CN110939424B - 一种无井式煤炭地下气化点火方法 - Google Patents
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Abstract
一种无井式煤炭地下气化点火方法，属于煤炭地下气化的技术领域；在煤层中打出一口U型井，所述U型井底部的水平段位于地下煤层中，一端的竖直段为注入井，另一端的竖直段为生产井；首先将使用射孔装置在煤层中打出射孔孔道，然后采用点火装置，通过其点火弹燃烧后，产生的高温气体和火焰进入煤层射孔孔道中灼烧煤层。本发明可根据不同煤层点燃难度，通过调节点火弹的数量，来控制燃烧时间，施工简单、点火时间短且安全可靠。
Description
技术领域
本发明属于煤炭地下气化的技术领域，具体涉及一种无井式煤炭地下气化点火方法。
背景技术
煤炭地下气化(Underground Coal Gasification，UCG)是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧,通过对煤的热作用及化学作用而产生可燃气体的过程。该过程主要是在地下气化炉的气化通道中实现的。煤炭地下气化的原理及过程与地面煤气厂生产煤气的原理及过程完全相同,产品也相同,只不过前者属于化学采煤方法,是将埋在深处的煤在地下点燃,燃烧转变为可燃气体(CO、CH4、H2),直接输送到地面。煤炭地下气化技术不仅可以回收矿井遗弃煤炭资源,而且还可以用于开采井工难以开采或开采经济性、安全性较差的薄煤层、深部煤层、高硫、高灰、高瓦斯煤层；地下气化燃烧后的灰渣留在地下,减少了地表下沉,无固体物质排放,煤气可以集中净化,大大减少了煤炭开采和使用过程中对环境的破坏；地下气化煤气不仅可作为燃气直接民用和发电,而且还可用于提取纯氢或作为合成油、二甲醚、氨、甲醇的原料气。因此,煤炭地下气化技术具有较好的经济效益和环境效益,可大大提高煤炭资源的利用率和利用水平,是各国洁净煤技术的重要研究和发展方向。
煤炭地下气化技术中的关键技术之一，是煤炭地下气化炉的点火问题。地下气化炉按施工方法分,可分为有井式和无井式。无井式是在地面打定向水平井和垂直井，形成地下气化炉，之后点火燃烧进行煤炭气化，本发明针对的是无井式煤炭地下气化炉的点火问题。
CN201610615786.7公开了一种通过对煤层进行射孔和压裂作业的方法，扩大助燃气体存放体积，增加点火成功率。尽管利用上述方法能够提高点火成功率，但并没有很好地解决射孔效率和降低压裂成本的问题。
CN201010129769.5公开了一种超深层煤炭地下气化点火方方法，它采用丁烷和电点火双向燃烧来点燃煤层，尽管该点火方法能够将煤层可靠点燃，但仍存在点火时间长、危险性大等问题。
CN201610716989.5公开了一种用于煤炭地下气化过程的点火设备，包括彼此顺序连接的输送装置、断开装置、点火引信和一个或多个燃料包，其中多个燃料包彼此串联。燃料包中为铝热剂，铝热剂为铝粉和金属氧化物的颗粒状混合物。铝热剂用量提供20秒至10分钟的点火时间。虽然能够实现二次点火及多次点火，但存在铝热剂燃烧时间不够长，对于含水量大的煤层点火困难的问题。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种无井式煤炭地下气化点火方法，采用连续油管输送的方式，先射孔，后用烟火药剂燃烧点燃煤层，可以实现煤炭地下气化炉的高效点火。
本发明的技术方案是：一种无井式煤炭地下气化点火方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：首先确定煤层区域，在煤层中打出一口U型井，所述U型井底部的水平段位于地下煤层中，一端的竖直段为注入井，另一端的竖直段为生产井；
步骤2：射孔装置从地面上通过油管沿着注入井输送至U型井的水平段，按照设定位置调整射孔装置；
步骤3：通过油管给所述射孔装置上的定向***加压起爆，从而引爆定向射孔枪，朝向煤层中的指定方向射孔，形成若干射孔孔道，使U型井中的水平段通道与煤层连通；
