用于煤炭地下气化工艺的对接式气化炉与操作方法与流程

本发明公开了一种用于煤炭地下气化工艺的地下气化炉与操作方法。

背景技术：

煤炭地下气化(ISC)是一种通过对地下煤层的可控燃烧(不完全燃烧)和气化反应，把煤直接转化为气体产品的工艺过程。产品气通常被称为合成气，可以作为燃料生产、化工生产、发电等下游工艺的原料。该工艺过程集合了建井完井、地下采煤和煤气化工艺技术，具有安全性好、投资小、效益高、污染少等优点。

通过地面钻井直通煤层，给氧化剂注入和产品气输出提供了有效通道。一个用于氧化剂注入的钻井称为“注入井”，另外一个用于生产产品气的钻井称为“产品井”。定向水平钻井和垂直钻井都可作为注入井或产品井。

当煤层中有注入井、产品井和水平通道将二者连接起来时，此构造被称为一个煤炭地下气化(ISC)单元或井对。ISC单元包括燃烧区，气化区和热解区。通过煤炭地下气化生成的产品气(粗合成气)通常含有合成气(CO,CO₂,H₂,CH₄等)以及其他杂质成分(固体颗粒，水，煤焦油，H₂S,NH₄,COS等)。粗合成气由经产品井输送至地面，再通过地面管线输送到下游装置进行处理和应用。

地下气化炉的选型需要综合考虑煤层的地质和水文地质条件以及下游工艺对合成气质量的要求等。炉型设计包括构建过程中采用的钻井技术，井对的位置和用途等。现有的各种气化炉型通常仅考虑了理想状态下大面积的“片状/块状”开采，而忽略了实际操作过程中由于复杂地质条件和气化过程造成的合成气稳定性，工艺控制，地面或地下地层沉降等问题。例如，公开号为CN104594873A的中国发明专利申请书公开了一种煤炭地下气化炉及气化方法。该气化炉包括，一个接近煤层底板的注入通道，一个接近煤层顶板出气通道和一个垂直点火井。采用垂直井点火，由煤层底部进行燃烧气化后经煤层顶部输出。其主要技术缺点在于，所述出气通道的高温直接作用于煤层顶板，容易造成顶板变形、冒落的风险。当其进行大规模炉群开采时，采用一次井内点火后，通过在第二气化单元内实施倒退引火，再并联第一气化单元的多个气化炉。点火步骤辅助，时间较长，整个系统需并联操作，某一气化炉出现突发情况无法及时发现并处理。公开号CN105089604A的中国发明专利申请书公开了一种煤炭地下气化炉型及气化方法。该气化炉包括一个垂直井(产品井)和多个相互在垂直面上相互平行的定向钻井组成的结构。采用由下至上的气化步骤对整个厚煤层进行气化。其主要技术缺点在于，该方法操作控制非常困难，极易产生跃层贯通，损坏整个气化炉布局。采用下层燃烧气化的热量预热上层煤层，预热产生的焦油极易堵塞水平通道和垂直井的连通口，同时，预热过程不易控制，温度过高或时间过长容易损坏通道内的支撑，造成上层通道的坍塌等问题。综上所述，现有的地下气化炉技术和气化方法成为了影响煤炭地下气化效率和稳定性的瓶颈之一。目前面临的主要问题包括：

(1)目前在煤层中实施水平定向钻井的定位主要靠伽玛测量仪来确定方向。伽玛测量仪可以通过在顶板，底板和煤层的衰减级别判定其钻井位置，然后对于在煤层中区分不同钻井位置存在较大困难。因此，现有气化炉型(两个或多个相互在垂直面上相互平行的定向钻井结构)较大程度提高了钻井困难和成本，影响大规模工业化项目的实施；

(2)采用至下而上的气化方法有几个缺陷。第一，下部煤层气化过程中极易跃层，尤其是上部煤层通道已布局好且处于一个低压区域，或存在空气/氧化剂；第二，采用下部煤层气化的热量预热上部煤层，预热过程的上部煤层产生的焦油容易堵塞水平通道以及产品气出口垂直井，同时也容易损坏通道内已布局的支撑或其他地下设备；第三，如果煤层含水量较高，容易沉积在下部煤层通道，给点火和气化工艺控制造成极大困难；第四，煤层自身的强度一般比顶板强度低的多，当对下层煤层实施地下气化并形成较大燃空区时，上部煤层由于自重容易垮塌堵塞下部煤层的气化通道；第五，需在下部煤层气化结束，闭炉，人工填充后才能实施上部煤层气化，而整个上部煤层通道结构已然建好多时。钻井通道长时间空置，容易出现上部煤层通道结构的堵塞，破坏，坍塌，煤层氧化等问题。

