一种富油煤地下原位气化与热解一体化共采方法

1.本发明属于富油煤开采技术领域，具体涉及一种富油煤地下原位气化与热解一体化共采方法。


背景技术：

2.随着我国经济的不断发展，对各类能源尤其是油气资源的需求量日益增大，然而我国能源资源具有缺油、少气、相对富煤的禀赋特征，因此如何将相对富集的煤炭资源更好地开发利用已经成为我国能源安全战略的重要一环。与传统煤炭资源相比，富油煤作为集煤油气属性为一体的煤炭资源，凭借其特有的巨大开发潜力和高油气资源转化率等特点逐渐成为备受关注的重点资源。充分利用富油煤特性，实现富油煤从单一固态燃料向煤基油气资源的转变，可增加油气资源供给渠道和供给量，推动相关技术产业化。
3.地下原位处理技术是目前我国绿色低碳化开采煤炭资源的主要研究方向，相比传统的地面处理工艺可节省大量的资源，降低运输和人工成本，主要包括地下原位气化和地下原位热解技术。地下原位气化是利用富油煤的可控燃烧，将固态煤炭资源转化为多种气态物质，经过分级处理后形成可供使用的燃气资源。地下原位热解是使富油煤在高温无氧环境中发生热解反应，从而提氢留碳，分离提取富油煤中的油和气，形成符合不同用途标准的油料资源和燃气资源。地下原位气化和热解技术能够最大限度地开发富油煤资源，且受煤层形态和分布特征影响较小。
4.现有地下原位技术多为单一气化或热解地运用，而并未将两种方法有机结合起来。而实际中单一方法实施过程中产生的大量热量无法得到有效利用，过多的热能聚集在地层中甚至对地层稳定性造成威胁。将地下原位气化和热解技术综合运用可以有效提高热能和煤炭资源的利用率，促进富油煤的绿色低碳化开采和高效清洁利用。针对目前富油煤开发利用方式单一及资源利用率较低等突出问题和挑战，亟需一种富油煤地下原位气化与热解的一体化共采方法。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种富油煤地下原位气化与热解一体化共采方法。该方法通过在富油煤的下层煤层和上层煤层中分别开设通道形成独立的富油煤地下原位气化系统和富油煤地下原位热解系统，并利用下层煤层原位气化产生的热能对上层煤层进行原位热解，实现了富油煤地下原位气化与热解一体化，提高了富油煤的开采利用率，增大了富油煤产物气态物质、油气的供给量，避免了热能浪费。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种富油煤地下原位气化与热解一体化共采方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
7.步骤一、沿着竖直方向从地面向富油煤的下层煤层中开挖气化注入通道和气化输出通道，然后在下层煤层中开挖连通气化注入通道与气化输出通道的气化水平井；所述下
层煤层的顶部和底部分别设置有下层煤层上覆地层和下层煤层下伏地层；
8.步骤二、沿着竖直方向从地面向富油煤的上层煤层中开挖热解注入通道和热解输出通道，然后在上层煤层中开挖连通热解注入通道与热解输出通道的热解水平井；所述上层煤层的顶部和底部分别设置有上层煤层上覆地层和上层煤层下伏地层；
9.步骤三、沿着气化注入通道在上层煤层下伏地层的顶部开挖填充通道，然后在填充通道的底面上向下开挖数个填充洞，并在填充洞中填充导热材料形成导热柱；
10.所述导热柱贯穿上层煤层下伏地层并延伸至下层煤层上覆地层中，但不进入下层煤层中；
11.步骤四、通过气化注入通道向下层煤层中注入气化剂并点燃，使得下层煤层中的富油煤进行原位气化，逐渐形成气化腔，原位气化产生的气态物质聚集在气化腔中并沿着气化水平井从气化输出通道输出，而原位气化产生的热能经下层煤层上覆地层、上层煤层下伏地层传导至导热柱中收集后，继续传导至上层煤层中进行加热，使得上层煤层中的富油煤进行原位热解，原位热解产生的油气沿着热解水平井从热解输出通道输出。
