煤炭地下气化炉的制作方法

本实用新型涉及煤炭地下气化技术领域，具体涉及一种煤炭地下气化炉。

背景技术：

煤炭地下气化(undergroundcoalgasification，ucg)就是将处于地下的煤炭进行有控制地燃烧，通过对煤的热作用及化学作用而产生燃料气体的过程。该过程集建井、采煤、地面气化三大工艺为一体，变传统的物理采煤为化学采煤，只提取煤中的含能组分，而将灰渣、矸石等留在地下，实现了地下无人生产，避免了人身伤害和各种矿井事故的发生，被誉为“第二代”采煤方法。

地下气化炉通常由进气井、气化通道、出气井及辅助监测井所组成，气化剂从进气井注入，在气化通道中与煤层发生复杂的热化学反应，生成的煤气沿气化通道和出气井输送至地面。

狭义的地下气化炉型是指气化通道的形状，广义的地下气化炉型是指地下气化所用钻孔的类型、相互位置、气化时的用途及启动顺序等形成的通道形状。

随着地下气化炉产能和稳定的煤气组分的需求，多列式气化炉应运而生。目前，多列式气化炉存在较多问题，如倒列、列间维护及其多列式气化炉布局都是影响其发展的因素。公开号为cn101382065a的中国实用新型专利，其公开了一种无井式地下气化工艺，给出了一种“l”形地下气化炉，主要特点在于一个水平定向钻井贯通多个竖直钻井形成“一”线炉作为出气列，高压火力贯通另外多个竖直钻孔形成“一”线炉作为气化列，两者共同组成“l”型地下气化炉。这一“l”形地下气化炉，构建难度大、结构不够稳定，一个水平定向钻井贯穿多个竖直钻井不易实现，既使实现，后续如不尽快利用，存在钻井堵塞风险；贯通—生产的循环，操作难度大，多排竖直井都需要高压火力贯通，在不停地进行着高压火力贯通—气化生产的循环切换中，操作难度大。公开号为cn101382062a的中国实用新型专利，其公开了一种巷控供气侧线地下气化炉，其包括煤气通道、在煤气通道内定向钻进的煤层底部的排钻孔、设于煤层底板岩石内的供气巷、供气管道以及各类温度、压力流量测试仪表仪器阀门、供气巷与排钻孔之间的供气支管等。该地下气化炉存在气化效果差、产气欠连续、稳定，产气量少、气化率低等问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种在满足煤气组分的同时，能够提高煤层的采收率，降低成本，提高经济效益的煤炭地下气化炉。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种煤炭地下气化炉，包括在煤层中与出气定向钻孔相贯通的构造垂直钻孔、多个进气定向钻孔、多个出气垂直钻孔，多个进气定向钻孔沿所述出气定向钻孔水平段均匀排布，多个出气垂直钻孔在该出气定向钻孔水平段的两侧交替排布。

作为优选，所述出气定向钻孔内和多个进气定向钻孔内均放置有作为连续油管的支护套管。

作为优选，多个进气定向钻孔位于所述出气定向钻孔水平段的同一侧。

优选地，各个进气定向钻孔相互平行。

优选地，各个进气定向钻孔的水平段与所述出气定向钻孔的水平段垂直并贯通。

优选地，相邻的两个进气定向钻孔之间的间距为30～60米。

作为优选，多个进气定向钻孔位于所述出气定向钻孔水平段的两侧。

优选地，多个进气定向钻孔沿所述出气定向钻孔的水平段均匀交替排布，各个进气定向钻孔相互平行。

优选地，各个进气定向钻孔的水平段与所述出气定向钻孔的水平段垂直并贯通。

优选地，相邻的两个进气定向钻孔之间的间距不大于30米。

作为优选，所述出气定向钻孔以及多个进气定向钻孔与煤层的夹角均为10°～30°。

作为优选，所述构造垂直钻孔和所述出气定向钻孔之间的间距为10～25米。

作为优选，所述构造垂直钻孔为两个。

优选地，两个构造垂直钻孔之间的间距为10～40米。

优选地，所述出气定向钻孔入煤点至两个构造垂直钻孔的距离相等。

作为优选，相邻的两个出气垂直钻孔之间的间距至少为25米。

本实用新型所提供的煤炭地下气化炉，多个进气定向钻孔沿所述出气定向钻孔水平段均匀排布，多个出气垂直钻孔在该出气定向钻孔水平段的两侧交替排布，解决了现有气化炉气化效果差、产气欠连续性和稳定性、气化率低的问题，提升了煤层的采收率，降低了生产成本，提高了经济效益。

