CN114320447A - 一种深部难采煤层碳资源高效利用与二次封存方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深部难采煤层碳资源高效利用与二次封存方法，所述方法包括：由地面向难开采煤层打深钻孔，同时对煤层进行取样；测试取样样品的透气性、瓦斯含量以及对二氧化碳和瓦斯吸附性的差异性，确定地面钻孔的位置、钻孔间距与钻孔深度；利用钻孔抽采所测试煤层的瓦斯；将抽采的瓦斯进行燃烧发电，产生的能量为抽采过程和注液过程提供动力；对瓦斯燃烧产生的二氧化碳进行收集，并进行低温高压压缩处理，得到液态的二氧化碳，伴随气态混合成超临界二氧化碳；利用无缝钢管将超临界二氧化碳通过钻孔注入到煤层；撤出无缝钢管，对钻孔进行永久封孔。上述全过程处于封闭状态，通过单一钻孔实现对深部难采煤层区域碳资源的高效利用与二次封存。

Description

一种深部难采煤层碳资源高效利用与二次封存方法
技术领域
本发明涉及地球深部难采煤层碳资源开发与利用技术领域，特别涉及一种深部难采煤层碳资源高效利用与二次封存方法。
背景技术
随着煤层开采深度的增加，瓦斯压力与瓦斯含量越来越大，煤层突出危险性越来越强，难开采煤层越来越多，如何安全高效地利用深部难采煤层碳资源是能源科技面临的挑战。
在以往地球碳资源开发利用过程中，产生了大量的二氧化碳，导致了严重的温室效应。为此，世界上主要工业国家纷纷制定碳达峰、碳中和气候目标，碳封存成为重要的技术措施。
然而，以往的大多数碳封存方法是把二氧化碳直接放入地下或者埋入海底，这种方式类似于危险品储存，存在一定的安全隐患。
发明内容
针对现有深部难采煤层碳资源利用以及碳封存技术的不足，本发明的目的在于提供一种深部难采煤层碳资源高效利用与二次封存方法，利用煤对二氧化碳的吸附性远大于甲烷的优点，对深部难采煤层碳资源进行钻孔抽采瓦斯，而后将甲烷燃烧产生的二氧化碳等废气进行煤层回注，并隔离整个过程，使资源充分利用的同时避免碳排放。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：
一种深部难采煤层碳资源高效利用与二次封存方法，包括以下步骤：
步骤S101、由地面向难开采煤层打深钻孔，作为煤层与地面的连通通道，同时对煤层进行取样；
步骤S102、测试取样样品的透气性、瓦斯含量以及对二氧化碳和瓦斯吸附性的差异性，确定地面钻孔的位置、钻孔间距与钻孔深度；
步骤S103、采用所述钻孔抽采所测试煤层的瓦斯；
步骤S104、在地面建设瓦斯发电站与碳封存厂房，将所抽采的瓦斯进行燃烧发电，所产生的能量为抽采过程和注液过程提供动力；
步骤S105、对瓦斯燃烧产生的二氧化碳进行捕捉、收集；
步骤S106、对捕捉、收集的二氧化碳进行低温高压压缩处理，得到液态的二氧化碳，伴随气态混合成超临界二氧化碳；
步骤S107、利用无缝钢管将超临界二氧化碳通过所述钻孔注入到煤层里面，使其充满整个煤层；
步骤S108、撤出无缝钢管，对所述钻孔进行永久封孔，上述全过程处于封闭状态。
优选地，步骤S101中，所述由地面向难开采煤层打深钻孔，作为煤层与地面的连通通道，同时对煤层进行取样，包括：
选取的煤层为埋深大于第一预设值、瓦斯含量大于第二预设值、厚度均匀的煤层，且所述煤层周围不存在大型构造断层；
所述钻孔由垂向钻孔与水平钻孔构成，所述垂向钻孔用于取样、瓦斯抽采和二氧化碳注入，所述水平钻孔用于瓦斯抽采和二氧化碳注入。
优选地，步骤S102中，所述测试取样样品的透气性、瓦斯含量以及对二氧化碳和瓦斯吸附性的差异性，确定地面钻孔的位置、钻孔间距与钻孔深度，包括：
对各取样样品的透气性、瓦斯含量以及对二氧化碳和瓦斯的吸附性参数进行逐一测定，根据测试结果选择适合的煤层，并计算相应的抽采半径，确定钻孔位置、钻孔间距与钻孔深度。
优选地，步骤S103中，所述采用所述钻孔抽采所测试煤层的瓦斯，包括：
