CN116904229A - 煤层等离子点火系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种煤层等离子点火系统和方法,系统中,注气井自地面朝煤层向下延伸且注气井间隔生产井,煤层中设有连通生产井和注气井的煤层通道;生产套管上端设于注气井井口,下端延伸到煤层中的煤层通道;柔性卷曲管安装于生产套管内,柔性卷曲管的上端位于地面且柔性卷曲管随生产油管延伸至煤层通道中,等离子点火装置安装于柔性卷曲管下端的端部以随柔性卷曲管移动而移动,工质空气注入口设于等离子炬本体远离底部的顶端,以将工质空气输送到阴极与阳极之间以在煤层中点火,来自水注入口的水和来自二氧化碳注入口的二氧化碳作为气化剂进行煤层气化产生煤气,煤气经由生产井输出。本系统及方法快速等离子点火及快速建立燃烧区。

Description

煤层等离子点火系统和方法
技术领域
本发明涉及煤层气化技术领域,尤其涉及一种煤层等离子点火系统和方法。
背景技术
煤层原位气化技术集建井、采煤与转化为一体,将物理采煤变为化学采煤,即把高分子结构的固体煤转变为低分子结构的可燃气体,省去机械开采、运输、洗选以及利用过程中的建炉等过程,因而具有安全性好、投资少、效率高、污染少、效益高等优点。实施煤层原位气化过程的首要条件是建立煤层的燃烧区,一旦煤层点燃,再加以有效的控制利用,就可以实现稳定产气。但是煤层超长的距离、狭窄的通道、受地下水影响、钻孔淤积等各种干扰因素的存在,给煤层点火带来了许多困难;此外,即使前期煤层燃烧区建立起后,当气化空腔发展到一定程度后,反应条件恶化,煤气品质下降,需重后撤建立新的燃烧区。所以,可克服地下复杂因素干扰并实现在煤层任意位置快速建立燃烧区的点火方法,对煤层原位气化来说举足轻重。
目前煤层常用的建立燃烧区方法有点火和引火两种方式。点火方式主要包括固体火箭弹点火、固体燃料点火、液体燃料点火、化学点火、高能燃料点火、电点火、燃气点火等,其中固体火箭弹点火、固体燃料点火、液体燃料点火、化学点火在生产井内点火,无法实现煤层通道任意位置点火;高能燃料点火、电点火与燃气点火可实现煤层通道任意位置点火,但操作复杂、可控性差,受煤层涌水、煤层、岩层以及夹矸淤积钻孔影响,常出现无法点燃或者对注入设备造成严重破坏,使煤层气化无法继续开展。不重复进行点火操作,一般采用气化剂引火重新建立燃烧区,但是该方法仅在短距离后撤操作时适用,一旦在长距离后撤或煤层涌水过多,钻孔淤积严重等情况下即无法实现引火或引火时间过长,影响正常煤层气化生产。因此,煤层气化高效规模化运行亟需一种可控性强、抗干扰能力强并可在煤层任意位置建立燃烧区的点火技术。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解,因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤层等离子点火系统和方法,等离子体具有高焓值高能量密度等特点,可使煤层快速升温并点燃,克服地下煤层涌水过多,钻孔淤积严重等复杂因素干扰并实现在煤层任意位置快速建立燃烧区,解决了煤层点火面临的可控性差、无法实现快速精准建立燃烧区问题。
为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
本发明的一种煤层等离子点火系统包括:
生产井,其自地面朝煤层向下延伸且进入所述煤层中;
注气井,其自地面朝煤层向下延伸且所述注气井间隔所述生产井,所述煤层中设有连通生产井和注气井的煤层通道;
生产套管,其上端设于注气井井口,下端延伸到所述煤层中的煤层通道;
柔性卷曲管,其安装于生产套管内,柔性卷曲管的上端位于地面且柔性卷曲管随生产油管延伸至煤层通道中,柔性卷曲管经由地面驱动装置在生产油管中移动;
水注入口,其连通于所述生产套管和所述柔性卷曲管之间的间隙以将水导入煤层通道,
二氧化碳注入口,其连通于所述生产套管和所述柔性卷曲管之间的间隙以将二氧化碳导入煤层通道,
等离子点火装置,其安装于柔性卷曲管下端的端部以随柔性卷曲管移动而移动,所述等离子点火装置包括,
等离子炬本体,其固定连接柔性卷曲管,
阳极,其设于所述等离子炬本体的底部,所述阳极经由阳极接线柱连接电源阳极,
阴极,其设于所述等离子炬本体中且相对地间隔所述阳极布置,所述阴极经由阴极接线柱连接电源阴极,
工质空气注入口,其设于所述等离子炬本体远离所述底部的顶端,以将工质空气输送到阴极与阳极之间以在煤层中点火,来自所述水注入口的水和来自二氧化碳注入口的二氧化碳作为气化剂进行煤层气化产生煤气,所述煤气经由所述生产井输出。
