CN104389577A - 多点注气地下气化炉及多点注气地下气化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多点注气地下气化炉及多点注气地下气化方法，沿煤层产状设有至少两个平行布置的注气井，注气井内设置有可控连续注气装置，可控连续注气装置的一端与气化剂输配管连接，另一端置于气化炉工作面的注气点处，距离注气井通道内初始注气点的末端附近设有至少一个出气井。采用逆向燃烧方式，通过连续或间断拖动各注气井内注气点位置，并依据产气状况调整注气参数，无需重复点火，避免在注气点后退过程中气化炉温度场的波动，实现工作面整体逆向扩展气化采煤，得到组分稳定的合成煤气，降低气化生产阶段操作难度，保证产出的煤气品质；多个进气井分散给工作面输送含氧气化剂，增加单位时间内燃烧工作面积，从而扩大地下气化的产量规模。
Description
技术领域
本发明涉及一种多点注气地下气化炉及多点注气地下气化方法，属于煤炭地下气化技术领域。
背景技术
煤炭地下气化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。气化工作面是气化炉内气化剂与煤层发生燃烧气化反应生产煤气的主要区域，通常情况下，一个气化炉有一个以上的气化工作面，每个工作面有一个以上的注气点。气化工作面的气化剂由进气井注入，注气点的布置及注气控制决定了气化工作面的产气品质及产量，气化炉的注气点布置与注气控制是地下气化成败的关键。
现有技术中，美国的受控注入点后退气化工艺(简称：CRIP工艺)是把定向钻和反向燃烧结合在一起，首先打出竖直钻孔作为产气井，再打定向钻孔到达煤层后，继续沿煤层底板打水平钻孔，直至水平钻孔与出气孔相交，然后在定向钻孔中放置支护套管。开始气化时，采用移动点火器在靠近出气孔的注气点点火，点火后烧掉一段支护套管并点燃煤体，控制注气气化直至煤气组分显著下降时，调节注入点，使其后退至相当于一个燃空区长度的距离，再点火烧掉一段套管形成新的燃烧气化区，如此逐段向定向钻井的煤点移动，从CRIP工艺的整个过程分析可知，其气化工作面是通过拖动连续管及点火器，实现重复点火燃烧并气化产气的过程，工作面产气为注气点的后退及控制注气气化产气。
由于上述CRIP工艺具只有一个注气通道，而单个注气通道致使气化工作面小，必然直接导致其较小的产量规模；又由于此工艺是间歇性重复点火，在点火过程中，气化炉的温度场就会有波动，容易造成产品气体组分的波动，使产品的组分不稳定。
发明内容
本发明的实施例提供一种多点注气地下气化炉及应用其的气化方法，能够解决气体产品产量低及其组分波动大的问题。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一种多点注气地下气化炉，沿煤层产状设有至少两个平行布置的注气井，所述注气井内设置有可控连续注气装置，所述可控连续注气装置的连续管的一端与气化剂输配管连接，另一端置于气化炉工作面的注气点处，距离所述注气井通道内初始注气点的末端附近设有至少一个出气井。
进一步的，所述可控连续注气装置为连续油管注气装置或拉管式注气装置。
进一步的，所述注气井的水平通道之间的间距为0.5～4倍的煤层采高。
进一步的，所述注气井内位于煤层段的通道为裸孔结构。
优选的，所述裸孔内设有支护筛管。
一种多点注气地下气化方法，采用上述多点注气地下气化炉，包括如下步骤：
步骤一、建立多点注气地下气化炉的进气井、点火区和出气通道，在可控连续注气装置的连续管内注入含氧气化剂，并对所述注气井内的初始注气点进行引火；
