CN107605454A - 出气钻孔及出气钻孔输送煤气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种出气钻孔及出气钻孔输送煤气的方法，其中，出气钻孔包括：第一套管、第二套管、注水管；其中，第一套管的第一端用于与井口装置相连接，第一套管的第二端为自由端且置于地面以下；第二套管套设于第一套管的内部，并且，第二套管的长度大于第一套管的长度，第二套管的第一端与井口装置相连接，第二套管的第二端为自由端且对应于煤层处，第二套管用于将煤层中气化反应产生的煤气输出；注水管悬置于第二套管内，注水管的第一端用于与井口装置相连接，注水管的第二端为悬空设置，注水管用于向煤气喷洒冷却水。本发明中，煤气化反应产生的高温煤气经过冷却水的喷淋后温度大大降低，进而有效地保护了第二套管和第一套管。

Description

出气钻孔及出气钻孔输送煤气的方法

技术领域

本发明涉及化石能源开采技术领域，具体而言，涉及一种出气钻孔及出气钻孔输送煤气的方法。

背景技术

煤炭地下气化技术是利用煤炭的原位燃烧、气化反应生产煤气或合成气的技术，在煤炭地下气化过程中，为了维持反应的进行，通常需要在煤层中设置进气钻孔、出气钻孔和相应的连接进气钻孔与出气钻孔的气化通道。一般而言，进气钻孔用于向煤层中输送气化剂(如空气、氧气等)，气化剂在气化通道内与煤层发生燃烧、气化反应生成高温煤气，高温煤气则通过出气钻孔排出至地面以供后续利用。

然而，反应产生的高温煤气携带有大量的热量，其热量占煤层燃烧释放热量的比例为5～10％，温度高达400℃。高温煤气在流经出气钻孔排出至地面的过程中，高温煤气将对出气钻孔内的套管和套管外部的环空水泥石环产生热应力作用，使得套管和环空水泥石环的强度大大降低，导致套管因应力载荷而破损，环空水泥石环开裂甚至破碎，进而使得地层封隔失效，出气钻孔无法正常出气，严重时，出气钻孔与含水层相导通，地下水涌入至气化通道内，使得整个气化过程失败。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种出气钻孔，旨在解决现有技术中高温煤气易破坏出气钻孔的问题。本发明还提出了一种出气钻孔输送煤气的方法。

一个方面，本发明提出了一种出气钻孔，该出气钻孔包括：第一套管、第二套管、注水管；其中，第一套管的第一端用于与井口装置相连接，第一套管的第二端为自由端且置于地面以下；第二套管套设于第一套管的内部，并且，第二套管的长度大于第一套管的长度，第二套管的第一端与井口装置相连接，第二套管的第二端为自由端且对应于煤层处，第二套管用于将煤层中气化反应产生的煤气输出；注水管悬置于第二套管内，注水管的第一端用于与井口装置相连接，注水管的第二端为悬空设置，注水管用于向煤气喷洒冷却水。

进一步地，上述出气钻孔还包括：多个喷嘴；其中，注水管的侧壁开设有多个开口，各喷嘴与各开口一一对应连接，每个喷嘴均用于输出冷却水。

进一步地，上述出气钻孔中，注水管内设置有逆止阀。

进一步地，上述出气钻孔还包括：生产套管和固定装置；其中，生产套管置于第二套管内，生产套管的第一端用于与井口装置相连接，生产套管的第二端通过固定装置与第二套管的内壁相连接，生产套管的外壁与第二套管的内壁之间的间隙形成第一环形空间，生产套管用于输出煤气；注水管悬置于生产套管内，注水管的外壁与生产套管的内壁之间的间隙形成第二环形空间。

进一步地，上述出气钻孔中，井口装置对应于第一环形空间处开设有气体输入口，气体输入口用于向第一环形空间内输送气体。

进一步地，上述出气钻孔还包括：伸缩器；其中，生产套管包括：第一管段和第二管段，第一管段的第一端用于与井口装置相连接，第一管段的第二端通过伸缩器与第二管段相连接，第二管段通过固定装置与第二套管的内壁相连接。

进一步地，上述出气钻孔还包括：尾管；其中，尾管的第一端与生产套管的第二端相连接，尾管的第二端悬置于煤层中，尾管用于对煤层进行支护。

进一步地，上述出气钻孔中，至少置于煤层中的尾管的侧壁开设有多个开孔。

进一步地，上述出气钻孔还包括：多个扶正器；其中，各扶正器均设置于第二环形空间内，并且，各扶正器均沿注水管的长度方向均匀设置。

进一步地，上述出气钻孔中，在第一环形空间内设置有传感器；和/或，在第二环形空间内设置有传感器和/或取样管。

进一步地，上述出气钻孔还包括：第一水泥环和第二水泥环；其中，第一水泥环包设于第一套管的外部；第二水泥环包设于第二套管的外部且部分置于第一套管与第二套管之间。

本发明中，通过在第二套管内设置注水管，注水管向煤气化反应产生的高温煤气喷洒冷却水，使得煤气经过冷却水的喷淋后温度大大降低，并且，冷却水在注水管中流动的过程与第二套管中输出的煤气进行换热，进一步降低了煤气的温度，进而有效地保护了第二套管和第一套管，避免了第二套管的损坏，解决了现有技术中高温煤气易破坏出气钻孔的问题，从而确保了出气钻孔的正常输送煤气，保证气化过程的顺利进行。