所述的一种煤层等离子点火系统中,所述等离子炬本体内设有连接所述工质空气注入口的气体旋流器以将均匀分布工质空气。
所述的一种煤层等离子点火系统中,所述等离子炬本体还包括阳极冷却剂入口、阴极冷却剂入口和冷却剂出口,所述阳极连接阳极冷却剂入口以导入冷却剂,所述阴极连接阴极冷却剂入口以导入冷却剂,冷却剂出口连接所述阳极和阴极以导出冷却剂。
所述的一种煤层等离子点火系统中,所述阳极冷却剂入口和阴极冷却剂入口经由在柔性卷曲管内延伸的冷却剂输送管连通地面上的冷却剂入口部,冷却剂出口经由在柔性卷曲管内延伸的接冷却剂回流管连通地面上的冷却剂出口部。
所述的一种煤层等离子点火系统中,所述冷却剂出口连通到柔性卷曲管以煤层助燃。
所述的一种煤层等离子点火系统中,所阳极接线柱和阴极接线柱均连接等离子炬电缆,等离子炬电缆在柔性卷曲管内延伸并连通地面上的电源,所述工质空气注入口连接空气管,空气管在柔性卷曲管内延伸并连通地面的空气压缩系统。
所述的一种煤层等离子点火系统中,所述阳极为拉法尔结构,阳极一侧进冷却剂,另一侧排出冷却剂,冷却剂采用下进上出的形式。
所述的一种煤层等离子点火系统中,所述阴极与阴极接线柱经由中空管道连接,阴极冷却剂输入管穿入所述中空管道且阴极冷却剂输入管一端连接阴极冷却剂入口,另一端深入所述阴极与阴极之间保持空隙1-10mm,冷却剂返回至阴极冷却剂输入管与中空管道之间的环形空间,环形空间连通所述中空管道的顶端出口排出冷却剂。
利用煤层等离子点火系统的煤层气化方法包括,
工质空气注入口可控地注入工质空气到阴极和阳极之间,设置等离子点火装置电流参数,启动等离子点火装置以在煤层中点火,来自水注入口的水和来自二氧化碳注入口的二氧化碳作为气化剂进行煤层气化产生煤气,
阳极冷却剂入口和阴极冷却剂入口分别将冷却剂导入阳极和阴极以进行冷却,在等离子点火装置运行过程中,基于等离子炬冷却剂温度调整等离子炬冷却剂流量和温度,避免等离子炬温度超过预定温度,
柔性卷曲管经由地面驱动装置在生产油管中移动以持续气化煤层,根据生产井H2与CO含量,调节等离子炬二氧化碳流量和电流,所述煤气经由所述生产井输出。
所述的方法中,等离子点火装置电源的实际电流与预定电流相差±10A以内,则等离子点火装置启动起弧成功,如实际电流为零或者低于预定电流,则起弧失败,重复等离子点火装置启动操作。
在上述技术方案中,本发明提供的一种煤层等离子点火系统,具有以下有益效果:克服地下煤层涌水过多,钻孔淤积严重等复杂因素干扰并实现在煤层任意位置快速建立燃烧区,此外,等离子炬是电气控制,可控性强,启停方便,适用于现代煤层气化工艺,生产效率得到极大提高,并实现了煤层负碳开发,也可用于石油热采、油页岩等的开发。
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中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,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煤层等离子点火系统的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的一种煤层等离子点火系统的等离子炬本体的结构示意图。
图3为本发明一个实施例提供的一种煤层等离子点火系统的等离子炬本体的结构示意图。
图4为本发明一个实施例提供的一种煤层等离子点火系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施方式中的附图,对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施方式是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明保护的范围。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明保护的范围。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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设备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,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
