专利名称：一种煤炭地下气化出气孔双套管换热装置及换热保护方法
技术领域：
本发明属于煤炭地下气化技术领域，特别涉及一种煤炭地下气化出气孔双套管换热装置及换热保护方法。
背景技术：
煤炭地下气化就是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，在热及物理化学作用下，产生可燃组分，输送到地面的工艺过程。地下气化炉是借助于从地面向煤层打进气孔、 排气钻孔，和在进、排气钻孔间沿煤层开拓气化通道而形成的。进气孔鼓气化剂(空气、氧气、水蒸气等)，气化剂在煤层中与煤发生燃烧化学反应，生成高温(150°C 300°C)的热煤气，由出气孔排出地面。目前出气孔深度都在100米以上，都采用单套管支护，在热作用下， 套管和固井材料热胀系数不一样，套管易损坏断裂，导致钻孔失稳而报废。同时煤气显热得不到利用，使气化过程热效率降低。
发明内容
本发明的目的是研究一种煤炭地下气化出气孔双套管换热装置及换热保护方法。 该换热装置及换热方法采用双套管结构，形成深孔换热装置，降低了套管温度，有利于套管稳定，延长了钻孔的使用寿命，同时回收了煤气显热，提高气化过程热效率。本发明技术方案是这样实现的
一种煤炭地下气化出气孔双套管换热装置，其特征在于，所述换热装置包括固井、双套管；所述固井是由地面向煤层打的钻孔，固井固定在地层和煤层中；钻孔内沿固井井壁放置双套管，所述双套管包括内套管和外套管，内套管和外套管之间设有间隙，外套管深度小于内套管深度，外套管底部与内套管之间设有连接板，内套管外侧设有注水管。所述由地面向煤层打钻孔形成固井，裸孔打至煤层顶部以下煤层厚度的1/2-1/3 位置；
所述钻孔内放置双套管，内套管和外套管之间设有环形间隙，环形间隙宽度至少为50 毫米，外套管深度小于内套管深度30-50米，外套管底部与内套管之间焊接连接板，所述连接板为环形钢板；
所述内套管外侧均勻焊接至少2根注水管，注水管外径至少20毫米，注水管口距离外套底部管口 5-10米。一种煤炭地下气化出气孔双套管换热保护方法，该方法是由地面向煤层打的钻孔，形成固井固定在地层和煤层中；钻孔内沿固井井壁设置双套管，所述双套管包括内套管和外套管，内套管和外套管之间设有间隙，外套管深度小于内套管深度，外套管底部与内套管之间用连接板焊接，内套管外侧设有注水管，构成双套管换热装置；由注水管注入常温水，由内套管和外套管的间隙排出热水或水蒸气到地面使用，当气化过程结束后，在外套管底部以上切断内套管，回收内套管和注水管，所述方法步骤如下
a.由地面向煤层打钻孔，裸孔打至煤层顶部以下煤层厚度的1/2-1/3位置；
b.在钻孔内下放双套管，内套管和外套管之间间隙宽度为50-100毫米，外套管深度小于内套管深度30-50米，外套管底部与内套管之间用环形钢板焊接；
c.在内套管外侧均勻焊接2-4根注水管，外径20-50毫米，随内套管同步连接下放，以保证内套管和外套管间的环形间隙均勻；注水管口距离外套底部管口 5-10米；
d.将内套管、外套管、注水管交错焊接下放，在内套管内进行反循环注浆，将双套管换热装置固定在地层中；
e.由注水管注入常温水到换热装置底部，水在环形空间通过内套管壁与热煤气进行换热，形成热水或蒸汽，排至地面使用；
f.当气化过程结束后，在外套管底部位置以上切断内套管，回收内套管和注水管。所述a步骤是在地面向煤层打钻孔形成固井，钻孔深度为185米，到煤层的下部， 裸孔直径450毫米。所述b步骤是在钻孔内下放双套管，外套管2直径300毫米，内套管1直径170毫米，内套管和外套管之间环形间隙宽度为65毫米，外套管深度小于内套管深度30米，外套管底部与内套管之间用环形钢板焊接。所述C步骤是在内套管外侧均勻焊接3根注水管，外径30毫米，随内套管同步连接下放，以保证内套管和外套管间的环形间隙均勻，注水管口距离外套底部管口 5米。所述e步骤是由注水管注入常温水到换热装置底部，水在环形空间通过内套管壁与热煤气进行换热，使煤气温度由190°C降至80°C，循环水由常温升至60-70°C。所述f步骤是当气化过程结束后，在内套管深度150米处切断内套管，回收150米长的内套管和注水管。
