一種高效煤炭地下氣化爐及其構建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高效煤炭地下氣化爐及其構建方法，包括在一個四邊形煤層塊設置的點火通道、集氣通道、進氣通道和出氣通道，出氣通道在四邊形煤層塊邊沿與集氣通道的水平距離在10m以上；采用后退燃燒法擴展集氣通道的截面到2×2m2以上，多條間隔一定距離的進氣通道與擴展后的集氣通道在下側連通，實現(xiàn)集氣；當集氣通道中的火區(qū)工作面后退到某個出氣孔附近時，則在該孔壓裂和逆向火力滲透燃燒，溝通出氣通道和集氣通道；本發(fā)明可實現(xiàn)多個進氣通道并聯(lián)氣化，提高了氣化爐產(chǎn)能；采用后退燃燒和逆向貫通的方法，縮短了氣化爐構建周期；由垂直鉆孔組成的出氣系統(tǒng)布置于應力集中區(qū)以外，提高了出氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
【專利說明】
一種高效煤炭地下氣化爐及其構建方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及煤炭地下氣化開采技術，特別涉及一種高效煤炭地下氣化爐及其構建方法，適用于不同賦存狀態(tài)的煤層進行高效地下氣化開采。
【背景技術】
[0002]無井式煤炭地下氣化是通過在原始地下煤層中施工地質鉆孔來進行氣化的過程。不同區(qū)域的原始煤層賦存狀態(tài)各異，現(xiàn)有單一形式的地下氣化爐在經(jīng)濟、合理的角度上無法達到煤炭資源的有效覆蓋；同時氣化通道內(nèi)直接氣化后的煤氣含灰、高溫、高壓，會造成出氣鉆孔堵塞、變形;另外常規(guī)地下氣化爐會在垂直出氣鉆孔底部形成很大的燃空區(qū)，造成鉆孔底部應力集中，影響鉆孔穩(wěn)定出氣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提出一種高效煤炭地下氣化爐及其構建方法，充分利用煤層定向鉆進工藝同時構建一體化的地下氣化爐及集氣通道、出氣系統(tǒng)。針對不同賦存規(guī)模的煤層靈活調(diào)整氣化通道條數(shù)及集氣通道長度，利用集氣通道對煤氣進行除塵、降溫、穩(wěn)壓以及均衡煤氣組分，垂直出氣鉆孔位于應力集中區(qū)域外側，能夠實現(xiàn)對煤層的大面積、持續(xù)化、高效能氣化。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是:
一種高效煤炭地下氣化爐，包括在一個四邊形煤層塊設置的點火通道、集氣通道、進氣通道和出氣通道，其中，所述點火通道是一個垂直向下的鉆孔通道，點火通道設置在四邊形煤層塊一個邊角區(qū)域，所述鉆孔通道伸入煤層距煤層底板0.5至2m，圍繞點火通道設有至少兩個輔助點火通道，兩個輔助點火通道與點火通道在邊角區(qū)域呈三角型布局，點火通道通過點火通道縫隙在底端與兩個輔助點火通道連通，所述集氣通道在距煤層底板0.5至2m處與點火通道連通，并水平延伸至四邊形煤層塊與點火通道邊角區(qū)域相鄰的另一個邊角區(qū)域然后向上至地面;所述出氣通道是多個從地面垂直向下的通道，多個出氣通道排列為一排與集氣通道平行設置，一排出氣通道在四邊形煤層塊邊沿與集氣通道的水平距離大于1m;所述進氣通道數(shù)量少于排出氣通道數(shù)量在距煤層底板0.50到2米穿過集氣通道下側與出氣通道間隔連通;所述進氣通道垂直于集氣通道相互平行穿過四邊形煤層塊在四邊形煤層塊相對于出氣通道邊沿的另一邊沿向上至地面，所述與進氣通道連通的出氣通道通過出氣通道縫隙在底端與集氣通道連通，所述與進氣通道不連通的出氣通道通過出氣通道縫隙在底端與相鄰的出氣通道連通，相鄰的出氣通道是與進氣通道連通的出氣通道。