另一方面，本发明还提出了一种采用上述的出气钻孔输送煤气的方法，该方法包括如下步骤：气化步骤，煤与气化剂在地下气化通道中进行气化反应产生煤气；冷却步骤，出气钻孔的注水管向煤气喷洒冷却水；输送步骤，降温后的煤气由出气钻孔的第二套管输出至地面。

进一步地，上述出气钻孔输送煤气的方法中，在第二套管内设置有生产套管，生产套管与第二套管之间的间隙形成第一环形空间，注水管置于生产套管内，注水管与生产套管之间的间隙形成第二环形空间；输送步骤，降温后的煤气由第二环形空间输出至地面；输送步骤之后还包括：向第一环形空间内输送冷却气体。

进一步地，上述出气钻孔输送煤气的方法中，出气钻孔为垂直孔或水平定向孔。

本发明中，通过注水管向煤气化反应产生的高温煤气喷洒冷却水，使得煤气经过冷却水的喷淋后温度大大降低，并且，冷却水在注水管中流动的过程与第二套管中输出的煤气进行换热，进一步降低了煤气的温度，进而有效地保护了出气钻孔，避免了出气钻孔的损坏，从而确保了出气钻孔的正常输送煤气，保证气化过程的顺利进行。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的出气钻孔的实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的出气钻孔的实施例一在使用时的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的出气钻孔的实施例二的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的出气钻孔输送煤气的方法的流程图；

图5为本发明实施例提供的出气钻孔输送煤气的方法的又一流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

出气钻孔实施例一：

本领域技术人员应该理解，煤炭地下气化技术包括：进气钻孔、出气钻孔和气化通道，其中，进气钻孔用于向煤层15中输送气化剂，气化剂在气化通道内与煤层15发生气化反应生成高温煤气，高温煤气通过出气钻孔排出至地面16。出气钻孔可以为垂直孔，也可以为水平定向孔。在本实施例中，是以出气钻孔为垂直孔进行介绍的。

参见图1，图1为本发明实施例提供的出气钻孔的结构示意图。如图所示，该出气钻孔包括：第一套管1、第二套管2和注水管3。其中，第一套管1的第一端(图1所示的上端)与井口装置4相连接，第一套管1的第二端(图1所示的下端)为自由端且置于地面16以下。具体地，出气钻孔的井口设置有井口装置4，第一套管1的第一端可以与井口装置4相连接。第一套管1用于封堵和加固表层松软土层和流沙层，则第一套管1的长度适中，第一套管1的第二端置于地面16以下的一段距离即可，并且，不置于煤层15中。在本实施例中，第一套管1主要用于加固第四系松散土层，第一套管1由地面至第四系松散土层底界以下2m。

第二套管2套设于第一套管1的内部，并且，第二套管2的长度大于第一套管1的长度，第二套管2的第一端(图1所示的上端)与井口装置4相连接，第二套管2的第二端(图1所示的下端)为自由端，并且，第二套管2的第二端对应于煤层15处，第二套管2用于将煤层中煤气化反应产生的煤气输出。具体地，第二套管2置于第一套管1的内部，第二套管2与第一套管1之间具有间隙。第二套管2的第一端可以与井口装置4相连接，当然，第二套管2的第一端也可以置于井口装置4内。第二套管2的第二端为悬空设置。当出气钻孔为垂直孔时，第二套管2的第二端置于煤层15的上部(相对于图1而言)或者置于煤层15中。当第二套管2的第二端置于煤层15的上部时，第二套管2的第二端置于煤层15顶板处，以使产生的煤气进入第二套管2的内部。由于第二套管2用于将产生的煤气输出，所以，第二套管2的长度大于第一套管1的长度。第二套管2能够封隔易漏、易塌地层以及加固覆岩冒落、塌陷影响区。

注水管3悬置于第二套管2内，注水管3的第一端(图1所示的上端)用于与井口装置4相连接，注水管3的第二端(图1所示的下端)为悬空设置，注水管3用于向煤气喷洒冷却水。具体地，注水管3置于第二套管2内，注水管3与第二套管2并不接触，则注水管3的外壁与第二套管2的内壁之间的间隙用于输出煤气。井口装置4包括：悬挂器，注水管3的第一端与悬挂器相连接，以将注水管3固定。悬挂器开设有注水口，该注水口用于接收外界的冷却水，该注水口与注水管3的第一端相连通，注水管3的第一端用于接收冷却水。注水管3的第二端置于煤层15的上部(相对于图1而言)，以便于向煤气喷洒冷却水。注水管3可以为钢管。注水管3喷出的冷却水可以为煤气携带的冷凝液经处理后进行的再利用，也可以为后续系统利用段过冷水。注水管3的第二端可以设置有喷嘴，冷却水通过喷嘴喷射至出气钻孔的底部处的煤气上，并且，喷嘴可将冷却水雾化和造旋，以使冷却水更好地喷淋至高温煤气，对煤气进行降温。

