本發明屬于煤炭氣化開采，涉及一種原位低壓高溫煤制氫的方法。

背景技術：

1、隨著國內易采淺層煤炭資源的逐步枯竭，淺部低值難采煤層和深層煤炭資源的開采逐漸成為煤礦開采的主要方向。然而，淺部低值難采煤層和深層煤炭資源開采面臨一系列技術難題，如淺部低值難采煤層開采成本高、深部煤層高應力、地溫升高等問題，使得開采難度大幅提升，且安全風險也相應增加。因此，尋找一種既能夠高效開發淺部低值難采煤層和深層煤炭資源，又能夠實現環境友好與資源最大化利用的技術方案，顯得尤為迫切。

2、傳統的煤炭開采技術主要依賴機械化手段，且往往伴隨著較高的環境污染和能源浪費。近年來，原位采礦技術成為一種重要的技術創新，它通過改變煤層內的物理和化學狀態，在地下直接進行礦物質的提取與資源轉化。這種方法不僅能夠提高資源利用率，還能減少地面擾動和環境污染。

3、專利cn118757133b公開了一種煤炭原位超臨界水與氧氣協同注入的制氫方法。該方法要求在超臨界水環境下進展原位制氫，因此對設備的要求極高，超臨界水注入系統、壓裂系統以及高溫高壓注入設備等均需要額外的技術支持和投資。使用超臨界水和高壓氧氣注入時，可能會引發安全隱患，特別是在煤層原位反應過程中，氧氣與氫氣之間可能發生劇烈反應，增加了安全風險。此外，雖然該專利通過溫度監測和反應控制來調節煤層溫度，但未能充分利用反應過程中產生的熱量來預熱其他煤層或提升系統能效。該方法還要求煤層具備較高埋深和壓力，因此其應用范圍受到一定限制，技術的適用性較為單一。盡管專利中提出了電磁流裝置和充填系統用于監測與控制采空區的充填過程，但這一過程依賴于高精度電磁感應技術和高壓注漿技術，操作復雜且成本較高。

4、專利cn117211741a公開了一種中深層、深層水侵氣藏原位制氫及提高采收率的方法。該方法涉及多個復雜的技術步驟，如井網加密、體積壓裂和水煤氣轉化催化劑的使用。具體而言，方法需要在加密井中注入富氧氣體，并使用點火器或化學點火劑引燃氣藏，這些操作要求復雜的設備配置和精密的調控，增加了實施難度和設備投資。同時，使用富氧氣體和點火器引燃氣藏會在井下形成高溫高壓環境，這種高溫氣體與氧氣的混合存在潛在爆炸風險，可能導致反應失控，尤其在煤層原位反應中，氧氣與氫氣的劇烈反應可能引發安全隱患。盡管該專利提到通過氣體點燃生成反應熱，但并未詳細描述如何將這些熱量用于預熱其他煤層或提高能效。

5、專利cn112878978a公開了一種煤炭地下氣化的超臨界水壓裂增效制氫方法。該專利采用埋深超過1500米的深層煤層作為改造對象，使得該方法的適用性受到限制，尤其對于淺層或低階煤層的開發較為困難。在該專利中，使用富氧氣體和點火設備引燃煤層以激發氣化反應，導致高溫高壓環境，存在一定的爆炸風險，尤其在深層煤層中，反應失控的風險更大。

6、專利cn114876438b公開了一種充填式煤原位制氫的煤炭開采方法，該專利中雖然沒有明確指出工藝的核心思路是采用超臨界水（臨界溫度374.3℃，臨界壓力22.05mpa）進行制氫，但是在權利要求中強調煤層可氧化的閾值溫度不得低于374℃，反應區水及氣體的壓力不低于22.1mpa，因此該技術同樣屬于超臨界水原位煤制氫的技術范疇。該技術中，開采單元的井筒布置采用三個平行分布的u型井的方式，未對開采過程的煤層預熱和采空區監測進行細化設計，雖然反應工藝簡單但存在溫度控制滯后和反應不穩定的可能，也沒有實現對采空區高溫圍巖的熱能回收，整體能效較低。

