CN113090243A

CN113090243A - 煤炭地下气化模拟实验系统

Info

Publication number: CN113090243A
Application number: CN202010016776.8A
Authority: CN
Inventors: 薛华庆; 彭涌; 赵永明; 张福东; 东振; 孙粉锦; 蒋雅丽
Original assignee: Petrochina Co Ltd
Current assignee: Petrochina Co Ltd
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2021-07-09
Anticipated expiration: 2040-01-08
Also published as: CN113090243B

Abstract

本发明提供一种煤炭地下气化模拟实验系统，包括：通过管路依次连接的注气装置、煤炭气化装置以及气体收集处理装置；煤炭气化装置利用注气装置注入的氧气以及水蒸气，对其内的处于模拟地层条件下的煤炭样品进行燃烧和气化以产生合成气；气体收集处理装置对合成气进行净化和分离；其中，煤炭气化装置的气化容器侧壁上设有多个位于同一水平面上的注采孔，用于供注采管插入以向所述煤炭样品供给或输出气体，实验时可以根据两个水平井在水平方向上的夹角选取其中两个注采孔分别插入注采管进行气化模拟实验，可通过多次实验明确两个水平井在水平方向上的夹角为多少时煤炭地下气化效率最高，进而优化两个水平井之间的夹角。

Description

煤炭地下气化模拟实验系统

技术领域

本发明涉及煤炭资源开采领域，尤其涉及一种煤炭地下气化模拟实验系统。

背景技术

煤炭地下气化(Underground Coal Gasification，简称UCG)是直接在地下将处于地层中的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热作用及化学作用而产生可燃煤气的过程，其产物为主要含有可燃组分CH4、H2、CO的合成煤气(合成气)，该技术集建井、采煤、煤炭气化三大工艺为一体，将传统的物理采煤转换为化学采煤，具有安全性好，投资少、效率高、污染少等优点，深受世界各国重视，被誉为第二代采煤方法，特别适用于回收老矿井遗弃煤炭资源、难以开采或开采经济性和安全性较差的薄煤层、深部煤层、“三下”压煤和安全性较差的低品位煤层。

20世纪30年代开始，各国相继开展煤炭地下气化的现场实验。现场实验表明，水平井受控注入点后退气化CRIP工艺最为成功，并将煤炭地下气化向中深层推进。该工艺是利用同一地层面上，两个不同夹角的水平井，一个为注入井，另一个为开采井，进行煤炭地下气化开发。但是，CRIP中两个水平井在水平方向上的夹角为多少时，煤炭地下气化效率最高，尚未明确。

发明内容

为至少部分解决现有技术中的上述技术问题，本发明提供一种煤炭地下气化模拟实验系统，实现煤炭地下气化双水平井不同夹角的模拟实验，明确两个水平井在水平方向上的夹角为多少时煤炭地下气化效率最高，进而优化两个水平井之间的夹角，指导煤炭地下气化现场实验。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种煤炭地下气化模拟实验系统，包括：通过管路依次连接的注气装置、煤炭气化装置以及气体收集处理装置；

所述注气装置用于向所述煤炭气化装置注入氧气以及水蒸气；

所述煤炭气化装置利用所述氧气以及所述水蒸气，对其内的处于模拟地层条件下的煤炭样品进行燃烧和气化以产生合成气；

所述气体收集处理装置用于对所述合成气进行净化和分离；

其中，所述煤炭气化装置的气化容器侧壁上设有多个位于同一水平面上的注采孔，用于供注采管插入以向所述煤炭样品供给或输出气体。

进一步地，所述煤炭气化装置还包括：设置在所述气化容器内部用于包覆所述煤炭样品的耐火砖。

进一步地，所述煤炭气化装置还包括：设置在所述气化容器外部并通过管路连接所述气化容器侧壁与所述耐火砖之间的空隙的第一加压泵、设置在所述煤炭样品上部的耐火砖之上的固定盖、设置在所述固定盖上方并与所述固定盖间隔预设距离的密封盖、设置在所述气化容器外部并通过管路连接所述固定盖与所述密封盖之间的空隙的第二加压泵；

