用于煤炭地下气化过程的产出井设备及其应用

用于煤炭地下气化过程的产出井设备及其应用
【专利摘要】本发明提供了一种用于煤炭地下气化过程的产出井设备。特别地，本发明提供了一种在煤炭地下气化过程中可以通过注入冷却剂冷却后移除产品气的产出井设备，还提供了所述产出井设备在煤炭地下气化过程中的应用。本发明通过对所述产出井设备的各部件的设计、选材和应用以及产出井本身的应用进行优化，使得所述产出井设备的操作更加安全可控，并且其大部分部件如井口设备、产品管、冷却剂管和监测仪表系统等都可以在气化过程结束后全部或部分回收和重复使用。
【专利说明】
用于煤炭地下气化过程的产出井设备及其应用
技术领域
[0001] 本发明提供了一种用于煤炭地下气化过程的产出井设备。特别地，本发明提供了 一种在煤炭地下气化过程中可以通过注入冷却剂冷却后移除产品气的产出井设备，还提供 了所述产出井设备在煤炭地下气化过程中的应用。
【背景技术】
[0002] 煤炭地下气化(UCG或ISC)过程是在氧化剂存在下通过地下煤层的燃烧和气化将 煤直接转化为产品气(也称为粗合成气）的过程，所述产品气随后可以用于多种应用，包括 燃料生产、化学品生产和发电等。鉴于采矿业越来越严格的环保要求和考虑到相关的人工 成本和基建成本，这种适用于大多数煤藏的煤炭地下气化技术无疑是很有吸引力的。
[0003] 对于煤气化过程，无论在地上还是地下进行，其中都是通过如下一系列化学反应 使煤转化，其中H 20和C02为主要气化剂，和02为主要氧化剂：
[0004] C+〇2-C〇2(完全氧化反应）
[0005] C+1/202-C0 (部分氧化反应）
[0006] C+H20-H2+C0 (水蒸气气化反应）
[0007] C+2H2-CH4(氢气气化反应）
[0008] C+CO2-2C0(二氧化碳气化反应）
[0011] 在煤炭地下气化过程中，通常要在地下煤层中设有相应的完井系统。所述完井系 统通常包括用于注入各种试剂如氧化剂、气化剂和冷却剂等的注入井、用于移除产品气的 产出井和用于起辅助作用的各种辅助井，其中注入井、产出井和辅助井内通常均铺设有套 管和/或内衬管且按需要彼此连通，其中所述辅助井通常包括点火井、冷冻井、屏蔽井和防 护井等，其中注入井通常为水平定向井，而产出井和辅助井通常可以为水平定向井或垂直 井。
[0012] 因此，在煤炭地下气化过程中，最基本的完井系统由彼此连通且内部铺设有套管 和/或内衬管的注入井和产出井组成，亦称为煤炭地下气化单元或井对。
[0013] 在煤炭地下气化过程中，相关地下区域包括燃烧区、气化区和热解区，其中：燃烧 区一般从氧化剂和气化剂注入点开始延伸，在燃烧区中煤在氧化剂和气化剂存在下发生燃 烧和气化;气化区位于燃烧区下游或以放射状围绕在燃烧区周围，在气化区中煤主要被气 化和部分氧化生成产品气;热解区位于气化区下游，在热解区发生煤的热解。对于理想的煤 炭地下气化过程来说，一般希望煤的热解尽可能少。随着煤炭地下气化过程的逐渐推进，煤 层中形成的燃空区逐渐变大，最终地下煤藏完全被消耗，仅留下煤灰。
[0014] 在煤炭地下气化过程中，所生成的产品气通常包含0)、0)2、出、014及固体颗粒、水、 煤焦油和烃以及少量h2s、nh 4和cos等。所述产品气的具体组成通常取决于多个因素，包括所 使用的氧化剂(例如空气、富氧空气或纯氧）、水的存在(煤层水或周边地层渗入煤层的水）、 煤的质量以及所采用的工艺参数(温度和压力等）。
[0015] 在煤炭地下气化过程中，由于气化过程的强放热性，所生成的产品气通常具有极 高的温度，例如一般为700-800 °C和有时甚至高达1000 °C，而直接应对这种高温产品气的产 出井必然要面临多种由于高温高热所引发的问题，具体包括产出井相关部件的热损坏和湿 热腐蚀损坏，例如绝对高温如700°C超过产出井套管材料的屈服应力失效温度而造成产出 井损坏，热膨胀和/或热伸长造成套管和/或水泥层损坏，热伸长造成产出井内产品管弯曲 变形，和湿腐蚀性产品气造成产出井完整性劣化和损坏，如颗粒和高速气体侵蚀、氢脆或氢 致开裂、氯离子点腐蚀、硫化物(H 2S)应力腐蚀开裂、C02腐蚀和异种金属电化腐蚀等。
[0016] 因此，对于用于煤炭地下气化过程的产出井设备，如果能够更好地应对高温湿腐 蚀性产品气、能够预防和减少可能发生的各种问题、和/或能够在封井或废井后回收和重新 利用部分部件，无疑将是非常有利的。
