CN108518211B - 用于煤炭地下气化工艺的氧化剂混合注入系统及操作方法 - Google Patents
用于煤炭地下气化工艺的氧化剂混合注入系统及操作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108518211B CN108518211B CN201810268910.6A CN201810268910A CN108518211B CN 108518211 B CN108518211 B CN 108518211B CN 201810268910 A CN201810268910 A CN 201810268910A CN 108518211 B CN108518211 B CN 108518211B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- coiled tubing
- oxidant
- water
- flow
- injection
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 title claims abstract description 130
- 238000002347 injection Methods 0.000 title claims abstract description 123
- 239000007924 injection Substances 0.000 title claims abstract description 123
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 title claims abstract description 116
- 238000002309 gasification Methods 0.000 title claims abstract description 86
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 79
- 239000003245 coal Substances 0.000 title claims abstract description 77
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims abstract description 53
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 95
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 56
- 230000005514 two-phase flow Effects 0.000 claims abstract description 48
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000003595 mist Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 16
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 11
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 7
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 6
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 4
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 4
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical group [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 claims description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 2
- 238000010926 purge Methods 0.000 claims description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 2
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000011017 operating method Methods 0.000 claims 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 20
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 4
- 230000032258 transport Effects 0.000 description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 3
- 239000010963 304 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000589 SAE 304 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 244000261422 Lysimachia clethroides Species 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000012824 chemical production Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000010883 coal ash Substances 0.000 description 1
- 239000011280 coal tar Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 1
- 229910000623 nickel–chromium alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000009046 primary transport Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
- E21B43/295—Gasification of minerals, e.g. for producing mixtures of combustible gases
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Geology (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
Abstract
本发明提供了一种用于煤炭地下气化工艺(ISC)的氧化剂混合注入系统及操作方法。所述系统包括如下组件：1)两相混合设备；2)旋转接头；3)连续油管卷筒和连续油管管柱，连续油管管柱卷绕在连续油管卷筒上，在作业状态下通过连续油管卷筒卷绕实现连续油管的释放和回撤，连续油管管柱作为两相流的输送通道，用于输送氧化剂和水以及移送井下喷嘴到达地下煤层内的预定位置；4)导流器；5)井下喷嘴设备，位于导流器下游，用于将两相雾状流注入至地下气化炉的气化区；所述注入井内衬管作为连续油管管柱和井下设备的输送和操作通道，注入井内衬管外部还固定设有分布式温度、压力和声波传感器，用于监测燃烧和气化区温度和煤炭地下气化反应区域的压力。
Description
技术领域
本发明提供了一种用于煤炭地下气化工艺(ISC)的氧化剂混合注入系统及操作方法。特别地，本发明提供了一种在煤炭地下气化工艺中用于将氧化剂和水按可控比例混合后的注入系统，还提供了这种氧化剂混合注入系统在煤炭地下气化过程中的操作方法，具体可用于煤炭地下气化过程的正常操作过程。
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。
根据已有专利文献，目前煤炭地下气化技术所面临的问题主要包括：
1)将氧化剂注入ISC气化炉通常需要在井内安装多个(两个或更多)成本高且复杂的连续油管管柱，其中多个连续油管管柱可以采用是捆在式的偏心构造和/或成束的同心构造。
2)当使用多串连续油管管柱时，连续油管束的外径较大，因此需要较大的连续油管卷筒设备和非标准尺寸的井口控制系统，将很大程度上增加设备的运输成本和交付时间。
3)当要连续油管要满足纯氧应用时，其材料选择、部件加工和清洗等都具有一定的特殊要求以防止纯氧工作环境的冲击自燃，这将在一定程度上增加项目成本。
4)对于处在靠近燃烧和气化区的井下设备，当温度达到该金属熔点时，大多数金属部件在纯氧环境下会着火烧毁。这较大程度上限制了ISC的操作温度范围和井下设备的选材和设计。
5)由于氧化剂和水通常是分开进入燃烧和气化区，导致其气化工艺未完全达到最佳条件。
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的氧化剂混合注入系统及操作方法。具体的说，本发明提供了一种在煤炭地下气化工艺中用于将氧化剂和水按可控比例混合后的注入系统，还提供了这种氧化剂混合注入系统在煤炭地下气化过程中的操作方法，，具体可用于煤炭地下气化过程的正常操作过程。
按照本发明，所述氧化剂混合注入系统采用小管径单管的连续油管管柱将氧化剂和水按可控比例混合后从地表注入气化区。在进入连续油管旋转接头之前，水和氧化剂在地表作为两相流混合。在输送过程中，水的冷却特性可用于整个注入系统内所有部件的金属内壁。当水和氧化剂的两相流到达连续油管端部时，通过带有水流导向叶片的井下设备，将水滴(流)重新夹带到氧化剂流中。从而增强气化剂进料的分散度，以获得最佳的气化条件，从而可以提高产品气的稳定质量和产量，为现有技术带来了进步。
按照本发明，当采用氧化剂混合注入系统，可在小管径单管的连续油管内获得更高的氧化剂流量，降低连续油管卷筒设备和井口控制系统的尺寸和成本，降低了连续油管和井下设备的选材限制、设计和预处理要求，相对而言操作起来更为灵活方便。真正实现煤炭地下气化工艺的降本增效，亦为现有技术带来了进步。
附图说明
图1是本发明的氧化剂混合注入系统用于煤炭地下气化工艺的总体示意图(含地面和地下设备)；
图2是本发明的氧化剂混合注入系统地面氧化剂和水的混合位置的示意图；
图3是本发明的氧化剂混合注入系统混合流进入注入系统前氧化剂和水的混合设备的示意图；
图4是本发明的氧化剂混合注入系统井下设备正常生产的示意图。
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.水；2.高纯度氧化剂；3.氧化剂和水的混合设备；4.连续油管卷筒旋转接头；5.连续油管卷筒；6.连续油管管柱；7.连续油管井口控制设备；8.注入井井口；9.注入井水泥固井套管；10.注入井内衬管；11.井下注入设备；12.水和氧化剂的两相流；13.ISC气化区；14.连续油管卷筒中心轴；15.旋转接头密封件；16.按角度注水；17.同心注水；18.中心注水；19.水滴移动；20.井下喷嘴外壁；21.井下喷嘴内壁；22.导流器主体；23.弹簧导流叶片；24.导流叶片密封体；25.连续油管快速连接器/卡瓦式连接器；26.分布式温度、压力和声波传感器。
