CN104712305B - 一种地下气化炉及气化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下气化炉及气化方法。其中该地下气化炉包括进气系统、出气系统和点火系统，其中，所述进气系统包括至少一个第一定向钻井，所述出气系统包括至少两个第二定向钻井，所述第二定向钻井同时形成所述点火系统，各第二定向钻井之间相互导通，所述第一定向钻井与所述第二定向钻井导通。第二定向钻井在点火时作为点火系统使用，在生产时作为出气系统使用。本发明通过将第二定向钻井在点火时作为点火井使用，在生产时作为出气系统使用，从而不再需要垂直井，有效地避免了垂直井运行过程中套管错段、高温熔融等问题，能适应大规模气化生产的需要，保证了气化工艺的稳定运行。

Description

一种地下气化炉及气化方法

技术领域

本发明涉及煤炭地下气化技术领域，具体地说，是一种地下气化炉及气化方法。

背景技术

煤炭地下气化就是将处于地下的煤进行可控制地燃烧，通过对煤的热作用及化学作用而产生可燃气体的过程。地下气化炉是由进气井、气化通道、出气井及辅助监测井所组成，气化剂从进气井注入，在气化通道内与煤层发生复杂的热化学反应，生成的煤气沿气化通道和出气井输送至地面。地下气化炉型是指地下气化所用钻孔的类型、相互位置、气化时的用途及启动顺序等形成的通道形状。目前的气化炉已经发展成众多的钻孔通过钻孔类型(竖直井、水平定向钻井)、钻孔间距、气化时气流的走向和燃烧区走向等组合出各种类型的地下气化炉，能够成倍地提高煤气产量、气化过程的稳定性、煤层的采收率，而且能够有效降低地下水入侵、顶板冒落、热损失等的风险。因此，气化炉型是决定气化过程成败的关键因素之一。

中国专利公开号为CN103437748A的中国发明专利申请说明书公开了一种煤炭地下气化炉、以及煤炭地下气化方法。该煤炭地下气化炉包括：点火系统，具有第一竖直钻井、以及与第一竖直钻井导通的第一水平定向钻井，还包括注气系统，注气系统具有通入煤层的第二钻井，第二钻井为第二水平定向钻井，第二水平定向钻井的水平段在煤层中。该方案中，第一水平定向钻井及其末端的第一竖直钻井点火，第一水平定向钻井两侧的垂直井，第一水平定向钻井及垂直井作为气化时出气井使用，依次运行第二水平定向钻井作为进气井气化片区内煤层。

该现有技术的缺点在于：(1)气化炉采用多个垂直井，垂直钻孔在使用过程中，受钻孔底部采空、钻孔附近地应力发生变化的影响，非常容易错断，错断后造成煤气直接泄漏，或地下水涌水气化炉，而导致被迫中止气化炉运行，不仅会造成经济损失，同时会引起地下水污染；(2)垂直钻孔受热胀冷缩后，容易移位，导致钻孔与地层含水层之间封闭不良，引起地下水渗漏及煤气逸散，气化过程无法安全运行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能有效避免垂直井运行过程中套管错段、高温熔融等问题，能适应大规模气化生产的需要，保证气化工艺稳定运行的地下气化炉及气化方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种地下气化炉，包括进气系统、出气系统和点火系统，其中，所述进气系统包括至少一个第一定向钻井，所述出气系统包括至少两个第二定向钻井，所述第二定向钻井同时形成所述点火系统，各第二定向钻井之间相互导通，所述第一定向钻井与所述第二定向钻井导通。

进一步地，所述第二定向钻井之间垂直相距0-5m，轴向上重叠0-10m。

进一步地，所述第二定向钻井的末端之间相互导通。

进一步地，所述第一定向钻井的水平段的末端与所述第二定向钻井的水平段导通。

进一步地，所述第二定向钻井的两侧分别设有多个第一定向钻井，同一侧的多个第一定向钻井之间平行设置。

进一步地，所述第二定向钻井两侧的第一定向钻井对称设置。

进一步地，所述第一定向钻井与所述第二定向钻井垂直相交导通。

进一步地，所述第一定向钻井中设有可拖拽的气化剂通入管。

本发明还提供一种利用上述的地下气化炉进行气化的方法，包括：

从一个第二定向钻井中下放注气端具备点火功能的注入管，另一个第二定向钻井作为出气孔；

在第二定向钻井水平段端部点燃煤层；

从利用注入管注入气化剂，引导燃烧火区向下放有注入管的第二定向钻井注气点方向移动，燃烧下放有注入管的第二定向钻井周围的煤层以扩大下放有注入管的第二定向钻井的直径到预定大小；

