CN104563991A - 一种煤炭地下气化炉及其气化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤炭地下气化炉及其气化方法。该煤炭地下气化炉包括进气***、出气***和点火***，其中，所述进气***包括至少一个第一定向钻井，所述出气***包括至少一个第二定向钻井，所述点火***由一个竖直钻井构成，所述第一定向钻井与所述第二定向钻井导通，所述竖直钻井与所述第二定向钻井导通。本发明除点火井外全部采用定向井构建，有效地避免了垂直井运行过程中套管错段、高温熔融等问题，能适应大规模气化生产的需要，保证了气化工艺的稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭地下气化技术领域，具体地说，是一种煤炭地下气化炉及其气化方法。
背景技术
煤炭地下气化就是将处于地下的煤进行可控制的燃烧，通过对煤的热作用及化学作用而产生可燃气体的过程。地下气化炉是由进气井、气化通道、出气井及辅助监测井所组成，气化剂从进气井注入，在气化通道内与煤层发生复杂的热化学反应，生成的煤气沿气化通道和出气井输送至地面。地下气化炉型是指地下气化所用钻孔的类型、相互位置、气化时的用途及启动顺序等形成的通道形状。目前的气化炉已经发展成众多的钻孔通过钻孔类型(竖直井、水平定向钻井)、钻孔间距、气化时气流的走向和燃烧区走向等组合出各种类型的地下气化炉，能够成倍地提高煤气产量、气化过程的稳定性及煤层的采收率，而且能够有效降低地下水入侵、顶板冒落、热损失等风险。因此，为适应大规模气化生产的需要，气化炉型是关键因素之一。
现有技术中，例如公开号为CN103437748A的中国发明专利申请说明书公开了一种煤炭地下气化炉、以及煤炭地下气化方法。该煤炭地下气化炉包括：点火***，具有第一竖直钻井、以及与第一竖直钻井导通的第一水平定向钻井，还包括注气***，注气***具有通入煤层的第二钻井，第二钻井为第二水平定向钻井，第二水平定向钻井的水平段在煤层中。该方案中，第一水平定向钻井及其末端的第一竖直钻井点火，第一水平定向钻井两侧的垂直井，第一水平定向钻井及垂直井作为气化时出气井使用，依次运行第二水平定向钻井作为进气井气化片区内煤层。
现有技术的缺点在于：(1)气化炉采用多个垂直井，垂直钻孔在使用过程中，受钻孔底部采空、钻孔附近地应力发生变化的影响，非常容易错断，错断后造成煤气直接泄漏，或地下水涌水气化炉，而导致被迫中止气化炉运行，不仅会造成经济损失，同时会引起地下水污染；(2)垂直钻孔受热胀冷缩后，容易移位，导致钻孔与地层含水层之间封闭不良，引起地下水渗漏及煤气逸散，气化过程无法安全运行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种不受钻孔底部采空、钻孔附近地应力发生变化的影响而错断，也不会因热胀冷缩而移位，安全可靠的煤炭地下气化炉及其气化方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种煤炭地下气化炉，包括进气***、出气***和点火***，其中，所述进气***包括至少一个第一定向钻井，所述出气***包括至少一个第二定向钻井，所述点火***由一个竖直钻井构成，所述第一定向钻井与所述第二定向钻井导通，所述竖直钻井与所述第二定向钻井导通。
进一步地，所述竖直钻井的底端与所述第二定向钻井的水平段的末端导通。
进一步地，所述第一定向钻井的水平段的末端与所述第二定向钻井的水平段导通。