具体实施时，第一套管1和第二套管2的层数可以根据地层地质条件进行设置，多层第一套管1由外至内依次套设，各第二套管2设置于最内层的第一套管1的内部，并且，各第二套管2由外至内依次套设。

工作时，煤层15中的煤与气化剂进行气化反应，产生高温的煤气，煤气经由第二套管2的内壁与注水管3的外壁之间的间隙输出至地面16。冷却水经由井口装置4输送至注水管3的第一端，注水管3接收冷却水，冷却水在注水管3内流动，并由注水管3的第二端输出，冷却水对高温的煤气进行喷淋。冷却水吸收高温煤气的热量转换为水蒸汽，而煤气的温度降低，并且，大部分的水蒸汽被煤气携带输送至地面16。同时，冷却水在注水管3中流动的过程中，与第二套管2内输出的煤气进行换热，也起到了对煤气进行降温的作用。

可以看出，本实施例中，通过在第二套管2内设置注水管3，注水管3向煤气化反应产生的高温煤气喷洒冷却水，使得煤气经过冷却水的喷淋后温度大大降低，并且，冷却水在注水管3中流动的过程与第二套管2中输出的煤气进行换热，进一步降低了煤气的温度，进而有效地保护了第二套管2和第一套管1，避免了第二套管2的损坏，解决了现有技术中高温煤气易破坏出气钻孔的问题，从而确保了出气钻孔的正常输送煤气，保证气化过程的顺利进行。

参见图1，该出气钻孔还可以包括：第一水泥环13和第二水泥环14。其中，第一水泥环13包设于第一套管1的外部，第二水泥环14包设于第二套管2的外部且部分置于第一套管1与第二套管2之间。具体地，第一水泥环13呈环状，第一水泥环13置于第一套管1的外部，第一水泥环13用于加固第一套管1，并且，封堵和加固表层松软土层和流沙层。这时，第一套管1的第一端可以不与井口装置4相连接，而是保持开放状态。第二水泥环14呈环状，第二水泥环14置于第二套管2的外部。由于第二套管2的长度大于第一套管1的长度，并且，第二套管2套设于第一套管1的内部，所以第一套管1与第二套管2之间具有间隙，第二水泥环14部分置于第一套管1与第二套管2之间的间隙内，第二水泥环14用于加固第二套管2，并且对由地面16至煤层15之间的地层进行加固。

可以看出，本实施例中，通过设置第一水泥环13，能够有效地固定第一套管1，并对表层松软土层和流沙层起到进一步加固作用；通过设置第二水泥环14，能够有效地固定第二套管2，并对由地面16至煤层15之间的地层进行加固和封隔，使得出气钻孔能够承受一定的压力和地层应力荷载，确保第二套管2顺利地将煤气输出，避免煤气的泄露和地下水，特别是承压含水层，的渗漏。

参见图1，如图所示，该出气钻孔还可以包括：多个喷嘴。其中，注水管3的侧壁开设有多个开口，具体地，各开口沿注水管3的高度方向(图1所示的由上至下的方向)均匀开设。在每个注水管3的同一截面也可以开设有多个开口，位于同一截面上的各开口沿注水管3的圆周方向均匀开设。

喷嘴的数量与开口的数量相同，各喷嘴与各开口一一对应连接，每个喷嘴均用于输出冷却水。

可以看出，本实施例中，通过注水管3的侧壁开设多个开口，能够使得注水管3中的冷却水不仅可以直接喷射至煤层15中与煤气接触，也可以与第二套管2中向地面16输出的煤气相接触，能够更好地、更快地降低煤气的温度，有效地保护第二套管2。

继续参见图1，如图所示，注水管3内设置有逆止阀5，该逆止阀5可以根据实际情况设置多个。优选的，逆止阀5为压力开启型的逆止阀，以保证注水管3内部始终充满冷却水，避免高温的煤气将注水管3烧坏。这样，通过设置逆止阀5，防止了停止供应冷却水后煤气进入注水管3，确保煤气的顺利排出。

继续参见图1，如图所示，该出气钻孔还可以包括：生产套管6和固定装置7。其中，生产套管6置于第二套管2内，生产套管6的第一端(图1所示的上端)用于与井口装置4相连接，生产套管6的第二端(图1所示的下端)通过固定装置7与第二套管2的内壁相连接，生产套管6的外壁与第二套管2的内壁之间的间隙形成第一环形空间8，生产套管6用于输出煤气。注水管3悬置于生产套管6内，注水管3的外壁与生产套管6的内壁之间的间隙形成第二环形空间9。具体地，生产套管6套设于第二套管2的内部，注水管3套设于生产套管6内，则第二套管2、生产套管6和注水管3由外向内(相对于图1而言)依次套设，生产套管6的外壁与第二套管2的内壁之间具有间隙，该间隙形成第一环形空间8；注水管3的外壁与生产套管6的内壁之间具有间隙，该间隙形成第二环形空间9，第二环形空间9用于输出煤气，则第一环形空间8用于隔离第二环形空间9内煤气的热量以避免第二套管2的损坏。生产套管6的第一端与井口装置4的悬挂器相连接，生产套管6的第二端可以置于煤层15的上部。固定装置7设置于第一环形空间8内，固定装置7与生产套管6的第二端的外壁和第二套管2的内壁均连接。优选的，该固定装置7为悬挂器。生产套管6为钢结构的生产套管。

