煤炭地下气化炉、以及煤炭地下气化方法
【专利摘要】本发明提供一种煤炭地下气化炉，包括：点火系统，具有第一竖直钻井（1）、以及与第一竖直钻井导通的第一水平定向钻井（a），注气系统，具有通入煤层的第二钻井，第二钻井为水平段在煤层中的至少一个第二水平定向钻井（b、c、d、e、f）。还提供煤炭地下气化方法。本发明消除现有技术气化生产阶段中贯通速度慢、结构不稳定的缺陷。
【专利说明】煤炭地下气化炉、以及煤炭地下气化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种煤炭地下气化炉，以及煤炭地下气化方法。
【背景技术】
[0002]煤炭地下气化就是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热作用及化学作用而产生可燃气体的过程。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。
[0003]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。
[0004]只有一对进/出气井的气化炉型产气量比较小，较小的燃烧区难以积聚大量热能，相应的热损失比较大，抵御地下水入侵气化炉、煤层顶板冒落造成堵塞的能力弱，进而，气化过程也难以稳定进行。目前的气化炉已经发展成众多的钻孔通过钻孔类型(竖直井、水平定向钻井)、钻孔间距、气化时气流的走向和燃烧区走向等组合出各种类型的地下气化炉，能够成倍地提高煤气产量、气化过程的稳定性、煤层的采收率，而且能够有效降低地下水入侵、顶板冒落、热损失等的风险。
[0005]因此，气化炉型是决定气化过程成败的关键因素之一。
[0006]现有技术一:安格林的地下气化单元炉型。由于安格林地下气化站建立时间比较久(20世纪四十年代)，地质条件特殊，主要沿用竖直钻井，附带使用定向钻井，密集地打竖直钻井，通过空气压裂贯通，引导燃烧区移动，如图1所示。
[0007]现有技术二:专利200810119354.2，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贯通多个竖直钻孔形成“一”线炉作为出气列，即图2中的贯通口至6#—线，高压火力贯通另外多个竖直钻孔形成“一”线炉作为气化列，即6#至9# 一线，两者共同组成“L”型地下气化炉。在扩大生产阶段，气化炉形成后，将会在5#至9# 一线的3# 一侧打与5#?9#的第一排竖直孔，进行高压火力与5#?9#的贯通，依次打第η排竖直钻孔，引导燃烧面向贯通口方向移动，产出的煤气从贯通口至6# —线上的钻孔排至地面。
[0008]现有技术一的缺点在于空气压裂贯通方向性差、贯通速度慢。
[0009]现有技术二的缺点在于:①气化炉的构建难度大、结构不够稳定，一个水平定向钻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；②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。
【发明内容】
[0010]针对现有技术的相关技术问题，本发明的目的在于提供一种煤炭地下气化炉、以及煤炭地下气化方法，从而至少消除现有技术中气化生产阶段贯通速度慢、结构不稳定的缺陷。
[0011]一方面，本发明提供一种煤炭地下气化炉，包括:点火系统，具有通入煤层的第一竖直钻井、以及水平段在煤层中且与第一竖直钻井导通的第一水平定向钻井，注气系统，具有通入煤层的第二钻井，与所述第一水平定向钻井导通，所述第二钻井为水平段在煤层中的至少一个第二水平定向钻井。
[0012]优选地，所述第一水平定向钻井以火力扩孔的方式与所述第二水平定向钻井导通。
[0013]优选地，所述第二钻井为彼此平行的至少两个所述第二水平定向钻井，沿与第一水平定向钻井相交的方向布置在其一侧或两侧。
[0014]优选地，所述第二水平定向钻井与第一水平定向钻井呈30° -90°的夹角。
[0015]优选地，沿所述第一水平定向钻井设有至少一个第二竖直钻井，其中，通过第一水平定向钻井的火力扩孔，所有第二竖直钻井彼此连通以构成出气井。
[0016]优选地，所述第一水平定向钻井的水平段末端，以火力贯通或定向爆破或冷态压裂方式与所述第一竖直钻井导通。
[0017]优选地，所述第一水平定向钻井的水平段末端，与所述第一竖直钻井直接贯通。
[0018]优选地，所述第二钻井为至少两个所述第二水平定向钻井，布置在第一水平定向钻井的同一侧，其中一个第二水平定向钻井指向并以压裂贯通方式与所述第一竖直钻井导通，沿该一个第二水平定向钻井布置有至少一个第三竖直钻井，其中，该一个第二水平定向钻井通过火力扩孔与第三竖直钻井导通并一起构成出气井。
[0019]优选地，所有钻井(包括水平定向钻井和竖直井)中，每个钻井的位于煤层中的裸孔段均由支护装置支护。
[0020]优选地，所述支护装置为筛管或无缝管。
