CN103643932B - 一种地下气化同位素示踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种地下气化同位素示踪方法，属于同位素示踪测量领域，以获得气化炉中的气化情况。所述地下气化同位素示踪方法，包括：将同位素标记的同种反应物与未标记的所述同种反应物混合，加入到地下燃空区中进行反应；对所述反应得到的反应产物中的参加反应的同位素标记的元素的量进行检测，并计算得出参与反应的未标记的所述同种反应物的量。本发明可用于在地下气化中获得气化情况，进一步的，可通过气化情况对气化过程进行调控，以实现稳定产气。

Description

一种地下气化同位素示踪方法

技术领域

本发明涉及同位素示踪测量领域，尤其涉及一种地下气化同位素示踪方法。

背景技术

煤炭地下气化是在地面以下几百米深的煤层中，通过非开采的方式从地下煤层中获取煤气的方法。该方法由于无需在地下设立工作场所，所以处于地下的气化炉完全是在未知的状态下运行，想要对气化炉进行测量和控制，只能通过在气化炉的进气井口和出气井口之间投入示踪剂进行跟踪测量的方法，以获得所需的工艺参数，从而对其进行控制。

现有的示踪剂的类型通常分为离子类、有机类、惰性气体类以及放射性类。由于煤层中含有复杂的有机物和大量的矿物，且存在较高的温度，所以上述提到的大多数示踪剂都无法满足地下气化技术中对于示踪剂的需要，例如有机类示踪剂（如甲醛、乙醇、异丙醇、氚化正丁醇、氚化乙醇等）在地下气化过程中容易遇到高温发生分解，且分解后生成的产物复杂，使得采出气体难于定量分析；离子类（如SCN^-、NO₃ ^-、Br^-、I^-）由于在地下气化中的生成物不确定，所以不能有效地用于分析地下的气化特征；惰性气体类化学性质稳定、不易生成化合物，用其标记地下气体流速、地下燃空区体积效果虽好，但用其标记气化反应却有很大程度的困难。由此可知，到目前为止还没有找出适合于标记地下气化的示踪剂，也没有找出利用该种示踪剂来正确获得气化炉中的化学变化以调节气化中的工艺参数，使其能够实现稳定产气的方法。

发明内容

本发明实施例提供了一种地下气化同位素示踪方法，以获得气化炉中的气化情况。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种地下气化同位素示踪方法，包括：

将同位素标记的同种反应物与未标记的所述同种反应物混合，并加入到地下燃空区中进行反应；

对所述反应得到的反应产物中的参加反应的同位素标记的元素的量进行检测，并计算得出参与反应的未标记的所述同种反应物的量。

可选的，所述方法具体为：

a)将同位素标记的同种反应物与未标记的所述同种反应物按比例均匀混合，并通过进气井口输入到地下燃空区中；

b)从通入所述a)中的两种所述同种反应物开始，每隔固定的一段时间在出气井口收集一次反应产物；

c)对所述反应产物进行检测，分析得到所述反应产物中参加反应的同位素标记的元素的量；

d)根据所述参加反应的同位素标记的元素的量，计算得出参加反应的未标记的所述同种反应物的量。

可选的，在所述计算得出参加反应的未标记的所述同种反应物的量之后，还包括：

计算所述参加反应的未标记的所述同种反应物的量与输入的未标记的所述同种反应物的量的比值，当所述比值≥规定值时，认为满足工况需要；当所述比值＜所述规定值时，则需通过调整输入的所述同种反应物的量，使其满足工况需要。

可选的，所述同位素选自放射性同位素和稳定性同位素中的一种或两种。

可选的，

当所述同种反应物均为水时，所述同位素为所述放射性同位素；

当所述同种反应物为二氧化碳时，所述同位素为所述稳定性同位素；

当所述同种反应物为水和二氧化碳时，所述同位素为所述放射性同位素和所述稳定性同位素。

可选的，所述放射性同位素选自²H或³H中的一种，所述稳定性同位素选自¹³C、¹⁴C、¹⁸O或¹⁷O中的一种。

可选的，所述d)具体为：

1）利用所述c)中分析得到的所述参加反应的同位素标记的元素的量，先计算得出m_参同/m_输同的比值，并将所述比值记为k₁；

2）利用反应前在进气井口输入的所述同位素标记的所述同种反应物和未标记的所述同种反应物的比例关系，由公式m_参同/m_输同=m_参未/m_输未=k₁，计算得出参与反应的未标记同位素的所述同种反应物的量；

