CN112177579B - 一种富油煤原位热解的煤层对流加热系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种富油煤原位热解的煤层对流加热系统及方法，包括设置于注热井或开采井底部的流体电磁加热装置，注热井与开采井之间通过致裂缝隙相连通；流体电磁加热装置包括加热腔，加热腔内部设置有加热芯，加热腔外部设置有保温层，保温层外部设置有线圈组；当流体电磁加热装置设置在注热井中时，注热井中设置有输气管道，加热腔与输气管道底部相连通，当线圈组通电时，经输气管道输送至加热腔内的压缩流体被加热芯加热后，经致裂缝隙，由开采井排出。该方法能够大大缩短煤层加热周期，提高煤层温度均匀性，获得较高的加热效率和能量利用率，且对地层环境污染较少。

Description

一种富油煤原位热解的煤层对流加热系统及方法
技术领域
本发明涉及富油煤油气资源开发领域，具体涉及一种富油煤原位热解的煤层对流加热系统及方法。
背景技术
富油煤是指焦油产率介于7％-12％的煤炭。在我国煤炭资源保有储量中，富油煤占比达45％。通过热解可将富油煤转化为焦油和煤气等能源化工原料，从而大幅提升我国煤炭资源利用价值。目前对富油煤热解转化主要是从井下将富油煤开采至地面，经粉碎后进入地面热解设备转化成焦油、煤气和半焦。地面热解半焦反应活性较差制约了其规模化应用，且造成大量半焦堆积；同时在热解产物分离过程中伴随的废水及废气的排放，对环境造成不良影响。
富油煤原位热解是指其不经过开采，直接在地层压力下通过热载体传递热量进行热解，所得油气产物通过采集井导出地面进行后续分离及深加工的技术。与现有常规地面热解技术相比，原位开采不但不需要进行采矿和建设大型的尾气处理设施，而且可开发深层、高厚度的富油煤油气资源，具有占地面积小、开采费用低、产品质量好和环保等优点。但目前富油煤原位热解技术多处于概念性论证阶段，鲜有实验室规模及先导性实验报道。在能源日趋紧张的今天，有必要着力发展富油煤原位开采技术，为未来富油煤油气资源开发提供理论和技术储备。
富油煤原位热解需要将地下大尺度煤层加热到较高的热解温度。由于富油煤原位热解技术尚处于初期论证阶段，富油煤原位热解的大尺度煤层原位加热技术尚未见报道。而现有的油页岩或煤层气开采的原位加热方法，存在加热效率低、热量损失大，加热时间长、加热成本高，加热半径小、温度分布不均匀，易造成地层结构破坏和地下环境污染或供排气系统复杂，存在尾气污染等主要问题，是制约提高油气收采率的关键因素。
发明内容
本发明目的是为了解决富油煤原位热解时煤层加热周期长，煤层温度均匀性差以及整体能效低等问题，而提供一种富油煤原位开采对流加热系统及方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种富油煤原位热解的煤层对流加热系统，包括设置于注热井或开采井底部的流体电磁加热装置，注热井与开采井之间通过致裂缝隙相连通；流体电磁加热装置包括加热腔、加热芯、线圈组与保温层，加热腔内部设置有加热芯，加热腔外部设置有保温层，保温层外部设置有线圈组；
当流体电磁加热装置设置在注热井中时，注热井中设置有输气管道，加热腔与输气管道底部相连通，当线圈组通电时，经输气管道输送至加热腔内的压缩流体被加热芯加热后，经致裂缝隙，由开采井排出。
本发明进一步的改进在于，加热芯的材质为石墨；注热井为竖井或竖井加水平井，其布置方式为并行、排式或井网；线圈组通过电缆与电源箱相连，电源箱设置于注热井外部。
本发明进一步的改进在于，输气管道顶部与增压装置相连。
本发明进一步的改进在于，开采井内设置有采气管道，采气管道的顶部与增压装置相连。
本发明进一步的改进在于，采气管道的顶部还与参数控制系统相连，输气管道顶部还与数据采集系统相连，参数控制系统与数据采集系统相连；增压装置为压缩机或泵。
本发明进一步的改进在于，保温层呈环形。
一种富油煤原位热解的煤层对流加热方法，包括以下步骤：
