CN106150472A - 用于煤炭地下气化工艺的接合管注入系统及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于煤炭地下气化工艺(ISC)的接合管注入系统，包括氧化剂注入系统和辅助通道，氧化剂注入系统包括如下组件：接合管，用于输送氧化剂及移送喷嘴和点火设备到达地下煤层内的预设气化点；机械剪切装置，设于接合管尾端，用于喷嘴在地下由于故障造成机械性卡死而无法移动时剪断喷嘴；喷嘴，设于机械剪切装置后端；至少一个止回阀，设于机械剪切装置上游的接合管上；点火设备，设于喷嘴前端；还包括设于辅助通道内的地下仪表监测系统和设于注入井井口附近的控制系统。本发明通过接合管注入系统使得在煤炭地下气化过程中可以不间断地连续注入氧化剂，实现真正连续运行的煤炭地下气化过程，从而可以获得稳定质量和产量的产品气。

Description

用于煤炭地下气化工艺的接合管注入系统及操作方法

技术领域

本发明提供了一种用于煤炭地下气化工艺(ISC)的接合管注入系统和操作方法。特别地，本发明提供了一种在煤炭地下气化工艺(ISC)中用于定点注入空气或低浓度氧化剂的接合管注入系统，还提供了这种接合管注入系统在煤炭地下气化过程中的操作方法(离散回退注气点法，DRIP)，具体可用于煤炭地下气化过程的点火及正常操作过程。

背景技术

煤炭地下气化(ISC)是在氧化剂存在下通过地下煤层的燃烧和气化反应将煤直接转化为产品气的过程，所述产品气通常称为合成气，该合成气可以随后用作多种应用的原料，包括燃料生产、化学品生产和发电等。这种煤炭地下气化技术对于大多数煤藏都是适用的。鉴于有关采矿业的环保要求越来越严格和考虑到相关的人工成本和基建成本，这种技术无疑是很有吸引力的。煤炭气化工艺是将煤炭通过一系列的化学反应转变为合成气的过程。其中主要的反应包括：

C+O₂→CO₂(完全氧化反应)

C+1/2O₂→CO(部分氧化反应)

C+H₂0→H₂+CO(水蒸气气化反应)

C+2H₂→CH₄(氢气气化反应)

C+CO₂→2CO(二氧化碳气化反应)

(水煤气变换反应)

(甲烷化反应)

地面钻井直通煤层，给氧化剂注入和产品气产出提供有效通道。一对钻井在地下连通或水平延伸构成一个实质上水平钻井通道(也可简称为煤层井道或连通通道)。该通道有助于氧化剂注入，燃空区生长和产品气输送。一个用于氧化剂注入的钻井称为“注入井”，另外一个用于生产产品气的钻井称为“产品井”。定向水平钻井和垂直钻井都可作为注入井或产品井。煤炭地下气化(ISC)可能在注入井和产品井之间还需要使用到一个或多个的垂直井(例如：功能井和辅助井)。

当煤层中有注入井、产品井和水平通道将二者连接起来时，此构造被称为一个煤炭地下气化(ISC)单元或井对。ISC单元包括燃烧区，气化区和热解区。其中，燃烧区在煤层中氧化剂注入点附近；气化区以放射状形态围绕在燃烧区周围或者在燃烧区下游，煤炭在气化区被气化、部分被氧化，从而生成产品气；热解区在气化区下游，煤的热解反应一般在这里发生。高温的产品气从气化区往下游流动，并最终从产品井井口输送到地面。在煤燃烧或气化的同时，煤层中的ISC燃空区会生长变大。

通过煤炭地下气化生成的产品气(粗合成气)通常含有合成气(CO,CO₂,H₂,CH₄及其他气体的混合物)以及其他成分固体颗粒，水，煤焦油，烃类蒸汽，其他微量组分包括H₂S,NH₄,COS等)。其成分复杂程度取决于多个方面：煤炭地下气化所使用的氧化剂(空气或其他氧化剂，比如氧气、富氧空气或蒸汽混合物)、煤层中的内在水或周边地层渗入煤层中的水、煤质、以及煤炭地下气化工艺的操作参数，包括温度，压力等。