[0021]优选地，至少在一个所述第二水平定向钻井中设有可拖拽的气化剂通入管，其注气端随所述气化剂通入管的被拖拽而移动。
[0022]另一方面本发明提供一种煤炭地下气化方法，包括:构建煤炭地下气化炉步骤，所述煤炭地下气化炉为本发明前述任一煤炭地下气化炉；以及在构建的气化炉中进行气化的步骤，其包括:引导第一水平定向钻井的燃烧火区在第二水平定向钻井中后退，直至后退到所述第二水平定向钻井的入煤点附近。
[0023]优选地，构建煤炭地下气化炉的步骤包括如下依次进行的子步骤1-2:子步骤1:按先后次序依次钻出:通入煤层的第一竖直钻井、水平段在煤层中的第一水平定向钻井、沿第一水平定向钻井布置的至少两个第二竖直钻井、以及布置在第一水平定向钻井一侧或两侧且水平段在煤层中的至少两个第二水平定向钻井，所钻出的所有这些钻井彼此隔断；以及子步骤2，先导通所述第一水平定向钻井与所述第一竖直钻井，然后在所述第一竖直钻井底部点燃煤层，从第一水平定向钻井注入气化剂，引导燃烧火区移动以对所述第一水平定向钻井火力扩孔，直至与所述子步骤I中其余所有钻井导通。
[0024]优选地，在对所述第一水平定向钻井进行所述火力扩孔的同时，在所述第二水平定向钻井中通入压力空气，该压力空气的压力大于所述第一水平定向钻井中的压力。
[0025]优选地，所述子步骤2中的引导所述燃烧火区移动，通过拖拽所述第一水平定向钻井中连续油管使其注气端移动而进行。[0026]优选地，逆着煤层裂隙的发育方向，向第一竖直钻井钻第一水平定向钻井。
[0027]优选地，构建煤炭地下气化炉的步骤包括如下依次进行的子步骤1-3:子步骤1:沿煤层裂隙发育方向依次钻出通入煤层的彼此间隔开的第一竖直钻井和至少两第二竖直钻井，再逆着煤层裂隙发育方向向第一竖直钻井的方向打第一水平定向钻井，其在煤层中贯通第一竖直钻井和一部分第二竖直钻井；子步骤2:在第一水平定向钻井的一侧，钻出末端指向第一水平定向钻井的至少两个第二水平定向钻井，其中一部分第二水平定向钻井的末端与第一水平定向钻井相通，而另一部分第二水平定向钻井的末端与第一水平定向钻井相距一定距离，子步骤3:在第一水平定向钻井下入连续油管，从连续油管的注气端向第一水平定向钻井注入气化剂，在第一竖直钻井底部点燃煤层，拖拽连续油管引导燃烧火区移动以对所述第一水平定向钻井火力扩孔，直至与所述另一部分第二水平定向钻井和另一部分第二竖直钻井贯通。
[0028]优选地，所述子步骤2还包括:在第一水平定向钻井的一侧，打第四竖直钻井至煤层中，并且分别一一对应地与第二水平定向钻井贯通，在构建的气化炉中进行气化的过程中，当第二水平定向钻井中的燃烧火区移至第四竖直钻井下时，将第四竖直钻井替换第一竖直钻井、第二竖直钻井和第一水平定向钻井作为出气井。
[0029]优选地，当拖拽一部分第二水平定向钻井中气化剂通入管移动燃烧火区时，以另一部分第二水平定向钻井为出气井，其中，该另一部分第二水平定向钻井在作为出气井的情形下其中的气化剂通入管被撤出，并且第一水平定向钻井、第一竖直钻井和所设有第二竖直钻井被关闭。
[0030]优选地，构建煤炭地下气化炉的步骤包括:(1)构建气化炉点火系统和出气系统，其包括:依次钻出通入煤层的以下钻井:第一竖直钻井、互相垂直且水平段在煤层中的第一水平定向钻井和一个第二水平定向钻井、沿这两个水平定向钻井分别交叉布置的第二竖直钻井和第三竖直钻井；然后，将这两个水平定向钻井与第一竖直钻井压裂贯通，之后火力扩孔第一水平定向钻井直至贯通沿线的第二竖直钻井形成点火系统，以及火力扩孔第二水平定向钻井直至贯通沿线的第三竖直钻井形成出气系统；以及(II)在构建气化炉点火系统和出气系统的同时，打与所述的一个第二水平定向钻井平行的其它第二水平定向钻井，其水平段在煤层中、且水平段末端指向第一水平定向钻井并通过压力气体压裂方式与第一水平定向钻井贯通。
[0031]优选地，所述火力扩孔实施为:在第一竖直钻井点燃煤层，拖拽第一水平定向钻井和所述的一个第二水平定向钻井中连续油管的注气端，引导燃烧火区沿着这两个水平定向钻井移动进行火力扩孔。
[0032]本发明煤炭地下气化炉以及煤炭地下气化的有益技术效果在于:消除现有技术气化生产阶段中贯通速度慢、结构不稳定的缺陷。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1是现有技术一中安格林地下气化单元炉的示意图；
[0034]图2是现有技术二中“L”形地下气化炉结构的示意图；
[0035]图3是本发明煤炭地下气化炉成型之前的煤炭地下气化炉框架结构的示意图；
[0036]图4是本发明煤炭地下气化炉的实施例1的煤炭地下气化炉框架结构图；[0037]图5是本发明煤炭地下气化炉的实施例2的煤炭地下气化炉框架结构图；
[0038]图6是本发明煤炭地下气化炉的实施例3的煤炭地下气化炉框架结构图；
[0039]图7是本发明煤炭地下气化炉的实施例4的煤炭地下气化炉框架结构图。
【具体实施方式】
