一种原位煤体分区可控气化制氢及CO2封存一体化方法

一种原位煤体分区可控气化制氢及co2封存一体化方法
技术领域
1.本发明属于钻进开采与co2地质封存技术领域，涉及一种原位煤体分区可控气化制氢与制腔封存co2一体化方法。


背景技术：

2.co2地质封存是目前国际上公认的有望实现co2减排的极具潜力的地质处置方法。目前，co2封存的主要目标地质体包括深部咸水层、正在开采或枯竭的油气田、深部不可采煤层、玄武岩等。相比较其他地质体，因co2注入煤层可驱替其中的甲烷（ch4），集温室气体减排与能源开发为一体，使得co2煤层封存具有更好的经济性。但是，我国煤田煤层渗透率普遍偏低，且渗透率随埋藏深度或地应力增加而降低；ch4压力随煤层埋藏深度的增加而增加，导致co2扩散速度降低、co2封存量减小。而且co2注入煤层还会导致煤层体积膨胀，使得煤层渗透率急剧衰减。
3.目前，深部不可采煤层主要采用压裂（包括水力、超临界co2、氮气泡沫等）方式增加煤层渗透性，但在深部地层地应力、co2长期注入引起煤层体积膨胀的影响下，这种人工裂隙又逐渐闭合，导致渗透率再次降低，从而严重制约煤层co2可注性与煤层封存co2的商业化进程。
4.煤炭地下气化是变深部不可采煤层资源为可采资源的重要手段，但由于受煤层地质影响，燃烧不完全有机物对含水层的污染，以及燃烧腔面积不易控制造成围岩垮落、含水层漏水并浇灭燃烧面等原因，导致煤炭地下气化失败。


技术实现要素：

5.本发明克服了现有技术的不足，提出一种原位煤体分区可控气化制氢及co2封存一体化方法，以实现深部不可采煤炭的能源化利用生产h2，同时利用人工改造地质体大规模封存co2，实现清洁能源生产、负碳减排一体化。解决煤层co2可注性差，co2封存量减小的问题。
6.为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
7.一种原位煤体分区可控气化制氢及co2封存一体化方法，包括以下步骤：1）确定用于原位煤体气化制氢及封存co2的位置：选择深度＞1500m或地应力＞37.5mpa以上的含煤区；2）施工注入井和生产井，并在注入井和生产井之间施工多个具有间距的水平井，注入井通过水平井与生产井相连通；在多个水平井之间进行分区，将煤层划分为多个 co2封存区；co2封存区的四周边界为隔离煤柱；隔离煤柱的宽度根据隔离煤柱承载力确定，使隔离煤柱的承载力大于所述隔离煤柱所受的最大荷载；3）将每个co2封存区再划分为若干个气化区，逐个在每个气化区内开展水力压裂；所述气化区的长边尺寸取值为水平井间距的2倍；短边尺寸=气化区内水力压裂段间距
×
水力压裂段的数量；
4）依次对各个气化区内的煤体进行气化反应，从生产井得到气化产物；气化的过程中将低渗煤层改造为高渗、高孔隙度co2封存地质体；5）气化结束后，在注入井通入超临界co2，将其贮存在各co2封存区，而后封孔。
8.优选的，用于原位煤体气化制氢及封存co2的位置选择：目标煤层与主要含水层之间存在的耐热型圈闭地层；所述的耐热型圈闭地层是位于煤层顶板内，且与煤层的间距≥5倍煤层厚度；所述的耐热型圈闭地层在300℃条件下的等效渗透率k
eq
≤0.05
×
10-3
μm2，且在800℃条件下的等效渗透率k
eq
≤1.2
×
10-3
μm2；等效渗透系数k
eq
表达式为：其中，k
eq
为等效渗透系数；hi为第i层岩层的厚度；ki为第i层岩层的渗透系数；i根据煤层顶板以上5~30倍煤层厚度且不小于100m范围内的地层数量取值，为正整数。等效渗透系数k
