专利名称:一种基于难采或不可采煤层封存二氧化碳的方法
专利类型:发明专利
专利申请号:CN202410890595.6
专利申请(专利权)人:太原理工大学
权利人地址:山西省太原市迎泽西大街79号
专利发明(设计)人:王磊,杨冰,张俊娜,杨栋,张晓雨,康志勤,赵静
专利摘要:本发明公开了一种基于难采或不可采煤层封存二氧化碳的方法,属于CO2地质封存技术领域;通过从地面向难采或不可采煤层钻入中心注入井,并围绕中心注入井钻入用于监测煤层各个区域的pH的钻孔,通过压裂的方法贯通煤层中的裂隙,再注入氢氧化钠碱性溶液,提高煤层中的pH值,然后将二氧化碳气体进行加压调温后注入煤层,将二氧化碳封存;本发明通过物理封存和化学反应的结合,提高了难采或不可采煤层对二氧化碳的封存能力。
主权利要求:
1.一种基于难采或不可采煤层封存二氧化碳的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、在难采或不可采煤层上部地面向下钻入中心注入井(1)并固井,中心注入井(1)打到可注入二氧化碳最深层煤层的下部边界;通过中心注入井(1)向煤层注入压裂液构造裂隙通道(11);所述的难采或不可采煤层是煤层埋深>800m且煤层厚度<5m;
S2、以中心注入井(1)为中心,环绕中心注入井(1)打入多圈钻孔(3),然后在钻孔(3)内均布多个pH测试仪,用于监测煤层每个区域的pH变化;
S3、通过中心注入井(1)向煤层注入氢氧化钠溶液;当检测到煤层中氢氧化钠溶液达到饱和状态时,结束注入,并使氢氧化钠溶液充分渗透在煤层中;所述的氢氧化钠溶液中添加有高锰酸钾和活性炭;高锰酸钾与煤中的还原性物质发生反应,增强吸附作用;氢氧化钠溶液的浓度为15 20mol/L;
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S4、将二氧化碳气体的压力加压到高于煤层的上覆压力,并控制二氧化碳气体的温度在50℃以下,然后把二氧化碳气体注入到煤层中,保证二氧化碳气体达到超临界状态;实时监测煤层中的孔隙压力,当煤层中的孔隙压力逐渐上升到与注入的超临界二氧化碳的压力相等后,则煤层中的气体达到饱和状态,然后停止注气工作,此煤层的封存工序完成,形成已完成封存煤层(9);
S5、对已完成封存煤层(9)以及其上覆的岩层(6)进行封闭处理,封闭处理后采用上行注入的方式,对上一个煤层进行相同的封存工序。
2.根据权利要求1所述的一种基于难采或不可采煤层封存二氧化碳的方法,其特征在于,当中心注入井(1)中所有的煤层都完成了封存工作后,以中心注入井(1)为中心,环绕中心注入井(1)布置一圈外围注入井(2),每钻入一个外围注入井(2),采用步骤S1 S5进行二~氧化碳封存,之后再钻入第二个外围注入井(2),进行二氧化碳封存,如此循环。
3.根据权利要求2所述的一种基于难采或不可采煤层封存二氧化碳的方法,其特征在于,中心注入井(1)到每个外围注入井(2)的距离为5000 8000m,相邻的两个外围注入井(2)~之间的距离为5000 8000m。
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4.根据权利要求1所述的一种基于难采或不可采煤层封存二氧化碳的方法,其特征在于,采用多次注入的方式向煤层注入氢氧化钠溶液,使氢氧化钠溶液充分渗透在煤层中。
5.根据权利要求1所述的一种基于难采或不可采煤层封存二氧化碳的方法,其特征在于,将各个钻孔(3)内的pH测试仪和用于注入氢氧化钠溶液的高压泵分别与控制系统相连,形成碱性智能调节系统。
6.根据权利要求1所述的一种基于难采或不可采煤层封存二氧化碳的方法,其特征在于,形成已完成封存煤层(9)后进行钻孔泄压工作。
