CN114293962A - 瓦斯抽采利用并回注煤层增透的闭环系统及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种瓦斯抽采利用并回注煤层增透的闭环系统及工作方法，适用于废弃煤矿或无法开采煤层使用。通过将瓦斯发电厂处理后的高温尾气注入到已经经过水力压裂的煤层中，加热煤体促进瓦斯解析，煤体受热后内部产生新的孔裂隙为瓦斯流动提供通道，由于CO2对煤体的吸附大于瓦斯对煤体的吸附，尾气中的CO2进入煤层后对瓦斯进行置换，进一步加速瓦斯释放，实现整个系统的闭环运行。其步骤简单，尾气注入煤层无需人工介入，安全可靠，使用的尾气温度高压力强且无需另外热源，同时高温高压的尾气还能大大的增加煤层至裂以及瓦斯产出的效率，针对废弃矿和无法开采的煤层均具有很好的利用效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种瓦斯抽采利用并回注煤层增透的闭环系统及工作方法，尤其适用于地下废弃煤矿以及因三下问题无法开采煤层使用。
背景技术
近年来，国家对碳排放越来越重视。如何在不影响社会发展的条件下，经济有效减少碳排放，是问题的关键。加之现由于我国煤矿开采逐步进入深部开采阶段，地应力高、瓦斯抽采困难等问题尤为突出，解决这一问题的关键就在于瓦斯抽采。目前，常采用的瓦斯抽采方法主要有：水力压裂、深孔爆破、水力割缝、保护层开采，但是这些技术应用起来存在一些缺陷，例如：水力压裂容易造成水锁现象，堵塞瓦斯运移的通道；深孔爆破送药困难；水力割缝在软煤层应用效果较差，而且因排渣问题，不适用于向下打的钻孔；保护层开采不适应在单一煤层开采。因此，开发应用范围更广的煤层增透方法以解决低透气煤层瓦斯抽采困难的问题尤为重要，本技术的提出，对于不开采的煤层，不仅抽采瓦斯获得了一种清洁能源，还为二氧化碳的封存提供了一个创新的举措，实现双重效益；对于开采煤层，不仅获得了清洁能源，还降低了煤矿井下煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸的风险。
发明内容
针对现有技术的不足之处，提供一种瓦斯抽采利用并回注煤层增透的闭环系统及工作方法，其能够有效将瓦斯发电厂的尾气充分利用，将尾气注入到煤层中，加速瓦斯解析，并利用煤体对CO2的吸附大于甲烷的特点，将甲烷置换出来，并在热应力的作用下，在煤体中形成网络裂隙，实现甲烷的开采和CO2的封存，或者实现消除煤层瓦斯突出危险和甲烷开采。
为解决上述技术问题，本发明一种瓦斯抽采利用并回注煤层增透的闭环系统，包括相互连接的瓦斯利用系统、瓦斯发电厂尾气注入系统以及瓦斯抽采系统，其中瓦斯抽采系统将地下的瓦斯气体抽采出来空后输送到瓦斯利用系统中进行发电，发电后的尾气通过瓦斯发电厂尾气注入系统将发电后产生的高温尾气注入到经过水力压裂的煤层中加热煤体促进瓦斯解析，煤体受热后在热应力的作用下，内部产生新的孔裂隙为瓦斯流动提供通道；此外尾气中的CO2进入煤层后对煤层中的瓦斯进行置换，进一步加速瓦斯释放；
所述瓦斯利用系统包括设置在地表的发电厂和尾气处理系统；
所述瓦斯发电厂尾气注入系统包括保温烟气管路、增压泵、地面注气井和井壁套管，地面注气井和井壁套管与增压泵密封连接；
所述瓦斯抽采系统包括抽采井、地面抽采站和瓦斯管路；
其中瓦斯管路钻入煤层中，瓦斯管路位于地表出设有抽采井，抽采井上设有抽采用地面抽采站，抽采井通过瓦斯管路与发电厂连接，发电厂排放的尾气与尾气处理系统连接，尾气处理系统通过烟气管路与钻注入煤层的地面注汽井连接，其中套管穿过岩层直至地下煤层，地下煤层区域处的套管侧壁上设有多个开孔；
