CN114439453A - 一种原煤原位气化制氢采氢井网和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原煤原位气化制氢采氢井网和方法。所述井网包括冷凝水回采井、注空气井、注蒸汽井和生产井；所述冷凝水回采井为“勺型”水平井，其水平段的末端高于跟端；所述冷凝水回采井的水平段位于煤层下部，且海拔深度低于注空气井、注蒸汽井和生产井的井底。该井网可以实现中浅层、中层、中深层和深层的中煤阶煤、高煤阶煤原地原位反应生成氢气并采出。该井网同时适用于直井、水平井和定向井等不同井型及其组合，是煤炭资源以洁净生产方法生产清洁能源的重要技术。
Description
技术领域
本发明涉及原煤清洁利用领域，具体涉及一种原煤原位气化制氢采氢井网和方法。
背景技术
世界煤炭探明剩余可采储量9091亿吨(2006年)，按照目前生产水平，可供开采147年。国际能源署(IEA)认为，在2030年之前，世界能源的使用将保持增长，但是煤炭需求的比例将不断下降。中国年煤炭产量从2005年的23.5亿吨增加到2010年的32.4亿吨。2010年煤炭在我国一次能源的生产比重高达76.8％，消费比重占70.9％。与此同时，我国煤炭资源浪费十分惊人，国有大型煤矿矿井回采率平均仅有45％，乡镇和个体小型煤矿平均回采率只有15-20％。
作为原位制氢采氢的目标层——埋深1000米及以下的煤层，目前主要用于生产煤层气。煤层气资源量30.05×1012m3，可采资源量12.5×1012m3。与全球煤层气开发最早、产量最高的美国相比，中国煤层气资源量排名居前，但是产量远远低于美国。中国煤层气历经20多年勘探开发，现已建成沁水盆地、鄂尔多斯盆地东缘等煤层气生产基地。煤层气探明地质储量从2010年的2863.36×108m3迅速增加到2016年的6859×108m3，探明储量年递增23.26％，但是储量探明率仍不足3％。2016年产煤层气168.51×108m3，平均采气速度2.46％，其中地面开发44.96×108m3，井下抽采123.58×108m3，总产量较2015年下降3.49×108m3。2019年煤层气下降到60×108m3。目前，我国高阶煤分布主要在沁水盆地柿庄南区块和樊庄-郑庄区块，中低阶煤分布在宝德区块、柳林区块和韩城区块。
发展煤炭原位制氢采氢，对于进一步有效利用中深层、深层煤炭资源，推动煤炭资源型城市社会技术进步，降低煤炭工业及相关工业全产业周期、生命周期成本，减少污染，提高经济增长的质量和效益具有重要意义。也有助于增加中国能源的自给能力，氢气是一种清洁能源，燃烧不会产生温室效应，未来具有巨大市场需求。原煤原位制氢采氢是洁净生产技术生产清洁能源的重要方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原煤原位气化制氢采氢井网和方法，以解决煤层火烧积水、水淹，纵向燃烧波及系数低、煤炭资源利用率低、粗煤气和氢气采收率低等问题，能够实现原位制氢采氢连续性和规模化，增加了注采井生产时率和设备利用率，提高了经济效益。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种原煤原位气化制氢采氢井网，该井网包括冷凝水回采井、注空气井、注蒸汽井和生产井；所述冷凝水回采井为“勺型”水平井，其水平段的末端高于跟端；所述冷凝水回采井的水平段位于煤层下部，且海拔深度低于注空气井、注蒸汽井和生产井的井底。