针对某些煤炭地下气化下游应用，如合成气发电，采用空气或低浓度氧化剂气化是一个可行的低成本方案。根据已有专利文献，空气或低浓度氧化剂气化工艺仍存在一定技术挑战。例如，公开号为CN104066926A(WO2014004324A3)和CN104220693A(WO2014004323A1)的中国发明专利申请书公开了一种煤炭地下气化注气管的牺牲性衬里连接件和缩短注气管炉的方法。其中牺牲性连接件的材料为低熔点、易燃、易分解的材料如玻璃纤维或树脂，其熔点为350℃远低于钢的熔点。每个牺牲性连接件之间设有6-8米的周期性间隔。实际应用时采用该设备和方法存在一定问题。首先，当完井过程中铺设该注气管时，该连接件的强度无法满足长距离推送，尤其是对于埋深较深的煤层和/或水平距离较长的ISC单元。容易造成部件损坏，破坏注气管完整性，最终无法实现可控的自动牺牲回缩过程。其次，地下气化炉燃烧区和气化区的逆向辐射高温区(>350℃)范围远远大于该设计的周期性间隔，容易造成该部件的意外消耗，直接在新的位置开始新的反应。整个工艺过程、燃空区尺寸、煤炭消耗量等不可控，对煤炭资源浪费较大，降低了煤炭地下气化的经济性。再次，采用煤层水平钻孔和注入井内衬管之间的环隙注入氧化剂容易造成煤层不可控回烧，减少气化炉寿命，降低经济效益。公开号为CN104024569A(WO2013090975A1)的中国发明专利申请书公开了一种煤炭地下气化井衬管。该井衬管采用开孔管和完整管分段交替结构，由金属、玻璃纤维、碳纤维、塑料或可燃材料制成。在开孔管外壁包覆可燃鞘层。类似的，开孔管外部可燃鞘层易收到机械外力损坏，熔点低易造成氧化剂直接泄漏到后方煤层，最终造成整个工艺过程的不可控，对煤炭资源浪费较大，降低了煤炭地下气化的经济性。综上所述，采用空气或低浓度氧化剂气化工艺面临的主要技术问题包括：

a)控制产品气组成和流量的稳定性。现有技术通常需要在注入井水平段内进行多次点火来重新定位气化区位置。每次重新定位气化区位置都涉及到井的功能性变换与相应的操作，往往需要中断正常运行过程，如降低空气注入流量以及相应的降低产品气产量和质量。

b)控制注气点的准确位置，避免意外回烧造成的气化炉寿命缩短和产品气产量降低等问题。同时最大化煤炭资源消耗量，提高项目的经济效益。

c)连续油管技术操作方便，但对于空气或低浓度氧化剂气化的工艺来说，整体成本较高，经济性较差。且连续油管自身材料和尺寸有限，容易对空气或低浓度氧化剂流造成不必要的限流，降低产品气产量。

因此，现有技术中的煤炭地下气化过程仍需要进一步改进，尤其需要实现低成本的空气或低浓度氧化剂的连续注入，以及真正可控的回退注入点法，如本发明改进的离散回退注气点法(DRIP)。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于煤炭地下气化工艺(ISC)的接合管注入系统和操作方法。具体的说，本发明提供了一种在煤炭地下气化工艺(ISC)中用于定点注入空气或低浓度氧化剂的接合管注入系统，还提供了这种接合管注入系统在煤炭地下气化过程中的操作方法(离散回退注气点法，DRIP)，具体可用于煤炭地下气化过程的点火及正常操作过程。

