CN116971758A - 二氧化碳等离子体煤层气化系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种二氧化碳等离子体煤层气化系统和方法，系统中，生产井自地面朝煤层向下延伸且进入煤层中；注气井自地面朝煤层向下延伸且注气井间隔生产井，煤层在注气井下方设有钻孔，钻孔在煤层中延伸到生产井；生产油管上端设于注气井井口，下端延伸到煤层中的钻孔直到连通生产井；柔性卷曲管安装于生产油管内，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中，柔性卷曲管经由地面驱动装置在生产油管中移动；二氧化碳等离子炬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，二氧化碳粒子与煤层反应产生含有一氧化碳的煤气，煤气经由生产井输出。本系统及方法高效煤层负碳开发。
Description
技术领域
本发明涉及煤层气化技术领域，尤其涉及一种二氧化碳等离子体煤层气化系统和方法。
背景技术
煤层原位气化技术集建井、采煤与转化为一体，省去机械开采、运输、洗选以及利用过程中的建炉等过程，可有效降低煤炭开采过程碳排放。煤层原位气化首先采用垂直钻孔和定向钻孔在气化煤层内构建地下气化炉，在气化炉的一端进行点火，另一端注入气化剂，与煤层发生气化反应产生煤气，经垂直钻孔排出地面利用。
由于煤层气化为吸热反应，传统煤层原位气化技术注入气化剂主要有空气、纯氧或富氧与水或二氧化碳的组合，也即必须在煤层中注入氧气，以燃烧部分煤层为气化反应提供热量。气化过程煤层由干燥带、还原带和氧化带组成，其中氧化带产物为二氧化碳，导致传统煤层气化煤气中二氧化碳含量达到40％左右。此外，由于地下煤层致密，气化反应速率低，生产强度小；传统煤层气化反应通过注入的气化剂来调节，气化面的扩展难以控制，造成低的资源回采率，间接导致单位煤层开发能耗提高。因此，利用传统煤层气化规模化开发煤炭资源，仍存在碳排放的压力，亟需一种高效可控的零碳乃至负碳煤层开发技术。
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二氧化碳等离子体煤层气化系统和方法，采用高焓值高能量密度二氧化碳等离子气化技术，为煤层气化反应同时提供气化热源以及高活性气化剂，将二氧化碳与煤层反应高效转化为一氧化碳。由于煤层气化反应依靠等离子体热量辐射和二氧化碳活性粒子还原反应控制，反应简化，启停方便。为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的一种二氧化碳等离子体煤层气化系统包括：
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，所述煤层在所述注气井下方设有钻孔，所述钻孔在煤层中延伸到生产井；
生产油管，其上端设于注气井井口，下端延伸到所述煤层中的钻孔直到连通所述生产井；
柔性卷曲管，其安装于生产油管内，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中，柔性卷曲管经由地面驱动装置在生产油管中移动；
二氧化碳等离子炬装置，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，所述二氧化碳等离子炬装置包括，
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，
二氧化碳注入口，其设于所述等离子炬本体远离所述底部的顶端，以将二氧化碳输送到阴极与阳极之间以等离子化生成二氧化碳粒子，所述二氧化碳粒子与煤层反应产生含有一氧化碳的煤气，所述煤气经由所述生产井输出。
所述的一种二氧化碳等离子体煤层气化系统中，所述等离子炬本体内设有连接所述二氧化碳注入口的气体旋流器以将均匀分布二氧化碳。
