CN106437673B - 用于煤炭地下气化工艺的线性气化炉与操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于煤炭地下气化工艺的线性地下气化炉，包括至少一个线性气化炉单体，线性气化炉单体包括如下组件：两个定向注入井，每个定向注入井均包括注入井套管、同轴心设置的注入井内衬管和地下监测系统；定向注入井的内衬管内均安装有连续油管、可回拉的氧化剂注入设备和地下点火设备；一个垂直产品井，包括垂直产品井套管、同轴心设置的产品管、地下监测系统，产品管通过井口悬挂器自由悬挂；垂直产品井和定向注入井尾端贯通，两定向注入井之间的夹角为60‑180°，垂直产品井井口设有合成气在线取样分析系统和控制系统。本发明结构简单，新线性气化炉定向注入井可再次利用封井废弃线性气化炉单体定向注入井的垂直段结构，降低钻井成本。
Description
技术领域
本发明公开了一种用于煤炭地下气化工艺的线性地下气化炉与操作方法。
背景技术
煤炭地下气化(ISC)是一种通过对地下煤层的可控燃烧(不完全燃烧)和气化反应，把煤直接转化为气体产品的工艺过程。产品气通常被称为合成气，可以作为燃料生产、化工生产、发电等下游工艺的原料。该工艺过程集合了建井完井、地下采煤和煤气化工艺技术，具有安全性好、投资小、效益高、污染少等优点。
通过地面钻井直通煤层，给氧化剂注入和产品气输出提供了有效通道。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。
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。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等)以及其他杂质成分(固体颗粒，水，煤焦油，H2S,NH4,COS等)。粗合成气由经产品井输送至地面，再通过地面管线输送到下游装置进行处理和应用。
地下气化炉的选型需要综合考虑煤层的地质和水文地质条件以及下游工艺对合成气质量的要求等。炉型设计包括构建过程中采用的钻井技术，井对的位置和用途等。现有的各种气化炉型通常仅考虑了理想状态下大面积的“片状/块状”开采，而忽略了实际操作过程中由于复杂地质条件和气化过程造成的合成气稳定性，工艺控制，地面或地下地层沉降等问题。例如，公开号为CN103437748A的中国发明专利申请书公开了一种煤炭地下气化炉、以及煤炭地下气化方法。该气化炉包括，多个定向钻井和垂直井组成的网状结构。采用垂直井点火，采用第一定向井(产品井)作为多个第二定向井(注入井)的唯一出气通道。其主要技术缺点在于，钻井复杂数目繁多，构建难度大且结构不稳定。垂直井经过高温点火及贯穿后易损坏，造成地下水渗漏及合成气扩散等。公开号CN104563991A的中国发明专利申请书公开了一种煤炭地下气化炉及其气化方法。该气化炉包括一个垂直井(点火井)和多个相互连通的定向钻井组成的网状结构。其中多个第一定向井作为注入井，唯一一个第二定向钻井连通垂直井(点火井)与其他第一定向井作为整个系统的出气通道。其主要技术缺点在于钻井构建难度较大，结构不稳定。整个系统操作复杂，一旦地下气化炉出现突发情况无法及时发现并处理。综上所述，现有的地下气化炉技术和气化方法成为了影响煤炭地下气化效率和稳定性的瓶颈之一。目前面临的主要问题包括:
a)现有钻井技术无法满足地下气化炉的复杂网状结构，且较大程度提高了钻井成本，影响大规模工业化项目的实施。
b)大面积片状/块状开采对气化炉长度限制较大(<200米)，即气化炉寿命较短，影响项目的经济效益。且大面积片状/块状开采极其易造成煤层顶板冒落，严重情况会造成地面塌陷等地质灾害。
c)整个气化炉系统操作复杂，开始点火到正常运行(在定向产品井内采用回烧连通多个定向注入井或采用垂直井点火后火力贯穿连通定向产品井)操作困难，耗时较长，不合格尾气长期超量排放，对环境影响较大。
d)整个气化炉系统依赖唯一一个垂直井点火，或采用火力贯穿连通。点火完成成后无法监测每个注入井的正常运行过程。一旦遇到井下突发情况，无法及时发现和妥当处理，对煤炭资源浪费较大。