参见图1-4所示,在一个实施例中,本发明的一种煤层等离子点火系统包括,
生产井13,其自地面16朝煤层15向下延伸且进入所述煤层15中,进一步地,生产井13的顶端设有带有阀的生产井出口14;
注气井,其自地面16朝煤层15向下延伸且所述注气井间隔所述生产井13,所述煤层15中设有连通生产井13和注气井的煤层通道;
生产套管1,其上端设于注气井井口,下端延伸到所述煤层15中的煤层通道;
柔性卷曲管2,其安装于生产套管1内,柔性卷曲管2的上端位于地面且柔性卷曲管2随生产油管延伸至煤层通道中,柔性卷曲管2经由地面驱动装置6在生产油管中移动;
水注入口11,其连通于所述生产套管1和所述柔性卷曲管2之间的间隙以将水导入煤层通道,
二氧化碳注入口12,其连通于所述生产套管1和所述柔性卷曲管2之间的间隙以将二氧化碳导入煤层通道,
等离子点火装置3,其安装于柔性卷曲管2下端的端部以随柔性卷曲管2移动而移动,所述等离子点火装置3包括,
等离子炬本体20,其固定连接柔性卷曲管2,
阳极21,其设于所述等离子炬本体20的底部,所述阳极21经由阳极接线柱23连接电源阳极21,
阴极22,其设于所述等离子炬本体20中且相对地间隔所述阳极21布置,所述阴极22经由阴极接线柱24连接电源阴极22,
工质空气注入口25,其设于所述等离子炬本体20远离所述底部的顶端,以将工质空气输送到阴极22与阳极21之间以在煤层15中点火,来自所述水注入口11的水和来自二氧化碳注入口12的二氧化碳作为气化剂进行煤层15气化产生煤气,所述煤气经由所述生产井13输出。
所述的一种煤层等离子点火系统的优选实施例中,所述等离子炬本体20内设有连接所述工质空气注入口25的气体旋流器26以将均匀分布工质空气。
所述的一种煤层等离子点火系统的优选实施例中,所述等离子炬本体20还包括阳极冷却剂入口27、阴极冷却剂入口29和冷却剂出口33,所述阳极21连接阳极冷却剂入口27以导入冷却剂,所述阴极22连接阴极冷却剂入口29以导入冷却剂,冷却剂出口33连接所述阳极21和阴极22以导出冷却剂。
所述的一种煤层等离子点火系统的优选实施例中,所述阳极冷却剂入口27和阴极冷却剂入口29经由在柔性卷曲管2内延伸的冷却剂输送管连通地面上的冷却剂入口部9,冷却剂出口经由在柔性卷曲管2内延伸的接冷却剂回流管连通地面上的冷却剂出口部10。
所述的一种煤层等离子点火系统的优选实施例中,所述冷却剂出口连通到柔性卷曲管2以煤层15助燃。
所述的一种煤层等离子点火系统的优选实施例中,所阳极接线柱23和阴极接线柱24均连接等离子炬电缆7,等离子炬电缆7在柔性卷曲管2内延伸并连通地面上的电源,所述工质空气注入口25连接空气管,空气管在柔性卷曲管2内延伸并连通地面的空气压缩系统17。进一步地,空气管在柔性卷曲管2内延伸并连通地面的空气注入口部8,然后再连接空气压缩系统17。
所述的一种煤层等离子点火系统的优选实施例中,所述阳极21为拉法尔结构,阳极21一侧进冷却剂,另一侧排出冷却剂,冷却剂采用下进上出的形式。
所述的一种煤层等离子点火系统的优选实施例中,所述阴极22与阴极接线柱24经由中空管道连接,阴极22冷却剂输入管穿入所述中空管道且阴极22冷却剂输入管一端连接阴极冷却剂入口29,另一端深入所述阴极22与阴极22之间保持空隙1-10mm,冷却剂返回至阴极22冷却剂输入管与中空管道之间的环形空间,环形空间连通所述中空管道的顶端出口排出冷却剂。
在一个实施例中,煤层等离子点火系统由柔性卷曲管和等离子点火装置两部分组成。其中,柔性卷曲管部分包括生产套管1、柔性卷曲管2、地面驱动装置6与等离子炬电缆7、空气注入口部8、冷却剂入口部9、冷却剂出口部10、水注入口11和二氧化碳注入口12等各辅助管线。
柔性卷曲管部分中,生产套管1为悬挂式,上端位于井口,与悬挂器5相连,下端随钻孔延伸到煤层15直至与生产井13底部连通,所述生产套管1在水平段的位置稍靠近于煤层15底部,水平段生产套管1上部、下部与煤层15有一定间隙,便于生产套管1下入煤层15。所述生产套管1在煤层15内起支护作用,防止煤层15塌落,影响柔性卷曲管2伸缩。所述生产套管1材质为可燃材料,可随煤层15气化反应进行逐步燃烧,不影响生产套管1周围煤层15气化反应。
柔性卷曲管2安装于生产套管1内,上端位于地面16,与地面柔性卷曲管2驱动装置6相连,通过注入头4延伸至煤层15中,并于下端端部连接等离子点火装置3。所述柔性卷曲管2由地面驱动装置6控制伸缩,建炉过程中由驱动装置6将柔性卷曲管2伸入煤层15中,生产过程中根据工艺控制需要,由驱动装置6将柔性卷曲管2间歇后撤。
