CN112727431A - 一种用于煤炭地下气化的多功能生产井井口装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于煤炭地下气化的多功能生产井井口装置由耐高温气管头、剪切封堵球阀、喷淋总成、产出口三通、煤渣过滤器和煤焦油洗涤器组成，产出口三通上设有光纤下入口用于下入监测仪器，喷淋总成设有胶芯用于动密封喷淋管，煤渣过滤器为三层过滤而且滤网可更换，通过煤焦油洗涤器可以去除井口产出气中含有的煤焦油，剪切封堵球阀可以剪断喷淋管和封堵主通道关井，本发明的有益效果是解决了超高温下井口装置的喷淋冷却、煤渣颗粒冲蚀堵塞、煤焦油的去除以及紧急情况下迅速关井的问题，使井口产出气可以直接进行下一步工业化应用，提高生产效率，保证作业的安全；同时其具有功能多样、结构简单、安装方法、操作简易的特点。
Description
技术领域
本发明设计用于煤炭地下气化领域，具体涉及一种用于煤炭地下气化的多功能生产井井口装置。
背景技术
近年来，国内油气消费量快速增长，天然气在能源结构中的地位日益凸显，天然气发展迎来“黄金时代”。煤炭地下气化技术变物理采煤为化学采气，不仅能有效改善因采煤引起的安全和生态环境问题，而且将煤炭利用从直接燃烧利用终端转移到成熟的天然气产业中。与地面煤制气项目相比，煤炭地下气化更环保、更经济，其能量密度、产气速度和效率均远高于目前开发的非常规气，将为煤化工的发展提供新的扩展空间。
在国外，例如俄罗斯，意大利等国家已经将煤炭地下气化工艺商业化，相比于传统地下开采具有更高 的经济效益，我国煤炭地下气化工艺的研究起步较晚，虽然理论研究已经取得突破但没有将其开采商业化， 还只处于实验阶段，原因是关键设备研制未能取得突破。煤炭地下气化的基本过程为：从地面或井下施工， 将地下煤层构筑成一个封闭的气化炉，通过从地面的注入井口装置注入工艺所必须的化学试剂，在地层煤 炭点燃后，经过一系列化学反应生产出以H2、CO、CH4为主要可燃成分的井口产出气经过生产井口输送到 地面。生产井井口装置在煤炭地下气化工艺中属于关键设备，需要承受高达上千摄氏度的高温高压井口产 出气，并且产出的井口产出气中还含有大量的煤渣颗粒和煤焦油，这些颗粒物在气体的带动下会对设备和 管道造成冲蚀，同时煤焦油和颗粒混合在一起会对井口管道造成堵塞，现有井口装置无法满足煤炭地下气 化技术中生产井专用井口装置的工艺和功能需求，主要体现在如下几个方面：
(1)通常情况下，生产井井底产出气体的温度都在700℃以上，很容易使生产井的套管套变，从而引起 井口装置抬升，而现有井口装置无法长时间在此高温下工况工作。
(2)井口产出气中含有大量的煤渣颗粒和煤焦油，在气体带动下，这些颗粒物会对设备和管道造成严 重的冲蚀，大大缩短了设备的使用寿命，这些煤渣颗粒还会和煤焦油混合在一起造成管道的堵塞。 需要去除井口产出气中的煤渣颗粒与煤焦油。
(3)煤炭地下气化生产过程中喷淋管需要被拖动以控制喷淋的位置高度，因而需要在生产井井口装置 上设置喷淋管动密封装置。
(4)生产井井口装置在生产过程中需要实时监测井底生产状态，以调节冷却水的注入量和喷淋高度， 需要设计光纤下入通道以及相应的下入通道高温密封结构，但现有井口装置存在缺乏足够的监测 设备的下入通道。
因此，目前亟需发明一种用于煤炭地下气化的多功能生产井井口装置，能同时解决超高温下的安全问 题、冲蚀问题、装置喷淋冷却问题以及煤焦油的去除问题，使产出的井口产出气可以直接进行下一步工业 化应用，同时结构简单安装方便，降低煤炭地下气化井口装置成本，推动煤炭地下气化商业化进程。