eq
与渗透率k
eq
的关系为：其中，ρ为流体密度，g为重力加速度，μ为流体动力粘度。
9.优选的，当用于原位煤体气化制氢及封存co2的位置的地应力条件为：竖向应力σv大于水平最大主应力σh，即σv＞σh；或者σh＞σv＞σh，σh为水平最小主应力，此时注入井、生产井和水平井采用u形-纺锤式定向长钻孔方式设置；所述的u形-纺锤式定向长钻孔由注入井、生产井、以及3n个具有间距的水平井组成，其中n≥2且为正整数；多个水平井的一端与注入井的井底相连，多个水平井的另一端与生产井的井底相连。
10.更优的，相邻两个水平井的间距，根据对应的隔离煤柱宽度或水力裂缝传播距离确定；对于第3n和第3n-1个水平井二者间距为水力裂缝传播距离的2倍；对于第3n-2和第3n-3水平井，其间距为隔离煤柱宽度。
11.优选的，所述的隔离煤柱包括y方向的煤柱和x方向的煤柱，宽度为a的隔离煤柱，承受的上覆岩层荷载p为：其中，γ为上覆岩层平均重度；a为隔离煤柱宽度；b为垂直于隔离煤柱气化区的尺寸；h为煤层深度；θ为上覆岩层垮落角；l为煤柱长度；宽度为a的隔离煤柱，能够承受的最大荷载p
max
为：其中，c为煤柱黏聚力，φ为煤柱内摩擦角，m为煤层厚度；当p＜p
max
时，隔离煤柱保持稳定；否则，增加煤柱宽度，增强煤柱抗压承载力；并计算隔离煤柱宽度的下限。
12.优选的，在一个气化区内，先在该气化区中间的水平井中完成封堵、射孔、水力压裂后，再在该气化区的两侧的水平井中完成封堵、射孔、水力压裂操作；使得该气化区内的
各个水平井的水力裂缝与完全连通。
13.优选的，若水平井布置在煤层中，则射孔方向与最小主应力垂直，且平行于水平最大主应力，并朝着相邻水平井发射弹丸；若水平井布置在煤层顶或底板中，则射孔方向垂直于煤岩界面，并向煤层内发射弹丸。
14.优选的，在注入井中通入氧气，点燃气化区煤体，当燃烧温度达到374℃以上时再通入超临界水；依次对各个气化区内的煤体开展气化，从生产井得到气化产物。
15.优选的，在各气化区的水平井上以及隔离煤柱上分别布置暂堵阀；调节各气化区范围内水平井、以及隔离煤柱中的暂堵阀，在注入井通入氧气，形成从注入井、气化区、生产井的完整气流通路；待生产井中氧气浓度快速增加时，投放并点燃气化区内的点火装置；待煤层燃烧、温度升高至374℃以上时，将地表水升温成水蒸气，通入注入井，而后加压至22.1mpa以上，使水成为超临界态；并对气化区内的煤体开展氧化还原反应，在生产井收集产物；间隔注入o2与超临界水，重复煤炭燃烧升温、氧化还原反应步骤，直至将该气化区内煤体孔隙度增加至≤40%，形成co2封存区。
16.更优的，含煤区煤炭气化反应结束后，将地表co2通过注入井，并逐渐加压至7.3mpa以上，使co2成为超临界态；调节隔离煤柱中的暂堵阀，依次注满各个co2封存区。
17.本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：本发明利用超临界水（scw）气化深部不可采原位煤体制取氢气，再利用气化反应生成的高孔隙率腔体增加co2可注性与封存容量，不仅实现深部不可采煤炭的能源化利用生产h2，还可以利用人工改造地质体大规模封存co2，实现清洁能源生产、负碳减排一体化。
18.本发明根据煤层与主要含水层之间的关系，选择原位煤体超临界水气化制氢及制腔封存co2的位置，为后续的钻孔、分区以及开采、封存做基础，保证对co2的有效封存。
19.本发明在设定封存区的前提下，在co2封存区的四周边界设有隔离煤柱，通过上覆岩层荷载确定隔离煤柱的宽度，增强了煤柱抗压承载力，保证在co2在进行大量封存过程中环境的稳定性。