按照本发明，所述接合管注入系统优化组合了各部件的相应特性和功能，包括接合管和多个止回阀的组合使用，机械剪切装置，喷嘴以及相应的井口控制设备和地下仪表系统。通过接合管注入系统可将地下点火设备输送到设定位置。在设定点火位置，通过压力激活延迟点火引信并断开点火设备。当点火成功后，可通过接合管注入系统的氧化剂通道或/和辅助通道注入空气或低浓度氧化剂。通过接合管注入系统使得在煤炭地下气化过程中可以不间断地连续注入氧化剂，实现真正连续运行的煤炭地下气化过程，从而可以获得稳定质量和产量的产品气，为现有技术带来了进步。

按照本发明，当采用离散回退注气点法(DRIP)进行煤炭地下气化时，由于利用了本发明的接合管注入系统，不再需要在中断氧化剂注入的情况下实施对气化区进行重新定位的繁琐操作，相对而言操作起来更为灵活方便。当实施气化区重新定位时，通过接合管注入系统的氧化剂通道注入高浓度氧化剂/纯氧，对喷嘴前方的注入井内衬管水平段实施回烧。当回烧成功后，采用空气或低浓度氧化剂替换高浓度氧化剂/纯氧并回归正常运行过程。其中，在实施回烧过程中，可通过辅助通道注入空气，保持整个气化过程的稳定产品气，真正实现煤炭地下气化过程的连续运行。

因此，按照本发明，可以实现短周期小距离回退的离散回退注气点法煤炭地下气化过程，所述回退周期可以灵活控制，例如可以由现有技术的至少30天大幅度缩短至两周，甚至缩短至几天，更甚至缩短至1天，而所述回退距离也可以基于接合管管段长确定，例如可以大幅度缩短至9米，甚至缩短至6米，更甚至缩短至3米。每个接合管管段的长度可调，例如可以在靠近喷嘴位置使用较长的管段，减少接合管注入系统进出井下的时间。由此可以实现地下煤层内气化点离散可控移动的煤炭地下气化过程，这无疑将大幅提高产品气生产的稳定性，亦为现有技术带来了进步。

附图说明

图1是本发明的接合管注入系统用于煤炭地下气化点火过程的总体示意图(含地面和地下设备)；

图2是本发明的接合管注入系统采用离散回退注气点法(DRIP)进行煤炭地下气化的总体示意图(含地面和地下设备)

在各附图中，相同的附图标记指相同部件，具体地，附图中涉及的各附图标记含义如下：

1.接合管(井口控制设备至井下水平内衬管内)；2.止回阀；3.机械剪切装置；4.喷嘴；5.注入井内衬管；6.辅助通道；7.地下仪表系统；8.注入井套管；9.注入井煤层钻孔；10.点火设备；11.煤层；12.氧化剂通道；13.燃烧区；14.气化区

具体实施方式

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。

本发明提供了一种用于煤炭地下气化工艺(ISC)的接合管注入系统和操作方法，特别地，本发明提供了一种在煤炭地下气化工艺(ISC)中用于定点注入空气或低浓度氧化剂的接合管注入系统，还提供了这种接合管注入系统在煤炭地下气化过程中的操作方法(离散回退注气点法，DRIP)，具体可用于煤炭地下气化过程的点火及正常操作过程。

在本发明的接合管注入系统中，所述接合管为氧化剂通道的主要组成部分，主要作用是输送氧化剂及移送喷嘴和点火设备到达地下煤层内的预设气化点。接合管为高度气密性部件，由此可以保证高浓度氧化剂如纯氧在输送过程中不会泄露到作业环境中，从而可以避免重新定位气化区时高浓度氧化剂应用的潜在安全危险。

接合管两端带有螺纹接口，方便直接与其它部件有效连接，如止回阀、机械剪切装置、喷嘴等。部件间的连接不需要通过焊接方式完成，并且可以在操作压力范围内提供良好的气密性密封，因此，利用这种连接方式可以更容易地维修和更换接合管注入系统的其它部件。