所述的一种二氧化碳等离子体煤层气化系统中，所述等离子炬本体还包括阳极冷却水入口和阳极冷却水出口，所述阳极的下侧连接阳极冷却水入口以导入冷却水进水，阳极的上侧连接阳极冷却水出口排出冷却水回水，构成下进上出的冷却水排布形式。
所述的一种二氧化碳等离子体煤层气化系统中，所述等离子炬本体还包括阴极冷却水入口和阴极冷却水出口，所述阴极连通阴极冷却水入口和阴极冷却水出口。
所述的一种二氧化碳等离子体煤层气化系统中，所述阴极与阴极接线柱经由中空管道连接，阴极冷却水进水管穿入所述中空管道且阴极冷却水进水管一端连接所述阴极冷却水入口，另一端深入所述阴极与阴极之间保持空隙1-10mm，冷却水进水返回至阴极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冷却水出口排出冷却水回水。
所述的一种二氧化碳等离子体煤层气化系统中，所述阴极冷却水出口为中空管道顶端出口，阳极冷却水入口、阳极冷却水出口、阴极冷却水入口和阴极冷却水出口均连通冷却水进出水管，冷却水进出水管在柔性卷曲管内延伸并分别连通地面上的冷却水入口和冷却水出口，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，所述二氧化碳注入口连接二氧化碳注入管，二氧化碳注入管在柔性卷曲管内延伸并连通地面的二氧化碳注入部。
所述的一种二氧化碳等离子体煤层气化系统中，所述注气井还包括，
表层套管，其上端连接于地面，下端在地面以下自由悬挂，
生产套管，其设置于表层套管内部，生产套管上端连接于地面，下端在地面以下自由悬挂且接近于钻孔的垂直段末端，生产油管设置于生产套管内部。
所述的一种二氧化碳等离子体煤层气化系统中，所述生产油管和柔性卷曲管之间间隙设置了第一备用气化剂注入口和第二备用气化剂注入口，第一备用气化剂注入口注入水，第二备用气化剂注入口注入二氧化碳、空气或纯氧。
二氧化碳等离子体煤层气化系统的煤层气化方法包括，
二氧化碳注入口可控地注入二氧化碳到阴极和阳极之间，设置等离子炬电流参数，启动等离子炬以等离子化生成二氧化碳粒子，所述二氧化碳粒子与煤层反应产生含有一氧化碳的煤气，阳极冷却水入口和阴极冷却水入口分别将冷却水导入阳极和阴极以进行冷却，
在等离子炬运行过程中，基于等离子炬冷却水回水温度调整等离子炬冷却水进水流量和温度，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，根据生产井出口煤气流量和组分，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。
方法中，等离子炬电源的实际电流与预定电流相差±10A以内，则等离子炬启动起弧成功，如实际电流为零或者低于预定电流，则起弧失败，重复等离子炬启动操作。
在上述技术方案中，本发明提供的一种二氧化碳等离子体煤层气化系统，具有以下有益效果：煤层气化反应依靠等离子体热量辐射和二氧化碳活性粒子还原反应控制，反应简化，启停方便；等离子炬是电气控制，综合来看，气化面控制程度大大提高。更重要的是，将二氧化碳与煤层反应高效转化为一氧化碳，本发明将二氧化碳高效转化为了燃料或化学品，属于创新的碳负排技术。本发明即高效强化了气化反应速率，又极大地提高了煤层气化可控性，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二氧化碳等离子体煤层气化系统的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的一种二氧化碳等离子体煤层气化系统的等离子炬的结构示意图。
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1-2所示，在一个实施例中，本发明的一种二氧化碳等离子体煤层气化系统包括，
生产井15，其自地面朝煤层17向下延伸且进入所述煤层17中；
注气井，其自地面朝煤层17向下延伸且所述注气井间隔所述生产井15，所述煤层17在所述注气井下方设有钻孔，所述钻孔在煤层17中延伸到生产井15；
