CN113685161B - 一种富油煤原位热解的氮气电加热方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种富油煤原位热解的氮气电加热方法及系统，第二输气管道一端连接高温高压储氮罐，另一端伸入注热井内，依次穿过发热电缆加热结构和电磁感应加热结构，电磁感应加热结构连接变频电源装置及冷却系统，发热电缆加热结构和变频电源装置及冷却系统分别与电源及控制系统连接；高温高压氮气经第二输气管道进入注热井内，使用加热结构对第二输气管道加热；注热井通过裂隙与开采井连通，高温高压氮气进入裂隙；富油煤层受热列解产生的混合气体进入开采井；经油气采集管道传输至油气综合分离装置获得富油煤层的列解产物。本发明提高加热系统的效率、增强了地下加热装置的环境适应性和富油煤层加热温度的可控性。

Description

一种富油煤原位热解的氮气电加热方法及系统

技术领域

本发明属于富油煤油气资源开发技术领域，具体涉及一种富油煤原位热解的氮气电加热方法及系统。

背景技术

根据《矿产资源工业要求手册（2014修订版）》煤炭焦油产率分级，焦油产率（Tar，d）在7%~12%的煤炭称为富油煤；焦油产率（Tar，d）小于7%的煤炭称为含油煤；焦油产率（Tar，d）大于12%的煤炭称为高油煤。广义上，把焦油产率（Tar，d）大于7%的煤炭称为富油煤。富油煤不仅是一种煤炭焦油产率的分级，目前更是一种特殊的煤炭资源，在我国煤炭资源保有储量中，富油煤占比高达45％。

目前对富油煤热解转化主要采用地面热解技术。地面热解的利用效率差，还将造成大量半焦堆积；同时，在热解产物分离过程中将伴随着废水及废气的排放，对环境造成不良影响。

与富油煤地面热解方法不同，富油煤原位热解是指富油煤不经开采，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（开采井）导出地面进行分离及深加工的技术。这是一种环境友好的可持续开采转化技术，与现有地面热解技术相比具有占地面积小、开采费用低、产品质量好和环保等许多优点，该技术的开发对早日实现“双碳”目标，具有重要现实意义。

现阶段，富油煤原位热解利用技术多处于初期概念性和实现方案论证阶段，缺少充分实验研究。富油煤原位热解首先需要将地下大规模的富油煤层（矿）加热到热解温度。现有研究表明，热解温度大概需要达到450~600℃。富油煤层本身的传热能力差，很难通过传导方式加热。页岩油原位加热方法也不适用。

现有的一种加热方案是采用可控冲击波对富油煤层造缝（形成足够多和宽的裂隙），借助于高温高压热载体（热流体）长时间尺度缓慢加热与短时间尺度强化加热(地下分布式电加热)对富油煤层进行强迫对流和传导的综合加热方法，使其达到足够的热解温度。热载体的选择有很多，如高温高压水蒸汽、二氧化碳（CO2）和氮气（N2）等。结合富油煤热解的后续产品，目前认为理想的热载体之一是高温高压氮气。考虑富油煤层的传热过程损耗，地下热载体的最高温度可能需要达到700~800℃以上才能满足富油煤原位热解的要求。如何对地下热载体的可靠、高效加热、传送和控制，使富油煤层均匀受热、有效原位列解，目前是一个极具挑战性的课题。

针对目前富油煤原位热解利用技术中富油煤层的加热方案和方法比较少，提出的一些方法也未考虑富油煤层的实际加热环境，缺乏实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种富油煤原位热解的氮气电加热方法及系统，提高加热系统的效率、增强了地下加热装置的环境适应性和富油煤层加热温度的可控性，解决富油煤原位热解时大规模电加热高温、高压氮气的加热效率、地下加热装置的环境适应性和富油煤层加热温度的可控性等问题。

