煤层等离子点火系统和方法

本发明涉及煤层气化，尤其涉及一种煤层等离子点火系统和方法。

背景技术：

1、煤层原位气化技术集建井、采煤与转化为一体，将物理采煤变为化学采煤，即把高分子结构的固体煤转变为低分子结构的可燃气体，省去机械开采、运输、洗选以及利用过程中的建炉等过程，因而具有安全性好、投资少、效率高、污染少、效益高等优点。实施煤层原位气化过程的首要条件是建立煤层的燃烧区，一旦煤层点燃，再加以有效的控制利用，就可以实现稳定产气。但是煤层超长的距离、狭窄的通道、受地下水影响、钻孔淤积等各种干扰因素的存在，给煤层点火带来了许多困难；此外，即使前期煤层燃烧区建立起后，当气化空腔发展到一定程度后，反应条件恶化，煤气品质下降，需重后撤建立新的燃烧区。所以，可克服地下复杂因素干扰并实现在煤层任意位置快速建立燃烧区的点火方法，对煤层原位气化来说举足轻重。

2、目前煤层常用的建立燃烧区方法有点火和引火两种方式。点火方式主要包括固体火箭弹点火、固体燃料点火、液体燃料点火、化学点火、高能燃料点火、电点火、燃气点火等，其中固体火箭弹点火、固体燃料点火、液体燃料点火、化学点火在生产井内点火，无法实现煤层通道任意位置点火；高能燃料点火、电点火与燃气点火可实现煤层通道任意位置点火，但操作复杂、可控性差，受煤层涌水、煤层、岩层以及夹矸淤积钻孔影响，常出现无法点燃或者对注入设备造成严重破坏，使煤层气化无法继续开展。不重复进行点火操作，一般采用气化剂引火重新建立燃烧区，但是该方法仅在短距离后撤操作时适用，一旦在长距离后撤或煤层涌水过多，钻孔淤积严重等情况下即无法实现引火或引火时间过长，影响正常煤层气化生产。因此，煤层气化高效规模化运行亟需一种可控性强、抗干扰能力强并可在煤层任意位置建立燃烧区的点火技术。

3、在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种煤层等离子点火系统和方法，等离子体具有高焓值高能量密度等特点，可使煤层快速升温并点燃，克服地下煤层涌水过多，钻孔淤积严重等复杂因素干扰并实现在煤层任意位置快速建立燃烧区，解决了煤层点火面临的可控性差、无法实现快速精准建立燃烧区问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明的一种煤层等离子点火系统包括：

4、生产井，其自地面朝煤层向下延伸且进入所述煤层中；

5、注气井，其自地面朝煤层向下延伸且所述注气井间隔所述生产井，所述煤层中设有连通生产井和注气井的煤层通道；

6、生产套管，其上端设于注气井井口，下端延伸到所述煤层中的煤层通道；

7、柔性卷曲管，其安装于生产套管内，柔性卷曲管的上端位于地面且柔性卷曲管随生产油管延伸至煤层通道中，柔性卷曲管经由地面驱动装置在生产油管中移动；

8、水注入口，其连通于所述生产套管和所述柔性卷曲管之间的间隙以将水导入煤层通道，

9、二氧化碳注入口，其连通于所述生产套管和所述柔性卷曲管之间的间隙以将二氧化碳导入煤层通道，

10、等离子点火装置，其安装于柔性卷曲管下端的端部以随柔性卷曲管移动而移动，所述等离子点火装置包括，

11、等离子炬本体，其固定连接柔性卷曲管，

12、阳极，其设于所述等离子炬本体的底部，所述阳极经由阳极接线柱连接电源阳极，

13、阴极，其设于所述等离子炬本体中且相对地间隔所述阳极布置，所述阴极经由阴极接线柱连接电源阴极，

14、工质空气注入口，其设于所述等离子炬本体远离所述底部的顶端，以将工质空气输送到阴极与阳极之间以在煤层中点火，来自所述水注入口的水和来自二氧化碳注入口的二氧化碳作为气化剂进行煤层气化产生煤气，所述煤气经由所述生产井输出。

15、所述的一种煤层等离子点火系统中，所述等离子炬本体内设有连接所述工质空气注入口的气体旋流器以将均匀分布工质空气。

16、所述的一种煤层等离子点火系统中，所述等离子炬本体还包括阳极冷却剂入口、阴极冷却剂入口和冷却剂出口，所述阳极连接阳极冷却剂入口以导入冷却剂，所述阴极连接阴极冷却剂入口以导入冷却剂，冷却剂出口连接所述阳极和阴极以导出冷却剂。

17、所述的一种煤层等离子点火系统中，所述阳极冷却剂入口和阴极冷却剂入口经由在柔性卷曲管内延伸的冷却剂输送管连通地面上的冷却剂入口部，冷却剂出口经由在柔性卷曲管内延伸的接冷却剂回流管连通地面上的冷却剂出口部。

18、所述的一种煤层等离子点火系统中，所述冷却剂出口连通到柔性卷曲管以煤层助燃。

19、所述的一种煤层等离子点火系统中，所阳极接线柱和阴极接线柱均连接等离子炬电缆，等离子炬电缆在柔性卷曲管内延伸并连通地面上的电源，所述工质空气注入口连接空气管，空气管在柔性卷曲管内延伸并连通地面的空气压缩系统。

