CN117823112B - 一种原位煤体超临界水气化制氢异层开采方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位煤体超临界水气化制氢异层开采方法及装置，属于煤层原位制氢技术领域；包括向煤层钻入注入井，注入井包括注入立井和延伸在煤层内的注入水平井；采用后退式压裂方法，从注入水平井的远端至注入立井的方向逐步进行压裂，在煤层中制造复杂缝网；向注入立井注入超临界水，按后退式压裂方法依次对煤层开展气化反应，在此过程中在煤层上方形成气化工作面覆岩裂隙带；向气化工作面覆岩裂隙带钻入生产井，注入超临界CO2，驱出煤层中的气化产物，被驱出的气化产物沿气化工作面覆岩裂隙带进入生产井，并通过生产井采出；本发明可有效避免高压、高温SCW与ScCO2对生产井的腐蚀作用；实现深部不可采煤炭氢能化利用、负碳与储氢一体化。
Description
技术领域
本发明属于煤层原位制氢技术领域，涉及一种原位煤体超临界水气化制氢异层开采方法及装置。
背景技术
氢（H2）被广泛认为是21世纪最具潜力的清洁能源。目前的制氢方法主要包括：电解水、煤制氢、甲烷水蒸气重整、生物质、光化学、热化学、太阳能光催化分解水等。其中，煤制氢（地面）是目前成本最低、H2产量最大的制氢方式，占H2总产量的64%。其成本仅为电解水制氢的32%。但伴随着污染、特别是巨大的二氧化碳（CO2）排放。例如将地下2880万吨标煤开采至地表，生产240万吨煤制氢，同时就会产生5600万吨CO2。
对于深部不可采煤层资源，利用原位煤体超临界水（SCW）气化技术，不需要将煤炭开采至地表，则可以将深部不可采煤层氢能化利用。这种方法可实现低灾害发生率、低污染制氢，并从根本上杜绝煤矿井下人员安全风险大的问题，是重要的煤制氢途径之一。
原位煤体SCW气化过程中，最需要关注的问题之一在于“生产井井筒保护”。因为通过注入井进入气化区的流体，经气化反应后形成SCW、超临界CO2（ScCO2）、H2等“混相腐蚀流体”，将对“下游”的生产井造成很高的加卸载流体压力-化学腐蚀（SCW极强氧化性、ScCO2酸性、氢脆）-流体运移-高温（375℃以上）-深部高地应力耦合作用。目前几乎没有适用于如此严苛条件下的井筒材料。然而，目前原位煤体SCW气化制氢尚属于新兴领域，现有技术通常将生产井与SCW气化区直接相连（专利号：CN 112878978 A，CN 114876437 A，CN 116575900A）。上述“生产井”与“气化区”直接相连的布置方案极易导致“生产井”失效，轻则导致H2生产效率大大降低，重则导致工程失败。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种原位煤体超临界水气化制氢异层开采方法及装置，解决原位煤体超临界水气化制氢工艺中生产井出现失效，导致H2生产效率降低的问题。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种原位煤体超临界水气化制氢异层开采方法，包括以下步骤：
S1、向煤层钻入注入井，所述注入井包括注入立井和连接在注入立井底部且延伸在煤层内的注入水平井；
S2、采用后退式压裂方法，从注入水平井的远端至注入立井的方向逐步进行压裂，在煤层中制造复杂缝网；
S3、向注入立井注入超临界水，按后退式压裂方法依次对煤层开展气化反应，实现工作面内原位煤体超临界水气化；在此过程中在煤层上方形成气化工作面覆岩裂隙带；
S4、向气化工作面覆岩裂隙带钻入生产井，从注入立井注入超临界CO2，驱出煤层中的气化产物，被驱出的气化产物沿气化工作面覆岩裂隙带进入生产井，并通过生产井采出。
优选的，工作面气化反应结束后，将地表收集好的H2通入注入立井，使H2注满整个被开采后的采空区，实现储氢。