本发明采用以下技术方案：

一种富油煤原位热解的氮气电加热系统，包括高温高压储氮罐，高温高压储氮罐的输出端与第二输气管道的一端连接，第二输气管道的另一端伸入注热井内，先穿过设置在非富油煤上层处的第一发热电缆加热结构，再依次穿过设置在富油煤层处的第二发热电缆加热结构和电磁感应加热结构，电磁感应加热结构连接对应的变频电源装置及冷却系统，第一发热电缆加热结构、第二发热电缆加热结构和变频电源装置及冷却系统分别通过耐高温电缆与电源及控制系统连接；

高温高压储氮罐内的高温高压氮气经第二输气管道上设置的热流体喷射口进入注热井内，通过第一发热电缆加热结构，第二发热电缆加热结构，变频电源装置及冷却系统和电磁感应加热结构对第二输气管道加热；

注热井通过裂隙与开采井连通，高温高压氮气进入富油煤层中的裂隙；富油煤层受热列解产生的混合气体进入开采井；经开采井内设置的油气采集管道传输至油气综合分离装置获得富油煤层的列解产物。

具体的，第一发热电缆加热结构包括第一发热电缆，第一发热电缆设置在第二输气管道的外部，第一发热电缆的外部设置有保温结构。

具体的，第二发热电缆加热结构包括第二发热电缆，第二发热电缆设置在第二输气管道的外部。

具体的，电磁感应加热结构包括电磁感应线圈，电磁感应线圈设置在第二输气管道的外部，第二输气管道内对应电磁感应线圈处设置有螺旋导流板。

具体的，第一发热电缆加热结构和第二发热电缆加热结构通过耐高温电缆与电源及控制系统连接。

具体的，多个变频电源装置及冷却系统通过冷氮气输气管道经第三增压装置与储氮罐连接，加压后的冷氮气经输气管道进入注热井对变频电源装置及冷却系统的变频电源装置进行冷却。

具体的，变频电源装置及冷却系统包括密闭的保温结构，保温结构内部设置有主电路、驱动电路和控制电路，保温结构上分别设置有电源输入、高频电源输出和控制电缆；加压后的冷氮气输气管道从变频电源装置及冷却系统的主电路侧进入保温结构内，经与主电路、驱动电路和控制电路换热后从保温结构另一侧的热氮气输出口输出。

具体的，高温高压储氮罐依次经第二增压装置、高温储氮罐、氮气加热装置、储氮罐、单向阀、第一增压装置和阀门后与制氮机连接。

进一步的，制氮机包括多个，多个制氮机分别通过输气管道与储氮罐连接，储氮罐与高温储氮罐之间并联设置有多条第一输气管道，每条第一输气管道上串联设置有多个氮气加热装置。

本发明的另一技术方案是，富油煤原位热解的氮气电加热系统对氮气进行电加热的方法，包括以下步骤：

在富油煤层钻进至少一口注热井和开采井；

采用致裂方式在富油煤层中致裂缝隙得到裂隙，注热井和开采井通过裂隙连通；

高温高压储氮罐内的高温高压氮气通过第二输气管道上的热流体喷射口进入注热井内，再穿过非富油煤上层进入富油煤层，通过热流体喷射口控制高温高压氮气进入注热井内的流量，实现高温高压氮气进入富油煤层中裂隙的流量控制；

根据富油煤层的温度，通过电源及控制系统控制第一发热电缆加热结构，第二发热电缆加热结构，变频电源装置及冷却系统和电磁感应加热结构的输出功率和调节热流体喷射口进而对富油煤层的热解温度进行控制，通过第一发热电缆加热结构，第二发热电缆加热结构，变频电源装置及冷却系统和电磁感应加热结构对第二输气管道加热，实现对高温高压氮气的保温和升温处理；