进一步地，所述第二定向钻井的两侧分别设有多个第一定向钻井，同一侧的多个第一定向钻井之间平行设置。
进一步地，所述第二定向钻井两侧的第一定向钻井对称设置。
进一步地，所述第二定向钻井有两个，两个所述第二定向钻井的水平段末端相导通，两个第二定向钻井两侧均设有多个第一定向钻井。
进一步地，所述第一定向钻井与所述第二定向钻井垂直相交导通。
进一步地，所述第一定向钻井中设有可拖拽的气化剂通入管。
本发明还提供了一种利用上述的煤炭地下气化炉进行煤炭地下气化的方法，包括：
在竖直钻井底部点燃煤层；
从第二定向钻井注气点注入气化剂，引导燃烧火区向第二定向钻井注气点方向移动，燃烧第二定向钻井周围的煤层以扩大第二定向钻井的直径到预定大小；
封存竖直钻井，向至少一部分第一定向钻井中注入气化剂，使第一定向钻井周围的煤层气化得到所需的煤气，将得到的煤气通过第二定向钻井输出。
进一步地，通过可拖拽的气化剂通入管向所述第一定向钻井中注入气化剂；并在得到的煤气中的有效组分的含量明显下降时，通过拖拽所述气化剂通入管，改变气化剂的注入位置以引导燃烧区移动。
本发明的煤炭地下气化炉及其气化方法，该气化炉除点火井外全部采用定向井构建，有效地避免了垂直井运行过程中套管错段、高温熔融等问题，能适应大规模气化生产的需要，保证了气化工艺的稳定运行。
附图说明
图1是本发明的煤炭地下气化炉的炉型架构示意图。
图2是本发明的煤炭地下气化炉气化方法第一实施例的示意图。
图3是本发明的煤炭地下气化炉气化方法第二实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明的煤炭地下气化炉，包括进气***1、出气***2和点火***3，其中，进气***1包括至少一个第一定向钻井，出气***2包括至少一个第二定向钻井，点火***3由一个竖直钻井构成，第一定向钻井与第二定向钻井导通，竖直钻井与第二定向钻井导通。优选地，竖直钻井的底端与第二定向钻井的水平段的末端导通；第一定向钻井的水平段的末端与第二定向钻井的水平段导通。
如图1所示，第二定向钻井有两个，两个第二定向钻井C1、C2的水平段末端相导通，两个第二定向钻井C1、C2两侧分别设有多个第一定向钻井A1～A7、B1～B7，其中同一侧的多个第一定向钻井之间平行设置，即第一定向钻井A1～A7之间平行设置，第一定向钻井B1～B7之间平行设置。优选地，第二定向钻井C1、C2两侧的第一定向钻井对称设置；第一定向钻井与第二定向钻井垂直相交导通。
本发明中，第二定向钻井C1、C2的水平段在点火时与竖直钻井C共同作为点火***使用，在点火完成后的气化炉运行过程中作为出气***使用。作为出气***使用的第二定向钻井C1、C2的孔径由产气量确定，但最小一般不低于150mm。根据气化炉设计规模，进气***定向钻井的数量依据煤层条件和产气量确定。为更好地控制通道宽度及气化位置可以在第二定向钻井C1、C2和第一定向钻井A1～A7、B1～B7中设置可拖拽的气化剂通入管(图中未示出)，其注气端随气化剂通入管的被拖拽而移动。
本发明的煤炭地下气化炉的构建阶段包括：
首先，在煤层某一点打竖直钻井C至煤层下部，在煤层裂隙发育方向打包含有水平段的第二定向钻井C1、C2，第二定向钻井C1、C2的水平段位于煤层中下部靠近煤层底板位置，末端指向竖直钻井C，并与之相导通，构成点火***；
然后，待点火通道构建完成，封存点火竖直钻井C，将第二定向钻井C1、C2作为出气井使用，形成出气***；