优选的，步骤S2中通过体积压裂方法对注入水平井远离注入立井一端的气化区进行压裂，制造复杂缝网，利用缝网将煤体切割成较小块体；待该气化区的反应结束后，再逐渐对靠近注入立井的气化区开展压裂；重复步骤S2，直至整个工作面气化反应结束。
优选的，或在工作面气化反应前、或在工作面气化反应过程中施工生产井。
优选的，所述煤层为深度≥1000m或垂向地应力σv＞22.5MPa的煤层。
用于所述的一种原位煤体超临界水气化制氢异层开采方法的开采装置，所述的注入井为倒T型-发散放射状分支井；倒T型-发散放射状分支井由注入立井和多个注入水平井组成，所述注入水平井包括一倾斜段和一水平段，注入水平井通过倾斜段与注入立井连接；多个注入水平井分布于注入立井的两侧。
进一步的，根据注入水平井的数量将煤层划分为若干个气化工作面，6n个注入水平井平均分布在2n个气化工作面中。
更进一步的，气化工作面靠近注入立井的一侧为保护煤柱，其余三边的边界为隔离煤柱；气化工作面为一长方形区域，气化工作面的短边尺寸与分布在同一气化工作面内的相邻三个注入水平井之间的间距相等；气化工作面的长边尺寸=注入水平井的长度-注入井分支斜井段保护煤柱宽度。
更进一步的，所述的气化工作面内划分为多个气化区，通过按后退式压裂方法逐个对各气化区依次进行压裂，制造复杂缝网。
进一步的，所述的生产井为U形生产井，U形生产井的数量为注入水平井数量的1/3；U形生产井包括两侧的立井和两侧立井之间的水平段；U形生产井一侧的立井与注入立井共用一口井，另一侧的立井通过对应的水平段与注入立井相连接。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
1、本发明针对深部不可采煤层，利用超临界水（SCW）对其气化并制取氢气（H2），待覆岩坍塌并形成裂隙，在煤层顶板钻进生产井，形成“注入井-深部煤层气化工作面-工作面覆岩裂隙-顶板生产井”的H2抽采回路以及CO2注入路径。气化工作面与生产井间接连接，可有效避免高压、高温SCW与ScCO2对生产井的腐蚀作用，提高生产井的使用寿命。利用采动覆岩裂隙耗散SCW的热量使之成为水蒸汽甚至液态水，大大减轻 “腐蚀流体”对生产井的影响；
2、本发明根据H2密度小自然上逸，充分利用气化采空区，在原位煤体气化后形成的空间内注入ScCO2从而驱采剩余H2、甲烷（CH4）等，提升气化产物采收率并实现CO2封存，达到负碳目的；也可以利用气化采空区向其注入H2，实现安全、大规模存储H2。实现深部不可采煤炭氢能化利用、负碳与储氢一体化。同时大大降低原位煤体SCW气化成本，加快其商业化进程。
3、本发明充分利用气化工作面覆岩裂隙，以及利用煤层顶板内强吸附页岩、砂岩裂隙水降低ScCO2浓度，通过页岩吸附或化学方式降低气化产物中CO2浓度，从而降低地面H2与CO2分离提纯成本。
附图说明
图1为倒T型注入井与U形生产井的布置结构图；
图2为煤层内倒T型注入井与U形生产井的剖面图；
图3为按照后退式顺序依次对气化区开展气化反应的示意图一；
图4为按照后退式顺序依次对气化区开展气化反应的示意图二；
图5为气化工作面的正视图。
图中：
1-注入立井；
201-第一注入水平井、202-第二注入水平井、203-第三注入水平井，204-第四注入水平井、205-第五注入水平井、206-第六注入水平井、207-第七注入水平井、208-第八注入水平井、209-第九注入水平井、2010-第十注入水平井、2011-第十一注入水平井、2012-第十二注入水平井；
301-第一隔离煤柱、302-第二隔离煤柱、303-第三隔离煤柱、304-第四隔离煤柱、305-第五隔离煤柱、306-第六隔离煤柱、307-第七隔离煤柱、308-第八隔离煤柱；
4-后退式气化方向；
501-第一气化工作面、502-第二气化工作面、503-第三气化工作面、504-第四气化工作面；
6-保护煤柱；
701-第一生产水平井、702-第二生产水平井、703-第三生产水平井、704-第四生产水平井；
