地下气化炉控水方法
【专利摘要】本发明涉及一种煤炭地下气化领域，尤其涉及一种地下气化炉控水方法。该地下气化炉控水方法包括在当前待气化煤层区域进行煤炭气化之前执行的如下步骤：步骤1，间隔于待气化煤层区域建立至少一个水平井，与每个水平井一一对应建立一个与其连通的垂直井，水平井的水平段位于煤层中；步骤2，密封水平井和垂直井的井口，以将每个水平井和与其连通的垂直井构建为一个当前密封通道；步骤3，向当前密封通道中注入冷却剂，以使当前密封通道周围的煤层含水结冰。由此将待气化煤层区域周围的煤层含水固定在原位，形成冰墙，以阻止外侧的煤层含水向待气化煤层区域聚集，影响待气化煤层区域的气化以及生成的煤气组分。
【专利说明】地下气化炉控水方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种煤炭地下气化领域，尤其涉及一种地下气化炉控水方法。
【背景技术】
[0002]在煤炭地下气化过程中，煤层本身含有水(将煤层含有的水称为煤层含水)，例如，褐煤本身含水量大，甚至在变质程度差的局部还存在泥煤。所以在气化过程中，经常遇到煤层含水聚集影响气化正常进行，尤其是待气化煤层区域之外的煤层含水向正在气化的煤层聚集，从而造成生成的煤气组分大幅下降的问题。
[0003]CN200810119351.9公开了一种新型煤炭地下气化炉型，特别适用于含水煤层的气化。该新型煤炭地下气化炉型同时兼顾地下气化炉及排水炉或排水通道。其中，该排水通道能够有效地用于气化前的煤层疏水及气化过程中的炉体排水，保障煤层水的排泄，从而实现含水煤层的稳定气化。但是这种技术形成的水流迁移也会引起气化后水中污染物的迁移，有污染其他水源的风险。
[0004]CN201110435562.5公开了一种煤炭地下气化气化炉地下水防控方法及装置。该方法包括如下步骤:将煤炭地下气化气化炉顶板的上覆充水含水层中的一部分水，从降压排水井抽排出；将抽排出的水经注水井回注到注水层中，注水层与上覆充水含水层为同一含水层或不同含水层；其中，在对上覆充水含水层进行抽排水之后，降压排水井中的地下水位等于或大于气化炉的安全设计水位。此种方法需要对工作区域内布置很多井和管道，并且无法阻止气化过程中煤层水对气化炉的影响。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种阻止煤层含水向当前待气化煤层区域聚集的地下气化炉控水方法。
[0006]为实现上述目的，提供一种地下气化炉控水方法，包括在当前待气化煤层区域进行煤炭气化之前执行的如下步骤:步骤1，间隔于当前待气化煤层区域建立至少一个水平井，与每个水平井一一对应建立一个与其连通的垂直井，水平井的水平段位于煤层中；步骤2，密封水平井和垂直井的井口，以将每个水平井和与其连通的垂直井构建为一个当前密封通道；步骤3，向当前密封通道中注入冷却剂，以使当前密封通道周围的煤层含水结冰。
[0007]根据本发明，在水平井的水平段设置有筛管。
[0008]根据本发明，环绕当前待气化煤层区域构建四个当前密封通道。
[0009]根据本发明，四个当前密封通道构造为:相邻两个当前密封通道的垂直井彼此相对或相反设置。
[0010]根据本发明，四个当前密封通道彼此隔离。
[0011]根据本发明，步骤I至步骤3中构建了两个当前密封通道，其中，两个当前密封通道位于当前待气化煤层区域中的气化通道的两侧、并与其平行。
[0012]根据本发明，两个当前密封通道的中心线至气化通道的中心线的距离大于或等于20mo
[0013]根据本发明，地下气化炉控水方法还包括如下步骤4-7:步骤4，在当前待气化煤层区域煤炭气化完毕后，解冻当前密封通道；步骤5，以解冻后的一个当前密封通道为新气化通道，以形成包含该新气化通道的新待气化煤层区域；步骤6，间隔于新待气化煤层区域建立水平段位于煤层中的新密封通道，向新密封通道中注入冷却剂以使其周围的煤层含水结冰；步骤7，以新待气化煤层区域作为当前待气化煤层区域，以新密封通道作为当前密封通道，并且返回步骤4循环。其中，煤层中需要进行煤炭气化的目标气化区域13被划分为多个子区域，多个子区域依次为上述“当前待气化煤层区域”和“新待气化煤层区域”。在目标气化区域的全部煤层进行煤炭气化完毕后。上述循环停止。
[0014]根据本发明，当前待气化煤层区域的与当前密封通道相邻的边缘至该当前密封通道的中心线的距离大于5m。
