用于煤炭地下氣化過(guò)程的產(chǎn)出井設(shè)備及其應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于煤炭地下氣化過(guò)程的產(chǎn)出井設(shè)備。特別地，本發(fā)明提供了一種在煤炭地下氣化過(guò)程中可以通過(guò)注入冷卻劑冷卻后移除產(chǎn)品氣的產(chǎn)出井設(shè)備，還提供了所述產(chǎn)出井設(shè)備在煤炭地下氣化過(guò)程中的應(yīng)用。本發(fā)明通過(guò)對(duì)所述產(chǎn)出井設(shè)備的各部件的設(shè)計(jì)、選材和應(yīng)用以及產(chǎn)出井本身的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，使得所述產(chǎn)出井設(shè)備的操作更加安全可控，并且其大部分部件如井口設(shè)備、產(chǎn)品管、冷卻劑管和監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)等都可以在氣化過(guò)程結(jié)束后全部或部分回收和重復(fù)使用。
【專利說(shuō)明】
用于煤炭地下氣化過(guò)程的產(chǎn)出井設(shè)備及其應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明提供了一種用于煤炭地下氣化過(guò)程的產(chǎn)出井設(shè)備。特別地，本發(fā)明提供了 一種在煤炭地下氣化過(guò)程中可以通過(guò)注入冷卻劑冷卻后移除產(chǎn)品氣的產(chǎn)出井設(shè)備，還提供 了所述產(chǎn)出井設(shè)備在煤炭地下氣化過(guò)程中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤炭地下氣化(UCG或ISC)過(guò)程是在氧化劑存在下通過(guò)地下煤層的燃燒和氣化將 煤直接轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品氣(也稱為粗合成氣）的過(guò)程，所述產(chǎn)品氣隨后可以用于多種應(yīng)用，包括 燃料生產(chǎn)、化學(xué)品生產(chǎn)和發(fā)電等。鑒于采礦業(yè)越來(lái)越嚴(yán)格的環(huán)保要求和考慮到相關(guān)的人工 成本和基建成本，這種適用于大多數(shù)煤藏的煤炭地下氣化技術(shù)無(wú)疑是很有吸引力的。
[0003] 對(duì)于煤氣化過(guò)程，無(wú)論在地上還是地下進(jìn)行，其中都是通過(guò)如下一系列化學(xué)反應(yīng) 使煤轉(zhuǎn)化，其中H 20和C02為主要?dú)饣瘎?，?2為主要氧化劑：
[0004] C+〇2-C〇2(完全氧化反應(yīng)）
[0005] C+1/202-C0 (部分氧化反應(yīng)）
[0006] C+H20-H2+C0 (水蒸氣氣化反應(yīng)）
[0007] C+2H2-CH4(氫氣氣化反應(yīng)）
[0008] C+CO2-2C0(二氧化碳?xì)饣磻?yīng)）
[0011] 在煤炭地下氣化過(guò)程中，通常要在地下煤層中設(shè)有相應(yīng)的完井系統(tǒng)。所述完井系 統(tǒng)通常包括用于注入各種試劑如氧化劑、氣化劑和冷卻劑等的注入井、用于移除產(chǎn)品氣的 產(chǎn)出井和用于起輔助作用的各種輔助井，其中注入井、產(chǎn)出井和輔助井內(nèi)通常均鋪設(shè)有套 管和/或內(nèi)襯管且按需要彼此連通，其中所述輔助井通常包括點(diǎn)火井、冷凍井、屏蔽井和防 護(hù)井等，其中注入井通常為水平定向井，而產(chǎn)出井和輔助井通?？梢詾樗蕉ㄏ蚓虼怪?井。
[0012] 因此，在煤炭地下氣化過(guò)程中，最基本的完井系統(tǒng)由彼此連通且內(nèi)部鋪設(shè)有套管 和/或內(nèi)襯管的注入井和產(chǎn)出井組成，亦稱為煤炭地下氣化單元或井對(duì)。
[0013] 在煤炭地下氣化過(guò)程中，相關(guān)地下區(qū)域包括燃燒區(qū)、氣化區(qū)和熱解區(qū)，其中：燃燒 區(qū)一般從氧化劑和氣化劑注入點(diǎn)開(kāi)始延伸，在燃燒區(qū)中煤在氧化劑和氣化劑存在下發(fā)生燃 燒和氣化;氣化區(qū)位于燃燒區(qū)下游或以放射狀圍繞在燃燒區(qū)周?chē)?，在氣化區(qū)中煤主要被氣 化和部分氧化生成產(chǎn)品氣;熱解區(qū)位于氣化區(qū)下游，在熱解區(qū)發(fā)生煤的熱解。對(duì)于理想的煤 炭地下氣化過(guò)程來(lái)說(shuō)，一般希望煤的熱解盡可能少。隨著煤炭地下氣化過(guò)程的逐漸推進(jìn)，煤 層中形成的燃空區(qū)逐漸變大，最終地下煤藏完全被消耗，僅留下煤灰。
[0014] 在煤炭地下氣化過(guò)程中，所生成的產(chǎn)品氣通常包含0)、0)2、出、014及固體顆粒、水、 煤焦油和烴以及少量h2s、nh 4和cos等。所述產(chǎn)品氣的具體組成通常取決于多個(gè)因素，包括所 使用的氧化劑(例如空氣、富氧空氣或純氧）、水的存在(煤層水或周邊地層滲入煤層的水）、 煤的質(zhì)量以及所采用的工藝參數(shù)(溫度和壓力等）。
[0015] 在煤炭地下氣化過(guò)程中，由于氣化過(guò)程的強(qiáng)放熱性，所生成的產(chǎn)品氣通常具有極 高的溫度，例如一般為700-800 °C和有時(shí)甚至高達(dá)1000 °C，而直接應(yīng)對(duì)這種高溫產(chǎn)品氣的產(chǎn) 出井必然要面臨多種由于高溫高熱所引發(fā)的問(wèn)題，具體包括產(chǎn)出井相關(guān)部件的熱損壞和濕 熱腐蝕損壞，例如絕對(duì)高溫如700°C超過(guò)產(chǎn)出井套管材料的屈服應(yīng)力失效溫度而造成產(chǎn)出 井損壞，熱膨脹和/或熱伸長(zhǎng)造成套管和/或水泥層損壞，熱伸長(zhǎng)造成產(chǎn)出井內(nèi)產(chǎn)品管彎曲 變形，和濕腐蝕性產(chǎn)品氣造成產(chǎn)出井完整性劣化和損壞，如顆粒和高速氣體侵蝕、氫脆或氫 致開(kāi)裂、氯離子點(diǎn)腐蝕、硫化物(H 2S)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、C02腐蝕和異種金屬電化腐蝕等。
[0016] 因此，對(duì)于用于煤炭地下氣化過(guò)程的產(chǎn)出井設(shè)備，如果能夠更好地應(yīng)對(duì)高溫濕腐 蝕性產(chǎn)品氣、能夠預(yù)防和減少可能發(fā)生的各種問(wèn)題、和/或能夠在封井或廢井后回收和重新 利用部分部件，無(wú)疑將是非常有利的。
[0017] AU2014100615提供了一種UCG產(chǎn)品氣冷激方法和設(shè)備，其中在產(chǎn)品氣到達(dá)產(chǎn)出井 之前降低產(chǎn)品氣溫度以改變所述產(chǎn)品氣的物理和/或化學(xué)性質(zhì)，其中主要通過(guò)位于運(yùn)行氣 化區(qū)下游和產(chǎn)出井上游的輔助井向產(chǎn)品氣物流注入冷激流體，以將產(chǎn)品氣溫度由約500-1200 °C降低至約200-400 °C?？芍搶＠惺褂幂o助井注入冷激流體來(lái)冷卻產(chǎn)品氣，而由于 單獨(dú)的輔助井的存在，這種設(shè)計(jì)方案無(wú)疑是成本較高且結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的。
