多點注氣地下氣化爐及多點注氣地下氣化方法
2023-12-02 08:21:36 2
多點注氣地下氣化爐及多點注氣地下氣化方法
【專利摘要】本發明公開一種多點注氣地下氣化爐及多點注氣地下氣化方法，沿煤層產狀設有至少兩個平行布置的注氣井，注氣井內設置有可控連續注氣裝置，可控連續注氣裝置的一端與氣化劑輸配管連接，另一端置於氣化爐工作面的注氣點處，距離注氣井通道內初始注氣點的末端附近設有至少一個出氣井。採用逆向燃燒方式，通過連續或間斷拖動各注氣井內注氣點位置，並依據產氣狀況調整注氣參數，無需重複點火，避免在注氣點後退過程中氣化爐溫度場的波動，實現工作面整體逆向擴展氣化採煤，得到組分穩定的合成煤氣，降低氣化生產階段操作難度，保證產出的煤氣品質；多個進氣井分散給工作面輸送含氧氣化劑，增加單位時間內燃燒工作面積，從而擴大地下氣化的產量規模。
【專利說明】多點注氣地下氣化爐及多點注氣地下氣化方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種多點注氣地下氣化爐及多點注氣地下氣化方法，屬於煤炭地下氣化【技術領域】。
【背景技術】
[0002]煤炭地下氣化是將處於地下的煤炭進行有控制的燃燒，通過對煤的熱作用及化學作用而產生可燃氣體的過程。氣化工作面是氣化爐內氣化劑與煤層發生燃燒氣化反應生產煤氣的主要區域，通常情況下，一個氣化爐有一個以上的氣化工作面，每個工作面有一個以上的注氣點。氣化工作面的氣化劑由進氣井注入，注氣點的布置及注氣控制決定了氣化工作面的產氣品質及產量，氣化爐的注氣點布置與注氣控制是地下氣化成敗的關鍵。
[0003]現有技術中，美國的受控注入點後退氣化工藝(簡稱:CRIP工藝)是把定向鑽和反向燃燒結合在一起，首先打出豎直鑽孔作為產氣井，再打定向鑽孔到達煤層後，繼續沿煤層底板打水平鑽孔，直至水平鑽孔與出氣孔相交，然後在定向鑽孔中放置支護套管。開始氣化時，採用移動點火器在靠近出氣孔的注氣點點火，點火後燒掉一段支護套管並點燃煤體，控制注氣氣化直至煤氣組分顯著下降時，調節注入點，使其後退至相當於一個燃空區長度的距離，再點火燒掉一段套管形成新的燃燒氣化區，如此逐段向定向鑽井的煤點移動，從CRIP工藝的整個過程分析可知，其氣化工作面是通過拖動連續管及點火器，實現重複點火燃燒並氣化產氣的過程，工作面產氣為注氣點的後退及控制注氣氣化產氣。
[0004]由於上述CRIP工藝具只有一個注氣通道，而單個注氣通道致使氣化工作面小，必然直接導致其較小的產量規模；又由於此工藝是間歇性重複點火，在點火過程中，氣化爐的溫度場就會有波動，容易造成產品氣體組分的波動，使產品的組分不穩定。
【發明內容】
[0005]本發明的實施例提供一種多點注氣地下氣化爐及應用其的氣化方法，能夠解決氣體產品產量低及其組分波動大的問題。
[0006]為達到上述目的，本發明的實施例採用如下技術方案:
[0007]—種多點注氣地下氣化爐，沿煤層產狀設有至少兩個平行布置的注氣井，所述注氣井內設置有可控連續注氣裝置，所述可控連續注氣裝置的連續管的一端與氣化劑輸配管連接，另一端置於氣化爐工作面的注氣點處，距離所述注氣井通道內初始注氣點的末端附近設有至少一個出氣井。
[0008]進一步的，所述可控連續注氣裝置為連續油管注氣裝置或拉管式注氣裝置。
[0009]進一步的，所述注氣井的水平通道之間的間距為0.5?4倍的煤層採高。
[0010]進一步的，所述注氣井內位於煤層段的通道為裸孔結構。
[0011]優選的，所述裸孔內設有支護篩管。
[0012]一種多點注氣地下氣化方法，採用上述多點注氣地下氣化爐，包括如下步驟:
[0013]步驟一、建立多點注氣地下氣化爐的進氣井、點火區和出氣通道，在可控連續注氣裝置的連續管內注入含氧氣化劑，並對所述注氣井內的初始注氣點進行引火；
[0014]步驟二、引火成功後，調整注氣工藝參數直至得到符合要求的煤氣組分和熱值，連續注氣生產合格煤氣；
