CN103742120A - 一种地下气化贯通方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下气化贯通方法，包括如下步骤：（1）构建定向钻井和垂直钻井，形成地下气化炉；（2）在点火钻井中通入气化剂，在定向钻井末端点火；（3）点火成功后，在气化通道中通入气化剂；（4）气化过程中根据进气压力变化调整气化通道内气体流速，煤气化进入稳定过程。本发明根据进气压力变化调整气化通道内气体流速，实现了快速提高地下气化强度至理想气化条件，缩短了地下气化炉通道构建周期，实现了气化炉快速投产。

Description

一种地下气化贯通方法

技术领域

本发明涉及一种地下气化贯通方法，具体涉及一种煤炭地下气化贯通方法，尤其涉及控制煤炭地下气化贯通过程气化强度的方法。

背景技术

煤炭地下气化（underground coal gasification）将地下煤炭通过热化学反应在原地转化为可燃气体的过程，作为一项洁净煤技术，在开采劣质煤层、较深煤层、薄煤层以及“三下”（水体下、建筑物下、路下）压煤等具有显著技术优势，特别适用于“富煤、少油、缺气”的我国能源国情。煤炭地下气化技术具有投资少、建设周期短、环境友好等经济和社会效益，受到国际煤炭行业的高度关注。煤炭地下气化技术应用过程中，气化通道贯通与加工是一个非常重要的过程。现有主要的地下气化贯通和通道扩展技术为高压空气贯通、高压水力压裂、空气火力渗透等等。主要存在有如下缺点：常规的由定向钻构建的地下气化炉，定向钻孔直径小，初始供风量小，供风压力大；受定向钻孔缩孔影响，地下气化通道贯通时间长且不确定性大；贯通和气化过程中，无法调节供风量和供风速度，实现控制燃烧；由于贯通和通道加工时间长，不合格煤气生产周期长；建炉周期长，难以满足快速达产的需求。而且，煤炭地下气化过程受到煤层夹矸、地下水涌入、顶板冒落和煤层不均质的影响，气化强度较小时，外界影响因素大，气化过程不稳定。

只有当达到一定的气化强度后，才能消除或者减轻上述影响因素，达到理想的气化条件，产出合格的煤气组分。这也意味着在产业化生产过程中，后续煤气处理系统在较长时间内很难达到满负荷运行，对资源和成本是巨大的浪费，并且直接影响地下气化技术的产业化运行。因此，在地下气化贯通过程中对气化强度进行有效控制是至关重要的。

发明内容

针对已有技术中存在的缺点，本发明的目的在于提供一种地下气化贯通方法，所述方法通过对气化强度的有效控制加速气化炉通道构建周期，使地下气化炉快速达到理想气化强度，稳定生产合格煤气的工艺方法，其包括如下步骤：

（1）构建定向钻井和垂直钻井，形成地下气化炉；

（2）在点火钻井中通入气化剂，在定向钻井末端点火；

（3）点火成功后，在气化通道中通入气化剂；

（4）气化过程中根据进气压力变化调整气化通道内气体流速，煤气化进入稳定过程。

本发明根据进气过程中压力变化调整气化通道内气体流速，使气化过程保证一定强度，实现了快速提高地下气化强度至理想气化条件，缩短了地下气化炉通道构建周期，实现了气化炉快速投产。

本发明适用于基于定向钻井或定向钻井垂直钻井相结合构建的地下气化单元炉。

以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。

优选地，在本发明提供的技术方案的基础上，所述气化剂为空气，气化通道内初始气体流速为0.5～1.5m/s，或，所述气化剂为富氧气体，气化通道内初始气体流速为0.5～2m/s。

优选地，在本发明提供的技术方案的基础上，所述富氧气体的氧气浓度为21～30%。

优选地，在本发明提供的技术方案的基础上，气化过程中当进气压力≤0.5MPa，调整气化通道单位长度鼓风量≥(50Nm³/h)/米。

优选地，在本发明提供的技术方案的基础上，气化过程中当进气压力的压降≥0.5MPa，调整气化通道内气体流量增加30～60%。

优选地，在本发明提供的技术方案的基础上，气化过程中当进气压力的压降≥0.5MPa，调整气化通道内的气体流速为理论气体流速的1～1.3倍。

优选地，在本发明提供的技术方案的基础上，所述理论气体流速的计算公式为：

其中，v，流速，单位为m/s；W，燃煤量，单位为kg；ρ_煤，煤密度，单位为kg/m³；L，进出气井长度，单位为m；A%，煤灰分含量；P，进气压力，单位为MPa；D井，定向钻井直径，单位为m。

