CN116498285A - 一种热烟气驱替叠置煤层甲烷抽采及闭环固碳的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热烟气驱替叠置煤层甲烷抽采及闭环固碳的方法，先采用CH4燃爆压裂技术在各个煤层段原位协同燃爆反应产生气体冲击压裂煤层段形成裂缝网络，然后向各个煤层段注入的热烟气由于自身较高的温度可促进煤体CH4气体的解吸，且热烟气中CO2、SO2、NO2因竞争吸附优势可大量置换出叠置煤层吸附的CH4气体并闭环利用，在实现热烟气封存的同时提高煤层甲烷开采效率。另外建立的多源监测数据反演及智能调控***能根据当前不同煤层段的物性参数变化设计符合各煤层的最佳燃爆气体注入参数、最佳热烟气注入参数，从而对各煤层段的气体注入参数进行分层式动态精准调控，最大化提高叠置煤层的各煤层段甲烷燃爆压裂、热烟气封存和CH4抽采效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种热烟气封存及CH4抽采方法，具体为一种热烟气驱替叠置煤层甲烷抽采及多向闭环固碳的方法，属于固碳及CH4抽采技术领域。
背景技术
基于“富煤、贫油、少气”的国家能源结构国情，煤炭在我国能源消费中占比达50％以上。其中，燃煤电厂是煤炭消费的主要方式，燃煤电厂年均排放热烟气中的CO2占比约为30％～50％，为了降低CO2向大气中的排放量，将CO2封存是普遍认为实现碳中和最为有效的潜在解决方案；我国深部不可采煤层CH4吸附体积赋存量巨大，具有巨大的CH4资源利用前景，此外，这些煤层深埋于地下，一般难以对其进行直接开采，可为热烟气提供较好的封存地质条件，有学者预测地下1500～2000m的不可采煤层CO2封存量约为558亿t；然而，深部不可采煤层普遍具有地应力高、低孔隙度、低渗透率的特征，增大了热烟气注入与CH4抽采的难度，必须借助压裂增透措施促进煤层孔裂隙结构发育，为热烟气的封存与CH4抽采提供高效运移通道。
水力压裂是目前在CO2封存和CH4抽采方面应用最广泛的储层压裂增透方法，然而水力压裂普遍存在耗水量大、裂缝扩展单一等问题，从而导致热烟气封存及CH4抽采范围有限；目前水力压裂技术在热烟气封存驱替煤层CH4无法做到闭环施工，即注入的H2O及压裂液在煤层中完成压裂增透后，需要将其从煤层中抽出才能进行后续的热烟气封存及CH4的抽采，均无法实现闭环重复利用的过程；而燃爆压裂技术是利用煤层原位解吸CH4，通过加入O2与CH4协同燃爆产生的高温、高压气体冲击压裂深部不可采煤层，从而高效创建立体裂缝网络，极大提高深部不可采煤层的热烟气封存量与CH4抽采量，然而还没有研究将燃爆压裂与热烟气封存驱替叠置煤层CH4抽采结合起来；此外，叠置煤层各煤层段的属性存在很大的差异，传统的多层统注技术对水平钻井之间均采用统一的注入参数注入，会导致单口井的注入效率不高等问题；在整个燃爆压裂-热烟气封存-CH4抽采过程中，如果不能很好地监控各煤层段的物性参数变化那么就会导致各煤层段的燃爆压裂、热烟气封存及CH4抽采效率低下等问题，还会因为未监测到煤层段的裂缝过分发育使得盖层破裂，从而导致热烟气泄露等环境安全问题；。
因此，针对目前深部叠置煤层中的热烟气封存及CH4抽采存在的不足，提供一种新的方法，在结合燃爆压裂技术和热烟气封存技术基础上，在叠置煤层的各煤层段实现CH4高效闭环化抽采，达到“燃爆压裂-热烟气封存-甲烷抽采”全过程燃爆气体、热烟气以及抽采CH4气体资源的高效闭环化利用，从而降低深部不可采煤层气开采成本，最大化利用深部难采或不可采叠置煤层资源，提高深部不可采特厚煤层热烟气封存及CH4开采效率，为助力碳中和及煤层气产业发展提供一种新的研究思路。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种热烟气驱替叠置煤层甲烷抽采及闭环固碳的方法，在结合燃爆压裂技术和热烟气封存技术基础上，同时实现叠置煤层CH4高效闭环抽采，从而降低深部不可采煤层气开采成本，最大化利用深部难采或不可采叠置煤层资源，提高深部不可采特厚煤层热烟气封存及CH4开采效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种热烟气驱替叠置煤层甲烷抽采及闭环固碳的方法，具体步骤为：
A、钻井施工：先确定叠置煤层中各个煤层段及其岩石盖层的位置，然后从地面穿过各个岩石盖层向处于最深处的煤层段分别施工竖井和抽采-监测联用井，在竖井形成后，采用定向钻机从竖井分别沿各个煤层段走向各钻取一个水平钻井，完成后停止钻井工作；