步骤二、引火成功后，调整注气工艺参数直至得到符合要求的煤气组分和热值，连续注气生产合格煤气；
步骤三、观测煤气组分和热值，当煤气的有效组分和热值中的任何一个参数值下降超过20％时，向后拖动可控连续注气装置的连续管，以朝后退方向调整注气井内注气点的后退位置，并观测气化煤气组分和热值恢复情况，使注气点在回退过程中也始终保持点燃反应状态；
步骤四、当注气点后退至距离引火区超过1倍的初次垮落步距时，判断煤层顶板岩石垮落、沉降位移对燃空区的填充情况；
步骤五、当所述燃空区的顶板初次垮落填充形成后，重复步骤三，在稳定气化产气前提下，继续朝后退方向调整注气井内注气点的位置，直至所述注气点后退至注气井的入煤点位置处，地下工作面气化生产结束。
所述后退方向是指：注气井内可控连续注气装置的连续管的回退方向。
进一步的，所述含氧气化剂的氧浓度不小于20％。
进一步的，所述引火时的所述气化剂流量不大于3000Nm3/h。
优选的，所述引火时的所述气化剂流量范围为800-2000Nm3/h。
进一步的，所述含氧气化剂的组分为富氧，或为富氧-水，或为富氧-水蒸气，或为纯氧-水，或为纯氧-水蒸气。
进一步的，所述注气井与所述可控连续注气装置的连续管之间的环空区域通入不含氧的气化剂，所述不含氧的气化剂为二氧化碳或氮气。
本发明实施例提供的多点注气地下气化炉及多点注气地下气化方法，采用了逆向燃烧方式，通过连续或间断拖动各注气井内可控连续注气装置的注气点位置，并依据产气状况调整注气参数，无需重复点火，避免在注气点后退过程中气化炉温度场的波动，从而实现了工作面整体逆向扩展气化采煤，得到组分稳定的合成煤气，不仅降低了气化生产阶段操作难度，还能保证产出的煤气品质；通过多个进气井分散给气化工作面输送含氧气化剂，增加了单位时间内燃烧工作面积，从而扩大了地下气化的产量规模。
附图说明
图1为本发明实施例多点注气地下气化炉的横剖工作面结构示意图；
图2为图1中A-A剖面结构示意图；
图3为图1中B-B剖面结构示意图；
图4为图1中C-C剖面结构示意图；
图5为本发明具体的实施例1，多点注气地下气化炉的工作面示意图；
图6为本发明具体的实施例2，多点注气地下气化炉的工作面示意图。
其中：1、灰渣，2、反应区，3、煤层，4、岩石；
5.连续管，6、气化工作面，7、燃空区，8、气化通道。
具体实施方式
为了得到组分稳定及大规模产量的煤气，本发明实施例提供了一种多点注气地下气化炉及应用此气化炉的多点注气地下气化方法，主要是地下气化炉设有至少两个平行布置的注气井，且注气井内设有可控连续注气装置，在各注气井内的可控连续注气装置的连续管内通入含氧气化剂，并根据检测到的产出煤气组分及热值的参数值的变化情况，向后拖动可控连续注气装置的连续管，即连续或间歇调整注气点的后退位置，并调整含氧气化剂的流量及含氧浓度，以在整个气化过程中始终得到规模产量、且组分稳定的煤气。
下面结合附图对本发明实施例多点注气地下气化炉及多点注气地下气化方法进行详细描述。
本发明实施例所提供的多点注气地下气化炉，如图1-4所示，沿煤层产状设有至少两个平行布置的注气井，如图1-图4中的D1和D2，当然，注气井的数量不局限于两个，也可以为三个及三个以上，注气井内设置有可控连续注气装置，可控连续注气装置的连续管的一端与气化剂输配管连接，另一端置于气化炉工作面的注气点处，距离注气井内初始注气点的末端附近设有至少一个出气井。
采用上述多点注气地下气化炉的地下气化方法包括如下步骤：
步骤一、建立多点注气地下气化炉的进气井、点火区和出气通道，在可控连续注气装置的连续管内注入含氧气化剂，并对注气井内的初始注气点进行引火；