优选地，在本发明提供的技术方案的基础上，所述钻井直径D_井≥300毫米。

优选地，在本发明提供的技术方案的基础上，所述点火钻井为定向钻井，在所述定向钻井气化通道末端点火；

或，所述点火钻井为位于定向钻井末端的垂直钻井。

与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明根据进气过程中压力变化调整气化通道内气体流速，使气化过程保证一定强度，控制过程更为精确，实现了快速提高地下气化强度至理想气化条件，缩短了地下气化炉通道构建周期，构建周期较已有技术缩短了20～50%，实现了气化炉快速投产，达到工业化的需求。

此外，本发明通过控制气化剂初始进气流速，使供风压力减小，并结合大口径定向钻井，减小定向钻井缩孔影响，使供风流量增大，节省了电耗与时间，得到的定向钻通道相对稳定。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

在本发明的一种典型的实施方式中，一种地下气化贯通方法，包括如下步骤：

（1）构建定向钻井和垂直钻井，形成地下气化炉；

（2）在点火钻井中通入气化剂，在定向钻井末端点火；

（3）点火成功后，在气化通道中通入气化剂；

（4）气化过程中根据进气压力变化调整气化通道内气体流速，煤气化进入稳定过程。

本发明根据进气过程中压力变化调整气化通道内气体流速，使气化过程保证一定强度，实现了快速提高地下气化强度至理想气化条件，缩短了地下气化炉通道构建周期，实现了气化炉快速投产。

根据本发明，气化剂为空气，气化通道内初始气体流速为0.5～1.5m/s，例如为0.6m/s、0.7m/s、0.8m/s、0.9m/s、1.1m/s、1.2m/s、1.3m/s或1.4m/s，优选0.5～1m/s，或，气化剂为富氧气体，气化通道内初始气体流速为0.5～2m/s，例如为0.6m/s、0.7m/s、0.8m/s、0.9m/s、1m/s、1.1m/s、1.2m/s、1.3m/s、1.4m/s、1.5m/s、1.6m/s、1.7m/s、1.8m/s或1.9m/s，优选1～2m/s。

根据本发明，所述富氧气体的氧气浓度为21～30%，例如22%、23%、24%、25%、26%、27%、28%或29%。所述浓度为体积浓度。

根据本发明，气化过程中当进气压力≤0.5MPa，调整气化通道单位长度鼓风量≥(50Nm3/h)/米。

所述单位长度鼓风量为：鼓风量/气化通道长度。

根据本发明，气化过程中当进气压力的压降≥0.5MPa，调整气化通道内气体流量增加30～60%。

所述气化通道内气体流量增加30～60%，例如为32%、34%、36%、38%、40%、42%、44%、46%、48%、50%、52%、54%、56%或58%。

根据本发明，气化过程中当进气压力的压降≥0.5MPa，调整气化通道内的气体流速为理论气体流速的1～1.3倍，例如1.03倍、1.06倍、1.09倍、1.12倍、1.15倍、1.18倍、1.21倍、1.24倍、1.27倍或1.29倍。

根据本发明，所述理论气体流速的计算公式为：

其中，v，流速，单位为m/s；W，燃煤量，单位为kg；ρ_煤，煤密度，单位为kg/m³；L，进出气井长度，单位为m；A%，煤灰分含量；P，进气压力，单位为MPa；D井，定向钻井直径，单位为m。

根据本发明，所述钻井直径D_井≥300毫米。所述钻井直径D_井例如为320mm、340mm、360mm、380mm、400mm、420mm、440mm、460mm、480mm、500mm、520mm或540mm。本发明采用大口径定向钻井，通道火焰贯通与加工过程的初始供风压力小，供风流量可以大，节省了电耗与时间，解决了现有煤炭地下气化炉的定向钻气化炉通道构建过程中，钻井孔径通常采用177毫米，钻井进风量受钻井尺寸局限，构建加工时间较长，出气能力达到设计能力需要较长的周期，后工序达产周期较长的问题。