[0017] AU2014100615提供了一种UCG产品气冷激方法和设备，其中在产品气到达产出井 之前降低产品气温度以改变所述产品气的物理和/或化学性质，其中主要通过位于运行气 化区下游和产出井上游的辅助井向产品气物流注入冷激流体，以将产品气温度由约500-1200 °C降低至约200-400 °C。可知该专利中使用辅助井注入冷激流体来冷却产品气，而由于 单独的辅助井的存在，这种设计方案无疑是成本较高且结构相对复杂的。
[0018] 因此，对于现有技术的煤炭地下气化过程，其中所应用的产出井设备仍需要改进， 尤其是要改进如何应对气化产生的高温湿腐蚀性产品气。

【发明内容】

[0019] 针对现有技术，本发明提供了一种用于煤炭地下气化过程的产出井设备。特别地， 本发明提供了一种在煤炭地下气化过程中可以通过注入冷却剂冷却后移除产品气的产出 井设备，还提供了所述产出井设备在煤炭地下气化过程中的应用。
[0020] 本发明提供了一种用于煤炭地下气化过程的产出井设备，所述产出井设备包括井 口设备和套管以及位于套管内的产品管、冷却剂管和监测仪表系统，其中：
[0021] 所述套管用于加固和隔离产出井井孔，它采用接箍和螺纹进行连接和通过水泥层 固定在产出井井孔中；
[0022] 所述产品管用于将气化产生的产品气从产出井井下输送到地面，它在端部设有开 孔段；
[0023] 所述冷却剂管用于将冷却剂注入到产出井井下以冷却气化产生的产品气，它在端 部连接有冷却剂喷嘴；
[0024] 所述监测仪表系统从井口向下延伸和固定在产品管端部开孔段起点附近，其中包 括设置在保护套管内的温度、压力和声波传感器;和
[0025] 所述井口设备气密性封堵所述套管和包括用于监测仪表系统的仪表压紧接头端 口、用于产品管的产品气出口、用于套管的套管环隙出口和用于冷却剂管的冷却剂入口；
[0026] 其中在冷却剂喷嘴下游为产品气骤冷区，其中气化产生的产品气与经冷却剂喷嘴 喷出的冷却剂接触和混合而被冷却，条件是预期的热效应和/或重力效应造成的膨胀和/或 伸长不影响各部件本身的自由度及各部件之间的相对位置。
[0027] 本发明还提供了一种煤炭地下气化方法，其中在地下煤层中设有用于煤炭地下气 化的完井系统，其中利用本发明的产出井设备，其中经冷却剂管向产出井井下注入冷却剂 以冷却气化产生的产品气和冷却后的产品气经产品管输送到地面，所述冷却剂选自水、水 蒸气、二氧化碳、惰性气体或液体以及冷却后的常温产品气，和冷却剂的注入流量足以使井 下产品气温度降低到设定值以下。
[0028] 按照本发明，所述产出井设备中组合了冷却剂管，使得在煤炭地下气化过程中可 以通过向产出井井下注入冷却剂而即时冷却气化产生的高温产品气，例如通过适当控制冷 却剂流量，可以将产品气由初始温度约700-1000 °C冷却到约400 °C以下，从而极大地降低了 产出井、尤其是产品管的后续热负荷，改进了产出井的运行环境和延长了产出井的运行寿 命，进而提高了煤炭地下气化过程的可靠性和安全性，为现有技术带来了进步。
[0029] 另外，按照本发明，通过对所述产出井设备的各部件的设计、选材和应用以及产出 井本身的应用进行优化，使得所述产出井设备的操作更加安全可控，并且其大部分部件如 井口设备、产品管、冷却剂管和监测仪表系统等都可以在气化过程结束后全部或部分回收 和重复使用，从而在一定程度上节约了煤炭地下气化过程的设备成本，为现有技术带来了 进步。
【附图说明】
[0030] 下面参考附图来进一步描述本发明，其中：
[0031] 图1是本发明的产出井设备的一种实施方案的地下部分剖面图，其中所述产出井 为垂直产出井，和其中产品气骤冷区位于产出井底部；
[0032] 图2是本发明的产出井设备的另一种实施方案的地下部分剖面图，其中所述产出 井为水平定向产出井，其中产品气骤冷区位于产出井无水泥层自由套管段端部，其中在产 品管开孔段内设有导流板来强化产品气与冷却剂之间的接触和混合;和
[0033] 图3是本发明的产出井设备的又一种实施方案的地下部分剖面图，其中所述产出 井为水平定向产出井，其中产品气骤冷区位于产出井无水泥层自由套管段端部和由产品管 开孔段和产出井内衬管开孔段之间的间隙形成。
[0034] 在各附图中，相同的附图标记指相同部件。具体地，各附图中涉及的附图标记含义 如下：
[0035] 1、产品管;2、产品管开孔段;3、冷却剂管;4、止回阀；5、冷却剂喷嘴;6、冷却剂;7、 监测仪表系统;8、产出井套管;9、固定用高温水泥层；10、产品气骤冷区；11、来自气化区的 产品气；12、产品管出口； 13、冷却剂入口； 14、监测仪表系统端口； 15、产出井套管环隙出口； 16、注入井煤层钻孔;17、注入井内衬管开孔段；18、煤层；19、导流板(设在产品管开孔段内， 引导产品气在通过产品气骤冷区之后再进入产品管）；20、无水泥层的自由套管段;21、产出 井煤层钻孔;22、产品管开孔段与产出井内衬管开孔段之间间隙（即间隙式产品气骤冷区）； 23、产出井内衬管开孔段。