B、布设热烟气注入及煤层气抽采***：在竖井的各个水平钻井内均设置一个注气封堵器，使得各个水平钻井内部均形成一个密闭空间，在抽采-监测联用井的井口装有抽采封堵器，使其对抽采-监测联用井进行封堵；在每个水平钻井与竖井连接处均装有一个分层配注装置，热烟气注入管一端和燃爆气体注入管一端均伸入竖井内，且依次串联各个分层配注装置；所述每个注气封堵器上均设置燃爆气体进气管和热烟气进气管；燃爆气体进气管两端分别处于注气封堵器两侧，其中处于密闭空间内的一端装有电磁阀、另一端与距离其最近的分层配注装置连接；热烟气进气管两端分别处于注气封堵器两侧，其中处于密闭空间内的一端装有电磁阀、另一端与距离其最近的分层配注装置连接；处于密闭空间内的注气封堵器上安装有多参数监测传感器和点火头；多参数监测传感器和点火头均通过多参数监测数据传输线与地面控制中心连接；在地面上依次设有燃爆气体储气罐、燃爆气体注入泵、热烟气注入泵、热烟气储气罐、燃煤电厂热烟气排放装置、燃煤电厂发电装置、气体分离装置、气体过滤装置、换热器组和抽采泵；燃爆气体储气罐与燃爆气体注入泵的进口连接，燃爆气体注入泵的出口与燃爆气体注入管另一端连接；抽采管一端穿过抽采封堵器伸入抽采-监测联用井井内、抽采管另一端与抽采泵的进气口连接，抽采泵通过管路依次与换热器组、气体过滤装置和气体分离装置连接，经过气体分离装置的CH4气体通过CH4输送管路分别与燃煤电厂发电装置以及燃爆气体储气罐的进气口连接，通入气体分离装置的热烟气以及燃煤电厂尾气处理***的热烟气均通过热烟气输送管路与热烟气储气罐的进口连接；热烟气储气罐的出口与热烟气注入泵的进口连接，热烟气注入泵的出口与热烟气注入管另一端连接，完成***的布设工作；
C、布设监测***：将多个集成式多参数监测装置送入抽采-监测联用井，分别在抽采-监测联用井的井筒上处于各个煤层段的位置处、等间距布设多个集成式多参数监测装置；各个煤层段的集成式多参数监测装置均通过多参数监测数据传输线与地面控制中心连接，用于实时获取各个煤层段内裂隙发育情况及温度变化情况，完成监测***的布设；
D、建立多源监测数据反演及智能调控***：首先利用各个集成式多参数监测装置对不同煤层段的地质情况进行监测，对初始状态下的叠置煤层各煤层段不同深度的温度、微震、声波以及电阻率数据进行成像；然后在各个煤层段所有集成式多参数监测装置布置点处钻取煤样，并对各煤层段不同深度样品进行实验室测定；结合现场多源监测数据成像结果与实验室测量结果，采用深度学习算法对获取的数据进行训练后，建立多源监测数据反演及智能调控***；该***能实时监测叠置煤层不同深度的物性参数变化(温度、地应力状态、力学强度、孔隙度、渗透率、流体密度、粘度以及饱和度等参数)，并能根据各煤层段的物性参数变化给出符合各煤层段的最佳燃爆气体注入参数、最佳热烟气注入参数；
E、对叠置煤层进行燃爆压裂：开始进行压裂时，先启动燃爆气体注入泵并打开各个煤层段燃爆气体进气管的电磁阀，使燃爆气体经过燃爆气体注入管输送至各个分层配注装置，每个煤层段对应的分层配注装置，根据步骤D确定的最佳燃爆气体注入参数控制进入各自煤层段密闭空间内的燃爆气体量，并通过各自的多参数监测传感器实时测量密闭空间内的燃爆气体压力以及CH4气体浓度，当密闭空间内的各参数达到燃爆条件阈值时，此时停止燃爆气体注入泵并关闭燃爆气体进气管的电磁阀，然后启动点火头，使得密闭空间内注入的燃爆气体发生原位燃爆反应，燃爆反应产生的瞬态冲击波和高温高压气体作用周围煤体产生大量裂缝，进而破裂岩体能解吸出大量的CH4气体，继续与O2气体发生反应从而在煤层中形成脉冲压裂效果；待本轮燃爆反应结束后，多源监测数据反演及智能调控***根据各个煤层段不同的燃爆压裂情况调整不同煤层段的燃爆气体注入参数，重新启动燃爆气体注入泵，重复燃爆压裂步骤多次，在各个煤层段的水平钻井周围进行多次燃爆压裂过程；期间通过集成式多参数监测装置持续监测各煤层段的燃爆压裂情况，当监测到各个水平钻井的裂缝延伸发育到煤层与盖层连接处时，完成燃爆压裂过程；
F、热烟气注入封存及驱替CH4气体解吸：打开热烟气注入泵并打开热烟气进气管的电磁阀，将热烟气储气罐中的热烟气通过热烟气注入管输送至各个分层配注装置，每个煤层段对应的分层配注装置，根据步骤D确定的最佳热烟气注入参数控制进入各自煤层段密闭空间内的热烟气量，热烟气自身较高的温度能促进各个煤层段吸附的CH4气体解吸，同时热烟气中的CO2气体、SO2气体和NO2气体因竞争吸附优势通过置换作用使各个煤层段吸附CO2气体并析出CH4气体，实现各个煤层段的CH4气体大量产出，对热烟气进行封存的同时提高煤层CH4开采效率；