7、專利cn113982555a公開了一種煤炭地下原位熱解系統及方法，該專利采用微波預熱煤層，盡管微波加熱能提供精準的溫度控制，但其加熱深度和區域的控制相對局限，尤其是在大規模開采過程中，微波的穿透和加熱均勻性不如水蒸氣和氧氣的流動控制更加廣泛和穩定。當煤層預熱至700℃以上后通過煤氣燃燒空腔釋放熱量，并使用三相分離裝置對產物進行處理。煤氣產物與飽和空氣混合后在氣化空腔內燃燒，這一過程中有較多的煤氣產物直接參與燃燒，導致了能源的浪費。此外，該專利的布井方式極其復雜，不利于大規模工業化應用。同時，該專利沒有詳細描述采空區的管理和巖層穩定性監測治理，而這對于地下煤炭開采尤其重要。

8、專利cn114876437a公開了一種利用超臨界水的煤層原位制氫方法，該專利中的反應過程依賴于超臨界水、氧氣和鹽巖粉末的復雜相互作用，并通過鹽巖粉末封堵煤層孔隙來調節滲透性，最終生成氫氣。鹽巖粉末的選擇、注入及煤層反應區的變化（如已反應區、反應進行區和待反應區的形成）都需要精確的監控和調節，這使得過程較為復雜，且可能導致反應不穩定，控制難度較大。該專利使用超臨界水、氧氣和高溫加熱器在封閉的均相腔內進行反應，存在高壓、易燃和爆炸的風險，尤其在高溫高壓的封閉環境中，氧氣與氫氣的反應可能引發事故。因此，這些安全隱患需要嚴格的防護措施和實時監控。

9、專利cn117780326a公開了一種煤炭地下原位熱解制氫裝置及方法，該方法涉及多個設備和復雜的系統，包括豎井、水平井、甲烷化催化劑填充層、超臨界流體發生器、氫氣分離裝置等多個核心組件。特別是在超臨界流體發生器的使用上，要求高壓和高溫的設備，增加了系統的復雜性和投資成本。此外，設備間的互聯和協調需要精準的控制與技術支持，這使得方法實施的成本較高，且設備的安裝與維護難度較大。

10、專利cn117211741a、cn112878978a、cn114876438b、cn117823112b、cn114876437a和cn117780326a都強調超臨界水環境下的原位煤制氫，其主要化學反應特征如下：

11、1、c+h2o=h2+co，（溫度：500-600℃，壓力：＞25mpa）；

12、2、co+h2o=co2+h2，（溫度：>550℃，壓力：無要求）。

13、從上述化學反應式可知，超臨界水原位制氫過程的溫度高于550℃即可，但是對壓力的要求較高，需要大于25mpa，這就對儲層的密閉性、超臨界水發生器的穩定性和注入井生產井的井筒穩定性都提出了很高的要求。

14、大部分現有的原位煤制氫技術（專利cn117211741a、cn112878978a、cn114876438b、cn117823112b、cn114876437a和cn117780326a）都采取了高壓高溫的超臨界水這條路，這就導致這些專利存在以下幾點明顯的共性問題：

15、1、高溫高壓條件要求：大多數技術依賴于高溫高壓環境來促進煤層中的化學反應，特別是使用超臨界水或富氧氣體與煤層反應（如超臨界水壓裂增效制氫、超臨界水與氧氣協同注入、煤層原位氣化等）。這些高溫高壓條件是確保煤層氣化和氫氣產生的關鍵，但也帶來了安全隱患并對設備提出了更高要求。

16、2、設備復雜性和高成本：所有這些專利都需要多個復雜的設備配置，包括超臨界流體發生器、高壓注入系統、催化劑填充層等。這些設備不僅對工程設計和安裝提出了較高要求，而且需要高精度的操作和實時調控系統。設備的多樣性和復雜性導致資本支出和操作支出增加，從而提高了實施難度和技術門檻。

17、3、安全隱患：高壓高溫環境下的反應過程存在潛在的安全風險，特別是氧氣和氫氣的混合反應容易發生劇烈反應，甚至引發爆炸。此外，超臨界流體和富氧氣體的使用增加了操作的危險性，需要嚴格的安全監控系統以防事故。

18、4、煤層適應性問題：大多數專利要求煤層具備較高的壓力和溫度條件，因此其適用性通常局限于深層或較高階煤層（如埋深超過1500米）。這限制了這些技術的廣泛應用，特別是在淺層或低階煤層的開發中可能面臨困難。許多技術還依賴于煤層的特定物理特性（如孔隙度和滲透性），而這些特性在不同煤層中可能差異較大，影響了技術的普適性和靈活性。

