CN115247552A - 煤炭地下气化井筒的密封方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种煤炭地下气化井筒的密封方法。煤炭地下气化井筒的密封方法包括：点火步骤：向连续管的内管内注入点火燃料，向第一环空内注入氧气，向第二环空内注入氮气，点火燃料燃烧加热煤层直至煤层燃烧，然后停止向内管内注入点火燃料，并向内管内注入氮气；注水步骤：当煤层燃烧达到可气化条件时，停止向第二环空内注入氮气，然后向第二环空内注水，以在第二环空内形成初始密封水柱；密封建立步骤：调节第二环空内的气压、第二环空的注水量以及煤层中的气化反应腔与第二环空之间的气压差，以控制初始密封水柱的生长高度，直至生长为具有预设高度的密封水柱。本发明解决了现有技术中煤炭地下气化井筒密封不安全的问题。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭开采技术领域，具体而言，涉及一种煤炭地下气化井筒的密封方法。
背景技术
煤炭地下气化是在地下创造适当的工艺条件，使煤炭进行有控制的燃烧，通过煤的热解以及煤与氧气、水蒸汽发生的一系列化学反应，生成氢气、一氧化碳和甲烷等粗煤气的化学采煤方法，这种开采技术实现煤炭清洁开采，是煤炭清洁利用的颠覆性技术。
目前，中深层煤炭地下气化相对于传统挖掘采煤方法，更具有安全、环保和经济效益优势，是难采煤炭开发技术未来发展方向之一。现有的煤炭地下气化工艺多为注入点可控后退工艺，其核心是利用连续管技术实现燃烧与拖动的有效控制。在煤炭地下气化注入点可控回退工艺实施过程中，连续管与井筒间环空因拖动难以实现机械密封，气化反应腔内氧气、粗煤气若经过注入点回流至注入井井筒，会导致连续管腐蚀破坏甚至出现混合气体爆炸事故。
由上可知，现有技术中存在煤炭地下气化井筒密封不安全的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种煤炭地下气化井筒的密封方法，以解决现有技术中煤炭地下气化井筒密封不安全的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种煤炭地下气化井筒的密封方法，包括：点火步骤：向连续管的内管内注入点火燃料，向第一环空内注入氧气，向第二环空内注入氮气，点火燃料燃烧加热煤层直至煤层燃烧，然后停止向内管内注入点火燃料，并向内管内注入氮气；注水步骤：当煤层燃烧达到可气化条件时，停止向第二环空内注入氮气，然后向第二环空内注水，以在第二环空内形成初始密封水柱；密封建立步骤：调节第二环空内的气压、第二环空的注水量以及煤层中的气化反应腔与第二环空之间的气压差，以控制初始密封水柱的生长高度，直至初始密封水柱生长为具有预设高度的密封水柱。
进一步地，注水步骤还包括：通过第二环空的注水压力的变化判断是否形成初始密封水柱，当第二环空的注水压力下降时，判断初始密封水柱形成。
进一步地，在密封建立步骤中，调节第二环空内的气压、第二环空的注水量以及煤层中的气化反应腔与第二环空之间的气压差包括：当第二环空的注水压力下降时，保持当前的第二环空的注水量不变，直至第二环空的注水压力不再下降，初始密封水柱生长为具有预设高度的密封水柱，以使第二环空内的气压与密封水柱的静液柱压力之和等于气化反应腔内的气压。
进一步地，密封建立步骤还包括：当密封水柱的静液柱压力等于气化反应腔内的气压后，调节气化粗煤气生产通道内的气化粗煤气的排量，以保持气化反应腔的压力稳定，继续向第二环空内注水，以满足气化反应腔的气化用水需求量。
进一步地，密封建立步骤还包括：根据密封水柱的液柱高度和气化反应腔的气化用水需求量，调节第二环空的注水量至预设注水量。
进一步地，内管和第一环空均为单向注入通道。
进一步地，点火步骤还包括：停止向内管内注入点火燃料后，增大第一环空的注入氧气量，以使煤层进一步燃烧。
进一步地，在注水步骤中，第二环空的注水量等于气化反应腔的气化用水需求量。
进一步地，当气化反应腔的气化用水需求量增大且密封水柱充满第二环空时，增大第二环空的注水泵压。
进一步地，当煤层具有倾角时，注入井井筒设置在煤层的低位，生产井井筒设置在煤层的高位。
应用本发明的技术方案，向连续管的内管内注入点火燃料，向第一环空内注入氧气，向第二环空内注入氮气，点火燃料燃烧加热煤层直至煤层燃烧，然后停止向内管内注入点火燃料，并向内管内注入氮气，当煤层燃烧达到可气化条件时，停止向第二环空内注入氮气，然后向第二环空内注水，以在第二环空内形成初始密封水柱，调节第二环空内的气压、第二环空的注水量以及煤层中的气化反应腔与第二环空之间的气压差，以控制初始密封水柱的生长高度，直至初始密封水柱生长为具有预设高度的密封水柱，这样通过密封水柱将注入井井筒和气化反应腔密封隔离开来，既能阻止注入井井筒内的氮气流入气化反应腔，从而影响粗煤气品质，又能防止气化反应腔内的氧气和粗煤气回流至注入井井筒，避免连续管被腐蚀破坏甚至出现混合气体爆炸，解决了现有技术中煤炭地下气化井筒密封不安全的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明的一个具体实施例中的煤炭地下气化井筒的密封方法的流程图；以及