801-第一生产立井、802-第二生产立井、803-第三生产立井、804-第四生产立井；
901-第一气化区、902-对第二气化区；
12-点火装置；13-温度传感器；14-自闭阀；15-气化工作面覆岩裂隙带；16-气化产物流动方向；17-注入超临界CO2的流动方向；18-煤层；19-煤层顶板；
2001-第一暂堵阀、2002-第二暂堵阀、2003-第三暂堵阀。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
参见图1-图5，本实施例提出一种原位煤体超临界水气化制氢异层抽采方法以及抽采装置，其中抽采方法包括以下步骤：
S1、原位煤体超临界水气化制氢（H2）异层抽采工程位置的选择；
原位煤体超临界水气化制氢（H2）并且异层抽采工程位置，应满足如下条件：
原位煤体超临界水气化制氢异层抽采的位置，选择深度≥1000m或垂向地应力σv达到22.5MPa以上的煤层。在此基础上作为更优的选择为：
（a）目标煤层与其顶板主要富水含水层的间距不小于20倍的煤层厚度，即/>≥20M，其中M为煤层厚度；
（b）煤层顶板20M以上存在高位结构关键层以及隔水关键层。
其中，结构关键层的特征为：弹性模量≥8GPa，完整岩样的单轴抗压强度≥50MPa；隔水关键层的特征为：岩层以泥质岩层为主，且其渗透系数≤10-12m/s；同时煤层顶板20M之上、主要含水层之下的岩层中，泥质岩层厚度占该段岩层厚度比例≥50%。
本实施例中选择2000m深度的煤层。
S2、地面施工倒T型-发散放射状分支井作为注入井，将深部煤层划分为若干个气化工作面；
1、倒T型-发散放射状分支井由注入立井1和注入水平井组成，其中注入水平井包括一段倾斜段和一段水平段，注入水平井通过倾斜段与注入立井1连接。一个注入立井1连接多个注入水平井，多个注入水平井分布于注入立井1的两侧，故倒T型-发散放射状分支井正视图为“倒T” （即⊥）形状，俯视图为长方形放射状。
本实施例中，注入立井1与多个注入水平井的连接处定义为分支点，该分支点以上只有一个注入立井1，在分支点以下发散为12个倾斜段，注入水平井待接近或进入煤层18后形成放射状水平段。注入水平井位于煤层18内，也可位于煤层顶底板中。若布置在煤层顶底板中，注入水平井与煤岩界面的间距优选为0.5~2m。注入水平井的方位角由地应力条件决定，即注入水平井的轴向方向平行于最小水平主应力方向，或垂直于最大水平主应力方向。注入水平井的长度为500~3000m。
其中，对于分支点A的深度h0优选为处于煤层顶板中，且h0≥30M，同时分支点A位于硬质岩层的非含水层中。
2、对于倒T型-发散放射状注入井的布井结构在大规模原位煤体超临界水气化时，可以实现以矩阵形式布置多个注入井系统，实现多组注入井各自开采相应的气化工作面。需要注意的是，对于注入井系统，在注入水平井的轴向方向上，相邻两个注入立井1之间的间距d1=2×水平段长度+隔离煤柱宽度；在平行煤层18且垂直水平段轴向的方向上，根据水平段间距与数量确定两个相邻注入立井1之间的间距d2，优选d2=500~5000m。为确保气化工作面推进过程中注入立井1、以及倾斜段的完整性，注入立井1在煤层18的水平投影位置与气化工作面边界的最小间距（即立井的保护煤柱宽度的1/2）优选为50~200m。
3、对于一组倒T型-发散状分支井的注入水平井的数量为2×3n=6n个（即注入立井1两侧各3n个），且n为自然数。
注入水平井数量优选n≥2，即注入立井1一侧的注入水平井数量至少为6个，1个注入立井1对应的注入水平井总数至少为12。此外，n的上限值应根据气化工作面个数、工作面气化时间、立井使用年限、收益成本等综合确定。参见图1，本实施例中注入井水平段的数量为12个：即图1中所示的第一注入水平井201~第十二注入水平井2012。
