CN115559700A - 与co2地质封存技术相结合的高地热异常区煤炭地下气化方法 - Google Patents

与co2地质封存技术相结合的高地热异常区煤炭地下气化方法 Download PDF

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张成龙
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Abstract

本发明公开了一种与CO2地质封存技术相结合的高地热异常区煤炭地下气化方法，优选埋藏深、地温高、且有封闭盖层的不易开发利用煤层，通过注入井向煤层中注入超临界CO2，受地层温度与压力的影响，煤炭与CO2可发生缓慢反应生成CO，在长时间的封存过程中，且有催化剂促进作用下，生成的CO与驱替出的CH4可达到有经济价值的储量规模。煤层中的混合气被开采出来进行分离提纯，分离的CO2可回注地下重复利用，提纯的CO与CH4可直接工业利用。该方法可同时实现CO2地质储存与深部难采煤层的有效利用，且过程操作简便，无资源浪费问题。

Description

与CO2地质封存技术相结合的高地热异常区煤炭地下气化方法
技术领域
本发明涉及一种与CO2地质封存技术相结合的高地热异常区煤炭地下气化方法。
背景技术
目前常规煤炭地下气化方法是将煤炭在原位进行有控制的燃烧，通过煤的热解以及煤与氧气、水蒸气发生一系列化学反应，产生H2、CO和CH4等可燃气体，该过程也被称作“气化采煤”或“化学采煤”。该技术是对传统物理采煤技术的重要补充，实现了地下无人生产，避免了人身伤害和矿井事故发生，气化后的矸石、灰渣留在地下，减少了地表固体废弃物堆积带来的环境影响，在一定程度上防止地表沉降。煤炭地下气化技术适用于难采煤层、低品位煤层。但该气化过程不易控制，技术难度大，对于小型煤矿存在技术壁垒，同时煤炭地下燃烧也造成一定资源浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种与CO2地质封存技术相结合的高地热异常区煤炭地下气化方法，其有效解决了煤炭地下气化过程不易控制、资源浪费严重的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种与CO2地质封存技术相结合的高地热异常区煤炭地下气化方法，其特征在于：
步骤1：优选目标煤层：煤层需满足顶面埋藏深度D≥800m，地层温度T≥60℃，煤层上覆泥岩盖层，且封闭性良好，即盖层渗透率小于0.1毫达西；
步骤2：实施注采钻井：钻井终孔注入段/采出段需位于目标煤层内，成井管材采用耐CO2腐蚀的不锈钢材质，钻井完井工艺需满足天然气成井标准，完井后需在井口安装井口保护装置；注入井与采出井间距200m～2000m为宜；
步骤3：封闭性测试：通过注入井以小于20kg/s的速率向优选目标煤层注入超临界CO2，直至停注后井口压力达4.5MPa之后关闭井口保护装置，并以高于6小时每次的频率持续监测井口压力，同时监测井口及周边2km范围内井口、泉点的CO2浓度，以判断煤层的封闭性，即CO2浓度与天然CO2背景值接近，没有增加趋势；
步骤4：注入含催化剂的超临界CO2溶液；
CO2与煤在低温(T≤200℃)状态下具有明显的放热/吸热过程，煤在CO2氛围中较大的焓变化表明，CO2除了可以与煤孔隙界面发生物理作用，还可能与含氧基发生化学作用。该反应过程可以用如下反应公式解释。
Figure BDA0003907843960000021
C(O)→CO (2)
当反应温度较低或CO2压力较低时，CO2向碳表面的吸附即(1)式为主要控制反应，而当反应温度较高或CO2压力较高时，C(O)的脱附即(2)式为主要控制反应；
催化剂可以有效降低反应的活化能，催化金属的氧化-还原反应机理：
Figure BDA0003907843960000022
KxOy+1+C→KxOy+C(O) (4)
C(O)→CO (5)