(3)整个气化炉系统主要依赖唯一一个垂直井出气通道，容易出现堵塞以及限流问题。其次，由于产品井和注入井的工作环境不同，其内部设计和布局也有较大区别。如果单纯采用另一个注入井作为备用通道，容易破坏其完整性，造成产品气泄漏或地下水渗漏等问题。

(4)由于整个系统共用一个出气通道，气化开始后无法独立监测每个注入井的正常运行过程。一旦遇到井下突发情况，无法及时发现和妥当处理，整个气化炉系统将无法继续正常操作，对煤炭资源浪费较大。

(5)气化结束后，由于整个系统共用一个出气通道，无法妥善实施后续气化炉的停车、熄火、清洗和复原操作，存在较大的环保隐患。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于解决现有技术的不足，提供一种用于煤炭地下气化工艺的地下气化炉。

本发明的目的之二在于提供一种用于煤炭地下气化工艺的地下气化炉的操作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

用于煤炭地下气化工艺的对接式气化炉，包括至少一个对接式气化炉单体，所述对接式气化炉单体包括如下组件：

两个定向注入井，每个定向注入井都包括注入井套管、同轴心设置的注入井内衬管和地下监测系统；

定向注入井的内衬管内都安装有连续油管、可回拉的氧化剂注入设备和地下点火设备；

一个定向产品井，包括定向产品井套管、同轴心设置的产品管和地下监系统表，产品管末端为开孔结构，定向产品井水平通道内设有全程开孔的内衬管；

两个定向注入井与一个定向产品井在尾端彼此相交贯通，定向产品井位于中间，两个定向注入井分别位于定向产品井两侧；

定向产品井井口安装有合成气在线取样分析系统和控制系统。

优选的，两个定向注入井与一个定向产品井非相交贯通部分平行设置，定向注入井与定向产品井之间的平行距离为10-30米。

优选的，对接式气化炉包括至少两个对接式气化炉单体，相邻对接式气化炉单体同侧的定向注入井之间的平行距离为20-40米，其中10-30米为预留煤柱的宽度，确保每个对接式气化炉单体为密闭的独立操作单元，每个对接式气化炉单体根据自身的合成气在线取样分析系统和控制系统独立操作确保连续稳定的合成气生产。

当某一个对接式气化炉单体出现堵塞、熄火、氧气泄漏等突发情况，位于该对接式气化炉单体的地下监测系统和井口合成气在线取样分析系统可及时发现并反馈，有利于及时独立地应对处理该对接式气化炉单体，最小化各种安全隐患，确保地下气化稳定性和可靠性。

当发现上述突发情况时，备用处理方案为，临时关闭一侧定向注入井，根据单侧定向注入井的生产情况判断突发情况位置并处理。

气化结束后，不同层面新对接式气化炉单体的定向注入井和定向产品井可分别利用上一层面封井废弃对接式气化炉单体的定向注入井和定向产品井垂直段结构，降低钻井成本。

对于厚煤层气化过程，采用至上而下的步骤，逐层气化，最大化资源回采率。

本发明根据上述对接式气化炉单体，对于普通厚度煤层(厚度<20米)进行大规模工业化生产的布局和地下气化方法，其中包括：

a)根据项目生产规模，确定A期项目对接式气化炉单体数目n个，依次为A1、A2，……An，按照对接式气化炉单体的结构平行布局。同一对接式气化炉单体定向注入井与定向产品井之间的平行距离为10-30米，相邻对接式气化炉单体定向注入井之间的平行距离为20-40米(包括对接式气化炉单体之间的预留煤柱10-30米)；

b)在第A1气化炉内，在与定向产品井最远端相交处的两个定向注入井水平通道内同时实施点火。不合格尾气并入地面尾气管道，输送到火炬排放；

c)点火成功后，根据工艺要求切换至空气、富氧或纯氧气化过程。合成气质量符合设计标准后，并入地面合成气管道，输送到合成气净化处理和下游合成气综合利用工艺；

d)依次对A2,A3,……An进行点火及工艺切换至正常生产。不合格尾气并入地面尾气管道，输送到火炬排放。合格合成气产品并入地面合成气管道，输送到合成气净化处理和下游合成气综合利用工艺；

