CN116816439A - 一种利用煤矿废弃矿井采空区封存co2的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用煤矿废弃矿井采空区封存CO2的方法，属于CO₂的地质封存技术领域，包括：将从固定排放源通过分离富集后得到的CO₂气体压缩到超临界状态后注入到煤矿废弃矿井的采空区，利用采空区和井下废弃巷道和硐室空间进行永久封存，通过岩移控制、留设和加固隔离煤柱、设置隔离墙、注浆堵塞缝隙保证CO₂封存的安全性。本发明封存机理简单，CO₂注入阻力小，注入成本低，地质勘探工程量少，易于管理，有利于CO₂将来的重复利用，前期高压注入可以缓解地表下沉，井田内现有钻孔、井筒等工程可以重复利用，降低工程量，大型火电厂等CO₂集中排放源和煤矿矿井伴生，有利于CO₂就地封存。

Description

一种利用煤矿废弃矿井采空区封存CO2的方法

本发明是发明名称为“一种利用煤矿废弃矿井采空区封存CO2的方法”的分案申请，其中，母案的申请号为201910118992.0，申请日为2019.02.18。

技术领域

本发明涉及CO₂的地质封存技术领域，特别是涉及一种利用煤矿废弃矿井采空区封存CO2的方法。

背景技术

目前世界一次能源，特别是中国一次能源以化石能源为主，CO₂排放量不断增长。降低CO₂量除了采取主动措施减少排放(如提高能源效率、开发洁净能源等)和提高地球陆地系统对CO₂的吸收能力(碳汇)外，对已经产生的CO₂进行人为处置成为近年来人们关注的焦点。其中一种CO₂人为处置方法是使用CO₂合成制品，做好CO₂的利用，但受技术限制，潜力有限；因此，对CO2进行封存成为备受关注的研究领域。

目前CO₂人工封存的场所主要是海洋和地下。

CO₂海洋封存技术20世纪70年代在澳大利亚出现，在海洋国家得到较多的研究，其中日本RITE(财团法人地球环境产业技术研究机构)进行的研究较为深入，已经取得了丰富的成果。虽然海洋处理CO₂的潜力非常巨大，但由于海洋生态系统的复杂性和测试方法的局限性，无法准确估测CO₂的大规模注入对海洋生态系统的影响，因此目前该技术仍停留在实验研究阶段。

CO₂地质封存具有广泛的应用前景。CO₂地质封存技术的基本思路为：把从集中排放源(发电厂、钢铁厂等)分离富集得到的CO₂注入到地下深处具有适当封闭条件的地层中隔离起来。主要包括废气分离、压缩、输送、和调压注入等几个环节。目前研究较多及具有应用价值的CO₂地质封存方式主要有：(1)沉积盆地内的深部咸水层封存；(2)油气田封存，包括已废弃或无商业开采价值的油气田封存和开采中的油气田封存(提高石油采收率的CO₂驱油技术：CO₂-EOR)；(3)无商业开采价值的深部煤层封存(加强煤层气回收的CO₂驱气技术：CO₂-ECBMR)。其中，深部咸水层封存最为引人注目。

尽管深部咸水层封存具有储存量大、安全等优势，是目前研究最多、应用最广，也是最具推广前景的CO₂封存技术，但是深部咸水层封存研究面临的困难和挑战也非常多。其物理化学过程复杂，涉及的时间、空间尺度宽广，加上中国在该领域起步较晚，面临大量的全新研究领域，距实际应用推广尚有很长的路程要走，难解燃眉之急。因此，根据中国实际情况，在安全性允许的前提下，牺牲一定的封存能力，寻找一种分布广泛、注入便捷、成本低廉的封存技术更为现实。

中国具有悠久的煤炭开采历史，迄今为止，有大量的矿井因资源枯竭而报废。煤矿废弃矿井存在大面积的采空垮落区以及废弃巷道和硐室。而随着中国煤炭的高强度开采，将会不断提供更多、更深的废弃矿井采空区。采空区上覆岩层垮落后形成的垮落区空隙率和空隙的几何尺寸都远大于深部咸水层储层，加上废弃巷道和硐室，不仅提供了巨大的CO₂封存空间，而且CO₂压注阻力要远小于深部咸水层储层。另外，废弃矿井长期的开采地质工作提供的详尽的地质资料和数据也是深部咸水层储层无法比拟的优势。只要根据埋深和上覆岩层CO₂逸散通道的发育情况，调整封存压力和采取适当的封堵措施，可以获得相当可观的CO₂封存容量，是短期内一种易于实现的CO2地质封存技术。