【具体实施方式】
[0036] 本发明提供了一种用于煤炭地下气化过程的产出井设备。特别地，本发明提供了 一种在煤炭地下气化过程中可以通过注入冷却剂冷却后移除产品气的产出井设备，还提供 了所述产出井设备在煤炭地下气化过程中的应用。
[0037] 按照本发明，提供了一种用于煤炭地下气化过程的产出井设备，所述产出井设备 包括井口设备和套管以及位于套管内的产品管、冷却剂管和监测仪表系统，其中：
[0038] 所述套管用于加固和隔离产出井井孔，它采用接箍和螺纹进行连接和通过水泥层 固定在产出井井孔中；
[0039] 所述产品管用于将气化产生的产品气从产出井井下输送到地面，它在端部设有开 孔段；
[0040] 所述冷却剂管用于将冷却剂注入到产出井井下以冷却气化产生的产品气，它在端 部连接有冷却剂喷嘴；
[0041] 所述监测仪表系统从井口向下延伸和固定在产品管端部开孔段起点附近，其中包 括设置在保护套管内的温度、压力和声波传感器;和
[0042] 所述井口设备气密性封堵所述套管和包括用于监测仪表系统的仪表压紧接头端 口、用于产品管的产品气出口、用于套管的套管环隙出口和用于冷却剂管的冷却剂入口；
[0043] 其中在冷却剂喷嘴下游为产品气骤冷区，其中气化产生的产品气与经冷却剂喷嘴 喷出的冷却剂接触和混合而被冷却，条件是预期的热效应和/或重力效应造成的膨胀和/或 伸长不影响各部件本身的自由度及各部件之间的相对位置。
[0044] 按照本发明，还提供了一种煤炭地下气化方法，其中在地下煤层中设有用于煤炭 地下气化的完井系统，其中利用本发明的产出井设备，其中经冷却剂管向产出井井下注入 冷却剂以冷却气化产生的产品气和冷却后的产品气经产品管输送到地面，所述冷却剂选自 水、水蒸气、二氧化碳、惰性气体或液体以及冷却后的常温产品气，和冷却剂的注入流量足 以使井下产品气温度降低到设定值以下。
[0045] 按照本发明，所述产出井设备可以为垂直产出井或水平定向产出井，对于这两种 产出井类型，其中主要部件基本一致，只是有些部件可能在具体设计细节上存在一些差异。
[0046] 另外，由于产出井所要处理的对象是煤炭地下气化过程产生的高温湿腐蚀性产品 气，因此，整个产出井及其各部件大多处于这种高温湿腐蚀性气体环境中。这样，在对产出 井的各部件进行设计时，除了选材时要考虑耐高温耐湿热腐蚀外，还要考虑热效应(如热膨 胀和/或热伸长等)和/或重力效应(如悬挂自重等)可能导致的部件尺寸变化，例如通常要 留有膨胀余隙和/或伸长余隙等。
[0047] 另外，由于本发明对产出井设备各部件的设计、选材和应用等进行了全面优化，使 得大多数部件都可以在气化过程结束后全部或部分回收和重复使用，这也是本发明的产出 井设备的优点所在。
[0048]按照本发明，所述套管作为产出井的外壳从井口开始一直延伸到煤层中，并且其 中容纳了产出井的产品管、冷却剂管和监测仪表系统;所述套管的接箍和螺纹以及固定用 水泥层均要适合产出井井下的高温环境，因此要使用高温接箍和螺纹以及高温水泥；另外， 所述套管内壁与各管件之间存在环隙，在点火阶段，该套管环隙通常用惰性气体如氮气等 吹扫并封堵以防止井下流体如产品气和/或冷却剂等进入其中，而在非正常运行时，该套管 环隙则可以用作整个井系统的泄压通道，此时，井下流体如产品气可以通过该套管环隙离 开，从而释放和缓解整个井系统的压力，以防止地层/煤层承受过高压力。
[0049]按照本发明，所述套管的材料一般要基于其内部环隙作为异常运行泄压通道时所 接触的高温湿腐蚀性气体进行选择，要耐高温和耐湿腐蚀性气体，以确保整个井系统在运 行周期内的完整性，在此所述运行周期包括最终气化过程的停车、设备拆除以及封井或废 井阶段;所述套管的内径一般要足以能够容纳产品管、冷却剂管和监测仪表系统并留有相 应的余隙，以防止热膨胀等引起管件尺寸变化，例如当产品管外径为4.5英寸、冷却剂管外 径为2英寸和监测仪表系统保护套管外径为0.75英寸时，套管的内径可以为9.625英寸，另 外，任选地，还可以根据地层特点如地层含水性和/或疏松性等来确定是否使用外圈套管， 如导向套管、表层套管和技术套管等，以进一步加固和隔离产出井井孔;所述套管的壁厚一 般要满足钻井和完井作业的要求，同时还要能够承受高于静岩压的压力。
[0050] 按照本发明，对于垂直产出井来说，所述套管通常通过水泥层固定延伸到煤层顶 部附近，在这种情况下，基本上整个产出井长度都有套管和基本上整个套管长度都用水泥 层固定，而对于水平定向产出井来说，所述套管通常通过水泥层固定延伸到煤层中水平位 置附近或者对于有倾角的煤层固定延伸到与煤层底板平行的位置附近，然后是无水泥层的 自由套管段，最后是无套管煤层钻孔段一直延伸到产出井端部。