12.本发明通过在富油煤的下层煤层中开挖气化注入通道、气化输出通道以及连通两者的气化水平井，形成富油煤地下原位气化系统，在富油煤的上层煤层中开挖热解注入通道、热解输出通道以及连通两者的热解水平井，形成富油煤地下热解系统，通常，下层煤层和上层煤层中的出入通道的数量均不止一个，但每个煤层中至少要保证有一对出入通道；同时，在富油煤地下原位气化系统与富油煤地下热解系统之间的下层煤层上覆地层、上层煤层下伏地层中开挖填充洞并填充导热材料形成导热柱，避免了导热柱直接进入上层煤层或下层煤层中直接受到气化或热解的高温不良影响，以及导热柱底部没有岩土体阻挡、煤层顶板发生形变或小范围垮落时影响导热柱结构和导热效率的问题，通常导热柱的数量布置一个且均匀分布；然后向富油煤地下原位气化系统中的下层煤层中注入气化剂如氧气等对富油煤进行原位气化，使得富油煤与气化剂充分接触燃烧，随着富油煤的减少与原位气化产物的形成，在下层煤层中逐渐形成气化腔，随着原位气化进程的进行，气化腔的位置不断向未充分反应的富油煤方向移动，使得原位气化过程持续进行，而原位气化产生的气态物质聚集在气化腔中并沿着气化水平井从气化输出通道输出进行后处理利用，而原位气化产生的热能经下层煤层上覆地层、上层煤层下伏地层传导至导热柱中收集后，继续传导至富油煤地下热解系统中的上层煤层中进行加热，使得上层煤层中的富油煤进行原位热解，原位热解产生的油气沿着热解水平井从热解输出通道输出进行后处理利用。
13.上述的一种富油煤地下原位气化与热解一体化共采方法，其特征在于，步骤二中在所述热解水平井的表面上开挖小孔，然后经气化注入通道向小孔中注入压裂液进行非定向压裂，在上层煤层中形成人造裂隙。本发明通过在热解水平井的表面上开挖小孔，通常为均匀分布的小孔，且小孔的间距不应太小，以免影响上层煤层的稳定性，然后向小孔中注入压裂液，通常压裂液中含有有助于提高富油煤热解产物产量的成分，采用压裂液对小孔进行非定向压裂，使得小孔周围发生破裂形成人造裂隙，增加了热解面的面积，促进了上层煤层中原位热解过程的进行，有利于提高热解效率，进而提高了热解产物油气的产量。
14.上述的一种富油煤地下原位气化与热解一体化共采方法，其特征在于，步骤三中所述导热材料为具有高导热率的金属材料。该优选的导热材料有利于快速收集聚集传导至下层煤层上覆地层、上层煤层下伏地层中的热能，并迅速传递到上层煤层中，为上层煤层的
热解提供温度和热能，保证了原位气化热解过程的有效进行，进一步减少了热能损失。
15.上述的一种富油煤地下原位气化与热解一体化共采方法，其特征在于，步骤三中将开挖填充洞形成的岩土体回填至填充通道中。在向填充洞中填充导热材料形成导热柱后，将开挖填充洞形成的岩土体回填至填充通道中，避免了上层煤层下伏地层的顶部中存在孔道，加强了对上层煤层的支撑作用，有效防止了上层煤层热解过程中因上层煤层热解减少发生塌陷，进一步保证了地下原位热解过程的稳定性。
16.上述的一种富油煤地下原位气化与热解一体化共采方法，其特征在于，步骤四中所述原位气化产生的气态物质输出后进入设置在地面上的气化产物处理装置中进行分级处理；步骤五中所述原位热解产生的油气输出后进入设置在地面上的热解产物处理装置进行油气分离和分级处理。通过对原位气化产生的气态物质和原位热解产生的油气进一步进行处理，得到不同形态的产物，以用于不同的用途，极大地丰富了油气资源供给种类。
17.本发明与现有技术相比具有以下优点：
18.1、本发明通过在富油煤的下层煤层和上层煤层中分别开设通道，形成独立的富油煤地下原位气化系统和富油煤地下原位热解系统，分别对下层煤层进行原位气化，并利用下层煤层气化产生的热能对上层煤层进行原位热解，实现了富油煤地下原位气化与热解一体化，提高了富油煤的开采利用率，增大了富油煤产物气态物质、油气的供给量，避免了热能浪费。
19.2、本发明采用地下原位气化技术对富油煤进行开采利用，提高了富油煤的开采利用率，最大程度上避免了油气资源的浪费，增大了燃气资源的供给量。
20.3、本发明采用富油煤下层煤层原位气化产生的热能对上层煤层进行原位热解，通过在下层煤层与上层煤层之间设置导热柱，将热能引导至上层煤层中，尽量减少了热能损失，实现了富油煤地下原位气化产物的高效再利用，提高了能量与资源的综合利用率，促进了富油煤的绿色低碳开发和高效清洁利用。
21.4、本发明通过将地下原位气化产生的热能用于富油煤的下层煤层进行原位热解，避免了过多的热能聚集在煤层周围的地层中，对地层的稳定性造成威胁，提高了地下原位气化与热解一体化过程的稳定性。
22.5、本发明针对富油煤中的多层煤层，开发地下原位气化与原位热解结合的立体化应用模式，丰富了煤炭资源的开发利用形式与思路。
23.下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