[0040]以下參见附图3-7描述本发明煤炭地下气化炉以及煤炭地下气化方法的【具体实施方式】。
[0041]图3示出煤炭地下气化炉框架结构的ー个示例，其中各个钻井彼此隔断(即不导通，或者相距一定距离、或者彼此隔离开)，当各钻井导通时，煤炭地下气化炉框架就被构建成煤炭地下气化炉。因此，參见图3描述本发明煤炭地下气化炉，其包括:点火系统和注气系统。点火系统具有通入煤层的第一竖直钻井1、以及水平段在煤层中且与第一竖直钻井I导通的第一水平定向钻井a ;注气系统具有通入煤层的第二钻井，该第二钻井与第一水平定向钻井a导通，其中第二钻井为水平段在煤层中的至少ー个第二水平定向钻井b、c、d、e、
fo
[0042]作为ー种优选方式，可以至少在ー个第二水平定向钻井b、C、d、e、f中设有可拖拽的气化剂通入管，其注气端随气化剂通入管的被拖拽而移动。
[0043]以下继续參见图3，从以下(I)- (3)，详细描述本发明煤炭地下气化炉及煤炭地下气化方法的ー个不例:
[0044](I)气化炉型框架构建阶段:根据地质资料确定待气化煤层裂隙发育方向，先在煤层某一点打一第一竖直钻井I至煤层中下部，逆着煤层裂隙发育方向打第一水平定向钻井a，第一水平定向钻井a的水平段位于煤层中下部，末端指向第一竖直钻井1，并与之相距5?20m,构成点火系统；然后,在第一水平定向钻井a的两侧5?20m、相互间隔30?50m打第二竖直钻井2?6，钻至煤层中下部，形成出气系统。最后，再在与第一水平定向钻井a优选地呈30°?90°夹角(这里的夹角是第一水平定向钻井、与第二水平定向钻井在地面上投影的夹角)的方向钻出多个彼此平行的第二水平定向钻井b?f，构成进气系统，这些第二水平定向钻井b?f的末端与第一水平定向钻井a隔断(即，不导通)，且相距5?20m。这个距离是根据火力扩孔后通道的半径加上煤层受热后裂隙发育的长度进行估算的，每钻完一口井最好在煤层裸孔段下入支护装置进行钻孔支护，支护装置可以是筛管或无缝管，材质可以是PVC、可燃材料、或玻璃钢，优选无缝玻璃钢管。
[0045](2)气化阶段:目的是使地下气化炉成型并开始规模化生产。首先，通过定向爆破、冷态压裂或火力贯通第一水平定向钻井a与第一竖直钻井I ;然后，在第一竖直钻井I底部点燃煤层，从第一水平定向钻井a注入气化剂，引导燃烧火区向第二竖直钻井6的方向移动(即后退式移动)，燃烧第一水平定向钻井a周围的煤层以扩大第一水平定向钻井a的直径，在此过程中，最好在第二竖直钻井2?6和水平定向钻井b?f中加压(通过连续油管加压)，压カ略高于第一水平定向钻井a的压力，通过第二竖直钻井2?6和水平定向钻井b?f的压カ变化判断是否与第一水平定向钻井a导通。也可以不对第二竖直钻井2?6和第二水平定向钻井b?f加压，第一水平定向钻井a水平段的煤层燃烧直至将所有竖直钻井和定向钻井都与燃烧区导通，煤炭地下气化炉的构建才算完成。即，在煤炭地下气化炉中，第一水平定向钻井a通过火力扩孔与所有第二竖直钻井2?6贯通、以及与第二水平定向钻井b?f贯通。
[0046](3)最后，选择一部分钻井当出气系统，一部分钻井当进气系统，将连续油管的注气端下入进气系统的各个钻井，通过连续油管控制注气速率，气化注气端前方的煤层，当生产的煤气中的有效组分的含量有明显下降时，通过地面拖拽设备将连续油管注气端后撤20?30m，继续注气引导燃烧区向连续油管方向移动，等煤气中有效组分含量再次明显下降时，再次后撤连续油管，直至燃烧区扩展至定向钻井入煤点附近。
[0047]根据煤气的用途，在压裂、火力贯通和气化阶段，使用的气体最好一致，以免给煤气的后续工段造成不良影响。比如，煤气用于燃烧发电，各阶段用气最好都是富氧空气；煤气用于合成甲烷，各阶段用气最好都是纯氧水蒸汽、纯氧或者纯氧/ 二氧化碳。
[0048]以下从实施1-实施例4，进一步说明本发明煤炭地下气化炉、以及煤炭地下气化方法。
[0049]「实施例1l
[0050]以某处500m埋深的水平IOm厚烟煤煤层为例说明本发明的煤炭地下气化炉及煤炭地下气化方法。
[0051 ] 首先，参见图4在建设地下气化炉的选定区域打一第一竖直钻井I至煤层中下部，逆着煤层裂隙发育方向向第一竖直钻井I打第一水平定向钻井a，第一水平定向钻井a在煤层中下部的水平钻孔的长度为250m，在第一水平定向钻井a的两侧5m左右、每间隔25m打一第二竖直钻井2?7至煤层中下部，第二竖直钻井2?7交替分布在第一水平定向钻井a的两侧。
[0052]然后，在第一水平定向钻井a的两侧，从远处向定向钻a打多个相互平行的第二水平定向钻b?k，在煤层中下部的水平钻井长度均在200m以上，相邻两个第二水平定向钻井间距25m，打至距离第一水平定向钻井a约5m左右，即与第一水平定向钻井a隔断(B卩，不导通)。不论是竖直钻井还是水平井，在完井之后煤层段的裸孔中都要下入无缝玻璃钢管进行支护，此时，气化炉的框架结构如图4所示。