20.本发明通过划分若干co2封存区，再在co2封存区的基础上，划分若干个气化区，分区进行针对性的气化和封存，可以防止co2在煤层内封存的不均一性，可以分区控制和监测，能有效的充分利用气化后的煤层，提高co2的封存量。
附图说明
21.图1是本发明所述的u型-纺锤式钻井的立体图。
22.图2是包括u型-纺锤式钻井、隔离煤柱、以及co2封存区的局部平面图。
23.图3是co2封存区与气化区的局部平面分布图。
24.图4是超临界水及气化反应产出流体在水平钻孔、气化区内的流向示意图一。
25.图5是超临界水及气化反应产出流体在水平钻孔、气化区内的流向示意图二。
具体实施方式
26.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。
27.参照图1-4，本实施例提出一种原位煤体超临界水分区可控气化制氢与制腔封存co2一体化方法，是利用超临界水（scw）气化深部不可采原位煤体通过气化的方法制取氢气，之后再利用气化反应生成的高孔隙率腔体对co2进行封存。具体为以下五个步骤：步骤一：选择原位煤体超临界水气化制氢及制腔封存co2的位置原位煤体超临界水气化制氢及制腔封存co2的区域为深度1500m以下或地应力达到37.5mpa以上的含煤区。
28.在满足上述条件的基础上，可以优选目标煤层与主要含水层之间存在的“耐热型圈闭地层”。“耐热型圈闭地层”的特征为：（a）位于煤层顶板内，且与煤层的间距不小于5倍煤层厚度；（b）“耐热型圈闭地层”在300℃条件下的等效渗透率k
eq
不超过0.05
×
10-3
μm2，且在800℃条件下的等效渗透率k
eq
不超过1.2
×
10-3
μm2。等效渗透系数k
eq
表达式为：其中，k
eq
为等效渗透系数；hi为第i层岩层的厚度；ki为第i层岩层的渗透系数；i根据煤层顶板以上5~30倍煤层厚度且不小于100m范围内的地层数量取值，为正整数。等效渗透系数k
eq
与渗透率k
eq
的关系为：其中，ρ为流体密度，g为重力加速度，μ为流体动力粘度。
29.步骤二：施工u形-纺锤式定向长钻孔，将煤层划分为多个co2封存区1、选择施工u形-纺锤式定向长钻孔的工程地质条件为：（a）当该区域地应力条件为：竖向应力σv大于水平最大主应力σh（即σv＞σh）；或者有σh＞σv＞σh(σh为水平最小主应力)，此时优选u形-纺锤式定向长钻孔。
30.（b）当该区域地应力条件为：水平方向主应力不小于竖向应力，即σh或σh≥σv，选择传统的立井方案。
31.采用u形-纺锤式定向长钻孔只需要钻入一个注入井1和一个生产井2就可以与多个水平井配合，大大减少了传统钻井方式中钻入多个注入井和生产井的数量。
32.2、u形-纺锤式定向长钻孔由注入井1、生产井2、以及3n个（n≥2且为正整数）具有一定间距的水平井组成。多个水平井的一端与注入井1的井底相连，多个水平井的另一端与生产井2的井底相连。注入井1和生产井2之间的间距优选500~5000m，其剖面图或正视图为u形形状。注入井1用于注入超临界水与氧气或空气；生产井2为氢气、co、ch4、co2等的产出井。
33.3、所有水平井的俯视图为纺锤形式。多个水平井可布置在煤层内，也可以布置在煤层的顶板或底板中。当煤层力学强度较大，使水平井稳定不塌孔时，优选煤层内布置方案；否则，采用顶板或底板布置方案。
34.4、相邻两个水平井的间距，根据隔离煤柱宽度，或现场试验所得水力裂缝传播距离确定。对于第3n和第3n-1个水平井，二者间距为水力裂缝传播距离的2倍；对于第3n-2和第3n-3水平井，其间距为隔离煤柱宽度。
