[发明专利]一种煤炭地下气化的超临界水压裂增效制氢方法

说明书

本发明公开了一种煤炭地下气化的超临界水压裂增效制氢方法，包括：在煤层钻位于同一水平面的三口水平井组，井间对向射孔，低排量缝网压裂初步增透煤层。自井底后退式依次在井组射孔簇作业，两侧水平井于射孔簇同步有控制地燃烧煤，中间井循环泵注高压清水，利用煤层高温、地应力与泵注压力形成的高压条件，实现超临界水压裂。结合超临界水低粘、与煤层温差大等易增加压裂缝网复杂度特性以及高温碳与超临界水的强产氢特性，实现超临界水压裂煤层增透与增效制氢采氢的双重效果；以中间井泵压难维系和温度超阈值为终止压裂和注氧的条件，抽采气体后注浆填充燃空区。本发明能变革传统采煤方式，原位增效制氢，推动煤炭低碳、安全、高效开发。

技术领域

本发明涉及煤炭原位储层增渗改造与增效制氢领域，具体涉及一种煤炭地下气化的超临界水压裂增效制氢方法。

背景技术

煤炭地下气化（UCG）是在地下原位进行有控制的燃烧并通过热与化学反应将深部煤炭转化为甲烷与氢气等可燃气体，并通过钻井方式进行开采。“富煤缺油少气”是我国能源的基本国情，我国仅1000~3000米深部煤炭地下气化折合的天然气资源量约为常规天然气储量的4倍，可作为未来战略接替能源。

然而，现有煤炭地下气化煤层的压裂增渗难控制且燃烧比表面积低，采出的可燃气体中甲烷为主体且氢气含量低，致使产气与采气效率低且采出气燃烧碳排放量高，不利于我国降低碳排放的国家发展需求。

相比于甲烷，氢气燃烧具有热值高（近3倍甲烷）且碳零排放的突出优势，因此实现煤炭地下化中氢气含量与煤层渗透性的同步提升将变革性地推动深部煤炭的原位安全、高效、绿色、低碳开发。

申请人发现：在深部煤炭地下气化过程中，鉴于深部高温地层具备使水进入超临界态的温压条件且超临界水和高温碳反应可提升氢气产量，因此利用该特性在气化还原区以及高温干馏区进行超临界水循环泵注压裂，一方面可利用温差效应、应力循环及超临界水低粘度、强滤失性进一步提升压裂缝网发育，另一方面提升煤层燃烧-气化比表面积并为气化反应补充更多的超临界水，以同步实现储层增渗与制氢增效。

发明内容

本发明的主要目的是变革现有煤炭地下气化的制气模式，利用煤层高温及地应力条件，使气化产出可燃气主体成分由甲烷转变为氢气并显著提升储层渗透性，实现煤炭地下气化的增效制氢与储层增渗。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种煤炭地下气化的超临界水压裂增效制氢方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：沿最小水平地应力方向平行钻取三口水平井至煤层，三口水平井处于同一平面上，中间水平井为抽采井，两侧水平井为燃烧井，钻井过程中随下套管至井底，在套管与井壁之间的环空注入水泥浆固井；

步骤二：待固井水泥浆凝固完成固井，进行射孔作业，所述水平井采用簇状定向射孔且三口井射孔簇位置保持基本一致；

步骤三：同时对三口水平井同步进行后退式分段压裂，在抽采井和燃烧井之间的煤层中形成主缝与缝网共存的压裂裂缝网络；

步骤四：待压裂裂缝中的水滤失后，在外侧两口燃烧井中投放点火设备，并在燃烧井中注入氧气，点火设备进行后退式点火燃烧，热量通过压裂裂缝加热燃烧井与抽采井之间的煤层，燃烧井和抽采井之间区域中，靠近燃烧井的区域为燃烧区，靠近中间抽采井的区域为干馏区，干馏区与燃烧区之间为还原区；

步骤五：在抽采井中以循环泵注方式注入清水，保持井底压力超出超临界水的压力条件，利用煤层燃烧导致的还原区及部分干馏区岩石374 ℃以上的高温条件、地应力与泵注压力联合形成的22.1 MPa以上高压条件，使温度在374.3 ℃以上、孔缝内流体压力高于22.1 MPa的煤层内清水进入超临界态（临界压力：22.1 MPa，临界温度：374 ℃），实现泵注高压水的超临界压裂，结合超临界水低粘、与煤层温差大等易增加压裂缝网复杂度特性以及高温碳与超临界水的强产氢特性，实现超临界水压裂煤层增透与增效制氢，最终在抽采井采氢；