重复上述步骤燃烧另一第二定向钻井以使另一第二定向钻井的直径到预定大小；

向至少一部分第一定向钻井中注入气化剂，使第一定向钻井周围的煤层气化得到所需的煤气，将得到的煤气通过第二定向钻井输出。

进一步地，通过可拖拽的气化剂通入管向所述第一定向钻井中注入气化剂；并在得到的煤气中的有效组分的含量明显下降时，通过拖拽所述气化剂通入管，改变气化剂的注入位置以引导燃烧区移动。

本发明通过将第二定向钻井在点火时作为点火井使用，在生产时作为出气系统使用，从而不再需要垂直井，有效地避免了垂直井运行过程中套管错段、高温熔融等问题，能适应大规模气化生产的需要，保证了气化工艺的稳定运行。

附图说明

图1是为本发明的地下气化炉第一实施例的结构示意图。

图2是为本发明的地下气化炉第二实施例的结构示意图。

图3是为本发明的地下气化炉第三实施例的结构示意图。

图4是为本发明的地下气化炉第四实施例的结构示意图。

图5是为本发明的地下气化炉第五实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明的地下气化炉，包括进气系统、出气系统和点火系统，其中，进气系统包括至少一个第一定向钻井，出气系统包括至少两个第二定向钻井，第二定向钻井同时形成点火系统，各第二定向钻井之间相互导通，第一定向钻井与第二定向钻井导通。

多个第二定向钻井之间可以在同一水平面上，也可以位于不同水平面上。各第二定向钻井之间垂直相距0-5m。当多个第二定向钻井位于不同水平面上时，第二定向钻井之间可以在轴向重叠0-10m。第二定向钻井的末端之间相互导通；第一定向钻井的水平段的末端与第二定向钻井的水平段导通。

优选地，第二定向钻井的两侧分别设有多个第一定向钻井，同一侧的多个第一定向钻井之间平行设置。第二定向钻井两侧的第一定向钻井可以对称设置。第一定向钻井与第二定向钻井可以垂直相交导通，也可以呈一定夹角相交导通。当垂直相交导通时，便于在煤层形成完善的布局以充分开采。而呈一定夹角相交导通适用于煤层不规则的煤矿。

进一步优选地，第一定向钻井中设有可拖拽的气化剂通入管。

本发明的利用上述地下气化炉进行气化的方法包括：

从一个第二定向钻井中下放注气端具备点火功能的注入管，另一个第二定向钻井作为出气孔；

在第二定向钻井端部点燃煤层；

从利用注入管注入气化剂，引导燃烧火区向下放有注入管的第二定向钻井注气点方向移动，燃烧下放有注入管的第二定向钻井周围的煤层以扩大下放有注入管的第二定向钻井的直径到预定大小；

重复上述步骤燃烧另一第二定向钻井以使另一第二定向钻井的直径到预定大小；

向至少一部分第一定向钻井中注入气化剂，使第一定向钻井周围的煤层气化得到所需的煤气，将得到的煤气通过第二定向钻井输出。

优选地，通过可拖拽的气化剂通入管向第一定向钻井中注入气化剂；并在得到的煤气中的有效组分的含量明显下降时，通过拖拽气化剂通入管，改变气化剂的注入位置以引导燃烧区移动。

下面通过具体实施例进一步说明本发明。

实施例1：

如图1所示，为煤炭地下气化炉框架结构的第一实施例。本实施例中，地下气化炉包括：点火系统和进、出气系统。点火系统由水平段在煤层中且末端相导通的第二定向钻井C1、C2组成；进气系统具有通入煤层的第一定向钻井A1～A7，其中第一定向钻井A1～A7水平段末端分别与第二定向钻井C1、C2的水平段相导通；出气系统具有点火后作为出气井运行的第二定向钻井C1、C2，作为出气系统的第二定向钻井C1、C2的孔径由产气量确定，但最小不低于150mm。根据气化炉设计规模，进气系统定向钻井的数量依据煤层条件和产气量确定，其中进气系统为水平段在煤层中的至少一个水平的第一定向钻井A1～A7，为更好地控制通道宽度及气化位置可以在水平的第二定向钻井C1、C2和第一定向钻井A1～A7中设有可拖拽的气化剂通入管，其注气端随气化剂通入管的被拖拽而移动。