所述钻孔由定向钻机完成，能够实现钻孔进入煤层后向煤层布置多个水平钻孔；所述水平钻孔间距由前期物性测试结果确定；
抽采过程中，应保证注气过程与外界空气相隔离，避免存在漏气通道；瓦斯抽采至浓度不再降低或者不再有瓦斯抽出为止。
优选地，步骤S104中，所述在地面建设瓦斯发电站与碳封存厂房，将所抽采的瓦斯进行燃烧发电，所产生的能量为抽采过程和注液过程提供动力，包括：
所述瓦斯进行燃烧发电以及产生的能量为抽采过程和注液过程提供动力的全程与外界相隔离，处于全密闭的状态，确保煤层碳资源的充分利用以及隔离碳排放。
优选地，步骤S105中，所述对瓦斯燃烧产生的二氧化碳进行捕捉、收集，包括：
采用固态吸附剂对瓦斯燃烧发电过程产生的二氧化碳进行可逆吸附，以分离回收瓦斯燃烧产生的二氧化碳和捕捉空气中的二氧化碳；所述固态吸附剂采用活性炭、活性氧化铝或硅胶中的任意一种。
优选地，步骤S106中，所述对捕捉、收集的二氧化碳进行低温高压压缩处理，得到液态的二氧化碳，伴随气态混合成超临界二氧化碳的过程中，使用的电力由所抽采瓦斯燃烧发电提供，不额外消耗外界能源。
优选地，步骤S107中，所述利用无缝钢管将超临界二氧化碳通过所述钻孔注入到煤层里面，使其充满整个煤层，包括：
所述无缝钢管表面带有防酸腐蚀涂层；
所述注入过程与外界空气相隔离，避免存在漏气通道。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明实施例中，以煤吸附的形式封存二氧化碳，利用地面钻孔抽采所测试煤层的瓦斯，之后对抽采的瓦斯进行隔离燃烧发电，将产生的二氧化碳等废气进行煤层回注，达到了安全、减排、环保的效果。与现有技术相比，本发明封存二氧化碳的方式稳定且安全性高，且该方法利用单一钻孔实现对深部难采煤层区域碳资源的高效利用与二次封存，使碳资源的利用过程完全与外界隔离，有助于加强温室气体减排以及重要燃煤烟气污染物的控制。此外，瓦斯发电量还可以供外界使用，节约成本，低碳环保。整体而言，本发明提供了一种耗能少、效率高的技术方案，该技术的规模化推广应用可产生巨大的经济效益和环境效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种深部难采煤层碳资源高效利用与二次封存方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种深部难采煤层碳资源高效利用与二次封存方法的具体操作过程示意图；
图3是本发明实施例中具体实施方式的布置示意图。
附图标记说明：
1、难开采煤层；2、垂向长钻孔；3、煤层顶部岩层；4、水平钻孔；5、瓦斯发电与碳封存厂房；6、开关阀门。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明的实施例提供了一种深部难采煤层碳资源高效利用与二次封存方法，以解决地球深部碳资源利用不充分，以及煤炭利用过程中产生二氧化碳过多，地质体碳封存状态不稳定的技术问题。该方法适用于地球深部碳资源的开采利用与二氧化碳的二次封存。如图1所示，所述方法包括以下步骤：
步骤S101、由地面向难开采煤层打深钻孔，作为煤层与地面的连通通道，同时对煤层进行取样。
本步骤中，选取的煤层为埋深大于第一预设值、瓦斯含量大于第二预设值、厚度均匀的煤层，且所述煤层周围不存在大型构造断层；
所述钻孔由垂向钻孔与水平钻孔构成，所述垂向钻孔用于取样、瓦斯抽采和二氧化碳注入，所述水平钻孔用于瓦斯抽采和二氧化碳注入。
步骤S102、测试取样样品的透气性、瓦斯含量以及对二氧化碳和瓦斯吸附性的差异性，确定地面钻孔的位置、钻孔间距与钻孔深度。
本步骤中，对各取样样品的透气性、瓦斯含量以及对二氧化碳和瓦斯的吸附性参数进行逐一测定，根据测试结果选择适合的煤层，并计算相应的抽采半径，确定钻孔位置、钻孔间距与钻孔深度。
步骤S103、采用所述钻孔抽采所测试煤层的瓦斯。
本步骤中，所述钻孔由定向钻机完成，能够实现钻孔进入煤层后向煤层布置多个水平钻孔；所述水平钻孔间距由前期物性测试结果确定；