步骤4：取出射孔装置，同时从所述U型井的注入井下入抽水设备，将U型井底部水平段的积水抽干，积水抽干后取出所述抽水设备；
步骤5：通过油管和电缆沿着所述U型井的注入井将点火装置输送至U型井的水平段，并与所述射孔孔道的位置相对应，调整好位置；
步骤6：用磁电***起爆仪使点火装置内的点火器发火，输出的火焰将所述点火装置内的点火弹引燃，点火弹燃烧后，产生的高温气体和火焰从点火装置的筛管的火焰喷口处喷出，同时进入煤层射孔孔道中灼烧煤层；
步骤7：通过所述U型井的生产井，将井内燃烧后产生的合成气采集到地面上的气体收集室中。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤6中，在所述点火装置中的点火弹开始燃烧后，从地面的氧气供应室通过U型井的注入井井口向井下鼓风供氧，保证煤炭的可靠燃烧。
本发明的进一步技术方案是：所述射孔装置包括旋转接头、定向***、定向双公接头、定向公母接头、定向射孔枪、枪尾、外定向键、偏重装置和射孔弹；所述射孔弹通过弹架安装于所述定向射孔枪的枪管内，所述定向射孔枪一端依次同轴安装有定向公母接头、定向双公接头、偏重装置、定向双公接头、定向***和旋转接头，各部件外周面上均设置有键槽，所述键槽均位于平行于轴向的同一直线上，通过螺栓将多个所述外定向键分别固定于各相邻部件键槽内，实现各相邻部件的定位固定；所述定向射孔枪的另一端同轴安装有所述枪尾。
本发明的进一步技术方案是：所述定向射孔枪外径为102mm～178mm，孔密为20～40孔/m。
本发明的进一步技术方案是：所述偏重装置的两端为螺纹套筒结构，设有内螺纹，分别与两端所述定向双公接头的外螺纹密封连接；两端螺纹套筒之间为半圆柱形状结构，实现偏心扭矩；所述偏重装置开有偏心通孔，用于通过导爆索。
本发明的进一步技术方案是：所述点火装置包括滚珠枪头、筛管、点火弹、点火器和滚珠枪尾；所述滚珠枪头和滚珠枪尾分别通过螺纹安装与所述筛管的两端口处；所述筛管内沿轴向均布多个所述点火弹，相邻点火弹的间距为100mm～500mm；所述点火器安装于靠近所述滚珠枪头一端的两个点火弹之间，其输出端固定于第二发所述点火弹的端面上。
本发明的进一步技术方案是：所述滚珠枪头一端的螺纹扣型为2 7/8EUE，与油管连接；另一端的螺纹扣型为Tr90×4，与所述筛管的一端连接；所述滚珠枪尾与所述筛管连接段的螺纹扣型为Tr90×4。
本发明的进一步技术方案是：所述筛管的外径大于90mm，轴向长度大于等于2m；其两端设置有外螺纹，筛管壁上设置有若干圆通孔作为火焰喷口；所述圆通孔沿筛管轴向均布16排，每排沿周向均布8个圆通孔。
本发明的进一步技术方案是：所述点火弹为实心装药，所述装药成分的质量分数配比是，高氯酸铵：端羟基聚丁二烯：铝粉：乙二酸二辛酯：甘油单蓖麻油酸酯为60％～70％：8％～15％：10％～20％：2％～5％：余量。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明提出的一种无井式煤炭气化点火方法，与现有技术相比，本发明在煤炭点火前，首先采用高孔密大孔径定向射孔装置对煤层进行射孔，在煤层中形成大孔径的射孔孔道，沟通U型井水平段套管与煤层，可以实现套管通道内与煤层的最大连通效果，增加煤层点火面积。同时也可以避免射穿煤层中的水层，引起水淹，增加点煤难度。然后再使用点火装置对煤层进行点火，点火装置中的点火弹，是一种可以在无氧环境下可靠燃烧的固体烟火剂，格按照点火弹的装药成分比例，每发燃烧时间可达10分钟以上，燃烧温度达到3000K以上，一般在筛管中装配3节，燃烧时间可以达到半小时左右。燃烧产生的火焰从筛管火焰喷口中喷出，火焰长度可以达到一米以上，精准对准目标煤层燃烧，燃料利用率较高。并且可根据不同煤层点燃难度，通过调节点火弹的数量，来控制燃烧时间。本发明施工简单、点火时间短且安全可靠。
附图说明
图1为本发明一种无井式煤炭气化点火用射孔装置作业示意图；