具体实施方式
本发明提供了一种用于煤炭地下气化工艺的氧化剂混合注入系统及操作方法。具体的说，本发明提供了一种在煤炭地下气化工艺中用于将氧化剂和水按可控比例混合后的注入系统，还提供了这种氧化剂混合注入系统在煤炭地下气化过程中的操作方法，，具体可用于煤炭地下气化过程的正常操作过程。
本发明提供了一种用于煤炭地下气化工艺的氧化剂混合注入系统，其中包括：
1)两相混合设备，位于连续油管卷筒旋转接头上游，用于在地表将氧化剂和水均匀混合。
2)旋转接头，位于两相混合设备下游，经连续油管卷筒中心轴使两相流与连续油管管柱连通，并由此实现在连续油管卷筒卷绕连续油管管柱过程中可连续供应氧化剂和水。
3)连续油管卷筒和连续油管管柱，小管径单管的连续油管管柱卷绕在连续油管卷筒上，在作业状态下通过连续油管卷筒卷绕实现连续油管的释放和回撤。连续油管管柱作为两相流的主要输送通道，用于输送氧化剂和水以及移送井下喷嘴到达地下煤层内的预定位置。
4)导流器，位于连续油管管柱下游，采用弹簧导流叶片设计，实现止回阀和两相流雾化的作用。
5)井下喷嘴设备，位于导流器下游，用于将两相雾状流注入至地下气化炉的气化区。
6)注入井内衬管，作为连续油管管柱和井下设备的输送和操作通道。
7)分布式温度、压力和声波传感器，固定在注入井内衬管外部，用于监测燃烧和气化区(＞600℃)温度和煤炭地下气化反应区域的压力。
按照本发明，在所述氧化剂混合注入系统中，所述两相混合设备位于旋转接头上游，用于在地表将氧化剂和水均匀混合。混合方法可采用角度注水、同心注水或中心注水来实现两相流的混合。由于从这个位置开始，整个混合注入系统内的氧化剂以两相流存在，因此所述氧化剂混合注入系统无需选用耐冲击自燃材料和特殊的内壁清洗。可以使用标准的低成本材料，如304不锈钢。
按照本发明，在所述氧化剂混合注入系统中，所述旋转接头为适用于高压环境的密封性旋转接头，利用该旋转接头实现了地面两相流源与连续油管卷筒中心轴之间的气密性连通，从而可以在通过连续油管卷筒卷绕连续油管管柱移动井下喷嘴设备的过程中仍继续注入两相流，从而实现了煤炭地下气化工艺的连续性。此外，与单一气体流的旋转接头相比，混合流中的液体水使旋转接头可以更好的密封，尤其是在高压工作环境下。
按照本发明，在所述氧化剂混合注入系统中，所述连续油管管柱及其卷筒的选择应确保连续油管管柱可以抵达煤层所在深度及设计的水平长度。连续油管管柱的外径一般根据预先计算好的静态液压流量和允许的压降进行选择。连续油管内径设计考虑率氧化剂流的最小夹带流速，以便在连续油管管柱内输送两相流的过程中可有效地吹扫或夹带水。由于采用了两相流代替了高压纯氧流，可有效地降低连续油管管柱的内径要求。连续油管的材质及壁厚一般根据两相流的流量、预期的煤炭地下气化过程运行周期、预计进出地下煤层的次数来进行选择。采用两相流代替高压纯氧流后，一般可以使用304不锈钢或者更高级材料来满足其耐腐蚀、耐侵蚀和抗氧化要求。
按照本发明，在所述氧化剂混合注入系统中，所述导流器采用弹簧导流叶片设计。当两相流的注入压力低于气化炉操作压力和弹簧拉伸压力时，导流器叶片处于闭合密封状态，起到止回阀的作用，避免可燃性合成气产品逆流进入连续油管管柱。当两相流的注入压力高于气化炉操作压力和弹簧拉伸压力时，导流器叶片逐渐打开，将沉积在连续油管管柱底部的液滴和气相流二次混合雾化。所述导流器和连续油管管柱之间采用快速连接器或卡瓦式连接器进行连接。这种连接器为非焊接方式连接并可提供气密性密封，例如在操作压力范围内提供良好的密封，因此，利用这种快速连接器或卡瓦式连接器可以容易地更换和维修氧化剂混合注入系统内的其它部件。
按照本发明，在所述氧化剂混合注入系统中，在其端部为井下喷嘴设备，雾化后的两相流由此分布进入地下煤层。所述井下喷嘴设备必须适合于可能为高温和高压的工作环境。所述井下喷嘴设备的材料可以适当选择，例如喷嘴外壁材料可以选择熔点较高的铜钢，喷嘴内部材料可以选择低熔点耐氧化的镍铬合金和陶瓷。所述井下喷嘴设备的外部形状必须尽可能平滑地过渡，即其任何外部尺寸变化都是逐渐过渡的渐变过程，以便能够在地下注入井内衬管内顺利移动，而且所述井下喷嘴设备要有足够壁厚(壁厚大于10mm)，并抵御可能出现的回烧，由此保证氧化剂混合注入系统的完整性和可靠性。所述井下喷嘴设备可以为带有一个或多个孔的喷嘴头。其中带有一个孔的单孔喷嘴头的孔尺寸根据出口最大喷射速度来设计。带有多个孔的多孔喷嘴头的多个孔可以按中心和外周分布，其中外周各孔可以与中心孔平行使得喷出的两相流以狭窄聚焦的方式注入到气化区，或者外周各孔可以按照与中心孔成一定角度如5-35°角、优选8-20°角向外发散，使得喷出的两相流以更大覆盖面进入气化区。
按照本发明，在所述氧化剂混合注入系统中，所述注入井内衬管的材料一般可以依据地下地层静岩压和静水压选择，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。所述注入井内衬管通常安装在地下煤层的底部附近和在可能存在的夹矸层上方，一般地，注入井内衬管要尽可能接近地下煤层的底部安装。
按照本发明，在所述氧化剂混合注入系统中，固定在注入井内衬管外部的温度、压力和声波传感器主要用于监测地下煤层内气化区的温度和压力，这些传感器一般经地面井口附近的仪表端口一直延伸到气化区，和将测量结果反馈给控制系统并储存到数据库。当沿着注入井内衬管的地下煤层全部被消耗时，亦可自动停止系统运行。