e)整个气化炉系统无备用产品气出口。点火过程中实际已破坏定向产品井内部支护结构(内衬管)，仅剩不可靠的燃空通道作为多个定向注入井(工作面)的唯一混合和出气通道，容易出现堵塞，限流问题。一旦出现问题，整个网状气化炉系统将无法继续正常操作。
f)多个定向注入井必须联动控制，无法进行独立控制和操作。注入井之间由于较高的操作压力易形成贯通，且通过混合后的产品气质量无法监测和处理。一旦出现贯通，整个地下气化工艺过程无法控制，合成气产量和质量波动较大，注入井内地下设备容易损毁。或一旦氧气泄漏到产品井，无法及时发现并单独处理，只能全系统停车，存在较高的完全隐患。
g)气化结束后，整个工作面燃空区结构复杂，燃空区内残留煤层易造成死角，给后续气化炉的停车、熄火、清洗和复原操作带来较大的困难，存在一定的环保隐患。
发明内容
本发明的目的之一在于解决现有技术的不足，提供一种用于煤炭地下气化工艺的线性地下气化炉。
本发明的目的之二在于提供一种用于煤炭地下气化工艺的线性地下气化炉的操作方法，以减少或解决现有煤炭地下气化工艺面临的一个或多个问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供了一种线性地下气化炉，包括至少一个线性气化炉单体，所述线性气化炉单体包括如下组件：
两个定向注入井，每个定向注入井均包括注入井套管、同轴心设置的注入井内衬管和地下监测系统；
定向注入井的内衬管内均安装有连续油管、可回拉的氧化剂注入设备和地下点火设备；
一个垂直产品井，包括垂直产品井套管、同轴心设置的产品管、地下监测系统，产品管通过井口悬挂器自由悬挂，最大热膨胀延伸后与定向产品井底部的距离大于零；
垂直产品井位于中间，定向注入井分别位于垂直产品井两侧，垂直产品井和定向注入井尾端贯通，两定向注入井之间的夹角为60-180°；
垂直产品井井口设有合成气在线取样分析系统和控制系统。
每个线性气化炉单体之间都预留一定尺寸的煤柱，确保每个气化炉为密闭的独立操作单元。
每个线性气化炉单体根据自身的合成气在线取样分析系统和控制系统独立操作确保连续稳定的合成气生产。
当某一个线性气化炉单体出现堵塞、熄火、氧气泄漏等突发情况，位于该线性气化炉单体的地下监测系统和井口合成气在线取样分析系统可及时发现并反馈，有利于及时独立地应对处理该气化炉，最小化各种安全隐患，确保地下气化稳定性和可靠性。备用处理方案为，临时关闭一侧定向注入井，根据单侧生产情况判断突发情况位置并处理。
气化结束后，新气化炉的定向注入井可利用封井废弃线性气化炉的定向注入井垂直段结构，降低钻井成本。
本发明根据上述线性气化炉进行大规模工业化生产的布局和地下气化方法，其中包括：
a)根据项目生产规模，确定A期项目线性气化炉数目n个，依次为A1、A2，……An，按照线性气化炉单体的结构平行布局,相邻线性气化炉单体的同侧定向注入井之间的距离为20-80米；
b)在第A1气化炉内，距离垂直产品井两端10-100米(优选30-60米)的两个定向注入井水平通道内同时实施点火,不合格尾气并入地面尾气管道，输送到火炬排放；
c)点火成功后，根据工艺要求切换至空气、富氧或纯氧气化过程，合成气质量符合设计标准后，并入地面合成气管道，输送到合成气净化处理和下游合成气综合利用工艺。
d)依次对A2,A3,……An进行点火及工艺切换至正常生产，不合格尾气并入地面尾气管道，输送到火炬排放。合格合成气产品并入地面合成气管道，输送到合成气净化处理和下游合成气综合利用工艺；
e)当A期区域煤层消耗接近完毕时，在新的工作面开始C期钻井、点火、气化过程，重复步骤a-d，确保下游工艺的连续稳定运行；
f)当C期达到正常生产，A期气化结束时，依次对A1,A2,……An进行停车、熄火、清洗和复原，待燃空区内水质达到相关环保规定要求后，对A期气化炉进行封井处理，此处，所有定向注入井采用水泥封井从煤层底部至上覆岩层处。所有垂直产品井采用水泥封井从煤层底部至地面；
g)利用现有A期定向注入井垂直段，开始B期钻井及气化炉建设，建设过程中，B期的线性气化炉单体位置相对A期，需要整体沿垂直于气化炉方向偏移一个预留煤柱的距离(10-30米)。最终燃空区为交错间隔排布，可最大化预留煤柱的支撑力；