在这个反应机理中，催化金属钾在氧化状态KxOy+1和还原状态KxOy之间循环，在循环过程中将氧从CO2传递给碳，从而促进反应的进行；
将CO2压缩至超临界状态，以起到催化作用的催化剂为溶质，配制超临界CO2溶液，溶液浓度约为2-10g/kg；以加速煤炭与CO2的反应；依据目标煤层地质条件评估CO2封存潜力，以总封存潜力的0.2％～2％为目标注入量，向煤层注入含催化剂的超临界CO2溶液，注入过程中持续监测注入井口压力与周边2km范围内井口、泉点CO2浓度，即CO2浓度不能超过天然背景值的20倍，注入井口压力不得超过9MPa，周边井口、泉点CO2浓度不能出现持续增加，注入过程中如出现注入井口压力超过9MPa，需立刻停止注入并进行持续观测，直至上述指标恢复正常后继续注入或进入下一步骤；注入过程中如场地周边2km范围内井口、泉点CO2浓度大于天然背景值的20倍，直接进入步骤8(泄压封井)；
步骤5：CO2地质储存：以评估的CO2封存潜力为目标注入量，通过注入井向煤层注入纯的超临界CO2，注入过程中需持续监测井口压力与周边2km范围内井口、泉点的CO2浓度，注入井口压力不得超过9MPa，周边井口、泉点CO2浓度不能超过天然背景值的20倍；注入过程中如出现注入井口压力超过9MPa，需立刻停止注入并进行持续观测，直至上述指标恢复正常后继续注入或进入下一步骤；注入过程中如场地周边2km范围内井口、泉点CO2浓度显著升高，直接进入步骤8(泄压封井)；
步骤6：系统持续监测：通过采出井泄压，以高于0.5年/次的频率采集目标煤层气体样品，当CO与CH4气体总体积占比超过0.3时进入下一步骤；以先高后低的频次持续监测封存场地与周边井口、泉点的CO2浓度，如CO2浓度显著升高，即超过天然背景值的20倍，直接进入步骤8(泄压封井)；
步骤7：混合气开采：通过开采井以泄压或负压的形式开采目标煤层中的混合气，混合气分离提纯后CO与CH4气体可直接被工业利用，分离提纯后的CO2气体可通过注入井回注到地下进行重复利用，该过程即可实现CO2地质封存，也可驱替煤层中的混合气；
煤层中碳与CO2长时间的反应可能致使催化剂失活，再次采用该方法进行煤炭地下气化之前应重复至步骤4，对目标煤层补充催化剂；
步骤8：泄压封井：场地封闭性测试不达标，或CO2注入/监测过程中发生CO2泄漏，致使煤炭地下气化工程或CO2地质封存工程失败，为避免长期损失需对注采井泄压封井，泄压完成后需满足井内外压力持平、井中无气体溢出，随后采用水泥塞封闭井口。
进一步地，在步骤3中，关闭井口保护装置后第5日，若井口压力>4.2MPa、压降速率<0.015MPa/天，且关闭井口保护装置后30日内，场地及周边2km范围内井口、泉点CO2浓度无增加，则说明封闭性测试良好，进入下一步骤；若关闭井口保护装置后监测结果未能满足上述条件，则说明封闭性测试差，直接进入步骤8(泄压封井)。
所述催化剂为氧化钾、氧化铝与镍的混合物或硫化钨。
本发明的有益效果：
(1)本发明可同时实现CO2地质储存与深部难采煤层的有效利用，是CO2地质利用与封存技术领域的新方向。
(2)本发明以深埋地下、高地温，且盖层封闭性良好的不易开发利用煤层为目标煤层，实现了难采煤层的有效利用。
(3)本发明在高地温与高地层压力条件下，煤炭与CO2反应生成CO可自发进行，无需复杂的人为控制过程。
(4)本发明生成的混合气中无O2等促燃物质，分离提纯CO与CH4方法简单，且燃烧使用过程中无爆炸危险。
(5)本发明混合气中分离提纯的CO2可直接回注至地下，该过程在实现CO2地质封存的同时，具有驱替混合气、促进开发的效果。