瓦斯抽采利用并回注煤层增透的闭环系统的工作方法，步骤为：
在开采过的矿井或者废弃矿井区域地面设置燃烧瓦斯的发电厂，在选定的位置布置抽采井和地面注气井，抽采井和地面注气井之间距离在2000米范围内，在抽采井处布置地面抽采站，在地面注气井中下入套管；
利用瓦斯管路将抽采井与发电厂的燃气入口密封连接，利用烟气管路将地面注气井与发电厂匹配的尾气处理系统的尾气排出口密封连接，并在烟气管路上设置增压泵；
利用地面抽采站通过抽采井抽采煤层中的瓦斯，并通过水气分离后进入瓦斯管道，瓦斯管道将瓦斯输送至发电厂燃烧发电；
燃烧后产生的高温尾气通过尾气处理系统进行有害物质处理，处理达标的高温尾气经具有保温效果的烟气管路输送到增加泵，增压泵对高温尾气进行增压后注入地面注气井，注入地面注气井的高温尾气温度在40℃-450℃，压力为60Mpa，高温尾气沿着套管直至煤层区域，并通过煤层区域的套管上的孔洞向煤层中进行压裂，同时向套管周围的煤层中扩散，扩散的高温尾气加热煤体促进瓦斯解析，此外煤体受热后内部产生新的孔裂隙不但扩大了高温尾气的扩散范围还为瓦斯流动提供通道，煤层大量吸附高温尾气中的CO2从而对瓦斯进行置换，进一步加速瓦斯释放；通过套管注入煤层的高温尾气温度远超常规的热源生成的蒸汽，对煤层至裂和瓦斯释放的效果明显更高，同时整个注入过程完全在密封的地面注气井内自动完成，无需人工对注入过程进行操作，安全可靠；
随着地面抽采站不断抽采抽在抽采井中造成负压，从而促进煤层中的瓦斯以瓦斯流向向抽采井富集，实现瓦斯抽采发电并将尾气回注煤层增透的低碳闭环方法。
进一步，抽采井和布置有套管的地面注气井之间的地面距离不超过2000米，其中地面注气井和抽采井均钻至煤层的底部。
进一步，所述烟气管路上设有增压泵用以给注入地面注气井的发电尾气进行增压。
进一步，所述套管与地面注气井之间密封，套管在500℃时能承受60Mpa的压力。
进一步，根据需要，在地面注气井范围内设置多个抽采井，抽采井通过地面抽采站(9) 不断在井筒内产生负压，从而促进煤层瓦斯向抽采井富集。
有益效果：
本发明能够实现瓦斯的清洁高效利用，减少其排放导致温室效应的环境损害，同时充分利用瓦斯发电后的余热，注入煤层中促进煤层瓦斯解吸，释放出更多的瓦斯供发电厂利用，减少了瓦斯向大气中逸散的总量，封存了CO2，实现了大气低碳或负CO2排放，形成了良性的闭环，整个工作环境包括尾气注入环境完全无需人工介入，安全可靠，不会因为热源泄露导致人员伤亡，同时本发明直接将发电厂产生的尾气加压通入煤层，无需另外的热源，即节省了能源，同时产生的尾气温度高压力强，能大大的增加煤层至裂以及瓦斯产出的效率，不是普通井下热源能够能达到的，针对废弃矿和由于三下问题无法开采的煤层均具有很好的利用效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的瓦斯抽采利用并回注煤层增透的闭环系统的结构示意图；
图中：1-发电厂；2-尾气处理系统；3-烟气管路；4-增压泵；5-地面注气井；6-套管；7-瓦斯管路；8-抽采井；9-地面抽采站；10-岩层；11-煤层；12-瓦斯流向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明：