图2示出了本发明的一个具体实施例中的煤炭地下气化井筒的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、内管；20、外管；30、第一环空；40、第一套管；50、第二环空；60、第二套管；70、密封水柱；80、封隔器；90、单向阀；100、井底注入工具总成；110、气化反应腔；120、气化粗煤气生产通道；130、喷淋冷却水通道；140、注入井井筒；150、生产井井筒；160、煤层。
具体实施方式
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发明。
需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。
显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
为了解决现有技术中煤炭地下气化井筒密封不安全的问题，本发明提供了一种煤炭地下气化井筒的密封方法。
如图1所示，煤炭地下气化井筒的密封方法包括：点火步骤：向连续管的内管10内注入点火燃料，向第一环空30内注入氧气，向第二环空50内注入氮气，所述点火燃料燃烧加热煤层160直至所述煤层160燃烧，然后停止向所述内管10内注入所述点火燃料，并向所述内管10内注入氮气；注水步骤：当所述煤层160燃烧达到可气化条件时，停止向所述第二环空50内注入所述氮气，然后向所述第二环空50内注水，以在所述第二环空50内形成初始密封水柱；密封建立步骤：调节所述第二环空50内的气压、所述第二环空50的注水量以及所述煤层160中的气化反应腔110与所述第二环空50之间的气压差，以控制所述初始密封水柱的生长高度，直至所述初始密封水柱生长为具有预设高度的密封水柱70。
通过向连续管的内管10内注入点火燃料，向第一环空30内注入氧气，向第二环空50内注入氮气，点火燃料燃烧加热煤层160直至煤层160燃烧，然后停止向内管10内注入点火燃料，并向内管10内注入氮气，当煤层160燃烧达到可气化条件时，停止向第二环空50内注入氮气，然后向第二环空50内注水，以在第二环空50内形成初始密封水柱，调节第二环空50内的气压、第二环空50的注水量以及煤层160中的气化反应腔110与第二环空50之间的气压差，以控制初始密封水柱的生长高度，直至初始密封水柱生长为具有预设高度的密封水柱70，这样通过密封水柱70将注入井井筒140和气化反应腔110密封隔离开来，既能阻止注入井井筒140内的氮气流入气化反应腔110，从而影响粗煤气品质，又能防止气化反应腔110内的氧气和粗煤气回流至注入井井筒140，避免连续管被腐蚀破坏甚至出现混合气体爆炸，保证了煤炭地下气化井筒密封安全。
如图2所示，煤炭地下气化井筒包括注入井井筒140和生产井井筒150。注入井井筒140由内向外分别包括连续管的内管10、连续管的外管20、第一套管40和第二套管60。其中，第一环空30为连续管的内管10与外管20之间的环空通道。第二环空50为连续管的外管20与第一套管40之间的环空通道。其中，第一套管40为可燃套管，第二套管60为技术套管。生产井井筒150包括气化粗煤气生产通道120和喷淋冷却水通道130。注入井井筒140和生产井井筒150分别与煤层160中的气化反应腔110连通。气化反应腔110中气化产生的粗煤气通过气化粗煤气生产通道120采收至地面。
在本实施例中，内管10、第一环空30、第二环空50以及第一套管40和第二套管60之间的环空通道均由地面注入控制装置阀组控制。通过控制各阀门的开关及各注入组分流量和压力，实现煤炭地下可控点火和稳定气化。通过调节气化粗煤气生产通道120和喷淋冷却水通道130，实现气化产生的粗煤气的高效排采。
具体的，如图2所示，在点火步骤中，使用井底注入工具总成100对煤层160进行点燃。井底注入工具总成100包括多通道连接器和多功能燃烧器，用于分通道注入点火燃料、气化剂等多种工质，实现煤层160井下点火燃烧、气化。
在本实施例中，在点火步骤中，向第二环空50中通入氮气的目的是控制燃烧火焰及高温气流向生产井井筒150的方向流动。当煤层160点燃后，停止向内管10中注入点火燃料，并向内管10中注入氮气。利用氮气将残余点火燃料吹扫干净后，降低内管10中氮气的压力，使其低于气化反应腔110内的气压，以便保护内管10，并通过观测内管10内的气压变化监测单向阀90的泄露情况。
在本实施例中，注水步骤还包括：通过第二环空50的注水压力的变化判断是否形成初始密封水柱，当第二环空50的注水压力下降时，判断初始密封水柱形成。
在本实施例中，在密封建立步骤中，调节第二环空50内的气压、第二环空50的注水量以及煤层160中的气化反应腔110与第二环空50之间的气压差包括：当第二环空50的注水压力下降时，保持当前的第二环空50的注水量不变，直至第二环空50的注水压力不再下降，初始密封水柱生长为具有预设高度的密封水柱70，以使第二环空50内的气压与密封水柱70的静液柱压力之和等于气化反应腔110内的气压。具体的，密封水柱70的预设高度与气化反应腔110内的气压以及第二环空50内的气压之间维持动态平衡。调节气化粗煤气生产通道120内的气压，以维持气化反应腔110内的气压。通过注水量的累积增加第二环空50内的液位高度，保持密封水柱70的预设高度与气化反应腔110内的气压以及第二环空50内的气压之间的平衡。
在本实施例中，密封建立步骤还包括：当密封水柱70的静液柱压力等于气化反应腔110内的气压后，调节气化粗煤气生产通道120内的气化粗煤气的排量，以保持气化反应腔110的压力稳定，继续向第二环空50内注水，以满足气化反应腔110的气化用水需求量。
在本实施例中，密封建立步骤还包括：根据密封水柱70的液柱高度和气化反应腔110的气化用水需求量，调节第二环空50的注水量至预设注水量。
具体的，在第二环空50内开始注水启动气化。初始因环空截面积较大，为快速形成密封水柱70，初始注水量需充满第二环空50的截面向下流动，逐渐形成具有一定长度的密封水柱段，将第二环空50与气化反应腔110封隔。随着水柱长度的增加，与第二环空50连通的地面注水通道的注水压力在水柱重力作用下逐步降低，维持当前的注水量，继续增加密封水柱70生长的高度，直至注水压力不再降低，完成建立具有预设高度的密封水柱70。
在本实施例中，内管10和第一环空30均为单向注入通道。具体的，如图2所示，内管10和第一环空30内均设置有单向阀90，以使流入内管10和第一环空30的流体只能沿着由注入井井筒140到气化反应腔110的方向流动。由于高压氧在潮湿环境下具有较强的腐蚀性，因此在连续管的内管10和第一环空30内设置单向阀90，能够阻止其他流体尤其是高压氧从进入内管10和第一环空30内，从而保护连续管。
在本实施例中，点火步骤还包括：停止向内管10内注入点火燃料后，增大第一环空30的注入氧气量，以使煤层160进一步燃烧。
在本实施例中，在注水步骤中，第二环空50的注水量等于气化反应腔110的气化用水需求量。
在本实施例中，当煤层160的气化用水需求量增大且密封水柱70充满第二环空50时，增大第二环空50的注水泵压。具体的，当煤层160的气化用水需求量增加到一定程度时，密封水柱70可能会充满整个第二环空50，此时需要提高第二环空50的注水泵压以满足煤层160的气化用水需求量。这种工况取决于一定流量下第二环空50的流通摩阻与井深、气化反应腔110内的气压之间的平衡关系。
在本实施例中，当第二环空50的注水量小于预设排水量时，第二环空50内的密封水柱70高度继续增加，高度增加量由预设排水量及第二环空50的流道决定，直至填满整个井筒，之后第二环空50的注入泵压随注水量的增加而上升。当第二环空50的注水量大于预设排水量时，第二环空50内的密封水柱70高度基本不变。
如图2所示，注入井井筒140还设置有封隔器80。封隔器80能够封隔第一套管40和第二套管60之间的环空通道，从而密封隔绝地下气化产生的气体，防止回流。
在本实施例中，利用煤层的倾角和井眼轨迹能够建立有利于建立密封水柱70的物理结构。
具体的，当煤层160具有倾角时，注入井井筒140设置在煤层160的低位，生产井井筒150设置在煤层160的高位。这样注入井井筒140相对于生产井井筒150处于低位，水更容易从生产井井筒150流向注入井井筒140，因此，注入井井筒140内的第二环空50容易建立密封水柱70。
在本实施例中，当气化反应腔110重启点火或者连续管后需要新建气化反应腔110并点火时，如果第二环空50中已有密封水柱70，则保持密封水柱70的现有状态，其他步骤与上述的煤炭地下气化井筒的密封方法中的步骤相同。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：通过向连续管的内管10内注入点火燃料，向第一环空30内注入氧气，点火燃料燃烧加热煤层160直至煤层160燃烧，然后停止向内管10内注入点火燃料，并分别向内管10内和第二环空50内注入氮气，当煤层160达到可气化条件时，停止向第二环空50内注入氮气并向第二环空50内注水，以在第二环空50内形成密封水柱70，调节第二环空50内的气压、第二环空50的注水量以及煤层160中的气化反应腔110与第二环空50之间的气压差，以控制密封水柱70的生长高度，直至建立具有预设高度的密封水柱70，这样通过密封水柱70将注入井井筒140和气化反应腔110密封隔离开来，既能既阻止注入井井筒140内的氮气流入气化反应腔110，从而影响粗煤气品质，又能防止气化反应腔110内的氧气和粗煤气回流至注入井井筒140，避免连续管被腐蚀破坏甚至出现混合气体爆炸，保证了煤炭地下气化井筒密封安全。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种煤炭地下气化井筒的密封方法，其特征在于，包括：
点火步骤：向连续管的内管(10)内注入点火燃料，向第一环空(30)内注入氧气，向第二环空(50)内注入氮气，所述点火燃料燃烧加热煤层(160)直至所述煤层(160)燃烧，然后停止向所述内管(10)内注入所述点火燃料，并向所述内管(10)内注入氮气；
注水步骤：当所述煤层(160)燃烧达到可气化条件时，停止向所述第二环空(50)内注入所述氮气，然后向所述第二环空(50)内注水，以在所述第二环空(50)内形成初始密封水柱；
密封建立步骤：调节所述第二环空(50)内的气压、所述第二环空(50)的注水量以及所述煤层(160)中的气化反应腔(110)与所述第二环空(50)之间的气压差，以控制所述初始密封水柱的生长高度，直至所述初始密封水柱生长为具有预设高度的密封水柱(70)。
2.根据权利要求1所述的煤炭地下气化井筒的密封方法，其特征在于，所述注水步骤还包括：
通过所述第二环空(50)的注水压力的变化判断是否形成所述初始密封水柱，当所述第二环空(50)的注水压力下降时，判断所述初始密封水柱形成。
3.根据权利要求2所述的煤炭地下气化井筒的密封方法，其特征在于，在所述密封建立步骤中，所述调节所述第二环空(50)内的气压、所述第二环空(50)的注水量以及所述煤层(160)中的气化反应腔(110)与所述第二环空(50)之间的气压差包括：
当所述第二环空(50)的注水压力下降时，保持当前的所述第二环空(50)的注水量不变，直至所述第二环空(50)的注水压力不再下降，所述初始密封水柱生长为具有预设高度的所述密封水柱(70)，以使所述第二环空(50)内的气压与所述密封水柱(70)的静液柱压力之和等于所述气化反应腔(110)内的气压。
4.根据权利要求3所述的煤炭地下气化井筒的密封方法，其特征在于，所述密封建立步骤还包括：
当所述密封水柱(70)的静液柱压力等于所述气化反应腔(110)内的气压后，调节气化粗煤气生产通道(120)内的气化粗煤气的排量，以保持气化反应腔(110)的压力稳定，继续向所述第二环空(50)内注水，以满足所述气化反应腔(110)的气化用水需求量。
5.根据权利要求4所述的煤炭地下气化井筒的密封方法，其特征在于，所述密封建立步骤还包括：
根据所述密封水柱(70)的液柱高度和所述气化反应腔(110)的气化用水需求量，调节所述第二环空(50)的注水量至预设注水量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的煤炭地下气化井筒的密封方法，其特征在于，所述内管(10)和所述第一环空(30)均为单向注入通道。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的煤炭地下气化井筒的密封方法，其特征在于，所述点火步骤还包括：
停止向所述内管(10)内注入所述点火燃料后，增大所述第一环空(30)的注入氧气量，以使所述煤层(160)进一步燃烧。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的煤炭地下气化井筒的密封方法，其特征在于，在所述注水步骤中，所述第二环空(50)的注水量等于所述气化反应腔(110)的气化用水需求量。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的煤炭地下气化井筒的密封方法，其特征在于，当所述气化反应腔(110)的气化用水需求量增大且所述密封水柱(70)充满所述第二环空(50)时，增大所述第二环空(50)的注水泵压。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的煤炭地下气化井筒的密封方法，其特征在于，当所述煤层(160)具有倾角时，注入井井筒(140)设置在所述煤层(160)的低位，生产井井筒(150)设置在所述煤层(160)的高位。
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