[0053]此后，通过连续油管给第一水平定向钻井a加高压空气约4.0MPa，进行与第一竖直钻井I的压裂贯通，贯通后，点燃第一竖直钻井I底部的煤层，从第一水平定向钻井a注入空气，控制连续油管的注气量引导第一竖直钻井I下的燃烧火区向第二竖直钻井7的方向移动，形成点火系统，在此期间，对第二竖直钻井2?7加高压空气，将连续油管的注气端下入第二水平定向钻井b?g至距离第一水平定向钻井a约20m，通过连续油管向第二水平定向钻井b?g注入高压空气,压力略高于第一水平定向钻井a的压力约0.5MPa,根据各钻井的压力变化判断是否贯通。直至第二竖直钻井2?7与第一水平定向钻井a贯通、以及第二水平定向钻井b?g与第一水平定向钻井a贯通。
[0054]最后，用第一竖直钻井I和第二竖直钻井2?7以及第一水平定向钻井a出气,构成出气系统，利用连续油管持续向第二水平定向钻井b和g注入空气，进行逆向燃烧气化，当生产的煤气中的有效组分含量在平稳一段时间后有明显下降时，通过地面的连续油管拖拽装置将注气端后撤20m，持续注入空气，引导燃烧火区向注气端位置扩展，煤气中有效组分含量上升、平稳一段时间后又明显下降时，再次后撤，直至燃烧火区扩展至第二水平定向钻井b和g的入煤点附近，气化掉第二水平定向钻井b和g控制的煤炭资源。
[0055]将连续油管注气端下入第二水平定向钻井c和h，像第二水平定向钻井b和g的操作一样，气化掉第二水平定向钻井C和h控制的煤炭资源，类似，依次气化掉第二水平定向钻井d和1、e和j、f和k控制的煤炭资源。也可以在第二水平定向钻井b和g气化到一半的时候，启动第二水平定向钻井c和h的气化。如此，将一片煤层全部气化掉，实现了地下气化技术的规模化生产。
[0056]相比于图3中，第二水平定向钻井沿与第一水平定向钻井a相交的方向布置在第一水平定向钻井a—侧，图4示出的是:第二水平定向钻井沿与第一水平定向钻井a相交的方向布置在第一水平定向钻井a的两侧。
[0057]「实施例21
[0058]以某处300m埋深的水平Sm厚褐煤煤层为例说明本发明的煤炭地下气化炉及煤炭地下气化方法。
[0059]首先，在地下气化选定煤层区域，根据地质信息确定出煤层裂隙发育方向，如图5中箭头所指方向。选定一点打第一竖直钻井I至煤层中下部，沿煤层裂隙发育方向每间隔35m左右打第二竖直钻井至煤层中下部,编号2、3、4、5、6，再在逆着煤层裂隙方向的一点向第一竖直钻井I的方向打第一水平定向钻井a，在煤层中下部的水平段钻井长度约250m，该水平定向钻井在煤层中下部尽量贯通第一竖直钻井1、以及一部分第二竖直钻井(例如第二竖直钻井4、6)，而另一部分第二竖直钻井(例如第二竖直钻井2、3、5)与第一水平定向钻井a的距离在5?20m远。
[0060]然后，在第一水平定向钻井a的一侧约IOOm远的位置打竖直钻井至煤层中下部，编号为1”、2”、3”、4”、5”，相互间隔35m左右。在第一水平定向钻井a的同一侧，向第一水平定向钻井a打多个相互平行的第二水平定向钻井b、c、d、e、f，在煤层中下部的钻井长度约在200m以上，其中第二水平定向钻井b、d、f尽量与第一水平定向钻井a贯通，而第二水平定向钻井c和e的末端距离第一水平定向钻井a约5?20m远。第二水平定向钻井b、C、d、e、f可以与第四竖直钻井I”?5”贯通，也可以不贯通。此时，已构建的气化炉框架结构如图5所示。
[0061]此后，将多套连续油管的注气端分别下入第一水平定向钻井a和第二水平定向钻井b、c、d、e、f,其中第一水平定向钻井a中的注气端距离第一竖直钻井I井底约20m,第二水平定向钻井b、C、d、e、f中的注气端距离第一水平定向钻井a约20m。从连续油管注气端向第一水平定向钻井a注入02/C02气化剂,在第一竖直钻井I底部点燃煤层,在02/C02气化剂的配合下燃烧开始扩展，当所生产的煤气中有效组分含量明显下降时，通过地面的拖拽装置将连续油管的注气端后撤20m，持续注入02/C02气化剂，引导燃烧火区向第二竖直钻井6移动，直至燃烧火区扩展至第二竖直钻井6底部。燃烧能将第一水平定向钻井a的通道直径扩展到1.5m左右，在此情况下，原来与第一水平定向钻井a不通的竖直钻井和定向钻井(第二水平定向钻井c、e，以及第二竖直钻井2、3、5)在热作用下都能与第一水平定向钻井a贯通，此时，气化炉的构建算完成。
[0062]最后，将第一竖直钻井1、第二竖直钻井2、3、4、5、6、以及第一水平定向钻井a作为出气井，构成出气系统，将第二水平定向钻井b、C、d、e、f作为注气井，构成注气系统，同时启动连续油管向燃烧火区注入02/C02气体，控制注气量引导燃烧火区向注气端扩展，当所生产的煤气中有效组分的含量明显下降时，通过地面的拖拽装置将连续油管的注气端后撤20m左右，持续注入02/C02气体，如上反复，引导燃烧火区从竖直钻井I?6沿线向第四竖直钻井I”?6”沿线移动，当燃烧火区移至竖直钻井I”?6”下时，可以将第四竖直钻井I”?6”改为出气井接替原出气系统的出气任务。多个定向钻井同时气化，实现了地下气化技术的规模化生产。