其中，

m_参同为参与反应的同位素标记的所述同种反应物的量；

m_输同为反应前输入的同位素标记的所述同种反应物的量；

m_参未为参与反应的未标记同位素的所述同种反应物的量；

m_输未为反应前输入的未标记同位素的所述同种反应物的量。

可选的，所述规定值的范围为50%-75%。

可选的，所述规定值为70%。

可选的，所述b)中的所述反应产物包括出口煤气和出口煤气冷凝水。

可选的，所述b)中的所述一段时间是根据进气井口到地下燃空区再到出气井口之间的气化通道的长度确定。

可选的，所述b)中的所述固定的一段时间是根据通过一次所述气化通道的长度所需要的时间来确定。

可选的，所述b)中是利用色谱、质谱或荧光闪烁仪中的一种或多种对所述反应产物进行检测。

可选的，所述a)具体包括：

在出气井口处取煤气，并检测其中的同位素的值作为出气井口处同位素的背景值，将需要加入的所述同位素标记的同种反应物的值在扣除所述背景值后再与未标记的所述同种反应物按比例均匀混合，并通过进气井口输入到地下燃空区中。

本发明实施例提供了一种地下气化同位素示踪方法。本发明通过将同位素标记的同种反应物与未标记的所述同种反应物同种反应物按比例均匀混合通入到地下气化炉中的方法，计算得出参与反应的未标记的所述同种反应物与输入的未标记的所述同种反应物的比值，通过该比值以获得所述同种反应物的转化率，并根据该转化率的大小来调节所述同种反应物的通入量。该方法操作简单，可操作性强，可以很好地获得气化炉中的气化情况，进一步的，可通过气化情况对气化过程进行调控，以实现稳定产气。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种地下气化同位素示踪方法的示意图;

图2为本发明实施例提供的一种地下气化炉的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明实施例提供的地下气化同位素示踪方法进行详细描述。

本发明实施例提供了一种地下气化同位素示踪方法，如图1所示，该方法包括：

将同位素标记的同种反应物与未标记的所述同种反应物混合，并加入到地下燃空区中进行反应；

对所述反应得到的反应产物中的参加反应的同位素标记的元素的量进行检测，并计算得出参与反应的未标记的所述同种反应物的量。

本方法中，由于进气井口的反应物主要为空气、二氧化碳、氧气、水中的一种或多种，而其中对反应影响较大的则为水和二氧化碳，为了更好地获得地下气化炉中的气化情况，所以本方法着重对水和二氧化碳的转化轨迹进行分析。所述同种反应物包括水和二氧化碳，所述同位素选自放射性同位素和稳定性同位素中的一种或两种。

其中，在选择用何种同位素对同种反应物进行标记时，主要有下述三种选择方式：1）当所述同种反应物均为水时，所述同位素为所述放射性同位素；2）当所述同种反应物为二氧化碳时，所述同位素为所述稳定性同位素；3）当所述同种反应物为水和二氧化碳时，所述同位素为所述放射性同位素和所述稳定性同位素。

为了更好地实施本方法，本方法还可具体为：

a)将同位素标记的同种反应物与未标记的所述同种反应物按比例均匀混合，并通过进气井口输入到地下燃空区中。

将同位素标记的同种反应物与未标记的同种反应物按比例均匀混合，其中，该比例可以是等比例关系，也可以是倍数关系，可根据生产中实际的需要选择比例进行混合。

其中，在标记水中的氢时，所述同位素可选自放射性同位素如²H（D）、³H（T），本实施例中优选为T。这是因为在地下气化炉反应中，水参与的反应主要是C+H₂O=CO+H₂、CO+H₂O=CO₂+H₂以及2C+H₂O=CO₂+2H₂，反应中水中的氢元素主要转变为H₂，本发明通过用同位素T标记氢元素的量并对其进行监控，可有效地掌握各种不同水源的水参与反应的路径和参与反应的量。本发明实施例中选用同位素T，是因为同位素T的核外电子与H相同，它们的化学性质几乎相同，且同位素T标记的化合物同水发生化学反应的概率也几近相同，所以选用T来标记地下气化过程中输入水的转化轨迹。