[0015]根据本发明，还包括:在当前待气化煤层区域煤炭气化过程中，检测垂直井井口内气体的压力的步骤，其中，当压力上升时向当前密封通道中补充注入冷却剂，直至恢复至所述上升前的压力值。
[0016]相比于现有技术，本发明的有益效果为:
[0017]本发明间隔于当前待气化煤层区域构建当前密封通道，并在对当前待气化煤层区域进行气化之前向当前密封通道中注入冷却剂，以使当前密封通道周围的煤层含水结冰，由此将当前待气化煤层区域周围的煤层含水固定在原位，形成冰墙。该冰墙将当前待气化煤层区域与冰墙外侧的煤层隔离，以防止外侧的煤层含水向当前待气化煤层区域聚集，影响当前待气化煤层区域的气化以及生成的煤气组分。同时，也避免了当前待气化煤层区域气化产生的污染物对冰墙外侧的煤层含水的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明的地下气化炉控水方法的第一个实施例应用于煤炭地下气化系统的俯视不意图；
[0019]图2是图1示出的煤炭地下气化系统的截面示意图；
[0020]图3是前苏联经验数据曲线图；
[0021]图4是前苏联经验数据曲线修正图；
[0022]图5是本发明的地下气化炉控水方法的第二个实施例应用于煤炭地下气化系统的俯视不意图；
[0023]图6是图5示出的煤炭地下气化系统的截面示意图；
[0024]图7是本发明的地下气化炉控水方法的第三个实施例应用于煤炭地下气化系统的俯视不意图；
[0025]图8是图7示出的煤炭地下气化系统的截面示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明【具体实施方式】进行描述。
[0027]煤炭地下气化是使地下煤炭通过热化学反应原地转化为可燃气体的技术，集建井、采煤、转化三大工艺为一体。在煤层中建立一个或多个气化通道，向气化通道中通入氧化剂并点燃，以从燃烧面向气化通道的煤层开始，逐渐扩大燃烧范围，从而使得围绕该一个或多个气化通道周围的煤层区域气化，并在气化以后形成燃空区。在本发明中，将在煤炭地下气化之前围绕在一个或多个气化通道周围的、并在一次煤炭地下气化后形成燃空区的煤层区域称之为“当前待气化煤层区域”。在本发明的如下实施例中，将当前待气化煤层区域在俯视时(即由垂直地看向地面时)以矩形方框示出，并以附图标记“I”标记。可理解，当前待气化煤层区域仅为煤层气化前所设定的期望的燃烧区域，而实际完成煤炭气化的区域并不一定与该当前待气化煤层区域完全重合，也不一定为规则的矩形。此外，在除下述实施例以外的其他实施例中，根据实际需要，俯视时当前待气化煤层区域的形状不局限于矩形。
[0028]参照图1，本发明的地下气化炉控水方法的第一个实施例，包括在当前待气化煤层区域I进行煤炭气化之前执行的如下步骤:步骤1，间隔于所述当前待气化煤层区域I建立至少一个水平井2，与每个水平井2 —一对应建立一个与其连通的垂直井3，所述水平井2的水平段位于煤层中；步骤2，密封所述水平井2和所述垂直井3的井口，以将每个水平井2和与其连通的垂直井3构建为一个当前密封通道；步骤3，向所述当前密封通道中注入冷却剂，以使所述当前密封通道周围的煤层含水结冰。[0029]上述步骤将当前密封通道周围的煤层含水固定在原位，形成冰墙。可理解，该冰墙是由当前密封通道内壁向周围煤层延伸出形成的、并包围当前密封通道。由此，该冰墙将当前待气化煤层区域与冰墙外侧(背离当前待气化煤层区域的一侧)的煤层隔离，以防止外侧的煤层含水向当前待气化煤层区域聚集，影响当前待气化煤层区域的气化以及生成的煤气组分。同时，也避免了当前待气化煤层区域气化产生的污染物对冰墙外侧的煤层含水的影响。其中，可理解，此处所形成的冰墙并非日常所见的仅由水凝集在一起组成的冰墙。而是将煤层含水固定在原位以封闭煤层中的缝隙，以阻挡外侧的水穿过该缝隙流向当前待气化煤层区域。其中，煤层含水结冰形成的冰墙是包围密封通道的，即可理解为将密封通道冰冻。此外，所形成的冰墙间隔于当前待气化煤层区域以在当前待气化煤层区域煤炭气化时保持其挡水作用，而不受待气化煤层区域煤炭气化的影响。
[0030]继续参照图1和图2，如下具体地执行步骤1:
[0031]在当前待气化煤层区域I进行煤炭气化之前，环绕当前待气化煤层区域I建立四个水平井2和四个垂直井3，每个水平井2和每个垂直井3的井口均位于地表以上,每个水平井2的水平段均为位于煤层中，并且每个水平井2的位于煤层中的末端与一个垂直井3的底部连通，即四个垂直井3分别与四个水平井2连通。换言之，每个水平井2仅与一个垂
直井3连通,每个垂直井3仅与一个水平井2连通，四个水平井2和四个垂直井3是--对
应连通的。在本实施例中，每个水平井2的直径为177mm，并且每个水平井2的中心线与当前待气化煤层区域I的与该水平井2相邻的边缘的距离大于5m。
[0032]此外，在本实施例中，俯视时，由每个水平井2的井口(以标记“12”示出)指向与其连通的垂直井3的方向均为逆时针方向，换言之，每个垂直井3的井口均和与其相邻但不连通的水平井2的井口相对。
[0033]参照图2，本实施例的步骤I中还包括在每个水平井3的水平段设置筛管4的步骤。其中，可选地，在水平井2与垂直井3连通完成后设置筛管4。在具有多个水平井2和垂直井3的情况下，可在全部水平井2与垂直井3建立并连通之后设置筛管4，也可以在每个水平井2建立完成后便设置位于其中的筛管4。当然，不局限于上述，为便于实际操作的简便，本领域技术人员可在进行上述步骤2之前选择任意时间设置筛管4。附图标记“5”示出了煤层顶板岩石。
[0034]在煤层中设置的水平井3的直径普遍较小，很容易发生缩孔或者塌孔的现象。在水平井3的水平段设置筛管4，以对水平井3进行支护，由此可以有效地保证水平井2的通畅，还可以使随后注入的冷却剂与煤层较为充分地接触，迅速完成换热过程，并与垂直井3连通。
[0035]进一步参照图1和图2，在俯视时，当前待气化煤层区域I呈矩形，四个水平井2分别平行当前待气化煤层区域I的四个边缘，以形成上述“环绕”。当然可理解，在当前待气化煤层区域I呈其他形状的实施例中，四个水平井2呈间断的环形包围当前待气化煤层区域I即为实现上述“环绕”。
[0036]如下具体地执行步骤2:
[0037]密封每个水平井2和每个垂直井3的井口。由此，水平井2和与其相连通的垂直井3构成了一个密封的当前密封通道。在本实施例中，四个水平井2与四个垂直井3共构成四个当前密封通道。
[0038]此外，在本实施例中，该四个当前密封通道相互隔离，即四个当前密封通道之间不连通。例如，在步骤I中建立的四个水平井2均不相互连通，在步骤I中建立的四个垂直井3均不相互连通，并且也不存在其他井将四个当前密封通道连通。由此实现上述四个当前密封通道的相互隔离。本发明中的当前密封通道相互隔离，可以防止各个密封通道中的液氮的气化相互影响。
[0039]另外，可理解，由于四个水平井2是环绕当前待气化煤层区域I建立的，则由其构建的四个当前密封通道也是环绕当前待气化煤层区域I的。而水平井2的中心线即为其各自构建的当前密封通道的中心线，从而每个当前密封通道的中心线至当前待气化煤层区域I的与其相邻的边缘的距离大于5m。
[0040]如下执行步骤3:
[0041]对应于每个当前密封通道设置一个液氮储罐6和一个压力温度测量装置7，其中，液氮储罐6与水平井2的井口连通，压力温度测量装置7设置于垂直井3的井口。在将液氮储罐6和压力温度测量装置7设置完毕后，向水平井2中注入冷却剂，可选地，可对四个水平井2同时注入或以任意顺序注入，只要在对当前待气化煤层区域I进行煤炭气化前完成即可。由于当前密封通道是密封的，所以液氮由水平井2井口进入到当前密封通道中后便被密封在当前密封通道中。可理解，在本实施例中，对应于每个当前密封通道均设置液氮储罐6和压力温度测量装置7，故压力温度测量装置7针对于各自的检测结果控制相应的液氮储罐6，以实现每个当前密封通道的液氮注入相互独立。
[0042]在本实施例中，冷却剂为液氮。通过计算水平井2及垂直井3的体积计算液氮的相应注入量，以适时地停止注入。在注入过程中液氮开始吸热气化形成氮气，而部分氮气经过水平井3流动至垂直井2的井口，压力温度测量装置7检测垂直井3的井口的气体的温度及压力。由此，在注入过程中，液氮会部分的气化为氮气，并进入煤层中，即在煤层中漏失，漏失率的经验值为30%，故优选地，液氮的注入体积为水平井2与垂直井3的体积之和的1.3倍。当然，本发明不局限于此，本领域技术人员在实际操作的过程中，可根据实际情况确定，只要可以形成冰墙、并该冰墙在当前待气化煤层区域煤炭气化的过程中能够防止冰墙外侧的水进入当前待气化煤层区域中即可。由于氮气临界压力为3.4MPa，远小于地压(指岩体中存在的力)，液氮能够存留在当前密封通道中对周围的煤层含水降温以使煤层含水结冰。