所述第一加压泵、所述第二加压泵在煤炭气化模拟实验时向对应的空隙注入围压液。

进一步地，所述煤炭气化装置还包括：用于紧固所述密封盖的固定栓。

进一步地，所述密封盖以及所述固定盖上对应位置设有采出孔，用于供采出管插入所述煤炭样品，以输出所述合成气。

进一步地，所述煤炭样品上预设有呈预设角度的注入通道以及采出通道。

进一步地，所述注气装置与所述煤炭气化装置之间的管路上设置温度传感器以及压力传感器，用于感测所述煤炭样品的气化腔的温度和压力。

进一步地，所述注气装置包括：并联的氧气瓶以及蒸汽发生器。

进一步地，所述气体收集处理装置包括：接收所述合成气的喷淋器、设置在所述喷淋器下方的废液收集罐、连接所述喷淋器的分离器以及连接所述分离器的集气罐和集液罐。

进一步地，所述气体收集处理装置还包括：设置在所述喷淋器以及所述分离器之间的冷却器。

本发明提供的煤炭地下气化模拟实验系统，包括：通过管路依次连接的注气装置、煤炭气化装置以及气体收集处理装置；所述注气装置用于向所述煤炭气化装置注入氧气以及水蒸气；所述煤炭气化装置利用所述氧气以及所述水蒸气，对其内的处于模拟地层条件下的煤炭样品进行燃烧和气化以产生合成气；所述气体收集处理装置用于对所述合成气进行净化和分离；其中，所述煤炭气化装置的气化容器侧壁上设有多个位于同一水平面上的注采孔，用于供注采管插入以向所述煤炭样品供给或输出气体，实验时可以根据两个水平井在水平方向上的夹角选取其中两个注采孔分别插入注采管进行气化模拟实验，当需要实现不同角度的模拟实验时选取不同的注采孔，可通过多次实验明确两个水平井在水平方向上的夹角为多少时煤炭地下气化效率最高，进而优化两个水平井之间的夹角，指导煤炭地下气化现场实验。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种煤炭地下气化模拟实验系统；

图2示出了图1中煤炭气化装置的外部局部结构图；

图3示出了图1中煤炭气化装置的具体结构；

图4示出了未钻井的煤炭样品置于图2所示煤炭气化装置内进行模拟实验前的俯视图；

图5示出了注入井和采出井的水平夹角小于30度的煤炭样品置于图2所示煤炭气化装置内进行模拟实验前的俯视图；

图6示出了注入井和采出井的水平夹角位于45度至60度之间的煤炭样品置于图2所示煤炭气化装置内进行模拟实验前的俯视图；

图7示出了注入井和采出井的水平夹角为90度的煤炭样品置于图2所示煤炭气化装置内进行模拟实验前的俯视图；

图8示出了注入井和采出井的水平夹角位于90度至135度之间的煤炭样品置于图2所示煤炭气化装置内进行模拟实验前的俯视图；

图9示出了注入井和采出井的水平夹角位于135度至180度之间的煤炭样品置于图2所示煤炭气化装置内进行模拟实验前的俯视图；

图10示出了注入井和采出井的水平夹角为180度时的煤炭地下气化模拟实验系统的结构图。

图11示出了本发明实施例中另一煤炭地下气化模拟实验系统的结构图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员，了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、权利要求及图式，任何本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请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申请。

目前，CRIP中两个水平井在水平方向上的夹角为多少时，煤炭地下气化效率最高，尚未明确。

为至少部分解决现有技术中的上述技术问题，本发明实施例提供了一种煤炭地下气化模拟实验系统，用于在煤炭、油页岩以及稠油开采时，在实验室开展煤炭地下气化双水平井不同夹角模拟实验，实验结果用于指导生产。如图1所示，该煤炭地下气化模拟实验系统包括：注气装置1、煤炭气化装置3以及气体收集处理装置2。

注气装置1通过管路连接煤炭气化装置3，气体收集处理装置2通过管路连接煤炭气化装置3。注气装置1用于向所述煤炭气化装置3注入氧气以及水蒸气，气体收集处理装置2用于对所述合成气进行净化和分离。

实验时，将煤炭样品设置在煤炭气化装置3提供的密闭环境中，并施加围压和上覆压力模拟地层条件，该煤炭气化装置3利用注气装置注入的氧气以及水蒸气，对其内的处于模拟地层条件下的煤炭样品进行燃烧和气化以产生合成气，输出至气体收集处理装置2。