h)当C期区域煤层消耗接近完毕时，在新的工作面开始B期点火、气化过程，重复步骤a-d，确保下游工艺的连续稳定运行；
i)当B期达到正常生产，在C期重复步骤f-g，开始D区气化炉建设。
为了使本发明更简单易懂，便于实际操作，一个或多个首选的具体实施方式将参照附图，仅以举例的形式进行描述。
附图说明
图1是线性气化炉单体剖面示意图。
图2(a)和2(b)是线性气化炉布局示意图。
图中：1、定向注入井，2、垂直产品井，3、上覆岩层，4、煤层。
具体实施方式
本发明公开了一种用于煤炭地下气化工艺的线性气化炉与操作方法，
为了实现上述目的，本发明提供了一种线性气化炉，包括至少一个线性气化炉单体，所述线性气化炉单体包括如下组件：
两个定向注入井，每个定向注入井均包括注入井套管、同轴心设置的注入井内衬管和地下监测系统；
定向注入井的内衬管内均安装有连续油管、可回拉的氧化剂注入设备和地下点火设备；
一个垂直产品井，包括垂直产品井套管、同轴心设置的产品管、地下监测系统，产品管通过井口悬挂器自由悬挂，最大热膨胀延伸后与定向产品井底部的距离大于零；
定向注入井与定向产品井之间预留煤柱，且在尾端彼此相交贯通，垂直产品井位于中间，定向注入井分别位于垂直产品井两侧，两定向注入井之间的夹角为60-180°，优选为90-180°。
垂直产品井井口设有合成气在线取样分析系统和控制系统。
每个线性气化炉单体之间都预留一定尺寸的煤柱，确保每个气化炉为密闭的独立操作单元。
每个线性气化炉单体根据自身的合成气在线取样分析系统和控制系统独立操作确保连续稳定的合成气生产。
当某一个线性气化炉单体出现堵塞、熄火、氧气泄漏等突发情况，位于该线性气化炉单体的地下监测系统和井口合成气在线取样分析系统可及时发现并反馈，有利于及时独立地应对处理该气化炉，最小化各种安全隐患，确保地下气化稳定性和可靠性。备用处理方案为，临时关闭一侧定向注入井，根据单侧生产情况判断突发情况位置并处理。
气化结束后，新气化炉的定向注入井可利用封井废弃线性气化炉的定向注入井垂直段结构，降低钻井成本。
定向注入井在煤层中的水平通道长度可达500-1500米，优选800-1200米。定向注入井包括高温水泥固井的注入井套管、同轴心设置的注入井内衬管、安装在内衬管外壁的地下监测系统。其中注入井套管从地面开始一直延伸至煤层底部与煤层底板平行的位置，点火位置上游的注入井内衬管为无开孔设计的完整管段，其材质为普通碳钢管、无缝钢管或接合钢管，注入井内衬管从点火位置至其尾端为开孔设计的开孔管段，开孔的孔径为5-35mm，开孔以交错间隔模式布局，开孔总面积占注入井内衬管面积的5-35％，地下监测系统包括温度、压力和声波传感器，沿着注入井内衬管外部延伸至其顶端。
注入井内衬管内安装有连续油管，可回拉的氧化剂注入设备和地下点火设备，用于地下煤层点火、正常生产所需氧化剂及气化剂的注入以及气化工艺过程的控制，确保高质量合成气的稳定生产。
垂直产品井，包括产品井套管、同轴心设置的产品管、地下监测系统表等。产品管为自由悬挂，最大热膨胀延伸后与产品井底部的距离大于零。
合成气在线取样分析系统安装在产品井出口处，用于独立监测单个线性气化炉合成气质量和氧含量，并及时反馈给控制系统与安全系统，确保整个气化工艺的安全性，稳定性和可靠性。
根据地质条件决定，线性气化炉单体之间的预留煤柱为10-30米，以确保每个线性气化炉单体之间相互隔离，为独立操作单元。最终煤层内部燃空区优选交错间隔排布，可最大化预留煤柱的支撑力。
线性气化炉单体燃空区宽度可控，具体根据线性气化炉单体操作压力、煤层厚度、气化炉热传递效率、煤层及其上覆岩层的抗压抗拉力，合成气质量的稳定性等因素决定。一般情况为煤层厚度的2-6倍，约10-50米，优选20-40米。
进行气化炉群布局时，相邻的两个线性气化炉单体同侧的定向井(注入井)之间的距离需包括预留煤柱宽度和燃空区宽度，一般为20-80米，优选30-70米。
在附图，数字编号相同的部件为同一部件