[0051] 按照本发明，所述井口设备为产出井的对外接口，一般经石墨垫圈与套管螺纹连 接，以气密性封堵所述套管和保证产出井的气密性，其中所述井口设备包括用于监测仪表 系统的仪表压紧接头端口、用于产品管的产品气出口、用于套管的套管环隙出口和用于冷 却剂管的冷却剂入口，即产出井的这些部件在井口设备处汇集和通过井口设备与外部连 通。
[0052] 按照本发明，所述井口设备通常为高温高压井口设备以适合产出井的高温高压工 作环境，例如，所述井口设备的设计额定压力至少要满足静岩压力和操作温度范围一般为 180-350°C，所述井口设备的材料通常要耐受固体颗粒撞击以及高温湿腐蚀性气体环境，和 所述井口设备在产出井使用寿命结束后(如封井或废井后)一般可以移除，并且可以在进一 步处理如翻新后重复使用。
[0053] 按照本发明，所述监测仪表系统用于监测产出井内的相关信号如温度、压力和声 波等，同时把所测得的信号反馈到井口控制系统并储存于数据库中，其中相关的温度、压力 和声波传感器通常设置在保护套管内再进入井下区域。
[0054]在井下区域中，所述监测仪表系统通常固定在产品管上，例如通常固定在产品管 端部开孔段起点附近，此时基本在产品气骤冷区下游，所测量的基本为冷却后产品气的温 度，通常该温度要达到冷却后产品气温度设定值，具体数值通常为300-350°C。另外，由于保 护套管的使用，所述监测仪表系统在气化过程结束后一般可以回收和重复使用。
[0055] 按照本发明，所述温度、压力和声波传感器均可以为基于光纤时域反射测量技术 (Optical Time-Domain Reflectometry-OTDR)的分布式感应光纤，可以获取相应的温度 曲线、压力曲线和声波曲线，以监测产出井和控制煤炭地下气化过程，所述温度传感器还可 以附加或替代地为双金属护套K型双探头热电偶。
[0056] 按照本发明，所述监测仪表系统中温度、压力和声波传感器的功能分别如下所述： [0057]温度传感器监测产出井内的温度分布，其中：产品管上目标测量点即产品管端部 开孔段起点附近的温度(产品气骤冷区下游进入产品管的冷却后产品气的温度)通常用于 控制冷却剂流量，以确保该温度低于设定值(通常为300-350 °C);产出井井口温度对应产品 管内及套管环隙内的产品气温度，该井口温度也可用于控制冷却剂流量，例如可通过增加 冷却剂流量来确保该井口温度低于设定值(通常为180-350°C );另外，所述产品管上目标测 量点温度及产出井井口温度均可用于安全系统，当所测得的温度超过它们的设定值(通常 分别为300-350°C和180-350°C)时，可以立即切断氧化剂注入停止气化过程。
[0058]压力传感器用于监测产出井内的压力分布，同时可用于发现由于地下压力造成的 监测仪表系统保护套管的损坏，另外，由于井口压力始终低于井下压力，因此井口压力信号 可以作为井下产品管以及套管环隙压力的指示。
[0059] 声波传感器用于监测产出井井下情况，例如一些突发情况，具体例如套管或产品 管损坏(发生开裂或弯曲等）、固体颗粒或液栓等进入产品管导致产品管堵塞等，以便在发 生这些情况后可以及时应对和处理。
[0060] 所述监测仪表系统通常要汇集在监测仪表端口和通过压紧接头端口穿过所述井 口设备。另外，作为井口控制系统一部分的井口监测仪表设备必须能够直接显示数据，这样 才能确保即使其它系统处于脱机状态时仍然能够监测到产出井的内部情况，进而保证整个 产出井能够良好地受控运行。
[0061] 按照本发明，所述产品管通过井口悬挂器连接在产品井上。具体地，所述产品管自 由悬挂于井口悬挂器的中心位置，用于将产品气从产出井井下输送到地面，为正常运行时 产品气输送到地面的主要流通通道。
[0062] 在煤炭地下气化过程中，所产生的产品气即使在冷却后也仍然是高温湿腐蚀性气 体，本发明使用产品管作为所述产品气的输送通道，可以避免套管内壁与高温湿腐蚀性产 品气直接接触，由此在一定程度上保护了套管，但这也对产品管本身的选材提出了较高要 求，具体地，产品管的材料必须要耐受高温湿腐蚀性气体环境，通常所要耐受的腐蚀包括例 如高温氢腐蚀、应力腐蚀开裂(氢脆或氢致开裂、硫化物应力腐蚀开裂(H 2S和C0S等)和氯化 物应力腐蚀开裂(HC1等））、酸性气体腐蚀(C02、H2S、H 2S〇4、HCl等）、露点腐蚀、氯化铵与硫氢 化铵腐蚀、硫化腐蚀、碳化腐蚀、异种金属电化腐蚀、以及固体颗粒和/或高速气体造成的侵 蚀和冲刷等；另外，由于产品管自由悬挂且其内部处于高温环境中，在设计时还必须考虑热 效应和/或重力效应等可能引起的产品管长度变化，以保证产品管的自由度和防止产品管 弯曲，同时保证产品管与其它部件之间的相对设计关系，例如要保证冷却剂喷嘴与产品管 开孔段的相对关系；而由于选用了相对较高级别的耐温和耐腐蚀性材料，本发明的产品管 在气化过程结束后一般可以回收和重复使用。