生产油管3，其上端设于注气井井口，下端延伸到所述煤层17中的钻孔直到连通所述生产井15；
柔性卷曲管4，其安装于生产油管3内，柔性卷曲管4的上端位于地面且柔性卷曲管4随生产油管3延伸至煤层17中，柔性卷曲管4经由地面驱动装置8在生产油管3中移动；
二氧化碳等离子炬装置5，其安装于柔性卷曲管4下端的端部以随柔性卷曲管4移动而移动，所述二氧化碳等离子炬装置5包括，
等离子炬本体20，其固定连接柔性卷曲管4，
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，
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，
二氧化碳注入口25，其设于所述等离子炬本体远离所述底部的顶端，以将二氧化碳输送到阴极22与阳极21之间以等离子化生成二氧化碳粒子，所述二氧化碳粒子与煤层17反应产生含有一氧化碳的煤气，所述煤气经由所述生产井15输出。
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，所述等离子炬本体内设有连接所述二氧化碳注入口25的气体旋流器26以将均匀分布二氧化碳。
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，所述等离子炬本体还包括阳极冷却水入口27和阳极冷却水出口28，所述阳极21的下侧连接阳极冷却水入口27以导入冷却水进水，阳极21的上侧连接阳极冷却水出口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，所述等离子炬本体还包括阴极冷却水入口29和阴极冷却水出口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。
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24经由中空管道连接，阴极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冷却水出口30排出冷却水回水。
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，所述阴极冷却水出口30为中空管道顶端出口，阳极冷却水入口27、阳极冷却水出口28、阴极冷却水入口29和阴极冷却水出口30均连通冷却水进出水管，冷却水进出水管在柔性卷曲管4内延伸并分别连通地面上的冷却水入口11和冷却水出口12，阳极接线柱23和阴极接线柱24均连接等离子炬电缆9，等离子炬电缆9在柔性卷曲管4内延伸并连通地面上的电源，所述二氧化碳注入口25连接二氧化碳注入管，二氧化碳注入管在柔性卷曲管4内延伸并连通地面的二氧化碳注入部10。
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，所述注气井还包括，
表层套管1，其上端连接于地面，下端在地面以下自由悬挂，
生产套管2，其设置于表层套管1内部，生产套管2上端连接于地面，下端在地面以下自由悬挂且接近于钻孔的垂直段末端，生产油管3设置于生产套管2内部。
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，所述生产油管3和柔性卷曲管4之间间隙设置了第一备用气化剂注入口13和第二备用气化剂注入口14，第一备用气化剂注入口13注入水，第二备用气化剂注入口14注入二氧化碳、空气或纯氧。
在一个实施例中，二氧化碳等离子体煤层气化系统由注气井、二氧化碳等离子炬、气化通道和生产井15组成。其中，注气井由表层套管1、生产套管2、生产油管3和柔性卷曲管4构成。
表层套管1采用水泥浇筑，上端连接于地面18，下端位于地面以下自由悬挂，所述表层套管1用于固定松散层。
生产套管2采用水泥浇筑，设置于表层套管1内部，上端连接于地面18，下端自由悬挂，位于地面以下至接近于钻孔垂直段末端，所述生产套管2用于固定各岩层。
