專利名稱：封存二氧化碳的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在采空區(qū)和/或不可采煤層封存二氧化碳的工藝與方法。
背景技術(shù)：
煤炭在我國(guó)一次性能源結(jié)構(gòu)中占·有很重要的地位。煤炭作為一種重要能源，發(fā)電是其重要用途之一。研究表明一般情況下，I噸發(fā)電的煤會(huì)產(chǎn)生2. 66-2. 72噸的二氧化碳?xì)怏w，同樣條件下，CO2的溫室效應(yīng)是甲烷的20 25倍，這些氣體直接排放到大氣中，會(huì)引起全球氣候變暖，造成人類生活環(huán)境的巨大變化。對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生的CO2進(jìn)行人為處置成為近年來(lái)人們關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，處理CO2的方法主要有(I)將人類活動(dòng)產(chǎn)生的碳排放物捕獲、收集并以安全的方式存儲(chǔ)、封存到深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)或深海等碳庫(kù)中；(2)直接從大氣中分離出CO2并將其進(jìn)行安全存儲(chǔ)、封存。目前，向深層海洋注入CO2或是通過(guò)海洋增肥的方式會(huì)引發(fā)更多的碳沉降，與此同時(shí)也會(huì)增加海洋中碳由上至下的傳輸，引起海洋碳循環(huán)的變動(dòng)；且處理費(fèi)用相對(duì)比較高。我國(guó)具有悠久的煤炭開(kāi)采歷史，迄今為止，有許多礦井因?yàn)橘Y源枯竭而成為廢棄礦井，這些廢棄礦井存在大面積的米空跨落區(qū)和廢棄巷道砸室。冋時(shí)，在煤系地層中，普遍存在著因技術(shù)或經(jīng)濟(jì)原因而棄采的煤層，如不可采薄煤層、埋藏超過(guò)終采線的深部煤層和構(gòu)造破壞嚴(yán)重的煤層等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種針對(duì)目前煤炭發(fā)電排放二氧化碳量多、溫室效應(yīng)明顯，處理工序復(fù)雜，費(fèi)用高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種向不可采煤層或采空區(qū)注入二氧化碳?xì)怏w封存二氧化碳的方法，達(dá)到相對(duì)永久封存二氧化碳，減少處理二氧化碳費(fèi)用的目的。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種封存二氧化碳的方法，包括如下步驟(一)注入層位的選擇，注入層位包括不可采煤層和/或煤層采空區(qū)；(二)根據(jù)注入層位所處位置鉆井；(三)對(duì)不可采煤層和/或采空區(qū)頂板的裂隙帶射孔，(四)當(dāng)注入層位為不可采煤層時(shí)，通過(guò)壓裂設(shè)備對(duì)注入層位壓裂，同時(shí)或者先后對(duì)注入層位注入二氧化碳，并封存；當(dāng)注入層位為采空區(qū)時(shí)，通過(guò)裂隙帶向采空區(qū)注入二氧化碳，并封存；當(dāng)需注入層位的數(shù)量大于一層時(shí)，為從下至上依次分層注入二氧化碳，每層注入層位注入完成并封存后再進(jìn)行下一層注入層位的注入與封存；(五)最后鉆井填埋封蓋。在步驟(四)中，所述壓裂為水力壓裂，二氧化碳為液態(tài)二氧化碳，液態(tài)二氧化碳通過(guò)增壓泵注入所述注入層位。所述不可采煤層的上、下部均有厚度大于2m的砂質(zhì)泥巖層或者泥巖層存在。在步驟(一)中，注入層位包括采空區(qū)及其上部的不可采薄煤層，在步驟(二)中，鉆井井身為三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，在步驟(三)中，對(duì)不可采煤層、不可采煤層頂、底板的砂巖層以及采空區(qū)頂板的裂隙帶均進(jìn)行射孔。
