用于煤炭地下氣化工藝的對接式氣化爐與操作方法與流程

本發明公開了一種用于煤炭地下氣化工藝的地下氣化爐與操作方法。

背景技術：

煤炭地下氣化(ISC)是一種通過對地下煤層的可控燃燒(不完全燃燒)和氣化反應，把煤直接轉化為氣體產品的工藝過程。產品氣通常被稱為合成氣，可以作為燃料生產、化工生產、發電等下游工藝的原料。該工藝過程集合了建井完井、地下采煤和煤氣化工藝技術，具有安全性好、投資小、效益高、污染少等優點。

通過地面鉆井直通煤層，給氧化劑注入和產品氣輸出提供了有效通道。一個用于氧化劑注入的鉆井稱為“注入井”，另外一個用于生產產品氣的鉆井稱為“產品井”。定向水平鉆井和垂直鉆井都可作為注入井或產品井。

當煤層中有注入井、產品井和水平通道將二者連接起來時，此構造被稱為一個煤炭地下氣化(ISC)單元或井對。ISC單元包括燃燒區，氣化區和熱解區。通過煤炭地下氣化生成的產品氣(粗合成氣)通常含有合成氣(CO,CO₂,H₂,CH₄等)以及其他雜質成分(固體顆粒，水，煤焦油，H₂S,NH₄,COS等)。粗合成氣由經產品井輸送至地面，再通過地面管線輸送到下游裝置進行處理和應用。

地下氣化爐的選型需要綜合考慮煤層的地質和水文地質條件以及下游工藝對合成氣質量的要求等。爐型設計包括構建過程中采用的鉆井技術，井對的位置和用途等。現有的各種氣化爐型通常僅考慮了理想狀態下大面積的“片狀/塊狀”開采，而忽略了實際操作過程中由于復雜地質條件和氣化過程造成的合成氣穩定性，工藝控制，地面或地下地層沉降等問題。例如，公開號為CN104594873A的中國發明專利申請書公開了一種煤炭地下氣化爐及氣化方法。該氣化爐包括，一個接近煤層底板的注入通道，一個接近煤層頂板出氣通道和一個垂直點火井。采用垂直井點火，由煤層底部進行燃燒氣化后經煤層頂部輸出。其主要技術缺點在于，所述出氣通道的高溫直接作用于煤層頂板，容易造成頂板變形、冒落的風險。當其進行大規模爐群開采時，采用一次井內點火后，通過在第二氣化單元內實施倒退引火，再并聯第一氣化單元的多個氣化爐。點火步驟輔助，時間較長，整個系統需并聯操作，某一氣化爐出現突發情況無法及時發現并處理。公開號CN105089604A的中國發明專利申請書公開了一種煤炭地下氣化爐型及氣化方法。該氣化爐包括一個垂直井(產品井)和多個相互在垂直面上相互平行的定向鉆井組成的結構。采用由下至上的氣化步驟對整個厚煤層進行氣化。其主要技術缺點在于，該方法操作控制非常困難，極易產生躍層貫通，損壞整個氣化爐布局。采用下層燃燒氣化的熱量預熱上層煤層，預熱產生的焦油極易堵塞水平通道和垂直井的連通口，同時，預熱過程不易控制，溫度過高或時間過長容易損壞通道內的支撐，造成上層通道的坍塌等問題。綜上所述，現有的地下氣化爐技術和氣化方法成為了影響煤炭地下氣化效率和穩定性的瓶頸之一。目前面臨的主要問題包括：

(1)目前在煤層中實施水平定向鉆井的定位主要靠伽瑪測量儀來確定方向。伽瑪測量儀可以通過在頂板，底板和煤層的衰減級別判定其鉆井位置，然后對于在煤層中區分不同鉆井位置存在較大困難。因此，現有氣化爐型(兩個或多個相互在垂直面上相互平行的定向鉆井結構)較大程度提高了鉆井困難和成本，影響大規模工業化項目的實施；

(2)采用至下而上的氣化方法有幾個缺陷。第一，下部煤層氣化過程中極易躍層，尤其是上部煤層通道已布局好且處于一個低壓區域，或存在空氣/氧化劑；第二，采用下部煤層氣化的熱量預熱上部煤層，預熱過程的上部煤層產生的焦油容易堵塞水平通道以及產品氣出口垂直井，同時也容易損壞通道內已布局的支撐或其他地下設備；第三，如果煤層含水量較高，容易沉積在下部煤層通道，給點火和氣化工藝控制造成極大困難；第四，煤層自身的強度一般比頂板強度低的多，當對下層煤層實施地下氣化并形成較大燃空區時，上部煤層由于自重容易垮塌堵塞下部煤層的氣化通道；第五，需在下部煤層氣化結束，閉爐，人工填充后才能實施上部煤層氣化，而整個上部煤層通道結構已然建好多時。鉆井通道長時間空置，容易出現上部煤層通道結構的堵塞，破壞，坍塌，煤層氧化等問題。

(3)整個氣化爐系統主要依賴唯一一個垂直井出氣通道，容易出現堵塞以及限流問題。其次，由于產品井和注入井的工作環境不同，其內部設計和布局也有較大區別。如果單純采用另一個注入井作為備用通道，容易破壞其完整性，造成產品氣泄漏或地下水滲漏等問題。

(4)由于整個系統共用一個出氣通道，氣化開始后無法獨立監測每個注入井的正常運行過程。一旦遇到井下突發情況，無法及時發現和妥當處理，整個氣化爐系統將無法繼續正常操作，對煤炭資源浪費較大。

(5)氣化結束后，由于整個系統共用一個出氣通道，無法妥善實施后續氣化爐的停車、熄火、清洗和復原操作，存在較大的環保隱患。

技術實現要素：

本發明的目的之一在于解決現有技術的不足，提供一種用于煤炭地下氣化工藝的地下氣化爐。

本發明的目的之二在于提供一種用于煤炭地下氣化工藝的地下氣化爐的操作方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

用于煤炭地下氣化工藝的對接式氣化爐，包括至少一個對接式氣化爐單體，所述對接式氣化爐單體包括如下組件：

兩個定向注入井，每個定向注入井都包括注入井套管、同軸心設置的注入井內襯管和地下監測系統；

定向注入井的內襯管內都安裝有連續油管、可回拉的氧化劑注入設備和地下點火設備；

一個定向產品井，包括定向產品井套管、同軸心設置的產品管和地下監系統表，產品管末端為開孔結構，定向產品井水平通道內設有全程開孔的內襯管；

兩個定向注入井與一個定向產品井在尾端彼此相交貫通，定向產品井位于中間，兩個定向注入井分別位于定向產品井兩側；

定向產品井井口安裝有合成氣在線取樣分析系統和控制系統。

優選的，兩個定向注入井與一個定向產品井非相交貫通部分平行設置，定向注入井與定向產品井之間的平行距離為10-30米。

優選的，對接式氣化爐包括至少兩個對接式氣化爐單體，相鄰對接式氣化爐單體同側的定向注入井之間的平行距離為20-40米，其中10-30米為預留煤柱的寬度，確保每個對接式氣化爐單體為密閉的獨立操作單元，每個對接式氣化爐單體根據自身的合成氣在線取樣分析系統和控制系統獨立操作確保連續穩定的合成氣生產。

當某一個對接式氣化爐單體出現堵塞、熄火、氧氣泄漏等突發情況，位于該對接式氣化爐單體的地下監測系統和井口合成氣在線取樣分析系統可及時發現并反饋，有利于及時獨立地應對處理該對接式氣化爐單體，最小化各種安全隱患，確保地下氣化穩定性和可靠性。

當發現上述突發情況時，備用處理方案為，臨時關閉一側定向注入井，根據單側定向注入井的生產情況判斷突發情況位置并處理。

氣化結束后，不同層面新對接式氣化爐單體的定向注入井和定向產品井可分別利用上一層面封井廢棄對接式氣化爐單體的定向注入井和定向產品井垂直段結構，降低鉆井成本。

對于厚煤層氣化過程，采用至上而下的步驟，逐層氣化，最大化資源回采率。

本發明根據上述對接式氣化爐單體，對于普通厚度煤層(厚度<20米)進行大規模工業化生產的布局和地下氣化方法，其中包括：

a)根據項目生產規模，確定A期項目對接式氣化爐單體數目n個，依次為A1、A2，……An，按照對接式氣化爐單體的結構平行布局。同一對接式氣化爐單體定向注入井與定向產品井之間的平行距離為10-30米，相鄰對接式氣化爐單體定向注入井之間的平行距離為20-40米(包括對接式氣化爐單體之間的預留煤柱10-30米)；

b)在第A1氣化爐內，在與定向產品井最遠端相交處的兩個定向注入井水平通道內同時實施點火。不合格尾氣并入地面尾氣管道，輸送到火炬排放；

c)點火成功后，根據工藝要求切換至空氣、富氧或純氧氣化過程。合成氣質量符合設計標準后，并入地面合成氣管道，輸送到合成氣凈化處理和下游合成氣綜合利用工藝；

d)依次對A2,A3,……An進行點火及工藝切換至正常生產。不合格尾氣并入地面尾氣管道，輸送到火炬排放。合格合成氣產品并入地面合成氣管道，輸送到合成氣凈化處理和下游合成氣綜合利用工藝；

e)當A期區域煤層消耗接近完畢時，在新的工作面開始B期鉆井、點火、氣化過程。其中，在B期建設過程中，B期的對接式氣化爐位置相對于A期的對接式氣化爐位置，要在同一平面整體沿垂直于垂直氣化爐方向偏移一個預留煤柱的距離(10-30米)。最終燃空區為交錯間隔排布，可最大化預留煤柱的支撐力。之后，重復步驟a)-d)，確保下游工藝的連續穩定運行；

f)當B期達到正常生產，A期氣化結束時，依次對A1,A2,……An進行停車、熄火、清洗和復原。待燃空區內水質達到相關環保規定要求后，對A期氣化爐進行封井處理。此處，所有井采用水泥封井從煤層底部至地面；

g)當B期區域煤層消耗接近完畢時，重復步驟a)-f)，開始C期、D期氣化直至將整個煤層消耗。

本發明解決其技術問題的另一個實施方案中，根據上述對接式氣化爐，對于超厚煤層(厚度>20米)進行大規模工業化生產的布局和地下氣化方法，其中包括：

a)將煤層劃分為若干層，可根據每層厚度最厚15-20米和/或原煤層中非煤結構(如夾矸，假頂等)位置劃分；

b)根據項目生產規模，確定A期項目氣化爐數目n個，在L1層(最上層)按照上述普通厚度煤層地下氣化爐布局和方法實施上述普通厚度煤層氣化步驟a)-g)，將整個L1層消耗。在實施上述普通厚度煤層氣化步驟f時，所有井采用水泥封井從煤層底部至上覆巖層，其中，需根據實際地質條件確定是否需要在封井前實施人工放頂或人工填充；

c)當L1層最后一期區域煤層消耗接近完畢時，開始在A期L2層的鉆井，點火、氣化過程，氣化爐建設時，利用現有A期L1層定向注入井和定向產品井的垂直段，開始A期L2層的鉆井及氣化爐建設，鉆井過程中可利用A期L1層的燃空區，人工放頂區或人工填充區為定位邊界，確保定向鉆的準確性和可靠性，建設過程中，L2層的氣化爐位置相對于L1層的氣化爐位置，需整體偏移一個預留煤柱的距離(10-30米)，最終燃空區在垂直面(不同層)和水平面(相同層)都為交錯間隔排布，可最大化預留煤柱的支撐力；

d)當L1層最后一期氣化結束時，重復上述普通厚度煤層氣化步驟a)-g)，將整個L2層消耗；

e)根據步驟a)的分區從上至下依次重復步驟a)-d)，將整個煤層消耗。

附圖說明

圖1是對接式煤炭地下氣化爐單爐剖面示意圖；

圖2是普通厚度煤層對接式煤炭地下氣化爐群布局示意圖；

圖3是超厚煤層對接式煤炭地下氣化爐群布局示意圖。

圖中：1、注入井，2、產品井，3、上覆巖層，4、煤層。

具體實施方式

為了使本發明更簡單易懂，便于實際操作，一個或多個首選的具體實施方式將參照附圖，僅以舉例的形式進行描述。

用于煤炭地下氣化工藝的對接式氣化爐，包括至少一個對接式氣化爐單體，所述對接式氣化爐單體包括如下組件：

兩個定向注入井，每個定向注入井都包括注入井套管、同軸心設置的注入井內襯管和地下監測系統；

定向注入井的內襯管內都安裝有連續油管、可回拉的氧化劑注入設備和地下點火設備；

一個定向產品井，包括定向產品井套管、同軸心設置的產品管和地下監系統表，產品管末端為開孔結構，定向產品井水平通道內設有全程開孔的內襯管；

兩個定向注入井與一個定向產品井在尾端彼此相交貫通，定向產品井位于中間，兩個定向注入井分別位于定向產品井兩側；

定向產品井井口安裝有合成氣在線取樣分析系統和控制系統。

優選的，兩個定向注入井與一個定向產品井非相交貫通部分平行設置，定向注入井與定向產品井之間的平行距離為10-30米。

優選的，對接式氣化爐包括至少兩個對接式氣化爐單體，相鄰對接式氣化爐單體同側的定向注入井之間的平行距離為20-40米，其中10-30米為預留煤柱的寬度，確保每個對接式氣化爐單體為密閉的獨立操作單元，每個對接式氣化爐單體根據自身的合成氣在線取樣分析系統和控制系統獨立操作確保連續穩定的合成氣生產。

當某一個對接式氣化爐單體出現堵塞、熄火、氧氣泄漏等突發情況，位于該對接式氣化爐單體的地下監測系統和井口合成氣在線取樣分析系統可及時發現并反饋，有利于及時獨立地應對處理該對接式氣化爐單體，最小化各種安全隱患，確保地下氣化穩定性和可靠性。

當發現上述突發情況時，備用處理方案為，臨時關閉一側定向注入井，根據單側定向注入井的生產情況判斷突發情況位置并處理。

氣化結束后，不同層面新對接式氣化爐單體的定向注入井和定向產品井可分別利用上一層面封井廢棄對接式氣化爐單體的定向注入井和定向產品井垂直段結構，降低鉆井成本。

對于厚煤層氣化過程，采用至上而下的步驟，逐層氣化，最大化資源回采率。

定向注入井在煤層中的水平通道長度可達500-1500米，優選800-1200米。定向注入井包括注入井套管、同軸心設置的定向注入井內襯管、安裝在注入井內襯管內襯管外壁的地下監測系統。其中注入井套管從地面開始一直延伸至煤層底部與煤層底板平行的位置。注入井內襯管選用完整管，是消耗品，其材質可選用普通碳鋼管，無縫鋼管，接合鋼管等。注入井內襯管從點火位置至其頂端(與產品井相交處)選用開孔結構。開孔的孔徑為5-35mm，開孔以交錯間隔模式布局，開孔總面積占管壁面積的5-35％。地下監測系統包括溫度、壓力和聲波傳感器，沿著注入井內襯管外部延伸至其頂端。

注入井內襯管內安裝有連續油管、可回拉的氧化劑注入設備和地下點火設備，用于地下煤層點火、正常生產所需氧化劑及氣化劑的注入以及氣化工藝過程的控制，確保高質量合成氣的穩定生產。

定向產品井，包括產品井套管、同軸心設置的產品管、地下監測系統表。其中定向產品井內自由懸掛的產品管末端水平位置為開孔結構，定向產品井水平通道內的內襯管為全程開孔結構，開孔的孔徑為5-35mm，開孔以交錯間隔模式布局，開孔總面積占管壁面積的5-35％。

合成氣在線取樣分析系統安裝在產品井出口處，用于獨立監測單個氣化爐合成氣質量和氧含量，并及時反饋給控制系統與安全系統，確保整個氣化工藝的安全性，穩定性和可靠性。

根據地質條件決定，對接式氣化爐單體之間的預留煤柱為10-30米，以確保每個氣化爐單體之間相互隔離，為獨立操作單元。最終煤層內部燃空區優選交錯間隔排布，可最大化預留煤柱的支撐力。

對接式氣化爐單體燃空區寬度可控，具體根據氣化爐單體操作壓力，煤層厚度，氣化爐熱傳遞效率、煤層及其上覆巖層的抗壓抗拉力，合成氣質量的穩定性等因素決定。一般情況為煤層厚度的2-6倍，約20-80米，優選30-60米。

同一對接式氣化爐單體定向注入井與定向產品井之間的平行距離為10-30米，相鄰對接式氣化爐定向注入井之間的平行距離為20-40米(包括氣化爐單體之間的預留煤柱10-30米)。

本發明第一個實施方案中，對接式氣化爐單體如圖1所示，對接式氣化爐單體由兩個定向注入井1和一個定向產品井2組成。在預定位置采用定向鉆井和完井技術貫穿上覆巖層3到煤層4中并向前延伸500-1500米，建設定向產品井2并完井。在定向產品井2端部放置信號發射器引導注入井定向鉆井。在定向產品井2井口兩側距離10-30米處開始注入井定向鉆井，貫穿上覆巖層3至煤層4中并向前延伸500-1500米，鉆井過程中確保其與定向產品井2平行。根據定向產品井2端部的信號發射器引導，使得兩個定向注入井1與定向產品井2在端部相交并彼此貫通。在定向注入井水平段端部(即尾端交匯處)同時實施點火，點火成功后，根據工藝要求切換至空氣、富氧或純氧氣化過程。當合成氣質量低于設計標準后或燃空區寬度達到設計要求后，在兩個注入井井口同時對注氧設備實施回拉操作，將燃燒區和氣化區移動到新鮮煤層，生產高質量的合成氣。當某一個氣化爐出現堵塞、熄火、氧氣泄漏等突發情況，位于氣化爐的地下監測系統和井口合成氣在線取樣分析系統可及時發現并處理。同時，可臨時關閉一側定向注入井，根據單側生產情況判斷突發情況位置并處理。

本發明另一個實施方案，如圖2所示，采用該對接式氣化爐單體對普通厚度煤層(厚度<20米)進行大規模工業化生產的布局和操作方法。具體實施方法如下：第一，根據項目生產規模，確定A期項目氣化爐數目n個，按照對接式地下氣化爐的結構平行布局。同一氣化爐注入井與產品井之間的平行距離為10-30米，相鄰氣化爐注入井之間的平行距離為20-40米(包括氣化爐之間的預留煤柱10-30米)；第二，在第A1氣化爐內，在與產品井最遠端相交處的兩個注入井水平通道內同時實施點火。不合格尾氣并入地面尾氣管道，輸送到火炬排放；第三，點火成功后，根據工藝要求切換至空氣、富氧或純氧氣化過程。合成氣質量符合設計標準后，并入地面合成氣管道，輸送到合成氣凈化處理和下游合成氣綜合利用工藝；第四，依次對A2,A3,……An進行點火及工藝切換至正常生產。不合格尾氣并入地面尾氣管道，輸送到火炬排放。合格合成氣產品并入地面合成氣管道，輸送到合成氣凈化處理和下游合成氣綜合利用工藝；第五，當A期區域煤層消耗接近完畢時，在新的工作面開始B期鉆井、點火、氣化過程。其中，在B期建設過程中，B期的氣化爐位置相對于A期的氣化爐位置，要在同一平面整體沿垂直于氣化爐方向偏移一個預留煤柱的距離(10-30米)。最終燃空區為交錯間隔排布，可最大化預留煤柱的支撐力。之后，重復步驟一至四，確保下游工藝的連續穩定運行；第六，當B期達到正常生產，A期氣化結束時，依次對A1,A2,……An進行停車、熄火、清洗和復原。待燃空區內水質達到相關環保規定要求后，對A期氣化爐進行封井處理。此處，所有井采用水泥封井從煤層底部至地面；第七，當B期區域煤層消耗接近完畢時，重復步驟一至六，開始C期、D期氣化直至將整個煤層消耗。

本發明另一個實施方案，如圖3所示，采用該對接式氣化爐對超厚煤層(厚度>20米)進行大規模工業化生產的布局和操作方法。具體實施方法如下：第一，將煤層劃分為若干層，可根據每層厚度最厚15-20米和/或原煤層中非煤結構(如夾矸，假頂等)位置劃分；第二，根據項目生產規模，確定A期項目氣化爐數目n個，在L1層(最上層)按照上述普通厚度煤層地下氣化爐布局和方法(圖2)實施上述普通厚度煤層氣化步驟一至七，將整個L1層消耗。在實施上述普通厚度煤層氣化步驟六時，所有井采用水泥封井從煤層底部至上覆巖層。其中，需根據實際地質條件確定是否需要在封井前實施人工放頂或人工填充；第三，當L1層最后一期區域煤層消耗接近完畢時，開始在A期L2層的鉆井，點火、氣化過程。氣化爐建設時，利用現有A期L1層注入井和產品井的垂直段，開始A期L2層的鉆井及氣化爐建設。鉆井過程中可利用A期L1層的燃空區，人工放頂區或人工填充區為定位邊界，確保定向鉆的準確性和可靠性。建設過程中，L2層的氣化爐位置相對于L1層的氣化爐位置，需整體偏移一個預留煤柱的距離(10-30米)。最終燃空區在垂直面(不同層)和水平面(相同層)都為交錯間隔排布，可最大化預留煤柱的支撐力；第四，當L1層最后一期氣化結束時，重復上述普通厚度煤層氣化步驟一至七，將整個L2層消耗；第五，根據本方法步驟一的分區從上至下依次重復本方法步驟一至四，將整個煤層消耗。

綜上所述，本發明的對接式氣化爐有以下優點：1.結構簡單，新對接式氣化爐定向注入井可再次利用封井廢棄對接式氣化爐注入井的垂直段結構，降低鉆井成本；2.有效地延伸了對接式氣化爐長度，延長對接式氣化爐的壽命，提高了項目的經濟效益；3.對接式氣化爐燃空區寬度可控，實施長壁/帶狀開采，最小化煤層頂板冒落或地層下沉等問題的可能性；4.每個對接式氣化爐單體是密閉的獨立單元，進行單獨的操作和控制，任何一個對接式氣化爐單體出現問題時不影響對接式氣化爐群的正常生產，確保合成氣生產的安全性、穩定性和連續性；5.每個對接式氣化爐單體的點火過程可分步實施，顯著降低了點火階段不合格尾氣的排放量；6.燃空區結構簡單，無死角，氣化結束后的停車，熄火、清洗和復原操作可分步實施，安全簡單。

以上所述提及的“一個實施方案”包括在實施方案中描述的相關特性、結構、特征都與本發明的其中至少一個實施方案相關。因此，以上所述多次提及“一個實施方案中”的地方并非都特指同一個實施方案。此外，在實施方案中描述的相關特性、結構、特征可以以任何合適的方式一個或多個組合。

以上所述僅為本發明的優選實施方案而已，并不用于限制本發明。對于本領域的技術人員，本發明可以有各種變化和更改。凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。