[0043]原始煤层温度一般在15°C左右，液氮很容易使其降低到0°C。进而使当前密封通道周围的煤层含水结冰，而煤层本身也具有较好的保温性，在注入液氮后一段时间就会形成冰墙以阻止其外侧(冰墙的与当前待气化煤层区域相对的一侧为外侧)的煤层含水流向当前待气化煤层区域，进而达到控水的目的。其中，在液氮注入完成后，液氮被密封在密封通道中，压力温度测量装置7检测垂直井3的井口的气体的压力，当该压力稳定不变时，表示冰墙已经形成，此时可以开始对当前待气化煤层区域进行煤炭气化。从上述液氮注入完成至可开始上述煤炭气化的时间为上述“一段时间”。可理解，上述“稳定不变”既包括压力值恒定为一个数值的情况、也包括压力值围绕一个数值浮动的情况。
[0044]可理解，液氮储罐6与水平井2井口的连通并不破坏水平井2井口的密封，水平井2井口仍保持相对于外界环境密封，而仅是允许液氮储罐6中的液氮注入。
[0045]此外，按照前苏联经验公式:y = 400x2-1200x+1000 (其中y-煤层温度(T)，χ-煤层至火焰工作面距离(D)，参照图3)，经过指数拟合进行修正，得到10米范围内的经验公式:y = 1084.126e(_1 662x)(参照图4)。由此，可得到如下表1:
[0046]
【权利要求】
1.一种地下气化炉控水方法，其特征在于， 包括在当前待气化煤层区域(I)进行煤炭气化之前执行的如下步骤: 步骤1，间隔于所述当前待气化煤层区域(I)建立至少一个水平井(2)，与每个所述水平井(2) —一对应建立一个与其连通的垂直井(3)，所述水平井(2)的水平段位于煤层中；步骤2，密封所述水平井(2)和所述垂直井(3)的井口，以将每个水平井(2)和与其连通的垂直井(3)构建为一个当前密封通道； 步骤3，向所述当前密封通道中注入冷却剂，以使所述当前密封通道周围的煤层含水结冰。
2.根据权利要求1所述的地下气化炉控水方法，其特征在于， 在所述水平井(3)的水平段设置有筛管(4)。
3.根据权利要求1所述的地下气化炉控水方法，其特征在于， 环绕所述当前待气化煤层区域(I)构建四个所述当前密封通道。
4.根据权利要求3所述的地下气化炉控水方法，其特征在于， 所述四个当前密封通道构造为: 相邻两个所述当前密封通道的所述垂直井(3)彼此相对或相反设置。
5.根据权利要求3所述的地下气化炉控水方法，其特征在于， 所述四个当前密封通道彼此隔离。
6.根据权利要求1所述的地下气化炉控水方法，其特征在于， 所述步骤I至步骤3中构建了两个所述当前密封通道，其中，所述两个当前密封通道位于所述当前待气化煤层区域(I)中的气化通道的两侧、并与其平行。
7.根据权利要求6所述的地下气化炉控水方法，其特征在于， 所述两个当前密封通道的中心线至所述气化通道的中心线的距离大于或等于20m。
8.根据权利要求6或7所述的地下气化炉控水方法，其特征在于，所述地下气化炉控水方法还包括如下步骤4-7: 步骤4，在所述当前待气化煤层区域(I)煤炭气化完毕后，解冻所述当前密封通道；步骤5，以解冻后的一个当前密封通道为新气化通道，以形成包含该新气化通道的新待气化煤层区域(I，); 步骤6，间隔于所述新待气化煤层区域0- )建立水平段位于煤层中的新密封通道，向所述新密封通道中注入冷却剂以使其周围的煤层含水结冰； 步骤7，以所述新待气化煤层区域0-)作为当前待气化煤层区域(I)，以所述新密封通道作为当前密封通道，并且返回所述步骤4循环。
9.根据权利要求1所述的地下气化炉控水方法，其特征在于， 所述当前待气化煤层区域(I)的与所述当前密封通道相邻的边缘至该当前密封通道的中心线的距离大于5m。
10.根据权利要求1所述的地下气化炉控水方法，其特征在于， 还包括:在当前待气化煤层区域(I)煤炭气化过程中，检测所述垂直井(3)井口内气体的压力的步骤， 其中，当所述压力上升时向所述当前密封通道中补充注入冷却剂，直至所述压力恢复至所述上升前的压力值。
【文档编号】E21B43/30GK103953320SQ201410197869
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】姚凯, 李金刚 申请人:新奥气化采煤有限公司