图2为本发明一种无井式煤炭气化点火装置作业示意图；
图3为本发明射孔装置结构示意图；
图4为本发明射孔装置的外定向键连接结构示意图；
图5为本发明点火装置结构示意图。
附图标记说明：1-U型井；2-连续油管(或油管)；3-射孔装置；4-点火装置；5-氧气供应室(鼓风设备房)；6-气体收集室；7-旋转接头；8-定向***；9-定向双公接头；10-定向公母接头；11-定向射孔枪；12-枪尾；13-外定向键；14-偏重装置；15-射孔弹；16-滚珠枪头；17-筛管；18-点火弹；19-点火器；20-滚珠枪尾。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明一种无井式煤炭地下气化点火方法，具体步骤如下：
步骤1：在确定的煤层区域，在煤层中打出一口U型井1，井内安装套管外径为5.5"。其U型井1的底部水平段位于煤层中；
步骤2：射孔装置3的装配：参照图3，选用定向射孔枪11外径为101.6mm，长度为4m，孔密为20孔/m，相位为三相位向上射孔，相位角为60°。装配时，先将定向射孔枪11弹架组件装满射孔弹15和绕好导爆索，然后放入定向射孔枪11枪管内，再将定向公母接头10和枪尾12分别安装在定向射孔枪11两端，对齐定向公母接头10和定向射孔枪11键槽，在键槽内放置外定向键13，对准螺孔使用十字槽沉头螺钉固定。完成后，在偏重装置14两端安装定向双公接头9，偏心孔中穿过导爆索，并将定向双公接头9与偏重装置14上的键槽对齐，在键槽内放置外定向键13，对准螺孔使用十字槽沉头螺钉固定。然后将偏重装置14一端定向双公接头9与定向射孔枪11上的定向公母接头10相连接，对齐键槽放置外定向键13，对准螺孔使用十字槽沉头螺钉固定。再将偏重装置14另一端定向双公接头9与定向***8相连接，对齐键槽放置外定向键13，对准螺孔使用十字槽沉头螺钉固定。安装完成后，将旋转接头7安装在定向***8上，对齐键槽放置外定向键13，对准螺孔使用十字槽沉头螺钉固定。最后将油管或连续油管2安装在旋转接头7上。
步骤3：参照图1，从地面上，通过连续油管(或油管)2将射孔装置3从U型井1的注入井输送至U型井1中的水平段，调整好位置；
步骤4、通过连续油管(或油管)2给射孔装置3上的定向***8加压起爆，引爆定向射孔枪11，朝向煤层指定方向射孔，形成的射孔孔道使U型井1中的水平段通道与煤层连通；
步骤5、取出射孔装置3，同时从U型井1的注入井下入抽水设备，将U型井中底部水平段的积水抽干；
步骤6、点火装置4的装配：参照图5，选用筛管17外径为101.6mm，长度为2m，在径向均布有8个直径为20mm的圆孔，轴向上布有16排圆孔，孔间距为100mm，两端螺纹口型为Tr90×4。选用点火弹18外径为89mm，长度为800mm。选用滚珠枪头16和滚珠枪尾20的外径为102mm，滚珠枪头16一端螺纹扣型为2 7/8EUE，与连续油管(或油管)2连接，另一端螺纹扣型为Tr90×4，与筛管17一端连接。滚珠枪尾20螺纹扣型为Tr90×4，与筛管17另一端连接。装配时，在一发点火弹18端面粘接点火器19，放置在筛管17中并固定，然后将另一发点火弹18放置在筛管17中并固定，两发点火弹18间距为100mm。最后将滚珠枪头16和滚珠枪尾20螺纹安装在筛管17两端。
点火弹18实心装药，所述装药成分的质量分数配比是，高氯酸铵：端羟基聚丁二烯：铝粉：乙二酸二辛酯：甘油单蓖麻油酸酯为60％～70％：8％～15％：10％～20％：2％～5％：余量。
步骤7：参照图2，通过连续油管(或油管)2和电缆从U型井1的注入井将点火装置4输送至U型井中水平段射完孔的位置处，调整好位置；
步骤8：用磁电***起爆仪使点火装置4内的点火器19发火，输出火焰将点火装置4内的点火弹18引燃，点火弹18燃烧后，产生大量高温气体与火焰从筛管17火焰喷口中喷出，钻入煤层射孔孔道中灼烧煤层。
步骤9：在点火装置4中的点火弹18开始燃烧后，从地面的氧气供应室(鼓风设备房)5通过U型井1的注入井井口向井下大量鼓风供氧，保证煤炭的可靠燃烧。
