一种基于等离子通道的煤炭地下原位热解系统及方法与流程

本发明属于煤化工，具体涉及一种基于等离子通道的煤炭地下原位热解系统及方法。

背景技术：

1、煤是我国的主要能源，长期以来占一次能源消费的70％左右。目前探明煤炭储量中一半以上为低阶煤，但其常规利用方式(直接燃烧或气化)具有效率低、污染物和碳排放量大的缺点，无法充分利用其潜在的油气资源价值,导致了煤炭资源的巨大浪费。依据低阶煤的组成与结构特征，形成低阶煤的清洁高效梯级利用技术体系，实现其合理优化利用，意义十分重大。

2、热解技术作为煤炭梯级利用的核心与先导技术，是开发煤基油气资源的有效手段。钻井式地下原位热解是指通过钻井施工及人工造缝的方法，使地下煤层形成贯穿通道，之后进行加热、反应与产物抽提的热解工艺。相较于其他热解技术，其具有减少地面干馏工程、无需建设井下采掘巷道、可采煤炭深度范围大、降低碳排放、避免地表沉陷等诸多优点，且类似的方法已经在油页岩体系中成功实践至工程阶段，因此具有值得期待的发展前景。

3、必要的储层改造可以帮助改善煤层加热效果、强化产物输运、提高工艺采出率，对地下热解全流程的高效实现都至关重要。传统的水力压裂技术通过将压裂液泵入井内在储层内产生高压，使地层破裂并延伸裂缝。不仅产生裂缝数量少，裂缝延伸范围有限，而且裂缝的位置、形状与走向较难进行调控。此外，采用热流体加热的地下原位热解工艺中，随着热流体由注入井经由水平井与地下煤层向采出井流动的过程中，伴随着煤层物理与化学吸热，其温度不断降低。若产物输运方向与热量输运方向一致，随着产物向采出井流动，关键热解产物焦油黏度不断增大，导致其运输与收集困难，焦油产率降低；粘稠液相物质也可能在煤层孔隙中滞留造成堵塞。常规的连续加热与采出工艺模式也会导致热流体在煤层内停留时间较短，其还未渗流进入距离水平井较远的煤层时就已经由采出井离开煤层。对流换热提供的热量集中在水平井周围的煤层中，不能充分加热整个煤层。因此会造成煤层裂隙不可控，渗透率低，油气采收率低，开采成本高的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于等离子通道的煤炭地下原位热解系统及方法，以解决现有的煤层改造开采技术产生的裂隙不可控，使得煤层渗透率低，油气采收率低的问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供一种基于等离子通道的煤炭地下原位热解系统，包括：

4、高压交变电源、中心井、多个水平井、高压电缆、正极电极、负极电极和多个注气井；中心井垂直于地下煤层开设，以中心井为中心，开设多个水平井，水平井与中心井垂直开设，多个水平井的一端均与中心井的底端相连；高压交变电源设置在煤层上，正极电极和负极电极交替设置在多个水平井的另一端，正极电极和负极电极均通过高压电缆与高压交变电源相连；以中心井为中心的圆周或正方形边上均匀设置有多个注气井。

5、进一步的，所述中心井作为注入井时，用于注入高温热流体；所述中心井作为采出井时，用于采出油气产物。

6、进一步的，所述以中心井为中心的圆周或正方形边上均匀设置有多个注气井具体为：

7、以中心井为圆心半径5m-10m的圆周上均匀设置有多个注气井，或，以中心井为中心边长为10m的正方形边上均匀设置有多个注气井。

8、进一步的，以中心井为中心向四周开设多组水平井。

9、进一步的，还包括太阳能光伏发电板、风力发电机、逆变器和变压器，太阳能光伏发电板和风力发电机均与逆变器相连，逆变器与变压器相连，变压器与正极电极和负极电极相连。