e)当A期区域煤层消耗接近完毕时，在新的工作面开始B期钻井、点火、气化过程。其中，在B期建设过程中，B期的对接式气化炉位置相对于A期的对接式气化炉位置，要在同一平面整体沿垂直于垂直气化炉方向偏移一个预留煤柱的距离(10-30米)。最终燃空区为交错间隔排布，可最大化预留煤柱的支撑力。之后，重复步骤a)-d)，确保下游工艺的连续稳定运行；

f)当B期达到正常生产，A期气化结束时，依次对A1,A2,……An进行停车、熄火、清洗和复原。待燃空区内水质达到相关环保规定要求后，对A期气化炉进行封井处理。此处，所有井采用水泥封井从煤层底部至地面；

g)当B期区域煤层消耗接近完毕时，重复步骤a)-f)，开始C期、D期气化直至将整个煤层消耗。

本发明解决其技术问题的另一个实施方案中，根据上述对接式气化炉，对于超厚煤层(厚度>20米)进行大规模工业化生产的布局和地下气化方法，其中包括：

a)将煤层划分为若干层，可根据每层厚度最厚15-20米和/或原煤层中非煤结构(如夹矸，假顶等)位置划分；

b)根据项目生产规模，确定A期项目气化炉数目n个，在L1层(最上层)按照上述普通厚度煤层地下气化炉布局和方法实施上述普通厚度煤层气化步骤a)-g)，将整个L1层消耗。在实施上述普通厚度煤层气化步骤f时，所有井采用水泥封井从煤层底部至上覆岩层，其中，需根据实际地质条件确定是否需要在封井前实施人工放顶或人工填充；

c)当L1层最后一期区域煤层消耗接近完毕时，开始在A期L2层的钻井，点火、气化过程，气化炉建设时，利用现有A期L1层定向注入井和定向产品井的垂直段，开始A期L2层的钻井及气化炉建设，钻井过程中可利用A期L1层的燃空区，人工放顶区或人工填充区为定位边界，确保定向钻的准确性和可靠性，建设过程中，L2层的气化炉位置相对于L1层的气化炉位置，需整体偏移一个预留煤柱的距离(10-30米)，最终燃空区在垂直面(不同层)和水平面(相同层)都为交错间隔排布，可最大化预留煤柱的支撑力；

d)当L1层最后一期气化结束时，重复上述普通厚度煤层气化步骤a)-g)，将整个L2层消耗；

e)根据步骤a)的分区从上至下依次重复步骤a)-d)，将整个煤层消耗。

附图说明

图1是对接式煤炭地下气化炉单炉剖面示意图；

图2是普通厚度煤层对接式煤炭地下气化炉群布局示意图；

图3是超厚煤层对接式煤炭地下气化炉群布局示意图。

图中：1、注入井，2、产品井，3、上覆岩层，4、煤层。

具体实施方式

为了使本发明更简单易懂，便于实际操作，一个或多个首选的具体实施方式将参照附图，仅以举例的形式进行描述。

用于煤炭地下气化工艺的对接式气化炉，包括至少一个对接式气化炉单体，所述对接式气化炉单体包括如下组件：

两个定向注入井，每个定向注入井都包括注入井套管、同轴心设置的注入井内衬管和地下监测系统；

定向注入井的内衬管内都安装有连续油管、可回拉的氧化剂注入设备和地下点火设备；

一个定向产品井，包括定向产品井套管、同轴心设置的产品管和地下监系统表，产品管末端为开孔结构，定向产品井水平通道内设有全程开孔的内衬管；

两个定向注入井与一个定向产品井在尾端彼此相交贯通，定向产品井位于中间，两个定向注入井分别位于定向产品井两侧；

定向产品井井口安装有合成气在线取样分析系统和控制系统。

优选的，两个定向注入井与一个定向产品井非相交贯通部分平行设置，定向注入井与定向产品井之间的平行距离为10-30米。

优选的，对接式气化炉包括至少两个对接式气化炉单体，相邻对接式气化炉单体同侧的定向注入井之间的平行距离为20-40米，其中10-30米为预留煤柱的宽度，确保每个对接式气化炉单体为密闭的独立操作单元，每个对接式气化炉单体根据自身的合成气在线取样分析系统和控制系统独立操作确保连续稳定的合成气生产。

当某一个对接式气化炉单体出现堵塞、熄火、氧气泄漏等突发情况，位于该对接式气化炉单体的地下监测系统和井口合成气在线取样分析系统可及时发现并反馈，有利于及时独立地应对处理该对接式气化炉单体，最小化各种安全隐患，确保地下气化稳定性和可靠性。