接合管通过钻井完井两用钻机或不压井起下作业装置进入到注入井内衬管内。接合管每次进入或退出注入井之前，氧化剂注入切换到辅助通道(即注入井内衬管和接合管的环隙)并断开地面连接管线。此处，接合管与地面连接采用快速连接端口方便操作。断开地面管线之前需要对该管段止回阀的完整性和密封性进行快速测试，防止逆流气体进入接合管。当完成接合管回退操作后，通过快速连接端口连接地面管线，并恢复正常操作。

接合管总长度的选择应确保其可以抵达煤层所在深度及设计的水平长度，例如接合管总长度可以达到约2公里。接合管的外径存在多种规格，例如可以为2.375、2.625、2.875、3.5和4.5英寸，该尺寸一般根据预先计算好的静液压流量和允许的压降进行选择。

接合管的材质一般根据预期的煤炭地下气化过程运行周期和氧化剂流量来进行选择。一般可以为316L不锈钢或者更高级材料以满足其耐腐蚀、耐侵蚀和抗氧化要求。接合管的壁厚一般要满足设计要求进出地下煤层的次数/服务参数。对于不锈钢316L或更低级材料，纯氧冲击点火速度限制会在规定内径的连续油管中造成液压约束流量限制。而对于像蒙乃尔400、镍铬合金或其它高铬(>13％Cr)合金，只有系统允许的压降和高级材料造成的高成本会构成限制。在接合管的螺纹接口处采用符合氧气作业标准的油脂进行辅助密封。

接合管在作业前通常要适当处理如清洗。一般通过循环氧气清洗溶液来清除接合管内任何可能的微粒和碳氢化合物。在清洗后，残留在接合管中的清洗液一般用清洁的高速压缩空气吹扫掉，然后再用氮气吹扫，最后将接合管两端加盖封存备用。

机械剪切装置用于喷嘴在地下由于故障例如变形扭曲、被卡住或缠绕在水平通道内衬管内或者由于水平通道内衬管变形或熔融造成的机械性卡死而无法移动时剪断喷嘴，由此可以将接合管拉回地面，并视情况可以在更换氧化剂喷嘴后继续作业。

按照本发明，结合了机械剪切装置的这种设计可以确保氧化剂注入设备的大部分部件在喷嘴故障后仍可以被拉回地面以及时维修和/或更换，从而在一定程度上减少了煤炭地下气化工艺运行过程中的设备损耗。

在本发明的接合管注入系统中，在所述接合管和机械剪切装置之间还连接有一个或多个止回阀，用于阻止逆向气流进入接合管。整个接合管由多个管段组合而成，有利于安装多个止回阀。所述一个或多个止回阀连接在机械剪切装置上游，主要用于阻止逆向气流进入接合管，以使接合管注入系统中相关部件保持清洁。

按照本发明，尽管止回阀的存在可能会给氧化剂注入过程带来一定压降，但仍建议使用一个或多个止回阀，其中多个止回阀作为备用。

如本领域所公知的，止回阀一般具有特定的设计开启压力，以确保整个设备的气密闭性并在正常气体流动时提供足够的流通通道。

按照本发明，止回阀可以是本领域技术人员已知适用于高浓度氧化剂如纯氧环境的任何类型的止回阀，例如可以为弹簧挡板阀、球和弹簧等。

在本发明的接合管注入系统中，在接合管端部为喷嘴，所输送的氧化剂由此分布进入地下煤层。因此，喷嘴是本发明的氧化剂注入设备的关键部件，通常也是故障发生位置，必须仔细设计和使用。

按照本发明，所述喷嘴必须适合于高温、高压且高速流动的高浓度氧化剂如纯氧环境以及地下煤层燃烧区附近的高温环境。空气或低浓度氧化剂气化是本发明的主要运行模式，只在接合管回退过程中需要采用高浓度氧化剂，因此所述喷嘴无需高速喷射机制，可采用单孔设计。所述氧化剂喷嘴的材料可以选自例如黄铜、铬镍铁合金和蒙乃尔铜-镍合金等。