生产油管3为悬挂式，上端位于井口，与悬挂器7相连，下端随钻孔延伸到煤层17直至与生产井15底部连通，所述生产油管3在水平段的位置稍靠近于煤层17底部，水平段的生产油管3上部、下部与煤层17有一定间隙，便于生产油管3下入煤层17。所述生产油管3在煤层17内起支护作用，防止煤层17塌落，影响柔性卷曲管4伸缩。所述生产油管3材质为可燃材料，可随煤层17气化反应进行逐步燃烧，不影响生产油管3周围煤层17气化反应。
柔性卷曲管4安装于生产油管3内，上端位于地面，与地面驱动装置8相连，通过注入头6延伸至煤层17中，并于下端端部安装二氧化碳等离子炬装置5。所述柔性卷曲管4由地面驱动装置8控制伸缩，建炉过程中由地面驱动装置8将柔性卷曲管4伸入煤层17中，生产过程中根据工艺控制需要，由地面驱动装置8将柔性卷曲管4间歇后撤。进一步地，地面驱动装置8包括卷扬机。
等离子炬装置5连接柔性卷曲管4末端，可随柔性卷曲管4伸缩实现在煤层17中移动。等离子炬电缆9一端位于地面电源控制设备，另一端与等离子炬本体相连。等离子炬的工作介质为二氧化碳，注入口位于地面，二氧化碳注入管在柔性卷曲管4内，另一端连接等离子炬本体，通入等离子炬的阴极22与阳极21之间，通过等离子炬高压放电离解成高活性二氧化碳粒子。二氧化碳来源于煤层17气化生产区附近工业园区19捕集，通过地面18的阀门和流量计控制注入流量。生产过程中根据工艺需求，可调控等离子炬电源功率以及二氧化碳注入量，来调节煤层17气化强度。二氧化碳等离子炬实现移动式任意位置随时启动煤层17气化反应，在每次柔性卷曲管4后退一定距离后，可快速建立气化反应区，提高气化效率，强化气化过程。等离子炬本体冷却水注入口和回水口均位于地面，通过地面阀门和流量计控制流量。生产过程中通过冷却水回水温度控制注入水流量和温度，保障等离子炬本体不超温。
在生产油管3和柔性卷曲管4之间间隙设置了第一备用气化剂注入口13和第二备用气化剂注入口14，可注入气化剂。所述气化剂可为二氧化碳、水、空气、纯氧、富氧等，根据工艺需要可调节气化剂注入流量，以辅助气化，根据地面用户需求调控煤气组成，或协同控制煤层17气化面扩展。
生产井15位于气化煤层另一端，用于将地下反应区煤气输送至地面，通过阀门16控制煤气输送流量和气化区压力。结合生产井15出口煤气产量，可反映煤炭地下气化反应进行状况，为调控煤层17的气化反应强度提供依据。
二氧化碳等离子炬本体包括阳极21、阴极22与二氧化碳注入口25。等离子炬本体通过阴极22与阳极21之间高压放电，电离阴阳极21之间的气体介质，产生高焓值高能量密度高活性粒子。等离子炬本体采用嵌入式固定装置与柔性卷曲管4连接。
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规格根据功率和二氧化碳气量设计，长度为100～1000mm，直径为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与等离子炬本体连接，阳极接线柱23与等离子炬本体连接，阳极接线柱23接上电源阳极即可通电。阳极21一侧进冷却水进水，另一侧排出冷却水回水，冷却水采用下进上出的形式。适时调整冷却水进水温度和流量，保护阳极21，避免超温。
阴极22位于阳极21左侧，规格根据功率和二氧化碳气量设计，长度为20～100mm，直径为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由一根如钢管的中空管道连接，钢管中空，穿入阴极22冷却水进水管，进水管深入阴极22，与阴极22之间保持空隙1-10mm，便于进水返回。冷却水进水返回至阴极进水管与钢管环空，通过钢管顶端出口排出冷却水回水。适时调整冷却水进水温度和流量，保护阴极22，避免超温。
二氧化碳注入口25位于等离子炬本体顶端，将二氧化碳通入阴极22与阳极21之间，并采用气体旋流器26，均匀分布二氧化碳。规格根据功率和二氧化碳气量设计，与阴阳极21规格配合。气体旋流器26选择钢材质。
二氧化碳等离子体煤层气化系统的煤层17气化方法包括，
