用于煤炭地下气化工艺的光纤激光点火系统的制作方法

本实用新型提供了一种用于煤炭地下气化工艺(ISC)的光纤激光点火系统及操作方法。特别地，本实用新型提供了一种在煤炭地下气化工艺中可以进行多次点火的光纤激光点火系统，还提供了这种光纤激光点火系统在煤炭地下气化工艺中的操作方法，具体可用于煤炭地下气化过程的初次点火、再次和多次点火过程。

背景技术：

煤炭地下气化(ISC)是在氧化剂存在下通过地下煤层的燃烧和气化反应将煤直接转化为产品气的过程，所述产品气通常称为合成气，该合成气可以随后用作多种应用的原料，包括燃料生产、化学品生产和发电等。这种煤炭地下气化技术对于大多数煤藏都是适用的。鉴于有关采矿业的环保要求越来越严格和考虑到相关的人工成本和基建成本，这种技术无疑是很有吸引力的。煤炭气化工艺是将煤炭通过一系列的化学反应转变为合成气的过程。其中主要的反应包括：

C+O2→CO2(完全氧化反应)

C+1/2O2→CO(部分氧化反应)

C+H2O→H2+CO(水蒸气气化反应)

C+2H2→CH4(氢气气化反应)

C+CO2→2CO(二氧化碳气化反应)

(水煤气变换反应)

(甲烷化反应)

地面钻井直通煤层，给氧化剂注入和产品气产出提供有效通道。一对钻井在地下连通或水平延伸构成一个实质上水平钻井通道(也可简称为煤层井道或连通通道)。该通道有助于氧化剂注入，燃空区生长和产品气输送。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。煤炭地下气化(ISC)可能在注入井和产品井之间还需要使用到一个或多个的垂直井(例如：功能井和辅助井)。

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。其中，燃烧区在煤层中氧化剂注入点附近；气化区以放射状形态围绕在燃烧区周围或者在燃烧区下游，煤炭在气化区被气化、部分被氧化，从而生成产品气；热解区在气化区下游，煤的热解反应一般在这里发生。高温的产品气从气化区往下游流动，并最终从产品井井口输送到地面。在煤燃烧或气化的同时，煤层中的ISC燃空区会生长变大。

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及其他气体的混合物)以及其他成分固体颗粒，水，煤焦油，烃类蒸汽，其他微量组分包括H2S，NH4，COS等)。其成分复杂程度取决于多个方面：煤炭地下气化所使用的氧化剂(空气或其他氧化剂，比如氧气、富氧空气或蒸汽混合物)、煤层中的内在水或周边地层渗入煤层中的水、煤质、以及煤炭地下气化工艺的操作参数，包括温度，压力等。

根据已有专利文献，目前煤炭地下气化技术所面临的问题主要包括：

a)用于煤层的初次和随后的重新点火的安全、可靠且具有成本效益的点火设备。

b)已有专利中的许多点火系统和方法在距离很长或井深很深的时候是不实际/不可能的，例如电加热元件在距离太长时会因为导体太多而导致电压下降。易燃易爆点火设备在材料处理和激活方面，也始终存在许多挑战。

c)大多数传统的系统需要从主输氧设备或多个井(电缆、接合管、E线、连续管)实施较多特殊作业，以实现点火。

d)不能提供足够的热量来克服衬管/套管自身燃烧的热损失，且难以将热量直接聚焦在目标煤层，导致在衬管/套管内多次点火困难巨大。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种用于煤炭地下气化工艺中的光纤激光点火系统，还提供了这种点火系统在煤炭地下气化工艺单次或多次点火阶段中的操作方法。

本实用新型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光纤激光点火系统，基于注入井衬管或注入井套管作为移动通道，所述光纤激光点火系统包括如下部件：

