一种高效煤炭地下气化炉及其构建方法
【专利摘要】本发明公开了一种高效煤炭地下气化炉及其构建方法，包括在一个四边形煤层块设置的点火通道、集气通道、进气通道和出气通道，出气通道在四边形煤层块边沿与集气通道的水平距离在10m以上；采用后退燃烧法扩展集气通道的截面到2×2m2以上，多条间隔一定距离的进气通道与扩展后的集气通道在下侧连通，实现集气；当集气通道中的火区工作面后退到某个出气孔附近时，则在该孔压裂和逆向火力渗透燃烧，沟通出气通道和集气通道；本发明可实现多个进气通道并联气化，提高了气化炉产能；采用后退燃烧和逆向贯通的方法，缩短了气化炉构建周期；由垂直钻孔组成的出气系统布置于应力集中区以外，提高了出气系统的稳定性。
【专利说明】
一种高效煤炭地下气化炉及其构建方法
技术领域
[0001]本发明涉及煤炭地下气化开采技术，特别涉及一种高效煤炭地下气化炉及其构建方法，适用于不同赋存状态的煤层进行高效地下气化开采。
【背景技术】
[0002]无井式煤炭地下气化是通过在原始地下煤层中施工地质钻孔来进行气化的过程。不同区域的原始煤层赋存状态各异，现有单一形式的地下气化炉在经济、合理的角度上无法达到煤炭资源的有效覆盖；同时气化通道内直接气化后的煤气含灰、高温、高压，会造成出气钻孔堵塞、变形;另外常规地下气化炉会在垂直出气钻孔底部形成很大的燃空区，造成钻孔底部应力集中，影响钻孔稳定出气。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提出一种高效煤炭地下气化炉及其构建方法，充分利用煤层定向钻进工艺同时构建一体化的地下气化炉及集气通道、出气系统。针对不同赋存规模的煤层灵活调整气化通道条数及集气通道长度，利用集气通道对煤气进行除尘、降温、稳压以及均衡煤气组分，垂直出气钻孔位于应力集中区域外侧，能够实现对煤层的大面积、持续化、高效能气化。
[0004]为了实现上述目的，本发明的技术方案是:
一种高效煤炭地下气化炉，包括在一个四边形煤层块设置的点火通道、集气通道、进气通道和出气通道，其中，所述点火通道是一个垂直向下的钻孔通道，点火通道设置在四边形煤层块一个边角区域，所述钻孔通道伸入煤层距煤层底板0.5至2m，围绕点火通道设有至少两个辅助点火通道，两个辅助点火通道与点火通道在边角区域呈三角型布局，点火通道通过点火通道缝隙在底端与两个辅助点火通道连通，所述集气通道在距煤层底板0.5至2m处与点火通道连通，并水平延伸至四边形煤层块与点火通道边角区域相邻的另一个边角区域然后向上至地面;所述出气通道是多个从地面垂直向下的通道，多个出气通道排列为一排与集气通道平行设置，一排出气通道在四边形煤层块边沿与集气通道的水平距离大于1m;所述进气通道数量少于排出气通道数量在距煤层底板0.50到2米穿过集气通道下侧与出气通道间隔连通;所述进气通道垂直于集气通道相互平行穿过四边形煤层块在四边形煤层块相对于出气通道边沿的另一边沿向上至地面，所述与进气通道连通的出气通道通过出气通道缝隙在底端与集气通道连通，所述与进气通道不连通的出气通道通过出气通道缝隙在底端与相邻的出气通道连通，相邻的出气通道是与进气通道连通的出气通道。
[0005]方案进一步是:所述两个辅助点火通道设置在集气通道两侧。
[0006]方案进一步是:所述出气通道之间的距离是20m以上。
[0007]方案进一步是:所述的点火通道缝隙是通过冷态压裂的方式实现的，所述出气通道缝隙是在点火后通过在出气通道输入气压和逆向火力渗透燃烧实现的。
[0008]方案进一步是:所述点火通道、所述出气通道、集气通道垂直于地面段、进气通道垂直于地面段分别设置套管固井。
[0009]方案进一步是:所述集气通道垂直于地面段与水平段之间和进气通道垂直于地面段与水平段之间分别是由斜向段连接，所述斜向段采用标准石油套管固井，所述水平段下放具有强度的支护管。