35.本实施例中，所述的水平井如图1所示，图中，共有9个钻孔，分别为第一钻孔301、第二钻孔302、第三钻孔303、第四钻孔304、第五钻孔305、第六钻孔306、第七钻孔307、第八钻孔308、第九钻孔309，9个钻孔的一端与注入井1相连接，另一端与生产井2相连接，形成u形-纺锤式定向长钻孔。图1中上层的煤层区域为煤盖层4，煤盖层4下部为煤层5。
36.5、co2封存区设置在各个钻孔之间，co2封存区的四周边界为隔离煤柱，其中co2封存区与隔离煤柱的尺寸根据如下确定：（a）隔离煤柱：包括y方向的煤柱和x方向的煤柱，隔离煤柱的宽度根据其承载力确定：宽度为a的隔离煤柱，承受的上覆岩层荷载p为：其中，γ为上覆岩层平均重度；a为隔离煤柱宽度；b为垂直于隔离煤柱气化区的尺寸；h为煤层深度；θ为上覆岩层垮落角；l为煤柱长度。
37.宽度为a的隔离煤柱，能够承受的最大荷载p
max
为：其中，c为煤柱黏聚力，φ为煤柱内摩擦角，m为煤层厚度。
38.当p＜p
max
时，隔离煤柱保持稳定。否则，应增加煤柱宽度，增强煤柱抗压承载力。由上述公式反算隔离煤柱宽度的下限。
39.本实施例中，取值γ=25000n/m3，a取值120m，b取值100m，h取值1500m，θ为70
°
，l取值100m，则有p=897725186035nc取值为5
×
106pa，φ取值30
°
，m取值5m，则有pmax=1078808422108n。即煤柱宽度为120m时，可满足承载力要求。
40.（b）在确保隔离煤柱稳定性的基础上，co2封存区的短边尺寸，即co2封存区在y方向的尺寸取值为水平钻井间距的2倍，或现场试验所得水力裂缝传播距离的4倍；（c）co2封存区的长边尺寸，即co2封存区在x方向的尺寸，根据其内划分的气化区的尺寸、个数，并综合考虑co2封存区内计划封存量而确定。
41.（c）结合co2封存区的短边尺寸d的结果，以及定向长钻孔的长度，确定钻孔轴向方向上co2封存区的数量。
42.本实施例中的co2封存区划分为6个，如图2所示，分别为图中虚线框表示的第一co2封存区601、第二co2封存区602、第三co2封存区603、第四co2封存区604、第五co2封存区605、第六co2封存区606。
43.co2封存区y方向的隔离煤柱分别为：第一隔离煤柱701、第二隔离煤柱702、第三隔离煤柱703、第四隔离煤柱704、第五隔离煤柱705、第六隔离煤柱706、第七隔离煤柱707、第八隔离煤柱708、第九隔离煤柱709。
44.co2封存区x方向的隔离煤柱分别为：第一横向隔离煤柱801和第二横向隔离煤柱802。
45.步骤三、将每个co2封存区再划分为若干个气化区，在气化区内开展水力压裂。其步骤为：1、将每个co2封存区再划分为若干个气化区：气化区的长边（即y方向）尺寸取值为
水平钻孔间距的2倍；短边尺寸=气化区内水力压裂段间距
×
水力压裂段的数量。其中，水力压裂段间距根据相邻水力裂缝传播时的应力阴影范围实测结果确定。
46.本实施例中，一个co2封存区内划分为两个气化区，共形成12个气化区，即压裂段；如图3所示，第一co2封存区601内划分为第一压裂段901和第二压裂段902。
47.2、在各压裂段中定向射孔：若水平井布置在煤层中，则射孔方向与最小主应力垂直，且平行于水平最大主应力，并朝着相邻水平井发射弹丸；若水平井布置在煤层顶或底板中，则射孔方向垂直于煤岩界面，并向煤层内发射弹丸。