二氧化碳注入口25可控地注入二氧化碳到阴极22和阳极21之间，设置等离子炬电流参数，启动等离子炬以等离子化生成二氧化碳粒子，所述二氧化碳粒子与煤层17反应产生含有一氧化碳的煤气，阳极冷却水入口27和阴极冷却水入口29分别将冷却水导入阳极21和阴极22以进行冷却，
在等离子炬运行过程中，基于等离子炬冷却水回水温度调整等离子炬冷却水进水流量和温度，避免等离子炬温度超过预定温度，
柔性卷曲管4经由地面驱动装置8在生产油管3中移动以持续气化煤层17，根据生产井15出口煤气流量和组分，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15输出。
所述的方法的优选实施方式中，等离子炬电源的实际电流与预定电流相差±10A以内，则等离子炬启动起弧成功，如实际电流为零或者低于预定电流，则起弧失败，重复等离子炬启动操作。
在一个实施例中，方法包括，
1)安装
表层套管1上端位于地面18，下端位于地面以下，具体位置依据第四系松散层深度决定，表层套管1长度由地面至第四系松散层附近。
生产套管2位于表层套管1内部，上端位于地面，下端延伸至注气井垂直段与弯曲段连接处。
生产油管3由若干管段组成，其中，本实施例注气井中垂直段及弯曲段生产油管3管材采用钢材质，水平段生产油管3采用玻璃钢材质。根据注气井垂直段、弯曲段、水平段长度，在地面将若干管段由梯形扣等专用连接方式连接组成生产油管3，使生产油管3下端由玻璃钢材质组成，玻璃钢材质生产油管3长度等于注气井水平段长度，此后，再连接上钢材质生产油管3，钢材质生产油管3长度由注气井垂直段与弯曲段决定。采用边下生产油管3边连接方式，由地面悬挂器逐渐下入煤层17中。
生产油管3下入完毕后，再通过地面设备下入柔性卷曲管4。首先，将等离子炬电缆9、二氧化碳注入管、冷却水进出水管一端穿入柔性卷曲管4内，安装于柔性卷曲管4驱动装置上，等离子炬电缆9、二氧化碳注入管、冷却水进出水管另一端穿过柔性卷曲管4。柔性卷曲管4位于生产油管3内部，一端位于地面，连接于地面驱动装置8，另一端穿过注入头6后，将等离子炬电缆9、二氧化碳注入管、冷却水进出水管与等离子炬本体连接，再将柔性卷曲管4与等离子炬本体用嵌入式固定装置连接，由驱动装置逐渐下入到生产油管3内部，延伸直至生产井15底部左侧。
此后，在地面将第一备用气化剂注入口13和第二备用气化剂注入口14安装于生产油管3悬挂器下部。
2)等离子炬启动操作
等离子炬启动时，在二氧化碳注入口25控制注入二氧化碳，打开冷却水注入口和回水口阀门，控制等离子炬阴阳极进水回水流量，设置等离子炬电流参数，启动等离子炬电源，观察等离子炬电源控制系统实际电流参数，如实际电流与设置电流相差±10A以内，则表明等离子炬启动起弧成功；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。
3)气化过程操作
等离子炬启动成功后，进行正常气化。
根据生产井15出口煤气流量和组分变化，逐渐提高等离子炬二氧化碳流量和电流，使之满负荷运行。在运行过程中，关注等离子炬冷却水回水温度变化，适时调整等离子炬冷却水进水流量和温度，避免等离子炬超温。
在第一备用气化剂注入口13和第二备用气化剂注入口14注入水或CO2，通过生产油管3与柔性卷曲管4环空通入煤层17中。根据地面用气需要，水和CO2可分别注入或同时注入，可有效调整气化反应，获得合适的煤气组分。在适当范围内，提高水注入量，可相应提高煤气组分中H2含量，或提高CO2注入量，可相应提高煤气组分中的CO含量。
气化反应进行一段时间后，依据生产井15出口煤气产量下降情况，判定该区域煤层17完成气化反应过程。关闭等离子炬电源，将等离子炬电流输入参数设置为0，关闭二氧化碳入口阀门，保留等离子炬冷却水进水流量，保护等离子炬，避免超温。通过地面柔性卷曲管4驱动装置后撤柔性卷曲管4一定距离，重启等离子炬，继续进行正常气化反应。