[0005]方案進一步是:所述兩個輔助點火通道設置在集氣通道兩側。
[0006]方案進一步是:所述出氣通道之間的距離是20m以上。
[0007]方案進一步是:所述的點火通道縫隙是通過冷態(tài)壓裂的方式實現(xiàn)的，所述出氣通道縫隙是在點火后通過在出氣通道輸入氣壓和逆向火力滲透燃燒實現(xiàn)的。
[0008]方案進一步是:所述點火通道、所述出氣通道、集氣通道垂直于地面段、進氣通道垂直于地面段分別設置套管固井。
[0009]方案進一步是:所述集氣通道垂直于地面段與水平段之間和進氣通道垂直于地面段與水平段之間分別是由斜向段連接，所述斜向段采用標準石油套管固井，所述水平段下放具有強度的支護管。
[0010]—種高效煤炭地下氣化爐構建方法，是在一個四邊形煤層塊設置點火通道、集氣通道、進氣通道和出氣通道的方法，出氣通道是垂直于地面的通道，其中:點火通道在四邊形煤層塊一個邊角區(qū)域，進氣通道進口和出氣通道出口分別為一排、每一排為多個，一排進氣通道進口和一排出氣通道出口分別設置在四邊形煤層塊兩個相對的邊沿，所述集氣通道為一個，一個集氣通道設置在四邊形煤層塊出氣通道側、與點火通道連通，其方法是:所述集氣通道采用定向鉆孔的方式從與點火通道相鄰的四邊形煤層塊另一個邊角區(qū)域下鉆，首先垂直下鉆，進入煤層后改為斜向下鉆，斜向下鉆至距煤層底板0.5至2m處后改為水平橫向鉆進、直至與點火通道連通;其水平橫向段與一排出氣通道平行，距一排出氣通道水平距離大于10m，并且，在點火通道點火后從出氣通道施加氣壓形成逆向火力滲透燃燒產(chǎn)生的縫隙使集氣通道與出氣通道連通;所述進氣通道采用定向鉆孔的方式，從與四邊形煤層塊一邊排進氣通道進口相對的四邊形煤層塊另一邊下鉆，首先垂直下鉆，進入煤層后改為斜向下鉆，在距煤層底板0.50到2米后改為水平鉆進，直至與出氣通道連通。
[0011 ]方案進一步是:所述進氣通道數(shù)量少于排氣通道數(shù)量，進氣通道在距煤層底板
0.50到2米穿過集氣通道下側與出氣通道間隔連通。
[0012]方案進一步是:所述方法進一步包括:在點火通道點火后采用后退燃燒擴展集氣通道的截面到2X2m2以上，所述進氣通道與擴展后的集氣通道在下側聯(lián)通。
[0013]方案進一步是:所述從出氣通道施加氣壓形成逆向火力滲透燃燒產(chǎn)生的縫隙使集氣通道與出氣通道連通的方法是:在氣化爐點火后，當集氣通道中的火區(qū)工作面后退到接近一個出氣通道時，向這一出氣通道出口封閉逐漸輸氣加壓，預設壓力停頓點，在每一壓力停頓點、在一個設定的時間內(nèi)，監(jiān)測出氣通道口停頓點壓力的變化，當出氣通道口停頓點壓力突降，則集氣通道與出氣通道已產(chǎn)生連通。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:
1、提高了煤炭資源的利用率:針對不同煤炭資源的賦存特點構建地下氣化爐，靈活調(diào)整氣化通道和集氣通道的長度，實現(xiàn)氣化資源利用率80%以上，大大提高了煤炭資源的利用率。
[0015]2、提高了產(chǎn)品煤氣的綜合質量:將各條氣化通道內(nèi)的產(chǎn)品煤氣首先匯聚于集氣通道內(nèi)，利用集氣通道進行緩沖，達到一定的除塵、降溫、穩(wěn)壓以及均衡煤氣組分效果，提高了直接產(chǎn)品煤氣的綜合質量。