第一环形空间8的顶部(图1所示的上部)被井口装置4封闭，第一环形空间8的底部(图1所示的下部)被固定装置7封闭。具体实施时，为了确保第一环形空间8底部的密封性，可以设置有环形的密封器17，该密封器17置于固定装置7的上部(相对于图1而言)。第二环形空间9的顶部(图1所示的上部)通过井口装置4与煤气出口18相连通，便于输出煤气。第二环形空间9的底部(图1所示的下部)为敞口设置，便于接收气化反应产生的煤气。

可以看出，本实施例中，通过设置生产套管6，使得第二套管2与生产套管6之间形成第一环形空间8，生产套管6与注水管3之间形成用于输出煤气的第二环形空间9，第一环形空间8能够有效地隔离第二环形空间9内输出的煤气的热量，避免第二套管2的损坏，从而确保了出气钻孔的正常输送煤气。

继续参见图1，上述实施例中，井口装置4对应于第一环形空间8处开设有气体输入口，气体输入口用于向第一环形空间8内输送气体。具体地，井口装置4包括：筒体，筒体开设有气体输入口，气体输入口与第一环形空间8相连通，第一环形空间8用于接收气体。具体实施时，气体可以为氮气，氮气的汽化热为199kj/kg，比热容(温度为-233℃)为1.489kj/kg，导热系数为0.0228W/(m·K)(压力在0.1MPa，温度为0℃)，所以氮气有很强的隔热性，其导热能力远远低于水，比空气也低。

具体实施时，注水管3喷射的冷却水对煤层15中产生的煤气进行喷淋降温，使得煤气的温度控制在150℃以下，以保证第一环形空间8隔热后，传至第二套管2的温度不超过80℃，以对第二套管2进行保护。

可以看出，本实施例中，通过向第一环形空间8内输送气体，利用气体对第二环形空间9内输出的煤气进行隔热，能够大大改善第二套管2的力学性能，进一步地对第二套管2起到保护的作用，避免第二套管2的损坏，延长第二套管2的使用寿命。

继续参见图1，上述各实施例中，该出气钻孔还可以包括：伸缩器10。其中，生产套管6包括：第一管段61和第二管段62，第一管段61的第一端(图1所示的上端)用于与井口装置4相连接，第一管段61的第二端(图1所示的下端)通过伸缩器10与第二管段62相连接，第二管段62通过固定装置7与第二套管2的内壁相连接。具体地，第一管段61的第一端与井口装置4的悬挂器相连接，第一管段61的第二端通过伸缩器10与第二管段62的第一端(图1所示的上端)相连接，第二管段62的第二端(图1所示的下端)通过固定装置7与第二套管2的内壁相连接。

可以看出，本实施例中，生产套管6的第一管段61与第二管段62通过伸缩器10相连接，伸缩器10能够补偿生产套管6受热的伸长，使得生产套管6具有一定的伸长量，防止生产套管6过度弯曲导致挤坏井口装置4。

继续参见图1，上述各实施例中，该出气钻孔还可以包括：尾管11。其中，尾管11的第一端(图1所示的上端)与生产套管6的第二端相连接，尾管11的第二端(图1所示的下端)悬置于煤层15中，尾管11用于对煤层15进行支护。具体地，尾管11的第一端与生产套管6的连接位置对应于固定装置7处，则固定装置7不仅对生产套管6的第二端起到固定作用，而且，对尾管11的第一端也起到固定作用，以使尾管11牢固的固定。当尾管11的管径与生产套管6的管径不同时，尾管11的第一端可以通过转换接头19或抛光孔座PBR与生产套管6的第二端相连接。当尾管11的管径与生产套管6的管径相同时，尾管11的第一端可以与生产套管6的第二端丝扣连接。尾管11的第二端悬空设置且置于煤层15中。具体实施时，尾管11的第一端与生产套管6的第二管段62的第二端相连接。

具体实施时，尾管11可以采用非金属可燃材质，例如聚乙烯、环氧树脂复合管等，当煤进行气化反应时，尾管11可以被烧掉，防止出气钻孔对应的煤层15因气化反应产生的灰渣堆积而堵塞第二环形空间9和注水管3。

可以看出，本实施例中，通过设置尾管11，能够对煤层15起到支护作用，确保产生的煤气顺利输出。

上述实施例中，至少置于煤层15中的尾管11的侧壁开设有多个开孔，该开孔用于接收气化反应产生的煤气。具体地，尾管11部分置于煤层15的上部，部分置于煤层15中，其中，尾管11置于煤层15中的部分的侧壁开设有多个开孔。尾管11置于煤层15上部的部分的侧壁可以开设开孔，也可以不开设开孔，本实施例对此不做任何限制。各开孔也可以沿尾管11的长度方向(图1所示的由上至下的方向)均匀开设。

