CN115163019B - 一种高温蒸气压裂原位热解富油煤分采系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温蒸气压裂原位热解富油煤分采系统及方法，确定富油煤井工原位热解开采实施路径，建立高温高压蒸气制备站、热解油气收集与分离系统；自地面开掘开拓巷道，划分原位热解反应区，开掘热解采区平巷、高温蒸气注入井、垂直油气收集井，布设隔离层，煤层顶底板岩层注浆封闭；高温蒸气通过注入井、穿过隔离层进入煤层中裂隙网路，热流激发富油煤产生热解反应使其分解产生焦油和煤气；二次开采热解反应区形成的热解半焦。通过对富油煤井工原位分区、人工压裂，增加流体流动连续性，提高富油煤储层加热效率，减少热量损失；实现富油煤井工原位热解与低碳转化成油气资源，避免富油煤大规模地下开采和地面干馏过程，大幅度减少碳排放。

Description

一种高温蒸气压裂原位热解富油煤分采系统及方法

技术领域

本发明属于煤炭开采技术领域，涉及一种西部富油煤井工原位热解高效分采系统及方法。

背景技术

目前，减少二氧化碳的排放量，大力发展节能减排、能源安全稳定供应，推进能源供给结构调整，持续提高能源利用效率，推动低碳能源开发与利用，是人们一直以来追求的目标。

现有富油煤井工开采方式、地面燃烧发电、干馏转化工艺，在造成地表沉陷、地下水系统损伤、土壤退化、碳排放超标等生态环境问题的同时，也造成了煤基资源的巨大浪费。

富油煤是低温干馏所得焦油产率大于7％的一种煤炭，具有煤-油-气复合属性的煤炭资源。富油煤在隔绝空气条件下可通过中低温热解转化产生煤焦油、煤热解气以及可替代无烟煤和焦煤的热解半焦，实现富油煤从燃料向“燃料+原料”的转化。作为生产油、气和高附加值化学品的重要原料，富油煤在提高油气转化效率、降低经济成本方面具有更好优势。大规模发展以生产油气为主要产品的富油煤开发和高效转化，也是实现煤炭梯级高效利用、低碳循环发展的重要途径。

而对富油煤井实现富油煤储层开发和高效转化，提高富油煤储层加热效率，减少热量损失；实现富油煤井工原位热解与低碳转化成油气资源，减少碳排放，是目前本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种系统简单、低碳环保的富油煤井工原位热解高效能分采方法，通过对富油煤井工原位分区、人工压裂，实现富油煤储层复杂裂隙网络构造，增加了流体流动连续性，提高了富油煤储层加热效率，减少了热量损失；通过高温高压热载蒸气注入，实现富油煤井工原位热解与低碳转化成油气资源，避免富油煤大规模地下开采和地面干馏过程，大幅度减少碳排放。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明一方面，提供了一种高温蒸气压裂原位热解富油煤分采系统，包括：

高温蒸气加热注入系统，用于将高温蒸气通入煤层中裂隙网络，热流激发富油煤分解产生焦油和煤气；

热解油气收集与分离系统，用于将分解产生焦油和煤气收集与分离处理；

开拓巷道布置系统，用于部署巷道，沿煤层走向划分原位热解反应区，开掘热解采区平巷、高温蒸气注入井、油气收集井；布设隔离层，对煤层的顶板和底板岩层进行注浆封闭；

富油煤水平井压裂系统，用于在原位热解反应区煤层中实施水力压裂形成分层裂隙网络，便于高温蒸气通过；

热解半焦综合机械化开采系统；用于将原位热解反应区形成的热解半焦进行开采；

所述高温蒸气加热注入系统和热解油气收集与分离系统位于井上，开拓巷道布置系统、富油煤水平井压裂系统和热解半焦综合机械化开采系统位于井下，井上系统与井下系统连通，实现在隔绝空气条件下富油煤油气、热解半焦的中低温分采。

