CN106761653B - 用于煤炭地下气化工艺的喷头设备及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于煤炭地下气化工艺的喷头设备，基于注入井内衬管作为移动通道，包括如下部件：（a）止回阀；（b）机械剪切装置；（c）喷嘴；（d）支撑件；（e）分布式温度、压力和声波传感器；（f）气动保护塞；止回阀中心、机械剪切装置中心和喷嘴主体中心构成喷头氧化剂通道，喷头设备与注入井内衬管之间的环隙空间以及喷嘴主体与喷嘴外壳之间的环隙空间构成喷头冷却剂通道。本发明的喷头设备进行煤炭地下气化过程时，操作起来更为灵活方便，可以大幅缩短现有技术回退法的回退周期和/或回退距离，实现煤炭地下气化工艺的连续稳定运行。利用本发明的喷头设备可以安全稳定地使用高浓度氧化剂，可以获得高质量且质量稳定的产品气。

Description

用于煤炭地下气化工艺的喷头设备及其操作方法
技术领域
本发明提供了一种用于煤炭地下气化工艺的喷头设备。特别地，本发明提供了一种在煤炭地下气化工艺中可以连续注入高浓度氧化剂的喷头设备，还提供了该喷头设备在煤炭地下气化工艺中的操作方法。
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。
在煤炭地下气化过程中，产品气质量如热值通常随着氧化剂的氧浓度升高而升高，但氧浓度太高容易导致燃烧区温度太高、回烧强度过大等危险。根据现有技术，在喷头设备上仍存在一定技术挑战，尤其是其在高浓度氧化剂应用上存在的问题。
公开号为CN103541714A的中国发明专利说明书公开了一种喷头及煤炭地下气化方法。该喷头设备包含一种圆柱形壳体，壳体包括两个部分并通过前孔流通连通。壳体第二部分侧壁上设有侧孔。喷头内部包括滑动开启或关闭侧孔的密封组件和弹簧。该喷头不适应于高浓度氧化剂的煤炭地下气化工艺。其一，该喷头氧化剂通道内部金属结构复杂，通过滑动控制侧孔开启。较高氧浓度下，金属件之间的摩擦易产生金属颗粒，造成颗粒冲击自燃并烧毁设备；其二，通过侧孔提高喷头周围的煤炭利用率，实际操作存在较多不确定性。喷头进入煤层钻孔或套管内易发生旋转，侧孔位置无法定位。当侧孔位于煤层垂直方向，其垂直方向的热辐射容易造成设备的熔融或回烧。当侧孔位于煤层水平方向两侧的预定位置，实际运行过程中较难控制燃空区宽度，易造成地层塌陷；其三，当通过注入压力控制侧孔开关时，压力的波动易造成高温可燃的合成气逆向流入喷头并与氧化剂直接接触，在喷头内部发生燃烧或爆炸。
公开号为CN104533377A的中国发明专利说明书公开了一种喷嘴及气化方法。该喷嘴本体为套管结构，包括中心管和外环套管，喷嘴顶帽上设有注气口，外环套管设有多个喷水孔。在此基础上，公开号为CN104564008A的中国发明专利说明书公开了一种煤炭地下气化装置及气化方法，即在喷嘴本体周围安装射水控制套和控制装置，并利用高压射水在气化前切割新鲜煤层，形成较多裂缝。然而该喷嘴设备的氧化剂输送通道为环隙空间，直接暴露在可能的高温环境，且同心设置的中心管由于自重与外环套管发生机械磨损易在氧化剂通道（环隙空间）产生金属颗粒，尤其是当喷嘴设备及装置在地下煤层内前进和后撤进程中，容易造成颗粒冲击自燃并损毁设备。喷嘴本体直接暴露与煤层中，当喷嘴在进入工作面的过程中，容易被煤灰，焦油，煤渣等堵塞。整个设备对于高温可燃合成气无逆流保护机制，防止可燃气体逆向进入喷嘴本体。其注水压力为燃空区压力的1-1.5倍，15-30MPa，远远超过常规煤层的静水压。这种情况下，高压水压裂在破裂煤层的同时造成煤层上覆和下伏岩层的破坏，易引发气化炉突水和泄露危险。
CN205243495U公开了一种喷嘴及气化剂输送系统。其中，喷嘴包括陶瓷本体和金属保护套。该喷嘴仅依靠金属保护套实现防回烧保护，无任何主动冷却机制。同时，整个喷嘴和输送系统无逆流保护机制。因此无法安全有效地使用高浓度氧化剂如纯氧进行煤炭地下气化过程。