1)在富油煤层钻进至少一口注热井和开采井；
2)采用致裂方式在富油煤层中致裂缝隙，注热井和开采井通过致裂缝隙连通；
3)将加热芯放入带有保温层的加热腔内，然后将加热腔放置在位于注热井内的线圈组中，加热腔与输气管道相连，线圈组与电源箱相连；
4)线圈组通电后，内部轴线方向上产生电磁场，位于电磁场中的加热芯发热，并对注入加热腔内的压缩流体进行加热，得到热载体；
5)热载体流入致裂缝隙中，在复合支撑剂扰流和催化作用下，与富油煤层进行原位对流传热使富油煤层主体升温，富油煤发生原位热解反应；
6)热载体和热解反应产物混合气体从致裂缝隙汇入开采井，以高温气体的形式返出地表。
本发明进一步的改进在于，裂方式包括采用冲击波方式或流体压裂方式。
本发明进一步的改进在于，压缩流体为氮气、二氧化碳、惰性气体、水、水蒸气、空气、油气或烃类气体；热载体温度为150℃-1200℃，压力为2-20MPa。
本发明进一步的改进在于，经过一定加热周期后，将加热腔放置在开采井内，进行步骤4)-步骤6)。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明利用电磁感应加热加热芯并进一步加热流体，热流体在分级裂隙流道内通过对流传热方式来加热煤层，并经过一定加热周期后改变热流体流动方向对煤层继续加热。该方法能够大大缩短煤层加热周期，提高煤层温度均匀性，获得较高的加热效率和能量利用率，且对地层环境污染较少。
2)本发明的对流加热系统工艺简便，可操作性强，易于安装制造，且成本较低。且本发明利用电磁来加热加热芯，并进一步加热流体的方法热效率高，加热时间短，能量利用率高。
附图说明
图1为富油煤原位热解的对流加热系统图。
图2为井下流体电磁加热装置图。
图3(a)为分级致裂缝隙流道及流体流动方向示意图。
图3(b)为交换分级流道进口和出口位置后分级致裂缝隙流道及流体流动方向示意图。
图中所示：1-电源箱，2-输气管道，3-电缆，4-注热井，5-压缩流体，6-线圈组，7-加热芯，8-保温层，9-加热腔，10-热载体，11-复合支撑剂，12-致裂缝隙，121-主流道(一级裂隙)，122-二级裂隙，123-三级裂隙，124-次末级裂隙，125-末级裂隙，126-气体采出流道，127-分级流道出口，128-流动方向，13-富油煤层，14-采气管道，15-开采井，16-热载体与热解产物混合气体，17-分离装置，18-参数控制系统，19-增压装置，20-数据采集系统，21-电磁场。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
请参阅图1，一种富油煤原位热解(或干馏)过程中煤层的原位对流高效节能加热系统，包括设置于注热井4或开采井15底部的流体电磁加热装置，注热井4与开采井15之间通过致裂缝隙12相连通。
注热井4外部或开采井15外部设置有电源箱1，当流体电磁加热装置设置在注热井4中时，注热井4外部设置有电源箱1，当流体电磁加热装置设置在开采井15中时，开采井15外部设置有电源箱1。
请参阅图2，流体电磁加热装置包括加热腔9、加热芯7、线圈组6与保温层8，加热腔9内部设置有加热芯7，加热腔9外部设置有保温层8，保温层8外部设置有线圈组6。
富油煤层13中钻进至少一口注热井4和开采井15；并且富油煤层13中设置有多路并行的致裂缝隙12，注热井4和开采井15通过多路并行的致裂缝隙12相连通。
当流体电磁加热装置设置在注热井4中时，注热井4中设置有输气管道2，线圈组6通过电缆3与电源箱1相连，加热腔9与输气管道2底部相连通，输气管道2顶部与增加装置19相连。所述增压装置19将压缩流体5通过输气管道2注入注热井4内。电源箱1通过耐高温电缆3与井下线圈组6相连并提供高频电流；保温层8呈环形，将加热腔9、线圈组6和加热芯7与外界整体隔绝，减少加热腔9的漏热和外界高温环境对线圈组6的热损伤。所述加热腔9置于线圈组6中间，加热芯7安装于加热腔9内。当线圈组6通电时，加热腔9内的加热芯7由于涡流效应被加热到较高的温度。经输气管道2输送至加热腔9内的压缩流体5被发热的加热芯7加热后，流入富油煤层13内部的致裂缝隙12，然后经开采井15排出。通过数据采集系统20监测压缩流体温度，压力和流量。所述智能化参数控制系统18用于加热过程的参数控制。
