一种基于煤炭地下原位燃烧气化及采气采热的方法和系统与流程

本发明涉及于煤炭地下原位利用，尤其是涉及一种基于煤炭地下原位燃烧气化及采气采热方法和系统。

背景技术：

1、我国深部煤炭资源储量丰富，1000米以浅查明的煤炭资源量10176.45亿吨，埋深1000～2000米的煤炭资源在27000亿吨以上，埋深1000～3000米的煤炭资源约37700亿吨，据预测我国近70％的煤炭资源分布在1000米以深。

2、埋深大于1000米的煤炭资源因冲击地压、热害等，采用传统井工开采方式难以经济有效开采；埋深1000米以浅的煤炭资源也因环境和安全问题开采受限，部分省区甚至全面禁止开采。深部采矿普遍存在着高压、高温问题，煤炭的井工开采还面临着突水、瓦斯或岩爆灾害、高温热害、冲击地压等一系列的工程技术难题，极易引发工程事故，造成生命和财产损失。据预测，按现有的技术水平，在煤工作面环境温度、巷道变形控制以及采动岩体能量聚集灾变等方面的限制下，传统的井工开采煤炭资源极限开采深度在1500米。因此深部丰富的煤炭资源利用，必须创新开发技术，找到新思路，而传统技术却难以进行高效且高经济效益的深部煤炭资源开采利用。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有煤炭井工开采技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于煤炭地下原位燃烧气化及采气采热方法，解决了当前难以进行高效且高经济效益的深部煤炭资源开采利用的问题。

2、本发明还提供一种基于煤炭地下原位燃烧气化及采气采热系统。

3、根据本发明的第一方面实施例的基于煤炭地下原位燃烧气化及采气采热方法，包括以下步骤：

4、确定煤层区域，特别是高挥发份煤炭分布区域，以合理划分多个燃烧单元；

5、准备制氧、连续油管、侧向供气头、煤层点火装置、温控供气筛管和采气筛管；

6、在每个所述燃烧气化单元上实施1口燃烧采热u型井，在燃烧采热u型井的两侧各15-20米、平行燃烧采热u型井的水平段各实施1口采气水平井，燃烧采热u型井水平井段采用温控供气筛管完井，采气水平井的水平井段采用采气筛管完井；

7、注入氧气或空气等助燃气化剂，并利用所述连续油管、侧向供氧头、煤层点火装置和温控供气筛管控制煤层燃烧及燃烧区两侧煤炭的气化及干馏；

8、通过燃烧采热u型井的采热直井段采出煤层燃烧产生的高温二氧化碳来热能以转换为电能进行利用；

9、通过采气水平井采出气化及干馏产物，首先提取气化及干馏产物热能加以利用，之后将气化及干馏产物直接作为燃料利用或分离得到氢气、甲烷、一氧化碳等气体及半生其他产物加以利用。

10、根据本发明实施例的基于煤炭地下原位燃烧气化及采气采热方法，至少具有如下有益效果：

11、通过利用本发明方法，可以实现煤地下原位燃烧并气化，同时获取气化产物和燃烧热能。其中热能的采出以燃烧采热u型井采出燃烧产生的高温二氧化碳混合气采出热能为主，以采气井采出的高温气化及干馏产物的热能为辅，将这些热能提取并转换为电能利用；通过采气水平井采出的气化及干馏产物，在提取热能后，通过气体分离得到氢气、甲烷、一氧化碳及其他产物进行利用；如果为富油煤，还可以形成一定量的轻质石油加以利用；燃烧气化完成后的带状燃空区作为新形成的地下空间，可以封存部分二氧化碳，或用于其他目的。对于本发明实施例的方法，煤炭地下原位充分燃烧气化时直接产生热能，这些热能的一部分又促使燃烧区两侧煤炭发生热转化，形成有较高价值的氢气、甲烷、一氧化碳等及其他气化及干馏产物，实现热能和气化及干馏产物的同时产出。通过采出热能和气化及干馏产物，使得煤炭的热能和气化及干馏产物均得到充分利用；由于本方法不需要人员在井下作业，可杜绝煤炭井工开采的生命及财产安全问题；由于不需要在地面堆放煤炭、不需要洗煤作业，这将大幅度减少煤炭开采、储存、洗选、运输和利用过程中的固体废弃物污染及土地的占用；由于将运煤改为输电，可节省大量的煤炭运力；煤炭燃烧后产生废渣留在了燃空区，占有一定的空间，且燃空区为带状，宽度在30米左右，两侧有4-5米的板交货干馏没作为支撑，在煤层厚度小于5米、煤层埋深大于600米的情况下，其形成的冒落带和裂隙带对地表的影响有限，地表变形会明显小于井工开采时的地表变形，对地表影响小。最终可实现对埋深大于对当前井工开采深度的煤炭资源以及传统井工技术难动用煤炭资源的利用，实现可利用煤炭资源的大幅度增加。

12、根据本发明的一些实施例，所述采出煤层燃烧气化及干馏产生的热能及气化及干馏产物的利用，包括以下步骤：

13、采出煤层燃烧产生的高温二氧化碳混合气，提取气化及干馏产物的热能，将两方面的热能进行发电利用；

14、采出煤炭气化及干馏形成的气化及干馏产物直接燃烧利用，或进行进一步分离，获取氢气，甲烷、一氧化碳及其他产物后分别加以利用，实现经济效益最大化；

15、根据本发明的一些实施例，采出煤层燃烧产生的高温二氧化碳混合气，采出煤原位气化及干馏产物并提取热能，将两方面热能用于发电，包括以下步骤：

16、建立燃烧区压力控制指标，控制燃烧区气体压力，使得燃烧区气体压力略大于两侧煤炭气化及干馏区的气化气压力，使得气化及干馏产物流向采气井并采出；

17、根据维持燃烧区压力需求，控制所述高温二氧化碳混合气的采出气量，高温二氧化碳混合气采出至井口，并经换热处理后进行发电、或直接用于发电；

18、采出的高温气化及干馏产物，通过换热处理提取热能，用于发电的热能补充。

19、根据本发明的一些实施例，所述确定煤层区域，以合理划分多个燃烧气化单元，包括以下步骤：

20、以高挥发分煤炭产区为主，在煤炭分布区并优选煤层，所述在煤炭分布区优选煤层至少满足煤层埋深要求、煤层厚度要求、煤层稳定连续分布要求和煤层顶底板隔水及煤层含水要求；