当然，至少置于煤层15中的尾管11的侧壁可以开设有多个开孔，也可以是，至少置于煤层15中的尾管11为割封筛管，本实施例对此不做任何限制。

具体实施时，在出气钻孔启用前，需要向生产套管6和尾管11内注入气化剂，气化剂经尾管11开设的开孔输送至煤层中，将火区引导至出气钻孔的底端，通过气化剂与煤层的燃烧扩大通道，以利于生产套管6与注水管3之间的第二环形空间9顺畅地输出煤气。

可以看出，本实施例中，通过至少置于煤层15中的尾管11的侧壁开设有多个开孔，能够使得煤层15气化反应产生的煤气更好地输送至尾管11中，进而由第二环形空间9输送至地面16，结构简单，便于实施。

继续参见图1，上述各实施例中，该出气钻孔还可以包括：多个扶正器12。其中，各扶正器12均设置于第二环形空间9内，并且，各扶正器12均沿注水管3的长度方向(图1所示的由上至下的方向)均匀设置，每个扶正器12均用于对注水管3起到固定支撑作用。这样，能够有效地确保注水管3保持直立状态，避免注水管3的偏移。

继续参见图1，上述各实施例中，在第一环形空间8内设置有传感器；和/或，在第二环形空间9内设置有传感器和/或取样管。

在第一环形空间8内设置有传感器，传感器可以为第一压力传感器20、第一温度传感器(图中未示出)或者InSAR。第一压力传感器20用于监测第一环形空间8内输送的气体的压力，第一温度传感器用于监测第一环形空间8内的温度。具体实施时，可以根据监测到的第一环形空间8内温度和气体的压力的变化，调整气体输入的频次、流量和压力，以保证气体的隔热效果。具体实施时，第一环形空间8虽然顶部和底部均处于封闭状态，但是不可避免的会有气体的泄露，可以根据实际情况向第一环形空间8内补充气体。具体实施时，可以设置有控制系统，并在井口装置4上设置有气体控制阀，气体控制阀、第一压力传感器20和第一温度传感器均与控制系统电连接，控制系统接收并根据监测到的温度和气体的压力，控制气体控制阀的开启和关闭，以实现自动化操作，简单方便。

在第二环形空间9内设置有传感器和/或取样管(图中未示出)。其中，传感器可以为第二压力传感器21或者第二温度传感器(图中未示出)或者应力传感器。第二压力传感器21用于监测第二环形空间9内输送的煤气沿生产套管6由下而上的压力，第二温度传感器用于监测第二环形空间9内输送的煤气沿生产套管6由下而上的温度。具体实施时，可以根据监测到的第二环形空间9内煤气的压力，判断出气钻孔底部的堵塞情况，必要时，可以向注水管3和生产套管6内通入气体，以对出气钻孔的底部进行吹扫，确保生产套管6、注水管3和第二环形空间9的畅通，消除堵塞。也可以根据监测到的第二环形空间9内的温度变化，调整注水管3内冷却水的水量，以保证生产套管6在井口装置4的煤气出口18处的温度控制在第一预设温度下，例如：第一预设温度为150℃，或者以使第一环形空间8内温度不超过第二预设温度，例如：第二预设温度为80℃。

取样管(图中未示出)穿设于井口装置4且置于第二环形空间9内，取样管用于对第二环形空间9内的煤气进行取样。具体实施时，取样管可以与地面16的煤气在线分析仪相连接，以便于对煤气的成分等进行在线分析。

具体实施时，可以在井口装置4上设置有注水控制阀，注水控制阀、第二压力传感器和第二温度传感器均可以与控制系统电连接，控制系统接收并根据监测到的温度和气体的压力，控制注水控制阀的开启和关闭，以对注水管3内的冷却水的注水量和流量进行调节，从而实现自动化操作。

结合图1和图2，对本实施例的使用过程进行详细描述：首先将空气通过第二环形空间9注入煤层15中，使得出气钻孔被火力贯通，即出气钻孔与气化炉的出气通道连通。火力贯通的过程中，尾管11伴随煤层的燃烧而被烧掉，并且，在出气钻孔的底部形成燃空区22，燃空区22内有煤层燃烧后的灰渣和煤层顶板部分冒落的岩石，使得煤层15的顶部有一定的自由空间，该空间是煤气由煤层输送至第二环形空间9的通道。完成火力贯通后，停止向第二环形空间9内注入空气，而向第二环形空间9注入氮气，通过氮气对空气进行置换，当置换完全后，该出气钻孔用于向地面输送煤气。