本发明与已有技术相比达到的有益效果是
1、降低了套管温度，有利于套管稳定，延长了钻孔的使用寿命；
2、回收了煤气显热，提高气化过程热效率在5%左右；
3、内套管、注水管可回收，降低了钻孔成本。
图1为本发明双套管换热装置结构示意图。图2为本发明双套管换热装置俯视示意图。
具体实施例方式实施例1
一种煤炭地下气化出气孔双套管换热装置及换热保护方法。参见图1、图2，图中，1-内套管，2-外套管，3-注水管，4-固井井壁，5-环行连接板，6-煤层，C-冷水，G-煤气，H-热水。
由地面向煤层打的钻孔，形成固井固定在地层和煤层6中；钻孔内沿固井井壁4放置双套管，所述双套管包括内套管1和外套管2，内套管和外套管之间设有间隙，外套管深度小于内套管深度，外套管底部与内套管之间用环形连接板5焊接，内套管外侧设有注水管3，构成双套管换热装置；由注水管注入冷水C或常温水，由内套管和外套管的间隙排出热水H或水蒸气到地面使用，当气化过程结束后，在外套管底部以上切断内套管，回收内套管和注水管。所述方法步骤如下
a.由地面向煤层打钻孔形成固井，裸孔打至煤层顶部以下煤层厚度的1/2-1/3位置；
b.在钻孔内下放双套管，内套管和外套管之间间隙宽度为50-100毫米，外套管深度小于内套管深度30-50米，外套管底部与内套管之间用环形钢板焊接；
c.在内套管外侧均勻焊接2-4根注水管，外径20-50毫米，随内套管同步连接下放，以保证内套管和外套管间的环形间隙均勻；注水管口距离外套底部管口 5-10米；
d.将内套管、外套管、注水管交错焊接下放，在内套管内进行反循环注浆，将双套管换热装置固定在地层中，所述的反循环注浆是由内套管里注浆，由外套管和地层间隙中上返， 待外套管和地层间隙充满浆后，停止注浆，候凝固井；
e.由注水管注入冷水或常温水到换热装置底部，水在环形空间通过内套管壁与热煤气 G进行换热，形成热水或蒸汽，排至地面使用；
f.当气化过程结束后，在外套管底部位置以上切断内套管，回收内套管和注水管。实施例2
一种煤炭地下气化出气孔双套管换热装置及换热保护方法另一实施例，参见实施例1。在地面向煤层打钻孔，深度为285米，到煤层6的下部，裸孔直径450毫米。在钻孔内沿固井井壁4下放双套管，外套管2直径300毫米，内套管1直径170毫米，内、外套管之间环形间隙宽度为65毫米，外套管深度小于内套管深度30米，外套管底部与内套管之间用环形钢板焊接。在内套管外侧均勻焊接3根注水管，外径30毫米，随内套管同步连接下放，以保证内、外套管间的环形间隙均勻。注水管口距离外套底部管口 5米。内套管、外套管、注水管交错焊接下放，在内套管内进行反循环注浆，将双套管换热装置固定在地层和煤层中。由注水管注入常温水到换热装置底部，水在环形空间通过内套管壁与热煤气进行换热，使煤气温度由190°C降至80°C，循环水由常温升至65°C左右，供煤矿职工浴室使用。当气化过程结束后，在内套管深度250米处切断内套管，回收250米长的内套管和
注水管。
权利要求
1.一种煤炭地下气化出气孔双套管换热装置，其特征在于，所述换热装置包括固井、双套管；所述固井是由地面向煤层打的钻孔，固井固定在地层合煤层中；钻孔内沿固井井壁放置双套管，所述双套管包括内套管和外套管，内套管和外套管之间设有间隙，外套管深度小于内套管深度，外套管底部与内套管之间设有连接板，内套管外侧设有注水管。
2.根据权利要求1所述的一种煤炭地下气化出气孔双套管换热装置，其特征在于，所述由地面向煤层打钻孔形成固井，裸孔打至煤层顶部以下煤层厚度的1/2-1/3位置；所述钻孔内放置双套管，内套管和外套管之间设有环形间隙，环形间隙宽度至少为50 毫米，外套管深度小于内套管深度30-50米，外套管底部与内套管之间焊接连接板，所述连接板为环形钢板；所述内套管外侧均勻焊接至少2根注水管，注水管外径至少20毫米，注水管口距离外套底部管口 5-10米。