发明内容：
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于煤炭地下气化的多功能生产井井口装置。本发明采气管为 隔热油管，同时通过耐高温气管头注入氮气到技术套管与采气管环空，氮气具有良好的隔热效果，减少了 技术套管受热，除此之外，本发明设计有可拖动调节下入深度的喷淋管进行喷淋降温，喷淋管下端设有随 机分布的水眼，可以使注入的冷却水雾化后与井口产出气充分混合，提高了喷淋降温效果，降低了到达井 口的井口产出气温度，进一步减少了技术套管所受到的热辐射，避免了井口抬升事故的发生；本发明设计 有煤渣过滤器，可以去除井口产出气中所含的煤渣颗粒，同时过滤管侧放设有挡板，长时间使用过后当需 要更换过滤网时，只需要暂时手液动一体式平板闸阀II，然后打开挡板更换过滤网即可，解决了煤渣颗粒 带来的堵塞问题和冲蚀问题，延长了设备使用寿命。本发明设计有煤焦油洗涤器，通过安装在集气管上方 的单向阀II注入氨水，氨水与通过集气管的井口产出气混合，氨受热挥发会带走井口产出气中大量的热， 从而可以将井口产出气冷却到一定温度使井口产出气中的煤焦油析出，煤焦油析出后，与喷淋剩下的氨水 一起从安装在集气管下方的单向阀I中流出集气管，煤焦油洗涤器可以去除井口产出气中的煤焦油，实现了对井口产出气中煤焦油的预处理。本发明在产出口三通上方安装有喷淋总成，喷淋总成由喷淋管悬挂器、 胶芯、压盖和喷淋管组成，压盖内壁下部直径比胶芯下部直径小，使用螺钉II将压盖连接在喷淋管悬挂器 上方即可将胶芯压紧贴合喷淋管，实现动密封，当需要更换胶芯时，只需要暂时关闭剪切封堵球阀，将螺 钉II退出取下压盖，即可更换胶芯；使喷淋管可以在任何指定高度进行喷淋降温，同时使井口装置可以在 不同深度的煤炭地下气化井口使用。煤炭地下气化通常在地下几百米到一千米深度进行，与采油井口相比， 生产井井口深度较浅，本发明只需要下入技术套管与采气管，即可实现完整的采气井口装置功能，降低了 煤炭地下气化井口装置成本。本发明在产出口三通上方设有两处光纤下入通道与相对应的高温密封装置， 可以下入光纤线缆实现井底生产状态的实时监测。
本发明涉及一种用于煤炭地下气化的多功能生产井井口装置，它包含耐高温气管头、剪切封堵球阀、 喷淋总成、煤渣过滤器和煤焦油洗涤器；所述耐高温气管头由气管大四通、手液动一体式平板闸阀I、气 管悬挂器、密封压盖和增强柔性石墨密封圈组成，气管大四通两侧通孔通过法兰连接手液动一体式平板闸 阀I，气管悬挂器安装在气管大四通内部台阶I上实现径向固定，气管悬挂器与采气管通过螺纹连接，增 强柔性石墨密封圈安装在气管悬挂器与气管大四通之间，与气管悬挂器通过螺钉I连接的密封压盖将增强 柔性石墨密封圈压紧在气管悬挂器上，耐高温气管头下方通过密封管螺纹与技术套管连接，上方与剪切封 堵球阀通过法兰连接；喷淋总成由喷淋管悬挂器、胶芯、压盖和喷淋管组成，产出口三通与喷淋管悬挂器 采用金属密封圈密封，产出口三通与手液动一体式平板闸阀II采用法兰连接；煤渣过滤器由过滤管、过滤 网I、过滤网II、过滤网III、挡板和矩形密封圈组成，煤渣过滤器与煤焦油洗涤器通过法兰连接；煤焦 油洗涤器由集气管、单向阀I和单向阀II组成。
产出口三通上方设有两处光纤下入通道且安装有两处光纤下入通道高温密封结构，高温密封结构由柔 性石墨垫圈和空心六角螺杆组成，空心六角螺杆通过螺纹连接安装在产出口三通上的光纤下入通道里面， 通过旋紧空心六角螺杆压紧柔性石墨垫圈使高温密封结构工作。