本发明还提供了氧化剂混合注入系统操作方法，其中利用本发明的氧化剂混合注入设备经注入井向地下煤层连续注入水和高浓度氧化剂的两相流。其中，所述地下喷嘴设备可以通过连续油管卷筒卷绕连续油管管柱而在注入井内衬管内定期回退，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。
按照本发明，在所述氧化剂混合注入系统操作方法中，所述氧化剂在正常生产时为纯度大于90％的氧气，优选纯氧。所述氧化剂在点火、试车和怠速运行时为空气。所述水是低结垢成分、中性pH(6.9-7.1)至中性至弱碱pH(7.1-9.0)、低悬浮物、不含碳氢化合物的干净水。所述水与氧化剂以一定的摩尔比注入，具体地，水与氧化剂注入的摩尔比可以为0.5-4.0。
按照本发明，在所述氧化剂混合注入系统操作方法中，在注入井内衬管外部固定有温度、压力和声波传感器，用于获取地下煤层的温度、压力和声波信号并反馈给井口附近的控制系统，控制本发明氧化剂混合注入系统回退的距离和频率。
按照本发明，在所述氧化剂混合注入系统操作方法中，水和氧化剂在地面连续油管管柱上游进行混合形成两相流，输送至井下ISC气化区。两相流在输送过程中，通过控制流速使两相流形成环形流动，水滴沿着输送通道的内壁吹扫。这将确保输送通道的内壁被润湿，降低输送通道的内壁和井下注入设备的温度。
按照本发明，在所述氧化剂混合注入系统操作方法中，在煤炭地下气化过程开始后，正常生产过程一般定期回退井下注入设备来继续所述气化过程，例如每次回退井下注入设备1-5米，回退操作过程中保持水和氧化剂两相流的连续注入。当回退操作达到预定位置时，通过减少注水流量的10-90％，提高注入井内衬管的回烧速率。通过固定在内衬管外壁的温度、压力和声波传感器确定内衬管回烧至预定位置时，开始加大注水量至正常生产。
按照本发明，在所述氧化剂混合注入系统操作方法中，在煤炭地下气化过程开始后，从正常生产过程切换至怠速生产过程或异常生产过程(点火、试车等)，需要停止高纯度氧气的注入，切换为空气注入并保证其满足两相流最小流速要求。依据不通过的操作要求可停止或减小注水流量，避免出现液栓堵塞两相流输送通道。
下面参考附图进一步描述本发明的实施方案。
图1是本发明的氧化剂混合注入系统用于煤炭地下气化工艺的总体示意图。水1和氧化剂2通过现场水和氧化剂供应系统的地面固定管道供应。水1通过混合设备3混合并夹带到高纯度氧化剂流2中作为混合两相流。该两相流之后通过连续油管卷筒旋转接头4和缠绕于连续油管卷筒5上的小管径单管的连续油管管柱6输送至井下。经过井下注入设备11优化处理后的水和氧化剂的两相流12，喷射到输送注入井内衬管10和ISC气化区13进行煤炭地下气化工艺。其中，注入井由沿着煤层底板上方的定向钻孔、水泥固井套管9和位于水泥固井套管9内从井口8延伸到ISC气化区13的注入井内衬管10组成。小管径单管的连续油管管柱6和井下注入设备11通过连续油管井口控制设备(例如连续油管鹅颈、注入器、防喷器等)7输送到注入井井口8内，沿注入井内衬管10内至ISC气化区13。
图2是本发明的氧化剂混合注入系统地面氧化剂和水的混合位置的示意图。第一种混合位置位于连续油管卷筒旋转接头4之前(图2a)，水1和氧化剂2在混合设备3中混合形成环隙或夹带的两相流混合物12。之后，通过连续油管卷筒旋转接头4和缠绕于连续油管卷筒5上的小管径单管的连续油管管柱6输送至ISC气化区13。图2b是第二种混合位置，其中水1和氧化剂2分别直接连通到经过改进的旋转接头4。其中包括将两个管线连接件连接到同一旋转接头4主体的两端(如图所示)。或两个单独的可移动管线连接件分别连接到两个旋转接头4上(图中未示)，一个旋转接头与连续油管卷筒中心轴14成一直线，另一个旋转接头与连续油管卷筒中心轴14成90°角。
图3是本发明的氧化剂和水的混合设备的示意图，以实现将水1夹带到氧化剂流2中。
1)图3a是按角度注水混合设备3&16示意图。其中水1在文丘里管的位置以相对于氧化剂流2的1-90°角注入。该文丘里管的位置通过减少了氧化剂的流动面积从而增加了氧化剂流速，因而可以更好地将水1分开成小液滴19。水1可以更好地夹带到氧化剂流2中，形成两相流混合物12。水1可以在文丘里管的位置以多个小角度出口向外喷射，以增加水和氧化剂的混合。该文丘里管之后的管道管径需要确保使氧化剂2流速持续高于最小夹带速度。
2)图3b是同心注水混合设备3&17示意图。其中水1沿着管道的内壁围绕氧化剂流2同心或以0°角注入。其中部分水1将抵靠管道内壁保持环形流动，部分水在管道内部氧化剂2注入管道的边缘之后以滴液19形式被夹带到氧化剂中成为两相流混合物12。这种方法更适合于需要较高的水与氧化剂墨尔本比率，并且要维持环形流动状态的情况。在氧化剂流2中仅夹带非常少的水滴19。
3)图3c中心注水混合设备3&17示意图。其中水1从位于氧化剂2注入管道的中心线位置的管道注入，并且氧化剂2在水流1的周围流动。其注水管道端部包括喷嘴部件，可以根据工艺需求将注入的水1进行喷洒、喷淋或雾化喷射到氧化剂2管道内，形成两相流混合物12。
图4是本发明的氧化剂混合注入系统井下设备正常生产的示意图。井下注入设备11通过连续油管快速连接器/卡瓦式连接器25与连续油管管柱6连接。连接器25的另一端连接导流器主体22，导流器内部采用缩径处理以增加两相混合流12的流速，加载至弹簧导流叶片23。通过弹簧导流叶片23将沿着导流器内壁流动的水引导到高速的氧化剂流中心，以增强水滴/水雾19在气相氧化剂流中的混合和夹带。弹簧导流叶片23的下游内径再次进行缩径处理以确保正常生产过程中两相流的雾流状态。与此同时，当停止注入氧化剂时，弹簧导流叶片23在弹簧的拉力作用下与导流叶片密封体24形成闭合，阻止可燃气体的逆向流入。导流器下游连接耐高温和耐腐蚀材料的井下喷嘴设备20，21。通过调节两相流内的水和氧化剂的摩尔比以冷却井下喷嘴设备内壁21，避免在点火或回烧过程中损坏设备。水和氧化剂的两相流12以雾流状态通过喷嘴设备喷射到注入井内衬管10和ISC气化区13进行煤炭地下气化生产。