48.射孔过程为：（a）封堵：首先在第二钻孔302中，采用可重复开关的耐高温、耐腐蚀的第三暂堵阀1103和第四暂堵阀1104，对第二钻孔302形成的水平井的第一压裂段901的两端进行封堵；（b）射孔方向：若第一钻孔301、第二钻孔302、第三钻孔303分别形成的水平井在煤层中，则定向射孔的方向为：射孔方向与最小主应力垂直且平行于水平最大主应力，而且第二钻孔302形成的水平井中弹丸向着相邻两个水平井即第一钻孔301和第二钻孔302发射。
49.若第一钻孔301、第二钻孔302、第三钻孔303分别形成的水平井在顶底板岩层中，则定向射孔的方向应垂直于煤岩界面，并向煤层方向发射弹丸。
50.3、对co2封存区内的每一压裂段依次开展大排量水力压裂，所述大排量为注液速率不低于3m3/min，从而在各个气化区内制造复杂缝网。体积压裂后煤体与scw接触面积增加，从而大大增加反应效率。
51.具体包括：（a）在第二钻孔302的第一压裂段901中完成封堵、射孔、大排量水力压裂后，再在第一钻孔301的第一压裂段901、第三钻孔303的第一压裂段901中重复完成封堵、射孔、压裂操作。使得第一钻孔301和第三钻孔303的水力裂缝与第二钻孔302的水力裂缝完全连通。由此，形成第一co2封存区601内的第一气化区。
52.（b）重复（a）步骤，形成第一co2封存区601中的第二气化区，以及其余的各个气化区。
53.如图3所示，图中，以第一co2封存区601为例，水平井上各压裂段布置的9个耐高温耐腐蚀暂堵阀分别为：第一暂堵阀1101、第二暂堵阀1102、第三暂堵阀1103、第四暂堵阀1104、第五暂堵阀1105、第六暂堵阀1106、第七暂堵阀1107、第八暂堵阀1108、第九暂堵阀1109；co2封存区隔离煤柱中布置的6个耐高温耐腐蚀暂堵阀分别为：位于第一隔离煤柱701且位于第一钻孔301中的暂堵阀101；位于第一隔离煤柱701且位于第二钻孔302中的暂堵阀102；位于第一隔离煤柱701且位于第三钻孔303中的暂堵阀103；位于第二隔离煤柱702且位于第一钻孔301中的暂堵阀104；位于第二隔离煤柱702且位于第二钻孔302中的暂堵阀105；位于第二隔离煤柱702且位于第三钻孔303中的暂堵阀106；以及射孔12和水力压裂裂缝13。
54.步骤四、在注入井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scw；依次对各个气化区内的煤体开展气化，从生产井2得到h2、ch4、co2等气化产物。同
时将低渗煤层改造为高渗、高孔隙度co2封存地质体。其步骤为：1、调节各气化区范围内水平井、以及隔离煤柱中的耐高温耐腐蚀暂堵阀，在注入井1通入氧气，形成从注入井1、co2第一co2封存区601内第一气化区（第一压裂段901）、生产井2的完整气流通路；待生产井2中氧气浓度快速增加时，投放并点燃第一气化区（第一压裂段901）内的点火装置。
55.2、待煤层燃烧、温度升高至374℃以上时，将地表水升温成水蒸气，通入注入井1，而后加压至22.1mpa以上，使水成为超临界态。并对第一气化区内的煤体开展氧化还原反应，在生产井2收集h2、ch4、co2等产物。
56.3、以室内实验所得o2/scw流量、温度、气化时间与煤体孔隙度关系为基础，间隔注入o2与scw，重复上述煤炭燃烧升温、氧化还原反应步骤。直至将该气化区内煤体孔隙度增加至不超过40%。从而大大增加煤层渗透性，同时在煤体中制造大量细观孔隙、宏观腔体结构，形成第一co2封存区601。
57.4、重复以上步骤，形成全部co2封存区。