(6)本发明提供的与CO2地质封存技术相结合的煤炭地下气化方法，在实现了CO2地质储存的同时，解决了上述背景技术中所述的煤炭地下气化过程不易控制、资源浪费严重的问题。本发明以深埋地下、高地温，且盖层封闭性良好的不易开发利用煤层为目标煤层，通过注入井向煤层中注入超临界CO2，以达到CO2地质封存的目的。在该封存过程中，受地层温度与压力的影响，煤炭与CO2可发生缓慢反应生成CO，在长时间的封存过程中，且有催化剂促进作用下，生成的CO与驱替出的CH4可达到有经济价值的储量规模。煤层中的混合气被开采出来进行分离提纯，分离的CO2可回注地下重复利用，提纯的CO与CH4可直接工业利用。该煤炭地下气化技术方法操作简便，无资源浪费问题，在实现CO2地质封存的同时，可实现对深部难采煤层的有效利用。
附图说明
图1为本发明中的与CO2地质封存技术相结合的煤炭地下气化流程图。
图2为本发明中的与CO2地质封存技术相结合的煤炭地下气化的工程结构示意图。
具体实施方式
以下仅以实施例说明本发明可能的实施态样，然并非用以限制本发明所欲保护的范畴，合先叙明。
如图1和图2所示，为本发明的一种与CO2地质封存技术相结合的高地热异常区煤炭地下气化方法：
具体的步骤包括：
步骤1：优选目标煤层；
步骤2：实施注采钻井；
步骤3：封闭性测试；
步骤4：注入催化剂；
步骤5：CO2地质储存；
步骤6：系统持续监测；
步骤7：混合气开采；
步骤8：泄压封井。
下面逐一详细说明。
首先，收集煤田已有钻探、测井或物探资料，优选出顶面埋深D≥800m、地层温度T≥60℃、上覆泥岩盖层且封闭性良好的不易开发利用煤层。
实施注入井1a，钻井深度>800m，终孔注入段需位于煤层中。钻井需按照天然气钻井成井标准施工，成井管材采用耐CO2腐蚀的不锈钢管材，井口安装井口保护装置(1)，井口保护装置上连接气压计(2)。注入井口周边10m范围内安装CO2浓度监测站(8)。周边2km范围内浅井与泉口安装CO2浓度监测站(9)。
实施开采井1b，开采井1b与注入井1a间隔200m～2000m。开采井成井要求同注入井，井深>800m，终孔注入段需位于煤层中。钻井井口安装保护装置(3)，井口保护装置上安装气体成分分析仪(4)，关闭井口阀门开关(b)。
井场的封闭性测试。将CO2气源(5)经高压注入泵(7)压缩至超临界状态，通过注入井1a注入煤层，监测气压计(2)，直至停注后井口压力达4.5MPa，之后关闭井口阀门开关(a)，并以高于6小时每次的频率持续监测井口气压计(2)压力，同时监测井口CO2浓度监测站(8)及周边2km范围内井口、泉点CO2浓度监测站(9)的CO2浓度。关闭井口阀门开关(a)后第5日，若井口气压计(2)压力>4.2MPa、压降速率<0.015MPa/天，且关闭井口保护装置后30日内，场地CO2浓度监测站(8)及周边2km范围内井口、泉点CO2浓度监测站(9)的CO2浓度无增加，即CO2浓度与天然CO2背景值(大气中的CO2浓度)接近，没有增加趋势，则说明封闭性测试良好，进入下一步骤。若监测结果未能满足上述条件，则说明封闭性测试差，直接泄压封井。
CO2与煤在低温(T≤200℃)状态下具有明显的放热/吸热过程，煤在CO2氛围中较大的焓变化表明，CO2除了可以与煤孔隙界面发生物理作用，还可能与含氧基发生化学作用。该反应过程可以用如下反应公式解释。
Figure BDA0003907843960000051
C(O)→CO (2)
当反应温度较低或CO2压力较低时，CO2向碳表面的吸附即(1)式为主要控制反应，而当反应温度较高或CO2压力较高时，C(O)的脱附即(2)式为主要控制反应；
催化剂可以有效降低反应的活化能，催化金属的氧化-还原反应机理：
Figure BDA0003907843960000052
KxOy+1+C→KxOy+C(O) (4)
C(O)→CO (5)
在这个反应机理中，催化金属钾在氧化状态KxOy+1和还原状态KxOy之间循环，在循环过程中将氧从CO2传递给碳，从而促进反应的进行；该反应过程中碳的气化反应速率与催化金属的表面氧化物的浓度成正比。
将CO2气源(5)与催化剂通过高压密闭溶液搅拌器(6)制成超临界CO2溶液，溶液浓度约为2-10g/kg。
通过地质模拟手段评估CO2封存潜力，以总封存潜力的0.2％～2％为目标注入量，通过高压注入泵(7)和注入井1a向煤层中注入含催化剂的超临界CO2溶液。