[0018] 因此，對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的煤炭地下氣化過(guò)程，其中所應(yīng)用的產(chǎn)出井設(shè)備仍需要改進(jìn)， 尤其是要改進(jìn)如何應(yīng)對(duì)氣化產(chǎn)生的高溫濕腐蝕性產(chǎn)品氣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供了一種用于煤炭地下氣化過(guò)程的產(chǎn)出井設(shè)備。特別地， 本發(fā)明提供了一種在煤炭地下氣化過(guò)程中可以通過(guò)注入冷卻劑冷卻后移除產(chǎn)品氣的產(chǎn)出 井設(shè)備，還提供了所述產(chǎn)出井設(shè)備在煤炭地下氣化過(guò)程中的應(yīng)用。
[0020] 本發(fā)明提供了一種用于煤炭地下氣化過(guò)程的產(chǎn)出井設(shè)備，所述產(chǎn)出井設(shè)備包括井 口設(shè)備和套管以及位于套管內(nèi)的產(chǎn)品管、冷卻劑管和監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)，其中：
[0021] 所述套管用于加固和隔離產(chǎn)出井井孔，它采用接箍和螺紋進(jìn)行連接和通過(guò)水泥層 固定在產(chǎn)出井井孔中；
[0022] 所述產(chǎn)品管用于將氣化產(chǎn)生的產(chǎn)品氣從產(chǎn)出井井下輸送到地面，它在端部設(shè)有開(kāi) 孔段；
[0023] 所述冷卻劑管用于將冷卻劑注入到產(chǎn)出井井下以冷卻氣化產(chǎn)生的產(chǎn)品氣，它在端 部連接有冷卻劑噴嘴；
[0024] 所述監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)從井口向下延伸和固定在產(chǎn)品管端部開(kāi)孔段起點(diǎn)附近，其中包 括設(shè)置在保護(hù)套管內(nèi)的溫度、壓力和聲波傳感器;和
[0025] 所述井口設(shè)備氣密性封堵所述套管和包括用于監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)的儀表壓緊接頭端 口、用于產(chǎn)品管的產(chǎn)品氣出口、用于套管的套管環(huán)隙出口和用于冷卻劑管的冷卻劑入口；
[0026] 其中在冷卻劑噴嘴下游為產(chǎn)品氣驟冷區(qū)，其中氣化產(chǎn)生的產(chǎn)品氣與經(jīng)冷卻劑噴嘴 噴出的冷卻劑接觸和混合而被冷卻，條件是預(yù)期的熱效應(yīng)和/或重力效應(yīng)造成的膨脹和/或 伸長(zhǎng)不影響各部件本身的自由度及各部件之間的相對(duì)位置。
[0027] 本發(fā)明還提供了一種煤炭地下氣化方法，其中在地下煤層中設(shè)有用于煤炭地下氣 化的完井系統(tǒng)，其中利用本發(fā)明的產(chǎn)出井設(shè)備，其中經(jīng)冷卻劑管向產(chǎn)出井井下注入冷卻劑 以冷卻氣化產(chǎn)生的產(chǎn)品氣和冷卻后的產(chǎn)品氣經(jīng)產(chǎn)品管輸送到地面，所述冷卻劑選自水、水 蒸氣、二氧化碳、惰性氣體或液體以及冷卻后的常溫產(chǎn)品氣，和冷卻劑的注入流量足以使井 下產(chǎn)品氣溫度降低到設(shè)定值以下。
[0028] 按照本發(fā)明，所述產(chǎn)出井設(shè)備中組合了冷卻劑管，使得在煤炭地下氣化過(guò)程中可 以通過(guò)向產(chǎn)出井井下注入冷卻劑而即時(shí)冷卻氣化產(chǎn)生的高溫產(chǎn)品氣，例如通過(guò)適當(dāng)控制冷 卻劑流量，可以將產(chǎn)品氣由初始溫度約700-1000 °C冷卻到約400 °C以下，從而極大地降低了 產(chǎn)出井、尤其是產(chǎn)品管的后續(xù)熱負(fù)荷，改進(jìn)了產(chǎn)出井的運(yùn)行環(huán)境和延長(zhǎng)了產(chǎn)出井的運(yùn)行壽 命，進(jìn)而提高了煤炭地下氣化過(guò)程的可靠性和安全性，為現(xiàn)有技術(shù)帶來(lái)了進(jìn)步。
[0029] 另外，按照本發(fā)明，通過(guò)對(duì)所述產(chǎn)出井設(shè)備的各部件的設(shè)計(jì)、選材和應(yīng)用以及產(chǎn)出 井本身的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，使得所述產(chǎn)出井設(shè)備的操作更加安全可控，并且其大部分部件如 井口設(shè)備、產(chǎn)品管、冷卻劑管和監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)等都可以在氣化過(guò)程結(jié)束后全部或部分回收 和重復(fù)使用，從而在一定程度上節(jié)約了煤炭地下氣化過(guò)程的設(shè)備成本，為現(xiàn)有技術(shù)帶來(lái)了 進(jìn)步。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 下面參考附圖來(lái)進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中：
[0031] 圖1是本發(fā)明的產(chǎn)出井設(shè)備的一種實(shí)施方案的地下部分剖面圖，其中所述產(chǎn)出井 為垂直產(chǎn)出井，和其中產(chǎn)品氣驟冷區(qū)位于產(chǎn)出井底部；
[0032] 圖2是本發(fā)明的產(chǎn)出井設(shè)備的另一種實(shí)施方案的地下部分剖面圖，其中所述產(chǎn)出 井為水平定向產(chǎn)出井，其中產(chǎn)品氣驟冷區(qū)位于產(chǎn)出井無(wú)水泥層自由套管段端部，其中在產(chǎn) 品管開(kāi)孔段內(nèi)設(shè)有導(dǎo)流板來(lái)強(qiáng)化產(chǎn)品氣與冷卻劑之間的接觸和混合;和
[0033] 圖3是本發(fā)明的產(chǎn)出井設(shè)備的又一種實(shí)施方案的地下部分剖面圖，其中所述產(chǎn)出 井為水平定向產(chǎn)出井，其中產(chǎn)品氣驟冷區(qū)位于產(chǎn)出井無(wú)水泥層自由套管段端部和由產(chǎn)品管 開(kāi)孔段和產(chǎn)出井內(nèi)襯管開(kāi)孔段之間的間隙形成。
[0034] 在各附圖中，相同的附圖標(biāo)記指相同部件。具體地，各附圖中涉及的附圖標(biāo)記含義 如下：
[0035] 1、產(chǎn)品管;2、產(chǎn)品管開(kāi)孔段;3、冷卻劑管;4、止回閥；5、冷卻劑噴嘴;6、冷卻劑;7、 監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng);8、產(chǎn)出井套管;9、固定用高溫水泥層；10、產(chǎn)品氣驟冷區(qū)；11、來(lái)自氣化區(qū)的 產(chǎn)品氣；12、產(chǎn)品管出口； 13、冷卻劑入口； 14、監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)端口； 15、產(chǎn)出井套管環(huán)隙出口； 16、注入井煤層鉆孔;17、注入井內(nèi)襯管開(kāi)孔段；18、煤層；19、導(dǎo)流板(設(shè)在產(chǎn)品管開(kāi)孔段內(nèi)， 引導(dǎo)產(chǎn)品氣在通過(guò)產(chǎn)品氣驟冷區(qū)之后再進(jìn)入產(chǎn)品管）；20、無(wú)水泥層的自由套管段;21、產(chǎn)出 井煤層鉆孔;22、產(chǎn)品管開(kāi)孔段與產(chǎn)出井內(nèi)襯管開(kāi)孔段之間間隙（即間隙式產(chǎn)品氣驟冷區(qū)）； 23、產(chǎn)出井內(nèi)襯管開(kāi)孔段。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 本發(fā)明提供了一種用于煤炭地下氣化過(guò)程的產(chǎn)出井設(shè)備。特別地，本發(fā)明提供了 一種在煤炭地下氣化過(guò)程中可以通過(guò)注入冷卻劑冷卻后移除產(chǎn)品氣的產(chǎn)出井設(shè)備，還提供 了所述產(chǎn)出井設(shè)備在煤炭地下氣化過(guò)程中的應(yīng)用。