步骤二、引火成功后，调整注气工艺参数直至得到符合要求的煤气组分和热值，连续注气生产合格煤气；
步骤三、观测煤气组分和热值，当煤气的有效组分和热值中的任何一个参数值下降超过20％时，向后拖动可控连续注气装置的连续管，以朝后退方向调整注气井内注气点的后退位置，并观测气化煤气组分和热值恢复情况，使注气点在回退过程中也始终保持点燃反应状态；
步骤四、当注气点后退至距离引火区超过1倍的初次垮落步距时，判断煤层顶板岩石垮落、沉降位移对燃空区的填充情况；
步骤五、当燃空区的顶板初次垮落填充形成后，重复步骤三，在稳定气化产气前提下，继续朝后退方向调整注气井内注气点的位置，直至注气点后退至注气井的入煤点位置处，地下工作面气化生产结束。
本发明实施例中，设置至少两个平行布置的注气井，并将含氧气化剂通入注气井内的可控连续注气装置的连续管道内，注入的含氧气化剂在气化通道内的反应区与煤或焦反应产生所需煤气，并经气化通道由出气井导出。即，采用逆向燃烧方式，通过连续或间断拖动各注气井内可控连续注气装置的注气点位置，并依据产气状况调整注气参数，例如：气化剂流量及含氧浓度等，使注气点在回退过程中也始终保持点燃反应状态，也就是说，无需重复点火，避免在注气点后退过程中气化炉温度场的波动，从而实现了工作面整体逆向扩展气化采煤，得到组分稳定的合成煤气，不仅降低了气化生产阶段操作难度，还能保证产出煤气的品质；通过多个进气井分散为气化工作面输送含氧气化剂，增加了单位时间内燃烧工作面积，从而扩大了地下气化的产量规模；另外，多个注气井的设置，避免了单个注气井内由于注气过程发生二次燃烧而引起煤气热值及组分波动幅度大的情况的发生，进一步保证了地下气化工作面产气量的规模性及煤气组分的稳定性；此外，多个注气井的设置，当其中一个注气井内的注气点燃烧条件(温度、含氧气化剂的含氧浓度及流量)不稳定时，另一个注气井会通过气化通道为燃烧条件不稳定的注气点给予一定的补偿，从而增强整个气化炉的产出煤气组分的稳定性。
本发明实施例中，设置多个注气井，可以得到更加合理的地下气化工作面注气点的布置，使整个气化工作面在整体逆向扩展时，有效利用燃空区顶板的周期性冒落填充，从而缩小燃空区的腔体，有效提高工作面的传热及传质效率，增大含氧气化剂与燃空区两侧煤层的接触面积，以利于向两侧扩展气化采煤，提高煤层气化的回采率，降低建炉成本。另外，设置多个注气井，及合理的地下气化共面注气点的布置，可以实现气化工作面煤层的面采气化，其工作面注气点的周侧煤层在顶板压力和反应区高温的共同作用下，煤层可以预先被压裂破损和增隙，从而进一步增大了煤层的反应比表面积。对于富含水的煤层，多个注气井的设置，可以降低煤层水对地下气化反应的干扰，以保证反应区的温度及煤气品质。
按化学反应的相对强弱程度，沿气化通道的长度方向，可大致分为3个反应区，即氧化区、还原区和干馏干燥区，为了得到品质好的产出煤气，需保证三个反应区总体长度，故本发明实施例中，将出气井设在距离注气井通道内初始注气点10米以外的某位置处。
此外，为了避免由于注气点后退距离过大而导致在其后退过程中气化炉内工作面燃烧条件产生过大的波动，从而得到不稳定的产出煤气组分情况的发生，将本发明实施例的多点注气地下气化方法步骤三中的注气点的后退距离优选为不大于20米；尽量保证多个注气井内注气点的同步、等距调整，如此就可以将多个注气井所形成的燃烧工作面保持平缓、平滑过渡，得到组分稳定的产出煤气。
本发明实施例的步骤四中，判断顶板岩石垮落、沉降位移对燃空区的填充情况的方法为顶板位移或地震等检测方法，可观测气化炉的通道压力差值、煤气组分等数据，并对其进行综合判断；填充形式为顶板岩石垮落或位移等方式。