步骤10：在U型井1的生产井中将燃烧后产生的合成气采集到气体收集室6。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种无井式煤炭地下气化点火方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：首先确定煤层区域，在煤层中打出一口U型井，所述U型井底部的水平段位于地下煤层中，一端的竖直段为注入井，另一端的竖直段为生产井；
步骤2：射孔装置从地面上通过油管沿着注入井输送至U型井的水平段，按照设定位置调整射孔装置；
步骤3：通过油管给所述射孔装置上的定向***加压起爆，从而引爆定向射孔枪，朝向煤层中的指定方向射孔，形成若干射孔孔道，使U型井中的水平段通道与煤层连通；
步骤4：取出射孔装置，同时从所述U型井的注入井下入抽水设备，将U型井底部水平段的积水抽干，积水抽干后取出所述抽水设备；
步骤5：通过油管和电缆沿着所述U型井的注入井将点火装置输送至U型井的水平段，并将位置调整到与所述射孔孔道的位置相对应；
步骤6：用磁电***起爆仪使点火装置内的点火器发火，输出的火焰将所述点火装置内的点火弹引燃，点火弹燃烧后，产生的高温气体和火焰从点火装置的筛管的火焰喷口处喷出，同时进入煤层射孔孔道中灼烧煤层；
步骤7：通过所述U型井的生产井，将井内燃烧后产生的合成气采集到地面上的气体收集室中；
所述射孔装置包括旋转接头、定向***、定向双公接头、定向公母接头、定向射孔枪、枪尾、外定向键、偏重装置和射孔弹；所述射孔弹通过弹架安装于所述定向射孔枪的枪管内，所述定向射孔枪一端依次同轴安装有定向公母接头、定向双公接头、偏重装置、定向双公接头、定向***和旋转接头，各部件外周面上均设置有键槽，所述键槽均位于平行于轴向的同一直线上，通过螺栓将多个所述外定向键分别固定于各相邻部件键槽内，实现各相邻部件的定位固定；所述定向射孔枪的另一端同轴安装有所述枪尾；
所述点火装置包括滚珠枪头、筛管、点火弹、点火器和滚珠枪尾；所述滚珠枪头和滚珠枪尾分别通过螺纹安装与所述筛管的两端口处；所述筛管内沿轴向均布多个所述点火弹，相邻点火弹的间距为100mm～500mm；所述点火器安装于靠近所述滚珠枪头一端的两个点火弹之间，其输出端固定于第二发所述点火弹的端面上。
2.根据权利要求1所述无井式煤炭地下气化点火方法，其特征在于：所述步骤6中，在所述点火装置中的点火弹开始燃烧后，从地面的氧气供应室通过U型井的注入井井口向井下鼓风供氧，保证煤炭的可靠燃烧。
3.根据权利要求1所述无井式煤炭地下气化点火方法，其特征在于：所述定向射孔枪外径为102mm～178mm，孔密为20～40孔/m。
4.根据权利要求3所述无井式煤炭地下气化点火方法，其特征在于：所述偏重装置的两端为螺纹套筒结构，设有内螺纹，分别与两端所述定向双公接头的外螺纹密封连接；两端螺纹套筒之间为半圆柱形状结构，实现偏心扭矩；所述偏重装置开有偏心通孔，用于通过导爆索。
5.根据权利要求1所述无井式煤炭地下气化点火方法，其特征在于：所述滚珠枪头一端的螺纹扣型为2 7/8EUE，与油管连接；另一端的螺纹扣型为Tr90×4，与所述筛管的一端连接；所述滚珠枪尾与所述筛管连接段的螺纹扣型为Tr90×4。
6.根据权利要求1所述无井式煤炭地下气化点火方法，其特征在于：所述筛管的外径大于90mm，轴向长度大于等于2m；其两端设置有外螺纹，筛管壁上设置有若干圆通孔作为火焰喷口；所述圆通孔沿筛管轴向均布16排，每排沿周向均布8个圆通孔。
7.根据权利要求1所述无井式煤炭地下气化点火方法，其特征在于：所述点火弹为实心装药，所述装药成分的质量分数配比是，高氯酸铵：端羟基聚丁二烯：铝粉：乙二酸二辛酯：甘油单蓖麻油酸酯为60％～70％：8％～15％：10％～20％：2％～5％：余量。
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