7.根据权利要求1所述的一种基于难采或不可采煤层封存二氧化碳的方法,其特征在于,通过对各个煤层进行探测,测量煤层参数,来确定中心注入井(1)的钻入位置,所述煤层参数包括煤层走向和倾向、应力状态、孔隙率、孔隙压力。 说明书 : 一种基于难采或不可采煤层封存二氧化碳的方法技术领域[0001] 本发明属于CO2地质封存技术领域,涉及一种基于难采或不可采煤层封存二氧化碳的方法。背景技术[0002] 二氧化碳封存技术(CCS)是一种减少温室气体排放的方法,可将从化石燃料燃烧和工业生产中产生的大量二氧化碳稳定封存在地下。CCS技术主要包括注入和封存二氧化碳两个方面。封存是将二氧化碳在一定条件下与其他物质混合,以达到二氧化碳稳定封存于地下的目的。在目前的研究中,在注入方式上,除了常规的直接注入之外,还出现了CO2和烃类的混合注入,该方法可减少CO2排放,同时还提高了能源利用率;在储存方式上,除了常规的固体和液体储存外,还出现了气体储存、可再生能源和地热资源储存等多种技术。从目前全球CCS研究与技术发展情况看,CO2封存技术正向多途径、多用途、高效率方向发展。[0003] 根据CO2地质化学特征,CO2的地质封存方式主要有两种:一种是化学封存,即将CO2与岩石反应生成盐和其他化合物后再加以固化;另一种是物理封存,即在岩石裂缝和孔隙中注入CO2以达到长期的地质封存效果。目前,化学封存与物理封存是最为成熟、应用最广泛的CO2地质封存技术。根据CO2注入方式,化学封存可分为注入井中直接驱替和注入井与油层之间反应驱替两种方式。其中,注入井中直接驱替技术是指将CO2直接注入到地下特定的含水层中。与注入井与油层之间反应驱替相比,直接驱替技术具有更高的经济效益,同时还能避免或减少CO2泄漏到油层中的风险。[0004] 通过CCS技术可以有效降低化石燃料燃烧排出的二氧化碳所产生的温室气体排放,也可以将CO2封存在地下进行长期储存或利用地下咸水层进行封存。另外,CCS技术也是一种能够大量减少化石燃料燃烧产生二氧化碳排放的技术,对实现“碳中和”具有重要意义。[0005] 现在本领域内的专利CN116201598A,采用了向目标地质区域注入1,3‑二氧戊环水溶液的方法,将封存系统划分为检测单元、输送单元和水合反应单元等,通过先注入1,3‑二氧戊环水溶液后注入待封存气体进行封存。[0006] 现在本领域内的专利CN115637953A,记载了压裂、注气、注碱液等流程,是将碱性溶液注入煤层与二氧化碳反应生成沉淀颗粒,然后在压裂过程中实现对煤层孔隙的封堵,进而实现对二氧化碳的封存。发明内容[0007] 本发明克服了现有技术的不足,提出一种基于难采或不可采煤层封存二氧化碳的方法。以提高在深部难采和不可采煤层中二氧化碳的封存量。[0008] 为了达到上述目的,本发明是通过如下技术方案实现的:[0009] 一种基于难采或不可采煤层封存二氧化碳的方法,包括以下步骤:[0010] S1、在难采或不可采煤层上部地面向下钻入中心注入井并固井,中心注入井打到可注入二氧化碳最深层煤层的下部边界;通过中心注入井向煤层注入压裂液构造裂隙通道;所述的难采或不可采煤层是煤层埋深>800m且煤层厚度<5m;[0011] S2、以中心注入井为中心,环绕中心注入井打入多圈钻孔,然后在钻孔内均布多个pH测试仪,用于监测煤层每个区域的pH变化;[0012] S3、通过中心注入井向煤层注入氢氧化钠溶液;当检测到煤层中氢氧化钠溶液达到饱和状态时,结束注入,并使氢氧化钠溶液充分渗透在煤层中;[0013] S4、将二氧化碳气体的压力加压到高于煤层的上覆压力,并控制二氧化碳气体的温度在50℃以下,然后把二氧化碳气体注入到煤层中,保证二氧化碳气体达到超临界状态;实时监测煤层中的孔隙压力,当煤层中的孔隙压力逐渐上升到与注入的超临界二氧化碳的压力相等后,则煤层中的气体达到饱和状态,然后停止注气工作,此煤层的封存工序完成,形成已完成封存煤层;[0014] S5、对已完成封存煤层以及其上覆的岩层进行封闭处理,封闭处理后采用上行注入的方式,对上一个煤层进行相同的封存工序。[0015] 优选的,所述的氢氧化钠溶液中添加有高锰酸钾和活性炭。[0016] 优选的,氢氧化钠溶液的浓度为15 20mol/L。