[0016]3、提高了出氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性:由垂直鉆孔組成的出氣系統(tǒng)布置于應力集中區(qū)以夕卜，避免了地下形成空區(qū)后地層錯動對出氣孔底部的剪切作用，同時形成的一定長度的出氣管路會達到降低煤氣溫度及高溫干餾兩側煤炭資源的效果，保證出氣鉆孔底部處于穩(wěn)定的地應力狀態(tài)之下，并不受過高溫度影響，從根本上解決了氣化爐的不穩(wěn)定出氣問題，提高了出氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0017]4、提高了氣化爐產(chǎn)能:由多個進氣通道(工作面)同時并聯(lián)氣化，進氣通道的數(shù)量可根據(jù)煤層條件和生產(chǎn)規(guī)模確定，提高了單爐產(chǎn)能。
[0018]5、縮短了氣化爐構建周期:當集氣通道中的火區(qū)工作面后退到某個出氣孔附近時，則在該孔壓裂和逆向火力滲透燃燒，溝通出氣通道和集氣通道;采用后退燃燒和逆向貫通的方法，縮短了氣化爐構建周期。
[0019]下面結合附圖和實施例對發(fā)明作一詳細描述。
【附圖說明】
[0020]圖1為下氣化爐結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021]實施例1:
一種高效煤炭地下氣化爐，如圖1所示，包括在一個四邊形煤層塊I設置的點火通道I1、集氣通道04、進氣通道01、02、03和出氣通道？1、？2、？3、？4、？5，其中，所述點火通道是一個垂直向下的鉆孔通道，點火通道設置在四邊形煤層塊一個邊角區(qū)域，所述鉆孔通道伸入煤層距煤層底板101約0.5至2m，圍繞點火通道5米至10米設有至少兩個輔助點火通道12、13，兩個輔助點火通道與點火通道在邊角區(qū)域呈三角型布局，點火通道通過點火通道縫隙在底端與兩個輔助點火通道連通，所述集氣通道在距煤層底板0.5至2m處與點火通道連通，并水平延伸至四邊形煤層塊與點火通道邊角區(qū)域相鄰的另一個邊角區(qū)域然后向上至地面，水平段長度可根據(jù)出氣通道布置數(shù)目調(diào)整或做預留；所述出氣通道是多個從地面垂直向下的通道，鉆孔鉆至煤層底板即可，底部擴孔并施加支護，孔徑根據(jù)產(chǎn)氣量的需要確定，鉆孔數(shù)目可調(diào)整；多個出氣通道排列為一排與集氣通道平行設置，通常在垂直于集氣通道之上至進氣通道區(qū)域稱為應力集中區(qū)，過去傳統(tǒng)上都是將出氣通道設置在該區(qū)域，因此經(jīng)常出現(xiàn)出氣通道在運行的過程中出現(xiàn)堵塞的問題，在本實施例中，所述一排出氣通道在四邊形煤層塊邊沿與集氣通道的水平距離大于10m，(例如15m)，將其布置在應力集中區(qū)之外；如圖1所示，所述進氣通道數(shù)量少于排出氣通道數(shù)量在距煤層底板0.50到2米穿過集氣通道下側與出氣通道間隔連通，即:P1、P3、P5分別與D1、D2、D3連通;所述進氣通道水平垂直于集氣通道相互平行穿過四邊形煤層塊在四邊形煤層塊相對于出氣通道邊沿的另一邊沿向上至地面，所述與進氣通道連通的出氣通道通過出氣通道縫隙在底端與集氣通道連通，所述與進氣通道不連通的出氣通道通過出氣通道縫隙在底端與相鄰的出氣通道連通，相鄰的出氣通道是與進氣通道連通的出氣通道。
[0022]實施例中:所述兩個輔助點火通道設置在集氣通道兩側。
[0023]實施例中:所述出氣通道之間的距離是20m以上，本實施例在20m至30m之間。
[0024]實施例中:所述的點火通道縫隙是通過冷態(tài)壓裂的方式實現(xiàn)的，所述出氣通道縫隙是在點火后通過在出氣通道輸入氣壓和逆向火力滲透燃燒實現(xiàn)的。