第二定向钻井C1、C2的水平段位于煤层中下部靠近煤层底板位置，钻井完成后第二定向钻井C1、C2的水平段末端相互导通，构成点火系统；与第二定向钻井C1和C2垂直方向钻出多个彼此平行的相互间隔15m的第一定向钻井A1～A7，构成进气系统。第一定向钻井A1～A7的末端与第二定向钻井C1、C2相通(钻井时打至漏浆)。每钻完一口井最好在煤层裸孔段下入支护装置进行钻孔支护。支护装置可以是筛管或无缝管，材质可以是PVC、可燃材料或玻璃钢，优选无缝玻璃钢管。

参照图1，本发明煤炭地下气化炉的地下气化方法为：

首先，钻取第二定向钻井C1、C2，并使第二定向钻井C1、C2具有连通性为止；在第二定向钻井一侧钻取第一定向钻井A1～A7；

其次，在第二定向钻井C1或C2中的其中一个下放注气端具备点火功能的注入管，另一个作为出气孔；

然后，气化炉点火；

接着，通过注入管注入气化剂，引导燃烧火区向注气点方向移动(即后退式移动)，燃烧下放有注入管的第二定向钻井周围的煤层以扩大第二定向钻井的直径；

其中一条第二定向钻井贯通完成后采用同样的方法贯通另一第二定向钻井，直至第二定向钻井水平段的煤层燃烧通道宽度达到2～3m且与所有进气系统的第一定向钻井导通为止，认为煤炭地下气化炉构建完成。

然后，将第二定向钻井C1、C2作为出气系统，第一定向钻井A1～A7中的至少一部分钻井作进气系统，将注入管的注气端下放至进气系统的各个钻井，通过注入管控制注气速率，气化注气端前方的煤层，当生产的煤气中的有效组分的含量有明显下降时，通过地面拖拽设备将注入管注气端后撤4～20m，继续注气引导燃烧区向注入管方向移动，等煤气中有效组分含量再次明显下降时，再次后撤连续注入管，直至燃烧区扩展至定向钻井入煤点附近。

根据煤气的用途，在压裂、火力贯通和气化阶段，使用的气体最好一致，以免给煤气的后续工段造成不良影响。比如，煤气用于燃烧发电，各阶段用气最好都是富氧空气；煤气用于合成甲烷，各阶段用气最好都是纯氧水蒸汽、纯氧或者纯氧/二氧化碳。

实施例2：

如图2所示，为煤炭地下气化炉框架结构的第二实施例。该实施例与图1所示第一实施例的区别在于，通入煤层的第一定向钻井A1～A7的相对侧还对称地设有第一定向钻井B1～B7，其中第一定向钻井A1～A7及第一定向钻井B1～B7的水平段末端分别与第二定向井C1、C2的水平段相导通。

实施例3：

如图3所示，为煤炭地下气化炉框架结构的第三实施例。在本实施例中，第二定向钻井C1、C2的水平段末端垂直距离2米，重叠长度10米。在第二定向钻井C1、C2的两侧，从远处沿煤层底板向第二定向钻井C1、C2打多个相互平行的第一定向钻井A1～A6和第一定向钻井B1～B6，第一定向钻井A1～A6和第一定向钻井B1～B6在煤层中的水平钻井长度均在200m以上，相邻两个第一定向钻井间距20m，打至距离第二定向钻井C1、C2在3m以内。所有钻井在完井之后煤层段的裸孔中都要下入无缝玻璃钢管进行支护，此时，气化炉的框架结构如图3所示。

然后，对第二定向钻井C1、C2进行冷态压裂，直至第二定向钻井C1、C2钻孔具有连通性为止。在第二定向钻井C1的水平段末端下放注气端具备点火功能的连续注入管，点燃煤层，第二定向钻井C2作为出气孔，控制连续注入管的注气量引导燃烧火区向第二定向钻井C1注气点方向移动，当火区扩展至第二定向钻井C1注气点经计算通道宽度达到3m且与进气系统的第一定向钻井A1～A3及B1～B3相导通为止，取出第二定向钻井C1中的连续注入管，将第二定向钻井C1作为出气井采用同样的方式贯通第二定向钻井C2，然后将第二定向钻井C1、C2作为气化炉出气系统。