G、CH4气体抽采及热烟气的封存：持续一段时间后，启动抽采泵通过气体抽采管从抽采-监测联用井开始抽采混合气体，然后将混合气体经过换热器组，经过换热后使混合气体的温度降低至常温；混合气体首先通过气体过滤装置去除抽采混合气体中其他气体杂质，其来源包括燃爆压裂过程产生的部分CO2气体、热烟气封存驱替过程中的残余CO2、SO2、NO2和N2、以及煤层的原始赋存CO2、SO2、N2；所述抽采混合气体中的CH4则来源于燃爆压裂过程未发生燃爆气体组分CH4以及煤层中被热烟气驱替出来的CH4气体；处理达标后的抽采混合气体进入气体分离装置，气体分离装置将处理达标后的抽采混合气体分离成热烟气主要组分气体和CH4气体；一部分分离后CH4气体通过CH4气体输送管路被注入燃煤电厂发电装置中与燃煤混合燃烧进行发电提高效能，剩余分离后CH4气体则被注入到燃爆气体储气罐中与助燃剂混合生成燃爆气体，用于后续的燃爆压裂；分离后的热烟气主要组分气体与热烟气排放装置的热烟气均通过热烟气输送管路注入至热烟气储气罐中混合，最终通过热烟气注入泵进入压裂煤层中，以便持续进行热烟气的封存以及驱替煤层中的剩余CH4气体；在热烟气注入封存期间，通过集成式多参数监测装置实时采集不同煤层段沿不同深度的温度、声波、微震参数以及电阻率数据；根据地面控制中心多源数据反演及智能调控***实时反演叠置煤层不同煤层段的热烟气注入情况，调节不同煤层段的最佳热烟气注入参数；此时地面控制中心通过多参数监测传感器实时监测各个密闭空间内的热烟气主要组分气体(即CO2、SO2、NO2、N2)与CH4混合气体的压力、CH4浓度以及温度，并根据实时监测数据动态调整各个水平钻井内的热烟气注气参数至最佳热烟气注入参数，以保证叠置煤层各个压裂煤层段的热烟气持续高效注入；
H、待混合气体中的煤层CH4气体相对含量降低到临界抽采CH4浓度以下时，重复步骤B～G，持续闭环进行多次燃爆压裂、热烟气封存及CH4抽采的过程，直至叠置煤层各个煤层段的热烟气封存量均达到设定值以上时，完成热烟气封存及CH4抽采作业。
进一步，所述多参数监测传感器包括气压传感器、气体浓度传感器和温度传感器，其中气压传感器实时监测燃爆密闭空间内的燃爆气体压力；气体浓度传感器用于实时监测燃爆密闭空间内的CH4气体的浓度；温度传感器用于实时监测燃爆密闭空间内的温度。
进一步，所述竖井内布设套管，套管与竖井内壁之间密封，所述各个水平钻井内均布设筛管和套管组合，其中套管布设在水平钻井与竖井连接处，其余部分布设筛管。
进一步，所述热烟气主要组分气体包括CO2气体、SO2气体、NO2气体、N2气体和H2O(g)。
进一步，所述集成式多参数监测装置包括：温度传感器、电磁波探头、微震监测探头和声波传感器；所述温度传感器能实时监测不同煤层段沿不同深度的温度变化情况，根据温度异常反演燃爆压裂-热烟气驱替-CH4抽采-热烟气封存全过程中燃爆气体、热烟气以及煤层瓦斯运移的温度场演化情况；所述电磁波探头能实时监测燃爆压裂-热烟气驱替-CH4抽采-热烟气封存全过程中不同深度煤层段的电阻率变化情况，反映整个过程中煤体孔隙度及渗透率的岩性参数变化；所述微震监测探头能实时监测燃爆压裂过程中声发射事件的强度和频率变化，从而获取不同煤层段不同深度储层的应力变化情况，实时反演燃爆压裂的效果及范围；所述声波传感器能实时监测不同煤层段沿不同深度的声波波速、衰减和反射特征，由于储层中声波穿过不同气体介质(CH4、CO2、SO2、NO2、N2)的传播特征存在差异，因而可实时获取燃爆压裂-热烟气驱替-CH4抽采-热烟气封存全过程热烟气主要组分气体(即CO2、SO2、NO2、N2)以及CH4气体在目标深部叠置煤层的相对含量、分布范围及分布特征。
进一步，所述燃爆条件阈值为：燃爆气体压力阈值为10MPa，燃爆CH4浓度阈值为5％～20％。
进一步，所述临界抽采CH4浓度为10～20％。
与现有技术相比，本发明采用燃爆压裂叠置煤层及热烟气驱替煤层CH4气体，并对热烟气中的CO2气体进行封存相结合的方式，具有如下优点：
(1)本发明的甲烷燃爆压裂技术通过O2与CH4气体在叠置煤层中原位协同燃爆反应产生的高温、高压气体冲击压裂各个煤层段形成大量初始裂缝，同时，燃爆反应产生的高温高压***产生的CO2气体持续楔入裂缝促使裂缝进一步延伸扩展，此外，破裂煤体会原位解吸出大量的CH4气体，继续与O2气体反应从而在煤层中形成脉冲压裂效果，高效创建复杂裂缝网络，为叠置煤层中热烟气的封存以及CH4抽采提供高效运移通道。