按照本发明，所述喷嘴的外部形状必须尽可能平滑过渡，其任何外部尺寸变化都必须是逐渐过渡的渐变过程，以便其能够在地下井系统内衬管内顺利移动，同时确保其通过井口装置时的气密性，而且所述喷嘴的各部件要有足够壁厚(壁厚大于7.5mm)，以在提供接触面积的同时满足高温环境下的散热和冷却要求，防止出现任何可能的反向燃烧，由此保证喷嘴的完整性和可靠性。

按照本发明，所述喷嘴的内部要具有适合高浓度氧化剂如纯氧的流动通道，所述流动通道必须干净，没有微粒或碳氢化合物污染。具体地，所述喷嘴的所有内部表面都要经过特殊加工，例如，所有内部表面都经过与纯氧流动方向最多成45度角的加工过程，以此防止高浓度氧化剂环境下由微粒冲击引发的自燃现象。

按照本发明，在采用离散回退注气点法(DRIP)的煤炭地下气化过程中，所述喷嘴可以通过依次回退移除位于井口的接合管管段，而在注入井内衬管水平管段内定期回退一定距离，从而可以将注入井内衬管周围的地下煤藏逐段全部消耗掉，仅留下煤灰。在注入井井口附近的接合管管段长可为3米，6米，9米等，根据工艺设计参数和产品气要求进行选型。

本发明还提供了一种煤炭地下气化方法，采用离散回退注气点法(DRIP),其中经注入井利用本发明的接合管注入系统向地下煤层连续注入空气或低浓度氧化剂，在回退过程中间歇性地注入高浓度氧化剂，所述高浓度氧化剂为包含至少50vol％氧的富氧空气或纯氧。

按照本发明，在所述煤炭地下气化方法中，在回退过程中间歇性地使用高浓度氧化剂即包含至少50vol％氧的富氧空气或纯氧，且通过辅助通道连续注入空气或低浓度氧化剂。因此，整个回退过程不仅不中断正常产品气生产，反而可以适当提高产品气质量，具体为热值更高的产品气。

按照本发明，在煤炭地下气化过程中，在地面到注入井内衬管端部分别固定有温度、压力和声波传感器，用于获取地下煤层燃烧和气化区的温度、压力和声波信号并反馈给注入井井口附近的控制系统。

按照本发明，所述温度、压力和声波传感器为基于光纤时域反射测量技术(Optical Time-Domain Reflectometry---OTDR)的分布式感应光纤。

按照本发明，各温度、压力和声波传感器的功能具体如下：

固定在水平通道内衬管外部的温度、压力和声波传感器主要用于监测燃烧和气化区温度(>600℃)和煤炭地下气化区的压力，这些传感器一般经地面井口设备的仪表端口穿过和从地面井口设备一直延伸到地下燃烧和气化区，将获得的测量结果反馈给控制系统并储存到数据库，当燃烧和气化区温度>600℃时，例如为600-1200℃时，可以认为此时地下煤层正在被消耗，气化正沿着水平通道内衬管方向有效进行，而当温度高于1200℃时则主要发生燃烧过程。

按照本发明，除了基于光时域反射测量技术的分布式光纤热电偶外，温度传感器还可以为双金属护套K型双探头热电偶。因此，按照本发明，还可以在注入井内衬管垂直段底部附加或替代地固定双金属护套K型双探头热电偶以获得相应的温度信号并基于该温度信号来控制安全系统。当气化过程到达该位置时，停止氧化剂的注入。

按照本发明，对于设在地下煤层内的完井系统来说，注入井的内衬管可以采用本领域通常应用的任何合适连接方式连接在一起，例如可以采用焊接、螺纹、卡箍沟槽、法兰、卡套或卡压等连接方式，所遵循的原则是确保最终完井性能最好。