富油煤层受热列解后产生的混合气体通过裂隙进入开采井；再通过油气采集管道传输进入油气综合分离装置获得富油煤层的列解产物，并回收再利用氮气。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种富油煤原位热解的氮气电加热系统，考虑到非富油煤上层的厚度和需要加热的富油煤层的厚度可能达到几十m到上百m、甚至上千m，相应的在注热井中第二输气管道在这部分传输距离也将达到几十m到上百m、甚至上千m；第二输气管道需要传输高温高压氮气，所以，第二输气管道将采用一定直径和厚度的耐热、耐压金属管道；金属本身的传热效果非常好，金属也具有一定电阻率，电流在金属中流动时金属本身会发热；利用第二输气管道在非富油煤上层和富油煤层的传输距离，在非富油煤上层设置第一发热电缆加热结构，在富油煤层设置第二发热电缆加热结构和电磁感应加热结构，通过发热电缆发热对第二输气管道的金属管道间接加热和电磁感应加热结构对第二输气管道的金属管道直接加热，进而对高温高压氮气加热、保温，加热效率高，在地下有限空间容易实施；为了提高电磁感应加热的功率，需要高频电源，设置变频电源装置及冷却系统获得高频电源；为适应地下高温高压环境和变频电源装置本身冷却需要，设置变频电源装置冷却系统和隔热保温结构。

进一步的，考虑到非富油煤上层的厚度可能达到几十m到上百m，相应的第二输气管道在这部分传输距离也将达到几十m到上百m，在第二输气管道外设置第一发热电缆加热结构，可以在这部分距离采用发热电缆发热对第二输气管道加热，进而对高温高压氮气加热、保温；直接采用发热电缆对第二输气管道加热，加热效率高，在地下有限空间容易实施；在第一发热电缆的外部设置保温结构的目的可以减少对这非加热区—非富油煤上层的散热，提高系统加热效率。

进一步的，考虑到需要加热的富油煤层的厚度可能达到几十m到上百m、甚至上千m，相应的第二输气管道在这部分传输距离也将达到几十m到上百m、甚至上千m，在第二输气管道外部设置第二发热电缆加热结构，可以在这部分距离采用发热电缆发热对第二输气管道加热，进而对高温高压氮气加热、保温；直接采用发热电缆对第二输气管道加热，加热效率高，在地下有限空间容易实施；在第二发热电缆的外部不设置保温结构的目的是第二发热电缆可以直接对富油煤层加热，提高系统加热效率。

进一步的，考虑到需要加热的富油煤层的厚度可能达到几十m到上百m、甚至上千m，相应的第二输气管道在这部分传输距离也将达到几十m到上百m、甚至上千m，在第二输气管道外部设置电磁感应加热结构，可以在这部分距离设置电磁感应线圈，利用电磁感应加热原理对第二输气管道直接加热，进而对高温高压氮气加热、保温；采用电磁感应加热原理直接对第二输气管道加热，加热速度快、效率高，系统温度控制灵活、响应时间短；地下有限空间容易实施；在电磁感应线圈的外部不设置保温结构的目的是可以利用电磁感应线圈部分电流的发热直接对富油煤层加热，提高系统加热效率；第二输气管道内对应电磁感应线圈处设置螺旋导流板的目的是增强高温高压氮气与第二输气管道间的换热效果，提高对高温高压氮气的加热速度和效率。

进一步的，采用耐高温电缆的目的是适应地下高温环境，与电源及控制系统连接设置的目的是可以通过电源及控制系统对第一发热电缆加热结构和第二发热电缆加热结构的加热功率控制，进而对第二输气管道、高温高压氮气加热温度的控制，最终实现对富油煤层加热温度的控制。

进一步的，设置储氮罐和第三增压装置的目的是提高冷氮气输气管道中冷氮气的压力与冷氮气供应的稳定性和可靠性，保证变频电源装置及冷却系统的冷却效果；多个变频电源装置及冷却系统通过冷氮气及输气管道经第三增压装置与储氮罐连接设置的目的是为了增加富油煤层加热所需的加热功率和提高加热装置可靠性而进行的冗余设计。

进一步的，高频电磁感应加热的效率高、功率大，变频电源装置及冷却系统设置的目的是将工频电源或新能源的直流电逆变为高频交流电源，供给电磁感应线圈直接对第二输气管道进行电磁感应加热；考虑到地下高温环境和变频电源装置主电路、驱动电路、控制电路中的电力电子开关器件及电子元件工作时的温度限制本身需要冷却，设置冷氮气输气管道、密闭的保温结构对变频电源装置中的主电路、控制电路等元器件冷却、隔热保温，保证变频电源装置正常工作。