本发明实施例中，可控连续注气装置为连续油管注气装置或拉管式注气装置。注气井的水平通道之间的间距为0.5～4倍的煤层采高，且位于距离煤层底板以上0.1～2米的位置处，煤层采高越大，则水平通道之间的间距越小。注气井内位于煤层段的通道为设有支护筛管的裸孔结构，以保证含氧气化剂与煤层充分接触。
另外，含氧气化剂的氧浓度不小于20％；引火时的气化剂流量不大于3000Nm3/h，气化剂流量范围优选为800-2000Nm3/h。含氧气化剂的组分为富氧，或为富氧-水，或为富氧-水蒸气，或为纯氧-水，或为纯氧-水蒸气。注气井与可控连续注气装置之间的环空区域通入不含氧的气化剂，例如：不含氧的气化剂为二氧化碳或氮气，以防止可控连续注气装置回火燃烧。
以下列举两个更加具体的实施例，对本发明进一步阐述。
实施例1
本实施例所提供的多点注气地下气化炉用于气化开采变质程度较低的褐煤煤层。如图5所示，待气化煤层埋深255米，煤层厚度10—12米、倾角小于5度，煤种为内蒙褐煤。包括定向井11个、垂直出气井8个及气化通道等。气化炉的工作面由2个定向注气井构成(D1、D2)，如图5所示，其沿煤层产状平行布置距离煤层底板以上1.5米处，煤层段采用玻璃钢筛管支护，水平段钻孔长度400米、间距20米。
采用本实施例气化炉进行地下气化的步骤包括：
1)首先建立气化炉注气井D1、D2(包括垂直井及水平井等)，再依次建立气化炉点火和气化通道8，使气化炉具备工作面引火和大规模气化产气条件；将可控连续注气装置的连续管5下放至工作面D1、D2末端，并向两个注气井中的连续管5均注入含氧浓度为30％，流量为1200方/小时的气化剂，进行工作面引火；
2)当注气井与气化通道8压差小于0.2MPa时，可判断引火贯通结束；然后，逐步调整连续管内的含氧浓度至55—75％，气化剂流量至2000—3000方/小时，进行连续气化生产合成煤气；
3)观测煤气组分变化并依据物料平衡方程计算气化燃煤量，待煤气有效组分和热值下降超过20％时，依次拖动D1、D2内连续管5等距后退4—6米，并观测气化煤气组分和热值恢复情况；
4)当将注气点拖动至距离引火区超过1倍初次垮落步距时，观测顶板冒落及通道阻力的变化情况，以判断顶板对燃空区7的填充状况，同时观测工作面各注气点的气化产气情况；
5)工作面燃空区7的顶板初次垮落填充形成后，依据步骤3)，调整注气点连续后退，并稳定气化产气，直至各注气点退至注气井的入煤点位置，工作面气化生产结束。
本实施例采用双注气点工作面进行气化开采，相比单点注气开采或现有技术一CRIP工艺气化采煤方式，煤层气化回采率提高5％以上、煤气有效组分含量提高约2％。
实施例2
本实施例所提供多点注气地下气化炉应用于易地下气化低变质长焰煤煤层上。待气化煤层埋深520米，煤层厚度14—16米、倾角小于8度，煤种为长焰煤。如图6所示的地下气化炉布置，其包括定向井7个、垂直出气井5个及气化通道等。气化炉的工作面由3个定向注气井构成(D1、D2、D3)，其沿煤层产状平行布置距底板1.0米，煤层段采用玻璃钢筛管支护，水平段钻孔长度600米、间距16米。
采用本实施例气化炉进行地下气化的步骤包括：
1)首先建立气化炉注气井(包括垂直井及水平井等)，建立气化炉点火和气化通道8，使气化炉具备工作面引火和大规模气化产气条件；将可控连续注气装置的连续管5下放至工作面D1、D2、D3末端，并向三个注气井中的连续管5均注入氧浓度为35％、流量为1500方/小时的气化剂，进行工作面引火；
2)当注气井与气化通道8压差小于0.15MPa时，可判断引火贯通结束；然后，逐步调整连续管5内的含氧浓度至55—85％、气化剂流量至2400—3600方/小时，进行连续气化生产合成气；
3)观测煤气组分变化并依据物料平衡方程计算气化燃煤量，待煤气有效组分和热值下降超过20％时，依次拖动D1、D2、D3内连续油管等距后退6—8米，并观测气化煤气组分和热值恢复情况；
4)当将注气点拖动至距离引火区超过1倍初次垮落步距时，观测顶板冒落及通道阻力的变化情况，以判断顶板对燃空区7的填充状况，同时观测工作面各注气点气化产气情况；
5)工作面燃空区7的顶板初次垮落填充形成后，依据步骤3)，调整注气点连续后退，并稳定气化产气，直至各注气点退至注气井入煤点位置，工作面气化生产结束。
本实施例采用三个注气点工作面进行气化开采，相比单点注气开采或现有技术一CRIP工艺气化采煤方式，煤层气化回采率提高8％以上、煤气有效组分含量提高约3％。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种多点注气地下气化炉，其特征在于，沿煤层产状设有至少两个平行布置的注气井，所述注气井内设置有可控连续注气装置，所述可控连续注气装置的连续管的一端与气化剂输配管连接，另一端置于气化炉工作面的注气点处，距离所述注气井通道内初始注气点的末端附近设有至少一个出气井。
2.根据权利要求1所述的多点注气地下气化炉，其特征在于，所述可控连续注气装置为连续油管注气装置或拉管式注气装置。
3.根据权利要求1所述的多点注气地下气化炉，其特征在于，所述注气井的水平通道之间的间距为0.5～4倍的煤层采高。
4.根据权利要求1所述的多点注气地下气化炉，其特征在于，所述注气井内位于煤层段的通道为裸孔结构。
5.根据权利要求4所述的多点注气地下气化炉，其特征在于，所述裸孔内设有支护筛管。
6.一种多点注气地下气化方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的多点注气地下气化炉，包括如下步骤：
步骤一、建立多点注气地下气化炉的进气井、点火区和出气通道，在可控连续注气装置的连续管内注入含氧气化剂，并对所述注气井内的初始注气点进行引火；
步骤二、引火成功后，调整注气工艺参数直至得到符合要求的煤气组分和热值，连续注气生产合格煤气；
步骤三、观测煤气组分和热值，当煤气的有效组分和热值中的任意一个参数值下降超过20％时，向后拖动可控连续注气装置的连续管，以朝后退方向调整注气井内注气点的后退位置，并观测气化煤气组分和热值恢复情况，使注气点在回退过程中也始终保持点燃反应状态；
步骤四、当注气点后退至距离引火区超过1倍的初次垮落步距时，判断煤层顶板岩石垮落、沉降位移对燃空区的填充情况；
步骤五、当所述燃空区的顶板初次垮落填充形成后，重复步骤三，在稳定气化产气前提下，继续朝后退方向调整注气井内注气点的位置，直至所述注气点后退至注气井的入煤点位置处，地下工作面气化生产结束。
7.根据权利要求6所述的多点注气地下气化方法，其特征在于，所述含氧气化剂的氧浓度不小于20％。
8.根据权利要求6所述的多点注气地下气化方法，其特征在于，所述引火时的所述气化剂流量不大于3000Nm3/h。
9.根据权利要求6-8任意一项所述的多点注气地下气化方法，其特征在于，所述含氧气化剂的组分为富氧，或为富氧-水，或为富氧-水蒸气，或为纯氧-水，或为纯氧-水蒸气。
10.根据权利要求6-8任意一项所述的多点注气地下气化方法，其特征在于，所述注气井与所述可控连续注气装置的连续管之间的环空区域通入不含氧的气化剂，所述不含氧的气化剂为二氧化碳或氮气。
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