19、5、能效和熱能利用不足：盡管這些專利中使用了高溫反應和氣化技術，但大多數技術并未充分考慮如何有效回收和利用反應過程中產生的熱能。例如，在超臨界水和氣化過程中產生的熱量往往只能用于維持反應溫度，而無法有效預熱煤層或提升整體能效。這導致能源利用效率較低，增加了對外部能源的需求。

20、總的來說，這些專利雖然在煤炭原位制氫方面提出了創新思路，并通過高溫高壓條件加速化學反應，但普遍存在設備復雜性高、能效低、安全隱患大以及技術適用性差等問題。

技術實現思路

1、本發明克服了現有技術的不足，提出一種原位低壓高溫煤制氫的方法。本發明是通過如下技術方案實現的：

2、一種原位低壓高溫煤制氫的方法，包括以下步驟：

3、步驟1、在地表依次向目標煤層布置若干井筒，所有井筒的垂直段到達目標煤層后采用水平井的方式連通相鄰井筒，對目標煤層壓裂形成煤層壓裂裂隙；

4、步驟2、選取相鄰兩個井筒作為注入井和生產井，通過注入井注入溫度＞650℃的過熱水蒸氣對目標煤層進行預熱，待注入井周圍煤層溫度＞450℃后，將氧氣與過熱水蒸氣同步注入目標煤層，氧氣進入預熱至450℃以上的目標煤層后與煤發生氧化反應釋放熱量并進一步提高煤層溫度；

5、步驟3、從注入井向生產井方向的煤層依次形成煤層制氫反應區和預熱區；待煤層制氫反應區的溫度均在850℃以上后，停止注入氧氣并持續向煤層制氫反應區注入過熱水蒸氣進行制氫反應，生成的h2和co2從生產井和注入井之間的煤層制氫反應區、預熱區流向生產井并通過生產井采出氣體產物；與此同時，氣體產物對預熱區處的煤層進行預熱；

6、步驟4、待煤層制氫反應區的最高溫度低于750℃且產物中h2濃度低于20%后，確定采空區分布范圍，然后繼續注入氧氣，使o2與過熱水蒸氣同步注入煤層制氫反應區，重復步驟2和步驟3，持續對注入井和生產井之間的煤層進行制氫反應，并持續采出反應生成的氣體；

7、步驟5、待采空區前端距離生產井剩20~40m的煤層時，關閉生產井，開啟生產井之后的作為準備井的井筒；生產井和準備井之間的煤層區域為準備區；水蒸氣、h2和co2氣體由采空區經過準備區之后由準備井排出，此過程實現對下一開采單元煤層，即準備區的煤層的提前預熱；

8、步驟6、待當前生產井和注入井間的煤層制氫反應區、預熱區充分制氫完成后，將當前的注入井用做注漿井，通過注漿井向已完成原位制氫的煤層空腔內注入泥漿充填；與此同時，將當前生產井作為下一個注入井，將當前的準備井作為下一個生產井，在下一個注入井和下一個生產井之間進行步驟2至步驟5，直至將目標煤層的所有煤炭資源轉化成富氫氣體產物并完成對所有采空區的充填工作。

9、進一步的，當目標煤層為傾斜煤層時，先將目標煤層中最深層的煤全部制氫完成后，并對形成的采空區完成充填工作后，再在緊挨采空區的上行煤層沿著煤層走向繼續布置開采單元，直至將傾斜的目標煤層從深到淺全部制氫完成。

10、更進一步的，由生產井、注入井、注漿井和準備井構成的開采單元在傾斜煤層中平行于煤層走向布置，每個開采單元的井筒深度一致；目標煤層中最深層的煤開始制氫，逐級完成所有煤體的制氫工作，在這個過程中，下部采空區充填工作依靠泥漿自重往下部充填，實現充填和制氫的天然分區，同時泥漿在圍巖預熱作用下蒸發出的水蒸氣為上部制氫反應提供蒸氣，實現圍巖余熱回收利用；上部煤層中的液態水在自重作用下流向下部采空區，防止液態水的存在消耗上一層制氫反應的熱量。