进一步的，大规模、高效率电加热氮气目前还是一项具有挑战性的技术。为了提高氮气加热能力和扩大氮气加热规模，在地面上对氮气逐步分级加热和逐步分级加压，设置多个氮气加热装置、第一增压装置、第二增压装置，经单向阀、阀门与高温储氮罐、储氮罐、制氮机连接，满足富油煤原位开采对大规模高温高压氮气的需要，这样可以降低地面氮气电加热装置实现的难度和造价，提高了系统可靠性。

进一步的，大规模、高效率电加热氮气目前还是一项具有挑战性的技术。为了提高氮气加热能力和扩大氮气加热规模，在地面上对氮气逐步分级加热和逐步分级加压，每条第一输气管道上串联和并联设置有多个氮气加热装置，采用多个串联、并联加热和加压系统对氮气逐步分级加热和逐步分级加压，再与储氮罐高温储氮罐连接，满足富油煤原位开采对大规模高温高压氮气的需要，可以降低氮气加热装置实现的难度和造价，提高氮气加热系统的可靠性。

一种富油煤原位热解的氮气电加热方法，富油煤的导热能力很差；考虑到非富油煤上层的厚度和需要加热的富油煤层的厚度可能达到几十m到上千m，相应钻进的注热井和开采井的钻进深度，以及注热井和开采井间的距离要考虑对流传热需要高温高压氮气充分进入裂隙的深度和水平距离以及致裂缝隙的能力，依据开采进度逐步推进，分段加热、分段开采；比如，从富油煤层的下部开始分段开采，在注热井内，依据开采进度和富油煤层测温装置测量的富油煤层温度一方面控制第二输气管道上的热流体喷射口的开启和关闭以及流量大小，另一方面通过电源及控制系统和变频电源装置及冷却系统调节第一发热电缆加热结构，第二发热电缆加热结构和电磁感应加热结构的功率，控制第二输气管道的温度，进而调节高温高压氮气的温度实现对富油煤层需要原位热解（分段）部分的富油煤层加热温度的控制；富油煤层开采过的部分可以对其裂隙灌浆封闭，减小高温高压氮气的散热，提高高温高压氮气的利用率；必要时，注热井和开采井的工作状态可以交换，将注热井中的加热装置置于开采井，原注热井作为开采井，原开采井作为注热井原位热解，提高产油率。

综上所述，本发明提高加热系统的效率、增强了地下加热装置的环境适应性和富油煤层加热温度的可控性，解决富油煤原位热解时大规模电加热高温、高压氮气的加热效率、地下加热装置的环境适应性和富油煤层加热温度的可控性等问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为电加热氮气的综合加热系统图；

图2 为第一发热电缆加热结构图；

图3为第二发热电缆加热结构图；

图4 为变频电源装置及冷却系统图；

图5为电磁感应加热结构图；

图6 为电磁感应加热结构俯视图。

其中：1.制氮机；2.阀门；3.第一增压装置；4.单向阀；5.储氮罐；6.第一输气管道；7.氮气加热装置；8.高温储氮罐；9.第二增压装置；10.高温高压储氮罐；11.第三增压装置；12.冷氮气输气管道；13.电源及控制系统；14.耐高温电缆；15.高温高压氮气；16.第二输气管道；17.非富油煤上层；171.非富油煤下层；18.富油煤层；19.裂隙；20.注热井密封；21.注热井；22.富油煤层测温装置；23.第一发热电缆加热结构；231.保温结构；232.第一发热电缆；24.第二发热电缆加热结构；241.第二发热电缆；25.热流体喷射口；26.变频电源装置及冷却系统；261. 电源输入；262.高频电源输出；263.控制电缆；264.热氮气输出口；27.电磁感应加热结构；271.电磁感应线圈；272.螺旋导流板；28.开采井；29.开采井密封；30.油气采集管道；31.油气综合分离装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