作为优选，高温蒸气加热注入系统包括气体储存塔、高温加热炉、精密注入泵和高温蒸气注入井；气体储存塔依次连通高温加热炉和精密注入泵至高温蒸气注入井，高温蒸气注入井连通至原位热解反应区。

作为优选，热解油气收集与分离系统包括冷却塔、油气分离器和油气储存塔；油气储存塔依次连通油气分离器和冷却塔至油气收集井，油气收集井连通至原位热解反应区。

作为优选，开拓巷道布置系统包括主井、副井、井底车场、运输大巷、运输上山通道、轨道上山通道、采区中部车场、区段运输平巷和开切眼；主井和副井分别连通井底车场，井底车场分别连通运输上山通道、轨道上山通道和运输大巷，运输上山通道和轨道上山通道分别连通采区中部车场，采区中部车场连通原位热解反应区。

作为优选，原位热解反应区包括隔离层、边界煤柱、走向钻孔、采区平巷和水平井压裂钻孔；采区平巷内原位热解反应区划分为若干个区域，各区域中分布有水平井压裂钻孔，水平井压裂钻孔与高温蒸气注入井连通；走向钻孔位于原位热解反应区中心，与油气收集井连通；采区平巷与区段大巷连通；隔离层和边界煤柱分布在原位热解反应区外围。

作为优选，在原位热解反应区上下采区平巷靠煤壁一侧与反应区煤层的顶板和底板处布置隔离层，顶板和底板岩层注浆封闭；隔离层使用双层石棉板，中部充填发泡混凝土。

作为优选，原位热解反应区自煤层边界留设边界煤柱，间隔布置一个原位热解反应区Ai，每个原位热解反应区内，间隔布置一个水平井压裂钻孔，在两侧热解采区平巷中沿煤层分别布置若干个压裂钻孔Bi和Ci。

作为优选，富油煤水平井压裂系统，布置于井底车场、运输大巷或采区平巷内，通过走向、水平钻孔和水力或高压蒸气分段压裂制隙在原位热解反应区形成分层传热主干通道和微通道网络。

作为优选，热解半焦综合机械化开采系统包括运输、通风和供电系统。

本发明另一方面，提供了一种所述原位热解富油煤分采系统的高温蒸气压裂方法，包括：

根据低阶富油煤物理化学结构及赋存特征，确定富油煤井工原位热解开采路径，在地面选址分别建立高温蒸气加热注入系统和热解油气收集与分离系统；

开掘井下开拓巷道布置系统，形成井下开拓巷道布局，将煤层划分为若干热解采区，沿煤层走向方向划分原位热解反应区，布置高温蒸气注入井连通原位热解反应区，油气收集井连通各水平井压裂钻孔；

在原位热解反应区布置隔离层，并对煤层岩层注浆封闭；

将富油煤水平井压裂系统布设于热解采区；穿过隔离层，沿煤层走向方向布置水平井压裂钻孔，在原位热解反应区煤层中实施水力压裂形成水平和垂直裂隙网络；

将氮气输送至煤层中水平井压裂钻孔内，在致裂形成的水平和垂直裂隙网络内与煤层接触进行原位热解；

富油煤热解产生的油气由负压抽采系统抽取进入地面热解油气收集与分离系统，进行加工、储存；

热解区形成的热解半焦经连续截割，输送至地面，实现热解半焦产物的井工综合机械化开采。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

1.本发明通过将高温高压蒸气直接引入富油煤层激发物理-化学反应，使其中有机质热解析出，实现富油煤在隔绝空气条件下通过中低温热解生成煤焦油、热解气资源以及可替代无烟煤和焦煤的热解半焦；同时热解半焦留存地下待二次开发，可替代无烟煤和焦煤，从而实现富油煤从燃料向“燃料+原料”的转化，高效开发利用煤炭资源。

2.通过对富油煤井工原位分区、人工压裂，实现富油煤储层复杂裂隙网络构造，增加了流体流动连续性，提高了富油煤储层加热效率，减少了热量损失。

3.通过高温高压热载蒸气注入，实现富油煤井工原位热解与低碳转化成油气资源，避免了富油煤大规模地下开采和地面干馏过程，大幅度减少了碳排放。

4.本发明可采用综合机械化方法进行二次开采，最终实现富油煤油气、热解半焦的高效能分采。富油煤原位热解开采系统简单，工艺流程简单，有利于实现煤炭清洁高效利用工艺数字化、智能化控制。