胶芯为采用耐高温的氟橡胶制成的中间开孔的圆锥形胶芯，压盖内壁锥度与胶芯外壁锥度相同，特别 地，胶芯底部直径比压盖内壁直径稍大，安装时通过拧紧螺钉II将压盖固定安装在喷淋管悬挂器上，压盖 内壁将压缩胶芯贴紧喷淋管。
球阀阀芯安装在球阀阀座上，球阀阀芯可以以自身的转动轴为轴心转动，球阀阀芯29的边缘为锋利 刀刃，球阀阀芯上与转动轴相对的另一侧开有六边形孔，六边形孔与转盘的六边形轴为过渡配合，在紧急 情况下，可以转动转盘带动剪切封堵球阀旋转剪断喷淋管和下入的光纤线缆，实现关井。
过滤网I、过滤网II、过滤网III目数依次减少，靠近煤焦油洗涤器的一端为目数最多的过滤网I， 可以依次从大到小除掉井口产出气中携带的煤渣颗粒。
过滤管一侧设有矩形孔，沿矩形孔设有用于矩形密封圈安装的密封台阶，矩形孔两侧分别设有盲孔螺 纹，过滤管内部设有三个等间距分布的用于过滤网安装的槽。
集气管上侧设有进水口，进水口通过密封管螺纹连接有进水单向阀II，可通过单向阀II注入氨水， 集气管下侧设有出水口，出水口通过密封管螺纹连接有出水单向阀I。
喷淋管下端设有随机分布的水眼，可以使注入的冷却水雾化后与井口产出气充分接触。
有益效果
本发明的有益效果是：
1.本发明采用多种方式降低技术套管受热。首先采气管为隔热油管，通过耐高温气管头注入氮气到技术套 管与采气管环空，氮气具有良好的隔热效果，减少了技术套管受热，除此之外，本发明设计有可拖动调 节下入深度的喷淋管进行喷淋降温，喷淋管下端设有随机分布的水眼，可以使注入的冷却水雾化后与井 口产出气充分混合，提高了喷淋降温效果，降低了井口产出气温度，进一步减少了技术套管受热，避免 了井口抬升事故的发生。
2.本发明设计有煤渣过滤器，过滤管内安装有三道等间距分布的目数依次增大的过滤网，可以去除井口产 出气中所含的煤渣颗粒，同时过滤管侧放设有挡板，长时间使用过后当需要更换过滤网时，只需要暂时 关闭剪切封堵球阀，然后打开挡板更换过滤网即可，解决了煤渣颗粒带来的堵塞问题和冲蚀问题，延长 了设备使用寿命。
3.煤焦油洗涤器可以将井口产出气冷却到一定的温度使井口产出气中的煤焦油析出，煤焦油析出后，与喷 淋剩下的氨水一起从安装在集气管下方的单向阀I中流出集气管，实现了对井口产出气中煤焦油的预处 理。
4.使用螺钉II将压盖紧固连接在喷淋管悬挂器上即可将胶芯压紧贴合喷淋管，实现动密封，当需要更换胶 芯时，只需要暂时关闭剪切封堵球阀，将螺钉II退出取下压盖，即可更换胶芯。
5.本发明只需要下入技术套管与采气管，配合简易的井口装置即可实现完整的煤炭地下气化采气功能，并 且还具有去除井口产出气中的煤渣颗粒和煤焦油的功能，降低了煤炭地下气化井口装置成本。
6.在产出口三通上方设有两处光纤下入通道与相对应的高温密封装置，实现井底生产状态的实时监测，解 决了现有井口装置缺少监测设备下入通道、下入通道曲率过大、下入准确度低等的问题。
7.本发明的平板闸阀采用手液动一体式控制，在正常生产过程中，由于井口装置温度高人工操作具有一定 危险性，采用液动控制更加安全方便，当液动控制出现故障时，工作人员可以穿戴一定的防护设施进行 手动控制，保证了装置的可靠性
附图说明
图1为本发明整体结构二维示意图；
图2为图1中A处局部放大视图；
图3为图1中B处局部放大视图；
图4为本发明过滤管三维示意图；
图5为本发明煤渣过滤器四分之一剖三维视图；