请参阅图1，本发明一种富油煤原位热解的氮气电加热系统，包括制氮机1，制氮机1经设置有阀门2的第一输气管道6与第一增压装置3的输入端连接，第一增压装置3的输出端经单向阀4与储氮罐5连接，储氮罐5经多组串联连接的氮气加热装置7后连接至高温储氮罐8，高温储氮罐8经第二增压装置9与高温高压储氮罐10连接；高温高压储氮罐10的输出端连接第二输气管道16的一端，第二输气管道16的另一端经注热井密封20进入注热井21后穿过第一发热电缆加热结构23，再依次穿过多组第二发热电缆加热结构24和电磁感应加热结构27，第二发热电缆加热结构24和电磁感应加热结构27之间的第二输气管道16上设置有热流体喷射口25，第一发热电缆加热结构23和第二发热电缆加热结构24通过耐高温电缆14分别与电源及控制系统13和对应的变频电源装置及冷却系统26连接，电磁感应加热结构27与对应的变频电源装置及冷却系统26连接，多个变频电源装置及冷却系统26通过冷氮气输气管道12经第三增压装置11与储氮罐5连接；注热井21的一侧的开采井28内设置有油气采集管道30，油气采集管道30的一端设置在开采井28内，并在开采井28的端口处设置有开采井密封29，油气采集管道30的另一端与油气综合分离装置31连接，注热井21与开采井28之间通过裂隙19连通。

注热井21的上段贯穿非富油煤上层17，下段贯穿富油煤层18，底部位于非富油煤下层171的顶部，第一发热电缆加热结构23设置在非富油煤上层17区域，第二发热电缆加热结构24和电磁感应加热结构27设置在富油煤层18内区域，富油煤层18内包含多个裂隙19，富油煤层18内设置有富油煤层测温装置22。

高温高压储氮罐10内的高温高压氮气15经热流体喷射口25进入富油煤层18中的裂隙19，对富油煤层18加热；富油煤层18受热列解，热解反应后产生的混合气体进入开采井28；开采井密封29对开采井28进行密封，热解反应后产生的混合气体进入油气采集管道30，再通过油气采集管道30传输进入油气综合分离装置31；通过油气综合分离装置31获得油和氮气等富油煤层18的列解产物，氮气可以回收再利用。

制氮机1与储氮罐5之间的连接管路至少包括两条；储氮罐5与高温储氮罐8之间的连接管路至少包括两条，每条管路上至少设置有两个氮气加热装置7。

多台制氮机1产生的氮气经阀门2控制，通过第一输气管道6进入第一增压装置3，再通过单向阀4，汇集到储氮罐5，储氮罐5也可以采用多个；储氮罐5中的氮气，经过第一输气管道6，阀门2控制进入多个氮气加热装置7对氮气加热；经过氮气加热装置7加热后的高温氮气汇集到高温储氮罐8中，高温氮气经过第一输气管道6，阀门2控制进入第二增压装置9对氮气第二次增压；增压后的高温、高压氮气经过单向阀4，阀门2控制进入高温高压储氮罐10；

优选地，为了扩大氮气加热装置的加热功率和加热速度，提高氮气加热装置的可靠性，多个氮气加热装置7可以串联连接，也可以并联连接；高温储氮罐8包括多个；高温高压储氮罐10包括多个。

储氮罐5中的氮气经过第一输气管道6，阀门2控制进入第三增压装置11对氮气加压，加压后的冷氮气经输气管道12进入注热井21对变频电源装置及冷却系统26的变频电源装置进行冷却。

电源及控制系统13通过耐高温电缆14对注热井21的井下设备（第一发热电缆加热结构23，第二发热电缆加热结构24，热流体喷射口25，变频电源装置及冷却系统26，电磁感应加热结构27）供电，地下（井下）环境信息（温度、压力等）和设备运行状态也通过耐高温电缆14传递给电源及控制系统13，用于控制整个加热系统。

从高温高压储氮罐10输出的高温高压氮气15（热流体），经过第二输气管道16和注热井密封20进入注热井21内，再穿过非富油煤上层17进入富油煤层18；高温高压氮气15可以到达非富油煤下层171，也可以进入水平方式的注热井内；通过热流体喷射口25控制高温高压氮气15进入注热井21内的流量，即控制高温高压氮气15进入富油煤层18中裂隙19的流量大小。