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)
1.一种用于煤炭地下气化工艺的氧化剂混合注入系统的操作方法，其特征在于：用于煤炭地下气化工艺的氧化剂混合注入系统，基于注入井内衬管，其特征在于，所述系统包括如下组件：
1)两相混合设备，位于连续油管卷筒旋转接头上游，用于在地表将氧化剂和水均匀混合；
2)连续油管卷筒旋转接头，位于两相混合设备下游，经连续油管卷筒中心轴使两相流与连续油管管柱连通，并由此实现在连续油管卷筒卷绕连续油管管柱过程中可连续供应氧化剂和水；
3)连续油管卷筒和连续油管管柱，连续油管管柱卷绕在连续油管卷筒上，在作业状态下通过连续油管卷筒卷绕实现连续油管的释放和回撤，连续油管管柱作为两相流的输送通道，用于输送氧化剂和水以及移送井下喷嘴到达地下煤层内的预定位置；
4)导流器，位于连续油管管柱下游，采用弹簧导流叶片设计，实现止回阀和两相流雾化的功能；
5)井下喷嘴设备，位于导流器下游，用于将两相雾状流注入至地下气化炉的气化区；
所述注入井内衬管作为连续油管管柱和井下设备的输送和操作通道，注入井内衬管外部还固定设有分布式温度、压力和声波传感器，用于监测燃烧和气化区温度和煤炭地下气化反应区域的压力；
井下注入设备通过连续油管快速连接器/卡瓦式连接器与连续油管管柱连接；
连续油管快速连接器/卡瓦式连接器的另一端连接导流器主体，导流器内部采用缩径处理以增加两相混合流的流速，加载至弹簧导流叶片；
通过弹簧导流叶片将沿着导流器内壁流动的水引导到高速的氧化剂流中心，以增强水滴/水雾在气相氧化剂流中的混合和夹带；
弹簧导流叶片的下游导流器内径再次进行缩径处理以确保正常生产过程中两相流的雾流状态；
与此同时，当停止注入氧化剂时，弹簧导流叶片在弹簧的拉力作用下与导流叶片密封体形成闭合，阻止可燃气体的逆向流入；
导流器下游连接耐高温和耐腐蚀材料的井下喷嘴设备；
水和氧化剂通过现场水和氧化剂供应系统的地面固定管道供应，水通过两相混合设备混合并夹带到氧化剂流中作为混合两相流，该混合两相流之后通过连续油管卷筒旋转接头和缠绕于连续油管卷筒上的连续油管管柱输送至井下，经过井下注入设备处理后的水和氧化剂的两相流，喷射到输送注入井内衬管和ISC气化区进行煤炭地下气化工艺，连续油管管柱和井下注入设备通过注入井的连续油管井口控制设备输送到注入井井口内，沿注入井内衬管内至ISC气化区。
2.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的氧化剂混合注入系统的操作方法，其特征在于：所述两相混合设备为按角度注水混合设备，水以相对于氧化剂流的1-90°角注入。
3.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的氧化剂混合注入系统的操作方法，其特征在于：所述两相混合设备为同心注水混合设备，水沿两相混合设备管道的内壁围绕氧化剂流同心或以0°角注入，其中部分水将抵靠管道内壁保持环形流动，部分水在管道内部氧化剂注入管道的边缘之后以滴液形式被夹带到氧化剂中成为两相流混合物。
4.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的氧化剂混合注入系统的操作方法，其特征在于：
所述两相混合设备为中心注水混合设备，其中水从位于氧化剂注入管道的中心线位置的管道注入，并且氧化剂在水流的周围流动，其中水的注入管道端部包括喷嘴部件，能根据工艺需求将注入的水进行喷洒、喷淋或雾化喷射到氧化剂管道内，形成两相流混合物。
5.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的氧化剂混合注入系统的操作方法，其特征在于：所述连续油管卷筒旋转接头为适用于高压环境的密封性旋转接头。
6.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的氧化剂混合注入系统的操作方法，其特征在于：所述连续油管管柱及连续油管卷筒的选择能确保连续油管管柱抵达煤层所在深度及设计的水平长度，连续油管管柱的外径根据预先计算好的静态液压流量和允许的压降进行选择，连续油管内径设计考虑氧化剂流的最小夹带流速，以便在连续油管管柱内输送两相流的过程中能有效地吹扫或夹带水。
7.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的氧化剂混合注入系统的操作方法，其特征在于：当两相流的注入压力低于气化炉操作压力和弹簧拉伸压力时，导流器叶片处于闭合密封状态，起到止回阀的作用，避免可燃性合成气产品逆流进入连续油管管柱，当两相流的注入压力高于气化炉操作压力和弹簧拉伸压力时，导流器叶片逐渐打开，将沉积在连续油管管柱底部的液滴和气相流二次混合雾化。
8.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的氧化剂混合注入系统的操作方法，其特征在于：所述井下喷嘴设备适合于高温和高压的工作环境，喷嘴外壁材料选择铜钢，喷嘴内部材料选择镍铬合金或陶瓷，所述井下喷嘴设备的外部形状平滑，以便能够在地下注入井内衬管内顺利移动，所述井下喷嘴设备壁厚大于10mm，所述井下喷嘴设备带有一个或多个孔的喷嘴头，其中带有一个孔的单孔喷嘴头的孔尺寸根据出口最大喷射速度来设计，带有多个孔的多孔喷嘴头的多个孔按中心和外周分布，其中外周各孔与中心孔平行使得喷出的两相流以狭窄聚焦的方式注入到气化区，或者外周各孔按照与中心孔成一定角度向外发散，使得喷出的两相流以更大覆盖面进入气化区。
