[发明专利]一种煤层气与煤共采方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型地下含碳有机矿物储层的开采工艺，更具体地是地下煤层气和煤炭的共采方法。

背景技术

煤炭是我国的主要能源，在一次能源构成中占比70％左右，而且资源总量相对丰富，预测资源总量约4.5万亿吨(2000米以浅)，其中赋存深度在600米以浅的资源量仅占比25％左右，就目前煤矿开采深度(400米)估计，我国地下煤炭预测总资源量中至少还有大约80％的煤炭资源还没有被开发和利用，深部煤炭资源的开发将是一项长期的工作。随着开采深度的增加，煤炭的伴生资源-瓦斯(也称煤层气)含量亦迅速增大，据煤层气资源评价，我国埋深2000米以浅煤层气地质资源量约为36万亿立方米，居世界第三位，与陆上常规天然气资源量相当。

尽管我国煤层气资源丰富，但我国煤层气赋存条件区域性差异大，多数地区呈低压力、低渗透、低饱和特点，除沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘外，其他地区目前实现规模化、产业化开发难度大。而且高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井多，随着开采深度加大，地应力和瓦斯压力进一步增加，井下抽采难度增大。不仅如此，随着开采深度的不断增加，地质环境更加复杂，地应力增大、涌水量加大、地温升高，导致突发性工程灾害和重大恶性事故增加，如矿井冲击地压、瓦斯爆炸、矿压显现加剧、巷道围岩大变形、流变、地温升高等，对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁。因而无论是从采煤过程中安全需求的角度考虑，还是从提高煤炭资源利用率，促进煤炭工业可持续发展的角度考虑，都必须研究和解决难采煤及煤层气的开采和利用问题。

公开的资料显示，煤炭地下气化技术可以将赋存在地下的煤层进行可控燃烧，通过热解作用和化学作用，产生可以有效利用的气体能源，从而实现对煤炭的原位气化开采，该技术对于浅部煤层的气化取得了相当大的成功，并在前苏联实现了商业化运行。上世纪石油危机后，欧洲部分国家曾采用煤炭地下气化技术，从不能用常规方法开采的深部煤层取得能源，其中1978年～1986年，比利时和德国联合在比利时的图林首次进行了深部煤层地下气化试验(煤层深度为860m)；1988年，欧盟的6个成员国建立了欧洲地下煤炭气化工作组，于1998年在西班牙特鲁埃尔矿区进行了中等深部煤层地下气化(煤层深度为550～650m)试验，验证了欧洲深部煤层地下气化技术的可行性。

煤炭地下气化技术是目前开采深部煤炭资源最有效的技术，但是现有煤炭地下气化技术通常仅仅考虑煤层的气化，而随着煤炭开采深度的增加，煤层气含量将迅速增大，因而不可避免的会遇到煤层气的抽采问题，具体问题包括：(1)对于煤层气富集的煤层来说，如果直接实施煤层的气化，会存在安全方面的威胁和资源的浪费等问题；(2)如果采用常规的煤层气开采手段，而不考虑与地下气化技术的结合，那么后续实施煤炭地下气化，则会存在钻孔等功能的重叠，和投资成本的增加等；(3)向煤层中注入CO₂可以提高煤层CH₄的采收率，但仅在煤层气抽采初期可以调高煤层气产量，但是后期裂隙容易闭合，煤层气产量下降很快；(4)作为气化过程的中间体及产物组成之一，CO₂参与了一系列的氧化还原反应，是出口煤气中的重要组分，含量约占15～60％，是关系煤气热值和有效组分含量的重要因素之一，但是现有工艺通常没有考虑CO₂的回收与利用。

发明内容

本发明人发现，煤层气抽采与煤炭地下气化在钻孔、压裂、增隙改造等工艺环节存在一些相似性和协同效应，可以将煤炭地下技术与煤层气抽采技术结合起来综合考虑地下煤炭资源和煤层气资源的协同开发利用。一方面，可以利用煤炭地下气化产生的高温介质加热煤层，高温下煤层气中CH₄吸附能力大大降低，同时热能在向煤层传递的过程中气体受热膨胀，有利于建立生产压差，从而提高煤层气渗流速度；另一方面，前期煤层气压裂增产、排水降压等过程，使煤层透气性提高，将有利于煤炭地下气化工艺的火区的建立和后续气化过程的进行，同时煤层受热后渗透性可以提高2～10倍，因而更有利于促进CH₄解吸。另外，从产品角度看，二氧化碳和甲烷分离的成本较氮气和甲烷的分离成本低，煤气中的一氧化碳和氢气可以直接合成甲烷，其最终产品和煤层气一样都是甲烷。可见，煤层气抽采可以同地下气化相结合，两者相互促进，相互协同，既可以提高煤层气的采出率，同时由于提高了煤层的透气性，增加了反应表面积，又有利于煤炭地下气化反应的进行。