CN204455019U公开了一种工艺烧嘴总成，包括烧嘴主体（烧嘴管、输水管、冷却管盘）、气体取样构件（中心管、冷却管盘）。同心设置的三条管线由内至外分别为输水管、吹气管（取样通道）和烧嘴管（气化剂通道），同时在三条管线内每隔30米左右设置了3个一组的钢筋支撑件。然而，气化剂通道内复杂的金属结构易发生机械磨损造成颗粒冲击自燃，并且整个烧嘴和输送系统无逆流保护机制。特别是对于专利中提及的以氧气作为气化剂，该设备无法安全地用于高浓度氧化剂如纯氧的输送。其次，烧嘴和取样构件外表面缠绕着大量的冷却管盘，导致无法满足设备多次进出井下和后撤的高强度工作要求。冷却管盘在进出井下以及后撤过程中容易被定向井弯道套管、岩石块、煤焦块等固体颗粒卡死。同时，烧嘴自身的散热要求又限制了冷却管盘的管壁厚度，在井下苛刻的工作环境中易损坏。更重要的是气体取样构件的使用，高压易燃的合成气样品通过位于氧气通道内的吹气管及位于地面的真空泵输送至地表。在燃烧区上游取样是极其危险的，取样构件太短（位于烧嘴的喷射范围内）容易收集合成气与氧气的爆炸性混合气，取样构件太长意味着设备暴露于高温燃烧区极易被烧毁。
WO2014/043747A1公开了一种用于实施富氧地下煤气化过程的设备和方法，具体为氧注入设备和方法，其中使用特别设计的氧枪向地下煤层注入氧化剂，所述氧枪包括：具有内部通道的枪体，所述内部通道内插有止回阀；枪体尾端的连续油管接合器，所述接合器上有用于通热电偶的孔；连至枪体前端的至少一段间隔管；连到间隔管前端的注入喷嘴；和监测注入喷嘴温度的热电偶。尽管该专利中提到了富氧地下煤气化，但是该设备自身缺少主动冷却机制，不适用于高浓度氧化剂的煤炭地下气化。
WO2014/186823A1公开了一种用于煤炭地下气化过程中向煤层供应氧化剂和水的设备和方法，其中所述设备包括氧化剂通道和套管密封，所述氧化剂通道包括至少一个井下端部开孔和至少一个井上端部开孔，井下端部开孔用于向地下煤气化区注入氧化剂，井上端部开孔用于与连续油管流体连接，所述套管密封用于密封氧化剂通道和井孔套管之间的环形通道，套管密封上具有一个或多个用于向地下煤气化区注入水的通道。然而，该套管密封导致供氧设备进出井口控制设备以及通过定向井弯道区域变得极为困难。尽管该专利中氧化剂可以为基本纯的氧，但由于其注水通道内水柱自身的压力，导致其回退实施过程复杂，实际上采用的是受控回退注入点概念，这对应的是现有技术中由若干回退阶段间隔开的煤炭地下气化过程。
综上所述，现有煤炭地下气化喷头设备及其应用仍需要进一步改进，以实现氧化剂的连续注入以及高浓度氧化剂的安全使用。
发明内容
本发明的目的之一在于解决现有技术的不足，提供一种在煤炭地下气化工艺中可以连续注入高浓度氧化剂的喷头设备。
本发明的目的之二在于提供一种可以连续注入高浓度氧化剂的喷头设备的操作方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
用于煤炭地下气化工艺的喷头设备，基于注入井内衬管作为移动通道，所述喷头设备包括如下部件：
（a）止回阀，用于阻止逆向易燃易爆气体污染、损坏上游设备；
（b）机械剪切装置，设于止回阀下游，用于在必要时剪断喷嘴以撤回其它设备；
（c）喷嘴，设于机械剪切装置下游，包括喷嘴主体和喷嘴外壳，二者之间设有环形间隙，喷嘴主体处于低温环境，用于向燃烧和气化区喷射高浓度氧化剂，喷嘴外壳处于高温环境，用于向燃烧和气化区喷射冷却剂，喷嘴外壳远端装有气密性密封的快速连接器，用于在点火阶段连接、输送和断开地下点火设备；
（d）支撑件，包括止回阀支撑件和喷嘴外壳支撑件，分别设于止回阀外壳和喷嘴外壳的外部，用于喷头设备的扶正定位和环隙密封；止回阀支撑件由3-4个支撑部件组成，支撑部件之间的夹角为90-120°，距离止回阀近端0-30mm，支撑部件包括U型支撑脚、弹簧和滚轮；喷嘴外壳支撑件为环状支撑圈，距离喷嘴外壳远端0-30mm，支撑件包括U型支撑圈、弹簧和密封圈；