请参阅图1，图2，图3(a)和图3(b)，一种富油煤原位热解的对流加热方法，包括以下步骤：
1)在目标富油煤层13钻进至少一口注热井4和开采井15；
其中，所述的注热井4可为竖井或竖井加水平井，其布置方式可为并行，排式或井网等；
2)采用致裂手段在富油煤层13中构造出多路并行的双向分级流体流道，即致裂缝隙12，使得注热井4和开采井15相互连通，并向致裂缝隙12中注入复合支撑剂12；
其中，致裂手段包括采用冲击波、流体压裂等手段。请参阅图3(a)和图3(b)，所述注热井4和开采井15之间的致裂缝隙12为多路并行的双向分级流体流道。以致裂缝隙12为五级分级裂隙为例进行说明。首先采用致裂手段构造出流道进口121，即为一级裂隙。在流道进口121之后构造出两路并行的二级裂隙122，在二级裂隙122之后构造出多路并行的三级裂隙123，并在三级裂隙123之后构造多路并行的四级裂隙，即次末级裂隙124。五级裂隙为不规则的末级裂隙125。参见图3(a)，热载体10通过流道进口121进入致裂缝隙12后，分为2路流入二级裂缝122，并沿流体流动方向128依次流经三级裂缝123，四级裂缝124，和末级裂缝125后，汇入气体采出流道126，之后经流道出口127流入开采井15。
经过一定加热周期后交换图3(a)中致裂缝隙12的流道进出口位置，即交换图3(a)中进口121和流道出口127的位置。交换进出口后流道示意图参见图3(b)。流体流动方向128发生180°翻转，流体流道仍为多路并行的分级流体流道。在图3(a)和图3(b)中，离注热井4或开采井15越远的裂隙的分级级数越高，裂隙平均直径越小。所述多路并行的分级流体流道的末级裂隙125相互贯通。所述分级裂隙12的级数由具体煤层特性决定，包括但不限定于本发明图示的五级的分级裂隙。
所述复合支撑剂11为复合多孔陶粒支撑剂，由煤粉灰、半焦为基体，添加铝矾土、高岭土、长石等作为烧结助剂，并添加MnO2、MnO3、Fe2O3、CaO等金属氧化物或Co、Mo、Ni、Fe、Ga等过渡金属活性组分为催化剂烧结而成。复合支撑剂11的粒径为0.5-2mm，孔隙直径5-10μm，导流能力大于60μm2/cm。其兼具支撑、导热和催化功能，可在支撑裂缝的同时增加热载体与煤层接触面积以强化热量传递，并通过催化剂活性中心降低热解温度，调控热解产物分布。
3)将加热腔9外套有保温层8，内装有加热芯7，加热腔9置于将线圈组6中间。加热腔9与输气管道2相连，线圈组6与耐高温电缆3相连，一并安装于注热井4内。
其中，所述的加热芯7可由金属或导电性能良好的石墨等非金属以及其他磁性材料制成；通过加热芯7的形状、结构、尺寸设计可实现传热强化/加热芯的形状、结构、尺寸。
4)请参阅图2，将井上的增压装置19连接输气管道2。由井上电源箱1向井下线圈组6通电，井内线圈组6内部轴线方向上产生电磁场21。位于电磁场21中的加热芯7由于涡流效应发热，并对经增压装置19注入加热腔9内的压缩流体5进行加热，得到高温高压热载体10。
所述的增压装置9包括公知的压缩机或泵；所述压缩流体5包括但不限于氮气、二氧化碳、惰性气体、水、水蒸气、空气、油气或烃类气体等介质；所述高温高压热载体10温度范围为150℃-1200℃，压力范围可在2-20MPa之间。
5)热载体10从加热腔9出口流出后流入注热井4侧的分级致裂缝隙12流道，并沿致裂缝隙12流动，在复合支撑剂11扰流和催化作用下，与富油煤层13主体进行原位对流传热使富油煤层13主体升温，富油煤在较低的温度条件下发生原位热解反应；