9.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的氧化剂混合注入系统的操作方法，其特征在于：
所述两相混合设备的混合位置位于连续油管卷筒旋转接头之前，水和氧化剂在两相混合设备中混合形成环隙或夹带的两相流混合物，之后，通过连续油管卷筒旋转接头和缠绕于连续油管卷筒上的连续油管管柱输送至ISC气化区，
或者水和氧化剂分别直接连通到经过改进的连续油管卷筒旋转接头，其中包括将两个管线连接件连接到同一连续油管卷筒旋转接头主体的两端，或两个单独的可移动管线连接件分别连接到两个连续油管卷筒旋转接头上，一个连续油管卷筒旋转接头与连续油管卷筒中心轴成一直线，另一个连续油管卷筒旋转接头与连续油管卷筒中心轴成90°角。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810268910.6A CN108518211B (zh) | 2018-03-29 | 2018-03-29 | 用于煤炭地下气化工艺的氧化剂混合注入系统及操作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810268910.6A CN108518211B (zh) | 2018-03-29 | 2018-03-29 | 用于煤炭地下气化工艺的氧化剂混合注入系统及操作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108518211A CN108518211A (zh) | 2018-09-11 |
| CN108518211B true CN108518211B (zh) | 2024-01-30 |
Family
ID=63431156
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810268910.6A Active CN108518211B (zh) | 2018-03-29 | 2018-03-29 | 用于煤炭地下气化工艺的氧化剂混合注入系统及操作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108518211B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109025950B (zh) * | 2018-09-18 | 2024-01-26 | 中为(上海)能源技术有限公司 | 用于煤炭地下气化工艺的光纤激光点火系统及其操作方法 |
| CN109162689A (zh) * | 2018-10-29 | 2019-01-08 | 中为(上海)能源技术有限公司 | 用于煤炭地下气化工艺的井口控制系统及其操作方法 |
| CN114215601B (zh) * | 2021-12-31 | 2024-01-26 | 北京派创石油技术服务有限公司 | 利用废弃油井制造氢气的方法 |
| CN115467648B (zh) * | 2022-08-31 | 2024-04-05 | 西安石油大学 | 一种微波能煤炭地下无氧气化方法 |
Citations (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR917449A (fr) * | 1944-11-21 | 1947-01-07 | Procédé et installation de gazéification souterraine | |
| US5291956A (en) * | 1992-04-15 | 1994-03-08 | Union Oil Company Of California | Coiled tubing drilling apparatus and method |
| CN103670361A (zh) * | 2013-12-02 | 2014-03-26 | 新奥气化采煤有限公司 | 注气装置、煤炭地下气化系统及煤炭地下气化方法 |
| WO2014043747A1 (en) * | 2012-09-18 | 2014-03-27 | Linc Energy Ltd | Oxygen injection device and method |
| WO2014089603A1 (en) * | 2012-12-14 | 2014-06-19 | Linc Energy Ltd | Apparatus for igniting an underground coal seam |
| WO2014186823A1 (en) * | 2013-05-23 | 2014-11-27 | Linc Energy Ltd | Oxidant and water injection apparatus |
| CN104251133A (zh) * | 2013-06-26 | 2014-12-31 | 新奥气化采煤有限公司 | 一种可控注气点注气装置、注气工艺及气化方法 |
| CN104632181A (zh) * | 2015-02-03 | 2015-05-20 | 新奥气化采煤有限公司 | 喷嘴 |
| CN104632177A (zh) * | 2014-12-18 | 2015-05-20 | 华北科技学院 | 一种无井式煤炭地下气化系统及工艺 |
| CN104863563A (zh) * | 2015-04-09 | 2015-08-26 | 新奥气化采煤有限公司 | 一种喷嘴 |