4、注入水平井的间距根据现场试验所得水力裂缝传播距离、隔离煤柱宽度确定。在本实施例中，参见图1，每三个注入水平井为一组，同组内相邻的注入水平井之间的间距为“水力裂缝传播距离的2倍”；两组之间相邻的两个注入水平井之间的间距为隔离煤柱的宽度。即，对于相邻3个水平段（编号分别为3i-2、3i-1、3i，且i为任意自然数）而言，3i-2与3i-1，3i-1与3i之间的间距为“水力裂缝传播距离的2倍”。对于第“3i”和“3i+1”个水平段而言，二者间距为隔离煤柱的宽度。
本实施例中，参见图1，对于相邻的第一注入水平井201、第二注入水平井202、第三注入水平井203，或者第四注入水平井204、第五注入水平井205、第六注入水平井206，或者第七注入水平井207、第八注入水平井208、第九注入水平井209，或者第十注入水平井2010、第十一注入水平井2011、第十二注入水平井2012，其间距为“水力裂缝传播距离的2倍”。对于水平段第三注入水平井203、第四注入水平井204，或者第九注入水平井209、第十注入水平井2010，其间距为隔离煤柱的宽度。
S3、对深部煤层划分气化工作面，再划分气化区，对各个气化区按后退式顺序开展体积压裂，具体为：
1、将深部煤层划分为若干个气化工作面。气化工作面的数量由水平段的数量决定：当水平段的数量为6n时，气化工作面的数量为2n。气化工作面为一长方形区域，短边尺寸=水平段（3i-2）和（3i）的间距；其长边尺寸=注入水平井的长度-注入井分支斜井段保护煤柱宽度a；a≥20m。
本实施例中，水平段的数量为12，故气化工作面的数量为4。4个气化工作面均为长方形区域，其中第一气化工作面501的短边尺寸=第一注入水平井201和第三注入水平井203的间距；第二气化工作面502的短边尺寸=第四注入水平井204和第六注入水平井206的间距；第三气化工作面503的短边尺寸=第七注入水平井207和第九注入水平井209的间距；第二四气化工作面504的短边尺寸=第十注入水平井2010和第十二注入水平井2012的间距。四个气化工作面的长边尺寸=注入水平井长度-注入井分支斜井段保护煤柱宽度a。优选注入井分支斜井段保护煤柱宽度a≥20m。
2、气化工作面靠近注入立井1的一侧为保护煤柱6，其余三边的边界为隔离煤柱。隔离煤柱的作用是防止水平段（3i-2）~（3i）之间的气化工作面反应时，过高的温度传导至相邻（3i+1）~（3i+3）之间的气化工作面，导致煤层热解、钻孔坍塌，水平段失效。其中，隔离煤柱宽度≥20m，进一步根据煤岩高温力学与热力学实验，结合数值模拟综合确定。
本实施例中，参见图2，四个气化工作面靠近注入立井1的一侧为保护煤柱6，第一气化工作面501的其余三边的边界为第一隔离煤柱301、第二隔离煤柱302、第八隔离煤柱308；第二气化工作面502的其余三边的边界为第二隔离煤柱302、第三隔离煤柱303、第八隔离煤柱308；第三气化工作面503的其余三边的边界为第四隔离煤柱304、第五隔离煤柱305、第七隔离煤柱307；第四气化工作面504的其余三边的边界为第五隔离煤柱305、第六隔离煤柱306、第七隔离煤柱307。为防止第一气化工作面501在气化反应过程中产生的高温传导至相邻的第二气化工作面502，或者第三气化工作面503的高温传导至第四气化工作面504，导致煤层热解、钻孔坍塌，水平段失效，故设置20m宽的隔离煤柱。
3、为有序可控进行原位煤体超临界水气化，将工作面再划分为若干个气化区。气化区为长方形区域，其长边尺寸=水平段（3i-2）与（3i）的间距；其短边尺寸=气化区内水力压裂段间距×水力压裂段的数量。由此，1个工作面内气化区的数量=（水平段长度-立井保护煤柱宽度）/气化区短边尺寸。
本实施例中：为有序可控进行原位煤体超临界水气化，以第一气化工作面501为例，将工作面再划分为2个气化区，即第一气化区901和第二气化区902。气化区为长方形区域，其长边尺寸与第一气化工作面501的短边尺寸相等，即等于第一注入水平井201与第三注入水平井203的间距；气化区短边尺寸=气化区内水力压裂段间距×水力压裂段的数量，即第一气化工作面501的长边尺寸的一半。