6)热载体和热解反应产物混合气体16从分级流道出口126汇入开采井15，以高温气体的形式返出地表，经分离装置17可获得初级油品，可燃油气和不可燃的氮气等气体；
其中，所述油气分离装置和气体分离技术为公知的装置与技术。
7)请参阅图3(a)和图3(b)，经过一定加热周期后，交换分级流道进口121和分级流道出口127位置，改变流体流动方向128，对富油煤层13继续进行交替对流加热，来提高煤层温度分布均匀性和收采率；
其中，所述交替对流加热是基于开采井处和注热井之间特定的多路并行的双向分级流体流道布置方式来实现。
8)在启动阶段可采用氮气、二氧化碳等气体作为热载体10，待系统稳定运行后可将原位热解产物中的烃类产物分离后，部分注入注热井4作为热载体10并进行循环加热。

Claims (2)

1.一种富油煤原位热解的煤层对流加热系统，其特征在于，包括设置于注热井(4)或开采井(15)底部的流体电磁加热装置，注热井(4)与开采井(15)之间通过致裂缝隙(12)相连通；流体电磁加热装置包括加热腔(9)、加热芯(7)、线圈组(6)与保温层(8)，加热腔(9)内部设置有加热芯(7)，加热腔(9)外部设置有保温层(8)，保温层(8)外部设置有线圈组(6)；
当流体电磁加热装置设置在注热井(4)中时，注热井(4)中设置有输气管道(2)，加热腔(9)与输气管道(2)底部相连通，当线圈组(6)通电时，经输气管道(2)输送至加热腔(9)内的压缩流体(5)被加热芯(7)加热后，经致裂缝隙(12)，由开采井(15)排出；致裂缝隙(12)中注有复合支撑剂(12)；压缩流体(5)为氮气、二氧化碳、水、水蒸气、空气或油气；增压装置(19)为压缩机或泵；
加热芯(7)的材质为金属、石墨或磁性材料；通过加热芯(7)的形状、结构、尺寸设计能够实现传热强化，注热井(4)为竖井或竖井加水平井，其布置方式为并行、排式或井网；线圈组(6)通过电缆(3)与电源箱(1)相连，电源箱(1)设置于注热井(4)外部；
输气管道(2)顶部与增压装置(19)相连；
开采井(15)内设置有采气管道(14)，采气管道(14)的顶部与增压装置(19)相连；
采气管道(14)的顶部还与参数控制系统(18)相连，输气管道(2)顶部还与数据采集系统(20)相连，参数控制系统(18)与数据采集系统(20)相连；
保温层(8)呈环形。
2.一种富油煤原位热解的煤层对流加热方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在富油煤层(13)钻进至少一口注热井(4)和开采井(15)；
2)采用致裂方式在富油煤层(13)中致裂缝隙(12)，注热井(4)和开采井(15)通过致裂缝隙(12)连通；
3)将加热芯(7)放入带有保温层(8)的加热腔(9)内，然后将加热腔(9)放置在位于注热井(4)内的线圈组(6)中，加热腔(9)与输气管道(2)相连，线圈组(6)与电源箱(1)相连；
4)线圈组(6)通电后，内部轴线方向上产生电磁场(21)，位于电磁场(21)中的加热芯(7)发热，并对注入加热腔(9)内的压缩流体(5)进行加热，得到热载体(10)；
5)热载体(10)流入致裂缝隙(12)中，在复合支撑剂(11)扰流和催化作用下，与富油煤层(13)进行原位对流传热使富油煤层(13)主体升温，富油煤发生原位热解反应；复合支撑剂(11)的粒径为0.5-2mm，孔隙直径5-10μm，导流能力大于60μm2/cm；
6)热载体(10)和热解反应产物混合气体(16)从致裂缝隙(12)汇入开采井(15)，以高温气体的形式返出地表；热载体(10)温度为150℃-1200℃，压力为2-20MPa；
致裂方式包括采用冲击波方式或流体压裂方式；
经过一定加热周期后，将加热腔(9)放置在开采井(15)内，进行步骤4)-步骤6)。
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