58.参见图4，本实施例中第一co2封存区601内的第一气化区为例，上述步骤四的具体过程为：（a）打开第二钻孔302内的所有暂堵阀：第三暂堵阀1103、第四暂堵阀1104、第八暂堵阀1108、以及位于第一隔离煤柱701且位于第二钻孔302中的暂堵阀102，和位于第二隔离煤柱702且位于第二钻孔302中的暂堵阀105；形成从注入井1到生产井2的完整气流通路，同时保持其他钻井的暂堵阀全部关闭。而后在第一co2封存区601内的第一气化区（第一压裂段901）布置三个点火装置14，再将地表氧气通过注入井1进入煤层，待生产井2中氧气浓度接近注入井1后，依次点燃第一气化区（第一压裂段901）中的三点火装置14。通过温度传感器监测煤炭燃烧后的温度，当温度升高至374℃以上时，将地表水升温成水蒸气，通入注入井1、并加压至22.1mpa以上，使水成为超临界态。
59.（b）关闭第一气化区（第一压裂段901）内第二钻孔302的第三暂堵阀1103（保持第四暂堵阀1104打开），打开第一气化区（第一压裂段901）内第一钻孔301和第三钻孔303中的第一暂堵阀1101、第五暂堵阀1105（保持第二暂堵阀1102、第六暂堵阀1106关闭）。使超临界水形成注入井1——第一气化区（第一压裂段901）——生产井2的通路。图4中箭头方向为超临界水与产出流体的流动方向15。
60.（c）第一气化区（第一压裂段901）内，利用煤中碳的还原性，将超临界水这种极强氧化剂中的氢置换出来，从而产生h2；同时，煤体中的固态有机物被氧化成气态co、ch4、co2等。利用复杂缝网结构增加超临界水与煤的接触面积，进一步增加h2产量和生产效率。
61.（d）待第一气化区（第一压裂段901）内煤体气化反应结束后，再对第二气化区（第二压裂段902）内煤体开展气化反应。此时，关闭第二气化区（第二压裂段902）中的第四暂堵阀1104，打开第二暂堵阀1102和第六暂堵阀1106，使超临界水形成注入井1——第二气化区（第二压裂段902）——生产井2的通路，参见图5。图5中箭头方向为超临界水与产出流体的流动方向15。
62.（e）第二气化区（第二压裂段902）内，开展气化反应，并在生产井中将反应生成的h2、co、ch4、co2等抽采至地面。
63.（f）重复以上步骤，直至全部co2封存区内的气化区煤体反应结束。从而完成气化
煤体制造h2、在煤体中制造孔隙/腔体过程。
64.通过以上步骤，实现分区域持续原位煤体超临界水气化制h2，并且制造存储co2孔腔过程。
65.步骤五、气化结束后，在注入井通入超临界co2，将其贮存在各co2封存区，而后封孔。实现在人工改造地质体中长期封存co2。
66.1、目标含煤区煤炭气化反应结束后，将地表co2通过注入井1，并逐渐加压至7.3mpa以上，使co2成为超临界态。调节隔离煤柱中的暂堵阀，依次注满各个co2封存区。
67.具体步骤为：（a）在第一co2封存区601内，开启钻井中所有压裂区的暂堵阀（第一暂堵阀1101~第九暂堵阀1109）。开启位于第一隔离煤柱701且位于第一钻孔301中的暂堵阀101、位于第一隔离煤柱701且位于第三钻孔303中的暂堵阀103、位于第二隔离煤柱702且位于第二钻孔302中的暂堵阀105；并且关闭位于第一隔离煤柱701且位于第二钻孔302中的暂堵阀102、位于第二隔离煤柱702且位于第一钻孔301中的暂堵阀104、位于第二隔离煤柱702且位于第三钻孔303中的暂堵阀106。待产出井中co2浓度快速增加时，关闭位于第一隔离煤柱701且位于第一钻孔301中的暂堵阀101、位于第一隔离煤柱701且位于第三钻孔303中的暂堵阀103、位于第二隔离煤柱702且位于第二钻孔302中的暂堵阀105，并按照预定压力持续注入co2。待井口压力快速增加时，停止注入co2。从而将超临界co2注入第一co2封存区601内。