具体地，参见图2，该煤炭气化装置3的气化容器3-1侧壁上设有多个位于同一水平面上的注采孔3-3，用于供注采管插入以向其内的煤炭样品供给或输出气体。

其中，该气化容器3-1可为气化罐。各注采孔与位于该水平面的气化罐的截面的中心的连线呈不同角度。气化模拟实验时，先根据实验需求(注入井和采出井的夹角，其中，注入井和采出井均为水平井)选定两个注采孔，两个注采孔与位于该水平面的气化罐的截面的中心的连线的夹角等于注入井和采出井的夹角；然后，将注采管插入选定的两个注采孔后，将各注采孔密封，煤炭样品在对应选定的两个注采孔位置设置有注入通道和采出通道，用于分别模拟注入井和采出井，另外，注采管外壁与注入通道、采出通道之间无间隙或者间隙采用密封技术密封，以便通过注采管以及注入通道和采出通道配合实现气体注入或气体输出，以模拟煤炭气化时的场景。

通过采用上述技术方案，在气化容器侧壁上设有多个位于同一水平面上的注采孔，实验时可以根据两个水平井在水平方向上的夹角选取其中两个注采孔分别插入注采管进行气化模拟实验，当需要实现不同角度的模拟实验时选取不同的注采孔，可通过多次实验明确两个水平井在水平方向上的夹角为多少时煤炭地下气化效率最高，实现煤炭地下气化双水平井不同夹角的模拟实验问题，进而优化两个水平井之间的夹角，指导煤炭地下气化现场实验。

在一个可选的实施例中，参见图2和图3，该煤炭气化装置3还可以包括：设置在气化容器3-1内部用于包覆煤炭样品3-8的耐火砖3-7、设置在气化容器3-1外部并通过管路连接气化容器侧壁与耐火砖之间的空隙的加压泵3-10、设置在煤炭样品3-8上部的耐火砖3-7之上的固定盖3-11、设置在所述固定盖3-11上方并与固定盖间隔预设距离的密封盖3-2、设置在气化容器3-1外部并通过管路连接固定盖3-11与密封盖3-2之间的空隙的加压泵3-9；

加压泵3-10、加压泵3-9在煤炭气化模拟实验时向对应的空隙注入围压液3-6。

该固定盖3-11用于对耐火砖3-7以及煤炭样品3-8进行固定，防止煤炭样品移动。

该密封盖3-2用于密封该气化容器3-1。

其中，通过在煤炭样品外包覆耐火砖能够防止高温对其他部件的影响，通过设置加压泵在煤炭气化模拟实验时向气化容器侧壁与耐火砖之间的空隙以及固定盖与密封盖之间的空隙注入围压液，向煤炭样品加围压，以模拟煤炭样品所处地层环境，提高模拟实验的准确性。

值得说明的是，为了防止围压液泄漏，在模拟实验时，注采孔3-3以及用于注入围压液的管路与气化容器之间的缝隙以及密封盖与气化容器之间的缝隙都经过了密封处理。

在一个可选的实施例中，该煤炭气化装置3还可以包括：用于紧固所述密封盖3-2的固定栓3-4，用于防止密封盖3-2在模拟实验时弹开造成事故。

值得说明的是，固定栓可为杆状，固定盖和密封盖可为圆形。

在一个可选的实施例中，继续参见图2，密封盖3-2以及固定盖3-11上对应位置可设有采出孔3-5，用于在需要模拟竖直井时将采出管通过采出孔3-5竖直插入煤炭样品上对应位置处设置的竖直通道，以输出煤炭气化所产生的合成气。

通过采用上述技术方案，该煤炭地下气化模拟实验系统不仅能够模拟不同角度水平井之间的气化实验，还能模拟水平井和竖直井之间的模拟气化实验，增加了实验系统的功能。

图4示出了未钻井的煤炭样品置于图2所示煤炭气化装置内进行模拟实验前的俯视图。如图4所示，该气化容器侧壁上的注采孔插入注采管后，各注采管之间可形成不同的角度，比如，注采管3-3-4与注采管3-3-5之间的夹角为小于30度，注采管3-3-5与注采管3-3-3之间的夹角可为大于45度的夹角，注采管3-3-2与注采管3-3-5之间的夹角可为90度，注采管3-3-1与注采管3-3-3之间的夹角可为120度左右，注采管3-3-1与注采管3-3-4之间的夹角为160度左右，注采管3-3-1与注采管3-3-5之间的夹角位180度，以此，能够模拟两个夹角为任意角度的水平井，只需选择对应的注采孔插入注采管，并在煤炭样品对应位置钻孔即可实现。