在标记CO₂中的C、O时，同位素可选自稳定性同位素，如¹³C、¹⁴C、¹⁸O或¹⁷O中的一种。这是因为在地下气化炉反应中，CO₂参与的反应主要是CO₂+C=2CO。本发明虽然希望通过反应CO₂+C=2CO来实现CO含量的增加，但过量的CO₂不但不能增大反应速率，还会使气化炉内压力增大，阻止反应的正向进行，且过量的CO₂也会使出口煤气热值降低，给进化造成一定困难，所以需要用同位素碳或氧来标记地下气化过程中输入CO₂的转化轨迹。其中，本发明实施例中选用的是同位素为碳或氧，这是因为同位素碳或氧的核外电子与碳或氧的相同，它们的化学性质几乎相同，且同位素碳或氧标记的化合物同CO₂发生化学反应的概率也几近相同。

需要说明的是，在本步骤之前还可包括：在出气井口处取煤气，并检测其中的同位素的值作为出气井口处同位素的背景值，将需要加入的所述同位素标记的同种反应物的值在扣除所述背景值后再与未标记的所述同种反应物按比例均匀混合，并通过进气井口输入到地下燃空区中。这是因为在地下气化炉中本身就含有少量甚至是微量的同位素，在投入同位素前先对地下气化炉中的同位素进行测量，然后作为背景值被扣除在投入的同位素的量之外，这样可以更加准确地得到用同位素碳或氧或同位素T标记的地下气化过程中输入的CO₂和水的转化轨迹。

b)从通入a)中的两种所述同种反应物开始，每隔固定的一段时间在出气井口收集一次反应产物。

本步骤中，混合同位素T的水和水以及混合同位素碳或氧的CO₂和CO₂是通过进气井口输入到地下燃空区进行反应的，反应后再经由出气井口输出。从通入a)中的两种同种反应物开始，每隔一段时间在出气井口处收集反应产物。由于输入的水源的主要输出方式为：①发生反应，生成H₂，从出气口输出；②被高温环境加热，变为水蒸气，随出口煤气携带出；③滞留在气化炉内。输入CO₂气体的主要输出方式为：①发生反应，生成CO，从出气口输出；②不发生反应，随出口煤气携带出；③漏失于地下煤层中。所以，所述反应产物主要包括以气态存在的出口煤气和以液态存在的出口煤气冷凝水。

其中，由于经由不同的气化炉发生气化反应，所以本步骤中的具体的每隔一段时间的时间段并不相同，可以是根据进气井口到地下燃空区再到出气井口之间的气化通道的长度确定，并在确定通过上述气化通道所需的时间后，可将所得到的时间作为固定的间隔时间来进行衡量。

c)对所述反应产物进行检测，分析得到所述反应产物中参加反应的同位素标记的元素的量。

本步骤中，可利用色谱、质谱或荧光闪烁仪中的一种或多种对所述反应产物中的同位素标记的元素的量进行检测的。

d)根据所述参加反应的同位素标记的元素的量，计算得出参加反应的未标记的所述同种反应物的量。

本步骤中，在计算得出参加反应的未标记的同种反应物的量之前，可先进行1）利用所述步骤S3中分析得到的所述反应产物中同位素标记的元素的量，计算得出m_参同/m_输同的比值，并将所述比值记为k₁；然后进行2）利用反应前在进气井口输入的同位素标记的同种反应物和未标记的同种反应物的比例关系，由公式m_参同/m_输同=m_参未/m_输未未=k₁（m_参同为参与反应的同位素标记的同种反应物的量；m_输同为反应前在进气井口处输入的同位素标记的同种反应物的量；m_参未为参与反应的未标记同位素的同种反应物的量；m_输未为反应前在进气井口处输入的未标记同位素的同种反应物的量）得出参与反应的未标记的同种反应物的量。

这里，在计算得出所述参与反应的未标记的同种反应物的量之后，即可完成同位素示踪的步骤，并且能够确切的算出参与反应的未标记的同种反应物的量，并由此算出应在进气井口处投入的反应物的量。但如果在生产实践中需要对进气井口处的投入的反应物的量进行实时观测时，则本步骤之后，还可包括：

计算所述参加反应的未标记的所述同种反应物的量与输入的未标记的所述同种反应物的量的比值，当所述比值≥规定值时，认为满足工况需要；当所述比值＜所述规定值时，则需通过调整输入的所述同种反应物的量，使其满足工况需要。