[0037] 按照本發(fā)明，提供了一種用于煤炭地下氣化過(guò)程的產(chǎn)出井設(shè)備，所述產(chǎn)出井設(shè)備 包括井口設(shè)備和套管以及位于套管內(nèi)的產(chǎn)品管、冷卻劑管和監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)，其中：
[0038] 所述套管用于加固和隔離產(chǎn)出井井孔，它采用接箍和螺紋進(jìn)行連接和通過(guò)水泥層 固定在產(chǎn)出井井孔中；
[0039] 所述產(chǎn)品管用于將氣化產(chǎn)生的產(chǎn)品氣從產(chǎn)出井井下輸送到地面，它在端部設(shè)有開(kāi) 孔段；
[0040] 所述冷卻劑管用于將冷卻劑注入到產(chǎn)出井井下以冷卻氣化產(chǎn)生的產(chǎn)品氣，它在端 部連接有冷卻劑噴嘴；
[0041] 所述監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)從井口向下延伸和固定在產(chǎn)品管端部開(kāi)孔段起點(diǎn)附近，其中包 括設(shè)置在保護(hù)套管內(nèi)的溫度、壓力和聲波傳感器;和
[0042] 所述井口設(shè)備氣密性封堵所述套管和包括用于監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)的儀表壓緊接頭端 口、用于產(chǎn)品管的產(chǎn)品氣出口、用于套管的套管環(huán)隙出口和用于冷卻劑管的冷卻劑入口；
[0043] 其中在冷卻劑噴嘴下游為產(chǎn)品氣驟冷區(qū)，其中氣化產(chǎn)生的產(chǎn)品氣與經(jīng)冷卻劑噴嘴 噴出的冷卻劑接觸和混合而被冷卻，條件是預(yù)期的熱效應(yīng)和/或重力效應(yīng)造成的膨脹和/或 伸長(zhǎng)不影響各部件本身的自由度及各部件之間的相對(duì)位置。
[0044] 按照本發(fā)明，還提供了一種煤炭地下氣化方法，其中在地下煤層中設(shè)有用于煤炭 地下氣化的完井系統(tǒng)，其中利用本發(fā)明的產(chǎn)出井設(shè)備，其中經(jīng)冷卻劑管向產(chǎn)出井井下注入 冷卻劑以冷卻氣化產(chǎn)生的產(chǎn)品氣和冷卻后的產(chǎn)品氣經(jīng)產(chǎn)品管輸送到地面，所述冷卻劑選自 水、水蒸氣、二氧化碳、惰性氣體或液體以及冷卻后的常溫產(chǎn)品氣，和冷卻劑的注入流量足 以使井下產(chǎn)品氣溫度降低到設(shè)定值以下。
[0045] 按照本發(fā)明，所述產(chǎn)出井設(shè)備可以為垂直產(chǎn)出井或水平定向產(chǎn)出井，對(duì)于這兩種 產(chǎn)出井類型，其中主要部件基本一致，只是有些部件可能在具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上存在一些差異。
[0046] 另外，由于產(chǎn)出井所要處理的對(duì)象是煤炭地下氣化過(guò)程產(chǎn)生的高溫濕腐蝕性產(chǎn)品 氣，因此，整個(gè)產(chǎn)出井及其各部件大多處于這種高溫濕腐蝕性氣體環(huán)境中。這樣，在對(duì)產(chǎn)出 井的各部件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，除了選材時(shí)要考慮耐高溫耐濕熱腐蝕外，還要考慮熱效應(yīng)(如熱膨 脹和/或熱伸長(zhǎng)等)和/或重力效應(yīng)(如懸掛自重等)可能導(dǎo)致的部件尺寸變化，例如通常要 留有膨脹余隙和/或伸長(zhǎng)余隙等。
[0047] 另外，由于本發(fā)明對(duì)產(chǎn)出井設(shè)備各部件的設(shè)計(jì)、選材和應(yīng)用等進(jìn)行了全面優(yōu)化，使 得大多數(shù)部件都可以在氣化過(guò)程結(jié)束后全部或部分回收和重復(fù)使用，這也是本發(fā)明的產(chǎn)出 井設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)所在。
[0048]按照本發(fā)明，所述套管作為產(chǎn)出井的外殼從井口開(kāi)始一直延伸到煤層中，并且其 中容納了產(chǎn)出井的產(chǎn)品管、冷卻劑管和監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng);所述套管的接箍和螺紋以及固定用 水泥層均要適合產(chǎn)出井井下的高溫環(huán)境，因此要使用高溫接箍和螺紋以及高溫水泥；另外， 所述套管內(nèi)壁與各管件之間存在環(huán)隙，在點(diǎn)火階段，該套管環(huán)隙通常用惰性氣體如氮?dú)獾?吹掃并封堵以防止井下流體如產(chǎn)品氣和/或冷卻劑等進(jìn)入其中，而在非正常運(yùn)行時(shí)，該套管 環(huán)隙則可以用作整個(gè)井系統(tǒng)的泄壓通道，此時(shí)，井下流體如產(chǎn)品氣可以通過(guò)該套管環(huán)隙離 開(kāi)，從而釋放和緩解整個(gè)井系統(tǒng)的壓力，以防止地層/煤層承受過(guò)高壓力。
[0049]按照本發(fā)明，所述套管的材料一般要基于其內(nèi)部環(huán)隙作為異常運(yùn)行泄壓通道時(shí)所 接觸的高溫濕腐蝕性氣體進(jìn)行選擇，要耐高溫和耐濕腐蝕性氣體，以確保整個(gè)井系統(tǒng)在運(yùn) 行周期內(nèi)的完整性，在此所述運(yùn)行周期包括最終氣化過(guò)程的停車(chē)、設(shè)備拆除以及封井或廢 井階段;所述套管的內(nèi)徑一般要足以能夠容納產(chǎn)品管、冷卻劑管和監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)并留有相 應(yīng)的余隙，以防止熱膨脹等引起管件尺寸變化，例如當(dāng)產(chǎn)品管外徑為4.5英寸、冷卻劑管外 徑為2英寸和監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)保護(hù)套管外徑為0.75英寸時(shí)，套管的內(nèi)徑可以為9.625英寸，另 外，任選地，還可以根據(jù)地層特點(diǎn)如地層含水性和/或疏松性等來(lái)確定是否使用外圈套管， 如導(dǎo)向套管、表層套管和技術(shù)套管等，以進(jìn)一步加固和隔離產(chǎn)出井井孔;所述套管的壁厚一 般要滿足鉆井和完井作業(yè)的要求，同時(shí)還要能夠承受高于靜巖壓的壓力。
[0050] 按照本發(fā)明，對(duì)于垂直產(chǎn)出井來(lái)說(shuō)，所述套管通常通過(guò)水泥層固定延伸到煤層頂 部附近，在這種情況下，基本上整個(gè)產(chǎn)出井長(zhǎng)度都有套管和基本上整個(gè)套管長(zhǎng)度都用水泥 層固定，而對(duì)于水平定向產(chǎn)出井來(lái)說(shuō)，所述套管通常通過(guò)水泥層固定延伸到煤層中水平位 置附近或者對(duì)于有傾角的煤層固定延伸到與煤層底板平行的位置附近，然后是無(wú)水泥層的 自由套管段，最后是無(wú)套管煤層鉆孔段一直延伸到產(chǎn)出井端部。