例如，图5示出了注入井(即注入通道)和采出井(采出通道)的水平夹角小于30度的煤炭样品置于图2所示煤炭气化装置内进行模拟实验前的俯视图；其中，3-8-1为煤炭样品上注入通道以及采出通道连通位置处进行气化燃烧所形成的气化腔。

值得说明的是，在进行气化实验前，煤炭样品上需要预先设置呈实验所需角度的注入通道以及采出通道。注入通道用于供注气装置注入氧气和水蒸气，采出通道用于供煤炭气化燃烧后产生的合成器输出。

其中，图6示出了注入井和采出井的水平夹角位于45度至60度之间的煤炭样品置于图2所示煤炭气化装置内进行模拟实验前的俯视图；图7示出了注入井和采出井的水平夹角为90度的煤炭样品置于图2所示煤炭气化装置内进行模拟实验前的俯视图；图8示出了注入井和采出井的水平夹角位于90度至135度之间的煤炭样品置于图2所示煤炭气化装置内进行模拟实验前的俯视图；图9示出了注入井和采出井的水平夹角位于135度至180度之间的煤炭样品置于图2所示煤炭气化装置内进行模拟实验前的俯视图；图10示出了注入井和采出井的水平夹角为180度时的煤炭地下气化模拟实验系统的结构图。具体参见图示，在此不再一一赘述。

图11示出了本发明实施例中另一煤炭地下气化模拟实验系统的结构图。如图11所示，示出了对一水平井与一竖直井进行气化模拟实验的系统结构，参见图11，注气装置1与煤炭气化装置3之间的管路上设置温度传感器T以及压力传感器P，用于感测所述煤炭样品的气化腔的温度和压力，以便更好地了解实验工况，更好地模拟实际环境，进一步提高实验的准确性。

在一个可选的实施例中，该注气装置1可以包括：并联的氧气瓶1-2以及蒸汽发生器1-1。

其中，氧气瓶1-2通过阀门1-3连接向煤炭气化装置1输送气体的管道上，蒸汽发生器1-1通过阀门1-4连接向煤炭气化装置1输送气体的管道上，通过控制阀门1-3以及阀门1-4控制向煤炭气化装置1输气的时机以及输气量，以便有效控制实验条件，对实际应用场景进行模拟，进一步提高实验准确性。

在一个可选的实施例中，该气体收集处理装置2包括：接收合成气的喷淋器2-2、设置在喷淋器2-2下方的废液收集罐2-4、连接喷淋器2-2的分离器2-6以及连接分离器2-6的集气罐或者集气设备或者集器容器(图中未示出)和集液罐2-9。

其中，喷淋器2-2通过阀门2-1连接在气体收集处理装置与煤炭气化装置之间的管路上，喷淋器2-2通过阀门2-3连接废液收集罐2-4，废液收集罐2-4用于收集对合成气进行喷淋后产生的废液；喷淋后的气体输送至分离器2-6，分离器用于将气体中的水分去除，经分离器2-6分离出的液体通过阀门2-8流至集液罐2-9，分离后的气体通过阀门2-7流至后续的集气罐或者集气设备或者集器容器(图中未示出)，以此高效对合成器进行净化处理，提高了实验效率。

在一个可选的实施例中，气体收集处理装置2还可包括：设置在所述喷淋器2-2以及所述分离器2-6之间的冷却器2-5，用于对喷淋后的气体进行冷却降温，防止高温气体对分离器2-6的工作产生影响，提高实验系统的可靠性。

值得说明的是，气化之前，气化腔就是注入井(或称注入通道)的末端，另外，上述注采管以及采出管可为空心圆管。注气装置与煤炭气化装置之间、煤炭气化装置与气体收集处理装置之间的管路也可称为排采管线。另外，实验时，气化腔中会残留气化燃烧产生的灰渣，这是正常的，不会影响实验精度。注入氧气可为常温常压，注入水蒸气为常压。

在进行模拟实验时，将设备安装调试完成后，借助点火器和助燃剂点燃气化腔位置处的煤炭样品，进行气化模拟实验。先注入氧气燃烧，后期注入水蒸气为气化提供H的组分，其中，对于氧气以及水蒸气的输入比例通过阀门对氧气的注入量以及水蒸气的注入量进行控制。