地面驱动装置6位于地面,用于控制柔性卷曲管2下入煤层15以及后撤动作。地面驱动装置6可精确控制柔性卷曲管2移动距离,便于工艺过程调节。进一步地,地面驱动装置6包括卷扬机。
等离子炬电缆7分为正负极两根,均是一端位于地面,连接电源控制系统,穿过柔性卷曲管2另一端连接等离子炬本体20。电缆7为等离子炬本体20供电,电缆7直径依据等离子炬额定功率设计确定。
工质空气注入口25用于为等离子炬供应工作介质气体。工质空气注入口25一端与空气压缩系统17连接,通过减压阀、开关阀门和流量计,控制输入等离子炬压力和流量,另一端连接空气管,空气管穿过柔性卷曲管2与等离子炬本体20连接。工质空气注入口25在点火过程中为等离子炬供应工作介质气体,在燃烧区建立并开始煤层15气化时,可切换输送气体为二氧化碳或富氧等气化剂。
冷却剂入口部9和冷却剂出口部10用于为等离子炬输送和回流冷却剂。冷却剂入口部9一端与冷却剂循环系统连接,另一端连接冷却剂输送管,穿过柔性卷曲管2连接等离子炬冷却剂入口。冷却剂一端与冷却剂循环系统连接,另一端连接冷却剂回流管,穿过柔性卷曲管2连接等离子炬冷却剂出口。所述冷却剂包括但不限于空气、二氧化碳等气体或水以及其他液体。
水注入口11和二氧化碳注入口12用于煤层15燃烧区建立后,为煤层15输送气化剂,发生气化反应,生产煤气。水注入口11和二氧化碳注入口12与生产套管1和柔性卷曲管2间隙连通,通过地面控制压力和流量并输送至煤层15。根据工艺需要可调节水和二氧化碳注入流量,以辅助气化,根据地面用户需求,可控制水与二氧化碳输送比例,以调控煤气组成,或协同控制煤层15气化面扩展。
等离子点火装置部分中,等离子点火装置3包括阳极21、阴极22与工质空气注入口25。等离子炬点火装置依靠固定装置连接柔性卷曲管2末端,可随柔性卷曲管2伸缩实现在煤层15中移动。等离子炬点火装置通过阴阳极之间高压放电,电离阴阳极之间的气体介质,产生高焓值高能量密度高活性粒子,以快速点燃煤层15,建立燃烧区。
阳极21位于等离子炬底部,采用拉法尔结构,便于将工作介质气体转化为高压低速状态,便于高压电离。阳极21规格根据功率和工质空气气量设计,长度可为100~1000mm,直径可为50-200mm。阳极21可选用耐高温导电性强材质,包括但不限于铜、银、金、铁等金属。阳极21与等离子炬本体20连接,阳极接线柱23与等离子炬本体20连接,接线柱接上电源阳极21即可通电。阳极21一侧进冷却剂,另一侧排出冷却剂,冷却水采用下进上出的形式。适时调整冷却剂输入温度和流量,保护阳极21,避免超温。
阴极22位于阳极21左侧,规格根据功率和工质空气气量设计,长度可为20~100mm,直径可为20-50mm。阴极22可选用耐高温导电性强材质,包括但不限于铜、银、金、铁等金属。为提高阴极22寿命,在阴极22中心即放电核心位置可镶嵌入耐高温金属块,包括但不限于钨、铪、钼等金属或合金。阴极22与阴极接线柱24由一根钢管连接,钢管中空,穿入阴极22冷却剂输入管,输入管深入阴极22,与阴极22之间保持空隙1-10mm,便于冷却剂排出。冷却剂返回至阴极22冷却剂输入管与钢管环空,通过钢管顶端出口排出冷却剂。适时调整冷却剂输入温度和流量,保护阴极22,避免超温。
工质空气注入口25位于等离子炬本体20顶端,将空气通入阴阳极21之间,并采用气体旋流器26,均匀分布空气,通过等离子炬高压放电离解成高活性空气粒子。规格根据功率和空气气量设计,与阴阳极21规格配合。气体旋流器26选择钢材质。生产过程中根据工艺需求,可调控等离子炬电源功率以及空气注入量,来调节煤层15燃烧强度。空气等离子炬实现移动式任意位置随时启动煤层15燃烧反应,在每次柔性卷曲管2后退一定距离后,可快速建立燃烧区,以保证煤层15气化生产效率。
所述的一种二氧化碳等离子体煤层气化系统的优选实施例中,所述阴极22与阴极接线柱2424经由中空管道连接,阴极22冷却水进水管穿入所述中空管道且阴极22冷却水进水管一端连接所述阴极22冷却水入口29,另一端深入所述阴极22与阴极22之间保持空隙1-10mm,冷却水进水返回至阴极22进水管与中空管道之间的环形空间,环形空间连通所述阴极22冷却水出口30排出冷却水回水。
在一个实施例中,所述等离子炬本体还包括阳极冷却剂入口27和阳极冷却剂出口28,所述阳极21的下侧连接阳极冷却剂入口27以导入冷却水进水,阳极21的上侧连接阳极冷却剂出口28排出冷却水回水,构成下进上出的冷却水排布形式。所述等离子炬本体还包括阴极冷却剂入口29和阴极冷却剂出口30,所述阴极22连通阴极冷却水入口29和阴极冷却水出口30。