5.与传统煤炭地下气化技术相比，在减轻地面沉降、覆岩采动变形、地质环境危害，减少能源消耗和碳排放等方面具有显著优势。

本发明设计合理，可操作性强，为富油煤原位流态化高效能开采提供了新方法和工艺，对于实现煤炭梯级化高效利用、增加国内油气资源可靠供给具有重要意义。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明井上下系统布置示意图；

图2为本发明热解采区布置平面示意图；

图2-1为本发明热解采区布置断面示意图；

图3为本发明热解热解半焦综合机械化工作面布置示意图；

图1中：1、油气储存塔；2、油气分离器；3、冷却塔；4、精密注入泵； 5、高温加热炉；6、气体储存塔；7、主井；8、副井；9、油气收集井；10、高温蒸气注入井；11、隔离层；12、边界煤柱；13、开切眼；14、走向钻孔；15、采区中部车场；16、采区平巷；17、水平井压裂钻孔；18、原位热解反应区； 19、运输上山通道；20、轨道上山通道；21、运输大巷；22、井底车场；

图2中：23、区段运输大巷；24、区段轨道大巷；25、回风平巷；26、采空区；27、运输平巷；28、热解半焦综合机械化工作面。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明提供了一种高温蒸气压裂原位热解富油煤高效分采系统，包括井上，井下两个部分，其中井上包括高温蒸气加热注入系统和热解油气收集与分离系统；井下包括开拓巷道布置系统、富油煤水平井压裂系统和热解半焦综合机械化开采系统。

高温蒸气加热注入系统包括气体储存塔6、高温加热炉5、精密注入泵4和高温蒸气注入井10；气体储存塔6依次连通高温加热炉5和精密注入泵4至高温蒸气注入井10，高温蒸气注入井10连通至原位热解反应区18。

热解油气收集与分离系统，包括冷却塔3、油气分离器2和油气储存塔1；油气储存塔1依次连通油气分离器2和冷却塔3至油气收集井9，油气收集井 9连通至原位热解反应区18。

开拓巷道布置系统，包括主井7、副井8、井底车场22、运输大巷21、运输上山通道19、轨道上山通道20、采区中部车场15、区段运输平巷27和开切眼13；主井7和副井8分别连通井底车场22，井底车场22分别连通运输上山通道19、轨道上山通道20和运输大巷21，运输上山通道19和轨道上山通道 20分别连通采区中部车场15，采区中部车场15连通原位热解反应区18。形成井下开拓巷道布局后，将煤层沿倾斜方法划分为若干热解采区，并沿煤层走向方向划分原位热解反应区18。

图2结合图1所示，原位热解反应区18包括隔离层11、边界煤柱12、走向钻孔14、采区平巷16和水平井压裂钻孔17；采区平巷16内原位热解反应区 18划分为若干个区域，各区域中分布有水平井压裂钻孔17，水平井压裂钻孔17 与高温蒸气注入井10连通；走向钻孔14位于原位热解反应区18中心，并与油气收集井9连通；隔离层11和边界煤柱12分布在原位热解反应区18外围。

如图3所示，采区平巷16包括回风平巷25和运输平巷27，回风平巷25 与区段轨道大巷24连通，运输平巷27与区段运输大巷23连通。

在原位热解反应区上下平巷靠煤壁一侧与反应区煤层的顶底板处布置隔离层，对热解反应区内煤层的顶板和底板岩层进行注浆封闭；隔离层使用双层石棉板，中部充填发泡混凝土，石棉板间隔厚度为5～10m。

富油煤水平井压裂系统，包括水箱、高压水泵、控制台、钻机、钻杆、割缝器、钻头等，根据井下开拓巷道布局，在井底车场22、运输大巷21或采区平巷16内布置水平井压裂系统，通过走向、水平钻孔17和水力/高压蒸气分段压裂制隙在原位热解反应区形成分层传热主干通道和微通道网络，便于高温蒸气通过。