3.一种煤炭地下气化出气孔双套管换热保护方法，该方法是由地面向煤层打的钻孔， 形成固井固定在地层和煤层中；钻孔内沿固井井壁放置双套管，所述双套管包括内套管和外套管，内套管和外套管之间设有间隙，外套管深度小于内套管深度，外套管底部与内套管之间用连接板焊接，内套管外侧设有注水管，构成双套管换热装置；由注水管注入常温水， 由内套管和外套管的间隙排出热水或水蒸气到地面使用，当气化过程结束后，在外套管底部以上切断内套管，回收内套管和注水管，所述方法步骤如下a.由地面向煤层打钻孔形成固井，裸孔打至煤层顶部以下煤层厚度的1/2-1/3位置；b.在钻孔内下放双套管，内套管和外套管之间间隙宽度为50-100毫米，外套管深度小于内套管深度30-50米，外套管底部与内套管之间用环形钢板焊接；c.在内套管外侧均勻焊接2-4根注水管，外径20-50毫米，随内套管同步连接下放，以保证内套管和外套管间的环形间隙均勻；注水管口距离外套底部管口 5-10米；d.将内套管、外套管、注水管交错焊接下放，在内套管内进行反循环注浆，将双套管换热装置固定在地层中；e.由注水管注入常温水到换热装置底部，水在环形空间通过内套管壁与热煤气进行换热，形成热水或蒸汽，排至地面使用；f.当气化过程结束后，在外套管底部位置以上切断内套管，回收内套管和注水管。
4.根据权利要求3所述的一种煤炭地下气化出气孔双套管换热保护方法，其特征在于，所述a步骤是在地面向煤层打钻孔形成固井，钻孔深度为85米，到煤层的下部，裸孔直径450毫米。
5.根据权利要求3所述的一种煤炭地下气化出气孔双套管换热保护方法，其特征在于，所述b步骤是在钻孔内下放双套管，外套管2直径300毫米，内套管1直径170毫米，内套管和外套管之间环形间隙宽度为65毫米，外套管深度小于内套管深度30米，外套管底部与内套管之间用环形钢板焊接。
6.根据权利要求3所述的一种煤炭地下气化出气孔双套管换热保护方法，其特征在于，所述c步骤是在内套管外侧均勻焊接3根注水管，外径30毫米，随内套管同步连接下放，以保证内套管和外套管间的环形间隙均勻，注水管口距离外套底部管口 5米。
7.根据权利要求3所述的一种煤炭地下气化出气孔双套管换热保护方法，其特征在于，所述e步骤是由注水管注入常温水到换热装置底部，水在环形空间通过内套管壁与热煤气进行换热，使煤气温度由190°C降至80°C，循环水由常温升至60-70°C。
8.据权利要求3所述的一种煤炭地下气化出气孔双套管换热保护方法，其特征在于， 所述f步骤是当气化过程结束后，在内套管深度50米处切断内套管，回收50米长的内套管和注水管。
全文摘要
一种煤炭地下气化出气孔双套管换热装置及保护方法，该方法是由地面向煤层打的钻孔，形成固井固定在地层中；钻孔内沿固井井壁放置双套管，所述双套管包括内套管和外套管，内套管和外套管之间设有环形间隙，外套管深度小于内套管深度，外套管底部与内套管之间用环形连接板焊接，内套管外侧焊接注水管，构成双套管换热装置；由注水管注入常温水，由内套管和外套管的环形空间排出热水或水蒸气到地面使用，当气化过程结束后，在外套管底部以上切断内套管，回收内套管和注水管。本发明的有益效果是降低了套管温度，有利于套管稳定，延长了钻孔的使用寿命；回收了煤气显热，提高气化过程热效率；内套管、注水管可回收，降低了钻孔成本。
文档编号E21B43/295GK102434143SQ20111042981
公开日2012年5月2日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年12月20日
发明者刘淑琴, 梁杰 申请人:中国矿业大学(北京)