按照本发明，对于所述完井系统来说，注入井内衬水平段是很重要的组成部分，它的功能完好是整个煤炭地下气化过程顺利进行的重要保证。

具体地，注入井内衬管的重要性主要体现在以下方面：首先，内衬管不仅是煤炭地下气化过程中的气体流动通道，而且是接合管注入系统喷嘴将氧化剂输送到燃烧和气化区的有效通道；其次，注入井内衬管和煤层钻孔之间的环隙亦可用作流动通道，在注入氧化剂之前该通道通常已经用惰性气体吹扫，如果煤层十分干燥且气化过程需要更多气化剂时，所需的外加水也可以通过这一通道注入并输送到地下煤层；再次，为了监控地下煤层消耗的具体位置和相关气化工艺参数，需要在注入井内衬管外壁固定分布式温度、压力和声波传感器，以向地面提供整个内衬管上的温度、压力和声波信号分布曲线。

按照本发明，注入井内衬管的材料和壁厚一般依据地下静水压和静岩压选择，所述材料可以为单一材料或多种材料组合；注入井内衬管的内径一般要与接合管和喷嘴的最大外径相匹配；所述注入井内衬管外径一般可以为4.5英寸、5.0英寸、5.5英寸、6.0英寸、6.625英寸或者7.0英寸。注入井内衬管内壁与接合管之间的环隙一般基于空气或低浓度氧化剂最大流量确定，以满足最大注入流量要求；一般地，水平通道注入井内衬管要尽可能接近地下煤层的底部安装，但不能跃出煤层进入下伏岩层，在地下煤层底部有夹矸时，所述注入井内衬管要安装在夹矸上方，同时在所述注入井内衬管和夹矸之间优选有约1米厚的连续煤层，其中无煤段厚度优选要小于15厘米，更优选小于10厘米。

按照本发明，注入井内衬管和产品井内衬管的端部一般要彼此相交，具体地，注入井内衬管一般要和垂直产品井的底端或水平产品井的远端彼此相交，并且在交叉段的注入井内衬管和产品井内衬管都要开孔，以使所产生的产品气通过注入井内衬管的开孔扩散进入产品井内衬管和最后由产品井移出。

在这种情况下，对于注入井内衬管和产品井内衬管来说，都要沿着所述内衬管轴向在其管壁上开孔，各开孔优选交错间隔模式开孔，以尽可能使开孔后的内衬管强度最大，和开孔直径可以在5-35mm之间变化，以使开孔总面积为所述内衬管相关管段表面积的5-35％。

另一个实施方案中，在最初点火时，将地下点火设备连接到喷嘴上并移送到预定点火位置，之后利用氧化剂流或压力激活启动点火并断开点火设备，其中所述地下点火设备采用延迟启动，以提供足够的时间回退喷嘴使其离开点火位置和到达安全位置，从而远离地下点火设备点火时释放的高能量和高热量，和其中在点火阶段，可通过氧化剂通道或备用通道注入低流量空气用于点火过程。当遇到含水量较高的湿煤层，可通过氧化剂通道注入纯氧以提高点火效率。

按照本发明，当采用回退法进行煤炭地下气化过程时，在点火成功开始煤炭地下气化过程后，一般需要定期回退喷嘴使之到达新的气化点，这也是“回退法”名称的由来。每次回退过程，可通过从井口移除1-2个管段的接合管来实现喷嘴回退一定距离来继续所述气化过程。在回退过程中一直保持辅助通道空气或低浓度氧化剂的注入，确保不中断气化炉正常生产过程。

