專利名稱：封存二氧化碳的方法
技術領域：
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：
煤炭在我國一次性能源結構中占·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)電的煤會產(chǎn)生2. 66-2. 72噸的二氧化碳氣體，同樣條件下，CO2的溫室效應是甲烷的20 25倍，這些氣體直接排放到大氣中，會引起全球氣候變暖，造成人類生活環(huán)境的巨大變化。對已經(jīng)產(chǎn)生的CO2進行人為處置成為近年來人們關注的焦點。目前，處理CO2的方法主要有(I)將人類活動產(chǎn)生的碳排放物捕獲、收集并以安全的方式存儲、封存到深層地質(zhì)結構或深海等碳庫中；(2)直接從大氣中分離出CO2并將其進行安全存儲、封存。目前，向深層海洋注入CO2或是通過海洋增肥的方式會引發(fā)更多的碳沉降，與此同時也會增加海洋中碳由上至下的傳輸，引起海洋碳循環(huán)的變動；且處理費用相對比較高。我國具有悠久的煤炭開采歷史，迄今為止，有許多礦井因為資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，在煤系地層中，普遍存在著因技術或經(jīng)濟原因而棄采的煤層，如不可采薄煤層、埋藏超過終采線的深部煤層和構造破壞嚴重的煤層等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種針對目前煤炭發(fā)電排放二氧化碳量多、溫室效應明顯，處理工序復雜，費用高等問題，設計出一種向不可采煤層或采空區(qū)注入二氧化碳氣體封存二氧化碳的方法，達到相對永久封存二氧化碳，減少處理二氧化碳費用的目的。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術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)對不可采煤層和/或采空區(qū)頂板的裂隙帶射孔，(四)當注入層位為不可采煤層時，通過壓裂設備對注入層位壓裂，同時或者先后對注入層位注入二氧化碳，并封存；當注入層位為采空區(qū)時，通過裂隙帶向采空區(qū)注入二氧化碳，并封存；當需注入層位的數(shù)量大于一層時，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，鉆井井身為三開井身結構，在步驟(三)中，對不可采煤層、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、下側的不可采薄煤層，在步驟(二)中，鉆井井身為四開井身結構，在步驟(三)中，對每層不可采煤層、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，鉆井井身為二開井身結構，在步驟(三)中，對每層不可采煤層、每層不可采煤層頂、底板的砂巖層均進行射孔。 在步驟(一)中，注入層位僅為采空區(qū)，在步驟(二)中，鉆井井身為三開井身結構，在步驟(三)中，僅對采空區(qū)頂板的裂隙帶進行射孔。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應的射孔孔眼，并將井筒向上填埋至下一個需注入層位的底部下側。所述在步驟(五)中，對整個井筒填砂，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)針對不同的不可采煤層與采空區(qū)的位置關系，設計出不同的井身結構。可以完成不同情況下的二氧化碳注入。
(2)針對不可采煤層和采空區(qū)空間位置的不同，設計出不同的壓裂注入二氧化碳工藝與方法，該工藝流程操作簡便、費用低、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，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所。如果能將這些地方產(chǎn)生的二氧化碳進行收集，采用一種工藝技術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，同時其處理成本也大大降低。基于此思想，如何設計一種工藝及方法，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，又節(jié)省了處理成本。


圖I是本發(fā)明實施例I的結構示意 圖2是本發(fā)明實施例2的結構示意 圖3是本發(fā)明實施例3的結構示意 圖4是本發(fā)明實施例4的結構示意圖。