本发明中一个实施方案，线性煤炭地下气化炉如图1所示。线性气化炉单体由两个定向注入井1和一个垂直产品井2组成，在预定位置采用垂直井钻井和完井技术贯穿上覆岩层3到煤层4底部，建设垂直产品井2，在垂直产品井2底部放置信号发射器引导定向钻井。在垂直产品井两侧500-1500米的预定位置开始定向钻井，贯穿上覆岩层3至煤层4底部。根据垂直产品井2底部的信号发射器引导，在接近于煤层4底部的位置实施水平定向钻孔并完井。两个定向注入井相交于垂直产品井底部并彼此贯通。定向注入井之间的夹角可为60-180度，优选90-180度。在定向注入井水平段内，距离垂直产品井两端10-100米(优选30-60米)的两个注入井水平通道内同时实施点火。点火成功后，根据工艺要求切换至空气、富氧或纯氧气化过程。当合成气质量低于设计标准后或燃空区宽度达到设计要求后，在两个注入井井口同时对注氧设备实施回拉操作，将燃烧区和气化区移动到新鲜煤层，生产高质量的合成气。当某一个线性气化炉单体出现堵塞、熄火、氧气泄漏等突发情况，位于线性气化炉单体的地下仪表监测系统和井口合成气在线取样分析系统可及时发现并处理。同时，可临时关闭一侧定向注入井，根据单侧生产情况判断突发情况位置并处理。
本发明另一个实施方案，如图2(a)和(b)所示，采用该气化炉进行大规模工业化生产的布局和操作方法。具体实施方法如下：第一，根据项目生产规模，确定A期项目线性气化炉数目n个，依次为A1，A2,……An，按照线性气化炉的结构平行布局。相邻的两个线性气化炉单体同侧的定向井(注入井)之间的距离为20-80米，包括预留煤柱宽度10-30米和燃空区宽度10-50米；第二，在第A1线性气化炉单体内，距离垂直产品井两端10-100米(优选30-60米)的两个定向注入井水平通道内同时实施点火，不合格尾气并入地面尾气管道，输送到火炬排放；第三，点火成功后，根据工艺要求切换至空气、富氧或纯氧气化过程，合成气质量符合设计标准后，并入地面合成气管道，输送到合成气净化处理和下游合成气综合利用工艺；第四，依次对A2,A3,……An进行点火及工艺切换至正常生产，不合格尾气并入地面尾气管道，输送到火炬排放，合格合成气产品并入地面合成气管道，输送到合成气净化处理和下游合成气综合利用工艺；第五，当A期区域煤层消耗接近完毕时，在新的工作面开始C期钻井、点火、气化过程，重复步骤第一至第四，确保下游工艺的连续稳定运行；第六，当C期达到正常生产，A期气化结束时，依次对A1,A2,……An进行停车、熄火、清洗和复原，待燃空区内水质达到相关环保规定要求后，对A期气化炉进行封井处理，此处，所有定向注入井采用水泥封井从煤层底部至上覆岩层处，所有垂直产品井采用水泥封井从煤层底部至地面；第七，利用现有A期定向注入井垂直段，开始B期钻井及气化炉建设，建设过程中，B期的气化炉位置相对A期，需要整体沿垂直于气化炉方向偏移一个预留煤柱的距离(10-30米)，最终燃空区为交错间隔排布，可最大化预留煤柱的支撑力；第八，当C期区域煤层消耗接近完毕时，在新的工作面开始B期点火、气化过程，重复步骤第一至第四，确保下游工艺的连续稳定运行；第九，当B期达到正常生产，在C期重复步骤第六和第七，开始D区气化炉建设。
综上所述，本发明的线性气化炉有以下优点：1.结构简单，新线性气化炉定向注入井可再次利用封井废弃线性气化炉单体定向注入井的垂直段结构，降低钻井成本。2.有效地延伸了气化炉长度，延长气化炉的寿命，提高了项目的经济效益。3.气化炉燃空区宽度可控，实施长壁/带状开采，最小化煤层顶板冒落或地层下沉等问题的可能性。4.每个线性气化炉单体是密闭的独立单元，进行单独的操作和控制，任何一个气化炉单元出现问题时不影响气化炉群的正常生产，确保合成气生产的安全性、稳定性和连续性。5.每个线性气化炉单体的点火过程可分步实施，显著降低了点火阶段不合格尾气的排放量。6.燃空区结构简单，无死角，气化结束后的停车，熄火、清洗和复原操作可分步实施，安全简单。
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 (9)
1.用于煤炭地下气化工艺的线性气化炉，包括至少一个线性气化炉单体，其特征在于：所述线性气化炉单体包括如下组件：
两个定向注入井，每个定向注入井均包括注入井套管、同轴心设置的注入井内衬管和位于内衬管外壁的地下监测系统；
定向注入井的内衬管内均安装有连续油管、可回拉的氧化剂注入设备和地下点火设备；
一个垂直产品井，包括垂直产品井套管、同轴心设置的产品管、地下监测系统，产品管通过井口悬挂器自由悬挂，最大热膨胀延伸后与定向产品井底部的距离大于零；