所述“所述冷凝水回采井位于煤层下部”，优选为距煤层底部1m–2m范围内。
本发明的原煤原位气化制氢采氢井网中，所述注空气井用以向煤层注入空气以使煤层升温，另一口注蒸汽井也同时相向注蒸汽，共同提高煤层温度，直到点火温度，通过电点火或者化学点火，使煤层燃烧并与水汽反应。如果采用同井注入空气和蒸汽，则首先注入空气(富氧空气)，点火燃烧后，立即注入高温蒸汽，将火线推离井筒，并发生水与煤炭反应，产生含有氢气的混合气；所述生产井位于煤层上部1m左右，用以回采所述混合气；所述冷凝水回采井用以将未反应的冷凝水和/或煤层游离水采出，以避免或者减少煤层纵向水淹，提高煤层火烧纵向波及系数，提高煤炭利用率和原位制氢采收率。
冷凝水回采井采用水平井具有较大煤层接触，有利于泄水。当然也可以采用直井(点汇)、鱼骨井(提高成本，分支完井困难，无支撑则很快垮塌、失效)，本发明综合研究后还是以水平井为优。并且本发明设计冷凝水回采井为“勺型”水平井，水平段的B段(末端)略高于A段(跟端)，以利于冷凝水克服井筒摩擦阻力(有煤泥的井筒中水流动的摩擦阻力较大)，流动到井底采出。冷凝水回采井的水平井段长度一般为200m-500m，依据井距和煤层分布范围确定。
室内实验和矿场试验都已证明，煤炭在高温水蒸气作用下，可以化学反应生成氢气和一氧化碳，以实现制氢的目的。化学反应方程式为：
C+H2O(水蒸汽)＝H2↑+CO↑
根据本发明的原煤原位气化制氢采氢井网，优选的，所述注空气井、注蒸汽井和生产井独立地为水平井、直井或定向井。
根据本发明的原煤原位气化制氢采氢井网，优选的，所述注空气井、注蒸汽井和生产井为直井。
根据本发明的原煤原位气化制氢采氢井网，优选的，为降低和减少煤泥、煤粉进入井筒，回采井水平段井筒将根据高阶煤、中阶煤、低阶煤不同煤质情况分别采用套管射孔完井、割缝筛管完井、砾石充填完井或者它们的组合。
根据本发明的原煤原位气化制氢采氢井网，优选的，所述冷凝水回采井、注空气井、注蒸汽井和生产井平面上根据煤层分布采用正方形或三角形面积井网或线状井网，垂向上根据煤层厚度不同，采用同海拔等深井网或纵叠平错立体井网。
根据本发明的原煤原位气化制氢采氢井网，所述注空气井、注蒸汽井和生产井可以为同一口井，即可以三井合一，首先注入空气，点火之后再注入高温水蒸汽，最后回采产出含有氢气的混合气体。三井合一时，可以为水平井、直井或定向井。但是三井合一不适合于连续生产。注气、注汽合一(即注空气井和注蒸汽井为同一口井)，另一口井采气，才能连续生产。优选所述注空气井和注蒸汽井为同一口井。冷凝水回采对连续制氢，提高煤炭利用率和蒸汽热量利用率有直接和较大影响。
第二方面，本发明提供一种原煤原位气化制氢采氢方法，该方法使用以上原煤原位气化制氢采氢井网进行。
根据本发明的原煤原位气化制氢采氢方法，优选的，该方法包括以下步骤：
通过所述注空气井向煤层注入空气，同时，通过所述同井组另外一口注蒸汽井相向注入高温水蒸汽，共同提高煤层温度，直到点火温度，通过电点火或者化学点火使煤层燃烧并与水蒸汽反应，产生含有氢气的混合气，通过所述生产井采出所述混合气体；
点火燃烧后，通过所述冷凝水回采井将未反应的高温水蒸汽冷凝形成的冷凝水和/或煤层游离水采出。为避免降压、泄气，冷凝水采出时间略晚于点火时间。
根据本发明的原煤原位气化制氢采氢方法，优选的，当所述注空气井、注蒸汽井为同一口井时，所述方法包括以下步骤：