当发现上述突发情况时，备用处理方案为，临时关闭一侧定向注入井，根据单侧定向注入井的生产情况判断突发情况位置并处理。

气化结束后，不同层面新对接式气化炉单体的定向注入井和定向产品井可分别利用上一层面封井废弃对接式气化炉单体的定向注入井和定向产品井垂直段结构，降低钻井成本。

对于厚煤层气化过程，采用至上而下的步骤，逐层气化，最大化资源回采率。

定向注入井在煤层中的水平通道长度可达500-1500米，优选800-1200米。定向注入井包括注入井套管、同轴心设置的定向注入井内衬管、安装在注入井内衬管内衬管外壁的地下监测系统。其中注入井套管从地面开始一直延伸至煤层底部与煤层底板平行的位置。注入井内衬管选用完整管，是消耗品，其材质可选用普通碳钢管，无缝钢管，接合钢管等。注入井内衬管从点火位置至其顶端(与产品井相交处)选用开孔结构。开孔的孔径为5-35mm，开孔以交错间隔模式布局，开孔总面积占管壁面积的5-35％。地下监测系统包括温度、压力和声波传感器，沿着注入井内衬管外部延伸至其顶端。

注入井内衬管内安装有连续油管、可回拉的氧化剂注入设备和地下点火设备，用于地下煤层点火、正常生产所需氧化剂及气化剂的注入以及气化工艺过程的控制，确保高质量合成气的稳定生产。

定向产品井，包括产品井套管、同轴心设置的产品管、地下监测系统表。其中定向产品井内自由悬挂的产品管末端水平位置为开孔结构，定向产品井水平通道内的内衬管为全程开孔结构，开孔的孔径为5-35mm，开孔以交错间隔模式布局，开孔总面积占管壁面积的5-35％。

合成气在线取样分析系统安装在产品井出口处，用于独立监测单个气化炉合成气质量和氧含量，并及时反馈给控制系统与安全系统，确保整个气化工艺的安全性，稳定性和可靠性。

根据地质条件决定，对接式气化炉单体之间的预留煤柱为10-30米，以确保每个气化炉单体之间相互隔离，为独立操作单元。最终煤层内部燃空区优选交错间隔排布，可最大化预留煤柱的支撑力。

对接式气化炉单体燃空区宽度可控，具体根据气化炉单体操作压力，煤层厚度，气化炉热传递效率、煤层及其上覆岩层的抗压抗拉力，合成气质量的稳定性等因素决定。一般情况为煤层厚度的2-6倍，约20-80米，优选30-60米。

同一对接式气化炉单体定向注入井与定向产品井之间的平行距离为10-30米，相邻对接式气化炉定向注入井之间的平行距离为20-40米(包括气化炉单体之间的预留煤柱10-30米)。

本发明第一个实施方案中，对接式气化炉单体如图1所示，对接式气化炉单体由两个定向注入井1和一个定向产品井2组成。在预定位置采用定向钻井和完井技术贯穿上覆岩层3到煤层4中并向前延伸500-1500米，建设定向产品井2并完井。在定向产品井2端部放置信号发射器引导注入井定向钻井。在定向产品井2井口两侧距离10-30米处开始注入井定向钻井，贯穿上覆岩层3至煤层4中并向前延伸500-1500米，钻井过程中确保其与定向产品井2平行。根据定向产品井2端部的信号发射器引导，使得两个定向注入井1与定向产品井2在端部相交并彼此贯通。在定向注入井水平段端部(即尾端交汇处)同时实施点火，点火成功后，根据工艺要求切换至空气、富氧或纯氧气化过程。当合成气质量低于设计标准后或燃空区宽度达到设计要求后，在两个注入井井口同时对注氧设备实施回拉操作，将燃烧区和气化区移动到新鲜煤层，生产高质量的合成气。当某一个气化炉出现堵塞、熄火、氧气泄漏等突发情况，位于气化炉的地下监测系统和井口合成气在线取样分析系统可及时发现并处理。同时，可临时关闭一侧定向注入井，根据单侧生产情况判断突发情况位置并处理。