(2)本发明采用的热烟气是由N2、CO2、H2O(g)、O2、SO2、NO2组成的高温混合气体，热烟气温度可在50-1500℃之间。热烟气注入煤层后，热烟气的高温作用能够增强吸附态CH4解吸和游离态CH4扩散；热烟气中的N2可以降低CH4的分压及浓度，促进CH4解吸的同时削弱CO2的吸附膨胀效应进而提高CO2的可注性，增强储层渗透率；热烟气中的CO2、SO2和NO2作为强吸附性气体在注入煤层后具有竞争吸附优势，促使叠置煤层的CH4气体大量产出，在实现热烟气封存的同时提高煤层甲烷开采效率；在提高煤层甲烷开采效率的同时实现温室气体及有毒有害气体在深部煤层中的大量封存，消除了燃煤电厂脱硫脱硝的需要，节约了相关成本；另外热烟气中的H2O(g)作为一种良好的载热介质，能够大大减小热烟气输送到煤层过程中热损失，使到达目标煤层的热烟气仍对煤层具有高温作用：相较于烟气其他组分气体，H2O(g)具有较高的比热容和汽化潜热，因而够在输送过程中通过其高比热容保留热烟气中的热能，并通过其高汽化潜能减少热烟气热量向周围环境的散失，此外，凝结在管道内壁的水蒸气会形成一道隔热层，进一步减少热烟气的热传导和辐射热损失。
(3)本发明采用抽采-监测联用井技术，通过在抽采-监测联用井内处于不同煤层段对应位置布设多个集成式多参数监测装置，能够同时实现煤层气抽采及煤层物性参数变化分布式动态监测的功能，提高了单一钻井的利用效率；此外，该抽采-监测联用井结合温度、微震、声波以及电磁波监测技术能够实现“燃爆压裂-热烟气封存-甲烷抽采”全过程监测，与深度学习算法联用建立多源监测数据反演及智能调控***来根据当前不同煤层段的物性参数变化设计符合各煤层的最佳燃爆气体注入参数、最佳热烟气注入参数，从而对各煤层段的气体注入参数进行分层式动态精准调控，最大化提高叠置煤层的各煤层段甲烷燃爆压裂、热烟气封存和CH4抽采效率。
(4)本发明从煤层中抽采出的一部分CH4气体注入燃煤电厂与燃煤进行混合燃烧将其转化成电能，剩余抽采CH4气体可以与助燃剂混合作为燃爆气体，再次被注入到压裂煤层中以便进行多次CH4燃爆压裂；另外从煤层中抽采出来的热烟气主要成分气体(CO2、SO2、NO2、N2)与燃煤发电厂产生的热烟气混合后能被持续回注到压裂煤层中，促使压裂煤层CH4发生进一步解吸驱替，以便持续进行热烟气的封存以及驱替煤层中的剩余CH4气体；使整个“燃爆压裂-热烟气封存-CH4气体抽采”工作流程形成一个闭环，最大限度提高深部不可采煤层中的热烟气的封存量和CH4抽采量，实现抽采CH4气体资源的高效闭环利用。
附图说明
图1是本发明的整体布设示意图；
图2是图1中注气封堵器的轴向剖视图；
图3是图1中集成式多参数监测装置剖面图。
图中：1-1-第一盖层；1-2-第二盖层；1-3-第三盖层；2-1-第一煤层段；2-2-第二煤层段；2-3-第三煤层段；3-1-第一水平钻井；3-2-第二水平钻井；3-3-第三水平钻井；4-竖井；5-抽采-监测联用井；6-燃爆气体储气罐；7-燃爆气体注入泵；8-热烟气注入泵；9-热烟气储气罐；10-热烟气排放装置；11-燃煤电厂发电装置；12-气体分离装置；13-气体过滤装置；14-换热器组；15-抽采泵；16-燃爆气体注入管；17-热烟气注入管；18-套管；19-筛管；20-注气封堵器；21-分层配注装置；22-燃爆气体进气管；23-电磁阀；24-多参数监测传感器；25-点火头；26-多参数监测数据传输线；27-地面控制中心；28-集成式多参数监测装置；29-抽采封堵器；30-CH4输送管路；31-热烟气输送管路；32-温度传感器；33-电磁波探头；34-微震监测探头；35-声波传感器。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的具体步骤为：
A、钻井施工：先确定叠置煤层中三个煤层段及其岩石盖层的位置，由上至下分别为第一盖层1-1、第一煤层段2-1、第二盖层1-2、第二煤层段2-2、第三盖层1-3、第三煤层段2-3，然后从地面穿过三个盖层向处于最深处的第三煤层段2-3分别施工竖井4和抽采-监测联用井5，在竖井4形成后，采用定向钻机从竖井4分别沿各个煤层段走向各钻取一个水平钻井，分别为第一水平钻井3-1、第二水平钻井3-2、第三水平钻井3-2，完成后停止钻井工作；所述竖井4内布设套管18，套管18与竖井内壁之间密封，所述各个水平钻井内均布设筛管19和套管18组合，其中套管18布设在水平钻井与竖井连接处，其余部分布设筛管19。