~[0017] 优选的,当中心注入井中所有的煤层都完成了封存工作后,以中心注入井为中心,环绕中心注入井布置一圈外围注入井,每钻入一个外围注入井,采用步骤S1 S5进行二氧化~碳封存,之后再钻入第二个外围注入井,进行二氧化碳封存,如此循环。[0018] 更优的,中心注入井到每个外围注入井的距离为5000 8000m,相邻的两个外围注~入井之间的距离为5000 8000m。~[0019] 优选的,采用多次注入的方式向煤层注入氢氧化钠溶液,使氢氧化钠溶液充分渗透在煤层中。[0020] 优选的,将各个钻孔内的pH测试仪和用于注入氢氧化钠溶液的高压泵分别与控制系统相连,形成碱性智能调节系统。[0021] 优选的,形成已完成封存煤层后进行钻孔泄压工作。[0022] 优选的,通过对各个煤层进行探测,测量煤层参数,来确定中心注入井的钻入位置,所述煤层参数包括煤层走向和倾向、应力状态、孔隙率、孔隙压力。[0023] 本发明相对于现有技术所产生的有益效果为:[0024] 1、本发明采用了圆环状的井筒布置形式,可以保证每个井筒之间的距离接近,每个井筒都能得到充分的利用,使整个煤层能够得到均匀填充,保证二氧化碳最大限度的封存量。[0025] 2、本发明采用难采或不可采煤层来对二氧化碳进行封存,充分利用了难采和不可采煤层的空间,合理利用地下空间资源。[0026] 3、本发明合理利用了在深部区域条件下的温度条件和压力条件,使得注入的二氧化碳气体能够达到超临界状态或者亚临界状态,其粘度要比常规液体小,具有更强的扩散性。并且在与氢氧化钠溶液反应时,足量的CO2能够与 离子先反应生成Na2CO3然后继续反应生成NaHCO3,相比于只反应到Na2CO3这一过程,相同的氢氧化钠溶液能够与多一倍的二氧化碳反应,提高了二氧化碳的封存量。利用氢氧化钠溶液能够在含有压力的情况最大限度的消耗二氧化碳来生成NaHCO3,而在反应过程中所形成的Na2CO3和最终生成的NaHCO3都是易溶于水的盐,不会产生沉淀将煤层的孔隙堵塞。[0027] 4、本发明利用先注入混合碱性溶液后注入过量二氧化碳的方式,使二者充分进行酸碱中和实现二氧化碳化学封存的基础上,同时还利用了煤层中的孔隙裂隙对二氧化碳进行物理封存,将物理封存和化学反应巧妙结合,提高难采或不可采煤层对二氧化碳的封存能力。[0028] 5、本发明运用了氢氧化钠与二氧化碳反应所生成的碳酸氢钠来调节岩层的酸碱程度,同时运用高锰酸钾对煤层进行氧化还原来增加煤层的吸附能力。利用钻孔和井筒对煤层进行监测,达到加快反应速度的目的。附图说明[0029] 图1是实施例1的中心注入井和外围注入井位置布置示意图;[0030] 图2是实施例1的中心注入井和钻孔在煤层中布置的剖面图;[0031] 图3是实施例1中向煤层注入氢氧化钠溶液封存二氧化碳过程的示意图;[0032] 图中标号:[0033] 1‑中心注入井;2‑外围注入井;3‑钻孔;5‑套管;6‑岩层;7‑未进行碳封存煤层;8‑正在进行封存煤层;9‑已完成封存煤层;10‑水泥浆;11‑裂隙通道。具体实施方式[0034] 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。[0035] 实施例1[0036] 煤层群厚度在5 8m及以上且每个煤层的厚度小于3m,最深可利用煤层埋深为~1200m,属于难采或不可采煤层的范围,采用本发明提供的方法对二氧化碳进行封存,具体步骤如下(参见图1至图3):[0037] S1、首先对当前的各个煤层进行探测,测量其走向和倾向、应力状态、孔隙率、孔隙压力等参数。[0038] S2、通过勘探后,在合适的空地上选择井筒的位置进行打井,打到可注入二氧化碳最深层煤层的下部边界,形成中心注入井1,在完成钻井后,对井筒安装套管5并固井。[0039] S3、在地面用高压泵通过中心注入井1向最下部的煤层注入水,使该煤层中原来所含有的裂隙得到贯通,形成更加良好的较大范围的裂隙通道11。