发明内容

本发明提供一种利用煤矿废弃矿井采空区封存CO₂的方法，利于进行CO₂的封存和管理。

为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

一种利用煤矿废弃矿井采空区封存CO2的方法，包括：

针对废弃的煤矿矿井，根据采空区围岩和上覆岩层完整程度以及透气性，确定相应的CO₂封存压力，从而得到相应的封存能力；

针对采空区发现的安全隐患通过岩移控制、留设和加固隔离煤柱、设置隔离墙进行处理以及人为设置独立封闭的封存单元；

根据封存条件确定封存压力、温度、注入流量参数；

将从地面固定排放源通过分离富集得到的CO₂按照所述封存压力、所述温度、所述注入流量参数注入封存空间，使得CO₂处于超临界状态；所述封存空间包括冒落带上方基本顶岩层的裂隙构成的裂隙带、井田中残留煤柱原生裂隙和采动影响造成的压裂裂隙、岩石颗粒表面的吸附封存、地下水的溶解封存、CO₂与岩石发生化学反应生成碳酸盐封存和地下水水力圈闭封存。

可选地，所述封存空间还包括主要储层；

所述主要储层为冒落带孔隙和井下废弃的永久性开拓巷道和硐室。

可选地，所述CO₂的封存能力的计算过程包括：

根据开采面积和煤层厚度，计算煤层开采后采空区体积；

根据直接顶厚度、开采面积和煤层厚度，计算煤层直接顶垮落后，采空区岩石初始堆积体积、空隙体积；

基于地表最终下沉量、直接顶厚度、开采面积和煤层厚度，计算采空区残留空隙体积；

基于CO₂封存密度、地表最终下沉量、开采面积和煤层厚度，计算采空区空隙CO₂封存量；

单位开采量提供的采空区残留空隙CO₂封存能力的计算公式为：

y/m定义为地表下沉系数q，则有：

式中：Q表示单位开采量提供的CO₂封存量；表示CO₂封存密度；ρ_m表示原煤埋藏密度；q表示地表下沉系数，即地表最终下沉量和煤层开采厚度之比。

可选地，方法还包括：

在储层上部地面安装压力监测装置，观测采空区CO₂压力变化，以发现CO₂是否泄漏；

监测注入的CO₂流体的运移动向，并建立系统的预警机制和应急预案。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明针对废弃的煤矿矿井，根据采空区围岩和上覆岩层完整程度以及透气性，确定相应的CO₂封存压力，从而得到相应的封存能力；针对采空区发现的安全隐患通过岩移控制、留设和加固隔离煤柱、设置隔离墙进行处理以及人为设置独立封闭的封存单元，即每个井田相对封闭，可以形成独立的封存单元，易于管理；且CO₂储层围岩地质资料丰富，了解充分，地质勘探工程量少。根据封存条件确定封存压力、温度、注入流量参数；将从地面固定排放源通过分离富集得到的CO₂按照封存压力、温度、注入流量参数注入封存空间，使得CO₂处于超临界状态，而封存空间包括冒落带上方基本顶岩层的裂隙构成的裂隙带、井田中残留煤柱原生裂隙和采动影响造成的压裂裂隙、岩石颗粒表面的吸附封存、地下水的溶解封存、CO₂与岩石发生化学反应生成碳酸盐封存和地下水水力圈闭封存。本发明中，主储层为大尺度空间和大尺度空隙封存，封存机理简单，CO₂注入阻力小，注入成本低；井田内现有钻孔、井筒等工程可以重复利用，降低工程量；大型火电厂等CO₂集中排放源和煤矿矿井伴生，有利于CO₂就地封存及将来的重复利用。前期高压注入可以缓解地表下沉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明煤矿废弃矿井的CO₂储层示意图；

图2为采空区封存CO₂能力计算模型；

图3为本发明的CO₂封存工艺流程图。

符号说明：

1-CO₂排放源，2-捕集车间，3-压缩车间，4-存储车间，5-压缩注入车间，6-采空区，7-地面监测仪器，8-弯曲下沉带，9-残留煤柱，10-裂隙带，11-冒落带，12-残留巷道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种利用煤矿废弃矿井采空区封存CO₂的方法，具体包括以下步骤：

S1：选择废弃的煤矿矿井，评估CO₂封存的能力和安全性，根据采空区围岩和上覆岩层完整程度以及透气性确定相应的封存压力，从而得到相应的封存能力。

S2：对发现的安全隐患通过岩移控制、留设和加固隔离煤柱、设置隔离墙、注浆堵塞缝隙进行处理以及人为设置独立封闭的封存单元。

S3：根据封存条件确定封存压力、温度、注入流量参数。

S4：将从地面固定排放源通过分离富集得到的CO₂按照S3所述的参数注入封存空间。

S5：利用井田内钻孔或井筒改造成测压井对井下CO₂封存状况进行监测。

由于中国煤矿绝大部分为井工开采，目前普遍采用自行垮落法管理顶板，即煤层采过后，上覆直接顶岩层自行垮落，碎胀后的岩层充满采空区，然后随着基本顶的缓慢下沉而逐渐密实，从而自下而上形成冒落带11、裂隙带10和弯曲下沉带8，矿井内残留煤柱9及开掘永久的残留巷道12和硐室也会自然保留，因此，如图1所示，废弃矿井CO₂储层由以下几方面组成：