B、布设热烟气注入及煤层气抽采***：在竖井4的三个水平钻井内均设置一个注气封堵器20，使得三个水平钻井内部均形成一个密闭空间，在抽采-监测联用井5的井口装有抽采封堵器29，使其对抽采-监测联用井5进行封堵；在每个水平钻井与竖井4连接处均装有一个分层配注装置21，热烟气注入管17一端和燃爆气体注入管16一端均伸入竖井4内，且依次串联各个分层配注装置21；所述每个注气封堵器20上均设置燃爆气体进气管22和热烟气进气管；燃爆气体进气管22两端分别处于注气封堵器20两侧，其中处于密闭空间内的一端装有电磁阀23、另一端与距离其最近的分层配注装置21连接；热烟气进气管两端分别处于注气封堵器20两侧，其中处于密闭空间内的一端装有电磁阀23、另一端与距离其最近的分层配注装置21连接；如图2所示，处于密闭空间内的注气封堵器20上安装有多参数监测传感器24和点火头25；多参数监测传感器24和点火头25均通过多参数监测数据传输线26与地面控制中心27连接；所述多参数监测传感器24包括气压传感器、气体浓度传感器和温度传感器，其中气压传感器实时监测燃爆密闭空间内的燃爆气体压力；气体浓度传感器用于实时监测燃爆密闭空间内的CH4气体的浓度；温度传感器用于实时监测燃爆密闭空间内的温度。在地面上依次设有燃爆气体储气罐6、燃爆气体注入泵7、热烟气注入泵8、热烟气储气罐9、燃煤电厂热烟气排放装置10、燃煤电厂发电装置11、气体分离装置12、气体过滤装置13、换热器组14和抽采泵15；燃爆气体储气罐6与燃爆气体注入泵7的进口连接，燃爆气体注入泵7的出口与燃爆气体注入管16另一端连接；抽采管一端穿过抽采封堵器29伸入抽采-监测联用井5井内、抽采管另一端与抽采泵15的进气口连接，抽采泵15通过管路依次与换热器组14、气体过滤装置13和气体分离装置12连接，经过气体分离装置12的CH4气体通过CH4输送管路30分别与燃煤电厂发电装置11以及燃爆气体储气罐6的进气口连接，通入气体分离装置12的热烟气以及燃煤电厂尾气处理***的热烟气均通过热烟气输送管路31与热烟气储气罐9的进口连接；热烟气储气罐9的出口与热烟气注入泵8的进口连接，热烟气注入泵8的出口与热烟气注入管17另一端连接，完成***的布设工作；
C、布设监测***：将多个集成式多参数监测装置28送入抽采-监测联用井5，分别在抽采-监测联用井5的井筒上处于三个煤层段的位置处、等间距布设多个集成式多参数监测装置28；三个煤层段的集成式多参数监测装置28均通过多参数监测数据传输线26与地面控制中心27连接，用于实时获取三个煤层段内裂隙发育情况及温度变化情况，完成监测***的布设；如图3所示，所述集成式多参数监测装置28包括：温度传感器32、电磁波探头33、微震监测探头34和声波传感器35；所述温度传感器32能实时监测不同煤层段沿不同深度的温度变化情况，根据温度异常反演燃爆压裂-热烟气驱替-CH4抽采-热烟气封存全过程中燃爆气体、热烟气以及煤层瓦斯运移的温度场演化情况；所述电磁波探头33能实时监测燃爆压裂-热烟气驱替-CH4抽采-热烟气封存全过程中不同深度煤层段的电阻率变化情况，反映整个过程中煤体孔隙度及渗透率的岩性参数变化；所述微震监测探头34能实时监测燃爆压裂过程中声发射事件的强度和频率变化，从而获取三个煤层段不同深度储层的应力变化情况，实时反演燃爆压裂的效果及范围；所述声波传感器35能实时监测三个煤层段沿不同深度的声波波速、衰减和反射特征，由于储层中声波穿过不同气体介质(CH4、CO2、SO2、NO2、N2)的传播特征存在差异，因而可实时获取燃爆压裂-热烟气驱替-CH4抽采-热烟气封存全过程热烟气主要组分气体(即CO2、SO2、NO2、N2)以及CH4气体在目标深部叠置煤层的相对含量、分布范围及分布特征。
D、建立多源监测数据反演及智能调控***：首先利用各个集成式多参数监测装置28对三个煤层段的地质情况进行监测，对初始状态下叠置煤层三个煤层段不同深度的温度、微震、声波以及电阻率数据进行成像；然后在三个煤层段所有集成式多参数监测装置28布置点处钻取煤样，并对三个煤层段不同深度样品进行实验室测定；结合现场多源监测数据成像结果与实验室测量结果，采用现有的深度学习算法对获取的数据进行训练后，建立多源监测数据反演及智能调控***；该***能实时监测叠置煤层不同深度的物性参数变化(温度、地应力状态、力学强度、孔隙度、渗透率、流体密度、粘度以及饱和度等参数)，并能根据各煤层段的物性参数变化给出符合各煤层段的最佳燃爆气体注入参数、最佳热烟气注入参数；