在一个实施例中,等离子矩本体通过嵌入式固定装置32固定于柔性卷曲管4,在一个实施例中,中空管道环绕阴极绝缘件31。
在另一个实施例中,在选择空气或富氧作为等离子炬冷却剂时,如图3所示,减少冷却剂出口直接将空气或富氧排出至煤层15中,作为煤层15燃烧助燃剂,简化管路布置和操作。如图3所示,阴极冷却剂出口30与阳极冷却剂入口27相连,并在等离子点火装置3底部空腔开孔作为冷却剂出口。在点火过程中,阴极冷却剂入口29输入冷却剂到阴极22附近,为阴极22冷却后随阴极22冷却剂输入管与钢管环空排出,并与阳极冷却剂入口27输入冷却剂汇合再输送至阳极21顶部附近,为阳极21冷却后,从阳极21底部冷却剂出口排出,输送至煤层15助燃。
利用煤层等离子点火系统的煤层15气化方法包括,
工质空气注入口25可控地注入工质空气到阴极22和阳极21之间,设置等离子点火装置3电流参数,启动等离子点火装置3以在煤层15中点火,来自水注入口11的水和来自二氧化碳注入口12的二氧化碳作为气化剂进行煤层15气化产生煤气,
阳极冷却剂入口27和阴极冷却剂入口29分别将冷却剂导入阳极21和阴极22以进行冷却,在等离子点火装置3运行过程中,基于等离子炬冷却剂温度调整等离子炬冷却剂流量和温度,避免等离子炬温度超过预定温度,
柔性卷曲管2经由地面驱动装置6在生产油管中移动以持续气化煤层15,根据生产井13的H2与CO含量,调节等离子炬二氧化碳流量和电流,所述煤气经由所述生产井13输出。
所述的方法的优选实施方式中,等离子点火装置3电源的实际电流与预定电流相差±10A以内,则等离子点火装置3启动起弧成功,如实际电流为零或者低于预定电流,则起弧失败,重复等离子点火装置3启动操作。
在一个实施例中,根据柔性卷曲管2的直径以及等离子点火装置3进入柔性卷曲管2的长度,设计并加工等离子点火装置3直径与长度,保证等离子点火装置3顺利伸入连续管内并且操作便利。将等离子点火装置3的工质空气注入口25接头与柔性卷曲管2内空气管接头连接。将等离子点火装置3阳极21、阴极冷却剂入口29与出口接头分别对应连接油管内冷却剂输入与输出接头连接。将等离子点火装置3阳极21、阴极接线柱24与柔性卷曲管2内正极、负极连接。将等离子点火装置3插入柔性卷曲管2内,通过嵌入式固定装置32将柔性卷曲管2与等离子点火装置3固定。
在一个实施例中,在包括注气井、煤层通道和生产井13的气化炉中开始点火操作。
1)地面电缆7、管路连接以及柔性卷曲管2移动。首先将地面等离子炬电缆7、空气注入口部8、冷却剂入口部9、冷却剂出口部10、水注入口11、二氧化碳注入口12与相应系统连接。使用地面驱动装置6将柔性卷曲管2移动至目标位置。
2)循环系统建立,所述循环系统包括空气或二氧化碳从注气井到煤层通道再到生产井13排出,以及冷却剂从地面入口到等离子点火装置3再到地面出口两个过程,以确认气体剂与冷却剂正常输入输出,保障点火与气化顺利进行以及装置得到冷却保护。根据等离子点火装置3功率与空气流量设计参数,调整介质空气输入流量和压力,调整冷却剂注入流量和温度,关闭二氧化碳和水注入阀门。
3)等离子炬起弧操作。启动等离子炬电源系统开关,设置电源启动电流,开启等离子炬起弧按钮,启动等离子炬。可根据等离子炬电源控制面板实际电流显示判断是否等离子炬起弧成功。如实际电流与设置电流相差±10A以内,则起弧成功;如实际电流为零或者远低于设置电流,则起弧失败,重复等离子炬起弧操作。
4)煤层15点火操作。等离子炬起弧成功后,根据等离子点火装置3功率与空气流量设计参数,以先提高介质空气流量,再提高等离子炬输入电流参数的步骤逐渐提升等离子炬功率。
初次点火,判断煤层15是否成功点燃的依据为生产井13出口气体中H2与CO含量,如H2含量>5%,CO>3%,则判断为煤层15成功点燃。若不是初次点火,可通过生产井13出口气体热值计算或有效气含量来判断新的煤层15是否成功点燃,若热值持续提高或有效气含量持续上升,则表明煤层15成功点燃。
5)煤层15气化操作。煤层15成功点燃并稳定持续一段时间,建立稳定的燃烧区后,关闭等离子炬电源开关,将等离子炬设置电流调为零。提高空气输入流量,保留等离子炬冷却水进水流量,保护等离子炬,避免超温。打开二氧化碳或水注入开关,设置气化剂输入流量和压力,根据煤层15气化需求设置二氧化碳和水输入流量和压力,开始煤层15气化正常生产。