(1)自行垮落法管理顶板的采空区范围内，跨落后经过压实的岩石空隙，即冒落带11孔隙。

(2)冒落带11上方基本顶岩层的裂隙，即裂隙带10。

(3)井下废弃的永久性的残留巷道12和硐室。

(4)井田中遗留的各种残留煤柱9的原生裂隙和采动影响造成的压裂裂隙。

其中，(1)、(3)为主要储层，其他为辅助储层。

另外，废弃矿井封存CO₂，除作为主要储层的冒落带岩石形成的大尺度空隙和残留巷道、硐室形成的大尺度空间为自然封存外，同时存在与深部咸水层封存一样的其他封存方式，如：

(1)岩层微小空隙的毛细作用封存(裂隙带、永久煤柱)。

(2)岩石颗粒表面的吸附封存(冒落带)。

(3)地下水的溶解封存。

(4)化学封存(CO₂与岩石发生化学反应生成碳酸盐)。

(5)地下水水力圈闭封存。

下面以中国中东部矿区废弃矿井平煤七矿采空区为例，具体说明本发明封存CO₂的方法。

CO₂封存状态和封存方法分析：

在埋存状态上，一般是保证CO₂以超临界状态注入埋存，以保持其稳定性和安全性，同时具有较大的封存密度。从热力学角度来看，CO₂在一定的温度和压强下处于气液不分的状态-临界状态，对应温度为临界温度，对应压强为临界压强，当温度为临界温度，压强高于临界压强时，CO₂处于气液不分状态，而压强低于临界压强时，CO₂处于气态；当温度高于临界温度时，无论处在多大的压强，CO₂处于气态。CO₂的超临界状态是指压力和温度均高于临界值的状态。由于CO₂的临界点为温度31℃和压力7.39MPa，其临界密度是0.448t/m³，并且地热梯度为25℃/km～35℃/km，地层压力近似为静水压力，满足CO₂超临界状态应是该处的压强不小于临界压强。CO₂超临界流体介于气体和液体之间，兼有气体、液体的双重特点，其密度接近液体，而粘度近似于气体，其扩散系数是液体的近百倍。这种特性在地质封存中起到关键作用，如加大二氧化碳的密度可以减小所需的存储空间，便于在管道中输送等。因此要达到CO₂封存密度取决于封存压力，而封存压力主要取决于采深，开采深度的增加，一方面为CO₂的超临界封存提供了原始条件，可以达到较高的封存密度，同时地表下沉系数减小，冒落带压实程度降低，可以提供更大的储层空间。

上述S1中评估CO₂封存的能力采用了以下计算模型：

假设采空区满足上覆密闭盖层和深度的要求，可以作为CO₂封存储层:

设开采面积为s，煤层厚度为m，则煤层开采后采空区体积为s×m；

设直接顶厚度为h，则煤层直接顶垮落后，采空区岩石初始堆积体积为s×(m+h)，空隙体积为s×m；

设地表最终下沉量为y，则采空区残留空隙体积为s×(m+h-y)-s×h＝s×(m-y)；

设CO₂封存密度为则采空区空隙CO2封存量为/>

则单位开采量提供的采空区残留空隙CO2封存能力为：

y/m定义为地表下沉系数q，则有：

式中：Q表示单位开采量提供的CO₂封存量，t；表示CO₂封存密度，t/m³；ρ_m表示原煤埋藏密度，t/m³；q表示地表下沉系数，即地表最终下沉量和煤层开采厚度之比。

中国中东部矿区平煤七矿矿井开采深度1000m，如图2所示，开采煤层平均厚度m为4m，开采规模300万t/年，煤层密度(即煤的视密度)，ρ_m＝1.45t/m³；地下煤层所在处的温度为31℃；煤层上覆岩层的平均密度，2.45t/m³；δ表示采空区上方岩层的重力在采空区处产生的压力系数，取值0.8。g表示重力加速度，取9.8N/kg。q表示地表沉陷系数为y/m＝0.2；表示注入采空区的超临界CO₂的密度，单位：kg/m³。