必要时为了保证压开的裂缝处于张开状态,接着可以向煤层中注入一些带有支撑剂的携砂液,一方面支撑压开的裂缝,使其不闭合,另一方面使裂缝继续向前延伸。[0040] S4、以中心注入井1为中心,在距离中心注入井1每2000m的距离向煤层中打钻孔3,形成两圈钻孔3,相邻两个钻孔3之间的距离为2500m,然后在钻孔3内下放管道,并在管道的下端每隔一米的距离安装pH测试仪,使其能够监测煤层每个区域的pH变化。[0041] S5、在地面上,将每升氢氧化钠溶液中加入0.1升高锰酸钾溶液和20克活性炭形成混合碱性溶液,混合碱性溶液中氢氧化钠的浓度为15mol/L;利用高压泵通过中心注入井1向煤层注入混合碱性溶液,在注入过程中实时监测注入情况以及煤层中的pH值,当发现注入混合碱性溶液变得较为困难时,停止注入,让混合碱性溶液在煤层中渗透一段时间后,继续注入混合碱性溶液,每次注入的压力要高于上一次注入的压力,每次注入要间隔一段时间,反复注入3次。随着pH值的增加,氢氧根离子的浓度也相应增加。当煤层中的pH值较高时,意味着氢氧根离子( )浓度较高,它们与二氧化碳分子的碰撞频率增加,从而加速了中和反应的速度。[0042] 将各个钻孔3的pH测试仪和高压泵与计算机相连,形成一个碱性智能调节系统,使整个煤层中的pH值达到一个较高的水平并稳定在一定范围。当检测到煤层中混合碱性溶液达到“饱和状态”时,结束注入。[0043] 高锰酸钾可以与煤中的还原性物质发生反应,从而增强吸附作用。同时,所添加的活性炭具有大量的微孔和孔道结构,也为二氧化碳分子提供了充足的表面积和吸附位点,能够增加二氧化碳的吸附量。[0044] S6、在等待混合碱性溶液渗透后,对收集好的二氧化碳气体进行调温加压,将二氧化碳气体的压力加压到高于该煤层的上覆压力,温度维持在50℃以下,然后把二氧化碳气体注入到煤层中,保证二氧化碳气体达到超临界状态,注入的超临界二氧化碳一部分向周围煤层移动,另一部分随着移动不断的被吸附在煤层的孔隙中,并在煤层中与氢氧化钠反应,生成碳酸钠和碳酸氢钠。[0045] 在混合碱性溶液与CO2反应过程中,CO2与 离子发生反应,在开始时生成Na2CO3,然而由于注入的CO2的量充足,在与过量的CO2反应时,会继续发生反应使Na2CO3变成NaHCO3,这样在相同摩尔的混合碱性溶液中能够吸收更多的CO2。在混合碱性溶液中,氢氧化钠最高可以控制在20mol/L,在控制经济成本的条件下,氢氧化钠相比于其他的碱性溶液能够与更多的CO2反应。[0046] 由于在800m以下的煤层所在的温度和压力的环境很容易达到超临界二氧化碳的条件,相比较而言超临界二氧化碳的密度要远远大于常温常压下的二氧化碳,使得煤层中能够储存大量的二氧化碳,通过注入超临界二氧化碳,煤内的孔隙压力开始增大,会使孔隙裂隙变大,使得煤层的渗透率变大,利用煤基质对二氧化碳的吸附性达到物理封存的目的,同时使得二氧化碳与混合碱性溶液更加高效快速的反应。[0047] S7、实时监测煤层中的孔隙压力,当煤层中的孔隙压力逐渐上升到与注入的超临界二氧化碳的压力相等后,则煤层中的气体达到“饱和状态”,然后停止注气工作,此煤层的封存工序完成,形成已完成封存煤层9。然后,在应力较高的区域进行钻孔泄压工作。[0048] S8、通过向中心注入井1的井筒中注入水泥浆10,将已完成封存煤层9以及其上覆的岩层6进行封闭处理,封闭处理后采用上行注入的方式,对上一个煤层进行相同的封存工序,此时上一个煤层即成为正在进行封存煤层8,正在进行封存煤层8上覆的岩层6之上为未进行碳封存煤层7。[0049] S9、当中心注入井1中所有的煤层都完成了封存工作后,在中心注入井1的周围布置新的钻井形成外围注入井2,新的钻井之间要保持一定的间距,具体的距离要根据煤层的深度和煤层的孔隙裂隙程度来确定,本实施例中,围绕中心注入井1外围一圈分布有六个外围注入井2,中心注入井1到每个外围注入井2的距离为8000m,相邻的两个外围注入井2之间的距离为8000m;每钻入一个外围注入井2,采用上述步骤S2 S8进行二氧化碳封存,之后再~钻入第二个外围注入井2,进行二氧化碳封存,如此循环。