68.（b）重复上一步骤，通过调节co2封存区y方向的隔离煤柱中的暂堵阀开启与关闭，依次将剩下的co2封存区充满co2。
69.用高强度、耐腐蚀材料封堵注入井1和生产井2，实现co2长期地质封存。
70.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。

技术特征：
1.一种原位煤体分区可控气化制氢及co2封存一体化方法，其特征在于，包括以下步骤：1）确定用于原位煤体气化制氢及封存co2的位置：选择深度＞1500m或地应力＞37.5mpa以上的含煤区；2）施工注入井（1）和生产井（2），并在注入井（1）和生产井（2）之间施工多个具有间距的水平井，注入井（1）通过水平井与生产井（2）相连通；在多个水平井之间进行分区，将煤层划分为多个 co2封存区；co2封存区的四周边界为隔离煤柱；隔离煤柱的宽度根据隔离煤柱承载力确定，使隔离煤柱的承载力大于所述隔离煤柱所受的最大荷载；3）将每个co2封存区再划分为若干个气化区，逐个在每个气化区内开展水力压裂；所述气化区的长边尺寸取值为水平井间距的2倍；短边尺寸=气化区内水力压裂段间距
×
水力压裂段的数量；4）依次对各个气化区内的煤体进行气化反应，从生产井（2）得到气化产物；气化的过程中将低渗煤层改造为高渗、高孔隙度co2封存地质体；5）气化结束后，在注入井通入超临界co2，将其贮存在各co2封存区，而后封孔。2.根据权利要求1所述的一种原位煤体分区可控气化制氢及co2封存一体化方法，其特征在于，用于原位煤体气化制氢及封存co2的位置选择：目标煤层与主要含水层之间存在的耐热型圈闭地层；所述的耐热型圈闭地层是位于煤层顶板内，且与煤层的间距≥5倍煤层厚度；所述的耐热型圈闭地层在300℃条件下的等效渗透率k
eq
≤0.05
×
10-3
μm2，且在800℃条件下的等效渗透率k
eq
≤1.2
×
10-3
μm2；等效渗透系数k
eq
表达式为：其中，k
eq
为等效渗透系数；h
i
为第i层岩层的厚度；k
i
为第i层岩层的渗透系数；i根据煤层顶板以上5~30倍煤层厚度且不小于100m范围内的地层数量取值，为正整数；等效渗透系数k
eq
与渗透率k
eq
的关系为：其中，ρ为流体密度，g为重力加速度，μ为流体动力粘度。3.根据权利要求1所述的一种原位煤体分区可控气化制氢及co2封存一体化方法，其特征在于，当用于原位煤体气化制氢及封存co2的位置的地应力条件为：竖向应力σ
v
大于水平最大主应力σ
h
，即σ
v
＞σ
h
；或者σ
h
＞σ
v
＞σ
h
，σ
h
为水平最小主应力，此时注入井（1）、生产井（2）和水平井采用u形-纺锤式定向长钻孔方式设置；所述的u形-纺锤式定向长钻孔由注入井（1）、生产井（2）、以及3n个具有间距的水平井组成，其中n≥2且为正整数；多个水平井的一端与注入井（1）的井底相连，多个水平井的另一端与生产井（2）的井底相连。4.根据权利要求3所述的一种原位煤体分区可控气化制氢及co2封存一体化方法，其特征在于，相邻两个水平井的间距，根据对应的隔离煤柱宽度或水力裂缝传播距离确定；对于第3n和第3n-1个水平井二者间距为水力裂缝传播距离的2倍；对于第3n-2和第3n-3水平井，其间距为隔离煤柱宽度。