热解半焦综合机械化开采系统，包括采区连续采煤机、支架、运输系统、通风系统、供电等系统，将原位热解反应区形成的热解半焦进行开采。

其中，高温蒸气加热注入过程为：氮气从气体储存塔6输送至高温加热炉 5，加热至600℃后，在精密注入泵4控制下将高温高压蒸气沿高温蒸气注入井 10输送至原位热解反应区两侧采区平巷16中的管道内，沿管道穿过隔离层11 进入煤层中的水平井压裂钻孔17中，在压裂形成的水平和垂直裂隙网络内与煤层充分接触，，热流激发富油煤分解，使富油煤层原位热解产生焦油和煤气。

通过人工造缝，实现富油煤储层复杂裂隙网络构造，以增加流体流动连续性，提高富油煤储层加热效率，减少热量损失。通过高温高压热载蒸气注入，可将富油煤井工原位热解与低碳转化成油气资源，从而避免富油煤大规模地下开采减轻覆岩采动变形、地面沉降等环境危害；最大程度将碳元素留在地下，避免地面干馏过程，以大幅度减少碳排放。

其中，热解油气收集与分离过程为：富油煤层在高温蒸气激发下原位热解，生成气体沿专用保温运输通道输送至冷却塔3冷凝过滤后，送至油气分离器2 分级处理，处理后的产物储存至油气储存塔1中。实现实时将原位热解反应区热解产物高效收集与分离。通过煤焦油、热解油气高效收集与分离，可以实现富油煤作为煤基油气资源的梯级清洁高效利用。

其中，热解半焦综合机械化开采系统的运输系统工作过程为：采区连续采煤机开采下的热解半焦，经运输平巷27、区段运输大巷23至运输上山19后，自运输大巷21运至井底车场33，由主井7提升至地面。通过建立热解半焦综合机械化开采系统与工艺，实现热解半焦二次开采，以保证富油煤资源的高效分采与梯级高效利用。

其中，热解半焦综合机械化开采系统的通风系统过程为：新鲜风流从地面由主井7和副井8进入井下，经井底车场22、运输大巷21、运输上山通道19、区段运输大巷23进入热解半焦开采工作面28，采空区26位于热解半焦开采工作面28前侧。污浊风流经回风平巷25，由高温蒸气注入井10排至地面。供电系统通过敷设在副井8中的高压电缆，矿井地面变电所向井下井底车场22的中央变电所供高压电；通过敷设在运输大巷21和运输上山通道19帮上的电缆，中央变电所向热解采区变电所供电，采区供电所向热解半焦开采工作面28设备供电。通过建立热解半焦开采通风系统，为热解分区热解半焦综采工作面安全高效开采提供了保障。

如图2、图2-1、图3所示，本发明提供了一种高温蒸气压裂原位热解富油煤高效分采方法，包括：

步骤1：根据低阶富油煤物理化学结构及赋存特征，确定富油煤井工原位热解开采技术实施路径，在地面选址分别建立高温蒸气加热注入系统和热解油气收集与分离系统。

步骤2：开掘井下开拓巷道布置系统，开掘从地面进入煤层的一系列开拓巷道，包括井筒、井底车场、大巷，形成井下开拓巷道布局，将煤层划分为若干热解采区后，沿煤层走向方向划分原位热解反应区18，开掘相应热解采区平巷、垂直油气收集井等，然后沿热解采区平巷布置隔离层，将热解采区煤层封闭；同时对煤层的顶板和底板岩层进行注浆封闭。