[0025]實施例中:所述點火通道、所述出氣通道、集氣通道垂直于地面段、進氣通道垂直于地面段分別設置套管固井。所述集氣通道垂直于地面段與水平段之間和進氣通道垂直于地面段與水平段之間分別是由斜向段連接，所述斜向段采用標準石油套管固井，所述水平段下放具有強度的支護管。在點火通道和出氣通道底部都有擴孔，底部擴孔施加支護。
[0026]實施例2:
一種基于實施例1所述高效煤炭地下氣化爐的構建方法，是在一個四邊形煤層塊設置點火通道、集氣通道、進氣通道和出氣通道的方法，實施例1中的內(nèi)容適用于本市實施例，因此，出氣通道是垂直于地面的通道，其中:點火通道在四邊形煤層塊一個邊角區(qū)域，進氣通道進口和出氣通道出口分別為一排、每一排為多個，一排進氣通道進口和一排出氣通道出口分別設置在四邊形煤層塊兩個相對的邊沿，所述集氣通道為一個，一個集氣通道設置在四邊形煤層塊出氣通道側、與點火通道連通，其中，所述集氣通道采用定向鉆孔的方式從與點火通道相鄰的四邊形煤層塊另一個邊角區(qū)域下鉆，首先垂直下鉆，進入煤層后改為斜向下鉆，斜向下鉆至距煤層底板0.5至2m處后改為水平橫向鉆進、直至與點火通道連通;其水平橫向段與一排出氣通道平行，距一排出氣通道水平距離大于10m，并且，在點火通道點火后從出氣通道施加氣壓形成逆向火力滲透燃燒產(chǎn)生的縫隙使集氣通道與出氣通道連通;所述進氣通道采用定向鉆孔的方式，從與四邊形煤層塊一邊排進氣通道進口相對的四邊形煤層塊另一邊下鉆，首先垂直下鉆，進入煤層后改為斜向下鉆，在距煤層底板0.50到2米后改為水平鉆進，直至與出氣通道連通。
[0027]實施例中:所述點火通道、所述出氣通道、集氣通道垂直于地面段、進氣通道垂直于地面段分別設置雙層套管固井，所述集氣通道斜向下段和所述進氣通道斜向下段采用標準石油套管固井，所述水平段下放具有強度的支護管所述。
[0028]實施例中:所述進氣通道數(shù)量少于排出氣通道數(shù)量，進氣通道在距煤層底板0.50至IJ2米穿過集氣通道下側與出氣通道間隔連通。
[0029]并且:所述方法進一步包括:在點火通道點火后采用后退燃燒擴展集氣通道的截面到2X2m2以上，所述進氣通道與擴展后的集氣通道在下側聯(lián)通。
[0030]實施例中:點火通道設置在四邊形煤層塊一個邊角區(qū)域，所述鉆孔通道伸入煤層距煤層底板約0.5至2m，圍繞點火通道5米至10米設有至少兩個輔助點火通道12、13，兩個輔助點火通道與點火通道在邊角區(qū)域呈三角型布局，點火通道通過點火通道縫隙在底端與兩個輔助點火通道連通，所述的點火通道縫隙是通過冷態(tài)壓裂的方式實現(xiàn)的，所述冷態(tài)壓裂的方式是從一個密封的點火通道口插入一個氣管，從氣管向點火通道逐漸輸氣加壓，流量不小于150Nm3/h，在5MPa壓力內(nèi)預設壓力停頓點，在每一壓力停頓點、在一個設定的時間內(nèi)，同時監(jiān)測點火通道口停頓點壓力的變化和其它點火通道口壓力，當其它點火通道口壓力升高，并輸入氣的點火通道口停頓點壓力突降，則冷態(tài)壓裂完成，點火通道之間已產(chǎn)生縫隙連通;壓裂過程中需實時監(jiān)測周邊鉆孔壓力情況。正常情況下煤層會在5MPa以內(nèi)(流量不小于150Nm3/h)的高壓空氣作用下，導通煤層天然裂隙、孔隙，過程速率一般為I?2m/d，煤層天然裂隙、孔隙發(fā)生連通后，氣體由預貫通鉆孔滲透至周邊鉆孔，表現(xiàn)出壓力的突降(壓降為0.003?0.009MPa/m)，此即為冷態(tài)壓裂階段;其中:壓力停頓點可以設置在IMPa壓力、2MPa壓力或3 MPa壓力點，設定的時間可以是6小時、12小時或24小時，可以將壓力跳躍下降視為壓力突降。