完成注入含催化剂的超临界CO2溶液之后，以CO2地质封存潜力为目标注入量，通过高压注入泵(7)和注入井1a向煤层中注入纯的超临界CO2。
注入过程中持续监测注入井口气压计(2)压力、井口CO2浓度监测站(8)及周边2km范围内井口、泉点CO2浓度监测站(9)的CO2浓度。注入井口气压计(2)压力不得超过9MPa，井口CO2浓度监测站(8)及周边2km范围内井口、泉点CO2浓度监测站(9)的CO2浓度不能出现显著升高，即CO2浓度不能超过天然背景值的20倍。注入过程中如出现注入井口气压计(2)压力超过9MPa，需立刻停止注入并进行持续观测，直至上述指标恢复正常后继续注入或进入系统持续监测阶段。
注入过程中和CO2封存完成后，如井口CO2浓度监测站(8)及周边2km范围内井口、泉点CO2浓度监测站(9)的CO2浓度显著升高，即CO2浓度大于超过天然背景值的20倍直接泄压封井。
CO2封存完成后，以高于0.5年/次的频率采集目标煤层气体样品，通过开采井井口保护装置(3)上的气体成分分析仪(4)或送实验室化验分析气体样品成分，当CO与CH4气体总体积占比超过0.3时显示煤层中混合气具有开发利用价值。
打开阀门开关(b)，具有经济价值的混合气被开采至地表，经CO2分离提纯设备(10)将CO2分离提纯，提纯的CO2经阀门开关(d)、高压注入泵(7)压缩至超临界状态后直接回注到地下；也可经阀门开关(c)通过高压密闭溶液搅拌器(6)制成含催化剂的超临界CO2溶液，通过高压注入泵(7)、注入井向煤层中补充催化剂。混合气提纯CO2后，剩余的CO与CH4可封存到CO与CH4储气库(11)，储存的CO与CH4可直接工业利用。
该过程可重复进行，生成的混合气开采完成后，提纯的CO2又被回注到地下，在补充完成催化剂后，系统再次进入持续监测状态，煤层中煤炭与CO2经长时间反应生成的混合气中，CO与CH4体积占比达到0.3后可再次进行开采利用。
本发明以深埋地下、高地温，且盖层封闭性良好的不易开发利用煤层为目标煤层，通过注入井向煤层中注入超临界CO2，以达到CO2地质封存的目的。在该封存过程中，受地层温度与压力的影响，煤炭与CO2可发生缓慢反应生成CO，在长时间的封存过程中，且有催化剂促进作用下，生成的CO与驱替出的CH4可达到有经济价值的储量规模。煤层中的混合气被开采出来进行分离提纯，分离的CO2可回注地下重复利用，提纯的CO与CH4可直接工业利用。该煤炭地下气化技术方法操作简便，无资源浪费问题，在实现CO2地质封存的同时，可实现对深部难采煤层的有效利用。本发明提供的与CO2地质封存技术相结合的煤炭地下气化方法，在实现了CO2地质储存的同时，解决了上述背景技术中所述的煤炭地下气化过程不易控制、资源浪费严重的问题。

Claims (5)

1.一种与CO2地质封存技术相结合的高地热异常区煤炭地下气化方法，其特征在于：
步骤1：优选目标煤层：煤层需满足顶面埋藏深度D≥800m，地层温度T≥60℃，煤层上覆泥岩盖层，且封闭性良好，即盖层渗透率小于0.1毫达西；
步骤2：实施注采钻井：钻井终孔注入段/采出段需位于目标煤层内，完井后需在井口安装井口保护装置；注入井与采出井间距200m～2000m为宜；
步骤3：封闭性测试：通过注入井以小于20kg/s的速率向优选目标煤层注入超临界CO2，直至停注后井口压力达4.5Mpa，之后关闭井口保护装置，并以高于6小时每次的频率持续监测井口压力，同时监测井口及周边2km范围内井口、泉点的CO2浓度，以判断煤层的封闭性，即CO2浓度与天然CO2背景值接近，没有增加趋势；