4、采用后退式压裂方法，先通过体积压裂方法对注入水平井端部且远离注入立井1一侧的气化区进行压裂，制造复杂缝网。利用缝网将煤体切割成较小块体，使煤块与超临界水接触面积增加，从而加快气化反应速率。待该气化区的反应结束后，再对靠近注入立井1的气化区开展压裂。重复该步骤，直至整个工作面气化反应结束。
本实施例中，采用后退式压裂方法，即按照图2中所示的后退式气化方向4，在第一气化区901内通过体积压裂方法对水平段端部且远离注入立井1一侧（即靠近第八隔离煤柱308）的区域进行压裂，而后再后退式依次压裂第一气化区901的其他部分。通过体积压裂在煤层中制造复杂缝网，利用缝网将煤体切割成较小块体，使煤块与超临界水接触面积增加，从而加快气化反应速率。待第一气化区901的反应结束后，再对第二气化区902开展压裂，直至整个工作面气化反应结束。
S4、在注入立井1中通入氧气，点燃气化区煤体，当燃烧温度达到374℃以上时再通入水蒸汽，加压使水蒸汽成为超临界态。按后退式压裂方法依次对所有气化区开展气化反应，实现工作面内原位煤体超临界水气化。
包括如下内容：
1、根据化学反应式：碳（C）+氧气（O2）→二氧化碳（CO2），并结合气化区内煤炭储量，估算注入立井1中通入O2的流量q。待流量达到q~2q后，关闭注入立井1井口的第二暂堵阀2002。
2、通过气化区水平段内均匀布置的若干点火装置12将煤层18点燃加热，在O2环境下燃烧，温度提升。优选温度达到500℃以上时，再通过注入立井1注入水蒸汽，并加压至22.1MPa以上，使其成为超临界水。
3、在气化区内的煤体发生超临界水气化反应。此时，在注入水平井内、气化区分界线上预先布置的自闭阀遇高温自动关闭。根据钻井内的温度传感器监测数据判断气化反应是否完成。同时在煤层18上方形成气化工作面覆岩裂隙带15；
按如下方法判断气化区内煤层是否气化完毕：
（a）若气化反应过程中温度低于374℃，且间歇注入O2和超临界水后，气化区内温度仍低于374℃，判断气化区内煤层基本气化完毕。
（b）否则，若3次及以上间歇通入O2和超临界水后，温度低于400℃，判断气化反应停止。
而后再对下一个气化区重复上述步骤，直至整个工作面的原位煤体完成超临界水气化。其他工作面采用相同步骤完成原位煤体超临界水气化。
本实施例中，在第一气化区901内的煤体发生超临界水气化反应。此时，在注入水平井内、气化区分界线上预先分别布置自闭阀14，在遇到第一气化区901内产生的高温后自闭阀14自动关闭。根据钻井内的温度传感器13的监测数据，判断第一气化区901内的气化反应是否完成，气化区内煤层是否基本气化完毕。而后再对第二气化区902重复上述步骤，直至整个第一气化工作面501的原位煤体完成超临界水气化。第二气化工作面502、第三气化工作面503、第四气化工作面504采用相同步骤完成原位煤体超临界水气化；在煤层18上方形成气化工作面覆岩裂隙带15，图5中标示了气化产物流动方向16。
S5、通过顶板U形井连通工作面气化后的覆岩裂隙，从生产井得到H2、CH4等气化产物。包括如下内容：
1、在煤层顶板19内施工U形生产井。生产井的施工时间优选在“所有工作面气化反应结束后”进行，以利用较高的流体压力提高H2、CH4等气化产物的抽采效率。如果井下反应流体压力很大，为确保安全，也可以在工作面气化反应前、或者工作面气化反应过程中施工U形生产井。U形生产井的数量为注入水平井数量的1/3，即2n个。本实施例中，U形生产井的数量为4个。U形生产井包括两侧的立井和两侧立井之间的水平段。其一侧的立井与注入立井1共用一口井，以降低成本。另一侧的立井分别为第一生产立井801、第二生产立井802、第三生产立井803、第四生产立井804。第一生产立井801通过第一生产水平井701与注入立井1相连接，第二生产立井802通过第二生产水平井702与注入立井1相连接，第三生产立井803通过第三生产水平井703与注入立井1相连接，第四生产立井804通过第四生产水平井704与注入立井1相连接。