在一个实施例中，二氧化碳等离子体煤层气化系统布置由注气井、二氧化碳等离子炬、气化通道和生产井15组成。如图2所示的注气井用于注入二氧化碳，经等离子炬高压电离，高温高能高活性二氧化碳粒子与煤层17快速反应产出富一氧化碳煤气，通过生产井15将煤气输送至地面。
本发明实施例提出的二氧化碳等离子体煤层气化系统示意图如图2所示，二氧化碳等离子体煤层气化系统布置由注气井、二氧化碳等离子炬、气化通道和生产井15组成。其中，注气井由表层套管1、生产套管2、生产油管3和柔性卷曲管4构成。
表层套管1上端位于地面，下端位于地面以下，具体位置依据第四系松散层深度决定，表层套管1长度由地面至第四系松散层以下1～5米。
生产套管2位于表层套管1内部，上端位于地面，下端延伸至注气井垂直段与弯曲段连接处。
生产油管3由若干管段组成，其中，本实施例注气井中垂直段及弯曲段生产油管3管材采用钢材质，水平段生产油管3采用玻璃钢材质。根据注气井垂直段、弯曲段、水平段长度，在地面将若干管段由梯形扣等专用连接方式连接组成生产油管3，使生产油管3下端由玻璃钢材质组成，玻璃钢材质生产油管3长度等于注气井水平段长度，此后，再连接上钢材质生产油管3，钢材质生产油管3长度由注气井垂直段与弯曲段决定。采用边下生产油管3边连接方式，由地面悬挂器逐渐下入煤层17中。
生产油管3下入完毕后，再通过地面设备下入柔性卷曲管4。首先，将等离子炬电缆9、二氧化碳注入管、冷却水进出水管一端穿入柔性卷曲管4内，安装于柔性卷曲管4驱动装置上，等离子炬电缆9、二氧化碳注入管、冷却水进出水管另一端穿过柔性卷曲管4。柔性卷曲管4位于生产油管3内部，一端位于地面，连接于地面驱动装置8，另一端穿过注入头6后，将等离子炬电缆9、二氧化碳注入管、冷却水进出水管与等离子炬本体连接，再将柔性卷曲管4与等离子炬本体连接，由驱动装置逐渐下入到生产油管3内部，延伸直至生产井15底部左侧。
此后，在地面将第一备用气化剂注入口13和备第二用气化剂注入口安装于生产油管3悬挂器下部。
等离子炬启动时，在二氧化碳注入口25控制注入二氧化碳，打开冷却水注入口和回水口阀门，控制等离子炬阴阳极21进水回水流量，设置等离子炬电流参数，启动等离子炬电源，观察等离子炬电流参数，电流参数与设置参数接近，表明等离子炬启动成功。
等离子炬启动成功后，进行正常气化。
根据生产井15出口煤气流量和组分变化，逐渐提高等离子炬二氧化碳流量和电流，使之满负荷运行。在运行过程中，关注等离子炬冷却水回水温度变化，适时调整等离子炬冷却水进水流量和温度，避免等离子炬超温。
在第一备用气化剂注入口13和备第二用气化剂注入口注入水或CO2，通过生产油管3与柔性卷曲管4环空通入煤层17中。根据地面用气需要，水和CO2可分别注入或同时注入，可有效调整气化反应，获得合适的煤气组分。在适当范围内，提高水注入量，可相应提高煤气组分中H2含量，或提高CO2注入量，可相应提高煤气组分中的CO含量。
气化反应进行一段时间后，依据生产井15出口煤气产量下降情况，判定该区域煤层17完成气化反应过程。关闭等离子炬电源，将等离子炬电流输入参数设置为0，关闭二氧化碳入口阀门，保留等离子炬冷却水进水流量，保护等离子炬，避免超温。通过地面柔性卷曲管4驱动装置后撤柔性卷曲管4一定距离，重启等离子炬，继续进行正常气化反应。
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。
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)
1.一种二氧化碳等离子体煤层气化系统，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，所述煤层在所述注气井下方设有钻孔，所述钻孔在煤层中延伸到生产井；
生产油管，其上端设于注气井井口，下端延伸到所述煤层中的钻孔直到连通所述生产井；
柔性卷曲管，其安装于生产油管内，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中，柔性卷曲管经由地面驱动装置在生产油管中移动；