然后根据气化炉的生产需求，选择第二定向钻井A1和B1作为进气钻井，并

将连续注入管的注气端下放至第一定向钻井A1和B1的水平段末端距第二定向钻井C1约15m处，通过连续注入管持续向第一定向钻井A1和B1注入空气，进行逆向燃烧气化。当生产的煤气中的有效组分含量在平稳一段时间后有明显下降时，通过地面的连续油注入管拖拽装置将注气端后撤10m，持续注入空气，引导燃烧火区向注气端位置扩展。煤气中有效组分含量上升、平稳一段时间后又明显下降时，再次后撤，直至燃烧火区扩展至第一定向钻井A1和B1的入煤点附近，气化掉第一定向钻井A1和B1控制的煤炭资源。

将连续注入管注气端下放至第一定向钻井A2和B2，与第一定向钻井A1和B1操作一样，气化掉第一定向钻井A2和B2控制的煤炭资源。类似地，依次气化掉水平定向钻井第一定向钻井A3和B3、第一定向钻井A4和B4直至第一定向钻井A6和B6控制的煤炭资源。也可以在第一定向钻井A1和B1气化到一半的时候，启动第一定向钻井A2和B2的气化。如此，将一片煤层全部气化掉，实现了地下气化技术的规模化生产。

实施例4：

如图4所示，为煤炭地下气化炉框架结构的第四实施例。在本实施例中，第二定向钻井C1、C2水平段末端垂直距离1米，重叠长度5米。在第二定向钻井C1、C2的两侧，从远处沿煤层底板向第二定向钻井C1、C2打多个相互平行的第一定向钻井A1～A6，第一定向钻井A1～A6在煤层中的水平钻井长度均在200m以上，相邻两个第一定向钻井间距25m，打至距离第二定向钻井C1、C2在3m以内。所有钻井在完井之后煤层段的裸孔中都要下入无缝钢管进行支护。此时，气化炉的框架结构如图4所示。

然后，对水第二定向钻井C1、C2进行冷态压裂，直至第二定向钻井C1、C2钻孔具有连通性为止。在第二定向钻井C1的水平段末端下放注气端具备点火功能的连续注入管，点燃煤层，第二定向钻井C2作为出气孔，控制连续注入管的注气量引导燃烧火区向第二定向钻井C1注气点方向移动，当火区扩展至第二定向钻井C1注气点经计算通道宽度达到3m且与进气系统的第一定向钻井A1～A3相导通为止，取出第二定向钻井C1中的连续注入管，将第二定向钻井C1井作为出气井采用同样的方式贯通第二定向钻井C2，然后将第二定向钻井C1、C2作为气化炉的出气系统。

根据气化炉的生产需求，选择第一定向钻井A1、A2、A3同时进气，并将连续注入管的注气端下放至第一定向钻井A1、A2、A3的水平段末端距第二定向钻井C1约15m处，通过连续注入管持续向第一定向钻井注入富氧空气，进行逆向燃烧气化。当生产的煤气中的有效组分含量在平稳一段时间后有明显下降时，通过地面的连续注入管拖拽装置将注气端后撤8m，持续注入富氧空气，引导燃烧火区向注气端位置扩展。煤气中有效组分含量上升、平稳一段时间后又明显下降时，再次后撤，直至燃烧火区扩展至水平定向钻井第一定向钻井A1、A2、A3的入煤点附近，气化掉第一定向钻井控制的煤炭资源。

将连续注入管注气端下放至第一定向钻井A4、A5、A6，与第一定向钻井A1、A2、A3操作一样，气化掉第一定向钻井A4、A5、A6控制的煤炭资源。

实施例5：

如图5所示，为煤炭地下气化炉框架结构的第五实施例。在本实施例中，第二定向钻井C1、C2在煤层中的水平钻孔的长度为220m，第二定向钻井C1、C2的水平段末端上下垂直距离为2米，重叠长度0米。在水平定向钻井C1、C2的两侧，从远处沿煤层底板向第二定向钻井C1、C2打多个相互平行的第一定向钻井A1～A6，第一定向钻井A1～A6在煤层中的水平钻井长度均在200m以上，相邻两个第一定向钻井间距20m，打至距离第二定向钻井C1、C2在3m以内。所有钻井在完井之后煤层段的裸孔中都要下入无缝钢管进行支护。此时，气化炉的框架结构如图5所示。

然后，对第二定向钻井C1、C2进行冷态压裂，直至C1、C2钻孔具有连通性为止。在第二定向钻井C1的水平段末端下放注气端具备点火功能的连续注入管，点燃煤层，第二定向钻井C2作为出气孔，控制连续注入管的注气量引导燃烧火区向第二定向钻井C1注气点方向移动，当火区扩展至第二定向钻井C1注气点经计算通道宽度达到3m且与进气系统的第一定向钻井A1～A3相导通为止，取出第二定向钻井C1中的连续注入管，将第二定向钻井C1井作为出气井，采用同样的方式贯通第二定向钻井C2，然后将第二定向钻井C1、C2作为气化炉出气系统。