[0015]步驟三、觀測煤氣組分和熱值，當煤氣的有效組分和熱值中的任何一個參數值下降超過20%時，向後拖動可控連續注氣裝置的連續管，以朝後退方向調整注氣井內注氣點的後退位置，並觀測氣化煤氣組分和熱值恢復情況，使注氣點在回退過程中也始終保持點燃反應狀態；
[0016]步驟四、當注氣點後退至距離引火區超過I倍的初次垮落步距時，判斷煤層頂板巖石垮落、沉降位移對燃空區的填充情況；
[0017]步驟五、當所述燃空區的頂板初次垮落填充形成後，重複步驟三，在穩定氣化產氣前提下，繼續朝後退方向調整注氣井內注氣點的位置，直至所述注氣點後退至注氣井的入煤點位置處，地下工作面氣化生產結束。
[0018]所述後退方向是指:注氣井內可控連續注氣裝置的連續管的回退方向。
[0019]進一步的，所述含氧氣化劑的氧濃度不小於20%。
[0020]進一步的，所述引火時的所述氣化劑流量不大於3000Nm3/h。
[0021]優選的，所述引火時的所述氣化劑流量範圍為800-2000Nm3/h。
[0022]進一步的，所述含氧氣化劑的組分為富氧，或為富氧-水，或為富氧-水蒸氣，或為純氧-水，或為純氧-水蒸氣。
[0023]進一步的，所述注氣井與所述可控連續注氣裝置的連續管之間的環空區域通入不含氧的氣化劑，所述不含氧的氣化劑為二氧化碳或氮氣。
[0024]本發明實施例提供的多點注氣地下氣化爐及多點注氣地下氣化方法，採用了逆向燃燒方式，通過連續或間斷拖動各注氣井內可控連續注氣裝置的注氣點位置，並依據產氣狀況調整注氣參數，無需重複點火，避免在注氣點後退過程中氣化爐溫度場的波動，從而實現了工作面整體逆向擴展氣化採煤，得到組分穩定的合成煤氣，不僅降低了氣化生產階段操作難度，還能保證產出的煤氣品質；通過多個進氣井分散給氣化工作面輸送含氧氣化劑，增加了單位時間內燃燒工作面積，從而擴大了地下氣化的產量規模。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為本發明實施例多點注氣地下氣化爐的橫剖工作面結構示意圖；
[0026]圖2為圖1中A-A剖面結構示意圖；
[0027]圖3為圖1中B-B剖面結構示意圖；
[0028]圖4為圖1中C-C剖面結構示意圖；
[0029]圖5為本發明具體的實施例1,多點注氣地下氣化爐的工作面示意圖；
[0030]圖6為本發明具體的實施例2，多點注氣地下氣化爐的工作面示意圖。
[0031]其中:1、灰洛,2、反應區,3、煤層,4、巖石；
[0032]5.連續管，6、氣化工作面，7、燃空區，8、氣化通道。
【具體實施方式】
[0033]為了得到組分穩定及大規模產量的煤氣，本發明實施例提供了一種多點注氣地下氣化爐及應用此氣化爐的多點注氣地下氣化方法，主要是地下氣化爐設有至少兩個平行布置的注氣井，且注氣井內設有可控連續注氣裝置，在各注氣井內的可控連續注氣裝置的連續管內通入含氧氣化劑，並根據檢測到的產出煤氣組分及熱值的參數值的變化情況，向後拖動可控連續注氣裝置的連續管，即連續或間歇調整注氣點的後退位置，並調整含氧氣化劑的流量及含氧濃度，以在整個氣化過程中始終得到規模產量、且組分穩定的煤氣。
[0034]下面結合附圖對本發明實施例多點注氣地下氣化爐及多點注氣地下氣化方法進行詳細描述。
[0035]本發明實施例所提供的多點注氣地下氣化爐，如圖1-4所示，沿煤層產狀設有至少兩個平行布置的注氣井，如圖1-圖4中的Dl和D2，當然，注氣井的數量不局限於兩個，也可以為三個及三個以上，注氣井內設置有可控連續注氣裝置，可控連續注氣裝置的連續管的一端與氣化劑輸配管連接，另一端置於氣化爐工作面的注氣點處，距離注氣井內初始注氣點的末端附近設有至少一個出氣井。
[0036]採用上述多點注氣地下氣化爐的地下氣化方法包括如下步驟:
[0037]步驟一、建立多點注氣地下氣化爐的進氣井、點火區和出氣通道，在可控連續注氣裝置的連續管內注入含氧氣化劑，並對注氣井內的初始注氣點進行引火；