最后，在与第二定向钻井C1、C2相垂直方向钻出多个彼此平行的相互间隔10～30m的第一定向钻井A1～A7、B1～B7，构成进气***，第一定向钻井A1～A7、B1～B7的末端与第二定向钻井C1、C2相通(钻井时打至漏浆)，每钻完一口井最好在煤层裸孔段下入支护装置进行钻孔支护，支护装置可以是筛管或无缝管，材质可以是PVC、可燃材料或玻璃钢，优选为无缝玻璃钢管。
利用本发明的煤炭地下气化炉进行煤炭地下气化的方法包括：
在竖直钻井底部点燃煤层；
从第二定向钻井注气点注入气化剂，引导燃烧火区向第二定向钻井注气点方向移动，燃烧第二定向钻井周围的煤层以扩大第二定向钻井的通道宽度到预定大小，后封存竖直钻孔，第二定向钻孔作为出气孔使用；
向至少一部分第一定向钻井中注入气化剂，使第一定向钻井周围的煤层气化得到所需的煤气，将得到的煤气通过第二定向钻井输出。
优选地，通过可拖拽的气化剂通入管向第一定向钻井中注入气化剂；并在得到的煤气中的有效组分的含量明显下降时，通过拖拽气化剂通入管，改变气化剂的注入位置以引导燃烧区移动。
具体地，为使煤炭地下气化炉成型并开始规模化生产。首先，在竖直钻井C底部点燃煤层，从第二定向钻井C1、C2注气点注入气化剂，引导燃烧火区向第二定向钻井C1、C2注气点方向移动(即逆向贯通，也可通过拖拽式气化剂注入管实现逆向贯通)，燃烧第二定向钻井C1、C2周围的煤层以扩大第二定向钻井C1、C2的通道尺寸，直至第二定向钻井C1、C2水平段的煤层燃烧通道宽度达到2～3m且与所有进气***的第一定向钻井导通为止，认为煤炭地下气化炉构建完成。然后，将第二定向钻井C1、C2作为出气***，第一定向钻井A1～A7、B1～B7中的至少一部分钻井作进气***，将连续气化剂注入管的注气端下放至进气***的各个钻井前端，通过连续气化剂注入管控制注气速率，气化注气端前方的煤层。当生产的煤气中的有效组分的含量有明显下降时，通过地面拖拽设备将连续气化剂注入管注气端后撤4～20m，继续注气引导燃烧区向连续气化剂注入管方向移动，等煤气中有效组分含量再次明显下降时，再次后撤连续气化剂注入管，直至燃烧区扩展至第一定向钻井入煤点附近。
根据所生产煤气的用途，在压裂、火力贯通和气化阶段，使用的气体最好一致，以免给煤气的后续工段造成不良影响。比如，所生产的煤气用于燃烧发电，各阶段用气最好都是富氧空气；所生产的煤气用于合成甲烷，各阶段用气最好都是纯氧水蒸汽、纯氧或者纯氧/二氧化碳。
下面通过两个具体实施例详细说明本发明。
实施例一，以某处350m埋深的水平10m厚烟煤煤层为例说明本发明的煤炭地下气化炉及煤炭地下气化方法。
首先，参见图2在建设煤炭地下气化炉的选定区域打一竖直钻井C至煤层中下部，在煤层裂隙发育方向沿煤层底板向竖直钻井C打第二定向钻井C1、C2，第二定向钻井C1、C2在煤层中的水平钻孔的长度为200m。然后，在第二定向钻井C1、C2的两侧，从远处沿煤层底板向第二定向钻井C1、C2打多个相互平行的第一定向钻井A1～A7、B1～B7，第一定向钻井A1～A7、B1～B7在煤层中的水平钻井长度均在200m以上，相邻两个第二定向钻井间距约20m，打至距离第二定向钻井C1、C2在3m以内。在进气***各第一定向钻井一侧距离第二定向钻井C1、C2约100m位置处各设置一个用于水位监测的垂直钻孔D，垂直钻孔D与进气***第一定向钻井的距离约10m，与气化煤层不导通。所有钻井在完井之后煤层段的裸孔中都要下入无缝玻璃钢管进行支护，此时，气化炉的框架结构如图2所示(为了表达清楚，图中竖直钻井C及用于水位监测的垂直钻孔D采用断面标记示意)。