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实用新型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为本实用新型实施例一提供的煤炭地下气化炉的立体示意图；

图2为本实用新型实施例一提供的煤炭地下气化炉的平面示意图；

图3为本实用新型实施例二提供的煤炭地下气化炉的平面示意图。

附图标记说明：

1、出气定向钻孔；1’、构造垂直钻孔；2、3、4、5、进气定向钻孔；2#、3#、4#、5#、进气定向钻孔；2’、3’、4’、5’、6’、7’、8’出气垂直钻孔。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细介绍。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

实施例一：单面气化炉

如图1和图2所示，一种煤炭地下气化炉，包括出气定向钻孔1、构造垂直钻孔1’、进气定向钻孔2、3、4、5和出气垂直钻孔2’、3’、4’、5’、6’、7’、8’，其中，出气定向钻孔1的水平段和构造垂直钻孔1’均伸入到煤层中，二者组成了点火系统。构造垂直钻孔1’在纵深方向上垂直于出气定向钻孔1的水平段并与该水平段相贯通，该构造垂直钻孔1’和出气定向钻孔1之间的间距为10～25米。为了点火高温区快速形成一般在出气定向钻孔1附近设有两个构造垂直钻孔1’，这两个构造垂直钻孔1’之间的间距为10～40米，所述出气定向钻孔1入煤点至两个构造垂直钻孔1’的距离相等。出气垂直钻孔2’、3’、4’、5’、6’、7’、8’在纵深方向上垂直于出气定向钻孔1的水平段并与该水平段相贯通，而且，出气垂直钻孔2’、3’、4’、5’、6’、7’、8’在该定向钻孔1水平段的两侧交替排布，相邻的两个出气垂直钻孔之间的间距至少为25米，如出气垂直钻孔2’和出气垂直钻孔3’之间的间距至少为25米、出气垂直钻孔2’和出气垂直钻孔4’之间的间距至少为25米。进气定向钻孔2、3、4、5沿出气定向钻孔1水平段均匀排布，在本实施例中，如图1和图2所示，进气定向钻孔2、3、4、5位于出气定向钻孔1水平段的同一侧，并沿出气定向钻孔1的水平段均匀排布，各个进气定向钻孔间相互平行。进气定向钻孔2、3、4、5的水平段与出气定向钻孔1的水平段垂直并贯通，相邻的两个进气定向钻孔之间的间距为30～60米，如进气定向钻孔2和进气定向钻孔3之间的间距为30～60米。所述出气定向钻孔1与煤层的夹角为10°～30°，进气定向钻孔2、3、4、5与煤层的夹角也为10°～30°。出气定向钻孔1和进气定向钻孔2、3、4、5都是以入煤点为最高点，此种设置在前期运行时候可以通过气压形成一个干燥的煤层便于气化炉炉温建立，到后期随着气化炉炉温及炉压可以适应较大范围时候，气化炉也移动到定向钻孔的最低点，气化炉将不会受水的影响，极有可能气化炉处于缺水情况，还需要对气化炉进行补水，即此时水不是影响气化炉的主要因素。进一步改进地，出气定向钻孔1内和进气定向钻孔2、3、4、5内均放置有作为连续油管的支护套管。支护套管为可燃烧材质并具有强度的管材，这里采用pe管，支护套管的开孔率为15％，保证气化剂能够进入气化炉中，并且在连续油管移动时候，支护管可以燃烧掉，不影响气化炉高温区的移动。

一种上述煤炭地下气化炉，其构建方法如下：

a)依次对出气定向钻孔1、构造垂直钻孔1’、出气垂直钻孔2’、3’、4’、5’、6’、7’、8’进行施工，为了点火高温区快速形成需在出气定向钻孔1附近钻出两个构造垂直钻孔1’，这两个构造垂直钻孔1’之间的间距为40米。

b)在出气定向钻孔1和构造垂直钻孔1’之间建立高温燃烧区。

先在出气定向钻孔1和构造垂直钻孔1’之间建立点火区，通过压力控制地下水位，通过空气将构造垂直钻孔1’下形成一个较为干燥的点火区，当然点火最好在煤层中部，如此建立高温燃烧区较为快速。在出气定向钻孔1和构造垂直钻孔1’之间形成点火区后，向出气定向钻孔1和构造垂直钻孔1’内补充一定量的富氧，以提高点火区的温度，直至出气定向钻孔1的出气温度达到50～80℃，则出气定向钻孔1和构造垂直钻孔1’之间形成高温燃烧区。

c)将出气定向钻孔1与出气垂直钻孔进行富氧贯通，同时对进气定向钻孔进行施工，但此时不将进气定向钻孔与出气定向钻孔1进行贯通，待高温燃烧区距离该进气定向钻孔25米时，将进气定向钻孔与出气定向钻孔1贯通。