煤层15气化反应进行一段时间后,依据生产井13出口煤气产量下降情况,判定该区域煤层15完成气化反应过程,通过地面驱动装置6后撤柔性卷曲管2,重启等离子点火操作,继续进行正常气化反应。
实施例1:
如图1所述,某煤田深度700m、厚度8m煤层15,采用定向钻井技术,在煤层15中建立长度500m的通道,并将定向钻井作为注气钻井。在煤层通道另一端,钻一垂直井与定向钻井连通,作为生产井13。
将等离子点火装置3与柔性卷曲管2在地面连接好后,使用地面驱动装置6将等离子点火装置3沿注气钻井下放至距离生产井136m位置。
等离子点火装置3以空气作为等离子炬工作介质,以水作为冷却剂。打开各气路以及冷却剂出入口,建立气化剂和冷却剂循环系统。根据等离子点火装置3功率与空气流量设计参数,调整介质空气输入流量为50Nm3/h,压力0.5Mpa,调整阳极21冷却剂注入流量1m3/h,阴极22冷却剂注入流量0.6m3/h,温度20℃,关闭二氧化碳和水注入阀门。
启动等离子炬电源系统开关,设置电源启动电流300A,开启等离子炬起弧按钮,启动等离子炬。等离子炬电源控制面板实际电流显示298A,表明等离子炬起弧成功。
根据等离子点火装置3功率与空气流量设计参数,以先提高介质空气流量,再提高等离子炬输入电流参数的步骤逐渐提升等离子炬功率至90~100kW。等离子炬稳定运行15分钟后,检测生产井13出口气体组分,H2含量8.21%,CO含量5.36%,表明煤层15成功点燃。
关闭等离子炬电源开关,将等离子炬设置电流调为零。调整空气输入流量至1000Nm3/h,保留等离子炬冷却水进水流量,保护等离子炬,避免超温。打开二氧化碳或水注入开关,设置气化剂输入流量和压力,根据煤层15气化需求设置二氧化碳和水输入流量和压力,开始煤层15气化正常生产。
实施例2:
如图4所述,某煤田深度700m、厚度8m煤层15,采用定向钻井技术,在煤层15中建立长度500m的通道,并将定向钻井作为注气钻井。在煤层通道另一端,钻一垂直井与定向钻井连通,作为生产井13。当前处于气化正常生产阶段,使用气化剂为氧气与二氧化碳,氧气与二氧化碳浓度比为3:2,氧气从等离子点火装置3工质空气注入口25输入煤层15,二氧化碳从生产套管1与柔性卷曲管2环空注入,总进气量为2000Nm3/h。注气点位于a。煤层15气化过程中,产生燃空区18和气化灰渣19,煤气随燃空区18进入生产井13排出。
随着气化的进行,a前端煤层15逐渐被气化完毕,煤气有效组分逐渐下降。使用驱动装置6将等离子点火装置3后撤至距离a点25m远的b点。等离子点火装置3以空气作为等离子炬工作介质和冷却剂。随后停止等离子点火装置3中氧气注入,切换为工质空气,并停止生产套管1与柔性卷曲管2环空二氧化碳注入。调整介质空气输入流量为50Nm3/h,阳极21冷却空气输入流量20Nm3/h,阴极22冷却空气输入流量30Nm3/h,开始等离子点火装置3起弧操作,起弧成功后,逐步提高等离子炬输入空气流量和电流,使等离子炬功率达到90~100kW。观察生产井13出口气体热值计算与有效气含量,热值持续提高,有效气含量持续上升,表明煤层15成功点燃。
关闭等离子炬电源开关,将等离子炬设置电流调为零。将空气切换为氧气和二氧化碳注入,开始煤层15气化正常生产。
最后应该说明的是:所描述的实施例仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例,基于本申请中的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例,都属于本申请保护的范围。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例,毋庸置疑,对于本领域的普通技术人员,在不偏离本发明的精神和范围的情况下,可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此,上述附图和描述在本质上是说明性的,不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种煤层等离子点火系统,其特征在于,其包括,
生产井,其自地面朝煤层向下延伸且进入所述煤层中;
注气井,其自地面朝煤层向下延伸且所述注气井间隔所述生产井,所述煤层中设有连通生产井和注气井的煤层通道;
生产套管,其上端设于注气井井口,下端延伸到所述煤层中的煤层通道;