24.图1为本发明富油煤地下原位气化与热解一体化共采方法的示意图。
25.附图标记说明:
26.1—气化注入通道；
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2—热解注入通道；
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3—热解输出通道；
27.4—气化输出通道；
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5—气化产物处理装置；
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6—热解产物处理装置；
28.7—热解水平井；
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8—气化水平井；
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9—人造裂隙；
29.10—填充通道；
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11—导热柱；
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12—气化腔；
30.13—下层煤层下伏地层；
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14—下层煤层；
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15—下层煤层上覆地层；
31.16—上层煤层下伏地层；
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17—上层煤层；
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18—上层煤层上覆地层。
具体实施方式
32.实施例1
33.图1所示，本实施例包括以下步骤：
34.步骤一、沿着竖直方向从地面向富油煤的下层煤层14中开挖气化注入通道1和气化输出通道4，然后在下层煤层14中开挖连通气化注入通道1与气化输出通道4的气化水平井8；所述下层煤层14的顶部和底部分别设置有下层煤层上覆地层15和下层煤层下伏地层13；
35.步骤二、沿着竖直方向从地面向富油煤的上层煤层17中开挖热解注入通道2和热解输出通道3，然后在上层煤层17中开挖连通热解注入通道2与热解输出通道3的热解水平井7；所述上层煤层17的顶部和底部分别设置有上层煤层上覆地层18和上层煤层下伏地层16；
36.步骤三、沿着气化注入通道1在上层煤层下伏地层16的顶部开挖填充通道10，然后在填充通道10的底面上向下开挖数个填充洞，并在填充洞中填充导热材料形成导热柱11；所述导热柱11贯穿上层煤层下伏地层16并延伸至下层煤层上覆地层15中，但不进入下层煤层14中；
37.步骤四、通过气化注入通道1向下层煤层14中注入气化剂并点燃，使得下层煤层14中的富油煤进行原位气化，逐渐形成气化腔12，原位气化产生的气态物质聚集在气化腔12中并沿着气化水平井8从气化输出通道4输出，而原位气化产生的热能经下层煤层上覆地层15、上层煤层下伏地层16传导至导热柱11中收集后，继续传导至上层煤层17中进行加热，使得上层煤层17中的富油煤进行原位热解，原位热解产生的油气沿着热解水平井7从热解输出通道3输出。
38.进一步地，本实施例在所述热解水平井7的表面上开挖小孔，然后经气化注入通道1向小孔中注入压裂液进行非定向压裂，在上层煤层17中形成人造裂隙9。
39.进一步地，本实施例中所述导热材料为具有高导热率的金属材料。通常优选的导热材料为铜。
40.进一步地，本实施例中将开挖填充洞形成的岩土体回填至填充通道10中。
41.进一步地，本实施例中所述原位气化产生的气态物质输出后进入设置在地面上的气化产物处理装置5中进行分级处理；步骤五中所述原位热解产生的油气输出后进入设置在地面上的热解产物处理装置6进行油气分离和分级处理。
42.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。