具体的，自煤层边界开始留设20～30m边界煤柱12，每隔100m布置一个原位热解反应区Ai，每个原位热解反应区18内，间隔5m布置一个水平井压裂钻孔17，在两侧热解采区平巷16中沿煤层分别布置20个压裂钻孔Bi和Ci。随后平行掘进两条采区平巷16至热解采区开切眼13处，在原位热解反应区18 中部沿竖直方向自地面施工一条竖井至富油煤层中部，作为油气收集井9；同时在原位热解反应区18头部自地面向下施工两条竖井至两侧采区平巷16处作为高温蒸气注入井10；然后在油气收集井9下方施工一条垂直于各水平井压裂钻孔的走向钻孔14，使其连通各水平井压裂钻孔17并与油气收集井9垂直贯通。

在上述工艺完成后在原位热解反应区18两侧采区平巷16靠煤壁一侧与原位热解反应区内富油煤层的顶底板上下布置隔离层11，并对煤层的顶板和底板岩层进行注浆封闭；减少热解时能量损耗提高热解效率。

步骤3：将2套井下富油煤水平井压裂系统分别布设于热解采区的上下两条平巷16内，穿过隔离层11，沿煤层走向方向布置水平井压裂钻孔17；根据煤层力学特性设置压裂参数，根据井下开拓巷道布局，在井底车场、大巷或采区平巷内布置水平井压裂系统，通过走向、水平钻孔和水力/高压蒸气分段压裂制隙，在原位热解反应区煤层中实施水力压裂，在原位热解反应区形成水平和垂直分层传热主干通道和微通道网络；在热解时增大高温蒸气与煤层的接触面积，使得富油煤层整体均匀受热升温。

步骤4：将氮气从储存塔6中输送至高温加热炉5加热后，自精密注入泵 4压入，沿高温蒸气注入井10输送至上下平巷中的管道中，气体沿管道穿过隔离层11进入煤层中的水平井压裂钻孔17内，在致裂形成的水平和垂直裂隙网络内与煤层充分接触，激发富油煤热解反应析出焦油和煤气。

步骤5：布置在地面的热解油气收集与分离系统通过专门保温输送管道经垂直油气收集井9、走向钻孔14连接热解采区煤层，富油煤热解产生的油气由负压抽采系统，沿煤层裂隙、走向钻孔14、垂直油气收集井9进入地面热解油气收集与分离系统，实时将原位热解反应区热解产物(焦油和煤气)经富油煤热破裂或有机质热解形成的裂隙通道、专门保温运输通道及控制系统高效收集与分离，加工处理后，储存至油气储存塔1中，实现富油煤原位热解的油气开采。

步骤6：热解区形成的热解半焦，保持了其块段的完整性，拆卸隔离层11，布置热解半焦综合机械化工作面28；采用连续采煤机截割，刮板输送机运煤，实现热解半焦产物的井工综合机械化开采。

采用本发明方法能够解决富油煤井工原位热解钻孔注热、高效分采技术问题，实现富油煤作为煤基油气资源的地下原位热解、梯级高效利用。同时，有效减轻了地下水系统损伤、地表沉陷、碳排放超标等生态环境问题，提高富油煤热解转化油气效率、降低经济成本，达到了西部富油煤资源绿色低碳开发的目的。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高温蒸气压裂原位热解富油煤分采系统，其特征在于，包括：

高温蒸气加热注入系统，用于将高温蒸气通入煤层中裂隙网络，热流激发富油煤分解产生焦油和煤气；

热解油气收集与分离系统，用于将分解产生焦油和煤气收集与分离处理；

开拓巷道布置系统，用于部署巷道，沿煤层走向划分原位热解反应区，开掘热解采区平巷、高温蒸气注入井、油气收集井；布设隔离层，对煤层的顶板和底板岩层进行注浆封闭；

富油煤水平井压裂系统，用于在原位热解反应区煤层中实施水力压裂形成分层裂隙网络，便于高温蒸气通过；

热解半焦综合机械化开采系统；用于将原位热解反应区形成的热解半焦进行开采；

原位热解反应区包括隔离层、边界煤柱、走向钻孔、采区平巷和水平井压裂钻孔；采区平巷内原位热解反应区划分为若干个区域，各区域中分布有水平井压裂钻孔，水平井压裂钻孔与高温蒸气注入井连通；走向钻孔位于原位热解反应区中心，与油气收集井连通；采区平巷与区段大巷连通；隔离层和边界煤柱分布在原位热解反应区外围；