图6为本发明球阀阀座三维示意图；
图7为本发明转盘三维示意图；
图8为本发明阀芯三维示意图；
图9为本发明剪切封堵球阀四分之一剖三维图；
图10为本发明剪切封堵球阀关闭时半剖三维视图；
图11为本发明喷淋管二维示意图；
在各附图中，相同的附图标记指相同部件。具体地，各附图中涉及的附图标记含义如下：
1-技术套管，2-采气管，3-金属密封圈，4-螺钉I，5-气管大四通，501-台阶I，6-球阀阀座，7-喷淋 管，701-水眼，8-产出口三通，801-光纤下入通道，9-柔性石墨垫圈，10-空心六角螺杆，11-喷淋管悬挂 器，12-胶芯，13-压盖，1301-压盖内壁，14-手液动一体式平板闸阀I，15-气管悬挂器，16-增强柔性石 墨密封圈，17-密封压盖，18-单向阀I，19-螺钉II，20-过滤网I，21-过滤网II，22-过滤网III，23-过滤 管，2301-矩形孔，2302-密封台阶，2303-盲孔螺纹，2304-槽，24-集气管，2401-进水口，2402-出水口， 25-单向阀II，26-挡板，27-矩形密封圈，28-螺钉III，29-球阀阀芯，30-阀体，31-球阀转盘，32-手液 动一体式平板闸阀II。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
一种用于煤炭地下气化的多功能生产井井口装置，包括部件如下：
包含耐高温气管头、剪切封堵球阀、喷淋总成、煤渣过滤器和煤焦油洗涤器；所述耐高温气管头由气 管大四通5、手液动一体式平板闸阀I14、气管悬挂器15、密封压盖17和增强柔性石墨密封圈16组成， 气管大四通5两侧通孔通过法兰连接手液动一体式平板闸阀I3，气管悬挂器15安装在气管大四通5内部 台阶I501上实现径向固定，气管悬挂器15与采气管2通过螺纹连接，采气管2为隔热套管，表面采用电 镀防腐处理。增强柔性石墨密封圈16安装在气管悬挂器15与气管大四通5之间，与气管悬挂器15通过 螺钉I4连接的密封压盖17将增强柔性石墨密封圈16压紧在气管悬挂器15上，耐高温气管头下方通过密 封管螺纹与技术套管1连接，上方与剪切封堵球阀通过法兰连接；球阀阀芯安装在球阀阀座上，球阀阀芯 可以以自身的转动轴为轴心转动，球阀阀芯29的边缘为锋利刀刃，球阀阀芯上与转动轴相对的另一侧开 有六边形孔，六边形孔与转盘的六边形轴为过渡配合；喷淋总成由喷淋管悬挂器11、胶芯12、压盖13和 喷淋管7组成，喷淋管7下端设有随机分布的水眼701。产出口三通8与喷淋管悬挂器11采用金属密封圈 3密封，产出口三通8与手液动一体式平板闸阀II32采用法兰连接；产出口三通8上方设有两处光纤下入 通道801且安装有两处光纤下入通道高温密封结构，高温密封结构由柔性石墨垫圈9和空心六角螺杆10 组成，空心六角螺杆10通过螺纹连接安装在产出口三通8上的光纤下入通道801里面，通过旋紧空心六 角螺杆10压紧柔性石墨垫圈9使高温密封结构工作，胶芯12为采用耐高温的氟橡胶制成的中间开孔的圆 锥形胶芯，压盖内壁1301锥度与胶芯外壁锥度相同，特别地，胶芯12底部直径比压盖内壁1301直径稍 大，安装时通过拧紧螺钉II19将压盖13固定安装在喷淋管悬挂器11上，压盖内壁1301将压缩胶芯12 贴紧喷淋管7。