通过井口装置4向第一环形空间8内冲入氮气，使得第一环形空间8内充满氮气。然后，通过井口装置4向注水管3内注入一定量的冷却水，冷却水经逆止阀5达到一定压力后由注水管3的第二端喷射，并且，注水管3第二端的喷嘴将冷却水进行雾化和旋流，使得冷却水连续喷淋至燃空区22。该冷却水对煤气化反应产生的高温煤气进行降温。在煤气出口18处设置有煤气阀门，当气化反应一段时间后，缓慢开启煤气阀门，降温后的煤气经过第二环形空间9输送至地面。通过监测第一环形空间8和第二环形空间9内的温度，逐步打开煤气阀门，使得煤气流量逐渐加大，直至煤气阀门完全打开。这时，第二温度传感器监测煤气沿第二环形空间9由下而上的温度，并根据该温度的变化调节注水管3内冷却水的水量，使得气化反应产生的温度高达400℃的高温煤气在降温后控制在150℃以下。第一温度传感器监测第一环形空间8内的温度，第一压力传感器20监测第一环形空间8内的压力，并根据温度和压力的变化情况，调整氮气的充放频次、流量和压力等，以保证氮气的隔热效果，使得第一环形空间8内温度不超过80℃。第二环形空间9内的取样管不断将输出的煤气进行采集，并将采集的煤气输送给煤气在线分析仪，进行在线分析煤气的主要成分，监测气化反应产生的煤气的变化，以及调整气化工艺参数。

综上所述，本实施例中，通过在第二套管2内设置注水管3，注水管3向煤气化反应产生的高温煤气喷洒冷却水，使得煤气经过冷却水的喷淋后温度大大降低，并且，冷却水在注水管3中流动的过程与第二套管2中输出的煤气进行换热，进一步降低了煤气的温度，进而有效地保护了第二套管2和第一套管1，避免了第二套管2的损坏，从而确保了出气钻孔的正常输送煤气，保证气化过程的顺利进行。

出气钻孔实施例二：

参见图3，图3为本发明实施例提供的出气钻孔的实施例二的结构示意图。在本实施例中，是以出气钻孔为水平定向孔进行介绍的。本实施例中的出气钻孔的结构与实施例一的结构基本相同，不同之处在于：当出气钻孔为水平定向孔，第二套管2的第二端(图3所示的下端)置于煤层15中且呈预设弧度弯曲。并且，尾管11与生产套管6的连接位置靠近煤层顶板处，尾管11置于煤层15中，尾管11呈预设弧度弯曲。以及，注水管3的第二端(图3所示的下端)置于尾管11与生产套管6的连接位置的下方(相对于图3而言)，以对出气钻孔进行保护。

具体地，该水平定向孔可以包括：竖直段23、造斜段24和水平段25，竖直段23对应的出气钻孔的结构与实施例一中出气钻孔的结构相同，水平段25沿煤层15延伸，采用筛管进行支护，造斜段24作为由竖直段23到水平段25的过度，具有一定的造斜率，造斜率的大小取决于煤层埋深、水平段的长度、造斜点的位置等，造斜段24一般选择在地层稳定的地段，以利于钻孔结构的稳定。第二套管2的第二端位于造斜段24处，使得第二套管2的第二端呈预设弧度弯曲。尾管11与生产套管6的连接位置位于造斜段24且靠近煤层顶板处，尾管11跟随造斜段24进行弯曲，并且与第二套管2的第二端具有相同的弯曲弧度，以避免煤层15受高温影响后导致出气钻孔整个结构的失稳。

具体实施时，生产套管6和注水管3均对应于水平定向孔的造斜段24处，并且，生产套管6的第二端和注水管3的第二端均为弯曲设置，并且，弯曲弧度与第二套管2的弯曲弧度相同。

具体实施时，预设弧度可以根据水平定向孔中造斜段的弯曲弧度来确定，本实施例对此不做任何限制。

需要说明的是，本实施例中，出气钻孔的具体结构参见实施例一中的说明即可，本实施例在此不再赘述。

可以看出，本实施例中，煤气化反应产生的高温煤气经过冷却水的喷淋后温度大大降低，并且，冷却水在注水管3中流动的过程与第二套管2中输出的煤气进行换热，进一步降低了煤气的温度，进而有效地保护了第二套管2和第一套管1，避免了第二套管2的损坏，从而确保了出气钻孔的正常输送煤气，保证气化过程的顺利进行。

方法实施例：

本实施例还提出了一种出气钻孔输送煤气的方法，该出气钻孔输送煤气的方法是采用上述出气钻孔实施例一或实施例二中任一种的出气钻孔进行输送煤气的方法。其中，该方法中关于出气钻孔的具体实施过程参见上述说明即可，本实施例在此不再赘述。

参见图4，图4为本发明实施例提供的出气钻孔输送煤气的方法的流程图。该出气钻孔输送煤气的方法包括如下步骤：

气化步骤S1，煤与气化剂在地下气化通道中进行气化反应产生煤气。

具体地，本领域技术人员应该理解，煤炭地下气化技术包括：进气钻孔、出气钻孔和气化通道，其中，进气钻孔用于向煤层15中输送气化剂，气化剂在气化通道内与煤层15发生气化反应生成高温煤气，高温煤气通过出气钻孔排出至地面16。其中，出气钻孔可以为垂直孔，也可以为水平定向孔。