[0051] 按照本發(fā)明，所述井口設(shè)備為產(chǎn)出井的對(duì)外接口，一般經(jīng)石墨墊圈與套管螺紋連 接，以氣密性封堵所述套管和保證產(chǎn)出井的氣密性，其中所述井口設(shè)備包括用于監(jiān)測(cè)儀表 系統(tǒng)的儀表壓緊接頭端口、用于產(chǎn)品管的產(chǎn)品氣出口、用于套管的套管環(huán)隙出口和用于冷 卻劑管的冷卻劑入口，即產(chǎn)出井的這些部件在井口設(shè)備處匯集和通過(guò)井口設(shè)備與外部連 通。
[0052] 按照本發(fā)明，所述井口設(shè)備通常為高溫高壓井口設(shè)備以適合產(chǎn)出井的高溫高壓工 作環(huán)境，例如，所述井口設(shè)備的設(shè)計(jì)額定壓力至少要滿足靜巖壓力和操作溫度范圍一般為 180-350°C，所述井口設(shè)備的材料通常要耐受固體顆粒撞擊以及高溫濕腐蝕性氣體環(huán)境，和 所述井口設(shè)備在產(chǎn)出井使用壽命結(jié)束后(如封井或廢井后)一般可以移除，并且可以在進(jìn)一 步處理如翻新后重復(fù)使用。
[0053] 按照本發(fā)明，所述監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)產(chǎn)出井內(nèi)的相關(guān)信號(hào)如溫度、壓力和聲 波等，同時(shí)把所測(cè)得的信號(hào)反饋到井口控制系統(tǒng)并儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫(kù)中，其中相關(guān)的溫度、壓力 和聲波傳感器通常設(shè)置在保護(hù)套管內(nèi)再進(jìn)入井下區(qū)域。
[0054]在井下區(qū)域中，所述監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)通常固定在產(chǎn)品管上，例如通常固定在產(chǎn)品管 端部開(kāi)孔段起點(diǎn)附近，此時(shí)基本在產(chǎn)品氣驟冷區(qū)下游，所測(cè)量的基本為冷卻后產(chǎn)品氣的溫 度，通常該溫度要達(dá)到冷卻后產(chǎn)品氣溫度設(shè)定值，具體數(shù)值通常為300-350°C。另外，由于保 護(hù)套管的使用，所述監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)在氣化過(guò)程結(jié)束后一般可以回收和重復(fù)使用。
[0055] 按照本發(fā)明，所述溫度、壓力和聲波傳感器均可以為基于光纖時(shí)域反射測(cè)量技術(shù) (Optical Time-Domain Reflectometry-OTDR)的分布式感應(yīng)光纖，可以獲取相應(yīng)的溫度 曲線、壓力曲線和聲波曲線，以監(jiān)測(cè)產(chǎn)出井和控制煤炭地下氣化過(guò)程，所述溫度傳感器還可 以附加或替代地為雙金屬護(hù)套K型雙探頭熱電偶。
[0056] 按照本發(fā)明，所述監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)中溫度、壓力和聲波傳感器的功能分別如下所述： [0057]溫度傳感器監(jiān)測(cè)產(chǎn)出井內(nèi)的溫度分布，其中：產(chǎn)品管上目標(biāo)測(cè)量點(diǎn)即產(chǎn)品管端部 開(kāi)孔段起點(diǎn)附近的溫度(產(chǎn)品氣驟冷區(qū)下游進(jìn)入產(chǎn)品管的冷卻后產(chǎn)品氣的溫度)通常用于 控制冷卻劑流量，以確保該溫度低于設(shè)定值(通常為300-350 °C);產(chǎn)出井井口溫度對(duì)應(yīng)產(chǎn)品 管內(nèi)及套管環(huán)隙內(nèi)的產(chǎn)品氣溫度，該井口溫度也可用于控制冷卻劑流量，例如可通過(guò)增加 冷卻劑流量來(lái)確保該井口溫度低于設(shè)定值(通常為180-350°C );另外，所述產(chǎn)品管上目標(biāo)測(cè) 量點(diǎn)溫度及產(chǎn)出井井口溫度均可用于安全系統(tǒng)，當(dāng)所測(cè)得的溫度超過(guò)它們的設(shè)定值(通常 分別為300-350°C和180-350°C)時(shí)，可以立即切斷氧化劑注入停止氣化過(guò)程。
[0058]壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)產(chǎn)出井內(nèi)的壓力分布，同時(shí)可用于發(fā)現(xiàn)由于地下壓力造成的 監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)保護(hù)套管的損壞，另外，由于井口壓力始終低于井下壓力，因此井口壓力信號(hào) 可以作為井下產(chǎn)品管以及套管環(huán)隙壓力的指示。
[0059] 聲波傳感器用于監(jiān)測(cè)產(chǎn)出井井下情況，例如一些突發(fā)情況，具體例如套管或產(chǎn)品 管損壞(發(fā)生開(kāi)裂或彎曲等）、固體顆粒或液栓等進(jìn)入產(chǎn)品管導(dǎo)致產(chǎn)品管堵塞等，以便在發(fā) 生這些情況后可以及時(shí)應(yīng)對(duì)和處理。
[0060] 所述監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)通常要匯集在監(jiān)測(cè)儀表端口和通過(guò)壓緊接頭端口穿過(guò)所述井 口設(shè)備。另外，作為井口控制系統(tǒng)一部分的井口監(jiān)測(cè)儀表設(shè)備必須能夠直接顯示數(shù)據(jù)，這樣 才能確保即使其它系統(tǒng)處于脫機(jī)狀態(tài)時(shí)仍然能夠監(jiān)測(cè)到產(chǎn)出井的內(nèi)部情況，進(jìn)而保證整個(gè) 產(chǎn)出井能夠良好地受控運(yùn)行。
[0061] 按照本發(fā)明，所述產(chǎn)品管通過(guò)井口懸掛器連接在產(chǎn)品井上。具體地，所述產(chǎn)品管自 由懸掛于井口懸掛器的中心位置，用于將產(chǎn)品氣從產(chǎn)出井井下輸送到地面，為正常運(yùn)行時(shí) 產(chǎn)品氣輸送到地面的主要流通通道。
[0062] 在煤炭地下氣化過(guò)程中，所產(chǎn)生的產(chǎn)品氣即使在冷卻后也仍然是高溫濕腐蝕性氣 體，本發(fā)明使用產(chǎn)品管作為所述產(chǎn)品氣的輸送通道，可以避免套管內(nèi)壁與高溫濕腐蝕性產(chǎn) 品氣直接接觸，由此在一定程度上保護(hù)了套管，但這也對(duì)產(chǎn)品管本身的選材提出了較高要 求，具體地，產(chǎn)品管的材料必須要耐受高溫濕腐蝕性氣體環(huán)境，通常所要耐受的腐蝕包括例 如高溫氫腐蝕、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(氫脆或氫致開(kāi)裂、硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(H 2S和C0S等)和氯化 物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(HC1等））、酸性氣體腐蝕(C02、H2S、H 2S〇4、HCl等）、露點(diǎn)腐蝕、氯化銨與硫氫 化銨腐蝕、硫化腐蝕、碳化腐蝕、異種金屬電化腐蝕、以及固體顆粒和/或高速氣體造成的侵 蝕和沖刷等；另外，由于產(chǎn)品管自由懸掛且其內(nèi)部處于高溫環(huán)境中，在設(shè)計(jì)時(shí)還必須考慮熱 效應(yīng)和/或重力效應(yīng)等可能引起的產(chǎn)品管長(zhǎng)度變化，以保證產(chǎn)品管的自由度和防止產(chǎn)品管 彎曲，同時(shí)保證產(chǎn)品管與其它部件之間的相對(duì)設(shè)計(jì)關(guān)系，例如要保證冷卻劑噴嘴與產(chǎn)品管 開(kāi)孔段的相對(duì)關(guān)系；而由于選用了相對(duì)較高級(jí)別的耐溫和耐腐蝕性材料，本發(fā)明的產(chǎn)品管 在氣化過(guò)程結(jié)束后一般可以回收和重復(fù)使用。