煤渣过滤器由过滤管23、过滤网I20、过滤网II21、过滤网III22、挡板26和矩形密封圈 27组成，过滤网I20、过滤网II21、过滤网III22目数依次减少，靠近煤焦油洗涤器的一端为目数最多的 过滤网I20，过滤管23一侧设有矩形孔2301，沿矩形孔2301设有用于矩形密封圈27安装的密封台阶2302， 矩形孔2301两侧分别设有盲孔螺纹2303，过滤管23内部设有三个等间距分布的用于过滤网安装的槽2304。 煤渣过滤器与煤焦油洗涤器通过法兰连接；煤焦油洗涤器由集气管24、单向阀I18和单向阀II25组成， 集气管24上侧设有进水口2401，进水口2401通过密封管螺纹连接有进水单向阀II25，可通过单向阀II25 注入氨水，集气管24下侧设有出水口2402，出水口2402通过密封管螺纹连接有出水单向阀I18。本发明 的工作过程如下：
工作状态一：在初始状态下，所有阀和剪切封堵球阀均处于关闭状态，煤焦油洗涤器出口端连接好管 线，在煤炭地下气化炉点火前，通过耐高温气管头两侧的手液动一体式平板闸阀I往技术套管和采气管环 空注入氮气隔热，等形成隔热环空后，关闭耐高温气管头两侧的手液动一体式平板闸阀I，喷淋管从胶芯 中部通孔穿过，拧紧连接压盖和喷淋管悬挂器处的螺钉II，使胶芯被压盖内壁挤压，从而实现喷淋管的动 密封；从光纤下入通道下入光纤后，开启剪切封堵球阀，将喷淋管和光纤监测仪下入到所需要的高度，通 过喷淋管开始注入冷却水，打开单向阀I和单向阀II，从单向阀II注入氨水到集气管，开启与产出口三通 连接的手液动一体式平板闸阀II，开启完成后，从注入井注入燃料到井底点火，煤炭地下气化开始运行。 井口产出气中的煤渣颗粒在经过煤渣过滤器时被除去，在通过煤焦油洗涤器时，氨水受井口产出气的加热 挥发出氨气，从而带走了井口产出气中的热量，根据下入的光纤监测仪监测到的产气量实时调整氨水的流 量，使井口产出气被冷却到一定温度使井口产出气中的煤焦油冷凝析出，此时氨水中的氨基本完全挥发， 只剩下未挥发的水，煤焦油析出后，与剩下的水一起从单向阀I排出。
工作状态二：使用一段时间后，当煤渣过滤器过滤效果不佳时，则需要更换过滤网，只需要暂时关闭 手液动一体式平板闸阀II，拆下安装挡板的螺钉III拆下挡板，即可更换过滤网，更换完毕后重新开启手 液动一体式平板闸阀II，即可重新开始气化。
工作状态三：当胶芯密封效果不佳需要更换胶芯时，只需要提升喷淋管和光纤监测仪到剪切封堵球阀 上方，然后暂时关闭剪切封堵球阀，将喷淋管完全抽出胶芯，拆下安装压盖的螺钉II取出压盖和旧的胶芯， 然后将喷淋管依次穿过压盖和新的胶芯中孔，安装好压盖压紧胶芯形成动密封后，即可打开剪切封堵球阀， 继续进行气化。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进 行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本专利进行修改或者等同替换，而不脱离本 发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.本发明涉及一种用于煤炭地下气化的多功能生产井井口装置，它包含耐高温气管头、剪切封堵球阀、喷淋总成、煤渣过滤器和煤焦油洗涤器；所述耐高温气管头由气管大四通（5）、手液动一体式平板闸阀I（14）、气管悬挂器（15）、密封压盖（17）和增强柔性石墨密封圈（16）组成，气管大四通（5）两侧通孔通过法兰连接手液动一体式平板闸阀I（3），气管悬挂器（15）安装在气管大四通（5）内部台阶I（501）上实现径向固定，气管悬挂器（15）与采气管（2）通过螺纹连接，增强柔性石墨密封圈（16）安装在气管悬挂器（15）与气管大四通（5）之间，气管悬挂器（15）通过螺钉