| CN204877423U (zh) * | 2015-07-01 | 2015-12-16 | 中国矿业大学(北京) | 一种气化剂输送管及其地下燃料气化系统 |
| CN106089179A (zh) * | 2016-08-24 | 2016-11-09 | 中为(上海)能源技术有限公司 | 用于煤炭地下气化过程的产出井设备及其应用 |
| CN106121618A (zh) * | 2016-08-24 | 2016-11-16 | 中为(上海)能源技术有限公司 | 用于煤炭地下气化过程的氧化剂注入设备及其应用 |
| CN106150472A (zh) * | 2016-08-28 | 2016-11-23 | 中为(上海)能源技术有限公司 | 用于煤炭地下气化工艺的接合管注入系统及操作方法 |
| CN106223925A (zh) * | 2016-08-24 | 2016-12-14 | 中为(上海)能源技术有限公司 | 用于煤炭地下气化工艺的辅助生产原料进料方法 |
| CA2937608A1 (en) * | 2015-08-03 | 2017-02-03 | Gary Pichach | Subterranean gasification system and method |
| CN206053927U (zh) * | 2016-08-24 | 2017-03-29 | 中为(上海)能源技术有限公司 | 用于煤炭地下气化过程的氧化剂注入设备 |
| CN106761653A (zh) * | 2017-01-12 | 2017-05-31 | 中为(上海)能源技术有限公司 | 用于煤炭地下气化工艺的喷头设备及其操作方法 |
| CN206608160U (zh) * | 2017-01-12 | 2017-11-03 | 中为(上海)能源技术有限公司 | 用于煤炭地下气化工艺的喷头设备 |
| CN208633812U (zh) * | 2018-03-29 | 2019-03-22 | 中为(上海)能源技术有限公司 | 用于煤炭地下气化工艺的氧化剂混合注入系统 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2827011A1 (en) * | 2011-02-18 | 2012-08-23 | Linc Energy Ltd | Igniting an underground coal seam in an underground coal gasification process, ucg |
-
2018
- 2018-03-29 CN CN201810268910.6A patent/CN108518211B/zh active Active
Patent Citations (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR917449A (fr) * | 1944-11-21 | 1947-01-07 | Procédé et installation de gazéification souterraine | |
| US5291956A (en) * | 1992-04-15 | 1994-03-08 | Union Oil Company Of California | Coiled tubing drilling apparatus and method |
| WO2014043747A1 (en) * | 2012-09-18 | 2014-03-27 | Linc Energy Ltd | Oxygen injection device and method |
| WO2014089603A1 (en) * | 2012-12-14 | 2014-06-19 | Linc Energy Ltd | Apparatus for igniting an underground coal seam |
| WO2014186823A1 (en) * | 2013-05-23 | 2014-11-27 | Linc Energy Ltd | Oxidant and water injection apparatus |
| CN104251133A (zh) * | 2013-06-26 | 2014-12-31 | 新奥气化采煤有限公司 | 一种可控注气点注气装置、注气工艺及气化方法 |
| CN103670361A (zh) * | 2013-12-02 | 2014-03-26 | 新奥气化采煤有限公司 | 注气装置、煤炭地下气化系统及煤炭地下气化方法 |
| CN104632177A (zh) * | 2014-12-18 | 2015-05-20 | 华北科技学院 | 一种无井式煤炭地下气化系统及工艺 |
| CN104632181A (zh) * | 2015-02-03 | 2015-05-20 | 新奥气化采煤有限公司 | 喷嘴 |
| CN104863563A (zh) * | 2015-04-09 | 2015-08-26 | 新奥气化采煤有限公司 | 一种喷嘴 |
| CN204877423U (zh) * | 2015-07-01 | 2015-12-16 | 中国矿业大学(北京) | 一种气化剂输送管及其地下燃料气化系统 |
| CA2937608A1 (en) * | 2015-08-03 | 2017-02-03 | Gary Pichach | Subterranean gasification system and method |
| CN106089179A (zh) * | 2016-08-24 | 2016-11-09 | 中为(上海)能源技术有限公司 | 用于煤炭地下气化过程的产出井设备及其应用 |