[0063] 另外，在设计本发明的产品管的过程中，所述产品管的内径一般基于产品气最大 流量(即最大氧化剂注入流量时对应的产品气流量)和相应的最大骤冷要求确定，该产品气 最大流量就是相关煤炭地下气化过程的最大生产能力；在满足支撑自重、井下工作要求以 及最大设计压力的前提下，基于标准产品管外径尺寸和重量选择最小的产品管壁厚；和确 定降负荷运行模式下产品气最小流量（即最小氧化剂注入流量时对应的产品气流量），以保 证产品气流足以夹带其中的液体和固体杂质到地面防止产品管发生堵塞，这个产品气最小 流量就是相关煤炭地下气化过程的最低降负荷生产能力。
[0064] 按照本发明，所述产品管的端部通常采用开孔管，以利于产品气进入产品管和随 后被输送到地面，所述产品管端部开孔段的长度一般可以为约1-4个完整管段，开孔孔径可 以为5-35mm、优选10-25_，所述开孔可以交错间隔排列，和开孔总面积可以为开孔段管壁 面积的5-35%、优选10-30%。
[0065] 按照本发明，所述冷却剂管也通过井口悬挂器连接在产品井上。具体地，所述冷却 剂管平行于产品管自由悬挂于井口悬挂器的偏心位置，用于将冷却剂注入到产出井井下以 冷却气化产生的产品气，和所述冷却剂管在端部连接有冷却剂喷嘴。
[0066] 按照本发明，所述冷却剂管的内径一般基于冷却剂流量和相应的结构完整性要求 来确定，冷却剂管的材料一般为不锈钢或更高级别的耐腐蚀性材料，由此，冷却剂管在气化 过程结束后一般也可以回收和重复使用。
[0067] 按照本发明，在所述冷却剂管内还可以装有一个或多个止回阀用于防止逆向气流 进入冷却剂管，其中多个止回阀主要用于备用。所述止回阀通常具有一定范围的开启压力， 可以用来维持冷却剂管内的压力，同时在冷却管内压力升高时确保向产品气骤冷区泄压。 为了保护止回阀，例如为了避免其完整性被破坏，止回阀的位置通常在产出井套管内温度 相对较低的区域，例如从井口开始计在产品管开孔段之前。所述止回阀可以为本领域技术 人员已知合适的任何类型的止回阀，例如可以为弹簧挡板阀或球+弹簧型等。
[0068] 按照本发明，所述冷却剂管端部的冷却剂喷嘴下游为产品气骤冷区，以便冷却剂 喷嘴能够喷射冷却剂到产品气骤冷区，使产品气在进入产品管之前与冷却剂充分接触和混 合而被冷却，另外，还要强调的是，其中在确定冷却剂喷嘴位置时还要考虑热效应和/或重 力效应造成的它与其它部件之间的相对位置变化，以保证冷却剂喷嘴可以一直有效地喷射 冷却剂进入其下游的产品气骤冷区内以冷却产品气。
[0069] 具体地，按照本发明，从井口开始计，对于垂直产出井，所述冷却剂喷嘴位于产品 管开孔段下方，和对于水平定向产出井，所述冷却剂喷嘴基本位于产品管端部的开孔段区 域内。
[0070] 按照本发明，所述冷却剂喷嘴可以为本领域技术人员已知合适的任何类型的喷嘴 或者可以进行具体设计，例如可以为单孔喷嘴或多孔喷嘴，喷嘴上各孔的孔径一般要大于 或等于5mm以防止结垢等引起喷嘴堵塞，其中优选为多孔喷嘴，和多孔喷嘴上的多个孔可以 按中心和外周分布，其中外周各孔可以与中心孔平行使得喷出的冷却剂以狭窄聚焦的方式 进入到产品气骤冷区，或者外周各孔可以按照与中心孔成一定角度如5-35°角、优选8-20° 角向外发散，使得喷出的冷却剂以更大覆盖面进入产品气骤冷区，利用这种具体选择或设 计的冷却剂喷嘴，可以使冷却剂与产品气更好地接触和混合，使产品气更快地被冷却到目 标温度。
[0071] 按照本发明，所使用的冷却剂可以为本领域技术人员已知合适的任何类型的冷却 剂，一般基于成本节约和利于产品气后处理的原则进行选择，例如，所述冷却剂可以选自 水、水蒸气、二氧化碳、惰性气体或液体以及冷却后的常温产品气等，所述冷却剂的注入流 量一般通过预期所要达到的冷却后产品气温度来控制，即所述冷却剂的注入流量要足以使 产品气温度降低到设定温度以下，该设定温度通常为300-350°C。
[0072] 按照本发明，当使用水和/或二氧化碳作为冷却剂时，它们可以在地面通过分离操 作进行回收和处理，并且可以随后再次注入产出井，即此时可以实现冷却剂的循环使用，进 而节约了煤炭地下气化过程的操作成本。
[0073] 另外，按照本发明，还可以使用冷却后的常温产品气作为冷却剂，这样不仅有大量 的产品气可用于此目的，而且完全不会向产品气中引入任何外部杂质，从而极大地简化了 产品气的后处理过程，这对于整个煤炭地下气化过程来说都是极为有利的。