[0063]「实施例31
[0064]以某处600m埋深的12m厚次烟煤煤层为例说明本发明的煤炭地下气化炉及煤炭地下气化方法。
[0065]首先，參见图6在建设地下气化炉的选定区域打一第一竖直钻井I至煤层中下部，逆着煤层裂隙发育方向向第一竖直钻井I打第一水平定向钻井a，第一水平定向钻井a在煤层中下部的水平钻孔的长度为250m，在第一水平定向钻井a的ー侧5?15m处、每间隔IOOm左右打一第二竖直钻井2、3至煤层中下部，分布在第一水平定向钻井a的同侧。
[0066]然后，在第一水平定向钻井a的两侧，从远处向第一水平定向钻井a打多个相互平行的第二水平定向钻井b?k，在煤层中下部的水平钻井长度均在200m以上，相邻两个第二水平定向钻井间距30m，打至距离第一水平定向钻井a约5?20m处，即与第一水平定向钻井a隔断(S卩，不导通)。不论是竖直钻井还是水平井，在完井之后煤层段的裸孔都要下入无缝玻璃钢管进行支护，此时，气化炉的框架结构如图6所示。
[0067]此后，将连续油管及其注气端下入第一水平定向钻井a，在煤层中的注气端距离第一竖直钻井I底部约15m，通过连续油管注气端向第一水平定向钻井a注入富氧空气，压カ约4.0MPa，进行与第一竖直钻井I的压裂贯通，贯通后，点燃第一竖直钻井I底部的煤层，通过连续油管向第一水平定向钻井a注入富氧空气，控制注气量引导燃烧火区向注气端移动，当生成煤气中有效组分的含量有明显下降时，通过地面拖拽设备将连续油管注气端后撤20m，引导燃烧火区继续向注气端移动，直至燃烧火区移至第二竖直钻井3的底部，构成气化炉的点火系统。打第二竖直钻井2和3是为了防止点火系统燃烧进展不顺，或者，未来出气系统个别钻井不好用。
[0068]最后，关闭点火系统即第一竖直钻井I和第一水平定向钻井a的进/出气,关闭其他竖直钻井，撤出第二水平定向钻井c、e、h、j中的连续油管，将这些井作为出气井，利用连续油管持续向第二水平定向钻井b、d、f、g、1、k中注入富氧空气,进行逆向燃烧气化，当所生长的煤气中的有效组分含量有明显下降时，通过地面的连续油管拖拽装置将注气端后撤20m，持续注入富氧空气，引导燃烧火区向注气端位置扩展，煤气有效组分含量升高稳定，再次明显下降时，再次后撤注气端，直至燃烧火区扩展至定向钻井的入煤点附近。如此，实现了地下气化技术的规模化生产。
[0069]「实施例41
[0070]在本实施例中要先通过竖直钻井和定向钻井构建气化炉的点火系统和出气系统。如图7所示，具体如下:
[0071]首先，在待气化煤层的某一点打第一竖直钻井I至煤层的中下部；
[0072]然后，从远处向第一竖直钻井I打互相垂直的第一水平定向钻井a和第二水平定向钻井b，在煤层中下部的水平段钻井长度均在200m以上，这两个钻井的水平段钻井末端均指向第一竖直钻井1，但距离第一竖直钻井I的底部约7m远；
[0073]再然后，在第一水平定向钻井a的两侧IOm内每间隔70m左右打ー个第二竖直钻井至煤层的中下部，交叉分布在第一水平定向钻井a的两侧，编号为2、3、4 ;在第二水平定向钻井b的两侧IOm内每间隔30m左右打一个第三竖直钻井至煤层中下部，交叉分布在第二水平定向钻井b的两侧，编号为2’、3’、4’、5’、6’、7’、8’、9’、10’ ；
[0074]最后，在第一水平定向钻井a和第二水平定向钻井b中通入连续油管及其注气端，注气端距离第一竖直钻井I的底部都在15m左右，注入高压空气压裂实现与第一竖直钻井I的贯通，之后在第一竖直钻井I点燃煤层，控制连续油管的注气量，引导燃烧火区沿着第一水平定向钻井a和第二水平定向钻井b移动进行火力扩孔，第一竖直钻井I用来产出煤气，当煤气中有效组分的含量有明显下降时，通过地面的拖拽设备将连续油管注气端后撤15m，继续注入空气引导燃烧火区移动。经过多次的后撤连续油管注气端，第一水平定向钻井a和第二水平定向钻井b的当量直径能够达到1.5m，外加热作用促进煤层裂隙发育，能够贯通第一水平定向钻井a和第二水平定向钻井b沿线的第三竖直钻井2’?10’和第二竖直钻井2?4。此时，即形成了本气化炉型的点火系统(第一水平定向钻井a及其沿线第二竖直钻井)和出气系统(第二水平定向钻井b及其沿线第三竖直钻井)。
[0075]在构建气化炉点火系统和出气系统的同时，可以打其它第二水平定向钻井c、d、e、f，均平行于前述第二水平定向钻井b，末端指向第一水平定向钻井a，在煤层中下部的水平段钻井长度在200m以上，完井后均下入连续油管及其注气端，通过高压压裂完成与点火系统的贯通。如前所述，利用出气系统产出煤气，通过连续油管后撤引导燃烧火区沿定向钻井燃烧，根据煤气中有效组分的明显变化后撤注气端，进行多个水平定向钻井的同时气化。在每个钻井完井之后都要及时下入无缝玻璃钢管进行煤层裸孔段的支护。