首先注入空气，点火燃烧后，立即注入高温水蒸汽，将火线推离井筒，并发生水与煤炭反应，产生含有氢气的混合气体，通过所述生产井采出所述混合气体；
点火燃烧后，通过所述冷凝水回采井将未反应的高温水蒸汽冷凝形成的冷凝水和/或煤层游离水采出。
在一个优选方案中，具体地以撬装或固定井组通过压缩机大排量向煤层注入空气。注蒸汽井通过水雾化喷嘴向煤层注入高温雾化水蒸汽。
冷凝水主要由煤本身含水，煤层内渗水，反应剩余蒸汽冷凝水等组成，杂质很多，按照化学性质可将其分为有机物质、无机物质、溶解性气体3类，必须处理后才可以回注，或者经过深度处理后才可外排。优选的，所述冷凝水回采井采出的水通过湿法除硫，除杂、排气后循环利用。
根据本发明的原煤原位气化制氢采氢方法，优选的，采用电点火或者化学点火方式进行点火。直井可以采用电点火方式，而水平注空气井一般采用化学点火方式。
根据本发明的原煤原位气化制氢采氢方法，优选的，采用化学点火方式进行点火时，在注入空气的步骤之前，还包括通过所述注空气井注入化学剂的步骤。
本发明的有益效果包括：
本发明的井网可以实现中浅层、中层、中深层和深层的中煤阶煤、高煤阶煤原地原位反应生成氢气并采出。该井网同时适用于直井、水平井和定向井等不同井型及其组合，是煤炭资源以洁净生产方法生产清洁能源的重要技术。
本发明的井网包括注空气井、注蒸汽井、生产井、“勺型”水平段冷凝水回采井，可以实现原煤原位连续制氢，根据模型计算，提高原煤利用率30％，提高氢采收率15-20％。
本发明的井网适用井型包括直井、定向井和水平井，可以根据煤层已有井型合理利用，适合于煤田和油气田已开发区块综合利用，可以最大限度盘活油井、气井和水井资源，有效利用已有天然气管网，节省钻井和管网建设投资，增加经济效益。
附图说明
图1为本发明一个优选实施例中的原煤原位气化制氢采氢井网示意图。
图2为本发明另一个优选实施例中的原煤原位气化制氢采氢井网示意图。
图3为本发明再一个优选实施例中的原煤原位气化制氢采氢井网示意图。
附图标记说明：
1-注空气井；
2-生产井；
3-注蒸汽井；
4-冷凝水回采井；
5-空气腔；
6-蒸汽腔；
7-注采井。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明提供一种原煤原位气化制氢采氢井网，该井网包括冷凝水回采井、注空气井、注蒸汽井和生产井；所述冷凝水回采井优选为“勺形”水平井，即水平段的末端略高于跟端，水平段位于距煤层底部1m-2m范围内，海拔深度低于注空气井、注蒸汽井和生产井的井底，水平段长度一般为200m-500m，依据井距和煤层分布范围确定。
所述注空气井用以向煤层注入空气(富氧空气)以使煤层升温，另一口注蒸汽井也同时相向注蒸汽，共同提高煤层温度，直到点火温度，通过电点火或者化学点火，使煤层燃烧并与水汽反应。如果采用同井注入空气和蒸汽，则首先注入空气(富氧空气)，点火燃烧后，立即注入高温蒸汽，将火线推离井筒，并发生水与煤炭反应，产生含有氢气的混合气；所述生产井射孔井段位于煤层上部1m左右，用以回采所述混合气；所述冷凝水回采井用以将未反应的冷凝水和/或煤层游离水采出，以避免或者减少煤层纵向水淹，提高煤层火烧纵向波及系数，提高煤炭利用率和原位制氢采收率。
该井网中的注空气井、注蒸汽井和生产井均可以独立的为直井、水平井或定向井，也可以三个井合用一个井，即首先注入空气，点火之后注入高温水蒸汽，最后回采产出含有氢气的混合气体。优选注空气井和注蒸汽井二合一，另一口井采气，可以连续生产。
