CN114876438B - 一种充填式煤原位制氢的煤炭开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种充填式煤原位制氢的煤炭开采方法，属于煤炭开采领域。步骤如下：步骤1：将U型井A井、B井、C井设置在煤层中，所述A井包括a1直井、a2直井和a3水平井，所述B井包括b1直井、b2直井和b3水平井，所述C井包括c1直井、c2直井和c3水平井；步骤2：从b1直井注入水，在b3水平井中进行水力压裂，煤层压裂的裂缝将b3水平井与a3水平井和c3水平井连通，连通的煤层在a3水平井和c3水平井之间形成开采工作面；步骤3：从a1直井、b1直井、c1直井注入过热水蒸气对煤层进行加热；步骤4：从a1直井、b1直井、c1直井注入O2对煤层氧化加热等步骤完成；本发明解决了经济成本高、气化后煤层亏空形成的采空区无法处理、煤炭原位制氢效率低等技术问题。
Description
技术领域
本发明属于煤炭开采领域，具体涉及一种充填式煤原位制氢的煤炭开采方法。
背景技术
为实现煤炭清洁利用，减少煤炭使用过程中的二氧化碳排放，发明了煤炭原位制氢的煤转化技术。该技术是通过对地下煤层通过有控制的燃烧，间隔性注入水和氧气，使煤在热作用和化学作用下转化为氢气和二氧化碳。二氧化碳被集中处置(利用或封存)，氢气作为清洁能源使用。该技术可用于开采难度大或者经济性、安全性较差的薄煤层、深部煤层和高瓦斯煤层，还可用于回收常规矿井遗弃的煤炭资源等，具有较好的经济效益和环境效益，极大提高了煤炭资源的利用率和绿色开采水平。
中国专利CN112081558A公开了一种煤炭地下气化与煤层气的协同开采方法、结构及构造方法，该专利通过设置由一口直井和一口或多口多重分支水平井组成的多重U型井作为开采结构，通过对下部煤层进行地下气化、实现煤炭绿色化开采。但是该技术和相关公知技术目前存在以下几点缺点：一方面，煤层布置钻井较多，结构复杂，地下气化技术经济成本较高；另一方面，煤燃烧转化为可燃性气体后，会造成煤层亏空，形成采空区，造成上覆岩层稳定性问题，易形成塌陷。还有一方面，上覆岩层塌陷破坏影响煤炭地下气化反应区域，降低气化效率，当塌陷破坏发育影响含水层时，还会造成地下水体污染等环境问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种充填式煤原位制氢的煤炭开采方法，解决现有开采方法的经济成本高、气化后煤层亏空形成的采空区无法处理、煤炭原位制氢效率低等技术问题。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现的：
一种充填式煤原位制氢的煤炭开采方法，具体开采步骤如下：
步骤1：将U型井A井、B井、C井设置在煤层中，所述A井包括a1直井、a2直井和a3水平井，所述B井包括b1直井、b2直井和b3水平井，所述C井包括c1直井、c2直井和c3水平井；
步骤2：从b1直井注入水，在b3水平井中进行水力压裂，煤层压裂的裂缝将b3水平井与a3水平井和c3水平井连通，连通的煤层在a3水平井和c3水平井之间形成开采工作面；
步骤3：从a1直井、b1直井、c1直井注入过热水蒸气对煤层进行加热，当煤层温度大于可氧化的阈值温度时，停止注热；
步骤4：从a1直井、b1直井、c1直井注入O2对煤层氧化加热，当温度大于800℃时，切换为从a1直井、b1直井、c1直井注入H2O，煤与H2O反应产生的H2和CO2从煤层压裂裂缝进入a3水平井、c3水平井，然后从a2直井、c2直井采出；当煤层温度降低至可氧化的阈值温度时，再次从a1直井、b1直井、c1直井注入O2对煤层进行氧化加热，如此交替循环；所属的煤层可氧化的阈值温度不得低于374℃，反应区水及气体的压力不低于22.1Mpa；
步骤5：当采空区的走向长度等于采空区的最小垮塌长度时，从b2直井注入充填流体，经b3水平井输送至煤层采空区进行充填支护，当注入充填流体的体积达到目标值时，停止注入；