再者，在进行不同角度实验时，采用不同的煤炭样品，在煤炭样品根据角度要求设置注入通道和采出通道。

在一个可选的实施例中，为防止围压液外泄，注采管或采出管与罐壁或其他元件之间的间隙可用螺纹密封。

下面，举例对利用本发明实施例提供的实验系统进行L型井型开采模拟实验的过程进行说明：

首先，根据气化容器的大小制备规则的煤岩样品，在水平方向和垂直方向分别钻一个孔，分别用于放置注入管和采出管，以模拟注入井和采出井。

然后，将钻好的煤岩样品放入气化容器内，依次放置耐火砖包围该煤岩样品，然后再煤岩样品上方的耐火砖上盖上固定盖，以固定该煤岩样品和耐火砖；

之后，加盖密封盖，用固定栓将密封盖固定好，依次安装注入管和采出管，并进行密封处理；

通过加压泵向气化容器侧壁与所述耐火砖之间的空隙以及固定盖与所述密封盖之间的空隙注入围压液，使围压和轴压升高至实验所需的压力。打开氧气瓶后的阀门经注入管向煤岩样品注入氧气，点燃煤岩样品进行燃烧，提供反应所需的热量，随着燃烧加剧，气化腔空间变大，灰渣自动掉落至气化腔底部，同时打开蒸汽发生器后的阀门，经注入管注入水蒸气。煤岩样品气化产生的气体经过采出管排出。排出的气体经过喷淋器除掉粉尘等杂质，杂质在废液收集罐中收集，气体从喷淋器出来经过冷却器冷凝后，再至分离器进行分离，液体在集液罐中收集。

气化容器周围还配置有多个注采孔，进行L型井型开采模拟实验只打开一个注采孔，其余注采孔处于关闭状态。如果开展水平井不同角度水平井井型开采模拟实验时，关闭采出孔，根据不同角度的水平井井型开采模拟实验时，需要开启两个不同的注采孔。两个水平井角度<30°时，选择图4所示模式；两个水平井角度45～60°，选择图5所示模式；两个水平井角度90°时，选择图6所示模式；两个水平井角度90°～135°时,选择图7所示模式；两个水平井角度135°～180°时，选择图8所示模式。制样时，在煤岩样品中打两个不同角度的水平孔，一个模拟注入井，另一个模拟采出井，不需要打垂直的采出孔。其它的实验过程与L型井型开采模拟实验方案相同。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种煤炭地下气化模拟实验系统，其特征在于，包括：通过管路依次连接的注气装置、煤炭气化装置以及气体收集处理装置；

所述气体收集处理装置用于对所述合成气进行净化和分离；

2.根据权利要求1所述的煤炭地下气化模拟实验系统，其特征在于，所述煤炭气化装置还包括：设置在所述气化容器内部用于包覆所述煤炭样品的耐火砖。

3.根据权利要求2所述的煤炭地下气化模拟实验系统，其特征在于，所述煤炭气化装置还包括：设置在所述气化容器外部并通过管路连接所述气化容器侧壁与所述耐火砖之间的空隙的第一加压泵、设置在所述煤炭样品上部的耐火砖之上的固定盖、设置在所述固定盖上方并与所述固定盖间隔预设距离的密封盖、设置在所述气化容器外部并通过管路连接所述固定盖与所述密封盖之间的空隙的第二加压泵；

4.根据权利要求3所述的煤炭地下气化模拟实验系统，其特征在于，所述煤炭气化装置还包括：用于紧固所述密封盖的固定栓。

5.根据权利要求4所述的煤炭地下气化模拟实验系统，其特征在于，所述密封盖以及所述固定盖上对应位置设有采出孔，用于供采出管插入所述煤炭样品，以输出所述合成气。

6.根据权利要求1至5任一项所述的煤炭地下气化模拟实验系统，其特征在于，所述煤炭样品上预设有呈预设角度的注入通道以及采出通道。

7.根据权利要求1所述的煤炭地下气化模拟实验系统，其特征在于，所述注气装置与所述煤炭气化装置之间的管路上设置温度传感器以及压力传感器，用于感测所述煤炭样品的气化腔的温度和压力。

8.根据权利要求1所述的煤炭地下气化模拟实验系统，其特征在于，所述注气装置包括：并联的氧气瓶以及蒸汽发生器。

9.根据权利要求1所述的煤炭地下气化模拟实验系统，其特征在于，所述气体收集处理装置包括：接收所述合成气的喷淋器、设置在所述喷淋器下方的废液收集罐、连接所述喷淋器的分离器以及连接所述分离器的集气罐和集液罐。

10.根据权利要求9所述的煤炭地下气化模拟实验系统，其特征在于，所述气体收集处理装置还包括：设置在所述喷淋器以及所述分离器之间的冷却器。