[0074] 按照本发明，其中在冷却剂管端部的冷却剂喷嘴下游为产品气骤冷区，在该产品 气骤冷区中，冷却剂与产品气接触和混合，使所述产品气的温度骤降，一般可以由原始的 700-1000°C降低至例如400°C以下，而冷却后的产品气随后经产品管输送到地面。
[0075] 按照本发明，针对不同的产出井类型，所述产品气骤冷区采用了不同的设置方式， 以在不同情况下更有效地冷却产品气，但还要强调的是，对于产出井的设计，尤其是涉及产 品管本身或者其它部件与产品管之间的相对位置时，必须要考虑产品管的热效应和/或重 力效应造成的膨胀和/或伸长，以保证即使在存在膨胀和/或伸长时仍满足产品管本身的自 由度及其与其它部件之间的相对位置要求。
[0076] 按照本发明，对于垂直产出井来说，其中从井口开始计:套管通过水泥层固定延伸 到煤层中煤层顶部附近，产品管开孔段的长度为约2-3个完整管段，冷却剂喷嘴位于产品管 开孔段下方，由此冷却剂喷嘴下游的产品气骤冷区基本位于产出井底部，并且该产品气骤 冷区与注入井内衬管开孔段交汇，在这种情况下，冷却剂经冷却剂管输送和由冷却剂喷嘴 喷出后进入产品气骤冷区，来自气化区的产品气经注入井内衬管开孔段进入产品气骤冷 区，之后冷却剂和产品气在产品气骤冷区内接触和混合，实现产品气的冷却，而冷却后的产 品气经产品管输送到地面。
[0077] 按照本发明，对于水平定向产出井来说，所述产品气骤冷区一般设置在产出井无 水泥层自由套管段内，与无水泥层自由套管段相连的是无套管煤层钻孔段，所述无套管煤 层钻孔段通常一直延伸到产出井端部并且在内部装有产出井内衬管开孔段，所述产出井内 衬管开孔段一般用于支撑无套管煤层钻孔段以防止无套管煤层钻孔段崩塌堵塞地下气化 通道，同时在产出井端部所述产出井内衬管开孔段与注入井内衬管开孔段交汇，由此来自 气化区的产品气经注入井内衬管开孔段进入产出井内衬管开孔段，之后进入产品气骤冷 区，进而与冷却剂接触和混合，最终冷却后的产品气经产品管输送到地面。
[0078] 按照本发明，在所述无套管煤层钻孔段中的产出井内衬管开孔段基本是牺牲性 的，它将在煤层向产出井方向气化的过程中被烧掉，因此其选材不是很重要，一般采用碳钢 管即可。
[0079] 进一步，按照本发明，对于水平定向产出井来说，对于位于无水泥层自由套管段内 的产品气骤冷区来说，一般可以采用两种设置方式，具体为导流板式骤冷区和间隙式骤冷 区。
[0080] 按照本发明，对于水平定向产出井的产品气骤冷区来说，当按照导流板式骤冷区 来设置时，所述产品管开孔段从无水泥层自由套管段的起点开始一直延伸到无套管煤层钻 孔段并且与其内部的产出井内衬管开孔段相连，其中在产品管开孔段内、优选在距其终端 约1-2个完整管段处装有导流板以强化产品气与冷却剂之间的接触和混合，具体地，所述导 流板在保证井系统连通的同时限制流通流量，由此在产品气经产出井内衬管开孔段进入产 品管开孔段后，所述导流板引导产品气从导流板上游的产品管开孔段部分流出与经冷却剂 喷嘴喷出的冷却剂接触和混合，然后冷却后的产品气经导流板下游的产品管开孔段部分进 入产品管被输送到地面，其中冷却剂喷嘴位于所述导流板附近，优选位于所述导流板上下 游2.0米以内，更优选位于所述导流板上下游1.0米以内。
[0081] 按照本发明，对于水平定向产出井的产品气骤冷区来说，当按照间隙式骤冷区来 设置时，所述产品管开孔段从无水泥层自由套管段的起点开始延伸，但在距离无套管煤层 钻孔段约1-2个完整管段处停止延伸，由此在产品管开孔段与产出井内衬管开孔段之间断 开形成一段间隙，该段间隙被用作产品气骤冷区，产品气经产出井内衬管开孔段直接进入 产品气骤冷区与经冷却剂喷嘴喷出的冷却剂接触和混合，然后冷却后的产品气经产品管开 孔段进入产品管被输送到地面，其中冷却剂喷嘴位于所述产品管开孔段端部附近，优选位 于所述产品管开孔段端部上下游2.0米以内，更优选位于所述产品管开孔段端部上下游1.0 米以内。
[0082]因此，按照本发明，通过在产出井设备内组合带有特定冷却剂喷嘴的冷却剂管和 利用独特设计的产品气骤冷区，即时且有效地冷却了煤炭地下气化过程的高温产品气，从 而极大地减轻了所述产品气后续处理过程的热负荷，为现有技术带来了进步。
[0083]下面参考附图进一步描述本发明的实施方案。