E、对叠置煤层进行燃爆压裂：开始进行压裂时，先启动燃爆气体注入泵7并打开各个煤层段燃爆气体进气管22的电磁阀23，使燃爆气体经过燃爆气体注入管16输送至各个分层配注装置21，每个煤层段对应的分层配注装置21，根据步骤D确定的最佳燃爆气体注入参数控制进入各自煤层段密闭空间内的燃爆气体量，并通过各自的多参数监测传感器24实时测量密闭空间内的燃爆气体压力以及CH4气体浓度，当密闭空间内的各参数达到燃爆条件阈值时，即燃爆气体压力阈值为10Mpa，燃爆CH4浓度阈值为5％～20％。此时停止燃爆气体注入泵7并关闭燃爆气体进气管22的电磁阀23，然后启动点火头，使得密闭空间内注入的燃爆气体发生原位燃爆反应，燃爆反应产生的瞬态冲击波和高温高压气体作用周围煤体产生大量裂缝，进而破裂岩体能解吸出大量的CH4气体，继续与O2气体发生反应从而在煤层中形成脉冲压裂效果；待本轮燃爆反应结束后，多源监测数据反演及智能调控***根据三个煤层段不同的燃爆压裂情况调整不同煤层段的燃爆气体注入参数，重新启动燃爆气体注入泵7，重复燃爆压裂步骤多次，在三个煤层段的水平钻井周围进行多次燃爆压裂过程；期间通过集成式多参数监测装置28持续监测各煤层段的燃爆压裂情况，当监测到各个水平钻井的裂缝延伸发育到煤层与盖层连接处时，完成燃爆压裂过程；
F、热烟气注入封存及驱替CH4气体解吸：打开热烟气注入泵8并打开热烟气进气管的电磁阀，将热烟气储气罐9中的热烟气通过热烟气注入管17输送至各个分层配注装置21，所述热烟气主要组分气体包括CO2气体、SO2气体、NO2气体、N2气体、H2O(g)。每个煤层段对应的分层配注装置21，根据步骤D确定的最佳热烟气注入参数控制进入各自煤层段密闭空间内的热烟气量，热烟气自身较高的温度能促进三个煤层段吸附的CH4气体解吸，同时热烟气中的CO2因竞争吸附优势通过置换作用使三个煤层段吸附CO2气体、SO2气体、NO2气体并析出CH4气体，实现三个煤层段的CH4气体大量产出，对热烟气进行封存的同时提高煤层CH4开采效率；
G、CH4气体抽采及热烟气的封存：持续一段时间后，启动抽采泵15通过气体抽采管从抽采-监测联用井5开始抽采混合气体，然后将混合气体经过换热器组14，经过换热后使混合气体的温度降低至常温；抽采混合气体首先通过气体过滤装置去除抽采混合气体中其他气体杂质，其来源包括燃爆压裂过程产生的部分CO2气体、热烟气封存驱替过程中的残余CO2、SO2、NO2和N2、以及煤层的原始赋存CO2、SO2、N2；所述抽采混合气体中的CH4则来源于燃爆压裂过程未发生燃爆气体组分CH4以及煤层中被热烟气驱替出来的CH4气体；处理达标后的混合气体进入气体分离装置12，气体分离装置12将处理达标后的抽采混合气体分离成热烟气主要组分气体和CH4气体；一部分分离后CH4气体通过CH4气体输送管路被注入燃煤电厂发电装置11中与燃煤混合燃烧进行发电提高效能，剩余分离后CH4气体则被注入到燃爆气体储气罐6中与助燃剂(即O2气体)混合生成燃爆气体，用于后续的燃爆压裂；分离后的热烟气主要组分气体与热烟气排放装置10的热烟气均通过热烟气输送管路31注入至热烟气储气罐9中混合，最终通过热烟气注入泵8进入压裂煤层中，以便持续进行热烟气的封存以及驱替煤层中的剩余CH4气体；在热烟气注入封存期间，通过集成式多参数监测装置28实时采集不同煤层段沿不同深度的温度、声波、微震参数以及电阻率数据；根据地面控制中心27多源数据反演及智能调控***实时反演叠置煤层不同煤层段的热烟气注入情况，调节不同煤层段的最佳热烟气注入参数；此时地面控制中心27通过多参数监测传感器24实时监测各个密闭空间内的热烟气主要组分气体(即CO2、SO2、NO2、N2)与CH4混合气体的压力、CH4浓度以及温度，并根据实时监测数据动态调整各个水平钻井内的热烟气注气参数至最佳热烟气注入参数，以保证叠置煤层三个煤层段的热烟气持续高效注入；
H、待混合气体中的煤层CH4气体相对含量降低到临界抽采CH4浓度15％以下时，重复步骤B～G，持续闭环进行多次燃爆压裂、热烟气封存及CH4抽采的过程，直至叠置煤层三个煤层段的热烟气封存量均达到设定值以上时，完成热烟气封存及CH4抽采作业。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种热烟气驱替叠置煤层甲烷抽采及闭环固碳的方法，其特征在于，具体步骤为：
A、钻井施工：先确定叠置煤层中各个煤层段及其岩石盖层的位置，然后从地面穿过各个岩石盖层向处于最深处的煤层段分别施工竖井和抽采-监测联用井，在竖井形成后，采用定向钻机从竖井分别沿各个煤层段走向各钻取一个水平钻井，完成后停止钻井工作；