10、进一步的，以中心井底部为中心向四周开设八个水平井；以中心井为中心在边长为10m的正方形边上开设八个均匀分布的注气井。

11、第二方面，本发明提供一种基于等离子通道的煤炭地下原位热解方法，基于上述中任一项所述的一种基于等离子通道的煤炭地下原位热解系统，包括：

12、从地面向煤层内钻出中心井，以中心井底部为中心向四周钻出呈辐射状的多个水平井；以中心井为中心的圆周或正方形边上均匀钻出多个注气井；

13、在多个水平井中交替放置正极电极和负极电极；正极电极和负极电极均通过高压电缆与地面的高压交变电源连接；

14、开启高压交变电源，置于水平井中的正负电极之间形成等离子体通道，破碎其中的煤层，形成均匀分布的裂缝；

15、关闭注气井，此时中心井作为注入井，向中心井中注入高温热流体，高温热流体流过等离子体通道致裂形成的裂缝，加热整个煤层区域；

16、热解一段时间后，关闭中心井，焖井3-10天；

17、打开注气井与中心井，并向注气井中注入常温惰性流体；注入的常温惰性流体将水平井中汇聚的油气产物反向吹扫至中心井；此时中心井作为采出井，对油气产物进行收集。

18、进一步的，所述中心井中注入的高温热流体为氮气、二氧化碳或水蒸气，温度为700-800℃。

19、进一步的，所述高压电缆为耐受700-1000℃的耐火电缆。

20、进一步的，所述高压交变电源产生1000-5000kv的高压。

21、本发明至少具有以下有益效果：

22、1、本发明通过在煤层中钻出辐射状的水平井，并利用高压交变电源与正负电极相连，在煤层中形成等离子体通道，对储层进行精准改造，形成更均匀的致裂储层与更复杂的缝隙网络，更有效提高煤层的渗透率，可以提高对流换热与产物输运的效率，有利于提高后续的煤层加热与产物采出；此外，开设兼具注入与采出功能的中心井，在注入高温热流体热解后进行焖井，通过注气井将水平井中汇聚的油气产物吹扫至中心井进行收集，可以减少地下热解过程的热量损失与质量损失，在提高加热效率的同时提高产物收率。

23、2、本发明基于辐射状的水平井热解系统相较于传统的单水平井体系，不仅可以有效提高油气采收率，还可以节约开采成本。

24、3、本发明在热解后通过注入井注入常温惰性流体，将水平井中汇聚的油气产物反吹至中心井，对油气产物进行收集，基于反注气原理的开采流程可以避免热解焦油产物在水平井内的长距离输运，从而减少焦油产物由于温度降低产生通道堵塞或是沿程损失。

技术特征：

1.一种基于等离子通道的煤炭地下原位热解系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于等离子通道的煤炭地下原位热解系统，其特征在于，所述中心井(3)作为注入井时，用于注入高温热流体；所述中心井(3)作为采出井时，用于采出油气产物。

3.根据权利要求1所述的一种基于等离子通道的煤炭地下原位热解系统，其特征在于，所述以中心井(3)为中心的圆周或正方形边上均匀设置有多个注气井(9)具体为：

4.根据权利要求1所述的一种基于等离子通道的煤炭地下原位热解系统，其特征在于，以中心井(3)为中心向四周开设多组水平井。

5.根据权利要求1所述的一种基于等离子通道的煤炭地下原位热解系统，其特征在于，还包括太阳能光伏发电板(11)、风力发电机(12)、逆变器(13)和变压器(14)，太阳能光伏发电板(11)和风力发电机(12)均与逆变器(13)相连，逆变器(13)与变压器(14)相连，变压器(14)与正极电极(7)和负极电极(8)相连。

6.根据权利要求1所述的一种基于等离子通道的煤炭地下原位热解系统，其特征在于，以中心井(3)底部为中心向四周开设八个水平井(4)；以中心井(3)为中心在边长为10m的正方形边上开设八个均匀分布的注气井(9)。

7.一种基于等离子通道的煤炭地下原位热解方法，其特征在于，基于权利要求1-6中任一项所述的一种基于等离子通道的煤炭地下原位热解系统，包括：

8.根据权利要求7所述的一种基于等离子通道的煤炭地下原位热解方法，其特征在于，所述中心井(3)中注入的高温热流体为氮气、二氧化碳或水蒸气，温度为700-800℃。

9.根据权利要求7所述的一种基于等离子通道的煤炭地下原位热解方法，其特征在于，所述高压电缆(5)为耐受700-1000℃的耐火电缆。

10.根据权利要求7所述的一种基于等离子通道的煤炭地下原位热解方法，其特征在于，所述高压交变电源(2)产生1000-5000kv的高压。

技术总结
本发明属于煤化工技术领域，具体公开了一种基于等离子通道的煤炭地下原位热解系统及方法，本发明通过在煤层中钻出辐射状的水平井，并利用高压交变电源与正负电极相连，在煤层中形成等离子体通道，对储层进行精准改造，形成更均匀的致裂储层与更复杂的缝隙网络，更有效提高煤层的渗透率，可以提高对流换热与产物输运的效率，有利于提高后续的煤层加热与产物采出；此外，开设兼具注入与采出功能的中心井，在注入高温热流体热解后进行焖井，通过注气井将水平井中汇聚的油气产物吹扫至中心井进行收集，可以减少地下热解过程的热量损失与质量损失，在提高加热效率的同时提高产物收率。

技术研发人员：杨甫,杨盼曦,郭伟,吴志强,马丽,俞尊义,王振东,王晶,段中会,杨伯伦,魏进家,李明杰
受保护的技术使用者：陕西省煤田地质集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25