20、所述的一种煤层等离子点火系统中，所述阳极为拉法尔结构，阳极一侧进冷却剂，另一侧排出冷却剂，冷却剂采用下进上出的形式。

21、所述的一种煤层等离子点火系统中，所述阴极与阴极接线柱经由中空管道连接，阴极冷却剂输入管穿入所述中空管道且阴极冷却剂输入管一端连接阴极冷却剂入口，另一端深入所述阴极与阴极之间保持空隙1-10mm，冷却剂返回至阴极冷却剂输入管与中空管道之间的环形空间，环形空间连通所述中空管道的顶端出口排出冷却剂。

22、利用煤层等离子点火系统的煤层气化方法包括，

23、工质空气注入口可控地注入工质空气到阴极和阳极之间，设置等离子点火装置电流参数，启动等离子点火装置以在煤层中点火，来自水注入口的水和来自二氧化碳注入口的二氧化碳作为气化剂进行煤层气化产生煤气，

24、阳极冷却剂入口和阴极冷却剂入口分别将冷却剂导入阳极和阴极以进行冷却，在等离子点火装置运行过程中，基于等离子炬冷却剂温度调整等离子炬冷却剂流量和温度，避免等离子炬温度超过预定温度，

25、柔性卷曲管经由地面驱动装置在生产油管中移动以持续气化煤层，根据生产井h2与co含量，调节等离子炬二氧化碳流量和电流，所述煤气经由所述生产井输出。

26、所述的方法中，等离子点火装置电源的实际电流与预定电流相差±10a以内，则等离子点火装置启动起弧成功，如实际电流为零或者低于预定电流，则起弧失败，重复等离子点火装置启动操作。

27、在上述技术方案中，本发明提供的一种煤层等离子点火系统，具有以下有益效果：克服地下煤层涌水过多，钻孔淤积严重等复杂因素干扰并实现在煤层任意位置快速建立燃烧区，此外，等离子炬是电气控制，可控性强，启停方便，适用于现代煤层气化工艺，生产效率得到极大提高，并实现了煤层负碳开发，也可用于石油热采、油页岩等的开发。

技术特征：

1.一种煤层等离子点火系统，其特征在于，其包括，

2.根据权利要求1所述的一种煤层等离子点火系统，其特征在于，所述等离子炬本体内设有连接所述工质空气注入口的气体旋流器以将均匀分布工质空气。

3.根据权利要求1所述的一种煤层等离子点火系统，其特征在于，所述等离子炬本体还包括阳极冷却剂入口、阴极冷却剂入口和冷却剂出口，所述阳极连接阳极冷却剂入口以导入冷却剂，所述阴极连接阴极冷却剂入口以导入冷却剂，冷却剂出口连接所述阳极和阴极以导出冷却剂。

4.根据权利要求3所述的一种煤层等离子点火系统，其特征在于，所述阳极冷却剂入口和阴极冷却剂入口经由在柔性卷曲管内延伸的冷却剂输送管连通地面上的冷却剂入口部，冷却剂出口经由在柔性卷曲管内延伸的接冷却剂回流管连通地面上的冷却剂出口部。

5.根据权利要求4所述的一种煤层等离子点火系统，其特征在于，所述冷却剂出口连通到柔性卷曲管以煤层助燃。

6.根据权利要求5所述的一种煤层等离子点火系统，其特征在于，所阳极接线柱和阴极接线柱均连接等离子炬电缆，等离子炬电缆在柔性卷曲管内延伸并连通地面上的电源，所述工质空气注入口连接空气管，空气管在柔性卷曲管内延伸并连通地面的空气压缩系统。

7.根据权利要求1所述的一种煤层等离子点火系统，其特征在于，所述阳极为拉法尔结构，阳极一侧进冷却剂，另一侧排出冷却剂，冷却剂采用下进上出的形式。

8.根据权利要求1所述的一种煤层等离子点火系统，其特征在于，所述阴极与阴极接线柱经由中空管道连接，阴极冷却剂输入管穿入所述中空管道且阴极冷却剂输入管一端连接阴极冷却剂入口，另一端深入所述阴极与阴极之间保持空隙1-10mm，冷却剂返回至阴极冷却剂输入管与中空管道之间的环形空间，环形空间连通所述中空管道的顶端出口排出冷却剂。

9.一种利用权利要求1-8中任一项所述的一种煤层等离子点火系统的煤层气化方法，其特征在于，其包括，

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，等离子点火装置电源的实际电流与预定电流相差±10a以内，则等离子点火装置启动起弧成功，如实际电流为零或者低于预定电流，则起弧失败，重复等离子点火装置启动操作。

技术总结
一种煤层等离子点火系统和方法，系统中，注气井自地面朝煤层向下延伸且注气井间隔生产井，煤层中设有连通生产井和注气井的煤层通道；生产套管上端设于注气井井口，下端延伸到煤层中的煤层通道；柔性卷曲管安装于生产套管内，柔性卷曲管的上端位于地面且柔性卷曲管随生产油管延伸至煤层通道中，等离子点火装置安装于柔性卷曲管下端的端部以随柔性卷曲管移动而移动，工质空气注入口设于等离子炬本体远离底部的顶端，以将工质空气输送到阴极与阳极之间以在煤层中点火，来自水注入口的水和来自二氧化碳注入口的二氧化碳作为气化剂进行煤层气化产生煤气，煤气经由生产井输出。本系统及方法快速等离子点火及快速建立燃烧区。

技术研发人员：戚川,刘岳明,刘淑琴,林雄超
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15