B、布设热烟气注入及煤层气抽采***：在竖井的各个水平钻井内均设置一个注气封堵器，使得各个水平钻井内部均形成一个密闭空间，在抽采-监测联用井的井口装有抽采封堵器，使其对抽采-监测联用井进行封堵；在每个水平钻井与竖井连接处均装有一个分层配注装置，热烟气注入管一端和燃爆气体注入管一端均伸入竖井内，且依次串联各个分层配注装置；所述每个注气封堵器上均设置燃爆气体进气管和热烟气进气管；燃爆气体进气管两端分别处于注气封堵器两侧，其中处于密闭空间内的一端装有电磁阀、另一端与距离其最近的分层配注装置连接；热烟气进气管两端分别处于注气封堵器两侧，其中处于密闭空间内的一端装有电磁阀、另一端与距离其最近的分层配注装置连接；处于密闭空间内的注气封堵器上安装有多参数监测传感器和点火头；多参数监测传感器和点火头均通过多参数监测数据传输线与地面控制中心连接；在地面上依次设有燃爆气体储气罐、燃爆气体注入泵、热烟气注入泵、热烟气储气罐、燃煤电厂热烟气排放装置、燃煤电厂发电装置、气体分离装置、气体过滤装置、换热器组和抽采泵；燃爆气体储气罐与燃爆气体注入泵的进口连接，燃爆气体注入泵的出口与燃爆气体注入管另一端连接；抽采管一端穿过抽采封堵器伸入抽采-监测联用井井内、抽采管另一端与抽采泵的进气口连接，抽采泵通过管路依次与换热器组、气体过滤装置和气体分离装置连接，经过气体分离装置的CH4气体通过CH4输送管路分别与燃煤电厂发电装置以及燃爆气体储气罐的进气口连接，通入气体分离装置的热烟气以及燃煤电厂尾气处理***的热烟气均通过热烟气输送管路与热烟气储气罐的进口连接；热烟气储气罐的出口与热烟气注入泵的进口连接，热烟气注入泵的出口与热烟气注入管另一端连接，完成***的布设工作；
C、布设监测***：将多个集成式多参数监测装置送入抽采-监测联用井，分别在抽采-监测联用井的井筒上处于各个煤层段的位置处、等间距布设多个集成式多参数监测装置；各个煤层段的集成式多参数监测装置均通过多参数监测数据传输线与地面控制中心连接，用于实时获取各个煤层段内裂隙发育情况及温度变化情况，完成监测***的布设；
D、建立多源监测数据反演及智能调控***：首先利用各个集成式多参数监测装置对不同煤层段的地质情况进行监测，对初始状态下的叠置煤层各煤层段不同深度的温度、微震、声波以及电阻率数据进行成像；然后在各个煤层段所有集成式多参数监测装置布置点处钻取煤样，并对各煤层段不同深度样品进行实验室测定；结合现场多源监测数据成像结果与实验室测量结果，采用深度学习算法对获取的数据进行训练后，建立多源监测数据反演及智能调控***；该***能实时监测叠置煤层不同深度的物性参数变化，并能根据各煤层段的物性参数变化给出符合各煤层段的最佳燃爆气体注入参数、最佳热烟气注入参数；
E、对叠置煤层进行燃爆压裂：开始进行压裂时，先启动燃爆气体注入泵并打开各个煤层段燃爆气体进气管的电磁阀，使燃爆气体经过燃爆气体注入管输送至各个分层配注装置，每个煤层段对应的分层配注装置，根据步骤D确定的最佳燃爆气体注入参数控制进入各自煤层段密闭空间内的燃爆气体量，并通过各自的多参数监测传感器实时测量密闭空间内的燃爆气体压力以及CH4气体浓度，当密闭空间内的各参数达到燃爆条件阈值时，此时停止燃爆气体注入泵并关闭燃爆气体进气管的电磁阀，然后启动点火头，使得密闭空间内注入的燃爆气体发生原位燃爆反应，燃爆反应产生的瞬态冲击波和高温高压气体作用周围煤体产生大量裂缝，进而破裂岩体能解吸出大量的CH4气体，继续与O2气体发生反应从而在煤层中形成脉冲压裂效果；待本轮燃爆反应结束后，多源监测数据反演及智能调控***根据各个煤层段不同的燃爆压裂情况调整不同煤层段的燃爆气体注入参数，重新启动燃爆气体注入泵，重复燃爆压裂步骤多次，在各个煤层段的水平钻井周围进行多次燃爆压裂过程；期间通过集成式多参数监测装置持续监测各煤层段的燃爆压裂情况，当监测到各个水平钻井的裂缝延伸发育到煤层与盖层连接处时，完成燃爆压裂过程；
F、热烟气注入封存及驱替CH4气体解吸：打开热烟气注入泵并打开热烟气进气管的电磁阀，将热烟气储气罐中的热烟气通过热烟气注入管输送至各个分层配注装置，每个煤层段对应的分层配注装置，根据步骤D确定的最佳热烟气注入参数控制进入各自煤层段密闭空间内的热烟气量，热烟气自身较高的温度能促进各个煤层段吸附的CH4气体解吸，同时热烟气中的CO2、SO2和NO2因竞争吸附优势通过置换作用使各个煤层段吸附CO2气体并析出CH4气体，实现各个煤层段的CH4气体大量产出，对热烟气进行封存的同时提高煤层CH4开采效率；