（e）分布式温度、压力和声波传感器，分别设于注入井内衬管外部，喷头设备外部和喷嘴主体内部，用于喷头设备工艺参数的监测和控制；
（f）气动保护塞，设于喷嘴的顶端，用于喷头设备进入井下时保护喷嘴设备；
喷头设备的各部件通过外部抓钩连接器或快速连接器或带有卡口/定位螺栓的螺纹或法兰螺栓实现非焊接连接并提供有效地气密性密封，止回阀中心、机械剪切装置中心和喷嘴主体中心构成喷头氧化剂通道，喷头设备与注入井内衬管之间的环隙空间以及喷嘴主体与喷嘴外壳之间的环隙空间构成喷头冷却剂通道。
优选的，所述喷嘴外壳与喷嘴主体通过非闭合螺纹连接，以在喷嘴内部为冷却剂提供螺旋式液压流动通道，喷嘴外壳近端设有若干个冷却剂入口，喷嘴外壳远端外圈设有若干个冷却剂出口，每个进出口都与螺旋式液压流动通道连通。
优选的，所述喷嘴外壳远端内圈设有一个或多个氧化剂喷射孔，单喷射孔的尺寸基于出口最大喷射速度确定，以优化氧化剂在燃烧和气化区内的喷射输送距离；多个喷射孔的多个孔按中心和外周分布且外周各孔与中心孔平行或按照与中心孔成5-35°角向外发散，以优化氧化剂在燃烧和气化区内的喷射分散范围。
优选的，在氧化剂通道上位于机械剪切装置上游和氧化剂喷射孔内均安装有止回阀，在冷却剂通道上，位于喷嘴外壳的冷却剂入口和出口均安装有止回阀。
优选的，位于止回阀外壳的支撑件的支撑部件，通过焊接或固定螺栓或一体成型方式安装在止回阀外壳；U型支撑脚和注入井内衬管内圈留有5-10mm的缝隙，滚轮和注入井内衬管内圈直接接触。
优选的，位于喷嘴外壳的支撑件，通过焊接或固定螺栓或一体成型方式安装在喷嘴外壳，U型支撑圈和注入井内衬管内圈留有5-10mm的缝隙，密封圈厚度大于缝隙，密封圈的内部空间与所述喷嘴的环隙空间连通，密封圈的伸缩由冷却剂的注入压力控制。
优选的，所述机械剪切装置由剪切装置主体、剪切装置外壳和剪切鞘组成，采用自断机构，通过剪切鞘剪断剪切装置主体和剪切装置外壳。
优选的，所述喷嘴外壳上从支撑件开始，经过冷却剂出口至氧化剂喷射孔设有多条2-3mm深的微型文丘里/引流纹路，用于引导冷却剂到达所述喷嘴外壳远端及氧化剂喷射孔以实施冷却保护。
优选的，所述分布式温度、压力和声波传感器均为基于光纤时域反射测量技术的分布式感应光纤，或者在喷嘴主体内部附加或替代地固定双金属护套K型双探头热电偶，以获得该点温度并基于该温度控制冷却剂注入流量。
本发明的喷头设备的操作方法，基于在地下煤层中已设有ISC井对的完井系统，所述操作方法如下：
（a）喷头设备的止回阀与上游连续油管设备连接，采用气密性密封的外部抓钩连接器或快速连接器或带有卡口/定位螺栓的螺纹连接或法兰螺栓连接；
（b）喷头设备的喷嘴与地下点火设备连接，采用快速连接器连接；
（c）将喷头设备通过井口控制设备和连续油管设备推进至预定点火位置；
（d）通过喷头冷却剂通道注入低流量空气，通过氧化剂通道注入压力或流速启动并断开地下点火设备，实施地下煤层点火；
（e）点火成功后，后撤喷头设备至安全位置；
（f）通过喷头冷却剂通道注入冷却剂，并利用冷却剂注入压力和/或流量密封注入井内衬管与喷头设备的环隙空间；
（g）通过喷头氧化剂通道注入氧化剂，实施煤炭地下气化；
（h）通过调整冷却剂注入压力和/或流量开启注入井内衬管与喷头设备的环隙空间，实施喷头设备的回退操作，直至消耗沿注入井内衬管方向的所有煤藏。
本发明的有益效果是：按照本发明，当利用本发明的喷头设备和操作方法可向地下煤层连续注入高浓度氧化剂，其中所述高浓度氧化剂为包含至少80vol%氧，优选至少90vol%氧的富氧空气或纯氧；所述冷却剂为水、水蒸汽或二氧化碳，此时该冷却剂同时用作煤气化过程的气化剂。
按照本发明，当利用本发明的喷头设备进行煤炭地下气化过程时，不再需要在中断氧化剂和冷却剂注入的情况下直接通过控制冷却剂注入压力和/或流量实施连续回退过程。相对而言操作起来更为灵活方便，从而可以大幅缩短现有技术回退法的回退周期和/或回退距离，实现煤炭地下气化工艺的连续稳定运行。利用本发明的喷头设备可以安全稳定地使用高浓度氧化剂如纯氧，从而可以获得高质量且质量稳定的产品气，为现有技术带来了进步。