根据本发明，所述点火钻井为定向钻井，在所述定向钻井气化通道末端点火；

或，所述点火钻井为位于定向钻井末端的垂直钻井。

根据本发明，钻井通道内设置筛管支护。采用支护型定向钻井钻孔，得到的定向钻井通道相对稳定，不会堵塞或缩孔，克服了现有工艺由于水平钻孔缩孔引起的堵塞不确定性。

本发明可以通过改变供风量来自由调整进气初始流速，控制火焰工作面逆向发展。

以下将结合具体实施方式和具体实施例来进一步说明本发明的有益效果。

具体实施方式1

一种地下气化贯通方法，所述方法包括如下步骤：

（1’）构建定向钻井和垂直钻井，形成地下气化炉；

（2’）在点火钻井中通入气化剂，在定向钻井末端点火；

（3’）点火成功后，在气化通道中通入气化剂，气化剂为空气，气化通道内初始气体流速为0.5～1.5m/s，或，气化剂为富氧气体，气化通道内初始气体流速为0.5～2m/s；

（4’）气化过程中根据进气压力变化调整气化通道内气体流速，煤气化进入稳定过程。

具体实施方式2

一种地下气化贯通方法，所述方法包括如下步骤：

（1’）构建定向钻井和垂直钻井，形成地下气化炉，钻井直径D_井≥300毫米；

（2’）在点火钻井中通入气化剂，在定向钻井末端点火；

（3’）点火成功后，在气化通道中通入气化剂，气化剂为空气，气化通道内初始气体流速为0.5～1.5m/s，或，气化剂为富氧气体，气化通道内初始气体流速为0.5～2m/s；

（4’）气化过程中根据进气压力变化调整气化通道内气体流速，煤气化进入稳定过程。

具体实施方式3

一种地下气化贯通方法，所述方法包括如下步骤：

（1’）构建定向钻井和垂直钻井，形成地下气化炉；

（2’）在点火钻井中通入气化剂，在定向钻井末端点火；

（3’）点火成功后，在气化通道中通入气化剂，气化剂为空气，气化通道内初始气体流速为0.5～1.5m/s，或，气化剂为富氧气体，气化通道内初始气体流速为0.5～2m/s；

（4’）气化过程中当进气压力的压降≥0.5MPa，调整气化通道内气体流量增加30～60%，气化过程中当进气压力≤0.5MPa，调整气化通道单位长度鼓风量≥(50Nm³/h)/米，煤气化进入稳定过程。

具体实施方式4

一种地下气化贯通方法，所述方法包括如下步骤：

（1’）构建定向钻井和垂直钻井，形成地下气化炉；

（2’）在点火钻井中通入气化剂，在定向钻井末端点火；

（3’）点火成功后，在气化通道中通入气化剂，气化剂为空气，气化通道内初始气体流速为0.5～1.5m/s，或，气化剂为富氧气体，气化通道内初始气体流速为0.5～2m/s；

（4’）气化过程中当进气压力的压降≥0.5MPa，调整气化通道内的气体流速为理论气体流速的1～1.3倍，气化过程中当进气压力≤0.5MPa，调整气化通道单位长度鼓风量≥(50Nm³/h)/米，煤气化进入稳定过程；

其中，理论气体流速的计算公式为：

其中，v，流速，单位为m/s；W，燃煤量，单位为kg；ρ_煤，煤密度，单位为kg/m³；L，进出气井长度，单位为m；A%，煤灰分含量；P，进气压力，单位为MPa；D井，定向钻井直径，单位为m。

具体实施方式5

一种地下气化贯通方法，所述方法包括如下步骤：

（1’）构建定向钻井和垂直钻井，形成地下气化炉，定向钻井直径D_井≥300毫米；

（2’）在点火钻井中通入气化剂，在定向钻井末端点火；

（3’）点火成功后，在气化通道中通入气化剂，气化剂为空气，气化通道内初始气体流速为0.5～1.5m/s，或，气化剂为富氧气体，气化通道内初始气体流速为0.5～2m/s；

（4’）气化过程中当进气压力的压降≥0.5MPa，调整气化通道内气体流量增加30～60%，气化过程中当进气压力≤0.5MPa，调整气化通道单位长度鼓风量≥(50Nm³/h)/米，煤气化进入稳定过程。

具体实施方式6

一种地下气化贯通方法，所述方法包括如下步骤：

（1’）构建定向钻井和垂直钻井，形成地下气化炉，定向钻井直径D_井≥300毫米；

（2’）在点火钻井中通入气化剂，在定向钻井末端点火；

（3’）点火成功后，在气化通道中通入气化剂，气化剂为空气，气化通道内初始气体流速为0.5～1.5m/s，或，气化剂为富氧气体，气化通道内初始气体流速为0.5～2m/s；