（4）连接的密封压盖（17）将增强柔性石墨密封圈（16）压紧在气管悬挂器（15）上实现密封，耐高温气管头下方通过密封管螺纹与技术套管（1）连接，上方与剪切封堵球阀通过法兰连接；剪切封堵球阀由阀座（6）、球阀阀芯（29）、阀体（30）和转盘（31）组成；喷淋总成由喷淋管悬挂器（11）、胶芯（12）、压盖（13）和喷淋管（7）组成，产出口三通（8）与喷淋管悬挂器（11）采用金属密封圈（3）密封，产出口三通（8）与手液动一体式平板闸阀II（32）采用法兰连接；煤渣过滤器由过滤管（23）、过滤网
（20）、过滤网
（21）、过滤网
（22）、挡板（26）和矩形密封圈（27）组成，煤渣过滤器与煤焦油洗涤器通过法兰连接，煤焦油洗涤器由集气管（24）、单向阀
（18）和单向阀
（25）组成。
2.根据权利要求1所述的一种用于煤炭地下气化的多功能生产井井口装置，其特征在于，所述的产出口三通（8）上方设有两处光纤下入通道（801）且安装有两处光纤下入通道高温密封结构，高温密封结构由柔性石墨垫圈（9）和空心六角螺杆（10）组成，空心六角螺杆（10）通过螺纹连接安装在产出口三通（8）上的光纤下入通道（801）里面，通过旋紧空心六角螺杆（10）压紧柔性石墨垫圈（9）使高温密封结构工作。
3.根据权利要求1所述的一种用于煤炭地下气化的多功能生产井井口装置，其特征在于，所述的胶芯（12）为中间开孔的圆锥形胶芯，压盖内壁（1301）锥度与胶芯外壁锥度相同，特别地，胶芯（12）底部直径比压盖内壁（1301）直径稍大，安装时通过拧紧螺钉（19）将压盖（13）固定安装在喷淋管悬挂器（11）上，压盖内壁（1301）将压缩胶芯.（12）贴紧喷淋管（7）。
4.根据权利要求1所述的一种用于煤炭地下气化的多功能生产井井口装置，其特征在于，所述的球阀阀芯（29）安装在球阀阀座（6）上，球阀阀芯（29）可以以自身的转动轴（2901）为轴心转动，球阀阀芯（29）的边缘（2902）为锋利刀刃，球阀阀芯（29）上与转动轴（2901）相对的另一侧开有六边形孔（2903），六边形孔（2903）与转盘（31）的六边形轴（3101）为过渡配合。
5.根据权利要求1所述的一种用于煤炭地下气化的多功能生产井井口装置，其特征在于，所述的过滤网
（20）、过滤网
（21）、过滤网
（22）目数依次减少，靠近煤焦油洗涤器的一端为目数最多的过滤网
（20）。
6.根据权利要求1所述的一种用于煤炭地下气化的多功能生产井井口装置，其特征在于，所述的过滤管（23）一侧设有矩形孔（2301），沿矩形孔（2301）设有用于矩形密封圈（27）安装的密封台阶（2302），矩形孔（2301）两侧分别设有盲孔螺纹（2303），过滤管（23）内部设有三个等间距分布的用于过滤网安装的槽（2304）。
7.根据权利要求1所述的一种用于煤炭地下气化的多功能生产井井口装置，其特征在于，所述的集气管（24）上侧设有进水口（2401），进水口（2401）通过密封管螺纹连接有进水单向阀
（25），可通过单向阀
（25）注入氨水，集气管（24）下侧设有出水口（2402），出水口（2402）通过密封管螺纹连接有出水单向阀
（18）。
8.根据权利要求1所述的一种用于煤炭地下气化的多功能生产井井口装置，其特征在于，所述的喷淋管（7）下端设有随机分布的水眼（701）。
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