U形生产井在水平方向的位置：U形生产井水平段与注入井的第（3i-1）个水平段的水平投影距离，优选为“气化工作面短边的1/3~1/8”。本实施例中，第一生产水平井701与第三注入水平井203、第二生产水平井702与第六注入水平井206、第三生产水平井703与第九注入水平井209、第四生产水平井704与第十二注入水平井2012二者水平投影间距为“气化工作面短边的1/3~1/8”。
U形生产井在竖直方向的位置：U形生产井水平段优选在硬质岩层中，其与煤层的垂距h1优选为5M≤h1≤20M（其中M为煤层厚度），且位于覆岩裂隙带内。
U形生产井水平段为花孔耐腐蚀管。在U形井所在顶板处开展水力压裂，进一步连通水平段与覆岩裂隙，提高该处岩层的渗透性。进而提高H2、CH4等的抽采效率。
S6、通过注入井依次在每个工作面内注入ScCO2，驱出轻质的H2、CH4等气化产物，提高气化产物抽采率，而后封孔。或在气化完成后的工作面内注入H2，实现安全、大规模深地储氢。
1、注入ScCO2的情形：
（a）工作面气化反应结束后，将地表收集好的CO2通入注入井，同时调节生产井的暂堵阀，使井下流体压力加压至7.3MPa以上，使CO2成为超临界态（ScCO2），并将超临界CO2注满整个工作面空区。图5中标示了注入超临界CO2的流动方向17。
本实施例中，待第一气化工作面501气化反应结束后，将地表收集好的CO2通入注入井，同时调节第一生产立井801处的第三暂堵阀2003，使井下流体压力加压至7.3MPa以上，使CO2成为超临界态（ScCO2），并将超临界CO2注满整个第一气化工作面501的空区。
（b）利用ScCO2密度远高于H2、CH4等气化产物的物理特点，随着ScCO2的注入，因井下压力降低而残留在气化工作面空区的轻质H2、CH4等通过顶板裂隙、生产井被抽采出地面。
本实施例中，随着ScCO2的注入，轻质的H2、CH4等通过顶板裂隙、第一生产水平井701和第一生产立井801被抽采出地面。
（c）待生产井处CO2浓度快速增加，关闭保护煤柱内、以及生产井的暂堵阀，使CO2暂时封存在工作面空区内。
本实施例中，待第一生产立井801处CO2浓度快速增加，关闭注入立井1井口的第二暂堵阀2002、以及第一生产水平井701与注入立井1连接处的第一暂堵阀2001，使CO2暂时封存在第一气化工作面501内。
（d）重复以上步骤，使所有工作面内充满ScCO2，并在生产井处高效抽采H2、CH4等气化产物。
本实施例中，使第二气化工作面502、第三气化工作面503、第四气化工作面504内充满ScCO2，并在第一生产立井801处高效抽采H2、CH4等气化产物。
（e）用高强度、耐腐蚀材料封堵注入井和生产井，实现CO2长期地质封存。同时利用深部不可采煤层，实现深部不可采煤炭的低碳（负碳）、氢能化利用。
2、注入H2的情形：
（a）工作面气化反应结束后，将地表收集好的H2通入注入井，使H2注满整个工作面采空区，并继续加压。关闭保护煤柱以及生产井处的暂堵阀。需要注意，加压后H2的压力P（H2）优选P（H2）≤0.7σv，σv为垂向地应力。
本实施例中，待第一气化工作面501气化反应结束后，将地表收集好的H2通入注入井，使H2注满整个第一气化工作面501的空区。
（b）打开生产井处的暂堵阀，实现H2从气化工作面空区——覆岩裂隙——生产井——地表，实现H2利用。
本实施例中，保持保护煤柱处暂堵阀关闭，打开生产井处的暂堵阀，使高压H2从第一气化工作面501的空区——覆岩裂隙——第一生产水平井701和第一生产立井801——地表进行流动，实现H2利用。