该步骤c)具体方法如下：

c1)将出气定向钻孔1与出气垂直钻孔2’或3’进行富氧贯通，同时靠近该出气垂直钻孔2’对进气定向钻孔2进行施工，但此时不将该进气定向钻孔2与出气定向钻孔1进行贯通，待高温燃烧区距离该进气定向钻孔(2)25米时，将该进气定向钻孔2与出气定向钻孔1贯通，这里将进气定向钻孔2与出气定向钻孔1贯通采用的是机械钻机贯通或高压气体贯通，具体采用哪种贯通方法根据需要进行选择；

c2)出气垂直钻孔4’或5’对应进气定向钻孔3，出气垂直钻孔6’或7’对应进气定向钻孔4，出气垂直钻孔8’对应进气定向钻孔4，依次类推，重复步骤c1)，直至出气垂直钻孔2’、3’、4’、5’、6’、7’、8’和进气定向钻孔2、3、4、5均与出气定向钻孔1贯通实现贯通，则完成气化炉的构建。

另外步骤c)还可采用如下子步骤：

c1’)将出气垂直钻孔2’、3’、4’、5’、6’、7’、8’均与出气定向钻孔1进行富氧贯通；

c2’)靠近出气垂直钻孔2’或3’对进气定向钻孔2进行施工，但此时不将该进气定向钻孔2与出气定向钻孔1进行贯通，待高温燃烧区距离该进气定向钻孔(2)25米时，将该进气定向钻孔2与出气定向钻孔1贯通，这里将进气定向钻孔2与出气定向钻孔1贯通采用的是机械钻机贯通或高压气体贯通，具体采用哪种贯通方法根据需要进行选择；

c3’)出气垂直钻孔4’或5’对应进气定向钻孔3，出气垂直钻孔6’或7’对应进气定向钻孔4，出气垂直钻孔8’对应进气定向钻孔4，依次类推，依次类推，重复步骤c2)，直至进气定向钻孔2、3、4、5均与出气定向钻孔1贯通实现贯通，则完成气化炉的构建。

完成气化炉的构建后，后续根据产量要求在进气定向钻孔2、3、4、5间进行切换调节，在各进气定向钻孔切换时候，在调小减量定向钻孔的同时增加投入定向钻孔的进气量，减量定向钻孔的进气量到维持气化炉炉压即可，如果定向钻孔需要贯通和火力加工，可以进行相应定向钻孔维护及加工，但气化剂以不引入其他气体组分为原则。

以上为火力气化气化方法，目前在出气定向钻孔1和进气定向钻孔2、3、4、5下放连续油管，连续油管为在出气定向钻孔1和进气定向钻孔2、3、4、5内预先放置的支护套管，支护套管为可燃烧材质并具有强度的管材，这里采用pe管，支护套管的开孔率为15％，保证气化剂能够进入气化炉中，并且在连续油管移动时候，支护套管可以燃烧掉，不影响气化炉高温区的移动。通过连续油管进行气化炉供气化剂，连续油管可以降进气点直接伸到燃烧区附近，达到通过进气量控制火区的扩展和移动。连续油管气化炉，在更换连续油管喷头时要切换气化列，此种切换，先启动待投入的连续油管然后抽出待更换的连续油管，此时通过连续油管与定向钻孔环空进气，维护气化炉炉压，待喷嘴跟换后，切换连续油管控制气化炉的火区。

实施例二：双面气化炉

其中与实施例一相同或相应的零部件采用与实施例一相应的附图标记。为简便起见，仅描述实施例二与实施例一的区别点。

在本实施例中，如图3所示，多个进气定向钻孔为进气定向钻孔2、3、4、5和进气定向钻孔2#、3#、4#、5#，进气定向钻孔2#、3#、4#、5#作为辅助进气进行使用。

进气定向钻孔2、3、4、5和进气定向钻孔2#、3#、4#、5#分列在出气定向钻1孔水平段的两侧，进气定向钻孔2、3、4、5位于同一侧，进气定向钻孔2#、3#、4#、5#位于另一侧，进气定向钻孔2、3、4、5和进气定向钻孔2#、3#、4#、5#沿出气定向钻孔1的水平段均匀交替排布，各个进气定向钻孔间相互平行，各个进气定向钻孔的水平段与出气定向钻孔1的水平段垂直并贯通，相邻的两个进气定向钻孔之间的间距不大于30米，如进气定向钻孔2和进气定向钻孔2#之间的间距不大于30米，进气定向钻孔2#和进气定向钻孔3之间的间距不大于30米。