在一优选实施例中，如图1所示，原煤原位气化制氢采氢井网包括注空气井1、注蒸汽井3、生产井2和冷凝水回采井4。其中注空气井1、注蒸汽井3和生产井2均为直井，生产井2位于煤层上部，冷凝水回采井4为“勺形”水平井，即水平段的B端略高于A端，其水平段位于煤层下部，且海拔深度低于注空气井、注蒸汽井和生产井的井底。
在具体使用该井网进行制氢采氢时包括以下过程：
1)注空气井1大排量向煤层注入空气，同时注蒸汽井3相向注入高温水蒸汽，共同提高煤层温度，直至点火温度，通过电点火或者化学点火方式(预先通过注空气井注入化学剂)点火，使煤层燃烧并与水蒸汽反应，产生氢气等混合气体。
位于煤层上部的生产井2(直井可通过投球开启上段射孔层段实现)开井生产，将反应产生的氢气等混合气体采出。图中5和6为制氢采氢过程中形成的空气腔和蒸汽腔。
点火燃烧后，通过冷凝水回采井4将未反应的冷凝水和/或煤层游离水采出。采出水通过湿法除硫，除杂、排气后可循环利用。
在另一优选实施例中，如图2所示，原煤原位气化制氢采氢井网包括注空气井1、注蒸汽井3、生产井2和冷凝水回采井4。其中注空气井1、注蒸汽井3、生产井2和冷凝水回采井4，均为水平井，生产井2的水平段位于煤层上部，冷凝水回采井4具体为“勺形”水平井，即水平段的B端略高于A端，其水平段位于煤层下部，且海拔深度低于注空气井、注蒸汽井和生产井的井底。
在再一优选实施例中，如图3所示，原煤原位气化制氢采氢井网包括注采井7(注空气井、注蒸汽井和生产井三合一)和冷凝水回采井4。
注采井7和冷凝水回采井4均为水平井，冷凝水回采井4具体为“勺形”水平井，即水平段的B端略高于A端，其水平段位于煤层下部，且海拔深度低于注空气井、注蒸汽井和生产井的井底。
此实施例中，进行制氢采氢时，首先通过注采井7注入空气，点火之后再注入高温水蒸汽，最后回采产出含有氢气的混合气体。
点火燃烧后，通过冷凝水回采井4将未反应的冷凝水和/或煤层游离水采出。采出水通过湿法除硫，除杂、排气后可循环利用。
三井合一时，生产不能连续进行，需要形成那个周期性。
此外，还可以注空气井、注蒸汽井为同一口井时，进行制氢采氢时，此时相较于三井合一则可以连续生产，具体包括以下步骤：
首先注入空气，点火燃烧后，立即注入高温水蒸汽，将火线推离井筒，并发生水与煤炭反应，产生含有氢气的混合气体，通过所述生产井采出所述混合气体。
点火燃烧后，通过所述冷凝水回采井将未反应的高温水蒸汽冷凝形成的冷凝水和/或煤层游离水采出。
模型计算：
模型尺寸设计为X×Y×Z＝300m×300m×30m，采用图1的井网。煤层含水率按照3个煤样的物模实验确定。根据取芯和实验分析，煤阶相同时，煤层含水量随着温度升高而降低，原位制氢的目的煤层多为深部煤层，其含水率低于浅部煤层，模型计算中平均游离水(可动水)含量为2.1％。在煤层原位制氢生产开始后，随着煤层压力变化，煤层平衡水中的游离水(可动水)受重力作用向下部聚集，在没有底水排采，或者底水排采井未设计为“勺型”井，导致排采效率较低的情况下，煤层游离水下渗最大水淹高度占煤层总厚度30.2％。
纯煤层原位制氢采氢过程中，底水的另外一个主要来源是注入蒸汽伴随的液体水(冷凝水)。在井底水蒸汽干度达到50％，不考虑汽化潜热的理想条件下，10％储量的煤炭完全燃烧放出的热量(按照标煤7000千卡/kg热值计算)能够提供占储量26.7％的煤炭与水蒸汽反应生成最多17.3万吨氢气和242.8万吨一氧化碳，同时消耗掉156.1万吨水蒸汽，伴随的冷凝水占煤层体积64.2％，将完全淹没煤层。因此可靠、高效的“勺型”水平底水排采井是原位制氢采氢技术的关键之一。