如图1所示，本发明的一种瓦斯抽采利用并回注煤层增透的闭环系统，其特征在于：它包括相互连接的瓦斯利用系统、瓦斯发电厂尾气注入系统以及瓦斯抽采系统，其中瓦斯抽采系统将地下的瓦斯气体抽采出来空后输送到瓦斯利用系统中进行发电，发电后的尾气通过瓦斯发电厂尾气注入系统将发电后产生的高温尾气注入到经过水力压裂的煤层中加热煤体促进瓦斯解析，煤体受热后在热应力的作用下，内部产生新的孔裂隙为瓦斯流动提供通道；此外尾气中的CO2进入煤层后对煤层中的瓦斯进行置换，进一步加速瓦斯释放；
所述瓦斯利用系统包括设置在地表的发电厂1和尾气处理系统2；
所述瓦斯发电厂尾气注入系统包括顺序连接的保温烟气管路3、增压泵4、地面注气井5 和井壁套管6，地面注气井5和井壁套管6与增压泵4密封连接；
所述瓦斯抽采系统包括抽采井8、地面抽采站9和瓦斯管路7；
其中瓦斯管路7钻入煤层11中，瓦斯管路7位于地表出设有抽采井8，抽采井8上设有抽采用地面抽采站9，抽采井8通过瓦斯管路7与发电厂1连接，发电厂1排放的尾气与尾气处理系统2连接，尾气处理系统2通过烟气管路3与钻注入煤层11的地面注汽井5连接，地面注汽井5中设有套管6，其中套管6穿过岩层10直至地下煤层11，地下煤层11区域处的套管6侧壁上设有多个开孔；
一种瓦斯抽采利用并回注煤层增透的闭环系统的工作方法，其步骤为：
在开采过的矿井或者废弃矿井区域地面设置燃烧瓦斯的发电厂1，在选定的位置布置抽采井8和地面注气井5，抽采井8和地面注气井5之间距离在2000米范围内，在抽采井8处布置地面抽采站9，在地面注气井5中下入套管6，地面注气井5和抽采井8均钻至煤层11的底部；
利用瓦斯管路7将抽采井8与发电厂1的燃气入口密封连接，利用烟气管路3将地面注气井5与发电厂1匹配的尾气处理系统1的尾气排出口密封连接，并在烟气管路3上设置增压泵4；
利用地面抽采站9通过抽采井8抽采煤层12中的瓦斯，并通过水气分离后进入瓦斯管道 7，瓦斯管道7将瓦斯输送至发电厂1燃烧发电；
燃烧后产生的高温尾气通过尾气处理系统2进行有害物质处理，处理达标的高温尾气经具有保温效果的烟气管路3输送到增加泵4，增压泵4对高温尾气进行增压后注入地面注气井5，注入地面注气井5的高温尾气温度在450℃，尾气的温度在传输过程中存在一定的损耗，同时也防止了尾气温度过高引燃煤层瓦斯或者导致煤层阴燃，高温尾气压力为60Mpa，高温尾气沿着套管6直至煤层11区域，并通过煤层11区域的套管上的孔洞向煤层11中进行压裂，同时向套管6周围的煤层11中扩散，扩散的高温尾气加热煤体促进瓦斯解析，此外煤体受热后内部产生新的孔裂隙不但扩大了高温尾气的扩散范围还为瓦斯流动提供通道，煤层11大量吸附高温尾气中的CO2从而对瓦斯进行置换，进一步加速瓦斯释放；通过套管6注入煤层11 的高温尾气温度远超常规的热源生成的蒸汽，对煤层11至裂和瓦斯释放的效果明显更高，同时整个注入过程完全在密封的地面注气井5内自动完成，无需人工对注入过程进行操作，安全可靠；
随着地面抽采站9不断抽采抽在抽采井8中造成负压，从而促进煤层11中的瓦斯以瓦斯流向12向抽采井8富集，实现瓦斯抽采发电并将尾气回注煤层增透的低碳闭环方法。
根据需要，在地面注气井5范围内设置多个抽采井8，抽采井8通过地面抽采站9不断在井筒内产生负压，从而促进煤层瓦斯向抽采井8富集。
Claims (5)
1.一种瓦斯抽采利用并回注煤层增透的闭环系统，其特征在于：它包括相互连接的瓦斯利用系统、瓦斯发电厂尾气注入系统以及瓦斯抽采系统，其中瓦斯抽采系统将地下的瓦斯气体抽采出来空后输送到瓦斯利用系统中进行发电，发电后的尾气通过瓦斯发电厂尾气注入系统将发电后产生的高温尾气注入到经过水力压裂的煤层中加热煤体促进瓦斯解析，煤体受热后在热应力的作用下，内部产生新的孔裂隙为瓦斯流动提供通道；此外尾气中的CO2进入煤层后对煤层中的瓦斯进行置换，进一步加速瓦斯释放；