[0063] 另外，在設(shè)計(jì)本發(fā)明的產(chǎn)品管的過(guò)程中，所述產(chǎn)品管的內(nèi)徑一般基于產(chǎn)品氣最大 流量(即最大氧化劑注入流量時(shí)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品氣流量)和相應(yīng)的最大驟冷要求確定，該產(chǎn)品氣 最大流量就是相關(guān)煤炭地下氣化過(guò)程的最大生產(chǎn)能力；在滿足支撐自重、井下工作要求以 及最大設(shè)計(jì)壓力的前提下，基于標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品管外徑尺寸和重量選擇最小的產(chǎn)品管壁厚；和確 定降負(fù)荷運(yùn)行模式下產(chǎn)品氣最小流量（即最小氧化劑注入流量時(shí)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品氣流量），以保 證產(chǎn)品氣流足以?shī)A帶其中的液體和固體雜質(zhì)到地面防止產(chǎn)品管發(fā)生堵塞，這個(gè)產(chǎn)品氣最小 流量就是相關(guān)煤炭地下氣化過(guò)程的最低降負(fù)荷生產(chǎn)能力。
[0064] 按照本發(fā)明，所述產(chǎn)品管的端部通常采用開(kāi)孔管，以利于產(chǎn)品氣進(jìn)入產(chǎn)品管和隨 后被輸送到地面，所述產(chǎn)品管端部開(kāi)孔段的長(zhǎng)度一般可以為約1-4個(gè)完整管段，開(kāi)孔孔徑可 以為5-35mm、優(yōu)選10-25_，所述開(kāi)孔可以交錯(cuò)間隔排列，和開(kāi)孔總面積可以為開(kāi)孔段管壁 面積的5-35%、優(yōu)選10-30%。
[0065] 按照本發(fā)明，所述冷卻劑管也通過(guò)井口懸掛器連接在產(chǎn)品井上。具體地，所述冷卻 劑管平行于產(chǎn)品管自由懸掛于井口懸掛器的偏心位置，用于將冷卻劑注入到產(chǎn)出井井下以 冷卻氣化產(chǎn)生的產(chǎn)品氣，和所述冷卻劑管在端部連接有冷卻劑噴嘴。
[0066] 按照本發(fā)明，所述冷卻劑管的內(nèi)徑一般基于冷卻劑流量和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)完整性要求 來(lái)確定，冷卻劑管的材料一般為不銹鋼或更高級(jí)別的耐腐蝕性材料，由此，冷卻劑管在氣化 過(guò)程結(jié)束后一般也可以回收和重復(fù)使用。
[0067] 按照本發(fā)明，在所述冷卻劑管內(nèi)還可以裝有一個(gè)或多個(gè)止回閥用于防止逆向氣流 進(jìn)入冷卻劑管，其中多個(gè)止回閥主要用于備用。所述止回閥通常具有一定范圍的開(kāi)啟壓力， 可以用來(lái)維持冷卻劑管內(nèi)的壓力，同時(shí)在冷卻管內(nèi)壓力升高時(shí)確保向產(chǎn)品氣驟冷區(qū)泄壓。 為了保護(hù)止回閥，例如為了避免其完整性被破壞，止回閥的位置通常在產(chǎn)出井套管內(nèi)溫度 相對(duì)較低的區(qū)域，例如從井口開(kāi)始計(jì)在產(chǎn)品管開(kāi)孔段之前。所述止回閥可以為本領(lǐng)域技術(shù) 人員已知合適的任何類型的止回閥，例如可以為彈簧擋板閥或球+彈簧型等。
[0068] 按照本發(fā)明，所述冷卻劑管端部的冷卻劑噴嘴下游為產(chǎn)品氣驟冷區(qū)，以便冷卻劑 噴嘴能夠噴射冷卻劑到產(chǎn)品氣驟冷區(qū)，使產(chǎn)品氣在進(jìn)入產(chǎn)品管之前與冷卻劑充分接觸和混 合而被冷卻，另外，還要強(qiáng)調(diào)的是，其中在確定冷卻劑噴嘴位置時(shí)還要考慮熱效應(yīng)和/或重 力效應(yīng)造成的它與其它部件之間的相對(duì)位置變化，以保證冷卻劑噴嘴可以一直有效地噴射 冷卻劑進(jìn)入其下游的產(chǎn)品氣驟冷區(qū)內(nèi)以冷卻產(chǎn)品氣。
[0069] 具體地，按照本發(fā)明，從井口開(kāi)始計(jì)，對(duì)于垂直產(chǎn)出井，所述冷卻劑噴嘴位于產(chǎn)品 管開(kāi)孔段下方，和對(duì)于水平定向產(chǎn)出井，所述冷卻劑噴嘴基本位于產(chǎn)品管端部的開(kāi)孔段區(qū) 域內(nèi)。
[0070] 按照本發(fā)明，所述冷卻劑噴嘴可以為本領(lǐng)域技術(shù)人員已知合適的任何類型的噴嘴 或者可以進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，例如可以為單孔噴嘴或多孔噴嘴，噴嘴上各孔的孔徑一般要大于 或等于5mm以防止結(jié)垢等引起噴嘴堵塞，其中優(yōu)選為多孔噴嘴，和多孔噴嘴上的多個(gè)孔可以 按中心和外周分布，其中外周各孔可以與中心孔平行使得噴出的冷卻劑以狹窄聚焦的方式 進(jìn)入到產(chǎn)品氣驟冷區(qū)，或者外周各孔可以按照與中心孔成一定角度如5-35°角、優(yōu)選8-20° 角向外發(fā)散，使得噴出的冷卻劑以更大覆蓋面進(jìn)入產(chǎn)品氣驟冷區(qū)，利用這種具體選擇或設(shè) 計(jì)的冷卻劑噴嘴，可以使冷卻劑與產(chǎn)品氣更好地接觸和混合，使產(chǎn)品氣更快地被冷卻到目 標(biāo)溫度。
[0071] 按照本發(fā)明，所使用的冷卻劑可以為本領(lǐng)域技術(shù)人員已知合適的任何類型的冷卻 劑，一般基于成本節(jié)約和利于產(chǎn)品氣后處理的原則進(jìn)行選擇，例如，所述冷卻劑可以選自 水、水蒸氣、二氧化碳、惰性氣體或液體以及冷卻后的常溫產(chǎn)品氣等，所述冷卻劑的注入流 量一般通過(guò)預(yù)期所要達(dá)到的冷卻后產(chǎn)品氣溫度來(lái)控制，即所述冷卻劑的注入流量要足以使 產(chǎn)品氣溫度降低到設(shè)定溫度以下，該設(shè)定溫度通常為300-350°C。
[0072] 按照本發(fā)明，當(dāng)使用水和/或二氧化碳作為冷卻劑時(shí)，它們可以在地面通過(guò)分離操 作進(jìn)行回收和處理，并且可以隨后再次注入產(chǎn)出井，即此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)冷卻劑的循環(huán)使用，進(jìn) 而節(jié)約了煤炭地下氣化過(guò)程的操作成本。
[0073] 另外，按照本發(fā)明，還可以使用冷卻后的常溫產(chǎn)品氣作為冷卻劑，這樣不僅有大量 的產(chǎn)品氣可用于此目的，而且完全不會(huì)向產(chǎn)品氣中引入任何外部雜質(zhì)，從而極大地簡(jiǎn)化了 產(chǎn)品氣的后處理過(guò)程，這對(duì)于整個(gè)煤炭地下氣化過(guò)程來(lái)說(shuō)都是極為有利的。
[0074] 按照本發(fā)明，其中在冷卻劑管端部的冷卻劑噴嘴下游為產(chǎn)品氣驟冷區(qū)，在該產(chǎn)品 氣驟冷區(qū)中，冷卻劑與產(chǎn)品氣接觸和混合，使所述產(chǎn)品氣的溫度驟降，一般可以由原始的 700-1000°C降低至例如400°C以下，而冷卻后的產(chǎn)品氣隨后經(jīng)產(chǎn)品管輸送到地面。