由于密度差异，富氧空气趋于超覆煤层顶部，在煤层上部、空气端首先燃烧，相近煤层与水蒸汽发生反应，10％煤层燃烧，26.7％煤层反应，53.3％煤层有待排水后继续燃烧和反应。考虑“勺型”井“水平段”高差、离开煤底距离和井筒安全，预计“勺型”水平排采井提高煤层利用率30％，对应的氢气采收率将提高15％-20％。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (12)
1.一种原煤原位气化制氢采氢井网，其特征在于，该井网包括冷凝水回采井、注空气井、注蒸汽井和生产井；
所述冷凝水回采井为“勺型”水平井，其水平段的末端高于跟端；
所述冷凝水回采井的水平段位于煤层下部，且海拔深度低于注空气井、注蒸汽井和生产井的井底。
2.根据权利要求1所述的原煤原位气化制氢采氢井网，其特征在于，所述注空气井、注蒸汽井和生产井独立地为水平井、直井或定向井。
3.根据权利要求1所述的原煤原位气化制氢采氢井网，其特征在于，所述注空气井、注蒸汽井和生产井为直井。
4.根据权利要求1所述的原煤原位气化制氢采氢井网，其特征在于，所述冷凝水回采井的水平段井筒根据高阶煤、中阶煤、低阶煤不同煤质情况分别采用套管射孔完井、割缝筛管完井、砾石充填完井或者它们的组合。
5.根据权利要求4所述的原煤原位气化制氢采氢井网，其特征在于，所述冷凝水回采井、注空气井、注蒸汽井和生产井平面上根据煤层分布采用正方形或三角形面积井网或线状井网，垂向上根据煤层厚度不同，采用同海拔等深井网或纵叠平错立体井网。
6.根据权利要求1-5任一项所述的原煤原位气化制氢采氢井网，其特征在于，所述注空气井、注蒸汽井为同一口井。
7.一种原煤原位气化制氢采氢方法，其特征在于，该方法使用权利要求1-6任一项所述的原煤原位气化制氢采氢井网进行。
8.根据权利要求7所述的原煤原位气化制氢采氢方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
通过所述注空气井向煤层注入空气；同时，通过所述注蒸汽井注入高温水蒸汽，共同提高煤层温度，直至点火温度，点火使煤层燃烧并与水蒸汽反应，产生含有氢气的混合气体，通过所述生产井采出所述混合气体；
点火燃烧后，通过所述冷凝水回采井将未反应的高温水蒸汽冷凝形成的冷凝水和/或煤层游离水采出。
9.根据权利要求8所述的原煤原位气化制氢采氢方法，其特征在于，当所述注空气井、注蒸汽井为同一口井时，所述方法包括以下步骤：
首先注入空气，点火燃烧后，立即注入高温水蒸汽，将火线推离井筒，并发生水与煤炭反应，产生含有氢气的混合气体，通过所述生产井采出所述混合气体；
点火燃烧后，通过所述冷凝水回采井将未反应的高温水蒸汽冷凝形成的冷凝水和/或煤层游离水采出。
10.根据权利要求8所述的原煤原位气化制氢采氢方法，其特征在于，所述冷凝水回采井采出的水通过湿法除硫，除杂、排气后循环利用。
11.根据权利要求8所述的原煤原位气化制氢采氢方法，其特征在于，采用电点火或者化学点火方式进行点火。
12.根据权利要求11所述的原煤原位气化制氢采氢方法，其特征在于，采用化学点火方式进行点火时，在注入空气的步骤之前，还包括通过所述注空气井注入化学剂的步骤。
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