第一发热电缆加热结构23，第二发热电缆加热结构24，变频电源装置及冷却系统26和电磁感应加热结构27设置的目的是对第二输气管道16加热，进而对高温高压氮气15保温和升温；电源及控制系统13根据（多个）富油煤层测温装置22测量的富油煤层18温度控制第一发热电缆加热结构23，第二发热电缆加热结构24，变频电源装置及冷却系统26和电磁感应加热结构27的输出功率和调节热流体喷射口25进而对富油煤层18的热解温度进行控制，使其高效热解。

第一发热电缆加热结构23、第二发热电缆加热结构24、热流体喷射口25、变频电源装置及冷却系统26和电磁感应加热结构27在注热井21中的数目和排列次序根据需要增减和改变。

请参阅图2，第一发热电缆加热结构23包括保温结构231和第一发热电缆232，第一发热电缆232设置在第二输气管道16的外部，保温结构231位于第一发热电缆232的外部，对第一发热电缆232保温。

请参阅图3，第二发热电缆加热结构24包括第二发热电缆241，第二发热电缆241设置在第二输气管道16的外部。

请参阅图5和图6，电磁感应加热结构27包括电磁感应线圈271和螺旋导流板272，电磁感应线圈271设置在第二输气管道16的外部，电磁感应线圈271由耐高温电缆构成，螺旋导流板272位于第二输气管道16中电磁感应线圈271相对应段（部分）。

第一发热电缆232、第二发热电缆241和电磁感应线圈271缠绕在第二输气管道16的外部，二者之间由于安装工艺等原因留有适当间隙，也可以进一步设置对第一发热电缆232、第二发热电缆241和电磁感应线圈271的保温、绝缘及必要的保护材料等；第一发热电缆加热结构23的第一发热电缆232，第二发热电缆加热结构24的第二发热电缆241产生的热量传导给第二输气管道16，进而对高温高压氮气15加热；第一发热电缆232和第二发热电缆241可以采用工频交流电和新能源产生的直流电源直接供电，若采用工频交流电供电，除加热电缆本身产生的热量外，交变电磁场对第二输气管道16也具有电磁感应加热的作用，可以提高加热效率；电磁感应加热结构27的电磁感应线圈271由变频电源装置及冷却系统26供电，对第二输气管道16进行电磁感应加热，进而对高温高压氮气15加热；螺旋导流板272设置是为了强化高温高压氮气15与第二输气管道16的对流传热作用；第二输气管道16中，螺旋导流板272除特别指定的电磁感应线圈271相对应段（部分）设置外，其他部分可以分段设置，不要连续设置。

请参阅图4，变频电源装置及冷却系统26为一密闭箱体，包括电源输入261，高频电源输出262，控制电缆263，保温结构231和热氮气输出口264。

箱体内部设置有主电路、驱动电路和控制电路，保温结构231设置在箱体的外部，用于对变频电源装置及冷却系统26隔热，电源输入261、高频电源输出262和控制电缆263分别设置在保温结构231上，电源输入261采用工频交流电和新能源产生的直流电源直接供电；加压后的冷氮气输气管道12从变频电源装置及冷却系统26的主电路侧进入变频电源装置及冷却系统26密闭箱体内，经与主电路、驱动和控制电路换热后从热氮气输出口264输出；热氮气输出口264输出的热氮气直接排除到富油煤岩中或通过管路回收到地面再加热利用。