[0010]—种高效煤炭地下气化炉构建方法，是在一个四边形煤层块设置点火通道、集气通道、进气通道和出气通道的方法，出气通道是垂直于地面的通道，其中:点火通道在四边形煤层块一个边角区域，进气通道进口和出气通道出口分别为一排、每一排为多个，一排进气通道进口和一排出气通道出口分别设置在四边形煤层块两个相对的边沿，所述集气通道为一个，一个集气通道设置在四边形煤层块出气通道侧、与点火通道连通，其方法是:所述集气通道采用定向钻孔的方式从与点火通道相邻的四边形煤层块另一个边角区域下钻，首先垂直下钻，进入煤层后改为斜向下钻，斜向下钻至距煤层底板0.5至2m处后改为水平横向钻进、直至与点火通道连通;其水平横向段与一排出气通道平行，距一排出气通道水平距离大于10m，并且，在点火通道点火后从出气通道施加气压形成逆向火力渗透燃烧产生的缝隙使集气通道与出气通道连通;所述进气通道采用定向钻孔的方式，从与四边形煤层块一边排进气通道进口相对的四边形煤层块另一边下钻，首先垂直下钻，进入煤层后改为斜向下钻，在距煤层底板0.50到2米后改为水平钻进，直至与出气通道连通。
[0011 ]方案进一步是:所述进气通道数量少于排气通道数量，进气通道在距煤层底板
0.50到2米穿过集气通道下侧与出气通道间隔连通。
[0012]方案进一步是:所述方法进一步包括:在点火通道点火后采用后退燃烧扩展集气通道的截面到2X2m2以上，所述进气通道与扩展后的集气通道在下侧联通。
[0013]方案进一步是:所述从出气通道施加气压形成逆向火力渗透燃烧产生的缝隙使集气通道与出气通道连通的方法是:在气化炉点火后，当集气通道中的火区工作面后退到接近一个出气通道时，向这一出气通道出口封闭逐渐输气加压，预设压力停顿点，在每一压力停顿点、在一个设定的时间内，监测出气通道口停顿点压力的变化，当出气通道口停顿点压力突降，则集气通道与出气通道已产生连通。
[0014]本发明的有益效果是:
1、提高了煤炭资源的利用率:针对不同煤炭资源的赋存特点构建地下气化炉，灵活调整气化通道和集气通道的长度，实现气化资源利用率80%以上，大大提高了煤炭资源的利用率。
[0015]2、提高了产品煤气的综合质量:将各条气化通道内的产品煤气首先汇聚于集气通道内，利用集气通道进行缓冲，达到一定的除尘、降温、稳压以及均衡煤气组分效果，提高了直接产品煤气的综合质量。
[0016]3、提高了出气系统的稳定性:由垂直钻孔组成的出气系统布置于应力集中区以夕卜，避免了地下形成空区后地层错动对出气孔底部的剪切作用，同时形成的一定长度的出气管路会达到降低煤气温度及高温干馏两侧煤炭资源的效果，保证出气钻孔底部处于稳定的地应力状态之下，并不受过高温度影响，从根本上解决了气化炉的不稳定出气问题，提高了出气系统的稳定性。
[0017]4、提高了气化炉产能:由多个进气通道(工作面)同时并联气化，进气通道的数量可根据煤层条件和生产规模确定，提高了单炉产能。
[0018]5、缩短了气化炉构建周期:当集气通道中的火区工作面后退到某个出气孔附近时，则在该孔压裂和逆向火力渗透燃烧，沟通出气通道和集气通道;采用后退燃烧和逆向贯通的方法，缩短了气化炉构建周期。
[0019]下面结合附图和实施例对发明作一详细描述。
【附图说明】
[0020]图1为下气化炉结构示意图。
【具体实施方式】
[0021]实施例1:
一种高效煤炭地下气化炉，如图1所示，包括在一个四边形煤层块I设置的点火通道I1、集气通道04、进气通道01、02、03和出气通道？1、？2、？3、？4、？