[0031]實施例中:所述從出氣通道施加氣壓形成逆向火力滲透燃燒產(chǎn)生的縫隙使集氣通道與出氣通道連通的方法是:在氣化爐點火后，當集氣通道中的火區(qū)工作面后退到接近一個出氣通道時，向這一出氣通道出口封閉逐漸輸氣加壓，預設壓力停頓點，在每一壓力停頓點、在一個設定的時間內(nèi)，監(jiān)測出氣通道口停頓點壓力的變化，當出氣通道口停頓點壓力突降，則集氣通道與出氣通道已產(chǎn)生連通，在逐漸輸氣加壓的過程由于集氣通道中火區(qū)的火力會在有微小縫隙時形成逆向滲透燃燒加快縫隙的形成。
[0032]本實施例的運用是:點火通道I1U2和I3冷態(tài)壓裂后下放點火器，在集氣通道D4通道內(nèi)下放分離控制注氣點裝置，由1:開始引火，逐步構建集氣通道，集氣通道構建過程中I1、I2和I3作為出氣孔，同時通過在從出氣通道施加氣壓形成逆向火力滲透燃燒產(chǎn)生的縫隙或者出氣過程中驗證煤層裂隙發(fā)育方向，最終的集氣通道控制規(guī)模約為大于2X2m2;在D^D2和D3(或一條或兩條)通道內(nèi)下放分離控制注氣點裝置至集氣通道D4底部，利用強制氧化方式及D4內(nèi)部高溫引火，D4中線控制通道規(guī)格大于2 X 2m2，D4右側至垂直鉆孔P1、P3 JPP5底部不主動燃燒;形成穩(wěn)定氣化區(qū)、集氣區(qū)和出氣系統(tǒng)后，可將垂直鉆孔1:、12和I3繼續(xù)作為出氣孔或者視情況調(diào)整為排水孔。
[0033]本實施例的優(yōu)勢在于:利用先進的煤層定向鉆進工藝，同時針對不用賦存條件的煤層構建一體化的地下氣化爐及集氣通道、出氣系統(tǒng)，容易實施，施工周期短;集氣通道可以對各氣化通道的煤氣進行除塵、降溫、穩(wěn)壓，均衡組分；出氣系統(tǒng)位于應力集中區(qū)域外側，能夠避免孔底垮塌;并可根據(jù)氣化規(guī)模的不同，靈活地調(diào)整氣化通道條數(shù)、集氣通道長度及出氣孔數(shù)目。從根本上解決了煤炭資源氣化利用率低和直接產(chǎn)品煤氣含塵、高溫、高壓、組分不一及出氣孔底部不穩(wěn)定等相關問題，保證了氣化爐的長期、穩(wěn)定、高效運行。
【主權項】
1.一種高效煤炭地下氣化爐，包括在一個四邊形煤層塊設置的點火通道、集氣通道、進氣通道和出氣通道，其特征在于，所述點火通道是一個垂直向下的鉆孔通道，點火通道設置在四邊形煤層塊一個邊角區(qū)域，所述鉆孔通道伸入煤層距煤層底板0.5至2m，圍繞點火通道設有至少兩個輔助點火通道，兩個輔助點火通道與點火通道在邊角區(qū)域呈三角型布局，點火通道通過點火通道縫隙在底端與兩個輔助點火通道連通，所述集氣通道在距煤層底板0.5至2m處與點火通道連通，并水平延伸至四邊形煤層塊與點火通道邊角區(qū)域相鄰的另一個邊角區(qū)域然后向上至地面;所述出氣通道是多個從地面垂直向下的通道，多個出氣通道排列為一排與集氣通道平行設置，一排出氣通道在四邊形煤層塊邊沿與集氣通道的水平距離大于1m;所述進氣通道數(shù)量少于排出氣通道數(shù)量在距煤層底板0.50到2米穿過集氣通道下側與出氣通道間隔連通;所述進氣通道垂直于集氣通道相互平行穿過四邊形煤層塊在四邊形煤層塊相對于出氣通道邊沿的另一邊沿向上至地面，所述與進氣通道連通的出氣通道通過出氣通道縫隙在底端與集氣通道連通，所述與進氣通道不連通的出氣通道通過出氣通道縫隙在底端與相鄰的出氣通道連通，相鄰的出氣通道是與進氣通道連通的出氣通道。2.根據(jù)權利要求1所述的地下氣化爐，其特征在于，所述兩個輔助點火通道設置在集氣通道兩側。3.根據(jù)權利要求1所述的地下氣化爐，其特征在于，所述出氣通道之間的距離是20m以上。