（4’）气化过程中当进气压力的压降≥0.5MPa，调整气化通道内的气体流速为理论气体流速的1～1.3倍，气化过程中当进气压力≤0.5MPa，调整气化通道单位长度鼓风量≥(50Nm³/h)/米，煤气化进入稳定过程；

其中，理论气体流速的计算公式为：

其中，v，流速，单位为m/s；W，燃煤量，单位为kg；ρ_煤，煤密度，单位为kg/m³；L，进出气井长度，单位为m；A%，煤灰分含量；P，进气压力，单位为MPa；D井，定向钻井直径，单位为m。

本发明进出气井长度是指从定向钻进入煤层的水平段起点至定向钻孔末端点的距离。

具体实施例1

一种地下气化贯通方法，，定向钻井直径为300mm。D_井=0.3m，定向钻井通道长度L=150m，煤层厚度10m。

本实施例在一个定向钻井构建的地下气化炉上，初始进气压力P为4MPa，进气流量在521-1564Nm³/h之间调整，定向钻井管径300毫米，气化剂为空气，初始进气流速为0.5～1.5m/s之间。

在这一基础上，随着压力的逐步下降，逐渐增加进空气的流量，压力和流量对应关系大致符合规律Q=2472-306.6P，其中P的单位为MPa，实际调整过程具体参数可以在此对应规律得到的理论值基础上有30%的浮动。随着时间的推移，压力逐渐从4.0MPa降到0.6MPa。这一周期视煤层渗透性不同，时间上会有较大差别，预计时间10-20天。

当气化通道内压力降低到0.5MPa以下，持续进气，进气流量不再按照上面的公式范围进行调整，而是在维持当前压力条件下，当前通道所能进的最大气量，持续加工通道至1～1.5米。按照平均进气量4000Nm3/h计算，这一过程约55天。（注：1.5米通道煤量可采为1.43×1.5×10×150×0.7=3217.5吨，吨煤空气耗量1630m³，如果按照4000Nm³/h计算，需要时间为3217.5×1630/(4000×24)=55天）

当单位长度鼓风量（鼓风量/气化通道长度）值达到50(Nm³/h)/m，即鼓风量达到7500Nm³/h，且出口煤气中CO含量达到5%以上时，视为气化强度达到理想状态，煤气化过程进入稳定过程。

在该方法实现过程中，如果按照现有技术，第一阶段和第二阶段持续时间将会分别为30-50天、72天，可见该方法可以有效加快通道加工和贯通速度，与采用现有技术相比，天数少了30%，有利于气化炉快速达产。

具体实施例2

一种地下气化贯通方法，定向钻井直径为500mm，钻井通道内设置筛管支护。D_井=0.5m，定向钻井通道长度L=150m，煤层厚度10m。

本实施例在一个定向钻井构建的地下气化炉上，初始进气压力P为3.0MPa，进气流量在1095-3285Nm³/h之间调整，定向钻井管径500毫米，进气初始流速范围为0.5～1.5m/s，水平通道内设筛管支护。

在这一基础上，随着压力的逐步下降，逐渐增加进空气的流量，压力和流量对应关系大致符合规律Q=6867.2-851.6P，其中P的单位为MPa，实际调整过程具体参数可以在此对应规律得到的理论值基础上有30%的浮动。随着时间的推移，压力逐渐从4.0MPa降到0.6MPa。这一周期视煤层渗透性不同，时间上会有较大差别，预计时间5-10天。

当气化通道内压力降低到0.5MPa以下，持续进气，进气流量不再按照上面的公式范围进行调整，而是在维持当前压力条件下，当前通道所能进的最大气量，持续加工通道至1-1.5米。按照平均进气量6000Nm³/h计算，这一过程约44天。（注：1.5米通道煤量可采为1.43×1.5×10×150×0.7=3217.5吨，吨煤空气耗量1630m³，如果按照4000Nm³/h计算，需要时间为3217.5×1630/(5000×24)=44天）。

当单位长度鼓风量（鼓风量/气化通道长度）值达到50(Nm³/h)/m，即鼓风量达到7500Nm³/h，且出口煤气中CO含量达到5%以上时，视为气化强度达到理想状态，煤气化过程进入稳定过程。