车载单元，包括发电机或电源，用于提供点火所需的能量，以及激光源，用于将电能转化为激光；

一个或多个动态安装或静态安装的铠装光纤电缆串，用于激光的传输；

a)安装在连续油管单元内，通过连续油管输送至所需点火点的位置，称为动态安装；

b)安装在注入井衬管/注入井套管预定的点火点位置上，包括第一点火点的位置和后续预先设计的点火点位置，称为静态安装；

一个动态安装或静态安装的光纤激光头，用于激光导向和点燃目标煤层。

a)动态安装：直接安装在连续油管单元内的氧化剂输送设备末端。

b)静态安装：直接安装在注入井衬管/注入井套管外侧的铠装光纤电缆串末端。

本实用新型所述光纤激光点火系统内车载单元与光纤电缆串通过快速连接器或光纤滑环进行连接。当采用动态安装时，光纤电缆串通过快速连接器与连续油管单元内的氧化剂输送设备连接，氧化剂输送设备与光纤激光头通过外部抓钩连接器或快速连接器或带有卡口/定位螺栓的螺纹或法兰螺栓实现非焊接连接并提供有效地气密性密封。也即光纤电缆串安装在连续油管内，连续油管末端是氧化剂输送设备，氧化剂输送设备连接在连续油管末端，光纤激光头安装在氧化剂输送设备的末端，采用抓钩或快速连接器，光纤电缆串穿过氧化剂输送设备。当采用静态安装时，光纤电缆串通过快速连接器直接与光纤激光头连接并固定在注入井衬管/注入井套管的外侧。

本实用新型所述光纤激光头可采用空气、富氧空气、氧气、二氧化碳或氮气作为激光的辅助导引载气，气化过程的氧化剂可以采用空气、富氧空气或氧气。其中，导引载气和氧化剂的输送通道为：连续油管内部通道，连续油管与注入井衬管/注入井套管的环隙以及注入井衬管/注入井套管与煤层钻孔的环隙。

本实用新型所述光纤激光点火系统的操作方法，基于在地下煤层中已设有ISC井对的完井系统，所述操作方法如下：

1.动态安装点火方法：

a.通过连续油管将光纤激光头推进至预定点火位置；

b.通过连续油管注入导引载气，并调整光纤激光头的方向至预定煤层位置；

c.通过连续油管与注入井衬管/注入井套管的环隙通道注入氧化剂；

d.通过地面车载电源启动光纤激光点火系统，实施地下煤层点火；

e.点火成功后，后撤设备至安全位置；

f.通过连续油管注入氧化剂，实施煤炭地下气化；

g.通过重复上述a-f步骤进行二次或多次点火，直至消耗沿注入井内衬管方向的所有煤藏。

2.静态安装点火方法：

a.多个光纤激光头已安装在预定煤层点火位置；

b.通过注入井衬管/注入井套管与煤层钻孔的环隙通道注入导引载气，并调整光纤激光头的方向至预定煤层位置；

c.通过注入井衬管/注入井套管的内部通道注入氧化剂；

d.通过地面车载电源启动光纤激光点火系统，实施地下煤层点火；

e.增加氧化剂注入流量和压力，实施煤炭地下气化；

f.通过重复上述a-e步骤进行二次或多次点火，直至消耗沿注入井内衬管方向的所有煤藏。

本实用新型的有益效果：

按照本实用新型，在所述煤炭地下气化方法中，在点火阶段发生故障的情况下，或者在气化过程中发生煤层中断不能连续气化的情况下，可以利用本实用新型的点火设备进行再次点火，包括二次点火及多次点火，直到再次点燃煤层，从而保证了煤炭地下气化过程的最终实施。

按照本实用新型，当利用本实用新型的光纤激光点火系统进行煤炭地下气化过程时，不再需要在中断煤炭地下气化过程的情况下直接实施二次及多次点火过程，工艺操作更为灵活方便，从而实现煤炭地下气化工艺的连续稳定运行，为现有技术带来了进步。