柔性卷曲管,其安装于生产套管内,柔性卷曲管的上端位于地面且柔性卷曲管随生产油管延伸至煤层通道中,柔性卷曲管经由地面驱动装置在生产油管中移动;
水注入口,其连通于所述生产套管和所述柔性卷曲管之间的间隙以将水导入煤层通道,
二氧化碳注入口,其连通于所述生产套管和所述柔性卷曲管之间的间隙以将二氧化碳导入煤层通道,
等离子点火装置,其安装于柔性卷曲管下端的端部以随柔性卷曲管移动而移动,所述等离子点火装置包括,
等离子炬本体,其固定连接柔性卷曲管,
阳极,其设于所述等离子炬本体的底部,所述阳极经由阳极接线柱连接电源阳极,
阴极,其设于所述等离子炬本体中且相对地间隔所述阳极布置,所述阴极经由阴极接线柱连接电源阴极,
工质空气注入口,其设于所述等离子炬本体远离所述底部的顶端,以将工质空气输送到阴极与阳极之间以在煤层中点火,来自所述水注入口的水和来自二氧化碳注入口的二氧化碳作为气化剂进行煤层气化产生煤气,所述煤气经由所述生产井输出。
2.根据权利要求1所述的一种煤层等离子点火系统,其特征在于,所述等离子炬本体内设有连接所述工质空气注入口的气体旋流器以将均匀分布工质空气。
3.根据权利要求1所述的一种煤层等离子点火系统,其特征在于,所述等离子炬本体还包括阳极冷却剂入口、阴极冷却剂入口和冷却剂出口,所述阳极连接阳极冷却剂入口以导入冷却剂,所述阴极连接阴极冷却剂入口以导入冷却剂,冷却剂出口连接所述阳极和阴极以导出冷却剂。
4.根据权利要求3所述的一种煤层等离子点火系统,其特征在于,所述阳极冷却剂入口和阴极冷却剂入口经由在柔性卷曲管内延伸的冷却剂输送管连通地面上的冷却剂入口部,冷却剂出口经由在柔性卷曲管内延伸的接冷却剂回流管连通地面上的冷却剂出口部。
5.根据权利要求4所述的一种煤层等离子点火系统,其特征在于,所述冷却剂出口连通到柔性卷曲管以煤层助燃。
6.根据权利要求5所述的一种煤层等离子点火系统,其特征在于,所阳极接线柱和阴极接线柱均连接等离子炬电缆,等离子炬电缆在柔性卷曲管内延伸并连通地面上的电源,所述工质空气注入口连接空气管,空气管在柔性卷曲管内延伸并连通地面的空气压缩系统。
7.根据权利要求1所述的一种煤层等离子点火系统,其特征在于,所述阳极为拉法尔结构,阳极一侧进冷却剂,另一侧排出冷却剂,冷却剂采用下进上出的形式。
8.根据权利要求1所述的一种煤层等离子点火系统,其特征在于,所述阴极与阴极接线柱经由中空管道连接,阴极冷却剂输入管穿入所述中空管道且阴极冷却剂输入管一端连接阴极冷却剂入口,另一端深入所述阴极与阴极之间保持空隙1-10mm,冷却剂返回至阴极冷却剂输入管与中空管道之间的环形空间,环形空间连通所述中空管道的顶端出口排出冷却剂。
9.一种利用权利要求1-8中任一项所述的一种煤层等离子点火系统的煤层气化方法,其特征在于,其包括,
工质空气注入口可控地注入工质空气到阴极和阳极之间,设置等离子点火装置电流参数,启动等离子点火装置以在煤层中点火,来自水注入口的水和来自二氧化碳注入口的二氧化碳作为气化剂进行煤层气化产生煤气,
阳极冷却剂入口和阴极冷却剂入口分别将冷却剂导入阳极和阴极以进行冷却,在等离子点火装置运行过程中,基于等离子炬冷却剂温度调整等离子炬冷却剂流量和温度,避免等离子炬温度超过预定温度,
柔性卷曲管经由地面驱动装置在生产油管中移动以持续气化煤层,根据生产井H2与CO含量,调节等离子炬二氧化碳流量和电流,所述煤气经由所述生产井输出。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,等离子点火装置电源的实际电流与预定电流相差±10A以内,则等离子点火装置启动起弧成功,如实际电流为零或者低于预定电流,则起弧失败,重复等离子点火装置启动操作。
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Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5181795A (en) * 1992-08-19 1993-01-26 Circeo Jr Louis J In-situ landfill pyrolysis, remediation and vitrification
CN1084567A (zh) * 1993-10-09 1994-03-30 冶金工业部钢铁研究总院 高炉用氧煤燃烧器及保护方法
US20130161007A1 (en) * 2011-12-22 2013-06-27 General Electric Company Pulse detonation tool, method and system for formation fracturing