此后，将连续气化剂注入管的注气端下放至第二定向钻井C1、C2的水平段末端距竖直钻井C约15m处，点燃竖直钻井C底部的煤层，控制连续气化剂注入管的注气量引导竖直钻井C下的燃烧火区向第二定向钻井C1、C2注气点方向移动，当燃烧区扩展至第二定向钻井C1、C2经计算通道宽度达到3m且与进气***的第一定向钻井A1～A7、B1～B7相导通为止，取出第二定向钻井C1、C2中的连续气化剂注入管，将第二定向钻井C1、C2的井口阀门切换至出气管网作为气化炉出气***。
根据气化炉的生产需求，选择第一定向钻井A1和B1作为进气钻井，并将连续气化剂注入管的注气端下放至第一定向钻井A1和B1的水平段末端距第二定向钻井C1约15m处，通过连续气化剂注入管持续向第一定向钻井A1和B1中注入空气，进行逆向燃烧气化，当生产的煤气中的有效组分含量在平稳一段时间后有明显下降时，通过地面的连续气化剂注入管拖拽装置将注气端后撤10m，持续注入空气，引导燃烧火区向注气端位置扩展。煤气中有效组分含量上升、平稳一段时间后又明显下降时，再次后撤，直至燃烧火区扩展至第一定向钻井A1和B1的入煤点附近，气化掉第一定向钻井A1和B1控制的煤炭资源。
然后将连续气化剂注入管注气端下放至第一定向钻井A2和B2，与第一定向钻井A1和B1的操作一样，气化掉第一定向钻井A2和B2控制的煤炭资源，类似，依次气化掉第一定向钻井A3和B3、A4和B4直至A7和B7控制的煤炭资源。也可以在第一定向钻井A1和B1气化到一半的时候，启动第一定向钻井A2和B2的气化。如此，将一片煤层全部气化掉，实现了地下气化技术的规模化生产。
实施例二，以某处400m埋深的水平6m厚褐煤煤层为例说明本发明的煤炭地下气化炉及煤炭地下气化方法。
首先，参见图3在建设地下气化炉的选定区域打一竖直钻井C至煤层中下部，在煤层裂隙发育方向沿煤层底板向竖直钻井C打第二定向钻井C1、C2，第二定向钻井C1、C2在煤层中的水平钻孔的长度为250m。然后，在第二定向钻井C1、C2的两侧，从远处沿煤层底板向第二定向钻井C1、C2打多个相互平行的第一定向钻井A1～A6，第一定向钻井A1～A6在煤层中的水平钻井长度均在200m以上，相邻两个第一定向钻井间距约25m，其水平段末端距离第二定向钻井C1、C2在3m以内。所有钻井在完井之后煤层段的裸孔中都要下入无缝钢管进行支护，此时，气化炉的框架结构如图3所示。
此后，点燃竖直钻井C底部的煤层，从第二定向钻井C1、C2中注入富氧空气，控制燃烧区向第二定向钻井C1、C2的注气点方向移动，当燃烧区扩展至第二定向钻井C1、C2注气点经计算通道宽度达到3m且与进气***的第一定向钻井A1～A7相导通为止，将第二定向钻井C1、C2的井口阀门切换至出气管网作为气化炉出气***。
根据气化炉的生产需求，选择第一定向钻井A1、A2、A3同时进气，并将连续气化剂注入管的注气端下放至第一定向钻井A1、A2、A3的水平段末端距竖直钻井C1约15m处，通过连续气化剂注入管持续向第一定向钻井注入富氧空气，进行逆向燃烧气化。当生产的煤气中的有效组分含量在平稳一段时间后有明显下降时，通过地面的连续气化剂注入管拖拽装置将注气端后撤8m，持续注入富氧空气，引导燃烧火区向注气端位置扩展。煤气中有效组分含量上升、平稳一段时间后又明显下降时，再次后撤，直至燃烧火区扩展至第一定向钻井A1、A2、A3的入煤点附近，气化掉第一定向钻井A1、A2、A3控制的煤炭资源。