附图说明：
图1为本发明喷头设备的纵向截面图；
图2(a)为图1的A-A剖视图;
图2(b)为图1的B-B剖视图；
图3(a)为本发明的止回阀支撑件的剖视图；
图3(b)为本发明的喷嘴外壳支撑件的剖视图；
图4为本发明喷头设备操作方法的示意图。
在各附图中，相同的附图标记指相同部件。具体地，各附图中涉及的附图标记含义如下：
1、注入井内衬管；2、连续油管；3、分布式温度、压力和声波传感器(分别固定在注入井内衬管外部、喷嘴外壳和喷嘴主体)；4、止回阀；5、机械剪切装置；6、剪切装置主体；7、剪切装置外壳；8、剪切鞘；9、喷嘴主体；10、喷嘴外壳；11、氧化剂通道；12、冷却剂通道；13、非闭合螺纹（喷嘴内部的冷却剂通道）；14、燃烧和气化区；15、冷却剂入口；16、冷却剂出口；17、氧化剂喷射孔；18、止回阀支撑件；19、喷嘴外壳支撑件；20、外部抓钩连接器；21、气动保护塞；22、微型文丘里/引流纹路；23、U型支撑脚；24、弹簧；25、滚轮；26、U型支撑圈；27、密封圈；28、氧化剂和冷却剂混合物；29、煤层；30、燃空区。
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。
用于煤炭地下气化工艺的喷头设备，基于注入井内衬管作为移动通道，所述喷头设备包括如下部件：
（a）止回阀，用于阻止逆向易燃易爆气体污染、损坏上游设备；
（b）机械剪切装置，设于止回阀下游，用于在必要时剪断喷嘴以撤回其它设备；
（c）喷嘴，设于机械剪切装置下游，包括喷嘴主体和喷嘴外壳，二者之间设有环形间隙，喷嘴主体处于低温环境，用于向燃烧和气化区喷射高浓度氧化剂，喷嘴外壳处于高温环境，用于向燃烧和气化区喷射冷却剂，喷嘴外壳远端装有气密性密封的快速连接器，用于在点火阶段连接、输送和断开地下点火设备；
（d）支撑件，包括止回阀支撑件和喷嘴外壳支撑件，分别设于止回阀外壳和喷嘴外壳的外部，用于喷头设备的扶正定位和环隙密封；止回阀支撑件由3-4个支撑部件组成，支撑部件之间的夹角为90-120°，距离止回阀近端0-30mm，支撑部件包括U型支撑脚、弹簧和滚轮；喷嘴外壳支撑件为环状支撑圈，距离喷嘴外壳远端0-30mm，支撑件包括U型支撑圈、弹簧和密封圈；
（e）分布式温度、压力和声波传感器，分别设于注入井内衬管外部，喷头设备外部和喷嘴主体内部，用于喷头设备工艺参数的监测和控制；
（f）气动保护塞，设于喷嘴的顶端，用于喷头设备进入井下时保护喷嘴设备；
喷头设备的各部件通过外部抓钩连接器或快速连接器或带有卡口/定位螺栓的螺纹或法兰螺栓实现非焊接连接并提供有效地气密性密封，止回阀中心、机械剪切装置中心和喷嘴主体中心构成喷头氧化剂通道，喷头设备与注入井内衬管之间的环隙空间以及喷嘴主体与喷嘴外壳之间的环隙空间构成喷头冷却剂通道。
对于用于煤炭地下气化工艺ISC井对的完井系统，注入井内衬管是很重要的组成部分，是煤炭地下气化过程中流体流动和喷头设备移动的重要通道。按照本发明，注入井内衬管属于牺牲性消耗品，通常情况碳钢或以上材料可满足操作环境要求。同时，根据冷却剂的性质，需对注入井内衬管内壁进行一定程度的防腐处理。注入井内衬管的尺寸一般为4.5、5.0、5.5、6.0、6.625或者7.0英寸。其管壁厚度（内径）可以依据静岩压和静水压、冷却剂的流量、喷头设备支撑件的外径等进行选型。注入井内衬管的连接方式以最后完井性能为最高优先级，可选用焊接连接、螺纹连接、卡箍沟槽连接、法兰连接、卡套式连接或卡压连接等。当喷头设备在注入井内衬管里拉回时，通过控制冷却剂的流量使这部分在喷头设备前方的注入井内衬管被燃烧和气化过程消耗，从而曝露出“新鲜”的煤层进行地下气化。该过程将被一直持续来控制合成气质量以及注入井内衬管周围的煤炭消耗量。