[0038]步驟二、引火成功後，調整注氣工藝參數直至得到符合要求的煤氣組分和熱值，連續注氣生產合格煤氣；
[0039]步驟三、觀測煤氣組分和熱值，當煤氣的有效組分和熱值中的任何一個參數值下降超過20%時，向後拖動可控連續注氣裝置的連續管，以朝後退方向調整注氣井內注氣點的後退位置，並觀測氣化煤氣組分和熱值恢復情況，使注氣點在回退過程中也始終保持點燃反應狀態；
[0040]步驟四、當注氣點後退至距離引火區超過I倍的初次垮落步距時，判斷煤層頂板巖石垮落、沉降位移對燃空區的填充情況；
[0041]步驟五、當燃空區的頂板初次垮落填充形成後，重複步驟三，在穩定氣化產氣前提下，繼續朝後退方向調整注氣井內注氣點的位置，直至注氣點後退至注氣井的入煤點位置處,地下工作面氣化生產結束。
[0042]本發明實施例中，設置至少兩個平行布置的注氣井，並將含氧氣化劑通入注氣井內的可控連續注氣裝置的連續管道內，注入的含氧氣化劑在氣化通道內的反應區與煤或焦反應產生所需煤氣，並經氣化通道由出氣井導出。即，採用逆向燃燒方式，通過連續或間斷拖動各注氣井內可控連續注氣裝置的注氣點位置，並依據產氣狀況調整注氣參數，例如:氣化劑流量及含氧濃度等，使注氣點在回退過程中也始終保持點燃反應狀態，也就是說，無需重複點火，避免在注氣點後退過程中氣化爐溫度場的波動，從而實現了工作面整體逆向擴展氣化採煤，得到組分穩定的合成煤氣，不僅降低了氣化生產階段操作難度，還能保證產出煤氣的品質；通過多個進氣井分散為氣化工作面輸送含氧氣化劑，增加了單位時間內燃燒工作面積，從而擴大了地下氣化的產量規模；另外，多個注氣井的設置，避免了單個注氣井內由於注氣過程發生二次燃燒而引起煤氣熱值及組分波動幅度大的情況的發生，進一步保證了地下氣化工作面產氣量的規模性及煤氣組分的穩定性；此外，多個注氣井的設置，當其中一個注氣井內的注氣點燃燒條件(溫度、含氧氣化劑的含氧濃度及流量)不穩定時，另一個注氣井會通過氣化通道為燃燒條件不穩定的注氣點給予一定的補償，從而增強整個氣化爐的產出煤氣組分的穩定性。
[0043]本發明實施例中，設置多個注氣井，可以得到更加合理的地下氣化工作面注氣點的布置，使整個氣化工作面在整體逆向擴展時，有效利用燃空區頂板的周期性冒落填充，從而縮小燃空區的腔體，有效提高工作面的傳熱及傳質效率，增大含氧氣化劑與燃空區兩側煤層的接觸面積，以利於向兩側擴展氣化採煤，提高煤層氣化的回採率，降低建爐成本。另夕卜，設置多個注氣井，及合理的地下氣化共面注氣點的布置，可以實現氣化工作面煤層的面採氣化，其工作面注氣點的周側煤層在頂板壓力和反應區高溫的共同作用下，煤層可以預先被壓裂破損和增隙，從而進一步增大了煤層的反應比表面積。對於富含水的煤層，多個注氣井的設置，可以降低煤層水對地下氣化反應的幹擾，以保證反應區的溫度及煤氣品質。
[0044]按化學反應的相對強弱程度，沿氣化通道的長度方向，可大致分為3個反應區，即氧化區、還原區和乾餾乾燥區，為了得到品質好的產出煤氣，需保證三個反應區總體長度，故本發明實施例中，將出氣井設在距離注氣井通道內初始注氣點10米以外的某位置處。
[0045]此外，為了避免由於注氣點後退距離過大而導致在其後退過程中氣化爐內工作面燃燒條件產生過大的波動，從而得到不穩定的產出煤氣組分情況的發生，將本發明實施例的多點注氣地下氣化方法步驟三中的注氣點的後退距離優選為不大於20米；儘量保證多個注氣井內注氣點的同步、等距調整，如此就可以將多個注氣井所形成的燃燒工作面保持平緩、平滑過渡，得到組分穩定的產出煤氣。
[0046]本發明實施例的步驟四中，判斷頂板巖石垮落、沉降位移對燃空區的填充情況的方法為頂板位移或地震等檢測方法，可觀測氣化爐的通道壓力差值、煤氣組分等數據，並對其進行綜合判斷；填充形式為頂板巖石垮落或位移等方式。