在该步骤中，可先计算所述参加反应的未标记的所述同种反应物的量与输入的未标记的所述同种反应物的量的比值，由于本发明主要是通过控制参与反应的未标记的化合物的量与输入的未标记的化合物的量之比来调控进气井口处同种反应物的供给量，所以该比值至关重要。其中，所述比值应满足所述规定值的需要，所述规定值的范围为50%-75%。

当所述比值在50%-75%之间时，认为可以维持进气井口供给的同种反应物的量，保持气化炉稳定产气；当所述比值在50%-75%的范围之外时，则需通过减少或增加输入的所述同种反应物的量，使其满足工况需要。优选的，本步骤中，参加反应的未标记的所述同种反应物的量与输入的未标记的所述同种反应物的量的比值可以为70%，在该比值下，能够使参与反应的未标记的所述同种反应物的利用达到最大化，以便更好地节约原料。

本发明实施例提供了一种地下气化同位素示踪方法。本发明通过将同位素标记的同种反应物与未标记的所述同种反应物按比例均匀混合通入到地下气化炉中的方法，计算得出参与反应的未标记的所述同种反应物与输入的未标记的所述同种反应物的比值，通过该比值以获得所述同种反应物的转化率，并根据该转化率的大小来调节所述同种反应物的通入量。该方法操作简单，可操作性强，可以很好地获得气化炉中的气化情况，通过气化情况对气化反应进行调控，以实现气化炉的稳定产气。

需要说明的是，将同位素标记的同种反应物与未标记的所述同种反应物按本方法中的步骤实施后得到的有益效果是可以实时地获得气化炉中的气化情况，以更好地用于指导生产实践，倘若只需获得地下气化炉中的气化情况，从而估算出需要在进气井口处投入反应物的量时，也可仅投入本发明中的同位素标记的所述同种反应物，再按本方法中的步骤进行实施。

为了更好说明本发明提供的地下气化同位素示踪方法，下面以具体实施例进行详细说明。

实施例1

本实施例是用放射性同位素氘（T）来标记在进气井口输入的水的转化过程。地下气化炉结构如图2所示，该过程包括：

1、首先在出气井口2取少量的煤气，并测定地下原有气体产物中同位素T的对比本底含量U₀；

2、将含量为U（单位Bq）（此处的U已减去了1中的同位素T的对比本底含量U₀）的同位素T标记的水与体积为B的水均匀混合（这里取10m³），通过进气井口1注入到地下燃空区3中（T在氢同位素中的比例很小，一般以HT（氚气）和HTO（氚水）的形式存在，所以在反应产物中，只测量HT和HTO的量）；

3、从注入时刻开始，每隔1h，收集出气井口2处的反应产物（包括出口煤气和出口煤气冷凝水），并通过色谱仪来分析其中的HT和HTO的含量；

4、根据色谱仪测得的出口煤气中的T含量为U₁（单位Bq），出口煤气冷凝水中HTO的含量为U₂（单位Bq），计算得出参与反应的同位素T的量与输入的同位素T的量之比为U1/U*100%=k₁；

5、由于HTO同水是均匀混合的，U₁:U=B₁:B，所以参与反应的水与输入的水之比也为B₁/B*100%=k₁；

6、判断k₁是否≥70%，若≥70%，则该条件下进水量为最佳进水量，无需改变；若k₁＜70%，则该条件下进水量过大，需要减少入口进水量的值，使k₁≥70%；

此外，通过该反应还可得到经地下气化炉转化转变为水蒸气的量以及滞留于地下气化炉内的水的量，即出口煤气冷凝水中HTO的量为U₂，由公式U₂/U*100%=k₂得出经地下气化炉转化转变为水蒸气的量为B₂=B*k₂；滞留于气化炉内部的水量：U₃=U-U₁-U₂，U₃/U*100%=k₃，则滞留于气化炉内部的水的量为B₃=B*k₃。

实施例2

本实施例是用稳定性同位素¹³C或¹⁸O来标记在进气井口输入的CO₂的转化过程。地下气化炉结构如图2所示，该过程包括：

1、首先在出气井口2取少量的煤气，并测定地下原有气体产物中同位素T的对比本底含量Y₀；

2、将体积为Y（单位毫升）（此处的Y已减去了1中的同位素¹³C或¹⁸O的对比本底含量Y₀）的同位素标记的CO₂与体积为X的CO₂均匀混合后，通过进气井口1注入到地下燃空区3中；（本实施例中CO₂在地下气化中主要发生如下反应：CO₂+C=2CO，所以同位素标记的CO₂主要转化为CO或者没有参与反应或滞留于气化炉中）；