本发明的技术方案中，止回阀用于阻止逆向易燃易爆气体污染、损坏上游设备。在氧化剂通道上位于机械剪切装置上游和氧化剂喷射孔内都安装有止回阀。在冷却剂通道上，位于喷嘴外壳的冷却剂入口和出口都安装有止回阀。止回阀和上游连续油管设备通过外部抓钩连接器、或快速连接器、或带有卡口/定位螺栓的螺纹连接、或法兰螺栓连接，实现非焊接连接和提供有效地气密性密封。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或球+弹簧型等。
本发明的技术方案中，止回阀外壳装有支撑件，起到喷头设备在注入井内衬管内的扶正作用。所述支撑件选用316L不锈钢或以上材料，由3-4个支撑部件沿径向分布组成，避免对冷却剂造成限流。每个支撑部件之间的夹角为90-120o，距离止回阀近端0-30mm。支撑部件包括U型支撑脚、弹簧和滚轮。支撑部件可以通过焊接、或固定螺栓或一体成型方式安装在止回阀外壳。U型支撑脚和注入井内衬管内圈留有5-10mm的缝隙，滚轮和注入井内衬管内圈直接接触。采用弹簧滚轮设计可以方便喷头设备通过定向井弯道和在注入井内衬管内自由移动，且方便跨越注入井内衬管内的障碍物，例如注入井内衬管安装过程造成的变形，喷头设备回撤过程造成的固体颗粒或焦油冷凝物等。
本发明的技术方案中，机械剪切装置由剪切装置主体、剪切装置外壳和剪切鞘组成。采用自断机构，通过剪切鞘剪断主体和外壳。用于在必要时剪断喷嘴以撤回上游设备，例如注入井内衬管熔融或由于注入井内衬管变形造成的机械性卡死。这样就能确保其它上游设备可以快速拉回、及时维护和更换，从而在一定程度上减少了煤炭地下气化工艺中的设备损耗。
本发明的技术方案中，喷嘴位于机械剪切装置下游，包括喷嘴主体和喷嘴外壳。喷嘴主体处于低温环境，用于向燃烧和气化区喷射高浓度氧化剂如纯氧。喷嘴外壳处于高温环境，用于向燃烧和气化区喷射冷却剂如水、蒸汽或二氧化碳。于此同时，冷却剂在喷嘴外壳和喷嘴主体间形成一个冷却隔离带，用于保护喷嘴主体。喷嘴外壳端部装有气密性密封的快速连接器，用于在点火阶段连接、输送和断开地下点火设备。
喷嘴的制造材料必须适合高温高压纯氧应用以及高速的氧气流动环境，例如选用黄铜、铬镍铁合金、蒙乃尔铜-镍合金等。喷嘴主体的高浓度氧化剂流动通道必须干净且适用纯氧环境，无微粒或碳氢化合物污染。整个喷头设备所有内部表面都需要经过特殊加工处理来防止在高纯度氧化剂环境下金属内表面出现颗粒冲击自燃的危险。
喷嘴外壳需有足够的壁厚（10-20mm），来满足由高温区产生的反向热辐射、热对流和热传导的散热和冷却要求，防止出现任何可能的反向燃烧，保证整个喷头设备的完整性和可靠性。喷嘴外壳和喷嘴主体通过非闭合螺纹连接，以在喷嘴内部为冷却剂提供螺旋式液压流动路径，非闭合螺纹之间的间隔为2-10mm深和宽。非闭合螺纹间隔作为冷却剂输送的主要通道，并对喷嘴起环绕冷却和散热作用。螺纹的间隔密集度由喷嘴要求的散热要求和冷却效率共同决定。同时，由于采用螺纹连接，便于根据不同煤矿的实际运行情况和操作要求对喷嘴外壳进行更换和维护。例如，损坏更换、调整冷却剂出口数目、调整氧化剂喷射孔数目、调整喷嘴外壳厚度等。
喷嘴外壳近端（上游）设有4-12个冷却剂入口，喷嘴外壳远端（下游）外圈设有4-12个冷却剂出口。每个进出口都与内部螺纹通路连通，且安装有止回阀，防止由于喷头设备回撤过程中冷却剂压力的降低而造成易燃易爆气体逆向进入冷却剂通道给上游设备造成的污染和潜在威胁。
喷嘴外壳远端内圈设有一个或多个氧化剂喷射孔。单喷射孔的尺寸基于出口最大喷射速度确定，以优化氧化剂在燃烧和气化区内的喷射输送距离。多个喷射孔的多个孔按中心和外周分布且外周各孔与中心孔平行或按照与中心孔成5-35°角、优选8-20°角向外发散，以优化氧化剂在燃烧和气化区内的喷射分散范围。