11、進一步的，當目標煤層為厚度≥10m以上的厚煤層時，所有井筒的垂直段到達目標煤層下部后采用分層布置水平井，水平井包括上層煤水平井和下層煤水平井；通過上層煤水平井和下層煤水平井的方式連通相鄰井筒，最終在煤層中形成以井筒為節點的水平井網，在所有下層煤水平井實施體積壓裂，在目標煤層的下層中形成煤層壓裂裂隙；按照步驟2至步驟6對下層煤水平井對應的煤層進行高溫煤制氫開采，待完成該煤層煤制氫工作和注漿充填工作后，封堵所有井筒所對應分段的花管，開啟所有井筒在上層煤所在分段的花管，重復步驟2至步驟6，對上層煤水平井對應的煤層進行高溫煤制氫開采，直至完成目標煤層上層煤的原位制氫和所有采空區的充填工作。

12、進一步的，在水平井內布置分布式溫壓傳感器監控煤層溫度。

13、進一步的，水平井內布置的分布式溫壓傳感器的間距≤2m。

14、進一步的，在目標煤層上部地層均布地震波和沉降量監測孔以及爆炸震源孔，在地震波和沉降量監測孔底部放置高精度定位傳感器和小型高精度地震檢波器，在爆炸震源孔底部爆炸震源處放置適量炸藥。

15、進一步的，步驟4中確定采空區分布范圍，是引爆爆炸震源孔底部爆炸震源內的炸藥，通過地震波和沉降量監測孔底部的高精度定位傳感器和小型高精度地震檢波器接收地震波信號和煤層頂板沉降情況確定采空區的體積和分布范圍，并在完成該處采空區分布特征監測之后，在爆炸震源孔內重新裝入適量炸藥，用于下一次對采空區分布的情況進行探測。

16、進一步的，注入井通過氧氣注入泵和氧氣流量壓力調節閥連接有氧氣注入系統，且注入井通過過熱水蒸氣流量壓力調節閥和蒸氣注入調節泵連接有過熱水蒸氣注入系統；注入過程中通過氧氣注入泵和氧氣流量壓力調節閥控制o2注入流量，防止o2與煤層制氫反應區和預熱區中與未排盡的h2發生氧化反應。

17、本發明相對于現有技術所產生的有益效果為：

18、1、區別于已有的超臨界水原位制氫方法，本發明采用低壓過熱水蒸氣與氧氣協同注入實現煤原位制氫，對地面鍋爐技術、固井技術和煤層圍巖封閉性的要求都更低，雖然低壓環境下煤制氫的反應溫度（＞800℃）比超臨界水環境煤制氫所需溫度（＞600℃）更高，但是通過注氧原位氧化煤層，能夠輕松達到1000℃以上的高溫，因此本發明能夠實現對埋深從幾十米到1000米以上深度各種復雜難采或低階低值煤炭資源的清潔高效利用，技術適用性更廣。

19、2、本發明中，制氫過程與注氧升溫過程分開交替進行，有效防止了o2與h2直接在煤層高溫密閉環境下混合接觸，降低了o2與h2在煤層高溫密閉環境下發生劇烈反應的風險，同時避免了h2產物被o2消耗而降低產量，確保了煤層原位制氫所需的高溫環境僅由煤層氧化提供而不消耗h2產物的目的。

20、3、本發明采用兩個舉措實現了熱能高效利用，一是通過向高溫的采空區注入泥漿，泥漿蒸發出來的水蒸氣參與前端制氫反應區的制氫過程，充分利用了采空區圍巖的余熱，同時降低了注入井的蒸氣注入量，二是通過注入井、生產井和準備井的群井調控，使得制氫反應區產生的h2和co2等高溫氣體定向流動并對前端預熱區和準備區的煤層進行預熱，充分利用了h2和co2等高溫氣體所攜帶的熱能，同時降低了生產井的運行溫度，提高了系統的穩定性。

21、4、本發明用于傾斜煤層的原位制氫具有天然的優勢，由生產井、注入井、注漿井和準備井構成的開采單元在傾斜煤層中平行于煤層走向布置，每個開采單元的井筒深度一致，易于施工；從煤層的深部開始制氫，在傾向方向階梯條帶向上推進，條帶則平行于走向方向，逐步完成所有煤體的制氫工作，在這個過程中，下部采空區充填工作可依靠泥漿自重往下部采空區充填，實現充填和制氫的天然分區，同時泥漿在圍巖預熱作用下蒸發出水蒸氣可為上部開采單元中的制氫反應區提供蒸氣，實現圍巖余熱回收利用，此外，上部煤層中的液態水也會在自重作用下流向下部采空區，防止液態水的存在消耗制氫反應區的熱量。