步骤6：循环步骤4和步骤5，直至开采工作面煤层全部被转化采出。
进一步的，所述步骤1中U型井A井、B井、C井均具有相同的宽度和深度、且相互平行和相互对齐；所述U型井的宽度为1000～2000m，深度为1～10m，相邻井之间距离为100m-300m。
进一步的，所述步骤5中充填流体由粘土、粉煤灰、煤矸石等材料制得，且充填流体的平均粒度大于煤层压裂裂缝的平均宽度。
进一步的，所述步骤5中采空区的走向长度和采空区的最小垮塌长度是根据煤层厚度、煤层埋藏深度、煤层顶板抗拉强度、煤层上覆岩层的平均容重、以及产气量的测试数据确定。
进一步的，所述步骤5中注入充填流体体积的目标值是根据产气量确定的；所述充填流体的注入方向与氧气、水的注入方向，以及氢气、二氧化碳的采出方向相反；所述充填流体的注入压力大于煤层反应产生气体的压力。
所述步骤5中注入充填流体在高温长时7天以上作用下固结为多孔隙的固体充填物；注入的水及氧气可以在多孔隙固体充填物随意流动，多孔隙固体充填物对上覆岩层起到永久支撑作用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)、本发明设置相互平行的U型井作为注入井和生产井，钻井布置合理简单，利用效率高，可实现煤原位制氢的高效绿色开发。
(2)、本发明在煤原位制氢的同时，实现了对煤层采空区的同步充填，消除了地层或地面塌陷的风险，保障了煤原位制氢工作的连续性，提高了采出率。
(3)、本发明通过实时监测煤层温度、产出气体的速率及有效成分浓度等数据，可确定O2和H2O的切换注入时间，可确定充填流体的注入量、注入速率等指标，实现了充填式煤原位制氢煤炭开采技术的可导可控。
附图说明
附图1是煤层中水力压裂技术连通水平井的示意图；
附图2是煤层中注入过热蒸汽(或者水)、氧气的示意图；
附图3是煤层注入充填流体填充采空区，采出H2和CO2的示意图。
具体实施方式
为更好的理解本发明所述的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但是本发明的实施方式不局限于此，本发明要求保护的范围也不局限于实施例表示的范围。
如图1-3所示，在一个厚度为10m，埋藏深度为1200m的近水平的单一煤层中，一种充填式煤原位制氢的煤炭开采方法，具体步骤如下：
步骤1：根据地质测试结果，确定三组U型井A井、B井、C井设置在煤层中的宽度为1500m，厚度为5m，相邻井之间距离为200m；所述U型井A井、B井、C井深度基本相同、且相互平行和相互对齐；所述A井包括a1直井1、a2直井2和a3水平井3，所述B井包括b1直井4、b2直井5和b3水平井6，所述C井包括c1直井7、c2直井8和c3水平井9。
步骤2：从b1直井4注入水，在b3水平井6中进行水力压裂，所述水力压裂的压力大于煤层的垂向地应力与煤层的抗拉强度之和；煤层压裂的裂缝将b3水平井6与a3水平井3和c3水平井9连通，连通的煤层在a3水平井3和c3水平井9之间形成开采工作面。
步骤3：从a1直井1、b1直井4、c1直井7注入过热水蒸气对煤层进行加热，当煤层温度大于可氧化的阈值温度时，停止注热。
步骤4：从a1直井1、b1直井4、c1直井7注入O2对煤层氧化加热，当温度大于800℃时，切换为从a1直井1、b1直井4、c1直井7注入H2O，煤与H2O反应产生的H2和CO2从煤层压裂裂缝进入a3水平井3、c3水平井9，然后从a2直井2、c2直井8采出；当煤层温度降低至可氧化的阈值温度时，再次从a1直井1、b1直井4、c1直井7注入O2对煤层进行氧化加热，如此交替循环。