[0076]根据以上参见图3-图7的描述，本发明的煤炭地下气化方法，包括:构建本发明前述任一煤炭地下气化炉的步骤；以及在煤炭地下气化炉中进行气化的步骤，其包括:引导第一水平定向钻井a的燃烧火区在第二水平定向钻井中后退，直至后退到第二水平定向钻井的入煤点。
[0077]可以理解，为引导第一水平定向钻井a的燃烧火区在第二水平定向钻井中后退，可拖拽至少一个第二水平定向钻井b_g中气化剂通入管来实现。
[0078]为进一步理解本发明煤炭地下气化方法，以下根据参见图3、图4、图6的描述，参见图5的描述、以及参见图7的描述，对本发明煤炭地下气化方法进一步说明:
[0079]根据参见图3、图4、图6的描述，可知，构建煤炭地下气化炉的步骤包括依次进行的子步骤I和子步骤2。其中子步骤I为，按先后次序依次钻出:通入煤层的第一竖直钻井1、水平段在煤层中的第一水平定向钻井a、沿第一水平定向钻井a布置的至少两个第二竖直钻井2、3、4、5、6、以及布置在第一水平定向钻井a—侧或两侧且水平段在煤层中的至少两个第二水平定向钻井b、c、d、e、f，所钻出的所有这些钻井彼此隔断(S卩，不导通)。子步骤2为:先导通第一水平定向钻井a与所述第一竖直钻井1，然后在第一竖直钻井I底部点燃煤层，从第一水平定向钻井a注入气化剂，引导燃烧火区移动以对所述第一水平定向钻井火力扩孔，直至与子步骤I中其余所有钻井导通。
[0080]根据参见图5的描述，可知，构建煤炭地下气化炉的步骤包括依次进行的子步骤
1、子步骤2和子步骤3。子步骤1:沿煤层裂隙发育方向依次钻出通入煤层的彼此间隔开的第一竖直钻井I和至少两第二竖直钻井2、3、4、5、6，再逆着煤层裂隙发育方向向第一竖直钻井I的方向打第一水平定向钻井a，其在煤层中贯通第一竖直钻井I和一部分第二竖直钻井4、6 ;子步骤2:在第一水平定向钻井a的一侧，钻出末端指向第一水平定向钻井a的至少两个第二水平定向钻井b、C、d、e、f,其中一部分第二水平定向钻井b、d、f的末端与第一水平定向钻井a相通，而另一部分第二水平定向钻井C、e的末端与第一水平定向钻井a相距一定距离(即，隔断或者不导通)，子步骤3:在第一水平定向钻井a下入连续油管，从连续油管的注气端向第一水平定向钻井a注入气化剂，在第一竖直钻井I底部点燃煤层，拖拽连续油管引导燃烧火区移动以对第一水平定向钻井a火力扩孔，直至与另一部分第二水平定向钻井C、e和另一部分第二竖直钻井2、3、5贯通。
[0081]根据參见图7的描述，可知，构建煤炭地下气化炉的步骤包括如下的(I)和(II)。具体地，(I)构建气化炉点火系统和出气系统，其包括:依次钻出通入煤层的以下钻井--第一竖直钻井1、互相垂直且水平段在煤层中的第一水平定向钻井a和ー个第二水平定向钻井b、沿这两个水平定向钻井分别交叉布置的第二竖直钻井2、3、4和第三竖直钻井2’-10’ ；然后，将这两个水平定向钻井与第一竖直钻井I压裂贯通，之后火力扩孔第一水平定向钻井a直至贯通沿线的第二竖直钻井2、3、4形成点火系统，以及火力扩孔第二水平定向钻井b直至贯通沿线的第三竖直钻井2’ -10’形成出气系统；(II)在构建气化炉点火系统和出气系统的同时，打与所述的ー个第二水平定向钻井b平行的其它第二水平定向钻井c、d、e、f，其水平段在煤层中、且水平段末端指向第一水平定向钻井a并通过高压气体压裂方式与第一水平定向钻井a贯通。
[0082]综上，本发明提出的煤炭地下气化炉以及煤炭地下气化方法:
[0083]I)煤炭地下气化炉结构简单，各个钻井相互独立，可以同时钻进，能够缩短气化通道构建时间、降低建炉成本；
[0084]2)完井后立即下入钻井支护装置，更进一歩地保护了地下气化炉的结构稳定性；
[0085]3)与单个水平定向钻井气化相比，多条水平定向钻井同时进行后退式气化，可以有效控制煤层顶板的塌陷范围，防止地 下水污染；
[0086]4)多列同时气化可以形成一个较大的燃烧面，气化炉的热损失会降低，提高煤炭的回采率、气化效率；
[0087]5 )钻井同时进行后退式气化更容易控制燃烧火区的移动，特别是对纯氧类气化剂的气化，比如:纯氧一水蒸汽、纯氧一二氧化碳、纯氧一水蒸汽一二氧化碳等气化剂；
[0088]6)本发明中竖直井和水平井组合的模式能够大量进气、大量出气，实现煤炭地下气化的规模化生产。
[0089]本发明煤炭地下气化炉的ー些运行特征在于:贯通没有导通的钻井，从点火系统点燃煤层，通过逆向燃烧贯通出气系统和注气系统，然后用连续油管后退式向注气系统注入气化剂，由出气系统产出煤气，进行逆向燃烧或后退式气化，实现煤炭地下气化的规模化生产。成排的竖直钻井(例如第二竖直钻井2-6)最好在煤层裂隙发育方向上，点火列的水平定向钻井(例如实施例1-4中的第一水平定向钻井a)最好是逆着煤层裂隙的方向钻进；在气化炉构建之初，出气系统和注气系统与点火系统之间可以贯通，也可以不贯通，在不贯通的情况下更能保护钻井不堵塞，与点火系统相距一定距离；所述距离根据钻井火力扩孔后的通道半径和煤层受热后裂隙发育的长度估算；在每ロ钻井完井之后煤层段的裸孔都要及时下入钻孔保护装置，保护装置可以是有缝管，也可以是无缝管，材质可以是铸鉄、PVC、可燃复合材料、或玻璃钢，优选无缝玻璃钢管；多条水平定向钻井(例如实施例1-4中多条第二水平定向钻井)同时气化，最好采用后退式气化或逆向燃烧，后退式注气优选连续油管注气后退式，气化煤气从共用的出气系统排至地面；根据煤气中有效组分含量的明显变化判断连续油管后退时机。