5，其中，所述点火通道是一个垂直向下的钻孔通道，点火通道设置在四边形煤层块一个边角区域，所述钻孔通道伸入煤层距煤层底板101约0.5至2m，围绕点火通道5米至10米设有至少两个辅助点火通道12、13，两个辅助点火通道与点火通道在边角区域呈三角型布局，点火通道通过点火通道缝隙在底端与两个辅助点火通道连通，所述集气通道在距煤层底板0.5至2m处与点火通道连通，并水平延伸至四边形煤层块与点火通道边角区域相邻的另一个边角区域然后向上至地面，水平段长度可根据出气通道布置数目调整或做预留；所述出气通道是多个从地面垂直向下的通道，钻孔钻至煤层底板即可，底部扩孔并施加支护，孔径根据产气量的需要确定，钻孔数目可调整；多个出气通道排列为一排与集气通道平行设置，通常在垂直于集气通道之上至进气通道区域称为应力集中区，过去传统上都是将出气通道设置在该区域，因此经常出现出气通道在运行的过程中出现堵塞的问题，在本实施例中，所述一排出气通道在四边形煤层块边沿与集气通道的水平距离大于10m，(例如15m)，将其布置在应力集中区之外；如图1所示，所述进气通道数量少于排出气通道数量在距煤层底板0.50到2米穿过集气通道下侧与出气通道间隔连通，即:P1、P3、P5分别与D1、D2、D3连通;所述进气通道水平垂直于集气通道相互平行穿过四边形煤层块在四边形煤层块相对于出气通道边沿的另一边沿向上至地面，所述与进气通道连通的出气通道通过出气通道缝隙在底端与集气通道连通，所述与进气通道不连通的出气通道通过出气通道缝隙在底端与相邻的出气通道连通，相邻的出气通道是与进气通道连通的出气通道。
[0022]实施例中:所述两个辅助点火通道设置在集气通道两侧。
[0023]实施例中:所述出气通道之间的距离是20m以上，本实施例在20m至30m之间。
[0024]实施例中:所述的点火通道缝隙是通过冷态压裂的方式实现的，所述出气通道缝隙是在点火后通过在出气通道输入气压和逆向火力渗透燃烧实现的。
[0025]实施例中:所述点火通道、所述出气通道、集气通道垂直于地面段、进气通道垂直于地面段分别设置套管固井。所述集气通道垂直于地面段与水平段之间和进气通道垂直于地面段与水平段之间分别是由斜向段连接，所述斜向段采用标准石油套管固井，所述水平段下放具有强度的支护管。在点火通道和出气通道底部都有扩孔，底部扩孔施加支护。
[0026]实施例2:
一种基于实施例1所述高效煤炭地下气化炉的构建方法，是在一个四边形煤层块设置点火通道、集气通道、进气通道和出气通道的方法，实施例1中的内容适用于本市实施例，因此，出气通道是垂直于地面的通道，其中:点火通道在四边形煤层块一个边角区域，进气通道进口和出气通道出口分别为一排、每一排为多个，一排进气通道进口和一排出气通道出口分别设置在四边形煤层块两个相对的边沿，所述集气通道为一个，一个集气通道设置在四边形煤层块出气通道侧、与点火通道连通，其中，所述集气通道采用定向钻孔的方式从与点火通道相邻的四边形煤层块另一个边角区域下钻，首先垂直下钻，进入煤层后改为斜向下钻，斜向下钻至距煤层底板0.5至2m处后改为水平横向钻进、直至与点火通道连通;其水平横向段与一排出气通道平行，距一排出气通道水平距离大于10m，并且，在点火通道点火后从出气通道施加气压形成逆向火力渗透燃烧产生的缝隙使集气通道与出气通道连通;所述进气通道采用定向钻孔的方式，从与四边形煤层块一边排进气通道进口相对的四边形煤层块另一边下钻，首先垂直下钻，进入煤层后改为斜向下钻，在距煤层底板0.50到2米后改为水平钻进，直至与出气通道连通。
[0027]实施例中:所述点火通道、所述出气通道、集气通道垂直于地面段、进气通道垂直于地面段分别设置双层套管固井，所述集气通道斜向下段和所述进气通道斜向下段采用标准石油套管固井，所述水平段下放具有强度的支护管所述。
[0028]实施例中:所述进气通道数量少于排出气通道数量，进气通道在距煤层底板0.50至IJ2米穿过集气通道下侧与出气通道间隔连通。
[0029]并且:所述方法进一步包括:在点火通道点火后采用后退燃烧扩展集气通道的截面到2X2m2以上，所述进气通道与扩展后的集气通道在下侧联通。