3、从注入气体开始，每隔1h，收集出气井口2处的反应产物，并通过色谱或质谱或荧光闪烁仪来检测同位标记过的CO和CO₂的浓度，并计算出同位素标记过的CO体积为Y1’，同位素标记CO₂的体积为Y₂；

4、将同位素标记过的CO体积根据本实施例2中的反应式计算得出参与反应的同位素标记的CO₂的体积为Y₁，则参与反应的CO₂的转化率为：Y₁/Y*100%=k₁；

5、由于同位素标记的CO₂和CO₂是均匀混合的，Y₁：Y=X₁：X，所以参与反应的CO₂与通入的CO₂之比为X₁/X*100=k₁；

6、判断k₁是否≥70%，若≥70%，则该条件下输入的CO₂量为最佳进气量，无需改变；若k₁＜70%，则该条件下进CO₂量过大，需要减少入口进气量的值，使k₁≥70%；

此外，通过该反应还可得到不发生反应的CO₂的量以及滞留于地下气化炉内的CO₂的量，即不发生反应的CO₂的量Y₂，由公式Y₂/Y*100%=k₂得出随出口煤气带出的CO₂的量为X₂=X*k₂；以及在气化炉内漏失的CO₂的量为Y₃=Y-Y₁-Y₂，Y₃/Y*100%=k₃，则气化炉的煤气漏失的量为X₃=X*k₃。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围。

Claims (11)

1.一种地下气化同位素示踪方法，其特征在于，包括：

a)将同位素标记的同种反应物与未标记的所述同种反应物按比例均匀混合，并通过进气井口输入到地下燃空区中；

b)从通入所述a)中的同位素标记的同种反应物与未标记的所述同种反应物开始，每隔固定的一段时间在出气井口收集一次反应产物，其中，所述一段时间根据进气井口到地下燃空区再到出气井口之间的气化通道的长度确定或根据通过一次所述气化通道的长度所需要的时间确定；

c)对所述反应产物进行检测，分析得到所述反应产物中参加反应的同位素标记的元素的量；

d)根据所述参加反应的同位素标记的元素的量，计算得出参加反应的未标记的所述同种反应物的量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述计算得出参加反应的未标记的所述同种反应物的量之后，还包括：

计算所述参加反应的未标记的所述同种反应物的量与输入的未标记的所述同种反应物的量的比值，当所述比值≥规定值时，认为满足工况需要；当所述比值＜所述规定值时，则需通过调整输入的所述同种反应物的量，使其满足工况需要。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述同位素选自放射性同位素和稳定性同位素中的一种或两种。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

当所述同种反应物均为水时，所述同位素为所述放射性同位素；

当所述同种反应物为二氧化碳时，所述同位素为所述稳定性同位素；

当所述同种反应物为水和二氧化碳时，所述同位素为所述放射性同位素和所述稳定性同位素。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述放射性同位素选自²H或³H中的一种，所述稳定性同位素选自¹³C、¹⁴C、¹⁸O或¹⁷O中的一种。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述d)具体为：

1)利用所述c)中分析得到的所述参加反应的同位素标记的元素的量，先计算得出m_参同/m_输同的比值，并将所述比值记为k₁；

2)利用反应前在进气井口输入的所述同位素标记的所述同种反应物和未标记的所述同种反应物的比例关系，由公式m_参同/m_输同＝m_参未/m_输未＝k₁，计算得出参与反应的未标记同位素的所述同种反应物的量；

其中，

m_参同为参与反应的同位素标记的所述同种反应物的量；

m_输同为反应前输入的同位素标记的所述同种反应物的量；

m_参未为参与反应的未标记同位素的所述同种反应物的量；

m_输未为反应前输入的未标记同位素的所述同种反应物的量。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述规定值的范围为50％-75％。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述规定值为70％。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述b)中的所述反应产物包括出口煤气和出口煤气冷凝水。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述b)中是利用色谱、质谱或荧光闪烁仪中的一种或多种对所述反应产物进行检测。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述a)具体包括：

在出气井口处取煤气，并检测其中的同位素的值作为出气井口处同位素的背景值，将需要加入的所述同位素标记的同种反应物的值在扣除所述背景值后再与未标记的所述同种反应物按比例均匀混合，并通过进气井口输入到地下燃空区中。