然后将连续气化剂注入管注气端下放至第一定向钻井A4、A5、A6，与第一定向钻井A1、A2、A3操作一样，气化掉第一定向钻井A4、A5、A6控制的煤炭资源。在第一定向钻井A4、A5、A6气化过程中，可以进行B群气化炉的建设。待第一定向钻井A4、A5、A6气化结束，依次气化B群气化炉中第一定向钻井B1、B2、B3和第一定向钻井B4、B5、B6。如此，将一片煤层全部气化掉，实现了地下气化技术的规模化生产。
本发明的煤炭地下气化炉几乎不采用垂直钻孔作为进出气孔，出气采用水平定向钻孔形成的出气通道，出气结构更加稳定，同时可有效避免垂直钻孔使用带来的钻孔切断、煤气泄漏等一系列风险。垂直钻孔只作为炉群的水位监测孔使用，与气化煤层不导通。同时本发明的煤炭地下气化炉采用水平定向钻井气化形成的通道作为出气大巷，不同工作面的煤气进行有效混合，使得煤气品质均匀。本发明中各工作面采用后退式气化方式，有效避免了气化空腔扩展对煤气质量的影响。另外，本发明通过定向钻孔沿煤层底板钻进，可有效控制注入点的位置位于煤层底部，为形成有效的气化床层创造了条件。
本发明的煤炭地下气化炉采用水平定向钻孔构建地下气化炉，建炉速度快、成本低，可实现多炉同时并联运行。本发明对水平煤层及近水平煤层尤为适用。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种煤炭地下气化炉，其特征在于，包括进气***、出气***和点火***，其中，所述进气***包括至少一个第一定向钻井，所述出气***包括至少一个第二定向钻井，所述点火***由一个竖直钻井构成，所述第一定向钻井与所述第二定向钻井导通，所述竖直钻井与所述第二定向钻井导通。
2.根据权利要求1所述的煤炭地下气化炉，其特征在于，所述竖直钻井的底端与所述第二定向钻井的水平段的末端导通。
3.根据权利要求1所述的煤炭地下气化炉，其特征在于，所述第一定向钻井的水平段的末端与所述第二定向钻井的水平段导通。
4.根据权利要求3所述的煤炭地下气化炉，其特征在于，所述第二定向钻井的两侧分别设有多个第一定向钻井，同一侧的多个第一定向钻井之间平行设置。
5.根据权利要求4所述的煤炭地下气化炉，其特征在于，所述第二定向钻井两侧的第一定向钻井对称设置。
6.根据权利要求4所述的煤炭地下气化炉，其特征在于，所述第二定向钻井有两个，两个所述第二定向钻井的水平段末端相导通，两个第二定向钻井两侧均设有多个第一定向钻井。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的煤炭地下气化炉，其特征在于，所述第一定向钻井与所述第二定向钻井垂直相交导通。
8.根据权利要求1所述的煤炭地下气化炉，其特征在于，所述第一定向钻井中设有可拖拽的气化剂通入管。
9.一种利用权利要求1-8中任意一项所述的煤炭地下气化炉进行煤炭地下气化的方法，其特征在于，包括：
在竖直钻井底部点燃煤层；
从第二定向钻井注气点注入气化剂，引导燃烧火区向第二定向钻井注气点方向移动，燃烧第二定向钻井周围的煤层以扩大第二定向钻井的直径到预定大小；
封存竖直钻井，向至少一部分第一定向钻井中注入气化剂，使第一定向钻井周围的煤层气化得到所需的煤气，将得到的煤气通过第二定向钻井输出。
10.根据权利要求9所述的煤炭地下气化的方法，其特征在于，通过可拖拽的气化剂通入管向所述第一定向钻井中注入气化剂；并在得到的煤气中的有效组分的含量明显下降时，通过拖拽所述气化剂通入管，改变气化剂的注入位置以引导燃烧区移动。
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