喷嘴外壳装有支撑件，所述支撑件为同心设置的环状支撑圈，距离喷嘴外壳远端（下游）0-30mm，用于在正常操作下密封注入井内衬管和喷头设备的环隙空间，使得气化过程中喷头设备完全被冷却剂包覆。所述支撑件选用耐高温防腐的特殊双相钢材，例如铬镍铁合金、蒙乃尔铜-镍合金、钨合金等。支撑件包括U型支撑圈、弹簧和密封圈。支撑件可以通过焊接、或固定螺栓或一体成型方式安装在喷嘴外壳。U型支撑圈和注入井内衬管内圈留有5-10mm的缝隙，密封圈厚度大于缝隙。密封圈的内部空间与所述喷嘴内部的冷却剂螺旋式液压流动路径连通，密封圈的伸缩由冷却剂的注入压力和/或流量控制。
喷嘴外壳上从支撑件开始，经过冷却剂出口至氧化剂喷射孔设有多条2-3mm深的微型文丘里/引流纹路，用于引导冷却剂到达所述喷嘴外壳远端端及氧化剂喷射孔以实施冷却保护。
喷头设备的外部需要保持平整光滑，其外径的任何变化必须有个逐渐过渡的过程。以便其在注入井内衬管内顺利插入和拉回，且可以确保其通过井口控制设备时的气密性。
本发明的技术方案中，分布式温度、压力和声波传感器均可以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。所述分布式温度、压力和声波传感器分别安装在注入井内衬管外部、喷头设备外部和喷嘴主体内部，用于获取燃烧和气化区、喷嘴外壳、冷却剂通道和氧化剂通道的温度、压力和声波信号并反馈给井口附近的控制系统。在喷嘴主体内部可以附加或替代地固定双金属护套K型双探头热电偶，以获得该点温度并基于该温度控制冷却剂注入流量。按照本发明，基于如上所述设计的温度、压力和声波信号采集系统，可以实现对整个煤炭地下气化过程的良好控制。
喷头设备还可以带有气动保护塞，所述气动保护塞一般为圆形，放置在喷嘴顶端，用于在多次进入注入井时保护氧化剂喷嘴，避免其进出注入井时发生的机械磨损和污染（如油脂、钻井泥浆、煤颗粒等）。在开始注入氧化剂时可以被高压氧化剂流吹掉而不会防碍氧化剂注入。
本发明的喷头设备的操作方法，基于在地下煤层中已设有ISC井对的完井系统，所述操作方法如下：
（a）喷头设备的止回阀与上游连续油管设备连接，采用气密性密封的外部抓钩连接器或快速连接器或带有卡口/定位螺栓的螺纹连接或法兰螺栓连接；
（b）喷头设备的喷嘴与地下点火设备连接，采用快速连接器连接；
（c）将喷头设备通过井口控制设备和连续油管设备推进至预定点火位置；
（d）通过喷头冷却剂通道注入低流量空气，通过氧化剂通道注入压力或流速启动并断开地下点火设备，实施地下煤层点火；
（e）点火成功后，后撤喷头设备至安全位置；
（f）通过喷头冷却剂通道注入冷却剂，并利用冷却剂注入压力和/或流量密封注入井内衬管与喷头设备的环隙空间；
（g）通过喷头氧化剂通道注入氧化剂，实施煤炭地下气化；
（h）通过调整冷却剂注入压力和/或流量开启注入井内衬管与喷头设备的环隙空间，实施喷头设备的回退操作，直至消耗沿注入井内衬管方向的所有煤藏。
当利用本发明的喷头设备和操作方法可向地下煤层连续注入高浓度氧化剂，其中所述高浓度氧化剂为包含至少80vol%氧，优选至少90vol%氧的富氧空气或纯氧。所述冷却剂为水、水蒸汽或二氧化碳，此时该冷却剂同时用作煤气化过程的气化剂。
在所述操作方法中，通过环隙空间和螺旋式液压流动通道注入冷却剂可实现双重冷却功效：喷头设备在环隙空间内被冷却剂包覆可实现第一层冷却功效；进入螺旋式液压流动通道内部的冷却剂以高流速环绕冷却喷嘴主体实现第二层冷却功效，且冷却效率可根据喷头设备的测量温度来主动控制冷却剂流量，实现可控冷却机制，避免喷嘴外壳和/或喷嘴主体温度过高。
在采用回退法进行煤炭地下气化过程中，环隙空间的密封可由冷却剂注入压力和/或流量控制。通过调整冷却剂注入压力和/或流量，打开密封圈，便于同时采用连续油管拉回喷头设备。同时，回撤到位后可以通过减少冷却剂的注入流量，例如减小冷却剂流量10-80%，加快喷头设备前方内衬管的燃烧速率，使得新鲜煤层暴露在高温燃烧和气化区。由于本发明喷头设备的操作灵活性，回退周期和回退距离都可以大幅缩短，并且可以在回退过程中仍保持氧化剂如纯氧和冷却剂的注入，实现煤炭地下气化工艺的连续稳定运行。
下面参考附图进一步描述本发明的实施方案。