WO2014085855A1 (en) * 2012-12-06 2014-06-12 Linc Energy Ltd Oxidant injection method for underground coal gasification
WO2014186823A1 (en) * 2013-05-23 2014-11-27 Linc Energy Ltd Oxidant and water injection apparatus
CN104251133A (zh) * 2013-06-26 2014-12-31 新奥气化采煤有限公司 一种可控注气点注气装置、注气工艺及气化方法
CN208702397U (zh) * 2019-01-21 2019-04-05 国氢能源科技有限公司 一种煤炭地下气化注气钻孔装置
CN211240241U (zh) * 2019-12-11 2020-08-11 西安空天能源动力智能制造研究院有限公司 一种基于双电极结构的大功率等离子体炬装置
CN112483063A (zh) * 2020-12-17 2021-03-12 西安科技大学 一种地下隔层式煤炭原位气化开采系统及其构造方法
CN113279807A (zh) * 2021-06-29 2021-08-20 山西焦煤集团有限责任公司 一种煤炭地下气化二氧化碳回注防回火系统及方法
CN114382456A (zh) * 2022-02-25 2022-04-22 中国矿业大学(北京) 一种爆燃增透煤层促采瓦斯装置及方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5181795A (en) * 1992-08-19 1993-01-26 Circeo Jr Louis J In-situ landfill pyrolysis, remediation and vitrification
CN1084567A (zh) * 1993-10-09 1994-03-30 冶金工业部钢铁研究总院 高炉用氧煤燃烧器及保护方法
US20130161007A1 (en) * 2011-12-22 2013-06-27 General Electric Company Pulse detonation tool, method and system for formation fracturing
WO2014085855A1 (en) * 2012-12-06 2014-06-12 Linc Energy Ltd Oxidant injection method for underground coal gasification
WO2014186823A1 (en) * 2013-05-23 2014-11-27 Linc Energy Ltd Oxidant and water injection apparatus
CN104251133A (zh) * 2013-06-26 2014-12-31 新奥气化采煤有限公司 一种可控注气点注气装置、注气工艺及气化方法
CN208702397U (zh) * 2019-01-21 2019-04-05 国氢能源科技有限公司 一种煤炭地下气化注气钻孔装置
CN211240241U (zh) * 2019-12-11 2020-08-11 西安空天能源动力智能制造研究院有限公司 一种基于双电极结构的大功率等离子体炬装置
CN112483063A (zh) * 2020-12-17 2021-03-12 西安科技大学 一种地下隔层式煤炭原位气化开采系统及其构造方法
CN113279807A (zh) * 2021-06-29 2021-08-20 山西焦煤集团有限责任公司 一种煤炭地下气化二氧化碳回注防回火系统及方法
CN114382456A (zh) * 2022-02-25 2022-04-22 中国矿业大学(北京) 一种爆燃增透煤层促采瓦斯装置及方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
丁立新主编: "《电厂锅炉原理》", vol. 1, 31 August 2006, 中国电力出版社, pages: 118 *

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