[0030]实施例中:点火通道设置在四边形煤层块一个边角区域，所述钻孔通道伸入煤层距煤层底板约0.5至2m，围绕点火通道5米至10米设有至少两个辅助点火通道12、13，两个辅助点火通道与点火通道在边角区域呈三角型布局，点火通道通过点火通道缝隙在底端与两个辅助点火通道连通，所述的点火通道缝隙是通过冷态压裂的方式实现的，所述冷态压裂的方式是从一个密封的点火通道口插入一个气管，从气管向点火通道逐渐输气加压，流量不小于150Nm3/h，在5MPa压力内预设压力停顿点，在每一压力停顿点、在一个设定的时间内，同时监测点火通道口停顿点压力的变化和其它点火通道口压力，当其它点火通道口压力升高，并输入气的点火通道口停顿点压力突降，则冷态压裂完成，点火通道之间已产生缝隙连通;压裂过程中需实时监测周边钻孔压力情况。正常情况下煤层会在5MPa以内(流量不小于150Nm3/h)的高压空气作用下，导通煤层天然裂隙、孔隙，过程速率一般为I?2m/d，煤层天然裂隙、孔隙发生连通后，气体由预贯通钻孔渗透至周边钻孔，表现出压力的突降(压降为0.003?0.009MPa/m)，此即为冷态压裂阶段;其中:压力停顿点可以设置在IMPa压力、2MPa压力或3 MPa压力点，设定的时间可以是6小时、12小时或24小时，可以将压力跳跃下降视为压力突降。
[0031]实施例中:所述从出气通道施加气压形成逆向火力渗透燃烧产生的缝隙使集气通道与出气通道连通的方法是:在气化炉点火后，当集气通道中的火区工作面后退到接近一个出气通道时，向这一出气通道出口封闭逐渐输气加压，预设压力停顿点，在每一压力停顿点、在一个设定的时间内，监测出气通道口停顿点压力的变化，当出气通道口停顿点压力突降，则集气通道与出气通道已产生连通，在逐渐输气加压的过程由于集气通道中火区的火力会在有微小缝隙时形成逆向渗透燃烧加快缝隙的形成。
[0032]本实施例的运用是:点火通道I1U2和I3冷态压裂后下放点火器，在集气通道D4通道内下放分离控制注气点装置，由1:开始引火，逐步构建集气通道，集气通道构建过程中I1、I2和I3作为出气孔，同时通过在从出气通道施加气压形成逆向火力渗透燃烧产生的缝隙或者出气过程中验证煤层裂隙发育方向，最终的集气通道控制规模约为大于2X2m2;在D^D2和D3(或一条或两条)通道内下放分离控制注气点装置至集气通道D4底部，利用强制氧化方式及D4内部高温引火，D4中线控制通道规格大于2 X 2m2，D4右侧至垂直钻孔P1、P3 JPP5底部不主动燃烧;形成稳定气化区、集气区和出气系统后，可将垂直钻孔1:、12和I3继续作为出气孔或者视情况调整为排水孔。
[0033]本实施例的优势在于:利用先进的煤层定向钻进工艺，同时针对不用赋存条件的煤层构建一体化的地下气化炉及集气通道、出气系统，容易实施，施工周期短;集气通道可以对各气化通道的煤气进行除尘、降温、稳压，均衡组分；出气系统位于应力集中区域外侧，能够避免孔底垮塌;并可根据气化规模的不同，灵活地调整气化通道条数、集气通道长度及出气孔数目。从根本上解决了煤炭资源气化利用率低和直接产品煤气含尘、高温、高压、组分不一及出气孔底部不稳定等相关问题，保证了气化炉的长期、稳定、高效运行。
【主权项】
1.一种高效煤炭地下气化炉，包括在一个四边形煤层块设置的点火通道、集气通道、进气通道和出气通道，其特征在于，所述点火通道是一个垂直向下的钻孔通道，点火通道设置在四边形煤层块一个边角区域，所述钻孔通道伸入煤层距煤层底板0.5至2m，围绕点火通道设有至少两个辅助点火通道，两个辅助点火通道与点火通道在边角区域呈三角型布局，点火通道通过点火通道缝隙在底端与两个辅助点火通道连通，所述集气通道在距煤层底板0.5至2m处与点火通道连通，并水平延伸至四边形煤层块与点火通道边角区域相邻的另一个边角区域然后向上至地面;所述出气通道是多个从地面垂直向下的通道，多个出气通道排列为一排与集气通道平行设置，一排出气通道在四边形煤层块边沿与集气通道的水平距离大于1m;所述进气通道数量少于排出气通道数量在距煤层底板0.50到2米穿过集气通道下侧与出气通道间隔连通;所述进气通道垂直于集气通道相互平行穿过四边形煤层块在四边形煤层块相对于出气通道边沿的另一边沿向上至地面，所述与进气通道连通的出气通道通过出气通道缝隙在底端与集气通道连通，所述与进气通道不连通的出气通道通过出气通道缝隙在底端与相邻的出气通道连通，相邻的出气通道是与进气通道连通的出气通道。