除特别指出的以外，各储氮罐体、阀门和输气管道等，可根据需要设置保温隔热防护材料，保护管道、减少热量损失。

本发明提供了一种富油煤原位热解的氮气电加热方法，具有以下特点：

（1）地上为主、地下为辅的富油煤原位（热解）综合加热方案

地面上空间大，大规模、大功率加热装置容易布置；地下空间狭小，环境恶劣，不适合大规模、大功率设置电加热装置。

（2）地上加热器采用电加热器（管）等方式直接对氮气加热

加热器结构简单，加热效率高；为了提高加热能力和扩大加热规模，地上加热器采用串联逐级加热、加压和多路并联冗余加热、加压的方法。

（3）地下加热器对氮气输气金属管道加热来实现对氮气的保温和升温

采用高温加热（发热）电缆加热（长时间尺度）和电磁感应加热（短时间尺度）相结合。

（4）发热电缆加热

加热（发热）电缆直接缠绕在地下氮气输送金属管道外壁，通过耐高温发热电缆发热来加热输气金属管道实现对氮气进行加热；不需要的加热矿层（非富油煤矿）区域，加热电缆外设保温结构，减小热量损失；需要的加热矿层（富油煤矿）区域，加热电缆外可以不设置（或设置）保温结构。采用工频交流电或新能源产生的直流电源直接供电。若采用工频交流电供电，除加热电缆本身产生的热量外，交变电磁场对气体传输金属管也具有感应加热的作用，可以提高加热效率。

（5）电磁感应加热

通过高频电磁感应对地下输气金属管道定向强化加热，实现对氮气的保温、升温和氮气温度调节。高频电磁感应加热速度快，温度控制灵活；采用工频交流电和新能源产生的直流电源直接供电，通过电力电子变频装置逆变为高频电源输出给高频电磁感应加热线圈；同时，在输气金属管道内分段（不连续）设置螺旋式导流板，提高对氮气加热的强迫对流换热效果。

由于加工、安装工艺要求，线圈（电缆）与输气金属管间留有间歇。耐高温电缆线（加热线或导线）本身带绝缘，线圈与金属管间根据需要可以增加绝缘和必要的保护材料。

（6）强化输气管道与热载体（各类气体、水蒸汽）传热的方法

在地下加热器对应位置的输气管道内分段（不需要在整个输气管道）设置螺旋状导流板，强化热载体与金属管壁的对流换热。

（7）对地下变频电源装置设置隔热保护与冷却系统

电力电子变频电源装置（主电路及驱动、控制电路）置于一个密闭箱体内，箱体外铺设保温隔热材料，减小外部热量传入内部；密闭箱体内的一侧通入低温氮气，对变频电源的电路元器件进行冷却，换热后的热氮气从密闭箱体内的另一侧直接排除到富油煤岩中或通过管路回收到地面再加热利用。

本发明方法不仅适用于电加热氮气，相关内容也适用于加热各类高温高压热载体（热流体），如水蒸汽、空气、二氧化碳（CO2）和惰性气体、烃类气体等。

综上所述，本发明一种富油煤原位热解的氮气电加热方法及系统，考虑了富油煤层的实际加热环境，把高温、高压热载体（热流体）地上与地下长时间尺度缓慢加热与短时间尺度强化加热及强迫对流传导加热有机结合，提高了加热系统的效率、增强了加热装置对地下环境的适应性和富油煤层加热温度的可控性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种富油煤原位热解的氮气电加热系统，其特征在于，包括高温高压储氮罐(10)，高温高压储氮罐(10)的输出端与第二输气管道(16)的一端连接，第二输气管道(16)的另一端伸入注热井(21)内，先穿过设置在非富油煤上层(17)处的第一发热电缆加热结构(23)，再依次穿过设置在富油煤层(18)处的第二发热电缆加热结构(24)和电磁感应加热结构(27)，电磁感应加热结构(27)连接对应的变频电源装置及冷却系统(26)，第一发热电缆加热结构(23)、第二发热电缆加热结构(24)和变频电源装置及冷却系统(26)分别通过耐高温电缆(14)与电源及控制系统(13)连接，第一发热电缆加热结构(23)包括第一发热电缆(232)，第一发热电缆(232)设置在第二输气管道(16)的外部，第一发热电缆(232)的外部设置有保温结构(231)，第二发热电缆加热结构(24)包括第二发热电缆(241)，第二发热电缆(241)设置在第二输气管道(16)的外部，第一发热电缆加热结构(23)和第二发热电缆加热结构(24)通过耐高温电缆(14)与电源及控制系统(13)连接；