[0084] 图1给出了本发明的产出井设备的一种实施方案，其中所述产出井为垂直产出井， 和其中产品气骤冷区位于产出井底部。如图1所示，其中：来自气化区的约700-1000 °C的高 温产品气11经注入井内衬管开孔段17和注入井煤层钻孔16进入产品气骤冷区10;冷却剂在 地面井口处经冷却剂入口 13注入、沿冷却剂管3向下流过止回阀4和经冷却剂喷嘴5喷射进 入产品气骤冷区10;止回阀4设有开启压力，这样在无冷却剂注入时也能保证冷却剂管3内 的压力;通过监测仪表系统7内的温度传感器检测产品管开孔段2起点附近的温度并反馈给 控制系统;冷却剂6在产品气骤冷区10内与高温产品气接触和混合，将产品气冷却到300-350°C ;冷却后的产品气经产品管开孔段2进入产品管1和之后经产品管出口 12离开井口设 备进入地面工艺管道;产品管1、冷却剂管3和监测仪表系统7均安装在产出井套管8内部;套 管8通过高温水泥层9固定在产出井井孔中和从地面井口位置一直延伸到煤层18顶部附近； 套管8内壁与产品管1、冷却剂管3和监测仪表系统7之间的环隙可作为异常运行时的备用泄 压通道，此时产品气可通过井口设备上的套管环隙出口 15流出。
[0085] 图2给出了本发明的产出井设备的另一个实施方案，其中所述产出井为水平定向 产出井，其中产品气骤冷区位于产出井无水泥层自由套管段端部，其中在产品管开孔段内 设有导流板来强化产品气与冷却剂之间的接触和混合。如图2所示，其中：产品气骤冷区10 位于产出井无水泥层自由套管段20的端部;来自气化区的约700-1000 °C的高温产品气11经 产出井内衬管开孔段23和产出井煤层钻孔21流入产品管开孔段2;设置在产品管开孔段2内 部的导流板19引导产品气进入产品气骤冷区10，在其中与冷却剂接触和混合，之后产品气 与冷却剂一起经导流板19下游的产品管开孔段部分进入产品管1;通过监测仪表系统7检测 产品管开孔段2起点附近的温度并反馈给控制系统，由此控制冷却剂入口 13的冷却剂流量， 使得该温度低于设定值(例如300-350°C)。对于水平定向产出井，套管8通过高温水泥层9固 定在井孔中，所述高温水泥层从地面井口位置开始一直延伸到与煤层底板平行的位置。
[0086] 图3给出了本发明的产出井设备的另一个实施方案，其中所述产出井为水平定向 产出井，其中产品气骤冷区位于产出井无水泥层自由套管段端部和由产品管开孔段与产出 井内衬管开孔段之间的间隙形成。如图3所示，其中：在产出井无水泥层自由套管段20的端 部，产品管开孔段2与产出井内衬管开孔段23之间断开一段间隙22,该间隙22形成产品气骤 冷区10，在此冷却剂与高温产品气接触和混合;其余部件与图2基本一致。
[0087] 本发明并不局限于以上所述实施方案，对于本领域的技术人员来说，本发明还可 以有各种变化和调整，只要不偏离本发明的精神和原则，所述变化和调整均应在本发明范 围内。
【主权项】
1. 一种用于煤炭地下气化过程的产出井设备，所述产出井设备包括井口设备和套管以 及位于套管内的产品管、冷却剂管和监测仪表系统，其中： 所述套管用于加固和隔离产出井井孔，它采用接箍和螺纹进行连接和通过水泥层固定 在产出井井孔中； 所述产品管用于将气化产生的产品气从产出井井下输送到地面，它在端部设有开孔 段； 所述冷却剂管用于将冷却剂注入到产出井井下以冷却气化产生的产品气，它在端部连 接有冷却剂喷嘴； 所述监测仪表系统从井口向下延伸和固定在产品管端部开孔段起点附近，其中包括设 置在保护套管内的温度、压力和声波传感器;和 所述井口设备气密性封堵所述套管和包括用于监测仪表系统的仪表压紧接头端口、用 于产品管的产品气出口、用于套管的套管环隙出口和用于冷却剂管的冷却剂入口； 其中在冷却剂喷嘴下游为产品气骤冷区，其中气化产生的产品气与经冷却剂喷嘴喷出 的冷却剂接触和混合而被冷却，条件是预期的热效应和/或重力效应造成的膨胀和/或伸长 不影响各部件本身的自由度及各部件之间的相对位置。2. 权利要求1所述的产出井设备，还包括井口悬挂器，所述井口悬挂器用于在中心位置 自由悬挂产品管和在偏心位置平行自由悬挂冷却剂管。3. 权利要求1或2所述的产出井设备，其中产品管端部开孔段的长度为约1-4个完整管 段，开孔孔径为5-35mm、优选10-25mm，所述开孔交错间隔排列，和开孔总面积为开孔段管壁 面积的5-35%、优选10-30%。4. 权利要求1-3任一项所述的产出井设备，其中在冷却剂管内还安装有一个或多个止 回阀用于防止逆向气流进入冷却剂管，所述止回阀的位置从井口开始计位于产品管端部开 孔段之前。5. 权利要求1-4任一项所述的产出井设备，其中所述冷却剂喷嘴为孔径大于或等于5mm 的单孔喷嘴或多孔喷嘴，其中多孔喷嘴上的多个孔按中心和外周分布且外周各孔与中心孔 平行或按照与中心孔成5-35°角、优选8-20°角向外发散。6. 