[0050] 实施例2[0051] 当煤层群中含有层间距小于10 15m的较近煤层时,每个煤层的厚度在2 5m,且最~ ~深可利用煤层埋深为1200m,属于难采或不可采煤层的范围,采用本发明方法对二氧化碳进行封存,具体步骤如下:[0052] S1、首先,对层间距小于10 15m的较近煤层以及煤层间的岩层进行勘测,测量出煤~层和岩层的应力状态、孔隙率、孔隙压力等参数。[0053] S2、根据测量的孔隙压力和孔隙率,将相邻的两个或者三个煤层以及之间的岩层划分为一个封存层,再将其他层间距较近的煤层划分为若干个封存层。[0054] S3、选择矿区的中心位置进行打井作为中心注入井1,将井筒打到最深封存层的下部边界,在完成钻井后,对井筒安装套管5并固井。[0055] S4、在地面用高压泵通过中心注入井1向封存层中的每个煤层及其上部的覆岩注入水,使封存层中原来所含有的裂隙得到贯通,形成更加良好的裂隙通道11,同时让裂隙范围扩大;以中心注入井1为中心,在距离中心注入井1每2000m的距离向封存层中打钻孔3,形成两圈钻孔3,相邻两个钻孔3之间的距离为2500m,然后在钻孔3内下放管道,并在管道的下端每隔一米的距离安装pH测试仪,使其能够监测封存层每个区域的pH变化。[0056] S5、在地面上,将每升氢氧化钠溶液中加入0.1升高锰酸钾溶液和20克活性炭形成混合碱性溶液,混合碱性溶液中氢氧化钠的浓度为20mol/L;利用高压泵通过中心注入井1向封存层注入混合碱性溶液,在注入过程中实时监测注入情况以及封存层中的pH值,当发现注入混合碱性溶液变得较为困难时,停止注入,让混合碱性溶液在封存层中渗透一段时间后,继续注入混合碱性溶液,每次注入的压力要高于上一次注入的压力,每次注入要间隔一段时间。[0057] 将各个钻孔3的pH测试仪和高压泵与计算机相连,形成一个碱性智能调节系统,使整个封存层中的pH值达到一个较高的水平并稳定在一定范围。当检测到封存层中混合碱性溶液达到“饱和状态”时,结束注入。[0058] S6、在等待混合碱性溶液渗透后,对收集好的二氧化碳气体进行调温加压,将二氧化碳气体的压力加压到高于该封存层的上覆压力,温度维持在50℃以下达到最佳的反应温度,然后把二氧化碳气体注入到封存层中,保证二氧化碳气体达到超临界状态,注入的超临界二氧化碳一部分向周围封存层移动,另一部分随着移动不断的被吸附在封存层的孔隙中,并在封存层中与氢氧化钠反应,生成碳酸钠和碳酸氢钠。[0059] S7、实时监测封存层中每个煤层和其覆岩中的孔隙压力,当整体封存层中的孔隙压力逐渐上升到与注入的超临界二氧化碳的压力相等后,则封存层中的气体达到“饱和状态”,然后停止注气工作,此封存层的封存工序完成。[0060] 在地应力的约束下,煤岩的吸附膨胀也会产生附加应力(即膨胀应力),这将改变煤储层的原始地应力场,在地面向封存层中钻孔形成泄压孔,通过钻孔泄压的方式来减小应力变化。泄压后,在煤层上方的覆岩位置对泄压孔封堵,以防止下方封存层中二氧化碳流入上方封存层中。[0061] S8、通过向中心注入井1的井筒中注入水泥浆10,将封存层中每个煤层以及其上覆岩层进行封闭处理,封闭处理后采用上行注入的方式,对上一组封存层进行相同的封存工序。[0062] S9、当中心注入井1中所有的封存层都完成了封存工作后,在中心注入井1的周围布置新的钻井,本实施例中,围绕中心注入井1外围一圈分布有六个外围注入井2,中心注入井1到每个外围注入井2的距离为5000m,相邻的两个外围注入井2之间的距离为5000m;每钻入一个外围注入井2,采用上述步骤S2 S8进行二氧化碳封存,之后再钻入第二个外围注入~井2,进行二氧化碳封存,如此循环。[0063] 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。
专利地区:山西
专利申请日期:2024-07-04
专利公开日期:2024-09-03
专利公告号:CN118405401B