在步驟(一)中，注入層位包括采空區(qū)和分別位于采空區(qū)上側(cè)、下側(cè)的不可采薄煤層，在步驟(二)中，鉆井井身為四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，在步驟(三)中，對(duì)每層不可采煤層、每層不可采煤層頂、底板的砂巖層以及采空區(qū)頂板的裂隙帶均進(jìn)行射孔。 在步驟(一)中，注入層位僅由若干層不可采薄煤層組成，在步驟(二)中，鉆井井身為二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，在步驟(三)中，對(duì)每層不可采煤層、每層不可采煤層頂、底板的砂巖層均進(jìn)行射孔。 在步驟(一)中，注入層位僅為采空區(qū)，在步驟(二)中，鉆井井身為三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，在步驟(三)中，僅對(duì)采空區(qū)頂板的裂隙帶進(jìn)行射孔。在步驟(四)中所述的封存為每層注入層位注入完畢后，均封堵該注入層位的所對(duì)應(yīng)的射孔孔眼，并將井筒向上填埋至下一個(gè)需注入層位的底部下側(cè)。所述在步驟(五)中，對(duì)整個(gè)井筒填砂，在井口內(nèi)注水泥且井口封蓋。本發(fā)明所述的封存二氧化碳的方法，具有如下有益效果(1)針對(duì)不同的不可采煤層與采空區(qū)的位置關(guān)系，設(shè)計(jì)出不同的井身結(jié)構(gòu)?？梢酝瓿刹煌闆r下的二氧化碳注入。
(2)針對(duì)不可采煤層和采空區(qū)空間位置的不同，設(shè)計(jì)出不同的壓裂注入二氧化碳工藝與方法，該工藝流程操作簡(jiǎn)便、費(fèi)用低、適用范圍廣，可以大大減少大氣中溫室氣體的排放量。并且，煤炭產(chǎn)地火電、水泥、建材、煤化工等行業(yè)比較發(fā)達(dá)，這些大型的CO2固定排放源比較集中地分布在這些廢棄煤礦區(qū)的周圍，這些廢棄礦井及不可采煤層為CO2就地封存處理提供了良好的場(chǎng)所。如果能將這些地方產(chǎn)生的二氧化碳進(jìn)行收集，采用一種工藝技術(shù)把其注入到這些采空區(qū)或不可采煤層中，既有效阻止了 CO2氣體的排放，同時(shí)其處理成本也大大降低?；诖怂枷?，如何設(shè)計(jì)一種工藝及方法，把煤炭發(fā)電產(chǎn)生的二氧化碳注入到地下不可采煤層或采空區(qū)中，使二氧化碳能夠永久封存，既減少了溫室效應(yīng)，又節(jié)省了處理成本。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例I的結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意 圖3是本發(fā)明實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意 圖4是本發(fā)明實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I :
如圖I所示的一種封存二氧化碳的方法，包括如下步驟
(一)注入層位的選擇注入層位包括采空區(qū)11及其上部的不可采薄煤層17，所選注入層位的不可米薄煤層17的上側(cè)具有厚度大于2m的砂質(zhì)泥巖層或者泥巖層16存在。在此首先應(yīng)對(duì)注入層位所在的注入地點(diǎn)進(jìn)行選擇要使注入的CO2能夠得到較好地封存，為了防止注入后隱患，注入的地點(diǎn)不能選擇在正在開(kāi)采的煤礦的采空區(qū)11，也不能選擇在采空區(qū)11上部煤層已經(jīng)開(kāi)采，下部不遠(yuǎn)處(一般距離不超過(guò)200m)的煤層還要開(kāi)采的地區(qū)。因此，注入地點(diǎn)選擇在已經(jīng)開(kāi)采的，廢棄的，下部煤層在今后幾乎無(wú)開(kāi)采可能的廢棄煤礦進(jìn)行注入二氧化碳封存施工。當(dāng)然，如果不是廢棄煤礦，對(duì)于僅有若干層不可采薄煤層17的地點(diǎn)也可進(jìn)行選擇注入，此時(shí)，注入層位即為上述若干層不可采薄煤層17。