同样地，进气定向钻孔2#、3#、4#、5#与煤层的夹角也为10°～30°。出气定向钻孔1和进气定向钻孔2#、3#、4#、5#都是以入煤点为最高点，此种设置在前期运行时候可以通过气压形成一个干燥的煤层便于气化炉炉温建立，到后期随着气化炉炉温及炉压可以适应较大范围时候，气化炉也移动到定向钻孔的最低点，气化炉将不会受水的影响，极有可能气化炉处于缺水情况，还需要对气化炉进行补水，即此时水不是影响气化炉的主要因素。

进气定向钻孔2#、3#、4#、5#也和出气定向钻孔1、进气定向钻孔2、3、4、5一样，内部均放置有作为连续油管的支护套管。支护套管为可燃烧材质并具有强度的管材，这里采用pe管，支护套管的开孔率为15％，保证气化剂能够进入气化炉中，并且在连续油管移动时候，支护管可以燃烧掉，不影响气化炉高温区的移动。

本实施例中的气化炉形成一个较为经济的气化炉，但对出气定向钻孔和进气定向钻孔要求较为严格，要求上诉钻井要有较长的服役期，这样对钻孔底部煤层燃烧量有较为严格的要求，此种炉型一般在单面气化炉运行较为稳定时候在开始施工另一侧进气定向钻孔(辅助进气)，降低气化炉可控性。但如果在设计炉型中进气定向钻孔要是气化剂不能满足要求时，双面气化炉采用较多。

本实施例中的煤炭地下气化炉，其构建方法如下：

a)依次对出气定向钻孔1、构造垂直钻孔1’、出气垂直钻孔2’、3’、4’、5’、6’、7’、8’进行施工，为了点火高温区快速形成需在出气定向钻孔1附近钻出两个构造垂直钻孔1’，这两个构造垂直钻孔1’之间的间距为40米。

b)在出气定向钻孔1和构造垂直钻孔1’之间建立高温燃烧区。

先在出气定向钻孔1和构造垂直钻孔1’之间建立点火区，通过压力控制地下水位，通过空气将构造垂直钻孔1’下形成一个较为干燥的点火区，当然点火最好在煤层中部，如此建立高温燃烧区较为快速。在出气定向钻孔1和构造垂直钻孔1’之间形成点火区后，向出气定向钻孔1和构造垂直钻孔1’内补充一定量的富氧，以提高点火区的温度，直至出气定向钻孔1的出气温度达到50～80℃，则出气定向钻孔和构造垂直钻孔之间形成高温燃烧区。

c)将出气定向钻孔1与出气垂直钻孔进行富氧贯通，同时对进气定向钻孔进行施工，但此时不将进气定向钻孔与出气定向钻孔1进行贯通，待高温燃烧区距离该进气定向钻孔25米时，将进气定向钻孔与出气定向钻孔1贯通。

该步骤c)具体方法如下：

c1)将出气定向钻孔1与出气垂直钻孔2’进行富氧贯通，在出气定向钻孔1中补入28％的富氧将高温燃烧区域进行扩展，通过连续油管将高温燃烧区引导至出气垂直钻孔2’，当出气垂直钻孔2’的出气温度达到50～80℃时，则出气垂直钻孔2’被贯通；同时靠近该出气垂直钻孔2’对进气定向钻孔2进行施工，但此时不将该进气定向钻孔2与出气定向钻孔1进行贯通，待高温燃烧区距离该进气定向钻孔(2)25米时，将该进气定向钻孔2与出气定向钻孔1贯通，这里将进气定向钻孔2与出气定向钻孔1贯通采用的是机械钻机贯通或高压气体贯通，具体采用哪种贯通方法根据需要进行选择；

c2)出气垂直钻孔3’对应进气定向钻孔2#，出气垂直钻孔4’对应进气定向钻孔3，出气垂直钻孔5’对应进气定向钻孔3#，依次类推，重复步骤c1)，直至出气垂直钻孔2’、3’、4’、5’、6’、7’、8’和进气定向钻孔2、3、4、5、2#、3#、4#、5#均与出气定向钻孔1贯通实现贯通，则完成气化炉的构建。