本发明另一个实施方案，如图2所示，采用该对接式气化炉单体对普通厚度煤层(厚度<20米)进行大规模工业化生产的布局和操作方法。具体实施方法如下：第一，根据项目生产规模，确定A期项目气化炉数目n个，按照对接式地下气化炉的结构平行布局。同一气化炉注入井与产品井之间的平行距离为10-30米，相邻气化炉注入井之间的平行距离为20-40米(包括气化炉之间的预留煤柱10-30米)；第二，在第A1气化炉内，在与产品井最远端相交处的两个注入井水平通道内同时实施点火。不合格尾气并入地面尾气管道，输送到火炬排放；第三，点火成功后，根据工艺要求切换至空气、富氧或纯氧气化过程。合成气质量符合设计标准后，并入地面合成气管道，输送到合成气净化处理和下游合成气综合利用工艺；第四，依次对A2,A3,……An进行点火及工艺切换至正常生产。不合格尾气并入地面尾气管道，输送到火炬排放。合格合成气产品并入地面合成气管道，输送到合成气净化处理和下游合成气综合利用工艺；第五，当A期区域煤层消耗接近完毕时，在新的工作面开始B期钻井、点火、气化过程。其中，在B期建设过程中，B期的气化炉位置相对于A期的气化炉位置，要在同一平面整体沿垂直于气化炉方向偏移一个预留煤柱的距离(10-30米)。最终燃空区为交错间隔排布，可最大化预留煤柱的支撑力。之后，重复步骤一至四，确保下游工艺的连续稳定运行；第六，当B期达到正常生产，A期气化结束时，依次对A1,A2,……An进行停车、熄火、清洗和复原。待燃空区内水质达到相关环保规定要求后，对A期气化炉进行封井处理。此处，所有井采用水泥封井从煤层底部至地面；第七，当B期区域煤层消耗接近完毕时，重复步骤一至六，开始C期、D期气化直至将整个煤层消耗。

本发明另一个实施方案，如图3所示，采用该对接式气化炉对超厚煤层(厚度>20米)进行大规模工业化生产的布局和操作方法。具体实施方法如下：第一，将煤层划分为若干层，可根据每层厚度最厚15-20米和/或原煤层中非煤结构(如夹矸，假顶等)位置划分；第二，根据项目生产规模，确定A期项目气化炉数目n个，在L1层(最上层)按照上述普通厚度煤层地下气化炉布局和方法(图2)实施上述普通厚度煤层气化步骤一至七，将整个L1层消耗。在实施上述普通厚度煤层气化步骤六时，所有井采用水泥封井从煤层底部至上覆岩层。其中，需根据实际地质条件确定是否需要在封井前实施人工放顶或人工填充；第三，当L1层最后一期区域煤层消耗接近完毕时，开始在A期L2层的钻井，点火、气化过程。气化炉建设时，利用现有A期L1层注入井和产品井的垂直段，开始A期L2层的钻井及气化炉建设。钻井过程中可利用A期L1层的燃空区，人工放顶区或人工填充区为定位边界，确保定向钻的准确性和可靠性。建设过程中，L2层的气化炉位置相对于L1层的气化炉位置，需整体偏移一个预留煤柱的距离(10-30米)。最终燃空区在垂直面(不同层)和水平面(相同层)都为交错间隔排布，可最大化预留煤柱的支撑力；第四，当L1层最后一期气化结束时，重复上述普通厚度煤层气化步骤一至七，将整个L2层消耗；第五，根据本方法步骤一的分区从上至下依次重复本方法步骤一至四，将整个煤层消耗。

综上所述，本发明的对接式气化炉有以下优点：1.结构简单，新对接式气化炉定向注入井可再次利用封井废弃对接式气化炉注入井的垂直段结构，降低钻井成本；2.有效地延伸了对接式气化炉长度，延长对接式气化炉的寿命，提高了项目的经济效益；3.对接式气化炉燃空区宽度可控，实施长壁/带状开采，最小化煤层顶板冒落或地层下沉等问题的可能性；4.每个对接式气化炉单体是密闭的独立单元，进行单独的操作和控制，任何一个对接式气化炉单体出现问题时不影响对接式气化炉群的正常生产，确保合成气生产的安全性、稳定性和连续性；5.每个对接式气化炉单体的点火过程可分步实施，显著降低了点火阶段不合格尾气的排放量；6.燃空区结构简单，无死角，气化结束后的停车，熄火、清洗和复原操作可分步实施，安全简单。

以上所述提及的“一个实施方案”包括在实施方案中描述的相关特性、结构、特征都与本发明的其中至少一个实施方案相关。因此，以上所述多次提及“一个实施方案中”的地方并非都特指同一个实施方案。此外，在实施方案中描述的相关特性、结构、特征可以以任何合适的方式一个或多个组合。

以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不用于限制本发明。对于本领域的技术人员，本发明可以有各种变化和更改。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。