緊挨不可采薄煤層17的頂板以及底板均為砂巖層18，但同時(shí)為了保證能對(duì)注入的二氧化碳起到封閉的作用，所以在所選注入層位為不可采薄煤層17時(shí)，在頂板的砂巖層18的上部、在底板的砂巖層18的下部均具有厚度大于2m的砂質(zhì)泥巖或泥巖16存在。本例中由于采空區(qū)11下部沒(méi)有不可采薄煤層17，僅對(duì)采空區(qū)11上部的不可采薄煤層17及采空區(qū)11進(jìn)行注入。綜上，地層從上至下依次為泥巖或砂質(zhì)泥巖層16、砂巖層18、不可采薄煤層17、砂巖層18、泥巖或砂質(zhì)泥巖層16、彎曲下沉帶14、裂隙帶13、冒落帶12以及采空區(qū)11。(二)根據(jù)注入層位所處位置鉆井，鉆井鉆至采空區(qū)11頂板的裂隙帶13 :先在地面進(jìn)行鉆井，鉆井向下依次穿過(guò)泥巖或砂質(zhì)泥巖層16、砂巖層18、不可采薄煤層17、砂巖層18、泥巖或砂質(zhì)泥巖層16、彎曲下沉帶14、并鉆進(jìn)到采空區(qū)11頂板的裂隙帶13為止，為 了節(jié)省鉆井成本，同時(shí)又要考慮到后續(xù)的二氧化碳注入，在鉆頭設(shè)計(jì)上，與傳統(tǒng)的煤層氣井相比，其鉆頭相應(yīng)來(lái)說(shuō)比其要小，同時(shí)又要考慮鉆井直徑與套管的匹配度。所以，一開(kāi)采用Φ269. 9mm鉆頭，鉆至基巖5m處停鉆，下入Φ219. Imm套管固井；二開(kāi)采用Φ 200mm鉆頭，鉆至采空區(qū)11頂板的裂隙帶13以上IOm左右處的穩(wěn)定區(qū)停鉆，下入Φ 168. 3mm套管固井；三開(kāi)采用Φ 120. 6mm鉆頭,鉆至三帶中的裂隙帶13中間部位停鉆,下入Φ101.6ι πι套管固井。鉆井井身為三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)。上述的固井為利用位于井口外的水泥固井注漿系統(tǒng)15完成，水泥固井注漿系統(tǒng)15的注漿泵通過(guò)管子向套管與井壁之間注入固井水泥，鉆井以及注漿固井的方法步驟均為現(xiàn)有技術(shù)，故不詳細(xì)敘述。當(dāng)然，由于注入地點(diǎn)選擇在廢棄煤礦，鉆井位置應(yīng)選擇在避開(kāi)斷層或煤炭開(kāi)采時(shí)的巷道及其邊緣150m的范圍。由于采空區(qū)11以上依次為冒落帶12、裂隙帶13和彎曲下沉帶14，其中冒落帶12、裂隙帶13常用的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為
a.開(kāi)采單一煤層時(shí)，垮落帶計(jì)算公式
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s — (Z-I)COto
式中m-煤層開(kāi)采厚度，m ;W-垮落過(guò)程中頂板的下沉值；α -礦體傾角，° ;Hm-冒落帶12高度，m ；K為巖石破碎系數(shù)，一般為I. 10-1. 40。b.厚煤層分層開(kāi)采時(shí)，垮落帶計(jì)算公式為
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堅(jiān)硬巖層 Wsj￥- = 2........... .....Efn.....；Ι±Ι5
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軟弱巖層(％=騎0膽)式=土15
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極軟弱巖層%< K)臟4 =爾^±1.2
式中=Hli-裂隙帶13高度，m ；m-煤層開(kāi)采厚度，m。
②裂隙帶13計(jì)算公式
權(quán)利要求
1.一種封存二氧化碳的方法，其特征在于包括如下步驟(一)注入層位的選擇，注入層位包括不可采煤層和/或煤層采空區(qū)；(二)根據(jù)注入層位所處位置鉆井；(三)對(duì)不可采煤層和/或采空區(qū)頂板的裂隙帶射孔，(四)當(dāng)注入層位為不可采煤層時(shí)，通過(guò)壓裂設(shè)備對(duì)注入層位壓裂，同時(shí)或者先后對(duì)注入層位注入二氧化碳，并封存；當(dāng)注入層位為采空區(qū)時(shí)，通過(guò)裂隙帶向采空區(qū)注入二氧化碳，并封存；當(dāng)需注入層位的數(shù)量大于一層時(shí)，為從下至上依次分層注入二氧化碳，每層注入層位注入完成并封存后再進(jìn)行下一層注入層位的注入與封存；(五)最后鉆井填埋封蓋。