冷却步骤S2，出气钻孔的注水管向煤气喷洒冷却水。

具体地，出气钻孔包括：第一套管1、第二套管2和注水管3。其中，第一套管1的第一端(图1所示的上端)与井口装置4相连接，第一套管1的第二端(图1所示的下端)为自由端且置于地面16以下，第一套管1用于封堵和加固表层松软土层和流沙层。第二套管2套设于第一套管1的内部，第二套管2与第一套管1之间具有间隙，并且，第二套管2的长度大于第一套管1的长度，第二套管2的第一端(图1所示的上端)与井口装置4相连接，第二套管2的第二端(图1所示的下端)为自由端且对应于煤层15处，第二套管2用于将煤气化反应产生的煤气输出。注水管3悬置于第二套管2内，注水管3的外壁与第二套管2的内壁之间的间隙用于输出煤气，注水管3的第一端(图1所示的上端)用于与井口装置4相连接，并接收冷却水。注水管3的第二端(图1所示的上端)为悬空设置。冷却水在注水管3内流动，并由注水管3的第二端输出，冷却水对高温的煤气进行喷淋。冷却水吸收高温煤气的热量转换为水蒸汽，而煤气的温度降低，并且，大部分的水蒸汽被煤气携带输送至地面16。

当出气钻孔为垂直孔时，第二套管2的第二端置于煤层15的上部或者置于煤层15中。

当出气钻孔为水平定向孔时，第二套管2的第二端置于煤层15中且呈预设弧度弯曲。具体地，第二套管2的第二端位于水平定向孔的造斜段处，预设弧度可以根据水平定向孔造斜段的弯曲弧度来确定，本实施例对此不做任何限制。

输送步骤S3，降温后的煤气由出气钻孔的第二套管输出至地面。

具体地，经过冷却水喷淋降温后的煤气由第二套管2与注水管3之间的间隙输出至地面16。并且，当冷却水在注水管3中流动的过程中，冷却水与第二套管2内输出的煤气进行换热，也起到了对煤气进行降温的作用。

可以看出，本实施例中，通过注水管3向煤气化反应产生的高温煤气喷洒冷却水，使得煤气经过冷却水的喷淋后温度大大降低，并且，冷却水在注水管3中流动的过程与第二套管2中输出的煤气进行换热，进一步降低了煤气的温度，进而有效地保护了出气钻孔，避免了出气钻孔的损坏，从而确保了出气钻孔的正常输送煤气，保证气化过程的顺利进行。

继续参见图5，图5为本发明实施例提供的出气钻孔输送煤气的方法的又一流程图。该出气钻孔输送煤气的方法包括如下步骤：

在第二套管2内设置有生产套管6，生产套管6与第二套管2之间的间隙形成第一环形空间8；注水管3置于生产套管6内，注水管3与生产套管6之间的间隙形成第二环形空间9。

具体地，该出气钻孔还可以包括：生产套管6和固定装置7。其中，生产套管6置于第二套管2内，生产套管6的第一端(图1所示的上端)用于与井口装置4相连接，生产套管6的第二端(图1所示的下端)通过固定装置7与第二套管2的内壁相连接，生产套管6的外壁与第二套管2的内壁之间的间隙形成第一环形空间8。注水管3悬置于生产套管6内，注水管3的外壁与生产套管6的内壁之间的间隙形成第二环形空间9。也就是说，生产套管6套设于第二套管2的内部，注水管3套设于生产套管6内，则第二套管2、生产套管6和注水管3由外向内(相对于图1而言)依次套设。第二环形空间9用于输出煤气，则第一环形空间8用于隔离第二环形空间9内煤气的热量以避免第二套管2的损坏。

气化步骤S1，煤与气化剂在地下气化通道中进行气化反应产生煤气。

冷却步骤S2，出气钻孔的注水管向煤气喷洒冷却水。

输送步骤S3，降温后的煤气由第二环形空间输出至地面。

具体地，经过冷却水喷淋降温后的煤气由生产套管6与注水管3之间的第二环形空间9输出至地面16。

输气步骤S4：向第一环形空间内输送冷却气体。

具体地，井口装置4对应于第一环形空间8处开设有气体输入口，气体输入口与第一环形空间8相连通，气体输入口用于向第一环形空间8内输送气体，该气体用于对第二环形空间9内输出的煤气进行隔热。具体实施时，气体可以为氮气。

需要说明的是，本实施例中，气化步骤S1和冷却步骤S2的具体实施过程参见上述实施例即可，本实施例在此不再赘述。

可以看出，本实施例中，通过设置生产套管6，使得第二套管2与生产套管6之间形成第一环形空间8，生产套管6与注水管3之间形成用于输出煤气的第二环形空间9，并通过向第一环形空间8内输送气体，利用气体对第二环形空间9内输出的煤气进行隔热，进一步地对出气钻孔起到保护的作用，避免第二套管2的损坏，从而确保了出气钻孔的正常输送煤气。