附图说明

图1是一个完整的动态光纤激光点火系统的示意图，包括激光源、连续油管单元和井下设备组件，以及井下环境的细节，显示了注入井衬管/注入井套管和煤层。

图2是一个完整的静态激光点火系统的示意图；

图3是一个光纤激光头内部旋转头的示意图。

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：

1.发电机/电源，2.激光光源，3.光纤电缆，4.快速连接器或光纤滑环，5.连续油管单元，6.连续油管(含光纤电缆和其他服务设备)，7.井口，8.注入井套管/注入井衬管，9.连续油管井下部分，10.煤层，11.完整的井下激光设备剖面图，12.激光设备的细节分解剖面图，13.激光束，14.弹簧盖/活板门，15.反射器/镜子，16.氧化剂的流动路径，17.激光和导引气体的流动路径，18.激光透镜，19.可旋转激光头主体，20.旋转传动装置，21.光纤电缆(固定安装在注入井套管/注入井衬管上)，22.第一点火点，23.第二点火点，24.多次/最后点火点，25、扇叶，26、传动齿轮，27、制动插销，28、弹簧。

具体的实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的具体说明。

用于煤炭地下气化工艺的光纤激光点火系统，基于注入井衬管/注入井套管作为移动通道，所述光纤激光点火系统包括如下部件：

1.车载单元，包括发电机/电源，用于提供点火所需的能量，激光源，用于将电能转化为激光；

2.一个或多个铠装光纤电缆串，用于激光的传输，可分别：

2a)安装在连续油管单元内，通过连续油管输送至所需点火点的位置，称为动态安装；

2b)安装在注入井衬管/注入井套管预定的点火点位置上，包括第一点火点的位置和后续预先设计的点火点位置，称为静态安装；

3.一个光纤激光头，用于激光导向和点燃目标煤层，可分别：

3a)动态安装：根据上述2a)直接安装在连续油管单元内氧化剂输送设备末端。

3b)静态安装：根据上述2b)直接安装在注入井衬管/注入井套管外侧的铠装光纤电缆串末端。

对于用于煤炭地下气化工艺ISC井对的完井系统，注入井衬管/注入井套管是很重要的组成部分，是煤炭地下气化工艺中点火过程和气化过程种流体流动的重要通道。按照本实用新型，注入井内衬管属于牺牲性消耗品，通常情况碳钢或以上材料可满足操作环境要求。同时，根据冷却剂的性质，需对注入井内衬管内壁进行一定程度的防腐处理。注入井内衬管的尺寸一般为4.5、5.0、5.5、6.0、6.625或者7.0英寸。其管壁厚度(内径)可以依据静岩压和静水压、冷却剂的流量等进行选型。注入井内衬管的连接方式以最后完井性能为最高优先级，可选用焊接连接、螺纹连接、卡箍沟槽连接、法兰连接、卡套式连接或卡压连接等。

本实用新型的技术方案中的车载单元，包括发电机/电源和激光源。其中发电机/电源用于提供点火所需的能量和激光源用于将电能转化为激光。采用车载方式便于在多个地下气化炉群或ISC井对之间移动，为大规模煤炭地下项目实施点火服务。在现场操作过程中，当将车载单元重新安置到新的井对位置时，重新使用设备将更加容易。

本实用新型的技术方案中的车载单元与一个或多个铠装光纤电缆串通过快速连接器或光纤滑环进行连接。其中，一个或多个铠装光纤电缆串包含至少三层铠装保护鞘如不锈钢316L，铝和镍铬合金825和阻氢溶剂如无凝胶阻氢膏。同时，可根据实际工况条件，在所述铠装光纤电缆串上安装壁厚较厚的连续管以确保该光纤电缆串用于高温高压纯氧环境。所述铠装光纤电缆串外径一般为1/8-1英寸。每个光纤电缆可提供2-10kW的激光功率。优选2-5kw。

本实用新型的技术方案中的一个或多个铠装光纤电缆串安装方式根据煤炭地下气化工艺选择。采用动态安装，光纤电缆串安装在连续油管内部，通过连续油管输送至所需点火点的位置；采用静态安装，光纤电缆串安装在注入井衬管/注入井套管预定的点火点位置上，包括第一点火点的位置和后续预先设计的点火点位置。

本实用新型的技术方案中的光纤激光头，用于激光导向和点燃目标煤层。采用动态安装，所述激光头在点火成功后可反复使用，选用耐高温防腐的特殊双相钢材，例如铬镍铁合金、蒙乃尔铜-镍合金、钨合金等；采用静态安装，所述激光头在点火过程中属消耗品，选用普通碳钢及以上材料即可。

本实用新型的技术方案中的光纤激光头，包括至少一个镜子/反射器，激光透镜和弹簧盖/活板门。其中镜子/反射器用于转移和调整激光的发射方向(小范围)，激光透镜用于调整激光光束的直径和面积，弹簧盖/活板门用于在光纤激光点火系统输送过程中保护光纤激光头。

其中所述光纤激光头可通过氧化剂/引导载气气流产生机械旋转。该旋转可以进行调整以使部分或整个光纤激光头进行圆周运动(大范围)。在氧化剂/引导载气气流流动之前，旋转头不会与齿轮传动装置啮合。当氧化剂/引导载气气流被激活时，通过扇叶和齿轮传动装置，使得光纤激光头进行0-180度圆周运动(优选30-120度)，调整激光发射方向至预定点火位置。通过调整氧化剂/引导载气气流的操作压力推动插销实施制动，可固定激光发射方向实施定点点火。若井下出现异常情况，可不固定激光发射方向，直接实施0-180度圆周运动的大面积点火和切断注入井衬管/注入井套管。

本实用新型的技术方案中的光纤激光头安装方式根据煤炭地下气化工艺选择。采用动态安装，光纤电缆串通过快速连接器与连续油管单元内的氧化剂输送设备连接，氧化剂输送设备与光纤激光头通过外部抓钩连接器或快速连接器或带有卡口/定位螺栓的螺纹或法兰螺栓实现非焊接连接并提供有效地气密性密封；采用静态安装，光纤电缆串通过快速连接器直接与光纤激光头连接并固定在注入井衬管/注入井套管的外侧。

本实用新型的技术方案中的光纤激光头可采用空气、富氧空气、氧气、二氧化碳或氮气作为激光的辅助导引载气，气化过程的氧化剂可以采用空气、富氧空气或氧气。其中，导引载气和氧化剂的输送通道为：连续油管内部通道，连续油管与注入井衬管/注入井套管的环隙以及注入井衬管/注入井套管与煤层钻孔的环隙。

按照本实用新型，在所述光纤激光点火系统中，当通过地面车载电源启动光纤激光点火系统后，点火过程中产生的激光能量足以烧穿注入井衬管/注入井套管、蒸发点火位置处煤层内的自由水和内在水、以及提升煤层温度到着火点，最终实现煤层点火。同时，可调节光纤激光头的存在，可直接调整激光至预定的点火位置，避免了注入井衬管/注入井套管内自由水在点火过程中蒸发所消耗的能量。因此，按照本实用新型，在所述光纤激光点火系统中，可以通过调整车载单元内的发电机/电源工作时间来改变光纤激光头释放的能量以及点火时间等，从而优化煤炭地下气化的点火过程。

根据实验测量，采用单根光纤电缆输送2-10kW的激光，点火时间约10-40秒，足以烧穿注入井衬管/注入井套管和加热煤层到达到着火点。若采用四根光纤电缆串输送激光(8-40kW)，点火时间为5-20秒，煤层点火点面积和注入井衬管/注入井套管烧孔面积可提高3-4倍，极大地提升了煤炭地下气化工艺中的点火效率和质量。

本实用新型所述光纤激光点火系统的操作方法，基于在地下煤层中已设有ISC井对的完井系统，所述操作方法如下：

1.动态安装光纤激光点火系统的点火方法：

a.通过连续油管将光纤激光头推进至预定点火位置；

b.通过连续油管注入导引载气，并调整光纤激光头的方向至预定煤层位置；

c.通过连续油管与注入井衬管/注入井套管的环隙通道注入氧化剂；

d.通过地面车载电源启动光纤激光点火系统，实施地下煤层点火；

e.点火成功后，后撤设备至安全位置；

f.通过连续油管注入氧化剂，实施煤炭地下气化；

g.通过重复上述a-f步骤进行二次或多次点火，直至消耗沿注入井内衬管方向的所有煤藏。

其中，所述动态安装光纤激光点火系统的点火方法中，优选采用氧化剂(空气、富氧空气或氧气)直接作为激光的导引载气。因此，可以在不中断煤炭地下气化正常生产过程的情况下直接下进行二次/多次点火。

2.静态安装光纤激光点火系统的点火方法：

a.多个光纤激光头已安装在预定煤层点火位置；

b.通过衬管/套管与煤层钻孔的环隙通道注入导引载气，并调整光纤激光头的方向至预定煤层位置；

c.通过注入井衬管/注入井套管的内部通道注入氧化剂；

d.通过地面车载电源启动光纤激光点火系统，实施地下煤层点火；

e.增加氧化剂注入流量和压力，实施煤炭地下气化；

f.通过重复上述a-e步骤进行二次或多次点火，直至消耗沿注入井内衬管方向的所有煤藏。

其中，所述静态安装光纤激光点火系统的点火方法中，优选采用氮气或二氧化碳作为激光的导引载气，可以避免二次/多次点火过程中点燃预定点火位置之外的煤层。

当利用本实用新型的光纤激光点火系统和操作方法实施煤炭地下气化点火过程，可通过缩短实施时间以及提高点火过程的安全性、质量和完整性来提高整个煤炭地下气化工艺的生产效率，同时可以降低成本，尤其是在偏远地区实施ISC项目。

下面参考附图进一步描述本实用新型的实施方案。

图1给出了一个动态安装光纤激光点火系统。一台车载发电机或储电装置1为激光源单元2提供能量。该激光源单元2将激光输出到铠装光纤电缆串3中，该光纤电缆串3包含一个或多个光纤，并连接安装在连续油管单元5上的光纤滑环或快速连接组件4。在连续油管单元5内部，光纤在井口下方7的连续油管6内部运行。在地下，连续油管6在注入井套管/注入井衬管8内输送。相同连续油管9最终在煤层中10的注入井套管/注入井衬管内运行，并终止于井下设备11。该井下设备有更详细地展示12。该设备用于将激光束13暴露于注入井套管/注入井衬管8和煤层10上。激光开口由加载弹簧的弹簧盖/活板门14保护。激光被一个反射器/镜子15转移，激光导引载气和氧化剂将通过流动路径16或17迫使活板门打开。在激活地面车载单元发射激光之前需要先激活激光导引载气和氧化剂以防止损坏弹簧盖/活板门14。激光透镜18用于改变激光光束直径和形状。此时，激光不需要小的聚焦点，它可以通过更大的聚焦区域和扭曲的光图面积以便在套管/衬管8上制造更大的开孔。所述光纤激光头包括可旋转激光头主体19和旋转传动装置20，通过激活激光导引载气和氧化剂调整和固定可旋转的激光头主体19至预定点火位置方向开始点火。旋转传动装置20如图3所示，激光导引载气和氧化剂通过扇叶25驱动齿轮26，激光头主体19进行0-180度圆周运动调整激光发射方向。通过增加导引载气/氧化剂的工作压力推动装有一定载荷弹簧28的制动插销27来固定激光发射方向进行地下煤层点火。点火成功后，通过连续油管单元5后撤激光点火设备至安全位置，实施煤炭地下气化过程。

图2给出了一个静态安装光纤激光点火系统，具有与图1相同的车载单元1和2。在其钻井和完井过程期间通过井口7安装了光纤电缆3。光纤电缆安装在套管/衬管外部，并插入井下21，进入煤层的水平段目标区域。所安装的光纤电缆包含多根电缆串，该图只显示其中一根。每根光缆的末端都连接一个简化的光纤激光头设计，无需旋转，并且包含一个气动盖子。该设备为消耗品，不可重复使用。该设备也不需要烧穿套管/衬管，能够直接点燃目标煤层。氧化剂/引导载气气流用以吹掉气动盖子，并协助点火。整个静态安装光纤激光点火系统可以预先设置有第一点火点22，第二点火点23和多次/最后点火点24，并且可以有多于三个的点火点。

以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，并非对本实用新型作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。对于本领域的技术人员来说，只要不偏离本实用新型的精神和原则，所述变化和调整均应在本实用新型范围内。