2.如權(quán)利要求I所述的封存二氧化碳的方法，其特征在于在步驟(四)中，所述壓裂為水力壓裂，二氧化碳為液態(tài)二氧化碳，液態(tài)二氧化碳通過(guò)增壓泵注入所述注入層位。
3.如權(quán)利要求2所述的封存二氧化碳的方法，其特征在于所述不可采煤層的上、下部均有厚度大于2m的砂質(zhì)泥巖層或者泥巖層存在。
4.如權(quán)利要求3所述的封存二氧化碳的方法，其特征在于在步驟(一)中，注入層位包括采空區(qū)及其上部的不可采薄煤層，在步驟(二)中，鉆井井身為三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，在步驟(三)中，對(duì)不可采煤層、不可采煤層頂、底板的砂巖層以及采空區(qū)頂板的裂隙帶均進(jìn)行射孔。
5.如權(quán)利要求3所述的封存二氧化碳的方法，其特征在于在步驟(一)中，注入層位包括采空區(qū)和分別位于采空區(qū)上側(cè)、下側(cè)的不可采薄煤層，在步驟(二)中，鉆井井身為四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，在步驟(三)中，對(duì)每層不可采煤層、每層不可采煤層頂、底板的砂巖層以及采空區(qū)頂板的裂隙帶均進(jìn)行射孔。
6.如權(quán)利要求3所述的封存二氧化碳的方法，其特征在于在步驟(一)中，注入層位僅由若干層不可采薄煤層組成，在步驟(二)中，鉆井井身為二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，在步驟(三)中，對(duì)每層不可采煤層、每層不可采煤層頂、底板的砂巖層均進(jìn)行射孔。
7.如權(quán)利要求3所述的封存二氧化碳的方法，其特征在于在步驟(一)中，注入層位僅為采空區(qū)，在步驟(二)中，鉆井井身為三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，在步驟(三)中，僅對(duì)采空區(qū)頂板的裂隙帶進(jìn)行射孔。
8.如權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的封存二氧化碳的方法，其特征在于在步驟(四)中所述的封存為每層注入層位注入完畢后，均封堵該注入層位的所對(duì)應(yīng)的射孔孔眼，并將井筒向上填埋至下一個(gè)需注入層位的底部下側(cè)。
9.如權(quán)利要求8所述的封存二氧化碳的方法，其特征在于所述在步驟(五)中，對(duì)整個(gè)井筒填砂，在井口內(nèi)注水泥且井口封蓋。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種封存二氧化碳的方法，包括如下步驟(一)注入層位的選擇，注入層位包括不可采煤層和/或煤層采空區(qū)；(二)根據(jù)注入層位所處位置鉆井；(三)對(duì)不可采煤層和/或采空區(qū)頂板的裂隙帶射孔，(四)當(dāng)需注入層位的數(shù)量大于一層時(shí)，為從下至上依次分層注入二氧化碳，每層注入層位注入完成并封存后再進(jìn)行下一層注入層位的注入與封存；(五)最后鉆井填埋封蓋。本發(fā)明是一種針對(duì)目前煤炭發(fā)電排放二氧化碳量多、溫室效應(yīng)明顯，處理工序復(fù)雜，費(fèi)用高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)的一種向不可采煤層或采空區(qū)注入二氧化碳?xì)怏w封存二氧化碳的方法，達(dá)到相對(duì)永久封存二氧化碳，減少處理二氧化碳費(fèi)用的目的。
文檔編號(hào)B65G5/00GK102942006SQ20121049786
公開(kāi)日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月29日
發(fā)明者陳文學(xué), 倪小明, 劉明舉, 王倩, 李全中 申請(qǐng)人:河南理工大學(xué)