[0075] 按照本發(fā)明，針對(duì)不同的產(chǎn)出井類型，所述產(chǎn)品氣驟冷區(qū)采用了不同的設(shè)置方式， 以在不同情況下更有效地冷卻產(chǎn)品氣，但還要強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于產(chǎn)出井的設(shè)計(jì)，尤其是涉及產(chǎn) 品管本身或者其它部件與產(chǎn)品管之間的相對(duì)位置時(shí)，必須要考慮產(chǎn)品管的熱效應(yīng)和/或重 力效應(yīng)造成的膨脹和/或伸長(zhǎng)，以保證即使在存在膨脹和/或伸長(zhǎng)時(shí)仍滿足產(chǎn)品管本身的自 由度及其與其它部件之間的相對(duì)位置要求。
[0076] 按照本發(fā)明，對(duì)于垂直產(chǎn)出井來(lái)說(shuō)，其中從井口開(kāi)始計(jì):套管通過(guò)水泥層固定延伸 到煤層中煤層頂部附近，產(chǎn)品管開(kāi)孔段的長(zhǎng)度為約2-3個(gè)完整管段，冷卻劑噴嘴位于產(chǎn)品管 開(kāi)孔段下方，由此冷卻劑噴嘴下游的產(chǎn)品氣驟冷區(qū)基本位于產(chǎn)出井底部，并且該產(chǎn)品氣驟 冷區(qū)與注入井內(nèi)襯管開(kāi)孔段交匯，在這種情況下，冷卻劑經(jīng)冷卻劑管輸送和由冷卻劑噴嘴 噴出后進(jìn)入產(chǎn)品氣驟冷區(qū)，來(lái)自氣化區(qū)的產(chǎn)品氣經(jīng)注入井內(nèi)襯管開(kāi)孔段進(jìn)入產(chǎn)品氣驟冷 區(qū)，之后冷卻劑和產(chǎn)品氣在產(chǎn)品氣驟冷區(qū)內(nèi)接觸和混合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品氣的冷卻，而冷卻后的產(chǎn) 品氣經(jīng)產(chǎn)品管輸送到地面。
[0077] 按照本發(fā)明，對(duì)于水平定向產(chǎn)出井來(lái)說(shuō)，所述產(chǎn)品氣驟冷區(qū)一般設(shè)置在產(chǎn)出井無(wú) 水泥層自由套管段內(nèi)，與無(wú)水泥層自由套管段相連的是無(wú)套管煤層鉆孔段，所述無(wú)套管煤 層鉆孔段通常一直延伸到產(chǎn)出井端部并且在內(nèi)部裝有產(chǎn)出井內(nèi)襯管開(kāi)孔段，所述產(chǎn)出井內(nèi) 襯管開(kāi)孔段一般用于支撐無(wú)套管煤層鉆孔段以防止無(wú)套管煤層鉆孔段崩塌堵塞地下氣化 通道，同時(shí)在產(chǎn)出井端部所述產(chǎn)出井內(nèi)襯管開(kāi)孔段與注入井內(nèi)襯管開(kāi)孔段交匯，由此來(lái)自 氣化區(qū)的產(chǎn)品氣經(jīng)注入井內(nèi)襯管開(kāi)孔段進(jìn)入產(chǎn)出井內(nèi)襯管開(kāi)孔段，之后進(jìn)入產(chǎn)品氣驟冷 區(qū)，進(jìn)而與冷卻劑接觸和混合，最終冷卻后的產(chǎn)品氣經(jīng)產(chǎn)品管輸送到地面。
[0078] 按照本發(fā)明，在所述無(wú)套管煤層鉆孔段中的產(chǎn)出井內(nèi)襯管開(kāi)孔段基本是犧牲性 的，它將在煤層向產(chǎn)出井方向氣化的過(guò)程中被燒掉，因此其選材不是很重要，一般采用碳鋼 管即可。
[0079] 進(jìn)一步，按照本發(fā)明，對(duì)于水平定向產(chǎn)出井來(lái)說(shuō)，對(duì)于位于無(wú)水泥層自由套管段內(nèi) 的產(chǎn)品氣驟冷區(qū)來(lái)說(shuō)，一般可以采用兩種設(shè)置方式，具體為導(dǎo)流板式驟冷區(qū)和間隙式驟冷 區(qū)。
[0080] 按照本發(fā)明，對(duì)于水平定向產(chǎn)出井的產(chǎn)品氣驟冷區(qū)來(lái)說(shuō)，當(dāng)按照導(dǎo)流板式驟冷區(qū) 來(lái)設(shè)置時(shí)，所述產(chǎn)品管開(kāi)孔段從無(wú)水泥層自由套管段的起點(diǎn)開(kāi)始一直延伸到無(wú)套管煤層鉆 孔段并且與其內(nèi)部的產(chǎn)出井內(nèi)襯管開(kāi)孔段相連，其中在產(chǎn)品管開(kāi)孔段內(nèi)、優(yōu)選在距其終端 約1-2個(gè)完整管段處裝有導(dǎo)流板以強(qiáng)化產(chǎn)品氣與冷卻劑之間的接觸和混合，具體地，所述導(dǎo) 流板在保證井系統(tǒng)連通的同時(shí)限制流通流量，由此在產(chǎn)品氣經(jīng)產(chǎn)出井內(nèi)襯管開(kāi)孔段進(jìn)入產(chǎn) 品管開(kāi)孔段后，所述導(dǎo)流板引導(dǎo)產(chǎn)品氣從導(dǎo)流板上游的產(chǎn)品管開(kāi)孔段部分流出與經(jīng)冷卻劑 噴嘴噴出的冷卻劑接觸和混合，然后冷卻后的產(chǎn)品氣經(jīng)導(dǎo)流板下游的產(chǎn)品管開(kāi)孔段部分進(jìn) 入產(chǎn)品管被輸送到地面，其中冷卻劑噴嘴位于所述導(dǎo)流板附近，優(yōu)選位于所述導(dǎo)流板上下 游2.0米以內(nèi)，更優(yōu)選位于所述導(dǎo)流板上下游1.0米以內(nèi)。
[0081] 按照本發(fā)明，對(duì)于水平定向產(chǎn)出井的產(chǎn)品氣驟冷區(qū)來(lái)說(shuō)，當(dāng)按照間隙式驟冷區(qū)來(lái) 設(shè)置時(shí)，所述產(chǎn)品管開(kāi)孔段從無(wú)水泥層自由套管段的起點(diǎn)開(kāi)始延伸，但在距離無(wú)套管煤層 鉆孔段約1-2個(gè)完整管段處停止延伸，由此在產(chǎn)品管開(kāi)孔段與產(chǎn)出井內(nèi)襯管開(kāi)孔段之間斷 開(kāi)形成一段間隙，該段間隙被用作產(chǎn)品氣驟冷區(qū)，產(chǎn)品氣經(jīng)產(chǎn)出井內(nèi)襯管開(kāi)孔段直接進(jìn)入 產(chǎn)品氣驟冷區(qū)與經(jīng)冷卻劑噴嘴噴出的冷卻劑接觸和混合，然后冷卻后的產(chǎn)品氣經(jīng)產(chǎn)品管開(kāi) 孔段進(jìn)入產(chǎn)品管被輸送到地面，其中冷卻劑噴嘴位于所述產(chǎn)品管開(kāi)孔段端部附近，優(yōu)選位 于所述產(chǎn)品管開(kāi)孔段端部上下游2.0米以內(nèi)，更優(yōu)選位于所述產(chǎn)品管開(kāi)孔段端部上下游1.0 米以內(nèi)。
[0082]因此，按照本發(fā)明，通過(guò)在產(chǎn)出井設(shè)備內(nèi)組合帶有特定冷卻劑噴嘴的冷卻劑管和 利用獨(dú)特設(shè)計(jì)的產(chǎn)品氣驟冷區(qū)，即時(shí)且有效地冷卻了煤炭地下氣化過(guò)程的高溫產(chǎn)品氣，從 而極大地減輕了所述產(chǎn)品氣后續(xù)處理過(guò)程的熱負(fù)荷，為現(xiàn)有技術(shù)帶來(lái)了進(jìn)步。
[0083]下面參考附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明的實(shí)施方案。