二氧化碳等离子炬装置，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，所述二氧化碳等离子炬装置包括，
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，
二氧化碳注入口，其设于所述等离子炬本体远离所述底部的顶端，以将二氧化碳输送到阴极与阳极之间以等离子化生成二氧化碳粒子，所述二氧化碳粒子与煤层反应产生含有一氧化碳的煤气，所述煤气经由所述生产井输出。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳等离子体煤层气化系统，其特征在于，所述等离子炬本体内设有连接所述二氧化碳注入口的气体旋流器以将均匀分布二氧化碳。
3.根据权利要求1所述的一种二氧化碳等离子体煤层气化系统，其特征在于，所述等离子炬本体还包括阳极冷却水入口和阳极冷却水出口，所述阳极的下侧连接阳极冷却水入口以导入冷却水进水，阳极的上侧连接阳极冷却水出口排出冷却水回水，构成下进上出的冷却水排布形式。
4.根据权利要求3所述的一种二氧化碳等离子体煤层气化系统，其特征在于，所述等离子炬本体还包括阴极冷却水入口和阴极冷却水出口，所述阴极连通阴极冷却水入口和阴极冷却水出口。
5.根据权利要求4所述的一种二氧化碳等离子体煤层气化系统，其特征在于，所述阴极与阴极接线柱经由中空管道连接，阴极冷却水进水管穿入所述中空管道且阴极冷却水进水管一端连接所述阴极冷却水入口，另一端深入所述阴极与阴极之间保持空隙1-10mm，冷却水进水返回至阴极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冷却水出口排出冷却水回水。
6.根据权利要求5所述的一种二氧化碳等离子体煤层气化系统，其特征在于，所述阴极冷却水出口为中空管道顶端出口，阳极冷却水入口、阳极冷却水出口、阴极冷却水入口和阴极冷却水出口均连通冷却水进出水管，冷却水进出水管在柔性卷曲管内延伸并分别连通地面上的冷却水入口和冷却水出口，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，所述二氧化碳注入口连接二氧化碳注入管，二氧化碳注入管在柔性卷曲管内延伸并连通地面的二氧化碳注入部。
7.根据权利要求1所述的一种二氧化碳等离子体煤层气化系统，其特征在于，所述注气井还包括，
表层套管，其上端连接于地面，下端在地面以下自由悬挂，
生产套管，其设置于表层套管内部，生产套管上端连接于地面，下端在地面以下自由悬挂且接近于钻孔的垂直段末端，生产油管设置于生产套管内部。
8.根据权利要求1所述的一种二氧化碳等离子体煤层气化系统，其特征在于，所述生产油管和柔性卷曲管之间间隙设置了第一备用气化剂注入口和第二备用气化剂注入口，第一备用气化剂注入口注入水，第二备用气化剂注入口注入二氧化碳、空气或纯氧。
9.一种利用权利要求1-8中任一项所述的一种二氧化碳等离子体煤层气化系统的煤层气化方法，其特征在于，其包括，
二氧化碳注入口可控地注入二氧化碳到阴极和阳极之间，设置等离子炬电流参数，启动等离子炬以等离子化生成二氧化碳粒子，所述二氧化碳粒子与煤层反应产生含有一氧化碳的煤气，阳极冷却水入口和阴极冷却水入口分别将冷却水导入阳极和阴极以进行冷却，
在等离子炬运行过程中，基于等离子炬冷却水回水温度调整等离子炬冷却水进水流量和温度，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，根据生产井出口煤气流量和组分，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，等离子炬电源的实际电流与预定电流相差±10A以内，则等离子炬启动起弧成功，如实际电流为零或者低于预定电流，则起弧失败，重复等离子炬启动操作。
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