（c）重复以上步骤，实现深部不可采煤炭的氢能化利用、负碳与储氢一体化。
本实施例中：重复以上步骤，使第二气化工作面502、第三气化工作面503、第四气化工作面504内充满H2，实现制氢、储氢过程。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (10)
1.一种原位煤体超临界水气化制氢异层开采方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、向煤层（18）钻入注入井，所述注入井包括注入立井（1）和连接在注入立井（1）底部且延伸在煤层（18）内的注入水平井；
S2、采用后退式压裂方法，从注入水平井的远端至注入立井（1）的方向逐步进行压裂，在煤层（18）中制造复杂缝网；
S3、向注入立井（1）注入超临界水，按后退式压裂方法依次对煤层（18）开展气化反应，实现工作面内原位煤体超临界水气化；在此过程中在煤层（18）上方形成气化工作面覆岩裂隙带（15）；
S4、向气化工作面覆岩裂隙带（15）钻入生产井，从注入立井（1）注入超临界CO2，驱出煤层（18）中的气化产物，被驱出的气化产物沿气化工作面覆岩裂隙带（15）进入生产井，并通过生产井采出。
2.根据权利要求1所述的一种原位煤体超临界水气化制氢异层开采方法，其特征在于，工作面气化反应结束后，将地表收集好的H2通入注入立井（1），使H2注满整个被开采后的采空区，实现储氢。
3.根据权利要求1所述的一种原位煤体超临界水气化制氢异层开采方法，其特征在于，步骤S2中通过体积压裂方法对注入水平井远离注入立井（1）一端的气化区进行压裂，制造复杂缝网，利用缝网将煤体切割成较小块体；待该气化区的反应结束后，再逐渐对靠近注入立井（1）的气化区开展压裂；重复步骤S2，直至整个工作面气化反应结束。
4.根据权利要求1所述的一种原位煤体超临界水气化制氢异层开采方法，其特征在于，或在工作面气化反应前、或在工作面气化反应过程中施工生产井。
5.根据权利要求1所述的一种原位煤体超临界水气化制氢异层开采方法，其特征在于，所述煤层（18）为深度≥1000m或垂向地应力σv＞22.5MPa的煤层。
6.用于如权利要求1-5任一项所述的一种原位煤体超临界水气化制氢异层开采方法的开采装置，其特征在于，所述的注入井为倒T型-发散放射状分支井；倒T型-发散放射状分支井由注入立井（1）和多个注入水平井组成，所述注入水平井包括一倾斜段和一水平段，注入水平井通过倾斜段与注入立井（1）连接；多个注入水平井分布于注入立井（1）的两侧。
7.根据权利要求6所述的用于一种原位煤体超临界水气化制氢异层开采方法的开采装置，其特征在于，根据注入水平井的数量将煤层（18）划分为若干个气化工作面，6n个注入水平井平均分布在2n个气化工作面中。
8.根据权利要求7所述的用于一种原位煤体超临界水气化制氢异层开采方法的开采装置，其特征在于，气化工作面靠近注入立井（1）的一侧为保护煤柱（6），其余三边的边界为隔离煤柱；气化工作面为一长方形区域，气化工作面的短边尺寸与分布在同一气化工作面内的相邻三个注入水平井之间的间距相等；气化工作面的长边尺寸=注入水平井的长度-注入井分支斜井段保护煤柱宽度。
9.根据权利要求8所述的用于一种原位煤体超临界水气化制氢异层开采方法的开采装置，其特征在于，所述的气化工作面内划分为多个气化区，通过按后退式压裂方法逐个对各气化区依次进行压裂，制造复杂缝网。
10.根据权利要求6所述的用于一种原位煤体超临界水气化制氢异层开采方法的开采装置，其特征在于，所述的生产井为U形生产井，U形生产井的数量为注入水平井数量的1/3；U形生产井包括两侧的立井和两侧立井之间的水平段；U形生产井一侧的立井与注入立井（1）共用一口井，另一侧的立井通过对应的水平段与注入立井（1）相连接。
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