步骤5：根据煤层厚度、煤层埋藏深度、煤层顶板抗拉强度、煤层上覆岩层的平均容重、以及产气量的测试数据确定空区大小，当采空区的走向长度等于采空区的最小垮塌长度时，从b2直井5注入充填流体，经b3水平井6输送至煤层采空区10进行充填支护，当注入充填流体的体积达到目标值时，停止注入；所述充填流体由粘土、粉煤灰、煤矸石等材料制得，且充填流体的平均粒度大于煤层压裂裂缝的平均宽度，确保渗入裂缝不会堵塞反应产生气体的渗流通道；所述注入充填流体的体积是根据产气量确定；所述充填流体的注入方向与氧气、水的注入方向，以及氢气、二氧化碳的采出方向相反；所述充填流体的注入压力大于煤层反应产生气体的压力，防止反应后产生的气体阻碍充填流体注入。
步骤6：循环步骤4和步骤5，直至开采工作面煤层全部被转化采出。
所述充填流体注入煤层采空区后，在高温环境下缓慢固化，形成一种既具有渗透性也具有一定强度的多孔结构物质，该物质对水和氧气的流动不会形成阻碍；充填流体固化过程中析出的水也参与到煤和水的化学反应中。
Claims (6)
1.一种充填式煤原位制氢的煤炭开采方法，其特征在于，具体开采步骤如下：
步骤1：将U型井A井、B井、C井设置在煤层中，所述A井包括a1直井（1）、a2直井（2）和a3水平井（3），所述B井包括b1直井（4）、b2直井（5）和b3水平井（6），所述C井包括c1直井（7）、c2直井（8）和c3水平井（9）；
步骤2：从b1直井（4）注入水，在b3水平井（6）中进行水力压裂，煤层压裂的裂缝将b3水平井（6）与a3水平井（3）和c3水平井（9）连通，连通的煤层在a3水平井（3）和c3水平井（9）之间形成开采工作面；
步骤3：从a1直井（1）、b1直井（4）、c1直井（7）注入过热水蒸气对煤层进行加热，当煤层温度大于可氧化的阈值温度时，停止注热；
步骤4：从a1直井（1）、b1直井（4）、c1直井（7）注入O2对煤层氧化加热，当温度大于800℃时，切换为从a1直井（1）、b1直井（4）、c1直井（7）注入H2O，煤与H2O反应产生的H2和CO2从煤层压裂裂缝进入a3水平井（3）、c3水平井（9），然后从a2直井（2）、c2直井（8）采出；当煤层温度降低至可氧化的阈值温度时，再次从a1直井（1）、b1直井（4）、c1直井（7）注入O2对煤层进行氧化加热，如此交替循环；所属的煤层可氧化的阈值温度不得低于374℃，反应区水及气体的压力不低于22.1Mpa；
步骤5：当采空区的走向长度等于采空区的最小垮塌长度时，从b2直井（5）注入充填流体，经b3水平井（6）输送至煤层采空区（10）进行充填支护，当注入充填流体的体积达到目标值时，停止注入；
步骤6：循环步骤4和步骤5，直至开采工作面煤层全部被转化采出。
2.根据权利要求1所述一种充填式煤原位制氢的煤炭开采方法，其特征在于，所述步骤1中U型井A井、B井、C井深度基本相同、且相互平行和相互对齐；所述U型井的宽度为1000~2000m，深度为1~10m，相邻井之间距离为100m-300m。
3.根据权利要求1所述一种充填式煤原位制氢的煤炭开采方法，其特征在于，所述步骤5中充填流体由粘土、粉煤灰、煤矸石材料制得，且充填流体的平均粒度大于煤层压裂裂缝的平均宽度。
4.根据权利要求1所述一种充填式煤原位制氢的煤炭开采方法，其特征在于，所述步骤5中采空区的走向长度和采空区的最小垮塌长度是根据煤层厚度、煤层埋藏深度、煤层顶板抗拉强度、煤层上覆岩层的平均容重、以及产气量的测试数据确定。
5.根据权利要求1所述一种充填式煤原位制氢的煤炭开采方法，其特征在于，所述步骤5中注入充填流体体积的目标值是根据产气量确定的；所述充填流体的注入方向与氧气、水的注入方向，以及氢气、二氧化碳的采出方向相反；所述充填流体的注入压力大于煤层反应产生气体的压力。
6.根据权利要求1所述一种充填式煤原位制氢的煤炭开采方法，其特征在于，所述步骤5中注入充填流体在高温7天以上作用下固结为多孔隙的固体充填物；注入的水及氧气可以在多孔隙固体充填物随意流动，多孔隙固体充填物对上覆岩层起到永久支撑作用。
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