抽采过程中，应保证注气过程与外界空气相隔离，避免存在漏气通道；瓦斯抽采至浓度不再降低或者不再有瓦斯抽出为止。
步骤S104、在地面建设瓦斯发电站与碳封存厂房，将所抽采的瓦斯进行燃烧发电，所产生的能量为抽采过程和注液过程提供动力。
本步骤中，瓦斯进行燃烧发电以及产生的能量为抽采过程和注液过程提供动力的全程与外界相隔离，处于全密闭的状态，确保煤层碳资源的充分利用以及隔离碳排放。
步骤S105、对瓦斯燃烧产生的二氧化碳进行捕捉、收集。
本步骤中，采用固态吸附剂，例如：活性炭、活性氧化铝或硅胶等，对瓦斯燃烧发电过程产生的二氧化碳进行可逆吸附，以分离回收瓦斯燃烧产生的二氧化碳和捕捉空气中的二氧化碳。
步骤S106、对捕捉、收集的二氧化碳进行低温高压压缩处理，得到液态的二氧化碳，伴随气态混合成超临界二氧化碳。
本步骤中，所述对捕捉、收集的二氧化碳进行低温高压压缩处理，得到液态的二氧化碳，伴随气态混合成超临界二氧化碳的过程中，使用的电力由所抽采瓦斯燃烧发电提供，不额外消耗外界能源。
步骤S107、利用无缝钢管将超临界二氧化碳通过所述钻孔注入到煤层里面，使其充满整个煤层。
本步骤中，所述无缝钢管表面带有防酸腐蚀涂层；
所述注入过程与外界空气相隔离，避免存在漏气通道。
步骤S108、撤出无缝钢管，对所述钻孔进行永久封孔，上述全过程处于封闭状态。
本发明实施例中，通过单一钻孔以孔代井的方式抽采瓦斯，实现对深部难采煤层区域碳资源的高效利用与二次封存，达到了节约成本的效果，将抽采的瓦斯进行全密闭燃烧发电，产生的电力可以提供为封存二氧化碳用到的制冷机组所需动力，实现低碳节能的目的。结合煤层对二氧化碳吸附性远大于甲烷的特点，以煤吸附的形式封存二氧化碳，达到了安全、减排、环保的效果。
以下结合图2和图3，对本发明实施例提供的深部难采煤层碳资源高效利用与二次封存方法进行更加详细的阐述。该方法的具体执行流程如图2所示，包括以下步骤：
使用钻机由地面向所选难开采煤层1打垂向长钻孔2，该垂向长钻孔穿过煤层顶部岩层3进入难开采煤层1；
通过垂向长钻孔2对难开采煤层1进行取样，取样点分布在难开采煤层的顶部、中部和下部；
对获得的煤样进行化验测试，分别测试其透气性、瓦斯含量以及对二氧化碳和瓦斯吸附性的差异性，以此来确定此次所布置的垂向长钻孔2的位置是否合理，如果不合理，则封闭此处的垂向长钻孔2，如果位置合理，在此位置的基础上确定水平钻孔4的长度和下一处垂向长钻孔的位置及与此垂向长钻孔2的间距；
利用垂向长钻孔2抽采难开采煤层1的瓦斯，直到瓦斯浓度不再降低或者不再有瓦斯抽出为止；
在地面建设瓦斯发电与碳封存厂房5，将从难开采煤层1中所抽采的瓦斯进行燃烧发电，所产生的能量为抽采过程和后续注液过程提供动力；
在对瓦斯发电与碳封存厂房5内对瓦斯燃烧产生的二氧化碳进行捕捉、收集，利用开关阀门6控制瓦斯燃烧的速率；
在对瓦斯发电与碳封存厂房5内对捕捉、采集的二氧化碳进行低温高压压缩处理，得到液态的二氧化碳，伴随气态混合成超临界二氧化碳；
将超临界二氧化碳利用无缝钢管通过垂向长钻孔2注入到所述难开采煤层1里面，使其充满整个煤层；
撤回注液管，对垂向长钻孔2进行永久封孔，上述全过程处于封闭状态。
综上所述，本发明具有以下优点：1)将地球深部煤层碳资源(煤层气)从开发、利用到封存，全程与外界隔离，在实现深部难采碳资源充分利用的同时避免二氧化碳的排放；2)利用以孔代经的方式抽采煤层瓦斯，在保障高抽采率的同时，很大程度上节约了成本；3)采用煤吸附的形式封存二氧化碳，这种方式封存二氧化碳是稳定的，安全性和稳定性较高；4)封存二氧化碳用到的制冷机组所需电力以及其他的能量都由所抽瓦斯燃烧发电提供，不额外消耗外界能源，此外，瓦斯发电量还可以供外界使用，节能，高效。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

Claims (8)