所述高温蒸气加热注入系统和热解油气收集与分离系统位于井上，开拓巷道布置系统、富油煤水平井压裂系统和热解半焦综合机械化开采系统位于井下，井上系统与井下系统连通，实现在隔绝空气条件下富油煤油气、热解半焦的中低温分采。

2.根据权利要求1所述的一种高温蒸气压裂原位热解富油煤分采系统，其特征在于，高温蒸气加热注入系统包括气体储存塔、高温加热炉、精密注入泵和高温蒸气注入井；气体储存塔依次连通高温加热炉和精密注入泵至高温蒸气注入井，高温蒸气注入井连通至原位热解反应区。

3.根据权利要求1所述的一种高温蒸气压裂原位热解富油煤分采系统，其特征在于，热解油气收集与分离系统包括冷却塔、油气分离器和油气储存塔；油气储存塔依次连通油气分离器和冷却塔至油气收集井，油气收集井连通至原位热解反应区。

4.根据权利要求1所述的一种高温蒸气压裂原位热解富油煤分采系统，其特征在于，开拓巷道布置系统包括主井、副井、井底车场、运输大巷、运输上山通道、轨道上山通道、采区中部车场、区段运输平巷和开切眼；主井和副井分别连通井底车场，井底车场分别连通运输上山通道、轨道上山通道和运输大巷，运输上山通道和轨道上山通道分别连通采区中部车场，采区中部车场连通原位热解反应区。

5.根据权利要求1所述的一种高温蒸气压裂原位热解富油煤分采系统，其特征在于，在原位热解反应区上下采区平巷靠煤壁一侧与反应区煤层的顶板和底板处布置隔离层，顶板和底板岩层注浆封闭；隔离层使用双层石棉板，中部充填发泡混凝土。

6.根据权利要求1所述的一种高温蒸气压裂原位热解富油煤分采系统，其特征在于，原位热解反应区自煤层边界留设边界煤柱，间隔布置一个原位热解反应区Ai，每个原位热解反应区内，间隔布置一个水平井压裂钻孔，在两侧热解采区平巷中沿煤层分别布置若干个压裂钻孔Bi和Ci。

7.根据权利要求1所述的一种高温蒸气压裂原位热解富油煤分采系统，其特征在于，富油煤水平井压裂系统，布置于井底车场、运输大巷或采区平巷内，通过走向、水平钻孔和水力或高压蒸气分段压裂制隙在原位热解反应区形成分层传热主干通道和微通道网络。

8.根据权利要求1所述的一种高温蒸气压裂原位热解富油煤分采系统，其特征在于，热解半焦综合机械化开采系统包括运输、通风和供电系统。

9.一种权利要求1-8任一项所述原位热解富油煤分采系统的高温蒸气压裂方法，其特征在于，包括：

根据低阶富油煤物理化学结构及赋存特征，确定富油煤井工原位热解开采路径，在地面选址分别建立高温蒸气加热注入系统和热解油气收集与分离系统；

开掘井下开拓巷道布置系统，形成井下开拓巷道布局，将煤层划分为若干热解采区，沿煤层走向方向划分原位热解反应区，布置高温蒸气注入井连通原位热解反应区，油气收集井连通各水平井压裂钻孔；

在原位热解反应区布置隔离层，并对煤层岩层注浆封闭；

将富油煤水平井压裂系统布设于热解采区；穿过隔离层，沿煤层走向方向布置水平井压裂钻孔，在原位热解反应区煤层中实施水力压裂形成水平和垂直裂隙网络；

将氮气输送至煤层中水平井压裂钻孔内，在致裂形成的水平和垂直裂隙网络内与煤层接触进行原位热解；

富油煤热解产生的油气由负压抽采系统抽取进入地面热解油气收集与分离系统，进行加工、储存；

热解区形成的热解半焦经连续截割，输送至地面，实现热解半焦产物的井工综合机械化开采。

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