G、CH4气体抽采及热烟气的封存：持续一段时间后，启动抽采泵通过气体抽采管从抽采-监测联用井开始抽采混合气体，然后将混合气体经过换热器组，经过换热后使混合气体的温度降低至常温；混合气体首先通过气体过滤装置去除混合气体中其他气体杂质，处理达标后的混合气体进入气体分离装置，气体分离装置将处理达标后的混合气体分离成热烟气主要组分气体和CH4气体；一部分分离后CH4气体通过CH4气体输送管路被注入燃煤电厂发电装置中与燃煤混合燃烧进行发电提高效能，剩余分离后CH4气体则被注入到燃爆气体储气罐中与助燃剂混合生成燃爆气体，用于后续的燃爆压裂；分离后的热烟气主要组分气体与热烟气排放装置的热烟气均通过热烟气输送管路注入至热烟气储气罐中混合，最终通过热烟气注入泵进入压裂煤层中，以便持续进行热烟气的封存以及驱替煤层中的剩余CH4气体；在热烟气注入封存期间，通过集成式多参数监测装置实时采集不同煤层段沿不同深度的温度、声波、微震参数以及电阻率数据；根据地面控制中心多源数据反演及智能调控***实时反演叠置煤层不同煤层段的热烟气注入情况，调节不同煤层段的最佳热烟气注入参数；此时地面控制中心通过多参数监测传感器实时监测各个密闭空间内的热烟气与CH4混合气体的压力、CH4浓度以及温度，并根据实时监测数据动态调整各个水平钻井内的热烟气注气参数至最佳热烟气注入参数，以保证叠置煤层各个压裂煤层段的热烟气持续高效注入；
H、待混合气体中的煤层CH4气体相对含量降低到临界抽采CH4浓度以下时，重复步骤B～G，持续闭环进行多次燃爆压裂、热烟气封存及CH4抽采的过程，直至叠置煤层各个煤层段的热烟气封存量均达到设定值以上时，完成热烟气封存及CH4抽采作业。
2.根据权利要求1所述热烟气驱替叠置煤层甲烷抽采及闭环固碳的方法，其特征在于，所述多参数监测传感器包括气压传感器、气体浓度传感器和温度传感器，其中气压传感器实时监测燃爆密闭空间内的燃爆气体压力；气体浓度传感器用于实时监测燃爆密闭空间内的CH4气体的浓度；温度传感器用于实时监测燃爆密闭空间内的温度。
3.根据权利要求1所述热烟气驱替叠置煤层甲烷抽采及闭环固碳的方法，其特征在于，所述竖井内布设套管，套管与竖井内壁之间密封，所述各个水平钻井内均布设筛管和套管组合，其中套管布设在水平钻井与竖井连接处，其余部分布设筛管。
4.根据权利要求1所述热烟气驱替叠置煤层甲烷抽采及闭环固碳的方法，其特征在于，所述热烟气主要组分气体包括CO2气体、SO2气体、NO2气体、N2气体和H2O(g)。
5.根据权利要求1所述热烟气驱替叠置煤层甲烷抽采及闭环固碳的方法，其特征在于，所述集成式多参数监测装置包括：温度传感器、电磁波探头、微震监测探头和声波传感器；所述温度传感器能实时监测不同煤层段沿不同深度的温度变化情况，根据温度异常反演燃爆压裂-热烟气驱替-CH4抽采-热烟气封存全过程中燃爆气体、热烟气以及煤层瓦斯运移的温度场演化情况；所述电磁波探头能实时监测燃爆压裂-热烟气驱替-CH4抽采-热烟气封存全过程中不同深度煤层段的电阻率变化情况，反映整个过程中煤体孔隙度及渗透率的岩性参数变化；所述微震监测探头能实时监测燃爆压裂过程中声发射事件的强度和频率变化，从而获取不同煤层段不同深度储层的应力变化情况，实时反演燃爆压裂的效果及范围；所述声波传感器能实时监测不同煤层段沿不同深度的声波波速、衰减和反射特征。
6.根据权利要求1所述热烟气驱替叠置煤层甲烷抽采及闭环固碳的方法，其特征在于，所述燃爆条件阈值为：燃爆气体压力阈值为10MPa，燃爆CH4浓度阈值为5％～20％。
7.根据权利要求1所述热烟气驱替叠置煤层甲烷抽采及闭环固碳的方法，其特征在于，所述临界抽采CH4浓度为10～20％。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117287150A (zh) * | 2023-08-31 | 2023-12-26 | 中国地质大学（北京） | 煤层气经济可采资源量获取方法、装置、终端及存储介质 |
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2023
- 2023-05-31 CN CN202310630504.0A patent/CN116498285A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117287150A (zh) * | 2023-08-31 | 2023-12-26 | 中国地质大学（北京） | 煤层气经济可采资源量获取方法、装置、终端及存储介质 |
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