所述瓦斯利用系统包括设置在地表的发电厂（1）和尾气处理系统（2）；
所述瓦斯发电厂尾气注入系统包括保温烟气管路（3）、增压泵（4）、地面注气井（5）和井壁套管（6），地面注气井（5）和井壁套管（6）与增压泵（4）密封连接；
所述瓦斯抽采系统包括抽采井（8）、地面抽采站（9）和瓦斯管路（7）；
其中瓦斯管路（7）钻入煤层（11）中，瓦斯管路（7）位于地表出设有抽采井（8），抽采井（8）上设有抽采用地面抽采站（9），抽采井（8）通过瓦斯管路（7）与发电厂（1）连接，发电厂（1）排放的尾气与尾气处理系统（2）连接，尾气处理系统（2）通过烟气管路（3）与钻注入煤层（11）的地面注汽井（5）连接，地面注汽井（5）中设有套管（6），其中套管（6）穿过岩层（10）直至地下煤层（11），地下煤层（11）区域处的套管（6）侧壁上设有多个开孔。
2.根据权利要求1所述的瓦斯抽采利用并回注煤层增透的闭环系统，其特征在于：抽采井（8）和布置有套管（6）的地面注气井（5）之间的地面距离不超过2000米，其中地面注气井（5）和抽采井（8）均钻至煤层（11）的底部。
3.根据权利要求1所述的瓦斯抽采利用并回注煤层增透的闭环系统，其特征在于：所述套管（6）与地面注气井（5）之间密封，套管（6）在500℃时能承受60Mpa的压力。
4.根据权利要求1所述的瓦斯抽采利用并回注煤层增透的闭环系统，其特征在于：根据需要，在地面注气井（5）范围内设置多个抽采井（8），抽采井（8）通过地面抽采站（9）不断在井筒内产生负压，从而促进煤层瓦斯向抽采井（8）富集。
5.一种瓦斯抽采利用并回注煤层增透的闭环系统的工作方法，其特征在于步骤为：
在开采过的矿井或者废弃矿井区域地面设置燃烧瓦斯的发电厂（1），在选定的位置布置抽采井（8）和地面注气井（5），在抽采井（8）处布置地面抽采站（9），在地面注气井（5）中下入套管（6）；
利用瓦斯管路（7）将抽采井（8）与发电厂（1）的燃气入口密封连接，利用烟气管路（3）将地面注气井（5）与发电厂（1）匹配的尾气处理系统（1）的尾气排出口密封连接，并在烟气管路（3）上设置增压泵（4）；
利用地面抽采站（9）通过抽采井（8）抽采煤层（12）中的瓦斯，并通过水气分离后进入瓦斯管道（7），瓦斯管道（7）将瓦斯输送至发电厂（1）燃烧发电；
燃烧后产生的高温尾气通过尾气处理系统（2）进行有害物质处理，处理达标的高温尾气经具有保温效果的烟气管路（3）输送到增加泵（4），增压泵（4）对高温尾气进行增压后注入地面注气井（5），注入地面注气井（5）的高温尾气温度在40℃-450℃，高温尾气沿着套管（6）直至煤层（11）区域，并通过煤层（11）区域的套管上的孔洞向煤层（11）中进行压裂，同时向套管（6）周围的煤层（11）中扩散，扩散的高温尾气加热煤体促进瓦斯解析，此外煤体受热后内部产生新的孔裂隙不但扩大了高温尾气的扩散范围还为瓦斯流动提供通道，煤层（11）大量吸附高温尾气中的CO2从而对瓦斯进行置换，进一步加速瓦斯释放；通过套管（6）注入煤层（11）的高温尾气温度远超常规的热源生成的蒸汽，对煤层（11）至裂和瓦斯释放的效果明显更高，同时整个注入过程完全在密封的地面注气井（5）内自动完成，无需人工对注入过程进行操作，安全可靠；
随着地面抽采站（9）不断抽采抽在抽采井（8）中造成负压，从而促进煤层（11）中的瓦斯以瓦斯流向（12）向抽采井（8）富集，实现瓦斯抽采发电并将尾气回注煤层增透的低碳闭环方法。
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