21、在所述煤炭分布区优选出的煤层中，根据煤层连续性和稳定性、地面钻井施工需求以及装备部署需求，划分多个所述燃烧气化单元。

22、根据本发明的一些实施例，所述在每个所述燃烧气化单元上实施燃烧采热u型井和采气水平井钻完井，包括以下步骤：

23、在每个所述燃烧单元的目标煤层钻探燃烧采热u型井；

24、在每个所述燃烧采热u型井的水平井段实施温控供气筛管完井，氧气、空气等助燃剂通过筛管的筛孔向两侧喷出，控制煤层燃烧；燃烧采热u型井采气端直井段用耐高温、保温水泥固井，确保高温气体采出时井筒的稳定性，并减少热能损失；

25、在每个所述采气水平井的水平井段实施采气筛管完井，采气筛管采用激光割缝制造，激光割缝的缝宽能够保证氢气、甲烷、一氧化碳及轻质油等气化及干馏产物顺畅流入，并将煤屑等李静大于0.1毫米的固体颗粒物隔离，减少地面分离成本。

26、根据本发明的一些实施例，若所述燃烧气化单元为多叠层燃烧气化单元，所述燃烧采热u型井及采气水平井采用多分支井，所述多叠层燃烧气化单元表示在多个叠合煤层下所划分的燃烧气化单元，所述多分支井由所述燃烧采热u型井的多个水平井段和采热水平井的多个水平井段组成。

27、根据本发明的一些实施例，所述准备制氧、连续油管、侧向供气头、煤层点火装置、温控供气筛管和采气筛管，包括以下步骤：

28、准备含氧量满足要求的空分制氧装置；

29、确定所述温控供气筛管，其在直井段采用无缝钢管，水平段采用耐高温无缝钢管制作筛孔制成供气筛管，且除了点火区外，其他供气筛管段的筛孔用在一定温度下融化的材料封堵；

30、在所述燃烧采热u型井内下入所述供气管，并在所述供气管内下入所述带有侧向供气头和煤层点火装置的连续油管。

31、根据本发明的一些实施例，所述注气并利用所述连续油管和所温控供气筛管控制煤层燃烧，包括以下步骤：

32、在所供气筛管内，通过连续油管前端的侧向供气头下入煤层点火装置；

33、通过所述连续油管经侧向供气头向煤层注气；

34、启动所述点火装置引燃煤层，以使得煤层持续充分燃烧产生热能，并引起燃烧区两侧煤层气化及干馏。

35、在一些实施例中，各燃烧单元的采气水平井两侧，经燃烧控制，留有2米左右的半焦及少量干馏煤，作为保护煤柱；同时也作为固体隔档，用以阻止燃烧区二氧化碳大量混入气化及干馏产物内。

36、根据本发明的第二方面实施例的基于煤炭地下原位燃烧气化及采气采热系统，包括：

37、燃烧气化区确定单元，用于在煤层分布区确定煤层，并合理划分多个燃烧气化单元；

38、准备单元，用于准备制氧、连续油管、侧向供气头、煤层点火装置、温控供气筛管和采气筛管；

39、钻井单元，用于在每个所述燃烧气化单元上实施燃烧采热u型井和采气水平井钻完井；

40、实施燃烧单元，用于注气并利用所述连续油管、侧向供气头、煤层点火装置和所述温控供氧筛管控制煤层点火、持续燃烧气化及干馏；

41、采能单元，用于采出煤层燃烧气化时产生的热能以转换为电能进行利用；

42、采气单元，用于采出煤层燃烧气化及干馏时产生的氢气、甲烷、一氧化碳及其他产物进行利用；

43、封存单元，用于在燃空区、枯竭气田或深部圈闭进行二氧化碳封存。

44、根据本发明实施例的基于煤炭地下原位燃烧气化及采气采热系统，至少具有如下有益效果：

45、通过利用本发明系统，可以实现煤地下原位燃烧气化及干馏，产生气化及干馏产物及热能；通过采出燃烧产生的二氧化碳混合气、气化及干馏产物，采出热能以转换为电能利用，并采出煤炭气化及干馏产物进行利用，同时将二氧化碳进行部分或全部封存。对于本发明实施例的系统，其将煤炭地下原位燃烧与气化及干馏技术结合，对埋深较大及传统井工开采技术难以开采的煤炭进行原位燃烧气化、利用燃烧产生的高温二氧化碳和气化及干馏产物采出热能，同时采出气化及管理产物进行利用，通过燃控区封存部分二氧化碳，深部圈闭或枯竭气田封存其余的二氧化碳，在充分利用煤炭热能、气化及干馏产物的同时，减少固体及气体废弃物排放对环境造成的影响，降低了煤炭利用中的环境污染，并且煤炭燃烧后产生的燃空区变形对地表影响小，也使得对地质环境影响小。因此最终实现了因埋深及其他条件限制当前难以井工开采的煤炭资源的利用，实现可利用煤炭资源的大幅度增加。

46、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。