在该方法实现过程中，如果按照现有技术，第一阶段和第二阶段持续时间将会分别为30-50天、72天，可见该方法可以有效加快通道加工和贯通速度，与现有技术相比，天数少了50%，有利于气化炉快速达产。

具体实施例3

一种地下气化贯通方法，定向钻井直径为300mm，钻井通道内没有设置筛管支护。D_井=0.3m，定向钻井通道长度L=150m，煤层厚度10m。通道加工采用富氧空气或者富氧CO₂气体加工。

本实施例在一个定向钻井构建的地下气化炉上，初始进气压力P为3.0MPa，进气流量在789-1577Nm³/h之间调整，定向钻钻井管径300毫米，流速范围为1～2m/s，水平通道内无支护，进气介质为含氧量为30%的气体，其它70%可为氮气、CO₂等不参与反应或者少参与反应的气体介质。

在这一基础上，随着压力的逐步下降，逐渐增加进气的流量，压力和流量对应关系大致符合梯级增加规律，具体为：当进气压力出现第一梯度的下降（降压大于0.5MPa）时，鼓风量增加40-60%；之后，按照此梯阶规律，逐步增加气化剂鼓入量；当气化通道内压力降低到0.5MPa以下时，持续进气，进气流量不再按照上面的限制进行调整，而是在维持当前压力条件下，当前通道所能进的最大气量，直到单位长度鼓风量（鼓风量/气化通道长度）为50(Nm³/h)/m以上。

当单位长度鼓风量（鼓风量/气化通道长度）值达到50(Nm³/h)/m，即鼓风量达到7500Nm³/h，且出口煤气中CO含量达到5%以上时，视为气化强度达到理想状态，煤气化过程进入稳定过程。

具体实施例4

一种地下气化贯通方法，定向钻井直径为500mm，钻井通道内设置筛管支护。D_井=0.5m，定向钻井通道长度L=150m，煤层厚度10m。通道加工采用富氧空气或者富氧CO₂气体加工。

本实施例在一个定向钻井构建的地下气化炉上，初始进气压力P为3.0MPa，进气流量在1095-3285Nm³/h之间调整，定向钻钻井管径500毫米，流速范围为0.5～1.5m/s，水平通道内设筛管支护。

在这一基础上，随着压力的逐步下降，逐渐增加进气的流量，压力和流量对应关系大致符合梯级增加规律，具体为：当进气压力出现第一梯度的下降（降压大于0.5MPa）时，鼓风量增加40-60%；之后，按照此梯阶规律，逐步增加气化剂鼓入量；当气化通道内压力降低到0.5MPa以下时，持续进气，进气流量不再按照上面的限制进行调整，而是在维持当前压力条件下，当前通道所能进的最大气量，直到单位长度鼓风量（鼓风量/气化通道长度）为50(Nm³/h)/m以上。

当单位长度鼓风量（鼓风量/气化通道长度）值达到50(Nm³/h)/m，即鼓风量达到7500Nm³/h，且出口煤气中CO含量达到5%以上时，视为气化强度达到理想状态，煤气化过程进入稳定过程。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (9)

1.一种地下气化贯通方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）构建定向钻井和垂直钻井，形成地下气化炉；

（2）在点火钻井中通入气化剂，在定向钻井末端点火；

（3）点火成功后，在气化通道中通入气化剂；

（4）气化过程中根据进气压力变化调整气化通道内气体流速，煤气化进入稳定过程。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气化剂为空气，气化通道中初始气体流速为0.5～1.5m/s；

或，所述气化剂为富氧气体，气化通道中初始气体流速为0.5～2m/s。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述富氧气体的氧气浓度为21～30%。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，气化过程中当进气压力≤0.5MPa，调整气化通道单位长度鼓风量≥(50Nm³/h)/米。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，气化过程中当进气压力的压降≥0.5MPa，调整气化通道内气体流量增加30～60%。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，气化过程中当进气压力的压降≥0.5MPa，调整气化通道内的气体流速为理论气体流速的1～1.3倍。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述理论气体流速的计算公式为：

其中，v，流速，单位为m/s；W，燃煤量，单位为kg；ρ_煤，煤密度，单位为kg/m³；L，进出气井长度，单位为m；A%，煤灰分含量；P，进气压力，单位为MPa；D_井，定向钻井直径，单位为m。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定向钻井直径D_井≥300毫米。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述点火钻井为定向钻井，在所述定向钻井气化通道末端点火；

或，所述点火钻井为位于定向钻井末端的垂直钻井。