步骤4：注入含催化剂的超临界CO2溶液；将CO2压缩至超临界状态，以起到催化作用的催化剂为溶质，配制超临界CO2溶液，溶液浓度约为2-10g/kg；以加速煤炭与CO2的反应；依据目标煤层地质条件评估CO2封存潜力，以总封存潜力的0.2％～2％为目标注入量，向煤层注入含催化剂的超临界CO2溶液，注入过程中持续监测注入井口压力与周边2km范围内井口、泉点CO2浓度，即CO2浓度不能超过天然背景值的20倍，注入井口压力不得超过9MPa，周边井口、泉点CO2浓度不能出现持续增加，注入过程中如出现注入井口压力超过9MPa，需立刻停止注入并进行持续观测，直至上述指标恢复正常后继续注入或进入下一步骤；注入过程中如场地周边2km范围内井口、泉点CO2浓度大于天然背景值的20倍，直接进入步骤8(泄压封井)；
步骤5：CO2地质储存：以评估的CO2封存潜力为目标注入量，通过注入井向煤层注入纯的超临界CO2，注入过程中需持续监测井口压力与周边2km范围内井口、泉点的CO2浓度，注入井口压力不得超过9MPa，周边井口、泉点CO2浓度不能超过天然背景值的20倍；注入过程中如出现注入井口压力超过9MPa，需立刻停止注入并进行持续观测，直至上述指标恢复正常后继续注入或进入下一步骤；注入过程中如场地周边2km范围内井口、泉点CO2浓度大于天然背景值的20倍，且有增加的趋势，直接进入步骤8(泄压封井)；
步骤6：系统持续监测：通过采出井泄压，以高于0.5年/次的频率采集目标煤层气体样品，当CO与CH4气体总体积占比超过0.3时进入下一步骤；以先高后低的频次持续监测封存场地与周边井口、泉点的CO2浓度，如CO2浓度超过天然背景值的20倍，且有增加趋势，直接进入步骤8(泄压封井)；
步骤7：混合气开采：通过开采井以泄压或负压的形式开采目标煤层中的混合气，混合气分离提纯后CO与CH4气体可直接被工业利用，分离提纯后的CO2气体可通过注入井回注到地下进行重复利用，该过程即可实现CO2地质封存，也可驱替煤层中的混合气；
步骤8：泄压封井：场地封闭性测试不达标，或CO2注入/监测过程中发生CO2泄漏，致使煤炭地下气化工程或CO2地质封存工程失败，为避免长期损失需对注采井泄压封井，泄压完成后需满足井内外压力持平、井中无气体溢出，随后采用水泥塞封闭井口。
2.根据权利要求1所述的与CO2地质封存技术相结合的高地热异常区煤炭地下气化方法，其特征在于：在步骤4中：CO2与煤在低温(T≤200℃)状态下具有明显的放热/吸热过程，煤在CO2氛围中较大的焓变化表明，CO2除了可以与煤孔隙界面发生物理作用，还与含氧基发生化学作用。该反应过程可以用如下反应公式解释。
Figure FDA0003907843950000021
C(O)→CO (2)
当反应温度较低或CO2压力较低时，CO2向碳表面的吸附即(1)式为主要控制反应，而当反应温度较高或CO2压力较高时，C(O)的脱附即(2)式为主要控制反应；
催化剂可以有效降低反应的活化能，催化金属的氧化-还原反应机理：
Figure FDA0003907843950000022
KxOy+1+C→KxOy+C(O) (4)
C(O)→CO (5)
在这个反应机理中，催化金属钾在氧化状态KxOy+1和还原状态KxOy之间循环，在循环过程中将氧从CO2传递给碳，从而促进反应的进行。
3.根据权利要求1所述的与CO2地质封存技术相结合的高地热异常区煤炭地下气化方法，其特征在于：在步骤3中，关闭井口保护装置后第5日，若井口压力>4.2MPa、压降速率<0.015MPa/天，且关闭井口保护装置后30日内，场地及周边2km范围内井口、泉点CO2浓度无增加，则说明封闭性测试良好，进入下一步骤；若关闭井口保护装置后监测结果未能满足上述条件，则说明封闭性测试差，直接进入步骤8(泄压封井)。
4.根据权利要求1所述的与CO2地质封存技术相结合的高地热异常区煤炭地下气化方法，其特征在于：所述催化剂为氧化钾、氧化铝与镍的混合物或硫化钨。
5.根据权利要求1所述的与CO2地质封存技术相结合的高地热异常区煤炭地下气化方法，其特征在于：煤层中煤与CO2长时间的反应可能致使催化剂失活，再次采用该方法进行煤炭地下气化之前应重复至步骤4，对目标煤层补充催化剂。
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