垂直产品井位于中间，定向注入井分别位于垂直产品井两侧，垂直产品井和定向注入井尾端贯通，两定向注入井之间的夹角为60-180°，
垂直产品井井口设有合成气在线取样分析系统和控制系统；
注入井套管从地面开始一直延伸至煤层底部与煤层底板平行的位置，点火位置上游的注入井内衬管为无开孔设计的完整管段，其材质为普通碳钢管、无缝钢管或接合钢管，注入井内衬管从点火位置至其尾端为开孔设计的开孔管段，开孔的孔径为5-35mm，开孔以交错间隔模式布局，开孔总面积占注入井内衬管面积的5-35％，地下监测系统包括温度、压力和声波传感器，沿着注入井内衬管外部延伸至其顶端。
2.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的线性气化炉，其特征在于：两定向注入井之间的夹角为90-180°。
3.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的线性气化炉，其特征在于：每个线性气化炉单体之间都预留一定尺寸的煤柱，宽度为10-30米，确保每个线性气化炉单体为密闭的独立操作单元，点火过程分步实施，依次点火，每个线性气化炉单体根据自身的合成气在线取样分析系统和控制系统独立操作确保连续稳定的合成气生产。
4.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的线性气化炉，其特征在于：定向注入井在煤层中的水平通道的长度为500-1500米。
5.根据权利要求4所述的用于煤炭地下气化工艺的线性气化炉，其特征在于：定向注入井在煤层中的水平通道的长度为800-1200米。
6.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的线性气化炉，其特征在于：线性气化炉单体的燃空区宽度范围在10-50米。
7.根据权利要求6所述的用于煤炭地下气化工艺的线性气化炉，其特征在于：线性气化炉单体的燃空区宽度范围在20-40米。
8.根据权利要求3所述的用于煤炭地下气化工艺的线性气化炉，其特征在于：预留煤柱为交错间隔排布，以最大化预留煤柱对整个开采区的支撑力，避免地层下沉或地面沉降问题。
9.一种权利要求1-8任意一项所述的用于煤炭地下气化工艺的线性气化炉的操作方法，其特征在于：所述操作方法如下：
(a)根据项目生产规模，确定A期项目线性气化炉单体数目n个，依次为A1，A2，……An，按照线性气化炉单体的结构平行布局，相邻的两个线性气化炉单体的同侧定向注入井之间的距离为20-80米；
(b)在第A1线性气化炉单体内，距离垂直产品井两端10-100米的两个定向注入井水平通道内同时实施点火，不合格尾气并入地面尾气管道，输送到火炬排放；
(c)点火成功后，根据工艺要求切换至空气、富氧或纯氧气化过程，合成气质量符合设计标准后，并入地面合成气管道，输送到合成气净化处理和下游合成气综合利用工艺；
(d)依次对A2，A3，……An进行点火及工艺切换至正常生产，不合格尾气并入地面尾气管道，输送到火炬排放，合格合成气产品并入地面合成气管道，输送到合成气净化处理和下游合成气综合利用工艺；
(e)当A期区域煤层消耗接近完毕时，在新的工作面开始C期钻井、点火、气化过程，重复步骤a-d，确保下游工艺的连续稳定运行；
(f)当C期达到正常生产，A期气化结束时，依次对A1，A2，……An进行停车、熄火、清洗和复原，待燃空区内水质达到相关环保规定要求后，对A期气化炉进行封井处理；
(g)利用现有A期定向注入井垂直段，开始B期钻井及线性气化炉建设，建设过程中，B期的线性气化炉位置相对A期，整体沿垂直于线性气化炉方向偏移10-30米的预留煤柱距离，以使燃空区交错间隔排布，最大化预留煤柱的支撑力；
(h)当C期区域煤层消耗接近完毕时，在新的工作面开始B期点火、气化过程，重复步骤a-d，确保下游工艺的连续稳定运行；
(i)当B期达到正常生产，在C期重复步骤f-g，开始D期钻井及线性气化炉建设，依次类推。
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