本技术涉及一种煤炭地下原位超临界水和氧气协同注入制氢方法,属于能源开采技术领域。通过井下压裂形成主压裂面,向煤层注入超临界水和氧气,引发氧化还原反应生成含H2和CO2的合成气。过程中监测煤层温度变化,形成氧化激发生热区、超临界水气化区、热解反应区和预热区,根据温度变化进行停氧预热和循环预热通氧,直至开采结束。预热过程中对采空区充填,保证热量持续向前推进。该技术通过监测和调控煤层温度,实现压裂-气化-充填的连续推进,提高制氢效率和精准度。
背景技术
“原位改性流体化采矿方法”是在矿床的地下原位通过化学溶浸、溶解、热解、气化、液化、生物等技术,使矿体发生物理与化学性态改造,将其中的有用矿物以流体化的方式开采出来的新型采矿方法。当水的温度达到374.3℃,压力达到22.05MPa时状态转变为超临界态,超临界水具有极强的传质、传热和溶解性能,常常被用作一种优良的反应介质,对各种生物质、煤炭、石油焦及有机废固液均能实现高效清洁气化。高温高压环境下超临界水与煤相互作用发生吸热还原反应生成H2
和CO2
,其中H2
被视为一种清洁能源,推动能源结构向更加多元和可持续的方向发展。而煤层埋深达到1000m,其所受的地应力已经达到或超过25MPa,极易形成超临界水反应的高压热解环境。
专利CN117211741A,涉及对中深层、深层水侵气藏原位制氢的方法,通过向井网内注入化学点火剂和含氧气体生产天然气,利用二氧化碳的竞争吸附机理置换出吸附态的天然气,从而提高中深层水侵气藏的采收率,并将二氧化碳进行原位封存。
专利CN112878978A公开了一种煤炭地下气化的超临界水压裂增效制氢方法,是将生产井和燃烧井同时进行后退式分段压裂,使得抽采井与燃烧井之间出现裂缝。压裂完成后,在燃烧井注入氧气进行气化,生产井通过闷井、调节注水压力搭配煤层燃烧产生的温度使清水达到超临界态,由此产生二次压裂,在此阶段促进传统气化模式反应,同时一部分发生超临界水注氧气化反应,提高了氢气产量。
专利CN114876437A公开了一种利用超临界水的煤层原位制氢方法,是将垂直钻井的底部布置上均相腔,并在均相腔外部设置环形电加热器,首先向均相腔内注入混合浆液,在均相腔内水达到超临界态时再注氧进行反应,发生化学反应后二氧化碳和氢气都溶于超临界水中,通过地面管口泄压的方式进行氢气收集。
专利CN114876437A公开了一种煤炭地下原位热解制氢装置及方法,是在煤层中设注入井、采出井、气体变换采出井,实施压裂连通,通过注入超临界水蒸汽与超临界二氧化碳混相对煤层进行热解,或通过惰性气体与助燃剂热解气体对煤层进行初步热解,后借助催化剂填充层与蒸汽重整催化剂填充层,实现油气的分布回收。
现有技术(专利CN117211741A、CN112878978A)主要基于传统气化工艺,而专利CN112878978A增加了超临界水二次压裂以提高氢气产量,专利CN117780326A通过注入超临界水、超临界二氧化碳混相增进热解反应并结合蒸汽重整反应制取氢气,专利CN114876437A则采用了绿色高效的超临界水单井气化工艺,并对气体产物进行收集。
然而,上述现有技术的超临界水气化工艺存在以下显著缺点:1)较超临界水而言,化学点火剂容易受井下突水的影响,进而影响气化效率。虽然,超临界水具有更强的传热、传质性能,可以在一定程度上弥补这一缺陷,但并不能完全解决问题。2)若直接注入高温、高压状态的超临界水蒸汽所需能量较高,相应产生的地面费用也相对增加;或将超临界水蒸汽、超临界二氧化碳混相同时注入进行热解,系统环节较为复杂,难以掌控,对采收率造成极大的影响。3)在超临界水气化过程中,反应区间与范围不断变化,如何精准探测其区间(温度、气体)变化是调控反应进行的技术难题。当反应持续推进时,若无法量化并监测各环节参数阈值,未及时实时充填,气化腔体容易发生泄露,甚至造成顶板破断,最终持续影响至地表;4)单井反应区间有限,导致气化效率低下,同时井下环境复杂,温度、气体分布不均匀,难以进行精准监测和调控,影响氢气产量,若井口出现问题,难以保证系统的整体稳定性;5)在合成气(二氧化碳、氢气等)出井后,进行地面分离,无论是氢气异地储存还是二氧化碳就地储存,流程较为繁琐,成本耗费较大。
实现思路