开采深度为1000m的矿井，上覆岩层煤层开采后所在处采空区产生压强为：

根据研究成果，在19.208MPa的压强下CO₂超临界的密度为：

根据公式可知，则单位开采量提供的采空区残留空隙CO₂封存能力为：

那么对于一个年产量为300万吨/年矿井，每年所能提供的CO₂封存量为：300×0.39586＝118.76万t。

如图3所示，将从CO₂排放源1排出的CO₂通过捕集车间2进行搜集，再通过压缩车间3进行压缩，压缩后的CO₂通过压缩注入车间5注入废弃的煤矿矿井的采空区6，压缩后的CO₂也可以暂存在存储车间4，之后再注入矿井的采空区6，利用地面监测仪器7(如井田内钻孔或井筒改造成测压井)对井下CO₂封存状况进行监测。

在上述CO₂封存过程中需要注意以下问题：

(1)由于平煤七矿废弃矿井采空区埋深较浅，围岩承压能力小，只能低压封存，影响CO₂封存强度(单位体积可以封存CO₂质量)，封存潜力受限；

(2)采空区上覆岩层受采动影响后，封闭能力减弱，加上各种地质构造，易形成CO₂逃逸通道，储层选择余地较小或者需要采取措施；

(3)废弃矿井采空区边界保护煤(岩)柱如果厚度和强度达不到要求，会被CO₂的压力冲破，从而造成CO₂进入相邻矿井；

(4)煤矿井田范围内废弃钻孔、井筒、老窑等工程较多，容易形成到地面的通道，造成CO₂向地表泄漏；

(5)采空区和地下水水力联系密切时，CO₂会影响地下水水质。

针对平煤七矿封存CO₂存在的以上问题，本发明采取以下应对防护措施：

(1)选择储层时对采空区上覆岩层(特别是弯曲下沉带)的完整性进行审慎评估，在确保密闭的条件下，按照采空区上覆岩层的压力确定CO₂封存压力，并留一定的安全系数；

(2)对采空区范围内地质构造、钻孔、井筒、老窑等密封性进行评价，存在问题时进行必要的封堵和加固；

(3)对采空区上方岩层受采动影响破坏较大，形成CO₂逃逸通道的区域，进行注浆封堵等防护措施；

(4)在储层上部地面安装压力监测装置，观测采空区CO₂压力变化，及时发现CO₂是否泄漏；

(5)提前对采空区边界煤柱进行加固；

(6)为了争取将CO₂封存对淡水含水层的可能性降到最低，严密监测注入的CO₂流体的运移动向，并建立系统的预警机制和应急预案。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种利用煤矿废弃矿井采空区封存CO2的方法，其特征在于，包括：

针对废弃的煤矿矿井，根据采空区围岩和上覆岩层完整程度以及透气性，确定相应的CO₂封存压力，从而得到相应的封存能力；

针对采空区发现的安全隐患通过岩移控制、留设和加固隔离煤柱、设置隔离墙进行处理以及人为设置独立封闭的封存单元；

根据封存条件确定封存压力、温度、注入流量参数；

将从地面固定排放源通过分离富集得到的CO₂按照所述封存压力、所述温度、所述注入流量参数注入封存空间，使得CO₂处于超临界状态；所述封存空间包括冒落带上方基本顶岩层的裂隙构成的裂隙带、井田中残留煤柱原生裂隙和采动影响造成的压裂裂隙、岩石颗粒表面的吸附封存、地下水的溶解封存、CO₂与岩石发生化学反应生成碳酸盐封存和地下水水力圈闭封存。

2.根据权利要求1所述的利用煤矿废弃矿井采空区封存CO2的方法，其特征在于，所述封存空间还包括主要储层；

所述主要储层为冒落带孔隙和井下废弃的永久性开拓巷道和硐室。

3.根据权利要求1所述的利用煤矿废弃矿井采空区封存CO2的方法，其特征在于，所述CO₂的封存能力的计算过程包括：

根据开采面积和煤层厚度，计算煤层开采后采空区体积；

根据直接顶厚度、开采面积和煤层厚度，计算煤层直接顶垮落后，采空区岩石初始堆积体积、空隙体积；

基于地表最终下沉量、直接顶厚度、开采面积和煤层厚度，计算采空区残留空隙体积；

基于CO₂封存密度、地表最终下沉量、开采面积和煤层厚度，计算采空区空隙CO₂封存量；

单位开采量提供的采空区残留空隙CO₂封存能力的计算公式为：

y/m定义为地表下沉系数q，则有：

式中：Q表示单位开采量提供的CO₂封存量；表示CO₂封存密度；ρ_m表示原煤埋藏密度；q表示地表下沉系数，即地表最终下沉量和煤层开采厚度之比。

4.根据权利要求1所述的利用煤矿废弃矿井采空区封存CO2的方法，其特征在于，方法还包括：

在储层上部地面安装压力监测装置，观测采空区CO₂压力变化，以发现CO₂是否泄漏；

监测注入的CO₂流体的运移动向，并建立系统的预警机制和应急预案。