[0047]本發明實施例中，可控連續注氣裝置為連續油管注氣裝置或拉管式注氣裝置。注氣井的水平通道之間的間距為0.5?4倍的煤層採高，且位於距離煤層底板以上0.1?2米的位置處，煤層採高越大，則水平通道之間的間距越小。注氣井內位於煤層段的通道為設有支護篩管的裸孔結構，以保證含氧氣化劑與煤層充分接觸。
[0048]另外，含氧氣化劑的氧濃度不小於20% ;引火時的氣化劑流量不大於3000Nm3/h，氣化劑流量範圍優選為800-2000Nm3/h。含氧氣化劑的組分為富氧，或為富氧-水，或為富氧-水蒸氣，或為純氧-水，或為純氧-水蒸氣。注氣井與可控連續注氣裝置之間的環空區域通入不含氧的氣化劑，例如:不含氧的氣化劑為二氧化碳或氮氣，以防止可控連續注氣裝置回火燃燒。
[0049]以下列舉兩個更加具體的實施例，對本發明進一步闡述。
[0050]實施例1
[0051]本實施例所提供的多點注氣地下氣化爐用於氣化開採變質程度較低的褐煤煤層。如圖5所示，待氣化煤層埋深255米，煤層厚度10 —12米、傾角小於5度，煤種為內蒙褐煤。包括定向井11個、垂直出氣井8個及氣化通道等。氣化爐的工作面由2個定向注氣井構成(D1、D2)，如圖5所示，其沿煤層產狀平行布置距離煤層底板以上1.5米處，煤層段採用玻璃鋼篩管支護，水平段鑽孔長度400米、間距20米。
[0052]採用本實施例氣化爐進行地下氣化的步驟包括:
[0053]I)首先建立氣化爐注氣井Dl、D2(包括垂直井及水平井等)，再依次建立氣化爐點火和氣化通道8，使氣化爐具備工作面引火和大規模氣化產氣條件；將可控連續注氣裝置的連續管5下放至工作面Dl、D2末端，並向兩個注氣井中的連續管5均注入含氧濃度為30%，流量為1200方/小時的氣化劑，進行工作面引火；
[0054]2)當注氣井與氣化通道8壓差小於0.2MPa時，可判斷引火貫通結束；然後，逐步調整連續管內的含氧濃度至55— 75%，氣化劑流量至2000— 3000方/小時，進行連續氣化生產合成煤氣；
[0055]3)觀測煤氣組分變化並依據物料平衡方程計算氣化燃煤量，待煤氣有效組分和熱值下降超過20%時，依次拖動D1、D2內連續管5等距後退4一6米，並觀測氣化煤氣組分和熱值恢復情況；
[0056]4)當將注氣點拖動至距離引火區超過I倍初次垮落步距時，觀測頂板冒落及通道阻力的變化情況，以判斷頂板對燃空區7的填充狀況，同時觀測工作面各注氣點的氣化產氣情況；
[0057]5)工作面燃空區7的頂板初次垮落填充形成後，依據步驟3)，調整注氣點連續後退，並穩定氣化產氣，直至各注氣點退至注氣井的入煤點位置，工作面氣化生產結束。
[0058]本實施例採用雙注氣點工作面進行氣化開採，相比單點注氣開採或現有技術一CRIP工藝氣化採煤方式，煤層氣化回採率提高5%以上、煤氣有效組分含量提高約2%。
[0059]實施例2
[0060]本實施例所提供多點注氣地下氣化爐應用於易地下氣化低變質長焰煤煤層上。待氣化煤層埋深520米，煤層厚度14一 16米、傾角小於8度，煤種為長焰煤。如圖6所示的地下氣化爐布置，其包括定向井7個、垂直出氣井5個及氣化通道等。氣化爐的工作面由3個定向注氣井構成(Dl、D2、D3)，其沿煤層產狀平行布置距底板1.0米，煤層段採用玻璃鋼篩管支護，水平段鑽孔長度600米、間距16米。
[0061]採用本實施例氣化爐進行地下氣化的步驟包括:
[0062]I)首先建立氣化爐注氣井(包括垂直井及水平井等)，建立氣化爐點火和氣化通道8，使氣化爐具備工作面引火和大規模氣化產氣條件；將可控連續注氣裝置的連續管5下放至工作面Dl、D2、D3末端，並向三個注氣井中的連續管5均注入氧濃度為35%、流量為1500方/小時的氣化劑，進行工作面引火；
[0063]2)當注氣井與氣化通道8壓差小於0.15MPa時，可判斷引火貫通結束；然後，逐步調整連續管5內的含氧濃度至55— 85%、氣化劑流量至2400— 3600方/小時，進行連續氣化生產合成氣；