显然，本发明的煤炭地下气化炉和煤炭地下气化方法能够提高气化炉结构及气化运行时的稳定性，在没有实施气化前，各个钻井相对独立，且均有支护设备，不易塌陷，后退式气化可以防止因顶板冒落阻断气化剂与煤层的接触，解决了地下气化炉结构及气化运行的不稳定性问题；进一步，本发明降低了规模化生产的成本，煤层单位面积上的钻孔数量适中，建炉成本较低，多列并排气化可以提高煤层的采收率和煤气产量，降低热损失，降低地下水入侵风险，降低煤气生产成本的同时解决了煤炭地下气化难以规模化生产的难题。
[0090] 本发明中涉及数值时用到的“约、大约、左右”均包括本数。本发明中数值或数量均是示例而不是限定，可以根据具体情况调整。所用到的连续油管仅是示例，实际上可以是任何气化剂通入管，只要其注气端随着气化剂通入管被拖拽而移动，能引导具有该气化剂通入管的钻井中燃烧面移动即可。本发明中涉及的“直至…入煤点附近”是指:能够沿着朝向入煤点的位置移动.，直至期望终止的位置为止。
【权利要求】
1.一种煤炭地下气化炉，包括: 点火系统，具有通入煤层的第一竖直钻井(I)、以及水平段在煤层中且与第一竖直钻井(O导通的第一水平定向钻井(a)， 注气系统，具有通入煤层的第二钻井，与所述第一水平定向钻井(a)导通， 其特征在于，所述第二钻井为水平段在煤层中的至少一个第二水平定向钻井(b、C、d、e、f)。
2.根据权利要求1所述的煤炭地下气化炉，其特征在于， 所述第一水平定向钻井(a)以火力扩孔的方式与所述第二水平定向钻井(b、c、d、e、f)导通。
3.根据权利要求1所述的煤炭地下气化炉，其特征在于， 所述第二钻井为彼此平行的至少两个所述第二水平定向钻井(b、C、d、e、f)，沿与第一水平定向钻井(a)相交的方向布置在其一侧或两侧。
4.根据权利要求3所述的煤炭地下气化炉，其特征在于， 所述第二水平定向钻井(b、C、d、e、f)与第一水平定向钻井(a)呈30° -90°的夹角。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的煤炭地下气化炉，其特征在于， 沿所述第一水平定向钻井(a)设有至少一个第二竖直钻井(2、3、4、5、6)， 其中，通过第一水平定向钻井(a)的火力扩孔，所有第二竖直钻井(2、3、4、5、6)彼此连通以构成出气井。
6.根据权利要求5所述的煤炭地下气化炉，其特征在于， 所述第一水平定向钻井(a)的水平段末端，以火力贯通或定向爆破或冷态压裂方式与所述第一竖直钻井(I)导通。
7.根据权利要求5所述的煤炭地下气化炉，其特征在于， 所述第一水平定向钻井(a)的水平段末端，与所述第一竖直钻井(I)直接贯通。
8.根据权利要求1所述的煤炭地下气化炉，其特征在于， 所述第二钻井为至少两个所述第二水平定向钻井(b、c、d、e、f)，布置在第一水平定向钻井(a)的同一侧， 其中一个第二水平定向钻井(b、C、d、e、f)指向并以压裂贯通方式与所述第一竖直钻井(I)导通，沿该一个第二水平定向钻井布置有至少一个第三竖直钻井(2’，3’，4’，5’，6’，7，，8，，9，，10，)， 其中，该一个第二水平定向钻井通过火力扩孔与第三竖直钻井(2’，3’，4’，5’，6’，7’，8’，9’，10’)导通并一起构成出气井。
9.根据权利要求1-4，6-8中一项所述的煤炭地下气化炉，其特征在于， 所有钻井中，每个钻井的位于煤层中的裸孔段均由支护装置支护。
10.根据权利要求9所述的煤炭地下气化炉，其特征在于， 所述支护装置为筛管或无缝管。
11.根据权利要求1所述的煤炭地下气化炉，其特征在于， 至少在一个所述第二水平定向钻井(b、C、d、e、f )中设有可拖拽的气化剂通入管，其注气端随所述气化剂通入管的被拖拽而移动。
12.—种煤炭地下气化方法，其特征在于，包括:构建煤炭地下气化炉步骤，所述煤炭地下气化炉为前述权利要求1-11中任一项所述的煤炭地下气化炉；以及 在构建的气化炉中进行气化的步骤，其包括:引导第一水平定向钻井(a)的燃烧火区在第二水平定向钻井(b、C、d、e、f )中后退，直至后退到所述第二水平定向钻井(b、C、d、e、f)的入煤点附近。
13.根据权利要求12所述的煤炭地下气化方法，其特征在于， 构建煤炭地下气化炉的步骤包括如下依次进行的子步骤1-2: 子步骤1:按先后次序依次钻出:通入煤层的第一竖直钻井(I)、水平段在煤层中的第一水平定向钻井(a)、沿第一水平定向钻井(a)布置的至少两个第二竖直钻井(2、3、4、5、6)、以及布置在第一水平定向钻井(a) —侧或两侧且水平段在煤层中的至少两个第二水平定向钻井(b、c、d、e、f)，所钻出的所有这些钻井彼此隔断；以及 子步骤2，先导通所述第一水平定向钻井(a)与所述第一竖直钻井(I )，然后在所述第一竖直钻井(I)底部点燃煤层，从第一水平定向钻井(a)注入气化剂,引导燃烧火区移动以对所述第一水平定向钻井火力扩孔，直至与所述子步骤I中其余所有钻井导通。