| CN106121618A (zh) * | 2016-08-24 | 2016-11-16 | 中为(上海)能源技术有限公司 | 用于煤炭地下气化过程的氧化剂注入设备及其应用 |
| CN106223925A (zh) * | 2016-08-24 | 2016-12-14 | 中为(上海)能源技术有限公司 | 用于煤炭地下气化工艺的辅助生产原料进料方法 |
| CN206053927U (zh) * | 2016-08-24 | 2017-03-29 | 中为(上海)能源技术有限公司 | 用于煤炭地下气化过程的氧化剂注入设备 |
| CN106150472A (zh) * | 2016-08-28 | 2016-11-23 | 中为(上海)能源技术有限公司 | 用于煤炭地下气化工艺的接合管注入系统及操作方法 |
| CN106761653A (zh) * | 2017-01-12 | 2017-05-31 | 中为(上海)能源技术有限公司 | 用于煤炭地下气化工艺的喷头设备及其操作方法 |
| CN206608160U (zh) * | 2017-01-12 | 2017-11-03 | 中为(上海)能源技术有限公司 | 用于煤炭地下气化工艺的喷头设备 |
| CN208633812U (zh) * | 2018-03-29 | 2019-03-22 | 中为(上海)能源技术有限公司 | 用于煤炭地下气化工艺的氧化剂混合注入系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108518211A (zh) | 2018-09-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108518211B (zh) | 用于煤炭地下气化工艺的氧化剂混合注入系统及操作方法 | |
| CN106761653B (zh) | 用于煤炭地下气化工艺的喷头设备及其操作方法 | |
| CN103742121B (zh) | 地下气化注气装置和方法 | |
| AU2014303165B2 (en) | Gas injection apparatus with controllable gas injection point, gas injection process, and gasification method | |
| RU2706498C1 (ru) | Оборудование для нагнетания окислителя в процессе подземной газификации угля и его применение | |
| RU2586561C2 (ru) | Огневой теплогенератор, система и способ повышения нефтеотдачи пласта | |
| WO2012109711A1 (en) | Igniting an underground coal seam in an underground coal gasification process, ucg | |
| CN106121618B (zh) | 用于煤炭地下气化过程的氧化剂注入设备及其应用 | |
| CN106150472B (zh) | 用于煤炭地下气化工艺的接合管注入系统及操作方法 | |
| WO2014085855A1 (en) | Oxidant injection method for underground coal gasification | |
| US20110036095A1 (en) | Thermal vapor stream apparatus and method | |
| WO2014186823A1 (en) | Oxidant and water injection apparatus | |
| CN106996285A (zh) | 井下混相热流体发生器及其使用方法 | |
| AU2016420451A1 (en) | Production well apparatus for underground coal gasification and use thereof | |
| CN113279807A (zh) | 一种煤炭地下气化二氧化碳回注防回火系统及方法 | |
| CN205990905U (zh) | 用于煤炭地下气化工艺的接合管注入系统 | |
| WO2018035734A1 (zh) | 用于煤炭地下气化过程的点火设备及其应用 | |
| CN208633812U (zh) | 用于煤炭地下气化工艺的氧化剂混合注入系统 | |
| CN206053927U (zh) | 用于煤炭地下气化过程的氧化剂注入设备 | |
| AU2013101616A4 (en) | Oxidant injection method | |
| CN106223925A (zh) | 用于煤炭地下气化工艺的辅助生产原料进料方法 | |
| CN206608160U (zh) | 用于煤炭地下气化工艺的喷头设备 | |
| CN206053928U (zh) | 用于煤炭地下气化过程的产出井设备 | |
| AU2016100004A4 (en) | Oxygen enriched ucg method | |
| AU2015100794A4 (en) | Oxidant Injection Method For Underground Coal Gasification |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |