CN115929274A - 一种钻进式煤层原位气化开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻进式煤层原位气化开采方法，属于煤炭原位气化和煤层气开采技术领域。从地面穿过岩层向煤层施工两个垂直钻孔，然后在两个垂直在钻孔的孔底施工水平钻孔沟通彼此，在一个钻孔中设置燃烧系统，在另一个钻孔中布置抽采系统；燃烧系统包括端部设有多个喷火口的燃烧管道，燃烧管道进入水平钻孔端部后点燃并向煤层喷火，启动抽采系统进行抽采，同时燃烧管道沿水平钻孔边燃烧边移动直至到达水平钻孔的另一端，燃烧管道以水平钻孔的进入端为圆心边缓慢水平旋转边持续来回伸缩移动，形成水平面上看为扇形的气化采空区，直至气化采空区接近形成圆形时停止开采。直接变采煤为采瓦斯和水煤气，实现井下无人开采，降低开采成本，减少了废弃物地面排放。

Description

一种钻进式煤层原位气化开采方法

技术领域

本发明涉及煤层气开采技术领域，具体涉及一种钻进式煤层原位气化开采方法。

背景技术

浅部煤层开采完后，煤炭开采逐步向深处延伸。然而，深部固体资源的开采将导致突发性工程灾害和重大恶性事故增加、作业环境恶化，按照现有开采方式、开采技术发展水平、矿井灾害认知与防治水平，固体矿物的开采深度不可能无限向深部延伸，传统的开采方式与目前的技术水平已经不足以支撑深部固体资源开采，而是存在一个极限开采深度。谢和平等从采煤工作面环境温度、巷道变形控制以及采动岩体能量聚集灾变等几个方面，提出了极限开采深度确定方法，明确指出目前技术水平条件下煤炭井工开采的极限深度为1500m，更深部煤层的开采成为难题。目前并没有无人化实施的煤层气原位气化开采方法。已开展的实验中，如何引导煤层定向大范围燃烧气化是难题。依靠水平井和后退注入点法气化工艺尽管在定向燃烧方面有突破，但是大面积煤层气化需要很多钻井，成本高，经济性差。

发明内容

针对深部煤炭开采的难题，本专利直接将煤层在地下进行受控燃烧气化，将煤转换为以H2、CO、CH4、CO₂等气体为主的混合气体，实现深地煤炭资源开发的“地上无煤、井下无人”的绿色环保开采目标。

为解决上述技术问题，本发明一种钻进式煤层原位气化开采方法，从地面穿过岩层向煤层施工两个垂直钻孔，然后在两个垂直在钻孔的孔底施工水平钻孔沟通彼此，从而形成U型长钻孔；之后在其中一个垂直钻孔中设置燃烧系统，在另一个垂直钻孔中布置抽采系统；所述的燃烧系统包括燃烧管道，燃烧管道的端部设有多个喷火口，燃烧管道进入水平钻孔端部后点燃并向煤层中喷火，喷火口燃烧稳定后启动抽采系统进行抽采，同时燃烧管道沿水平钻孔边燃烧边移动直至到达水平钻孔的另一端，然后燃烧管道以水平钻孔的进入端为圆心边缓慢水平旋转边持续来回伸缩移动，从而在煤层中形成水平面上看为扇形的气化采空区，当煤层中的气化采空区接近形成圆形区域时停止开采，回收燃烧系统完成该处的钻进式煤层原位气化开采。

具体包括以下步骤：

S1、从地表的两个位置分别向煤层中布置垂直钻孔和L型长钻孔，并在煤层中通过L型长钻孔贯通垂直钻孔的端部，在煤层中形成U型钻孔；之后分别在垂直钻孔和L型长钻孔的井筒内下套管加固；

利用垂直钻孔抽干L型长钻孔的水平段内积水；

在垂直钻孔中安装抽采系统，垂直钻孔端部利用密封段安装抽采用管道，密封段不少于3m；管道一端伸入井筒直至煤层，另一端通过抽采泵站顺序管路连接有换热器和气液分离器，气液分离器上设有分别用于排除废水和混合气的管道出口，混合气通过管道输送到工厂按照产品需求进一步分离；

撤回钻进用的钻杆和钻头，在布置L型长钻孔地表井口处安装燃效系统：设置钻井平台，利用钻井平台向L型长钻孔中下入特制钻杆直至煤层，特制钻杆内部设有火力管，火力管包括输送氧化剂和还原剂的管道以及电缆线，输送氧化剂和还原剂的管道以及电缆线外侧包裹有柔性耐高温套管，特制钻杆端部设有与火力管端部连接的喷火钻头，火力管的尾部通过钻井平台延伸至地表，火力管的输送氧化剂管道与地表设置的填充氧化剂的气罐连接，输送还原剂的管道与地表设置的还原剂的气罐连接，气罐与管道连接处均设有回火防止器，火力管中的电缆线端部与喷火钻头中的点火装置连接，尾部连接有远程控制点火装置点火的点火器；

S2、向L型长钻孔内注入氮气检查气密性，启动抽采泵站，当从气液分离器的混合器出口检测到氮气的臭味，且其它线路、接头和进口等地方均检测不到氮气的臭味时，表明U型钻孔气路通畅，且地表无气体泄漏，判断气密性检验合格；

S3、启动钻井平台利用特制钻杆将喷火钻头移动至煤层中L型长钻孔的水平段端部，之后通过两个气罐分别向火力管中注入氧化剂和还原剂气体，使氧化剂和还原剂气体顺着火力管抵达喷火钻头处，同时利用点火器持续控制喷火钻头处持续点火，直至点火器获取喷火钻头的温度持续稳定在500℃以上后表明点火成功，停止点火，此时喷火钻头对煤层进行原位气化燃烧，持续监测喷火钻头的温度以控制喷火钻头的火苗的走势，防止爆炸；启动抽采泵站，抽采垂直钻孔排出的气体；

S4、喷火钻头持续燃烧并随着燃烧时间沿L型长钻孔的水平段移动从而带动火苗移动，并根据气液分离器排出的混合气成分调整喷火钻头的移动速度；

S5、当点火器显示钻头温度稳定在1000℃以上时，并结合通过抽采泵站从垂直钻孔抽出的混合气成分分析，减少还原剂的供给量并通过还原剂的管道输送水蒸气替代，利用水蒸气在高温条件下与碳反应生产水煤气，由煤层中碳、甲烷等气体与氧化剂反应燃烧支持燃烧，煤与水蒸气反应得到水煤气；

S6、在煤层中，特制钻杆沿着L型长钻孔的水平管段作为起始位置，以L型长钻孔的水平管段的起点为圆心边旋转边带动喷火钻头持续来回伸缩，火力持续燃烧煤体，从而在煤层种形成角度持续扩大的扇形燃烧采空区；喷火钻头和特制钻杆始终沿着煤壁一侧运动，在未燃烧的煤层掩护下来回伸缩，从而避免顶板的垮落砸坏喷火钻头和特制钻杆；

当煤层中的扇形采空区接近形成圆形区域时，即气化形成的圆的边缘未开采区宽度小于5m时，停止开采，回收喷火钻头和特制钻杆，完成该处的钻进式煤层原位气化开采。

进一步，所述火力管尾端部分设置在卷扬机中，并通过设置在井口的卷扬机调整其长度。

进一步，所述特制钻杆由两个半圆柱外壳拼接组成，装入火力管并且卡扣严实，从而实现将柔软的火力管送入超长距离的水平段并往复移动的要求。

进一步，所述喷火钻头内部与火力管一段连接牢固，并牵引火苗的喷射方向，喷射距离超过3m。

进一步，所述钻进路线是以钻井平台所在的钻井为中心，始终在一侧来回钻进燃烧，形成一个角度不断增大的扇形，最后接近形成一个平面上的圆形结构。

进一步，特制钻杆和喷火钻头始终沿着一侧煤壁来回移动。

进一步，垂直钻孔大于等于一个，当大于一个时，抽采用的垂直钻孔均匀分布在所形成的采场圆的边界上，从而形成圆形分布的话，从而减少扇形采空区的采气路径，提高采气效率。

进一步，喷火钻头的喷嘴在煤层气化过程中始终朝向煤壁一侧喷射。

本发明的有益效果在于：本方法应用于煤矿原位气化开采，适用于各种煤矿，尤其对深部煤矿和极薄煤层等传统开采方法难以开采的煤层。本方法由传统的“井下挖煤出地面”转变为“井下气化采气”，同时在该采空区形成钻进燃烧的扩大区域中喷火钻头和特制钻杆始终沿着煤壁一侧运动，在煤层的掩护下钻进，从而避免顶板的垮落砸坏喷火钻头和特制钻杆；实现了井下无人，井上无煤和矸石，显著降低人员作业过程的风险，降低开采成本，同时减少了废弃物地面排放，是实现煤炭绿色开采的一种途径。

同一钻孔能够实现煤层大面积气化，直接变采煤为采瓦斯和水煤气，实现井下无人开采，井上无矸石出矿，显著降低人员作业过程的风险，降低开采成本，同时减少了废弃物地面排放。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1为本发明实施例提供的一种钻进式煤层原位气化开采方法中各设备连接图；

图2为本发明实施例提供的开采过程示意图。

图3为本发明实施例提供的开采结束示意图。

附图标记说明：

1、井筒；2、密封段；3、管道；4、抽采泵站；5、流量表；6、换热器；7、阀门；8、气液分离器；9、气罐；10、回火防止器；11、电缆线；12、点火器；13、卷扬机；14、火力管；15、钻井平台；16、特制钻杆；17、喷火钻头；18、L型长钻孔；19、垂直钻孔；20、燃空区；21、粉煤灰；22、煤层；23、岩层；24、耐高温套管。

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，所描述的实施例仅仅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。

如图1所示，本发明的一种钻进式煤层原位气化开采方法，从地面穿过岩层23向煤层22施工两个垂直钻孔，然后在两个垂直在钻孔的孔底施工水平钻孔沟通彼此，从而形成U型长钻孔；之后在其中一个垂直钻孔中设置燃烧系统，在另一个垂直钻孔中布置抽采系统；所述的燃烧系统包括燃烧管道，燃烧管道的端部设有多个喷火口，燃烧管道进入水平钻孔端部后点燃并向煤层22中喷火，喷火口燃烧稳定后启动抽采系统进行抽采，同时燃烧管道沿水平钻孔边燃烧边移动直至到达水平钻孔的另一端，然后燃烧管道以水平钻孔的进入端为圆心边缓慢水平旋转边持续来回伸缩移动，从而在煤层22中形成水平面上看为扇形的气化采空区，当煤层22中的气化采空区接近形成圆形区域时停止开采，回收燃烧系统完成该处的钻进式煤层原位气化开采。

具体步骤如下：

S1、从地表的两个位置分别向煤层22中布置垂直钻孔19和L型长钻孔18，并在煤层22中通过L型长钻孔18贯通垂直钻孔19的端部，在煤层22中形成U型钻孔；之后分别在垂直钻孔19和L型长钻孔18的井筒1内下套管加固；

利用垂直钻孔19抽干L型长钻孔18的水平段内积水；

在垂直钻孔19中安装抽采系统，垂直钻孔19端部利用密封段2安装抽采用管道3，密封段2不少于3m；管道3一端伸入井筒1直至煤层22，另一端通过抽采泵站4顺序管路连接有换热器6和气液分离器8，气液分离器8上设有分别用于排除废水和混合气的管道出口，混合气通过管道输送到工厂按照产品需求进一步分离；

撤回钻进用的钻杆和钻头，在布置L型长钻孔18地表井口处安装燃效系统：设置钻井平台15，利用钻井平台15向L型长钻孔18中下入特制钻杆16直至煤层22，特制钻杆16由两个半圆柱外壳拼接组成，装入火力管14并且卡扣严实，从而实现将柔软的火力管14送入超长距离的水平段并往复移动的要求；特制钻杆16内部设有火力管14，火力管14包括输送氧化剂和还原剂的管道以及电缆线11，输送氧化剂和还原剂的管道以及电缆线11外侧包裹有柔性耐高温套管24，特制钻杆16端部设有与火力管14端部连接的喷火钻头17，火力管14的尾部通过钻井平台15延伸至地表，火力管14的输送氧化剂管道与地表设置的填充氧化剂的气罐9连接，输送还原剂的管道与地表设置的还原剂的气罐9连接，气罐9与管道连接处均设有回火防止器10和阀门7，火力管14中的电缆线11端部与喷火钻头17中的点火装置连接，喷火钻头17内部与火力管14一段连接牢固，并牵引火苗的喷射方向，喷射距离超过3m，电缆线11的尾部连接有远程控制点火装置点火的点火器12；输送氧化剂管道以及输送还原剂的管道上均设有流量表5；所述火力管14尾端部分设置在卷扬机13中，并通过设置在井口的卷扬机13调整其长度。所述特制钻杆16由两个半圆柱外壳拼接组成，装入火力管14并且卡扣严实，从而实现将柔软的火力管14送入超长距离的水平段并往复移动的要求。

S2、向L型长钻孔18内注入氮气检查气密性，启动抽采泵站4，当从气液分离器8的混合器出口检测到氮气的臭味，且其它线路、接头和进口等地方均检测不到氮气的臭味时，表明U型钻孔气路通畅，且地表无气体泄漏，判断气密性检验合格；

S3、启动钻井平台15利用特制钻杆16将喷火钻头17移动至煤层22中L型长钻孔18的水平段端部，之后通过两个气罐9分别向火力管14中注入氧化剂和还原剂气体，使氧化剂和还原剂气体顺着火力管14抵达喷火钻头17处，同时利用点火器12持续控制喷火钻头17处持续点火，直至点火器12获取喷火钻头17的温度持续稳定在500℃以上后表明点火成功，停止点火，此时喷火钻头17对煤层22进行原位气化燃烧，持续监测喷火钻头17的温度以控制喷火钻头17的火苗的走势，防止爆炸；启动抽采泵站4，抽采垂直钻孔19排出的气体；

S4、喷火钻头17持续燃烧并随着燃烧时间沿L型长钻孔18的水平段移动从而带动火苗移动，并根据气液分离器8排出的混合气成分调整喷火钻头17的移动速度；

S5、当点火器12显示钻头温度稳定在1000℃以上时，并结合通过抽采泵站4从垂直钻孔抽出的混合气成分分析，减少还原剂的供给量并通过还原剂的管道输送水蒸气替代，利用水蒸气在高温条件下与碳反应生产水煤气，由煤层中碳、甲烷等气体与氧化剂反应燃烧支持燃烧，煤与水蒸气反应得到水煤气；燃烧过程中查收讷好难过的粉煤灰（21）掉落在燃空区20的底板，

S6、在煤层22中，特制钻杆16沿着L型长钻孔18的水平管段作为起始位置，以L型长钻孔18的水平管段的起点为圆心边旋转边带动喷火钻头17持续来回伸缩，火力持续燃烧煤体，从而在煤层22种形成角度持续扩大的燃空区20，燃空区20具体为水平上呈扇形的燃烧采空区；喷火钻头17和特制钻杆16始终沿着煤壁一侧运动，在未燃烧的煤层掩护下来回伸缩，从而避免顶板的垮落砸坏喷火钻头17和特制钻杆16；喷火钻头17的喷嘴在煤层气化过程中始终朝向煤壁一侧喷射，如图2和图3所示；

当煤层22中的扇形采空区接近形成圆形区域时，即气化形成的圆的边缘未开采区宽度小于5m时，停止开采，回收喷火钻头17和特制钻杆16，完成该处的钻进式煤层原位气化开采。

钻进路线是以钻井平台15所在的钻井为中心，始终在一侧来回钻进燃烧，形成一个角度不断增大的扇形，最后接近形成一个平面上的圆形结构。特制钻杆16和喷火钻头17始终沿着一侧煤壁来回移动。垂直钻孔19大于等于一个，当大于一个时，抽采用的垂直钻孔19均匀分布在所形成的采场圆的边界上，从而形成圆形分布的话，从而减少扇形采空区的采气路径，提高采气效率。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种钻进式煤层原位气化开采方法，其特征在于：从地面穿过岩层（23）向煤层（22）施工两个垂直钻孔，然后在两个垂直在钻孔的孔底施工水平钻孔沟通彼此，从而形成U型长钻孔；之后在其中一个垂直钻孔中设置燃烧系统，在另一个垂直钻孔中布置抽采系统；所述的燃烧系统包括燃烧管道，燃烧管道的端部设有多个喷火口，燃烧管道进入水平钻孔端部后点燃并向煤层（22）喷火，喷火口燃烧稳定后启动抽采系统进行抽采，同时燃烧管道沿水平钻孔边燃烧边移动直至到达水平钻孔的另一端，然后燃烧管道以水平钻孔的进入端为圆心边缓慢水平旋转边持续来回伸缩移动，从而在煤层（22）中形成水平面上看为扇形的气化采空区，当煤层（22）中的气化采空区接近形成圆形区域时停止开采，回收燃烧系统完成该处的钻进式煤层原位气化开采。

2.根据权利要求1所述钻进式煤层原位气化开采方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1、从地表的两个位置分别向煤层（22）中布置垂直钻孔（19）和L型长钻孔（18），并在煤层（22）中通过L型长钻孔（18）贯通垂直钻孔（19）的端部，在煤层（22）中形成U型钻孔；之后分别在垂直钻孔（19）和L型长钻孔（18）的井筒（1）内下套管加固；

利用垂直钻孔（19）抽干L型长钻孔（18）的水平段内积水；

在垂直钻孔（19）中安装抽采系统，垂直钻孔（19）端部利用密封段（2）安装抽采用管道（3），密封段（2）不少于3m；管道（3）一端伸入井筒（1）直至煤层（22），另一端通过抽采泵站（4）顺序管路连接有换热器（6）和气液分离器（8），气液分离器（8）上设有分别用于排除废水和混合气的管道出口，混合气通过管道输送到工厂按照产品需求进一步分离；

撤回钻进用的钻杆和钻头，在布置L型长钻孔（18）地表井口处安装燃效系统：设置钻井平台（15），利用钻井平台（15）向L型长钻孔（18）中下入特制钻杆（16）直至煤层（22），特制钻杆（16）内部设有火力管（14），火力管（14）包括输送氧化剂和还原剂的管道以及电缆线（11），输送氧化剂和还原剂的管道以及电缆线（11）外侧包裹有柔性耐高温套管（24），特制钻杆（16）端部设有与火力管（14）端部连接的喷火钻头（17），火力管（14）的尾部通过钻井平台（15）延伸至地表，火力管（14）的输送氧化剂管道与地表设置的填充氧化剂的气罐（9）连接，输送还原剂的管道与地表设置的还原剂的气罐（9）连接，气罐（9）与管道连接处均设有回火防止器（10），火力管（14）中的电缆线（11）端部与喷火钻头（17）中的点火装置连接，尾部连接有远程控制点火装置点火的点火器（12）；

S2、向L型长钻孔（18）内注入氮气检查气密性，启动抽采泵站（4），当从气液分离器（8）的混合器出口检测到氮气的臭味，且其它线路、接头和进口等地方均检测不到氮气的臭味时，表明U型钻孔气路通畅，且地表无气体泄漏，判断气密性检验合格；

S3、启动钻井平台（15）利用特制钻杆（16）将喷火钻头（17）移动至煤层（22）中L型长钻孔（18）的水平段端部，之后通过两个气罐（9）分别向火力管（14）中注入氧化剂和还原剂气体，使氧化剂和还原剂气体顺着火力管（14）抵达喷火钻头（17）处，同时利用点火器（12）持续控制喷火钻头（17）处持续点火，直至点火器（12）获取喷火钻头（17）的温度持续稳定在500℃以上后表明点火成功，停止点火，此时喷火钻头（17）对煤层（22）进行原位气化燃烧，持续监测喷火钻头（17）的温度以控制喷火钻头（17）的火苗的走势，防止爆炸；启动抽采泵站（4），抽采垂直钻孔（19）排出的气体；

S4、喷火钻头（17）持续燃烧并随着燃烧时间沿L型长钻孔（18）的水平段移动从而带动火苗移动，并根据气液分离器（8）排出的混合气成分调整喷火钻头（17）的移动速度；

S5、当点火器（12）显示钻头温度稳定在1000℃以上时，并结合通过抽采泵站（4）从垂直钻孔抽出的混合气成分分析，减少还原剂的供给量并通过还原剂的管道输送水蒸气替代，利用水蒸气在高温条件下与碳反应生产水煤气，由煤层中碳、甲烷等气体与氧化剂反应燃烧支持燃烧，煤与水蒸气反应得到水煤气；

S6、在煤层（22）中，特制钻杆（16）沿着L型长钻孔（18）的水平管段作为起始位置，以L型长钻孔（18）的水平管段的起点为圆心边旋转边带动喷火钻头（17）持续来回伸缩，火力持续燃烧煤体，从而在煤层（22）种形成角度持续扩大的扇形燃烧采空区；喷火钻头（17）和特制钻杆（16）始终沿着煤壁一侧运动，在未燃烧的煤层掩护下来回伸缩，从而避免顶板的垮落砸坏喷火钻头（17）和特制钻杆（16）；

当煤层（22）中的扇形采空区接近形成圆形区域时，即气化形成的圆的边缘未开采区宽度小于5m时，停止开采，回收喷火钻头（17）和特制钻杆（16），完成该处的钻进式煤层原位气化开采。

3.根据权利要求2所述的一种钻进式煤层原位气化开采方法，其特征在于所述火力管（14）尾端部分设置在卷扬机（13）中，并通过设置在井口的卷扬机（13）调整其长度。

4.根据权利要求2所述的一种钻进式煤层原位气化开采方法，其特征在于，所述特制钻杆（16）由两个半圆柱外壳拼接组成，装入火力管（14）并且卡扣严实，从而实现将柔软的火力管（14）送入超长距离的水平段并往复移动的要求。

5.根据权利要求2所述的一种钻进式煤层原位气化开采方法，其特征在于，所述喷火钻头（17）内部与火力管（14）一段连接牢固，并牵引火苗的喷射方向，喷射距离超过3m。

6.根据权利要求2所述的一种钻进式煤层原位气化开采方法，其特征在于，所述钻进路线是以钻井平台（15）所在的钻井为中心，始终在一侧来回钻进燃烧，形成一个角度不断增大的扇形，最后接近形成一个平面上的圆形结构。

7.根据权利要求2所述的一种钻进式煤层原位气化开采方法，其特征在于，特制钻杆（16）和喷火钻头（17）始终沿着一侧煤壁来回移动。

8.根据权利要求2所述的一种钻进式煤层原位气化开采方法，其特征在于，垂直钻孔（19）大于等于一个，当大于一个时，抽采用的垂直钻孔（19）均匀分布在所形成的采场圆的边界上，从而形成圆形分布的话，从而减少扇形采空区的采气路径，提高采气效率。

9.根据权利要求2所述的一种钻进式煤层原位气化开采方法，其特征在于，喷火钻头（17）的喷嘴在煤层气化过程中始终朝向煤壁一侧喷射。

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