权利要求1-5任一项所述的产出井设备，所述产出井为垂直产出井，其中从井口开始 计:所述套管通过水泥层固定延伸到煤层顶部附近;所述产品管端部开孔段的长度为约2-3 个完整管段;所述冷却剂喷嘴位于产品管端部开孔段下方;和所述产品气骤冷区位于产出 井底部。7. 权利要求1-6任一项所述的产出井设备，所述产出井为水平定向产出井，其中从井口 开始计:所述套管通过水泥层固定延伸到煤层中水平位置附近或与煤层底板平行的位置附 近，然后是无水泥层的自由套管段，最后是无套管煤层钻孔段一直延伸到产出井端部，其中 在无套管煤层钻孔段内装有产出井内衬管开孔段;和所述产品气骤冷区位于产出井无水泥 层自由套管段内。8. 权利要求7所述的产出井设备，其中所述产品气骤冷区为导流板式骤冷区，其中所述 产品管开孔段从无水泥层自由套管段的起点开始一直延伸到无套管煤层钻孔段并且与其 内部的产出井内衬管开孔段相连，其中在产品管开孔段内、优选在距其终端约1-2个完整管 段处装有导流板以强化产品气与冷却剂之间的接触和混合，其中所述冷却剂喷嘴位于所述 导流板附近，优选位于所述导流板上下游2.0米以内，更优选位于所述导流板上下游1.0米 以内。9. 权利要求7所述的产出井设备，其中所述产品气骤冷区为间隙式骤冷区，其中所述产 品管开孔段从无水泥层自由套管段的起点开始延伸，但在距离无套管煤层钻孔段约1-2个 完整管段处停止延伸，在产品管开孔段与产出井内衬管开孔段之间的间隙用作产品气骤冷 区，其中冷却剂喷嘴位于所述产品管开孔段端部附近，优选位于所述产品管开孔段端部上 下游2.0米以内，更优选位于所述产品管开孔段端部上下游1.0米以内。10. -种煤炭地下气化方法，其中在地下煤层中设有用于煤炭地下气化的完井系统，其 中利用权利要求1 -9任一项的产出井设备，其中经冷却剂管向产出井井下注入冷却剂以冷 却气化产生的产品气和冷却后的产品气经产品管输送到地面，所述冷却剂选自水、水蒸气、 二氧化碳、惰性气体或液体以及冷却后的常温产品气，和冷却剂的注入流量足以使井下产 品气温度降低到设定值以下。11. 权利要求1 〇所述的方法，其中所述监测仪表系统获取产出井内的温度、压力和声波 信号并反馈给井口附近的控制系统，其中温度信号用于控制冷却剂流量、压力信号用于监 测产出井井下压力和声波信号用于监测产出井井下情况，其中所述温度、压力和声波传感 器均为基于光纤时域反射测量技术的分布式感应光纤，和所述温度传感器附加或替代地为 双金属护套Κ型双探头热电偶，其中当产品管端部开孔段起点附近温度和/或产出井井口温 度超过它们的设定值时立即切断氧化剂注入停止气化过程。12. 权利要求10或11所述的方法，其中套管内壁与各管件之间的环隙在点火阶段用惰 性气体吹扫并封堵以防止产品气和/或冷却剂进入其中，和在非正常运行时用作井系统的 泄压通道以防止地层/煤层承受过高压力。13. 权利要求10-12任一项所述的方法，其中对于垂直产出井，位于产出井底部的产品 气骤冷区与注入井内衬管开孔段交汇，由此气化产生的产品气经注入井内衬管开孔段进入 产品气骤冷区与冷却剂接触和混合和在冷却后经产品管输送到地面。14. 权利要求10-12任一项所述的方法，其中对于水平定向产出井，在无套管煤层钻孔 段内的产出井内衬管开孔段与注入井内衬管开孔段交汇，由此气化产生的产品气经注入井 内衬管开孔段进入产出井内衬管开孔段、之后进入产品气骤冷区中与冷却剂接触和混合和 在冷却后经产品管输送到地面。15. 权利要求14所述的方法，其中当产品气骤冷区为导流板式骤冷区时，产品气经产出 井内衬管开孔段进入产品管开孔段，所述导流板引导产品气通过导流板上游的产品管开孔 段部分流出与经冷却剂喷嘴喷出的冷却剂接触和混合，然后冷却后的产品气经导流板下游 的产品管开孔段部分进入产品管被输送到地面。16. 权利要求14所述的方法，其中当产品气骤冷区为间隙式骤冷区时，产品气经产出井 内衬管开孔段直接进入产品气骤冷区与经冷却剂喷嘴喷出的冷却剂接触和混合，然后冷却 后的产品气经产品管开孔段进入产品管被输送到地面。17. 权利要求10-16任一项所述的方法，其中使用水和/或二氧化碳作为冷却剂，所述水 和/或二氧化碳在地面回收和处理后再次注入产出井，由此循环用作冷却剂。18. 权利要求10-16任一项所述的方法，其中使用冷却后的常温产品气作为冷却剂，由 此避免向产品气中引入任何外部杂质和简化产品气后处理过程。
【文档编号】E21B47/07GK106089179SQ201610712514
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月24日
【发明人】卡斯珀·扬·亨德利克·伯格, 汪原理, 闵振华
【申请人】中为(上海)能源技术有限公司