[0064]3)觀測煤氣組分變化並依據物料平衡方程計算氣化燃煤量，待煤氣有效組分和熱值下降超過20%時，依次拖動Dl、D2、D3內連續油管等距後退6— 8米，並觀測氣化煤氣組分和熱值恢復情況；
[0065]4)當將注氣點拖動至距離引火區超過I倍初次垮落步距時，觀測頂板冒落及通道阻力的變化情況，以判斷頂板對燃空區7的填充狀況，同時觀測工作面各注氣點氣化產氣情況；
[0066]5)工作面燃空區7的頂板初次垮落填充形成後，依據步驟3)，調整注氣點連續後退，並穩定氣化產氣，直至各注氣點退至注氣井入煤點位置，工作面氣化生產結束。
[0067]本實施例採用三個注氣點工作面進行氣化開採，相比單點注氣開採或現有技術一CRIP工藝氣化採煤方式，煤層氣化回採率提高8%以上、煤氣有效組分含量提高約3%。
[0068]以上所述，僅為本發明的【具體實施方式】，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應所述以權利要求的保護範圍為準。
【權利要求】
1.一種多點注氣地下氣化爐，其特徵在於，沿煤層產狀設有至少兩個平行布置的注氣井，所述注氣井內設置有可控連續注氣裝置，所述可控連續注氣裝置的連續管的一端與氣化劑輸配管連接，另一端置於氣化爐工作面的注氣點處，距離所述注氣井通道內初始注氣點的末端附近設有至少一個出氣井。
2.根據權利要求1所述的多點注氣地下氣化爐，其特徵在於，所述可控連續注氣裝置為連續油管注氣裝置或拉管式注氣裝置。
3.根據權利要求1所述的多點注氣地下氣化爐，其特徵在於，所述注氣井的水平通道之間的間距為0.5?4倍的煤層採高。
4.根據權利要求1所述的多點注氣地下氣化爐,其特徵在於,所述注氣井內位於煤層段的通道為裸孔結構。
5.根據權利要求4所述的多點注氣地下氣化爐，其特徵在於，所述裸孔內設有支護篩管。
6.—種多點注氣地下氣化方法,其特徵在於,米用權利要求1-5任一項所述的多點注氣地下氣化爐，包括如下步驟: 步驟一、建立多點注氣地下氣化爐的進氣井、點火區和出氣通道，在可控連續注氣裝置的連續管內注入含氧氣化劑,並對所述注氣井內的初始注氣點進行引火； 步驟二、引火成功後，調整注氣工藝參數直至得到符合要求的煤氣組分和熱值，連續注氣生產合格煤氣； 步驟三、觀測煤氣組分和熱值，當煤氣的有效組分和熱值中的任意一個參數值下降超過20%時，向後拖動可控連續注氣裝置的連續管，以朝後退方向調整注氣井內注氣點的後退位置，並觀測氣化煤氣組分和熱值恢復情況，使注氣點在回退過程中也始終保持點燃反應狀態； 步驟四、當注氣點後退至距離引火區超過I倍的初次垮落步距時，判斷煤層頂板巖石垮落、沉降位移對燃空區的填充情況； 步驟五、當所述燃空區的頂板初次垮落填充形成後，重複步驟三，在穩定氣化產氣前提下，繼續朝後退方向調整注氣井內注氣點的位置，直至所述注氣點後退至注氣井的入煤點位置處，地下工作面氣化生產結束。
7.根據權利要求6所述的多點注氣地下氣化方法，其特徵在於，所述含氧氣化劑的氧濃度不小於20%。
8.根據權利要求6所述的多點注氣地下氣化方法，其特徵在於，所述引火時的所述氣化劑流量不大於3000Nm3/h。
9.根據權利要求6-8任意一項所述的多點注氣地下氣化方法，其特徵在於，所述含氧氣化劑的組分為富氧，或為富氧-水，或為富氧-水蒸氣，或為純氧-水，或為純氧-水蒸氣。
10.根據權利要求6-8任意一項所述的多點注氣地下氣化方法，其特徵在於，所述注氣井與所述可控連續注氣裝置的連續管之間的環空區域通入不含氧的氣化劑，所述不含氧的氣化劑為二氧化碳或氮氣。
【文檔編號】E21B43/295GK104389577SQ201410505568
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年9月26日 優先權日:2014年9月26日
【發明者】劉剛 申請人:新奧氣化採煤有限公司