14.根据权利要求13所述的煤炭地下气化方法，其特征在于， 在对所述第一水平定向钻井(a)进行所述火力扩孔的同时，在所述第二水平定向钻井(b、C、d、e、f)中通入压力空气，该压力空气的压力大于所述第一水平定向钻井(a)中的压力。
15.根据权利要求13 所述的煤炭地下气化方法，其特征在于， 所述子步骤2中的引导所述燃烧火区移动，通过拖拽所述第一水平定向钻井(a)中连续油管使其注气端移动而进行。
16.根据权利要求13所述的煤炭地下气化方法，其特征在于， 逆着煤层裂隙的发育方向，向第一竖直钻井(I)钻第一水平定向钻井(a)。
17.根据权利要求12所述的煤炭地下气化方法，其特征在于， 构建煤炭地下气化炉的步骤包括如下依次进行的子步骤1-3: 子步骤1:沿煤层裂隙发育方向依次钻出通入煤层的彼此间隔开的第一竖直钻井(I)和至少两个第二竖直钻井(2、3、4、5、6)，再逆着煤层裂隙发育方向向第一竖直钻井(I)的方向打第一水平定向钻井(a)，其在煤层中贯通第一竖直钻井(I)和一部分第二竖直钻井(2、3、4、5、6)； 子步骤2:在第一水平定向钻井(a)的一侧，钻出末端指向第一水平定向钻井(a)的至少两个第二水平定向钻井(b、C、d、e、f),其中一部分第二水平定向钻井(b、d、f)的末端与第一水平定向钻井(a)相通,而另一部分第二水平定向钻井(C、e)的末端与第一水平定向钻井(a)相距一定距离， 子步骤3:在第一水平定向钻井(a)下入连续油管，从连续油管的注气端向第一水平定向钻井(a)注入气化剂，在第一竖直钻井(I)底部点燃煤层，拖拽连续油管引导燃烧火区移动以对所述第一水平定向钻井(a)火力扩孔，直至与所述另一部分第二水平定向钻井(C、e)和另一部分第二竖直钻井(2、3、4、5、6)贯通。
18.根据权利要求17所述的煤炭地下气化方法，其特征在于， 所述子步骤2还包括:在第一水平定向钻井(a)的一侧，打第四竖直钻井(1”、2”、3”、4”、5”)至煤层中，并且分别一一对应地与第二水平定向钻井(b、C、d、e、f)贯通， 在构建的气化炉中进行气化的过程中，当第二水平定向钻井中的燃烧火区移至第四竖直钻井(1”、2”、3”、4”、5”)下时，将第四竖直钻井(1”、2”、3”、4”、5”)替换第一竖直钻井(I)、第二竖直钻井(2、3、4、5、6)和第一水平定向钻井(a)作为出气井。
19.根据权利要求13所述的煤炭地下气化方法，其特征在于， 当拖拽一部分第二水平定向钻井(b、C、d、e、f )中气化剂通入管移动燃烧火区时，以另一部分第二水平定向钻井(b、C、d、e、f)为出气井， 其中，该另一部分第二水平定向钻井(b、c、d、e、f)在作为出气井的情形下其中的气化剂通入管被撤出，并且第一水平定向钻井(a)、第一竖直钻井(I)和所设有第二竖直钻井被关闭。
20.根据权利要求12所述的煤炭地下气化方法，其特征在于，构建煤炭地下气化炉的步骤包括: (I)构建气化炉点火系统和出气系统，其包括:依次钻出通入煤层的以下钻井:第一竖直钻井(I)、互相垂直且水平段在煤层中的第一水平定向钻井(a)和一个第二水平定向钻井(b)、沿这两个水平定向钻井分别交叉布置的第二竖直钻井(2、3、4、5、6)和第三竖直钻井(2’，3’，4’，5’，6’，7’，8’，9’，10’)；然后，将这两个水平定向钻井与第一竖直钻井(1)压裂贯通，之后火力扩孔第一水平定向钻井(a)直至贯通沿线的第二竖直钻井(2、3、4、5、6)形成点火系统，以及火力扩孔第二水平定向钻井(b)直至贯通沿线的第三竖直钻井(2’，3’，4’，5’，6’，7’，8’，9’，10’)形成出气系统；以及 (II)在构建气化炉点火系统和出气系统的同时，打与所述的一个第二水平定向钻井(b)平行的其它第二水平定向钻 井(c、d、e、f)，其水平段在煤层中、且水平段末端指向第一水平定向钻井(a)并通过压力气体压裂方式与第一水平定向钻井(a)贯通。
21.根据权利要求20所述的煤炭地下气化方法，其特征在于， 所述火力扩孔实施为:在第一竖直钻井(I)点燃煤层，拖拽第一水平定向钻井(a)和所述的一个第二水平定向钻井(b)中连续油管的注气端，引导燃烧火区沿着这两个水平定向钻井移动进行火力扩孔。
【文档编号】E21B43/295GK103437748SQ201310398563
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月4日 优先权日:2013年9月4日
【发明者】陈 峰, 刘刚, 潘霞 申请人:新奥气化采煤有限公司