按照本发明，当采用回退法进行煤炭地下气化过程时，当喷嘴回退到达新的气化点后，可通过氧化剂通道注入高纯度氧化剂。基于注入井内衬管的材质、壁厚及其预测燃烧速度相应地加大纯氧流量，以加快喷嘴前方内衬管的燃烧消耗速率，从而更快地暴露出新鲜煤层用于气化，这个过程将一直持续直到内衬管周围的地下煤层完全被消耗。

因此，按照本发明，对于整个接合管注入系统的改进实现了对煤炭地下气化过程的有效控制。

下面参考附图进一步描述本发明的实施方案。

图1是本发明的一个实施方案：接合管1通过钻井完井两用钻机或不压井起下作业装置进入到注入井。接合管1一端直接和地面氧化剂管线连接。多个止回阀2安装在接合管1的不同管段上以防止逆向气流进入到接合管1。在接合管1端部安装最后一个止回阀2后连接机械剪切装置3和喷嘴4。机械剪切装置3确保即使当喷嘴4在注入井内衬管5内完全卡死也能成功回退接合管1。地下点火设备10安装在喷嘴4的前端，可通过接合管1内的氧化剂压力激活并断开点火设备10。点火设备10释放的高能量火焰通过开孔内衬管与煤层钻孔9上部的煤层11接触并点燃煤层11。在点火过程中，通过辅助通道8(即注入井内衬管5与接合管1的环隙)注入空气来维持煤层11的燃烧。与此同时，断开接合管1与地面管线的连接，移除1-2个管段的接合管1，再接回地面管线。采用接合管1注入空气或低浓度氧化剂并停用辅助通道8。整个点火过程的通过地下仪表系统7监控并确认成功。

图2是本发明的另一个实施方案，采用离散回退注气点法(DRIP)进行煤炭地下气化。首先将正常生产所需的空气或低浓度氧化剂注入从接合管1切换至辅助通道8。通过接合管1注入高纯度氧化剂或纯氧对位于喷嘴4前方的注入井内衬管进行5回烧。注入高浓度氧化剂或纯氧可有效地提高位于注入井内衬管5周围的燃烧区13和气化区14温度。当注入井内衬管5回烧的长度达到预设值时停止高浓度氧化剂或纯氧的注入，其回烧长度通过安装在注入井内衬管5外壁的地下仪表系统9进行监测。之后，断开接合管1与地面管线的连接，移除1-2个管段的接合管1将喷嘴4移动到预设位置，再接回地面管线。采用接合管1注入空气或低浓度氧化剂并停用辅助通道8。通过在注入井内衬管5内重复实施离散回退注气点法(DRIP)可将位于注入井内衬管5周围的煤层消耗殆尽。

以上所述提及的“一个实施方案”包括在实施方案中描述的相关特性、结构、特征都与本发明的其中至少一个实施方案相关。因此，以上所述多次提及“一个实施方案中”的地方并非都特指同一个实施方案。此外，在实施方案中描述的相关特性、结构、特征可以以任何合适的方式一个或多个组合，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不用于限制本发明。对于本领域的技术人员，本发明可以有各种变化和更改。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.用于煤炭地下气化工艺的接合管注入系统，基于注入井，所述注入井包括注入井内衬管，其特征在于：所述接合管注入系统包括氧化剂注入系统和辅助通道，氧化剂注入系统包括如下组件：

接合管，由若干管段可拆卸密封连接而成，用于输送氧化剂及移送喷嘴和点火设备到达地下煤层内的预设气化点；

机械剪切装置，设于接合管尾端，用于喷嘴在地下由于故障造成机械性卡死而无法移动时剪断喷嘴；

喷嘴，设于机械剪切装置后端；

至少一个止回阀，设于机械剪切装置上游的接合管上，用于防止逆向气流进入接合管；

点火设备，设于喷嘴前端；

辅助通道由接合管与注入井内衬管之间的环隙形成，用于在回撤氧化剂注入系统过程中继续注入氧化剂；

设于辅助通道内的地下仪表监测系统和设于注入井井口附近的控制系统。

2.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的接合管注入系统，其特征在于：接合管的各管段之间以及接合管与地面氧化剂注入管和机械剪切装置之间均通过螺纹密封连接，接合管的各管段均设有止回阀。

