢、废气利用一体化方法，其特征在于，通过气液分离器对页岩气井产物进行分离，产物中页岩气用作甲烷重整制氢的热源和原料气，气田产出水和压裂液返排水体用作甲烷重整制氢的原料水，多余水量继续配置压裂液。
4.根据权利要求1所述的一种页岩气高效开采、低温制氢、废气利用一体化方法，其特征在于，甲烷与水蒸气在催化剂作用下，将会发生如下反应：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure 491740DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE003
甲烷制氢过程是：甲烷先与水反应生成含有H2、CO和水蒸气的合成气，然后再水蒸气的作用下，合成气中的CO将转换为CO2，最终甲烷被转化为以CO2和H2为主的合成气；通过化学反应平衡式及反应温度200~500℃、压力1.5~3.0MPa、水碳比3~3.5，确定页岩气与水的比例为1:2~1:2.5。
5.根据权利要求1所述的一种页岩气高效开采、低温制氢、废气利用一体化方法，其特征在于，通过甲烷蒸汽重整制氢装置上的燃料气入口，通入页岩气，燃料气入口配有点火装置；通过甲烷蒸汽重整制氢装置上的原料气入口，通入页岩气和产出水，比例按照页岩气与水的比例为1:2~1:2.5。
6.根据权利要求1所述的一种页岩气高效开采、低温制氢、废气利用一体化方法，其特征在于，采取的是Ru/C催化剂实现200~500℃条件下的甲烷制氢过程。
7.根据权利要求1所述的一种页岩气高效开采、低温制氢、废气利用一体化方法，其特征在于，采用金属膜分离法，利用制氢产物CO、CO2、H2混合气体中各组分对膜渗透率的差别进行充分分离提纯。
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