1.一种深部难采煤层碳资源高效利用与二次封存方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S101、由地面向难开采煤层打深钻孔，作为煤层与地面的连通通道，同时对煤层进行取样；
步骤S102、测试取样样品的透气性、瓦斯含量以及对二氧化碳和瓦斯吸附性的差异性，确定地面钻孔的位置、钻孔间距与钻孔深度；
步骤S103、采用所述钻孔抽采所测试煤层的瓦斯；
步骤S104、在地面建设瓦斯发电站与碳封存厂房，将所抽采的瓦斯进行燃烧发电，所产生的能量为抽采过程和注液过程提供动力；
步骤S105、对瓦斯燃烧产生的二氧化碳进行捕捉、收集；
步骤S106、对捕捉、收集的二氧化碳进行低温高压压缩处理，得到液态的二氧化碳，伴随气态混合成超临界二氧化碳；
步骤S107、利用无缝钢管将超临界二氧化碳通过所述钻孔注入到煤层里面，使其充满整个煤层；
步骤S108、撤出无缝钢管，对所述钻孔进行永久封孔，上述全过程处于封闭状态。
2.根据权利要求1所述的深部难采煤层碳资源高效利用与二次封存方法，其特征在于，步骤S101中，所述由地面向难开采煤层打深钻孔，作为煤层与地面的连通通道，同时对煤层进行取样，包括：
选取的煤层为埋深大于第一预设值、瓦斯含量大于第二预设值、厚度均匀的煤层，且所述煤层周围不存在大型构造断层；
所述钻孔由垂向钻孔与水平钻孔构成，所述垂向钻孔用于取样、瓦斯抽采和二氧化碳注入，所述水平钻孔用于瓦斯抽采和二氧化碳注入。
3.根据权利要求1所述的深部难采煤层碳资源高效利用与二次封存方法，其特征在于，步骤S102中，所述测试取样样品的透气性、瓦斯含量以及对二氧化碳和瓦斯吸附性的差异性，确定地面钻孔的位置、钻孔间距与钻孔深度，包括：
对各取样样品的透气性、瓦斯含量以及对二氧化碳和瓦斯的吸附性参数进行逐一测定，根据测试结果选择适合的煤层，并计算相应的抽采半径，确定钻孔位置、钻孔间距与钻孔深度。
4.根据权利要求1所述的深部难采煤层碳资源高效利用与二次封存方法，其特征在于，步骤S103中，所述采用所述钻孔抽采所测试煤层的瓦斯，包括：
所述钻孔由定向钻机完成，能够实现钻孔进入煤层后向煤层布置多个水平钻孔；所述水平钻孔间距由前期物性测试结果确定；
抽采过程中，应保证注气过程与外界空气相隔离，避免存在漏气通道；瓦斯抽采至浓度不再降低或者不再有瓦斯抽出为止。
5.根据权利要求1所述的深部难采煤层碳资源高效利用与二次封存方法，其特征在于，步骤S104中，所述在地面建设瓦斯发电站与碳封存厂房，将所抽采的瓦斯进行燃烧发电，所产生的能量为抽采过程和注液过程提供动力，包括：
所述瓦斯进行燃烧发电以及产生的能量为抽采过程和注液过程提供动力的全程与外界相隔离，处于全密闭的状态，确保煤层碳资源的充分利用以及隔离碳排放。
6.根据权利要求1所述的深部难采煤层碳资源高效利用与二次封存方法，其特征在于，步骤S105中，所述对瓦斯燃烧产生的二氧化碳进行捕捉、收集，包括：
采用固态吸附剂对瓦斯燃烧发电过程产生的二氧化碳进行可逆吸附，以分离回收瓦斯燃烧产生的二氧化碳和捕捉空气中的二氧化碳；所述固态吸附剂采用活性炭、活性氧化铝或硅胶中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的深部难采煤层碳资源高效利用与二次封存方法，其特征在于，步骤S106中，所述对捕捉、收集的二氧化碳进行低温高压压缩处理，得到液态的二氧化碳，伴随气态混合成超临界二氧化碳的过程中，使用的电力由所抽采瓦斯燃烧发电提供，不额外消耗外界能源。
8.根据权利要求1所述的深部难采煤层碳资源高效利用与二次封存方法，其特征在于，步骤S107中，所述利用无缝钢管将超临界二氧化碳通过所述钻孔注入到煤层里面，使其充满整个煤层，包括：
所述无缝钢管表面带有防酸腐蚀涂层；
所述注入过程与外界空气相隔离，避免存在漏气通道。
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