3.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的接合管注入系统，其特征在于：所述喷嘴采用单孔或多孔设计，喷嘴的材料选自黄酮、铬镍铁合金或蒙乃尔铜-镍合金，喷嘴的外部形状变化部位均为平滑过渡，喷嘴内部具有适合高浓度氧化剂的流动通道，喷嘴的外径可调节，喷嘴的壁厚大于7.5mm。

4.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的接合管注入系统，其特征在于：接合管的总长度能抵达煤层所在深度及设计的水平长度，外径尺寸根据预先设计的静液压流量及允许的压降进行选择。

5.根据权利要求2所述的用于煤炭地下气化工艺的接合管注入系统，其特征在于：接合管各管段的连接处用符合氧气作业标准的油酯进行辅助密封，接合管作业前进行预处理以保证接合管内清洁，材质选用316L不锈钢或蒙乃尔400、镍铬合金或其它铬含量>13％的合金。

6.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的接合管注入系统，其特征在于：所述仪表监测系统包括温度、压力和声波传感器，其中设于注入井内衬管外部的温度、压力和声波传感器，用于监测燃烧区和气化区温度和煤炭地下气化区的压力，温度、压力和声波传感器经地面井口设备的仪表端口穿过并从地面井口设备一直延伸到燃烧区和气化区，将获得的测量结果反馈给控制系统并储存到数据库。

7.根据权利要求6所述的用于煤炭地下气化工艺的接合管注入系统，其特征在于：在注入井内衬管垂直段底部附加的或替代的设置温度传感器，以获得相应的温度信号反馈至控制系统，当气化过程到达该位置时，控制系统停止氧化剂的注入。

8.权利要求1-7任意一项所述的用于煤炭地下气化工艺的接合管注入系统的操作方法，其特征在于：所述操作方法如下：

(1)点火：接合管通过钻井完井两用钻机或不压井起下作业装置进入到注入井内衬管，接合管一端直接和地面氧化剂管线连接，多个止回阀安装在接合管的不同管段上，在接合管端部安装最后一个止回阀后连接机械剪切装置和喷嘴，机械剪切装置确保即使当喷嘴在注入井内衬管内完全卡死也能成功回退接合管，地下点火设备安装在喷嘴的前端，通过接合管内的氧化剂压力激活并断开点火设备，点火设备释放的高能量火焰通过注入井内衬管的开孔内衬管管段与煤层钻孔上部的煤层接触并点燃煤层，在点火过程中，通过辅助通道注入空气来维持煤层的燃烧，与此同时，断开接合管与地面氧化剂管线的连接，移除1-2个管段的接合管，再接回地面氧化剂管线，采用接合管注入空气或低浓度氧化剂并停用辅助通道，整个点火过程通过地下仪表监测系统监控并确认成功；

(2)采用离散回退注气点法进行煤炭地下气化：首先将正常生产所需的空气或低浓度氧化剂注入从接合管切换至辅助通道，通过接合管注入高纯度氧化剂或纯氧对位于喷嘴前方的注入井内衬管进行回烧，所注入的高浓度氧化剂或纯氧可有效地提高位于注入井内衬管周围的燃烧区和气化区温度，当注入井内衬管回烧的长度达到预设值时停止高浓度氧化剂或纯氧的注入，其回烧长度通过安装在注入井内衬管外壁的地下仪表系统进行监测，之后，断开接合管与地面氧化剂管线的连接，移除1-2个管段的接合管将喷嘴移动到预设位置，再接回地面氧化剂管线，采用接合管注入空气或低浓度氧化剂并停用辅助通道，通过在注入井内衬管内重复实施离散回退注气点法进而将位于注入井内衬管周围的煤层全部消耗。