另外步骤c)还可采用如下子步骤：

c1’)将出气垂直钻孔2’、3’、4’、5’、6’、7’、8’均与出气定向钻孔1进行富氧贯通，在出气定向钻孔1中补入28％的富氧将高温燃烧区域进行扩展，通过连续油管将高温燃烧区引导至出气垂直钻孔2’、3’、4’、5’、6’、7’、8’，当出气垂直钻孔2’、3’、4’、5’、6’、7’、8’的出气温度达到50～80℃时，则出气垂直钻孔2’、3’、4’、5’、6’、7’、8’被贯通；

c2’)靠近出气垂直钻孔2’对进气定向钻孔2进行施工，但此时不将该进气定向钻孔2与出气定向钻孔1进行贯通，待高温燃烧区距离该进气定向钻孔(2)25米时，将该进气定向钻孔2与出气定向钻孔1贯通，这里将进气定向钻孔2与出气定向钻孔1贯通采用的是机械钻机贯通或高压气体贯通，具体采用哪种贯通方法根据需要进行选择；

c3’)出气垂直钻孔3’对应进气定向钻孔2#，出气垂直钻孔4’对应进气定向钻孔3，出气垂直钻孔5’对应进气定向钻孔3#，依次类推，重复步骤c2)，直至进气定向钻孔2、3、4、5、2#、3#、4#、5#均与出气定向钻孔1贯通实现贯通，则完成气化炉的构建，通过进气定向钻孔2、3、4、5、2#、3#、4#、5#中连续油管的后撤完成高温燃烧区的移动，进而完成的出气定向钻孔1两侧煤层的气化。

完成气化炉的构建后，后续根据产量要求在进气定向钻孔2、3、4、5、2#、3#、4#、5#间进行切换调节，在各进气定向钻孔切换时候，在调小减量定向钻孔的同时增加投入定向钻孔的进气量，减量定向钻孔的进气量到维持气化炉炉压即可，作为主要进气进气定向钻孔2、3、4、5的不需要考虑其钻井维护，作为辅助进气的进气定向钻孔2#、3#、4#、5#需要补充少量气化剂保证定向钻通畅和正压。如果定向钻孔需要贯通和火力加工，可以进行相应定向钻孔维护及加工，但气化剂以不引入其他气体组分为原则。

在出气定向钻孔1、进气定向钻孔2、3、4、5、2#、3#、4#、5#内部均放置有作为连续油管的支护套管，通过连续油管进行气化炉供气化剂，该连续油管可以降进气点直接伸到燃烧区附近，达到通过进气量控制火区的扩展和移动。连续油管气化炉，在更换连续油管喷头时候时候要切换气化列，此种切换，先启动待投入的连续油管然后抽出待跟换的连续油管，此时通过连续油管与定向钻环空进气，维护气化炉炉压，待喷嘴跟换后，切换连续油管控制气化炉的火区。

上述实施例一、二中的煤炭地下气化炉，出气定向钻孔、构造垂直钻孔、进气定向钻孔和出气垂直钻孔可以不局限在实施例中的数量。

实施例一、二中的煤炭地下气化炉，气化炉由出气定向钻孔1和构造垂直钻孔1’建立成点火高温燃烧区域，多个出气垂直钻孔在贯通后作为出气孔进行运行，在多个出气垂直钻孔贯通完成后贯通多个进气定向钻孔，增加气化炉的产气量。进气定向钻孔贯通前需要在出气定向钻孔1和构造垂直钻孔1’之间建立高温燃烧区，这里可以根据出气温度确定炉内温度，一般出气温度在50-80℃即可贯通后续进气定向钻孔，这里温度由煤层深度决定，煤层越深出气温度越低。一般在270米深度的煤层，出气温度在80℃即可贯通。在出气温度达到要求即可以断定炉内已形成高温燃烧区，当然这里可以通过热电偶等其他气化炉下放的检测仪器进行确定。在气化炉贯通时候可以采用25-28％的富氧进行贯通，此种氧浓度贯通效率较为优秀，在褐煤中火力贯通2-5米/天，这里是经验值。

实施例一、二中的煤炭地下气化炉及其构建方法，多个进气定向钻孔沿出气定向钻孔1水平段均匀排布，多个出气垂直钻孔在该出气定向钻孔1水平段的两侧交替排布，解决了现有气化炉气化效果差、产气欠连续性和稳定性、气化率低的问题，提升了煤层的采收率，降低了生产成本，提高了经济效益。

以上只通过说明的方式描述了本实用新型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，在不偏离本实用新型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，不应理解为对本实用新型权利要求保护范围的限制。