根据气化炉的生产需求，选择第一定向钻井A1进气，将连续注入管的注气端下放至第一定向钻井A1水平段末端距第二定向钻井C1约15m处。通过连续注入管持续向第一定向钻井注入富氧空气，进行逆向燃烧气化。当生产的煤气中的有效组分含量在平稳一段时间后有明显下降时，通过地面的连续注入管拖拽装置将注气端后撤6m，持续注入富氧空气，引导燃烧火区向注气端位置扩展。煤气中有效组分含量上升、平稳一段时间后又明显下降时，再次后撤，直至燃烧火区扩展至第一定向钻井A1入煤点附近，气化掉第一定向钻井A1水平定向钻井控制的煤炭资源。

在第一定向钻井A1气化后期，将连续注入管注气端下放至第一定向钻井A2水平段末端距第二定向钻井C1约15m处，采用与第一定向钻井A1同样的操作方法，气化掉第一定向钻井A2控制的煤炭资源。随后依次气化掉第一定向钻井A3、A4、A5、A6控制的煤炭资源，完成实施例5气化炉单元控制的煤炭资源。

本发明不采用垂直钻孔作为进出气孔，出气采用两定向钻孔形成的出气通道，出气结构更加稳定，同时可有效避免垂直钻孔使用带来的钻孔切断、煤气泄漏等一系列风险。同时，本发明采用定向钻气化形成的通道作为出气大巷，不同工作面的煤气进行有效混合，使得煤气品质均匀，本专利对水平煤层及近水平煤层尤为适用。

另外，本发明的定向钻孔沿煤层底板钻进，可有效控制注入点的位置位于煤层底部，为形成有效的气化床层创造了条件，

再者，本发明采用定向钻孔构建地下气化炉，建炉速度快，成本低，可实现多炉同时并联运行。

还有，本发明的地下气化炉在生产时，各工作面采用后退式气化方式，有效避免了气化空腔扩展对煤气质量的影响。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种地下气化炉，其特征在于，包括进气系统、出气系统和点火系统，其中，所述进气系统包括至少一个第一定向钻井，所述出气系统包括至少两个第二定向钻井，所述第二定向钻井同时形成所述点火系统，各第二定向钻井之间相互导通，所述第一定向钻井与所述第二定向钻井导通，多个所述第二定向钻井位于同一水平面上或位于不同水平面上，所述第二定向钻井的末端之间相互导通。

2.如权利要求1所述的地下气化炉，其特征在于，所述第二定向钻井之间垂直相距0-5m，轴向重叠0-10m。

3.如权利要求1所述的地下气化炉，其特征在于，所述第一定向钻井的水平段的末端与所述第二定向钻井的水平段导通。

4.根据权利要求3所述的地下气化炉，其特征在于，所述第二定向钻井的两侧分别设有多个第一定向钻井，同一侧的多个第一定向钻井之间平行设置。

5.根据权利要求4所述的地下气化炉，其特征在于，所述第二定向钻井两侧的第一定向钻井对称设置。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的地下气化炉，其特征在于，所述第一定向钻井与所述第二定向钻井垂直相交导通。

7.根据权利要求1所述的地下气化炉，其特征在于，所述第一定向钻井中设有可拖拽的气化剂通入管。

8.一种利用权利要求1-7中任意一项所述的地下气化炉进行气化的方法，其特征在于，包括：

从一个第二定向钻井中下放注气端具备点火功能的注入管，另一个第二定向钻井作为出气孔；

在第二定向钻井水平段端部点燃煤层；

从利用注入管注入气化剂，引导燃烧火区向下放有注入管的第二定向钻井注气点方向移动，燃烧下放有注入管的第二定向钻井周围的煤层以扩大下放有注入管的第二定向钻井的直径到预定大小；

重复上述步骤燃烧另一第二定向钻井以使另一第二定向钻井的直径到预定大小；

向至少一部分第一定向钻井中注入气化剂，使第一定向钻井周围的煤层气化得到所需的煤气，将得到的煤气通过第二定向钻井输出。

9.根据权利要求8所述的气化的方法，其特征在于，通过可拖拽的气化剂通入管向所述第一定向钻井中注入气化剂；并在得到的煤气中的有效组分的含量明显下降时，通过拖拽所述气化剂通入管，改变气化剂的注入位置以引导燃烧区移动。