2.根据权利要求1所述的地下气化炉，其特征在于，所述两个辅助点火通道设置在集气通道两侧。3.根据权利要求1所述的地下气化炉，其特征在于，所述出气通道之间的距离是20m以上。4.根据权利要求1所述的地下气化炉，其特征在于，所述的点火通道缝隙是通过冷态压裂的方式实现的，所述出气通道缝隙是在点火后通过在出气通道输入气压和逆向火力渗透燃烧实现的。5.根据权利要求1所述的地下气化炉，其特征在于，所述点火通道、所述出气通道、集气通道垂直于地面段、进气通道垂直于地面段分别设置套管固井。6.根据权利要求1所述的地下气化炉，其特征在于，所述集气通道垂直于地面段与水平段之间和进气通道垂直于地面段与水平段之间分别是由斜向段连接，所述斜向段采用标准石油套管固井，所述水平段下放具有强度的支护管。7.—种高效煤炭地下气化炉构建方法，是在一个四边形煤层块设置点火通道、集气通道、进气通道和出气通道的方法，出气通道是垂直于地面的通道，其中:点火通道在四边形煤层块一个边角区域，进气通道进口和出气通道出口分别为一排、每一排为多个，一排进气通道进口和一排出气通道出口分别设置在四边形煤层块两个相对的边沿，所述集气通道为一个，一个集气通道设置在四边形煤层块出气通道侧、与点火通道连通，其特征在于，所述集气通道采用定向钻孔的方式从与点火通道相邻的四边形煤层块另一个边角区域下钻，首先垂直下钻，进入煤层后改为斜向下钻，斜向下钻至距煤层底板0.5至2m处后改为水平横向钻进、直至与点火通道连通;其水平横向段与一排出气通道平行，距一排出气通道水平距离大于10m，并且，在点火通道点火后从出气通道施加气压形成逆向火力渗透燃烧产生的缝隙使集气通道与出气通道连通;所述进气通道采用定向钻孔的方式，从与四边形煤层块一边排进气通道进口相对的四边形煤层块另一边下钻，首先垂直下钻，进入煤层后改为斜向下钻，在距煤层底板0.50到2米后改为水平钻进，直至与出气通道连通。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述进气通道数量少于排气通道数量，进气通道在距煤层底板0.50到2米穿过集气通道下侧与出气通道间隔连通。9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括:在点火通道点火后采用后退燃烧扩展集气通道的截面到2 X 2m2以上，所述进气通道与扩展后的集气通道在下侧联通。10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述从出气通道施加气压形成逆向火力渗透燃烧产生的缝隙使集气通道与出气通道连通的方法是:在气化炉点火后，当集气通道中的火区工作面后退到接近一个出气通道时，向这一出气通道出口封闭逐渐输气加压，预设压力停顿点，在每一压力停顿点、在一个设定的时间内，监测出气通道口停顿点压力的变化，当出气通道口停顿点压力突降，则集气通道与出气通道已产生连通。
【文档编号】E21B43/295GK106089177SQ201610682180
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月18日 公开号201610682180.5, CN 106089177 A, CN 106089177A, CN 201610682180, CN-A-106089177, CN106089177 A, CN106089177A, CN201610682180, CN201610682180.5
【发明人】梁杰, 梁鲲, 史龙玺, 汪贻亮, 王莉, 王张卿, 郑林
【申请人】中国矿业大学(北京)