具體實施例方式實施例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。在此首先應對注入層位所在的注入地點進行選擇要使注入的CO2能夠得到較好地封存，為了防止注入后隱患，注入的地點不能選擇在正在開采的煤礦的采空區(qū)11，也不能選擇在采空區(qū)11上部煤層已經(jīng)開采，下部不遠處(一般距離不超過200m)的煤層還要開采的地區(qū)。因此，注入地點選擇在已經(jīng)開采的，廢棄的，下部煤層在今后幾乎無開采可能的廢棄煤礦進行注入二氧化碳封存施工。當然，如果不是廢棄煤礦，對于僅有若干層不可采薄煤層17的地點也可進行選擇注入，此時，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，但同時為了保證能對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，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下部沒有不可采薄煤層17，僅對采空區(qū)11上部的不可采薄煤層17及采空區(qū)11進行注入。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 :先在地面進行鉆井，鉆井向下依次穿過泥巖或砂質(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，同時又要考慮到后續(xù)的二氧化碳注入，在鉆頭設計上，與傳統(tǒng)的煤層氣井相比，其鉆頭相應來說比其要小，同時又要考慮鉆井直徑與套管的匹配度。所以，一開采用Φ269. 9mm鉆頭，鉆至基巖5m處停鉆，下入Φ219. Imm套管固井；二開采用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。鉆井井身為三開井身結構。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，故不詳細敘述。當然，由于注入地點選擇在廢棄煤礦，鉆井位置應選擇在避開斷層或煤炭開采時的巷道及其邊緣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)驗計算公式為
a.開采單一煤層時，垮落帶計算公式
^ m -F
s — (Z-I)COto
式中m-煤層開采厚度，m ;W-垮落過程中頂板的下沉值；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.厚煤層分層開采時，垮落帶計算公式為
# IOOIlm
堅硬巖層 Wsj￥- = 2........... .....Efn.....；Ι±Ι5
ΙΟΟΣμ
中硬巖層( =2CM_Fa)足=......
IOOEm
軟弱巖層(％=騎0膽)式=土15
” 1002 m ,,.
極軟弱巖層%< K)臟4 =爾^±1.2
式中=Hli-裂隙帶13高度，m ；m-煤層開采厚度，m。
②裂隙帶13計算公式
權利要求
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)對不可采煤層和/或采空區(qū)頂板的裂隙帶射孔，(四)當注入層位為不可采煤層時，通過壓裂設備對注入層位壓裂，同時或者先后對注入層位注入二氧化碳，并封存；當注入層位為采空區(qū)時，通過裂隙帶向采空區(qū)注入二氧化碳，并封存；當需注入層位的數(shù)量大于一層時，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)二氧化碳通過增壓泵注入所述注入層位。
3.如權利要求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，鉆井井身為三開井身結構，在步驟(三)中，對不可采煤層、不可采煤層頂、底板的砂巖層以及采空區(qū)頂板的裂隙帶均進行射孔。
5.如權利要求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、下側的不可采薄煤層，在步驟(二)中，鉆井井身為四開井身結構，在步驟(三)中，對每層不可采煤層、每層不可采煤層頂、底板的砂巖層以及采空區(qū)頂板的裂隙帶均進行射孔。
6.如權利要求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，鉆井井身為二開井身結構，在步驟(三)中，對每層不可采煤層、每層不可采煤層頂、底板的砂巖層均進行射孔。
7.如權利要求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，鉆井井身為三開井身結構，在步驟(三)中，僅對采空區(qū)頂板的裂隙帶進行射孔。
8.如權利要求1-7任一項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應的射孔孔眼，并將井筒向上填埋至下一個需注入層位的底部下側。
9.如權利要求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，對整個井筒填砂，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)對不可采煤層和/或采空區(qū)頂板的裂隙帶射孔，(四)當需注入層位的數(shù)量大于一層時，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)明是一種針對目前煤炭發(fā)電排放二氧化碳量多、溫室效應明顯，處理工序復雜，費用高等問題，設計的一種向不可采煤層或采空區(qū)注入二氧化碳氣體封存二氧化碳的方法，達到相對永久封存二氧化碳，減少處理二氧化碳費用的目的。
文檔編號B65G5/00GK102942006SQ20121049786
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月29日 優(yōu)先權日2012年11月29日
發(fā)明者陳文學, 倪小明, 劉明舉, 王倩, 李全中 申請人:河南理工大學