[0084] 圖1給出了本發(fā)明的產(chǎn)出井設(shè)備的一種實(shí)施方案，其中所述產(chǎn)出井為垂直產(chǎn)出井， 和其中產(chǎn)品氣驟冷區(qū)位于產(chǎn)出井底部。如圖1所示，其中：來(lái)自氣化區(qū)的約700-1000 °C的高 溫產(chǎn)品氣11經(jīng)注入井內(nèi)襯管開(kāi)孔段17和注入井煤層鉆孔16進(jìn)入產(chǎn)品氣驟冷區(qū)10;冷卻劑在 地面井口處經(jīng)冷卻劑入口 13注入、沿冷卻劑管3向下流過(guò)止回閥4和經(jīng)冷卻劑噴嘴5噴射進(jìn) 入產(chǎn)品氣驟冷區(qū)10;止回閥4設(shè)有開(kāi)啟壓力，這樣在無(wú)冷卻劑注入時(shí)也能保證冷卻劑管3內(nèi) 的壓力;通過(guò)監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)7內(nèi)的溫度傳感器檢測(cè)產(chǎn)品管開(kāi)孔段2起點(diǎn)附近的溫度并反饋給 控制系統(tǒng);冷卻劑6在產(chǎn)品氣驟冷區(qū)10內(nèi)與高溫產(chǎn)品氣接觸和混合，將產(chǎn)品氣冷卻到300-350°C ;冷卻后的產(chǎn)品氣經(jīng)產(chǎn)品管開(kāi)孔段2進(jìn)入產(chǎn)品管1和之后經(jīng)產(chǎn)品管出口 12離開(kāi)井口設(shè) 備進(jìn)入地面工藝管道;產(chǎn)品管1、冷卻劑管3和監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)7均安裝在產(chǎn)出井套管8內(nèi)部;套 管8通過(guò)高溫水泥層9固定在產(chǎn)出井井孔中和從地面井口位置一直延伸到煤層18頂部附近； 套管8內(nèi)壁與產(chǎn)品管1、冷卻劑管3和監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)7之間的環(huán)隙可作為異常運(yùn)行時(shí)的備用泄 壓通道，此時(shí)產(chǎn)品氣可通過(guò)井口設(shè)備上的套管環(huán)隙出口 15流出。
[0085] 圖2給出了本發(fā)明的產(chǎn)出井設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施方案，其中所述產(chǎn)出井為水平定向 產(chǎn)出井，其中產(chǎn)品氣驟冷區(qū)位于產(chǎn)出井無(wú)水泥層自由套管段端部，其中在產(chǎn)品管開(kāi)孔段內(nèi) 設(shè)有導(dǎo)流板來(lái)強(qiáng)化產(chǎn)品氣與冷卻劑之間的接觸和混合。如圖2所示，其中：產(chǎn)品氣驟冷區(qū)10 位于產(chǎn)出井無(wú)水泥層自由套管段20的端部;來(lái)自氣化區(qū)的約700-1000 °C的高溫產(chǎn)品氣11經(jīng) 產(chǎn)出井內(nèi)襯管開(kāi)孔段23和產(chǎn)出井煤層鉆孔21流入產(chǎn)品管開(kāi)孔段2;設(shè)置在產(chǎn)品管開(kāi)孔段2內(nèi) 部的導(dǎo)流板19引導(dǎo)產(chǎn)品氣進(jìn)入產(chǎn)品氣驟冷區(qū)10，在其中與冷卻劑接觸和混合，之后產(chǎn)品氣 與冷卻劑一起經(jīng)導(dǎo)流板19下游的產(chǎn)品管開(kāi)孔段部分進(jìn)入產(chǎn)品管1;通過(guò)監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)7檢測(cè) 產(chǎn)品管開(kāi)孔段2起點(diǎn)附近的溫度并反饋給控制系統(tǒng)，由此控制冷卻劑入口 13的冷卻劑流量， 使得該溫度低于設(shè)定值(例如300-350°C)。對(duì)于水平定向產(chǎn)出井，套管8通過(guò)高溫水泥層9固 定在井孔中，所述高溫水泥層從地面井口位置開(kāi)始一直延伸到與煤層底板平行的位置。
[0086] 圖3給出了本發(fā)明的產(chǎn)出井設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施方案，其中所述產(chǎn)出井為水平定向 產(chǎn)出井，其中產(chǎn)品氣驟冷區(qū)位于產(chǎn)出井無(wú)水泥層自由套管段端部和由產(chǎn)品管開(kāi)孔段與產(chǎn)出 井內(nèi)襯管開(kāi)孔段之間的間隙形成。如圖3所示，其中：在產(chǎn)出井無(wú)水泥層自由套管段20的端 部，產(chǎn)品管開(kāi)孔段2與產(chǎn)出井內(nèi)襯管開(kāi)孔段23之間斷開(kāi)一段間隙22,該間隙22形成產(chǎn)品氣驟 冷區(qū)10，在此冷卻劑與高溫產(chǎn)品氣接觸和混合;其余部件與圖2基本一致。
[0087] 本發(fā)明并不局限于以上所述實(shí)施方案，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明還可 以有各種變化和調(diào)整，只要不偏離本發(fā)明的精神和原則，所述變化和調(diào)整均應(yīng)在本發(fā)明范 圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于煤炭地下氣化過(guò)程的產(chǎn)出井設(shè)備，所述產(chǎn)出井設(shè)備包括井口設(shè)備和套管以 及位于套管內(nèi)的產(chǎn)品管、冷卻劑管和監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)，其中： 所述套管用于加固和隔離產(chǎn)出井井孔，它采用接箍和螺紋進(jìn)行連接和通過(guò)水泥層固定 在產(chǎn)出井井孔中； 所述產(chǎn)品管用于將氣化產(chǎn)生的產(chǎn)品氣從產(chǎn)出井井下輸送到地面，它在端部設(shè)有開(kāi)孔 段； 所述冷卻劑管用于將冷卻劑注入到產(chǎn)出井井下以冷卻氣化產(chǎn)生的產(chǎn)品氣，它在端部連 接有冷卻劑噴嘴； 所述監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)從井口向下延伸和固定在產(chǎn)品管端部開(kāi)孔段起點(diǎn)附近，其中包括設(shè) 置在保護(hù)套管內(nèi)的溫度、壓力和聲波傳感器;和 所述井口設(shè)備氣密性封堵所述套管和包括用于監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)的儀表壓緊接頭端口、用 于產(chǎn)品管的產(chǎn)品氣出口、用于套管的套管環(huán)隙出口和用于冷卻劑管的冷卻劑入口； 其中在冷卻劑噴嘴下游為產(chǎn)品氣驟冷區(qū)，其中氣化產(chǎn)生的產(chǎn)品氣與經(jīng)冷卻劑噴嘴噴出 的冷卻劑接觸和混合而被冷卻，條件是預(yù)期的熱效應(yīng)和/或重力效應(yīng)造成的膨脹和/或伸長(zhǎng) 不影響各部件本身的自由度及各部件之間的相對(duì)位置。2. 權(quán)利要求1所述的產(chǎn)出井設(shè)備，還包括井口懸掛器，所述井口懸掛器用于在中心位置 自由懸掛產(chǎn)品管和在偏心位置平行自由懸掛冷卻劑管。3. 權(quán)利要求1或2所述的產(chǎn)出井設(shè)備，其中產(chǎn)品管端部開(kāi)孔段的長(zhǎng)度為約1-4個(gè)完整管 段，開(kāi)孔孔徑為5-35mm、優(yōu)選10-25mm，所述開(kāi)孔交錯(cuò)間隔排列，和開(kāi)孔總面積為開(kāi)孔段管壁 面積的5-35%、優(yōu)選10-30%。4. 權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的產(chǎn)出井設(shè)備，其中在冷卻劑管內(nèi)還安裝有一個(gè)或多個(gè)止 回閥用于防止逆向氣流進(jìn)入冷卻劑管，所述止回閥的位置從井口開(kāi)始計(jì)位于產(chǎn)品管端部開(kāi) 孔段之前。5. 權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的產(chǎn)出井設(shè)備，其中所述冷卻劑噴嘴為孔徑大于或等于5mm 的單孔噴嘴或多孔噴嘴，其中多孔噴嘴上的多個(gè)孔按中心和外周分布且外周各孔與中心孔 平行或按照與中心孔成5-35°角、優(yōu)選8-20°角向外發(fā)散。6. 