5.根据权利要求1所述的一种原位煤体分区可控气化制氢及co2封存一体化方法，其特征在于，所述的隔离煤柱包括y方向的煤柱和x方向的煤柱，宽度为a的隔离煤柱，承受的上覆岩层荷载p为：其中，γ为上覆岩层平均重度；a为隔离煤柱宽度；b为垂直于隔离煤柱气化区的尺寸；h为煤层深度；θ为上覆岩层垮落角；l为煤柱长度；宽度为a的隔离煤柱，能够承受的最大荷载p
max
为：其中，c为煤柱黏聚力，φ为煤柱内摩擦角，m为煤层厚度；当p＜p
max
时，隔离煤柱保持稳定；否则，增加煤柱宽度，增强煤柱抗压承载力；并计算隔离煤柱宽度的下限。6.根据权利要求1所述的一种原位煤体分区可控气化制氢及co2封存一体化方法，其特征在于，在一个气化区内，先在该气化区中间的水平井中完成封堵、射孔、水力压裂后，再在该气化区的两侧的水平井中完成封堵、射孔、水力压裂操作；使得该气化区内的各个水平井的水力裂缝与完全连通。7.根据权利要求6所述的一种原位煤体分区可控气化制氢及co2封存一体化方法，其特征在于，若水平井布置在煤层中，则射孔方向与最小主应力垂直，且平行于水平最大主应力，并朝着相邻水平井发射弹丸；若水平井布置在煤层顶或底板中，则射孔方向垂直于煤岩界面，并向煤层内发射弹丸。8.根据权利要求1所述的一种原位煤体分区可控气化制氢及co2封存一体化方法，其特征在于，在注入井（1）中通入氧气，点燃气化区煤体，当燃烧温度达到374℃以上时再通入超临界水；依次对各个气化区内的煤体开展气化，从生产井（2）得到气化产物。9.根据权利要求8所述的一种原位煤体分区可控气化制氢及co2封存一体化方法，其特征在于，在各气化区的水平井上以及隔离煤柱上分别布置暂堵阀；调节各气化区范围内水平井、以及隔离煤柱中的暂堵阀，在注入井（1）通入氧气，形成从注入井（1）、气化区、生产井（2）的完整气流通路；待生产井（2）中氧气浓度快速增加时，投放并点燃气化区内的点火装置；待煤层燃烧、温度升高至374℃以上时，将地表水升温成水蒸气，通入注入井（1），而后加压至22.1mpa以上，使水成为超临界态；并对气化区内的煤体开展氧化还原反应，在生产井（2）收集产物；间隔注入o2与超临界水，重复煤炭燃烧升温、氧化还原反应步骤，直至将该气化区内煤体孔隙度增加至≤40%，形成co2封存区。10.根据权利要求9所述的一种原位煤体分区可控气化制氢及co2封存一体化方法，其特征在于，含煤区煤炭气化反应结束后，将地表co2通过注入井（1），并逐渐加压至7.3mpa以上，使co2成为超临界态；调节隔离煤柱中的暂堵阀，依次注满各个co2封存区。

技术总结
本发明公开了一种原位煤体分区可控气化制氢及CO2封存一体化方法，属于钻进开采与CO2地质封存技术领域；方法包括选择原位煤体气化制氢及封存CO2的位置；施工注入井和生产井，注入井通过多个具有间距的水平井与生产井相连通；在多个水平井之间进行分区，将煤层划分为多个CO2封存区；CO2封存区的四周边界为隔离煤柱；再将每个CO2封存区再划分为若干个气化区，逐个在每个气化区内开展水力压裂；依次对各个气化区内的煤体进行气化反应，气化过程中逐渐形成CO2封存地质体；气化之后在CO2封存地质体内进行CO2封存；本发明实现深部不可采煤炭的能源化利用生产H2，同时实现大规模封存CO2，解决煤层CO2可注性差，CO2封存量减小的问题。封存量减小的问题。封存量减小的问题。


技术研发人员：李浩 康志勤 杨栋 杨泽斌 麦龙泉
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/8/13