图1-3给出了本发明喷头设备的示意图，包括喷头设备剖视图、A-A剖视图、B-B剖视图、止回阀支撑件剖视图和喷嘴外壳支撑件剖视图。如图1所示，连续油管2通过外部抓钩连接器20与止回阀4相连。止回阀4外壳安装有止回阀支撑件18，该支撑件由3个支撑部件组成（图2（a）A-A），起到喷头设备的扶正作用。支撑部件包括U型支撑脚23、弹簧24和滚轮25（图3（a））。止回阀4下游连接机械剪切装置5，该机械剪切装置5包含剪切装置主体6、剪切装置外壳7和剪切鞘8，用于在必要时剪断喷嘴以撤回上游连续油管2等设备。机械剪切装置5下游与喷嘴主体9和喷嘴外壳10相连。喷嘴外壳10和喷嘴主体9通过非闭合螺纹13连接，螺纹13间隙作为冷却剂的主要通道对喷嘴9、10起环绕冷却和散热作用。喷嘴外壳10近端设有8个冷却剂入口15，喷嘴外壳10远端外圈设有8个冷却剂出口16，每个进出口都与内部螺纹通道13连通，且安装有止回阀（图2）。喷嘴外壳远端内圈设有9个氧化剂喷射孔17（图2（b）B-B），其中中心氧化剂喷射孔17装有气密性密封的快速连接器（图中未标出），用于在点火阶段连接、输送和断开地下点火设备。喷嘴外壳10装有喷嘴外壳支撑件19，该喷嘴外壳支撑件为环状支撑圈（图2（b）B-B），包括U型支撑圈26、弹簧24和密封圈27（图3（b）），用于在正常操作下密封内衬管1和喷头设备的环隙空间，使得喷头设备完全被冷却剂包覆。当喷头设备进入地下时，需加装气动保护塞21，以防止污染物侵入喷头设备。分布式温度、压力和声波传感器3分别固定在注入井内衬管1、喷嘴外壳10和喷嘴主体9，用于获取燃烧和气化区14、喷嘴外壳10、冷却剂通道12和氧化剂通道11的温度、压力和声波信号并反馈给控制系统实施煤炭地下气化工艺控制操作。
图4给出了本发明喷头设备操作方法的示意图（正常生产过程）。通过喷头冷却剂通道12注入冷却剂，并利用冷却剂注入压力和/或流量密封内衬管1与喷头设备的环隙空间（密封圈19）。通过喷头氧化剂通道11注入氧化剂，将气动保护塞21吹开后，实施煤炭地下气化。氧化剂和冷却剂（气化剂）在喷头设备前端混合后28，进入燃烧和气化区14实施煤炭地下气化过程。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。对于本领域的技术人员来说，只要不偏离本发明的精神和原则，所述变化和调整均应在本发明范围内。

Claims (10)

1.用于煤炭地下气化工艺的喷头设备，基于注入井内衬管作为移动通道，其特征在于：所述喷头设备包括如下部件：
（a）止回阀，用于阻止逆向易燃易爆气体污染、损坏上游设备；
（b）机械剪切装置，设于止回阀下游，用于选择性剪断喷嘴以撤回其它设备；
（c）喷嘴，设于机械剪切装置下游，包括喷嘴主体和喷嘴外壳，二者之间设有环形间隙，喷嘴主体处于低温环境，用于向燃烧和气化区喷射高浓度氧化剂，喷嘴外壳处于高温环境，用于向燃烧和气化区喷射冷却剂，喷嘴外壳远端装有气密性密封的快速连接器，用于在点火阶段连接、输送和断开地下点火设备；
（d）支撑件，包括止回阀支撑件和喷嘴外壳支撑件，分别设于止回阀外壳和喷嘴外壳的外部，用于喷头设备的扶正定位和环隙密封；止回阀支撑件由3-4个支撑部件组成，支撑部件之间的夹角为90-120°，距离止回阀近端0-30mm，支撑部件包括U型支撑脚、弹簧和滚轮；喷嘴外壳支撑件为环状支撑圈，距离喷嘴外壳远端0-30mm，支撑件包括U型支撑圈、弹簧和密封圈；
（e）分布式温度、压力和声波传感器，分别设于注入井内衬管外部，喷头设备外部和喷嘴主体内部，用于喷头设备工艺参数的监测和控制；
（f）气动保护塞，设于喷嘴的顶端，用于喷头设备进入井下时保护喷嘴设备；
喷头设备的各部件通过外部抓钩连接器或快速连接器或带有卡口/定位螺栓的螺纹或法兰螺栓实现非焊接连接并提供有效地气密性密封，止回阀中心、机械剪切装置中心和喷嘴主体中心构成喷头氧化剂通道，喷头设备与注入井内衬管之间的环隙空间以及喷嘴主体与喷嘴外壳之间的环隙空间构成喷头冷却剂通道。