權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的產(chǎn)出井設(shè)備，所述產(chǎn)出井為垂直產(chǎn)出井，其中從井口開(kāi)始 計(jì):所述套管通過(guò)水泥層固定延伸到煤層頂部附近;所述產(chǎn)品管端部開(kāi)孔段的長(zhǎng)度為約2-3 個(gè)完整管段;所述冷卻劑噴嘴位于產(chǎn)品管端部開(kāi)孔段下方;和所述產(chǎn)品氣驟冷區(qū)位于產(chǎn)出 井底部。7. 權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的產(chǎn)出井設(shè)備，所述產(chǎn)出井為水平定向產(chǎn)出井，其中從井口 開(kāi)始計(jì):所述套管通過(guò)水泥層固定延伸到煤層中水平位置附近或與煤層底板平行的位置附 近，然后是無(wú)水泥層的自由套管段，最后是無(wú)套管煤層鉆孔段一直延伸到產(chǎn)出井端部，其中 在無(wú)套管煤層鉆孔段內(nèi)裝有產(chǎn)出井內(nèi)襯管開(kāi)孔段;和所述產(chǎn)品氣驟冷區(qū)位于產(chǎn)出井無(wú)水泥 層自由套管段內(nèi)。8. 權(quán)利要求7所述的產(chǎn)出井設(shè)備，其中所述產(chǎn)品氣驟冷區(qū)為導(dǎo)流板式驟冷區(qū)，其中所述 產(chǎn)品管開(kāi)孔段從無(wú)水泥層自由套管段的起點(diǎn)開(kāi)始一直延伸到無(wú)套管煤層鉆孔段并且與其 內(nèi)部的產(chǎn)出井內(nèi)襯管開(kāi)孔段相連，其中在產(chǎn)品管開(kāi)孔段內(nèi)、優(yōu)選在距其終端約1-2個(gè)完整管 段處裝有導(dǎo)流板以強(qiáng)化產(chǎn)品氣與冷卻劑之間的接觸和混合，其中所述冷卻劑噴嘴位于所述 導(dǎo)流板附近，優(yōu)選位于所述導(dǎo)流板上下游2.0米以內(nèi)，更優(yōu)選位于所述導(dǎo)流板上下游1.0米 以內(nèi)。9. 權(quán)利要求7所述的產(chǎn)出井設(shè)備，其中所述產(chǎn)品氣驟冷區(qū)為間隙式驟冷區(qū)，其中所述產(chǎn) 品管開(kāi)孔段從無(wú)水泥層自由套管段的起點(diǎn)開(kāi)始延伸，但在距離無(wú)套管煤層鉆孔段約1-2個(gè) 完整管段處停止延伸，在產(chǎn)品管開(kāi)孔段與產(chǎn)出井內(nèi)襯管開(kāi)孔段之間的間隙用作產(chǎn)品氣驟冷 區(qū)，其中冷卻劑噴嘴位于所述產(chǎn)品管開(kāi)孔段端部附近，優(yōu)選位于所述產(chǎn)品管開(kāi)孔段端部上 下游2.0米以內(nèi)，更優(yōu)選位于所述產(chǎn)品管開(kāi)孔段端部上下游1.0米以內(nèi)。10. -種煤炭地下氣化方法，其中在地下煤層中設(shè)有用于煤炭地下氣化的完井系統(tǒng)，其 中利用權(quán)利要求1 -9任一項(xiàng)的產(chǎn)出井設(shè)備，其中經(jīng)冷卻劑管向產(chǎn)出井井下注入冷卻劑以冷 卻氣化產(chǎn)生的產(chǎn)品氣和冷卻后的產(chǎn)品氣經(jīng)產(chǎn)品管輸送到地面，所述冷卻劑選自水、水蒸氣、 二氧化碳、惰性氣體或液體以及冷卻后的常溫產(chǎn)品氣，和冷卻劑的注入流量足以使井下產(chǎn) 品氣溫度降低到設(shè)定值以下。11. 權(quán)利要求1 〇所述的方法，其中所述監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)獲取產(chǎn)出井內(nèi)的溫度、壓力和聲波 信號(hào)并反饋給井口附近的控制系統(tǒng)，其中溫度信號(hào)用于控制冷卻劑流量、壓力信號(hào)用于監(jiān) 測(cè)產(chǎn)出井井下壓力和聲波信號(hào)用于監(jiān)測(cè)產(chǎn)出井井下情況，其中所述溫度、壓力和聲波傳感 器均為基于光纖時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)的分布式感應(yīng)光纖，和所述溫度傳感器附加或替代地為 雙金屬護(hù)套Κ型雙探頭熱電偶，其中當(dāng)產(chǎn)品管端部開(kāi)孔段起點(diǎn)附近溫度和/或產(chǎn)出井井口溫 度超過(guò)它們的設(shè)定值時(shí)立即切斷氧化劑注入停止氣化過(guò)程。12. 權(quán)利要求10或11所述的方法，其中套管內(nèi)壁與各管件之間的環(huán)隙在點(diǎn)火階段用惰 性氣體吹掃并封堵以防止產(chǎn)品氣和/或冷卻劑進(jìn)入其中，和在非正常運(yùn)行時(shí)用作井系統(tǒng)的 泄壓通道以防止地層/煤層承受過(guò)高壓力。13. 權(quán)利要求10-12任一項(xiàng)所述的方法，其中對(duì)于垂直產(chǎn)出井，位于產(chǎn)出井底部的產(chǎn)品 氣驟冷區(qū)與注入井內(nèi)襯管開(kāi)孔段交匯，由此氣化產(chǎn)生的產(chǎn)品氣經(jīng)注入井內(nèi)襯管開(kāi)孔段進(jìn)入 產(chǎn)品氣驟冷區(qū)與冷卻劑接觸和混合和在冷卻后經(jīng)產(chǎn)品管輸送到地面。14. 權(quán)利要求10-12任一項(xiàng)所述的方法，其中對(duì)于水平定向產(chǎn)出井，在無(wú)套管煤層鉆孔 段內(nèi)的產(chǎn)出井內(nèi)襯管開(kāi)孔段與注入井內(nèi)襯管開(kāi)孔段交匯，由此氣化產(chǎn)生的產(chǎn)品氣經(jīng)注入井 內(nèi)襯管開(kāi)孔段進(jìn)入產(chǎn)出井內(nèi)襯管開(kāi)孔段、之后進(jìn)入產(chǎn)品氣驟冷區(qū)中與冷卻劑接觸和混合和 在冷卻后經(jīng)產(chǎn)品管輸送到地面。15. 權(quán)利要求14所述的方法，其中當(dāng)產(chǎn)品氣驟冷區(qū)為導(dǎo)流板式驟冷區(qū)時(shí)，產(chǎn)品氣經(jīng)產(chǎn)出 井內(nèi)襯管開(kāi)孔段進(jìn)入產(chǎn)品管開(kāi)孔段，所述導(dǎo)流板引導(dǎo)產(chǎn)品氣通過(guò)導(dǎo)流板上游的產(chǎn)品管開(kāi)孔 段部分流出與經(jīng)冷卻劑噴嘴噴出的冷卻劑接觸和混合，然后冷卻后的產(chǎn)品氣經(jīng)導(dǎo)流板下游 的產(chǎn)品管開(kāi)孔段部分進(jìn)入產(chǎn)品管被輸送到地面。16. 權(quán)利要求14所述的方法，其中當(dāng)產(chǎn)品氣驟冷區(qū)為間隙式驟冷區(qū)時(shí)，產(chǎn)品氣經(jīng)產(chǎn)出井 內(nèi)襯管開(kāi)孔段直接進(jìn)入產(chǎn)品氣驟冷區(qū)與經(jīng)冷卻劑噴嘴噴出的冷卻劑接觸和混合，然后冷卻 后的產(chǎn)品氣經(jīng)產(chǎn)品管開(kāi)孔段進(jìn)入產(chǎn)品管被輸送到地面。17. 權(quán)利要求10-16任一項(xiàng)所述的方法，其中使用水和/或二氧化碳作為冷卻劑，所述水 和/或二氧化碳在地面回收和處理后再次注入產(chǎn)出井，由此循環(huán)用作冷卻劑。18. 權(quán)利要求10-16任一項(xiàng)所述的方法，其中使用冷卻后的常溫產(chǎn)品氣作為冷卻劑，由 此避免向產(chǎn)品氣中引入任何外部雜質(zhì)和簡(jiǎn)化產(chǎn)品氣后處理過(guò)程。
【文檔編號(hào)】E21B47/07GK106089179SQ201610712514
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年8月24日
【發(fā)明人】卡斯珀·揚(yáng)·亨德利克·伯格, 汪原理, 閔振華
【申請(qǐng)人】中為(上海)能源技術(shù)有限公司