需要说明的是，本发明中的出气钻孔及出气钻孔输送煤气的方法的原理相同，相关之处可以相互参照。

综上所述，本实施例中，通过注水管向煤气化反应产生的高温煤气喷洒冷却水，使得煤气经过冷却水的喷淋后温度大大降低，并且，冷却水在注水管中流动的过程与第二套管中输出的煤气进行换热，进一步降低了煤气的温度，进而有效地保护了出气钻孔，避免了出气钻孔的损坏，从而确保了出气钻孔的正常输送煤气，保证气化过程的顺利进行。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种出气钻孔，其特征在于，包括：第一套管(1)、第二套管(2)、注水管(3)；其中，

所述第一套管(1)的第一端用于与井口装置(4)相连接，所述第一套管(1)的第二端为自由端且置于地面以下；

所述第二套管(2)套设于所述第一套管(1)的内部，并且，所述第二套管(2)的长度大于所述第一套管(1)的长度，所述第二套管(2)的第一端与所述井口装置(4)相连接，所述第二套管(2)的第二端为自由端且对应于煤层(15)处，所述第二套管(2)用于将所述煤层(15)中气化反应产生的煤气输出；

所述注水管(3)悬置于所述第二套管(2)内，所述注水管(3)的第一端用于与所述井口装置(4)相连接，所述注水管(3)的第二端为悬空设置，所述注水管(3)用于向所述煤气喷洒冷却水。

2.根据权利要求1所述的出气钻孔，其特征在于，还包括：多个喷嘴；其中，

所述注水管(3)的侧壁开设有多个开口，各所述喷嘴与各所述开口一一对应连接，每个所述喷嘴均用于输出冷却水。

3.根据权利要求1所述的出气钻孔，其特征在于，所述注水管(3)内设置有逆止阀(5)。

4.根据权利要求1所述的出气钻孔，其特征在于，还包括：生产套管(6)和固定装置(7)；其中，

所述生产套管(6)置于所述第二套管(5)内，所述生产套管(6)的第一端用于与所述井口装置(4)相连接，所述生产套管(6)的第二端通过所述固定装置(7)与所述第二套管(2)的内壁相连接，所述生产套管(6)的外壁与所述第二套管(2)的内壁之间的间隙形成第一环形空间(8)，所述生产套管(6)用于输出所述煤气；

所述注水管(3)悬置于所述生产套管(6)内，所述注水管(3)的外壁与所述生产套管(6)的内壁之间的间隙形成第二环形空间(9)。

5.根据权利要求4所述的出气钻孔，其特征在于，所述井口装置(4)对应于所述第一环形空间(8)处开设有气体输入口，所述气体输入口用于向所述第一环形空间(8)内输送气体。

6.根据权利要求4所述的出气钻孔，其特征在于，还包括：伸缩器(10)；其中，

所述生产套管(6)包括：第一管段(61)和第二管段(62)，所述第一管段(61)的第一端用于与所述井口装置(4)相连接，所述第一管段(61)的第二端通过所述伸缩器(10)与所述第二管段(62)相连接，所述第二管段(62)通过所述固定装置(7)与所述第二套管(2)的内壁相连接。

7.根据权利要求4所述的出气钻孔，其特征在于，还包括：尾管(11)；其中，

所述尾管(11)的第一端与所述生产套管(6)的第二端相连接，所述尾管(11)的第二端悬置于所述煤层(15)中，所述尾管(11)用于对煤层(15)进行支护。

8.根据权利要求7所述的出气钻孔，其特征在于，至少置于煤层(15)中的尾管(11)的侧壁开设有多个开孔。

9.根据权利要求4所述的出气钻孔，其特征在于，还包括：多个扶正器(12)；其中，

各所述扶正器(12)均设置于所述第二环形空间(9)内，并且，各所述扶正器(12)均沿所述注水管(3)的长度方向均匀设置。

10.根据权利要求5所述的出气钻孔，其特征在于，

在所述第一环形空间(8)内设置有传感器；和/或，

在所述第二环形空间(9)内设置有传感器和/或取样管。

11.根据权利要求1所述的出气钻孔，其特征在于，还包括：第一水泥环(13)和第二水泥环(14)；其中，

所述第一水泥环(13)包设于所述第一套管(1)的外部；

所述第二水泥环(14)包设于所述第二套管(2)的外部且部分置于所述第一套管(1)与所述第二套管(2)之间。

12.一种采用如权利要求1至11中任一项所述的出气钻孔输送煤气的方法，其特征在于，包括如下步骤：

气化步骤，煤与气化剂在地下气化通道中进行气化反应产生煤气；

冷却步骤，出气钻孔的注水管向所述煤气喷洒冷却水；

输送步骤，降温后的煤气由出气钻孔的第二套管输出至地面。

13.根据权利要求12所述的出气钻孔输送煤气的方法，其特征在于，

在所述第二套管内设置有生产套管，所述生产套管与所述第二套管之间的间隙形成第一环形空间；所述注水管置于所述生产套管内，所述注水管与所述生产套管之间的间隙形成第二环形空间；

所述输送步骤，降温后的煤气由所述第二环形空间输出至地面；

所述输送步骤之后还包括：向所述第一环形空间内输送冷却气体。

14.根据权利要求12所述的出气钻孔输送煤气的方法，其特征在于，所述出气钻孔为垂直孔或水平定向孔。