2.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的喷头设备，其特征在于：所述喷嘴外壳与喷嘴主体通过非闭合螺纹连接，以在喷嘴内部为冷却剂提供螺旋式液压流动通道，喷嘴外壳近端设有若干个冷却剂入口，喷嘴外壳远端外圈设有若干个冷却剂出口，每个进出口都与螺旋式液压流动通道连通。
3.根据权利要求2所述的用于煤炭地下气化工艺的喷头设备，其特征在于：所述喷嘴外壳远端内圈设有一个或多个氧化剂喷射孔，单喷射孔的尺寸基于出口最大喷射速度确定，以优化氧化剂在燃烧和气化区内的喷射输送距离；多个喷射孔的多个孔按中心和外周分布且外周各孔与中心孔平行或按照与中心孔成5-35°角向外发散，以优化氧化剂在燃烧和气化区内的喷射分散范围。
4.根据权利要求3所述的用于煤炭地下气化工艺的喷头设备，其特征在于：在氧化剂通道上位于机械剪切装置上游和氧化剂喷射孔内均安装有止回阀，在冷却剂通道上，位于喷嘴外壳的冷却剂入口和出口均安装有止回阀。
5.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的喷头设备，其特征在于：位于止回阀外壳的支撑件的支撑部件，通过焊接或固定螺栓或一体成型方式安装在止回阀外壳；U型支撑脚和注入井内衬管内圈留有5-10mm的缝隙，滚轮和注入井内衬管内圈直接接触。
6.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的喷头设备，其特征在于：位于喷嘴外壳的支撑件，通过焊接或固定螺栓或一体成型方式安装在喷嘴外壳，U型支撑圈和注入井内衬管内圈留有5-10mm的缝隙，密封圈厚度大于缝隙，密封圈的内部空间与所述喷嘴的环隙空间连通，密封圈的伸缩由冷却剂的注入压力和/或流量控制。
7.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的喷头设备，其特征在于：所述机械剪切装置由剪切装置主体、剪切装置外壳和剪切鞘组成，采用自断机构，通过剪切鞘剪断剪切装置主体和剪切装置外壳。
8.根据权利要求3所述的用于煤炭地下气化工艺的喷头设备，其特征在于：所述喷嘴外壳上从支撑件开始，经过冷却剂出口至氧化剂喷射孔设有多条2-3mm深的微型文丘里/引流纹路，用于引导冷却剂到达所述喷嘴外壳远端及氧化剂喷射孔以实施冷却保护。
9.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的喷头设备，其特征在于：所述分布式温度、压力和声波传感器均为基于光纤时域反射测量技术的分布式感应光纤，或者在喷嘴主体内部附加或替代地固定双金属护套K型双探头热电偶，以获得喷嘴温度并基于喷嘴温度控制冷却剂注入流量。
10.权利要求1-9任意一项所述喷头设备的操作方法，基于在地下煤层中已设有煤炭地下气化井对的完井系统，其特征在于，所述操作方法如下：
（a）喷头设备的止回阀与上游连续油管设备连接，采用气密性密封的外部抓钩连接器或快速连接器或带有卡口/定位螺栓的螺纹连接或法兰螺栓连接；
（b）喷头设备的喷嘴与地下点火设备连接，采用快速连接器连接；
（c）将喷头设备通过井口控制设备和连续油管设备推进至预定点火位置；
（d）通过喷头冷却剂通道注入低流量空气，通过氧化剂通道注入压力或流速启动并断开地下点火设备，实施地下煤层点火；
（e）点火成功后，后撤喷头设备至安全位置；
（f）通过喷头冷却剂通道注入冷却剂，并利用冷却剂注入压力和/或流量密封注入井内衬管与喷头设备的环隙空间；
（g）通过喷头氧化剂通道注入氧化剂，实施煤炭地下气化；
（h）通过调节冷却剂注入压力和/或流量开启注入井内衬管与喷头设备的环隙空间，实施喷头设备的回退操作，直至消耗沿注入井内衬管方向的所有煤藏。
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