4.根據(jù)權利要求1所述的地下氣化爐，其特征在于，所述的點火通道縫隙是通過冷態(tài)壓裂的方式實現(xiàn)的，所述出氣通道縫隙是在點火后通過在出氣通道輸入氣壓和逆向火力滲透燃燒實現(xiàn)的。5.根據(jù)權利要求1所述的地下氣化爐，其特征在于，所述點火通道、所述出氣通道、集氣通道垂直于地面段、進氣通道垂直于地面段分別設置套管固井。6.根據(jù)權利要求1所述的地下氣化爐，其特征在于，所述集氣通道垂直于地面段與水平段之間和進氣通道垂直于地面段與水平段之間分別是由斜向段連接，所述斜向段采用標準石油套管固井，所述水平段下放具有強度的支護管。7.—種高效煤炭地下氣化爐構建方法，是在一個四邊形煤層塊設置點火通道、集氣通道、進氣通道和出氣通道的方法，出氣通道是垂直于地面的通道，其中:點火通道在四邊形煤層塊一個邊角區(qū)域，進氣通道進口和出氣通道出口分別為一排、每一排為多個，一排進氣通道進口和一排出氣通道出口分別設置在四邊形煤層塊兩個相對的邊沿，所述集氣通道為一個，一個集氣通道設置在四邊形煤層塊出氣通道側、與點火通道連通，其特征在于，所述集氣通道采用定向鉆孔的方式從與點火通道相鄰的四邊形煤層塊另一個邊角區(qū)域下鉆，首先垂直下鉆，進入煤層后改為斜向下鉆，斜向下鉆至距煤層底板0.5至2m處后改為水平橫向鉆進、直至與點火通道連通;其水平橫向段與一排出氣通道平行，距一排出氣通道水平距離大于10m，并且，在點火通道點火后從出氣通道施加氣壓形成逆向火力滲透燃燒產(chǎn)生的縫隙使集氣通道與出氣通道連通;所述進氣通道采用定向鉆孔的方式，從與四邊形煤層塊一邊排進氣通道進口相對的四邊形煤層塊另一邊下鉆，首先垂直下鉆，進入煤層后改為斜向下鉆，在距煤層底板0.50到2米后改為水平鉆進，直至與出氣通道連通。8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，所述進氣通道數(shù)量少于排氣通道數(shù)量，進氣通道在距煤層底板0.50到2米穿過集氣通道下側與出氣通道間隔連通。9.根據(jù)權利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括:在點火通道點火后采用后退燃燒擴展集氣通道的截面到2 X 2m2以上，所述進氣通道與擴展后的集氣通道在下側聯(lián)通。10.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，所述從出氣通道施加氣壓形成逆向火力滲透燃燒產(chǎn)生的縫隙使集氣通道與出氣通道連通的方法是:在氣化爐點火后，當集氣通道中的火區(qū)工作面后退到接近一個出氣通道時，向這一出氣通道出口封閉逐漸輸氣加壓，預設壓力停頓點，在每一壓力停頓點、在一個設定的時間內(nèi)，監(jiān)測出氣通道口停頓點壓力的變化，當出氣通道口停頓點壓力突降，則集氣通道與出氣通道已產(chǎn)生連通。
【文檔編號】E21B43/295GK106089177SQ201610682180
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月18日 公開號201610682180.5, CN 106089177 A, CN 106089177A, CN 201610682180, CN-A-106089177, CN106089177 A, CN106089177A, CN201610682180, CN201610682180.5
【發(fā)明人】梁杰, 梁鯤, 史龍璽, 汪貽亮, 王莉, 王張卿, 鄭林
【申請人】中國礦業(yè)大學(北京)