高温高压储氮罐(10)内的高温高压氮气(15)经第二输气管道(16)上设置的热流体喷射口(25)进入注热井(21)内，通过第一发热电缆加热结构(23)，第二发热电缆加热结构(24)，变频电源装置及冷却系统(26)和电磁感应加热结构(27)对第二输气管道(16)加热，高温高压储氮罐(10)依次经第二增压装置(9)、高温储氮罐一(8)、氮气加热装置(7)、储氮罐二(5)、单向阀(4)、第一增压装置(3)和阀门(2)后与制氮机(1)连接，多个变频电源装置及冷却系统(26)通过冷氮气输气管道(12)经第三增压装置(11)与储氮罐二(5)连接，加压后的冷氮气经冷氮气输气管道(12)进入注热井(21)对变频电源装置及冷却系统(26)的变频电源装置进行冷却；

注热井(21)通过裂隙(19)与开采井(28)连通，高温高压氮气(15)进入富油煤层(18)中的裂隙(19)；富油煤层(18)受热裂解产生的混合气体进入开采井(28)；经开采井(28)内设置的油气采集管道(30)传输至油气综合分离装置(31)获得富油煤层(18)的裂解产物。

2.根据权利要求1所述的富油煤原位热解的氮气电加热系统，其特征在于，电磁感应加热结构(27)包括电磁感应线圈(271)，电磁感应线圈(271)设置在第二输气管道(16)的外部，第二输气管道(16)内对应电磁感应线圈(271)处设置有螺旋导流板(272)。

3.根据权利要求1所述的富油煤原位热解的氮气电加热系统，其特征在于，变频电源装置及冷却系统(26)包括密闭的保温结构(231)，保温结构(231)内部设置有主电路、驱动电路和控制电路，保温结构(231)上分别设置有电源输入(261)、高频电源输出(262)和控制电缆(263)；加压后的冷氮气输气管道(12)从变频电源装置及冷却系统(26)的主电路侧进入保温结构(231)内，经与主电路、驱动电路和控制电路换热后从保温结构(231)另一侧的热氮气输出口(264)输出。

4.根据权利要求1所述的富油煤原位热解的氮气电加热系统，其特征在于，制氮机(1)包括多个，多个制氮机(1)分别通过输气管道三与储氮罐二(5)连接，储氮罐二(5)与高温储氮罐一(8)之间并联设置有多条第一输气管道(6)，每条第一输气管道(6)上串联设置有多个氮气加热装置(7)。

5.根据权利要求1所述富油煤原位热解的氮气电加热系统对氮气进行电加热的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在富油煤层(18)钻进至少一口注热井(21)和开采井(28)；

采用致裂方式在富油煤层(18)中致裂缝隙得到裂隙(19)，注热井(21)和开采井(28)通过裂隙(19)连通；

高温高压储氮罐(10)内的高温高压氮气(15)通过第二输气管道(16)上的热流体喷射口(25)进入注热井(21)内，再穿过非富油煤上层(17)进入富油煤层(18)，通过热流体喷射口(25)控制高温高压氮气(15)进入注热井(21)内的流量，实现高温高压氮气(15)进入富油煤层(18)中裂隙(19)的流量控制；

根据富油煤层(18)的温度，通过电源及控制系统(13)控制第一发热电缆加热结构(23)，第二发热电缆加热结构(24)，变频电源装置及冷却系统(26)和电磁感应加热结构(27)的输出功率和调节热流体喷射口(25)进而对富油煤层(18)的热解温度进行控制，通过第一发热电缆加热结构(23)，第二发热电缆加热结构(24)，变频电源装置及冷却系统(26)和电磁感应加热结构(27)对第二输气管道(16)加热，实现对高温高压氮气(15)的保温和升温处理；

富油煤层(18)受热裂解后产生的混合气体通过裂隙(19)进入开采井(28)；再通过油气采集管道(30)传输进入油气综合分离装置(31)获得富油煤层(18)的裂解产物，并回收再利用氮气。

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