煤炭地下气化装置及其气化方法.pdf

本发明提供一种煤炭地下气化装置及其方法，其装置包括注气管，位于注气管内的进水管和与注气管固定连接的喷头，所述喷头外套置有与进水管相连通的水夹套，所述水夹套的轴壁上设置有供水流出的射水孔。其中：所述水夹套外套置有用于控制出水的射水控制套，所述射水控制套与外套弹簧的拉杆相连，所述弹簧一端通过弹簧座固定在注气管上，另一端抵靠所述射水控制套。其方法包括准备阶段，形成低压气化燃空区，冷却喷头，完成煤炭地下气化的四个步骤。本发明在保护喷头的同时不过分降低燃空区的温度，充分切割新鲜煤层，形成较多的缝隙，并可放慢引火速度，降低喷头附近燃空区温度，减少水分蒸发，提高地下煤层渗透率。

1.  煤炭地下气化装置，包括注气管(3)，位于注气管(3)内的进水管(4)和与注气管(3)固定连接的喷头(11)，所述喷头(11)外套置有与进水管(4)相连通的水夹套(5)，所述水夹套(5)的轴壁上设置有供水流出的射水孔(6)，其特征在于，所述水夹套(5)外套置有用于控制出水的射水控制套(8)，所述射水控制套(8)与外套弹簧的拉杆(9)相连，所述弹簧一端通过弹簧座(7)固定在注气管(3)上，另一端抵靠所述射水控制套(8)。

2.  根据权利要求1所述的煤炭地下气化装置，其特征在于，所述射水控制套(8)的内表面与水夹套(5)的外表面之间有间距，形成环形缝隙，所述环形缝隙为1mm～5mm。

3.  根据权利要求1所述的煤炭地下气化装置，其特征在于，所述射水孔(6)采用单侧单孔、单侧多孔。

4.  根据权利要求1所述的煤炭地下气化装置，其特征在于，所述射水孔(6)采用多侧开孔，多侧开孔以环绕水夹套方向。

5.  根据权利要求1所述的煤炭地下气化装置，其特征在于，在所述注气管(3)的外侧还设有用于喷射催化剂的喷气管(10)。

6.  煤炭地下气化方法，其特征在于，步骤包括：
第一步，准备阶段
在进气井(1)和出气井(2)之间钻孔，在地下煤层(13)中形成一个通道，从进气井口放入权利要求1至5中任意之一所述的煤炭地下气化装置至出气井(2)下部地下煤层(13)中，在出气井(2)底部将地下煤层由放置在出气井(2)底部的点火器点火；
第二步，形成低压气化燃空区
通过注气管(3)向出气井(2)下部燃空区(14)注入助燃气体，使地下煤层(13)开始气化；
第三步，冷却喷头
在通入助燃气体的同时，通过进水管(4)向水夹套(5)中通入冷却水；
第四步，对地下煤层进行边气化边射孔
在形成低压气化燃空区的同时，当燃空区(14)扩展到高度大于4米，宽度大于1.5米时，拖动注气管(3)向进气井(1)的方向移动；
同时操作拉杆(9)使射水控制套(8)向进气井(1)方向移动，直至射水孔(6)全部露出；
提高注入水夹套(5)内冷却水的压力，直至注气管(3)停止移动，恢复注入水夹套(5)内的冷却水压力至初始压力；
第五步，完成煤炭地下气化
重复上述第三步和第四步多次，直至喷头(11)移到进气井(1)时，结束对地下煤层(13)的气化。

7.  根据权利要求6所述的煤炭地下气化方法，其特征在于，所述步骤三中，注水压力为燃空区压力的1～1.5倍。

8.  根据权利要求6或7所述的煤炭地下气化方法，其特征在于，所述步骤四中，注入水夹套(5)内冷却水的压力提高到15MPa～30MPa。

9.  根据权利要求6所述的煤炭地下气化方法，其特征在于，所述步骤四中，注气管(3)向注气井方向移动4～6米，每移动1米停留1～10分钟。

10.  根据权利要求6所述的煤炭地下气化方法，其特征在于，所述步骤四中，通过喷气管(10)注入催化剂，负载到割裂的部分地下煤层表面及裂缝内。

11.  根据权利要求10所述的煤炭地下气化方法，其特征在于：所述催化剂为含有金属氧化物及金属盐类中一种或多种混合物粉末，所述喷气管(10)内压力为3MPa～5MPa。

煤炭地下气化装置及其气化方法
技术领域
本发明涉及开采煤炭的气化，具体说是涉及开采煤炭的地下气化装置和地下气化方法。
背景技术
在煤炭地下气化过程中，疏松的地下煤层更加有利于气化剂的渗入和产物气体的析出，通过增加地下煤层的裂隙来提高地下气化效率已经被认为是一种可行的手段。在传统的天然气开采中，压裂可以提高地下煤层裂隙，但对于变质程度低的薄煤层顶板，高压可能造成煤层穿孔，含水层内的水会流入煤层中，这会大大影响地下气化效果；传统的煤田开采中，射孔和水力冲孔也可以在短距离内提高煤层的渗透性，但如何利用这种方法只能在水平钻井过程中一次性的加工完成所有的孔，在长达数个月的地下气化过程中这些短距离的孔是否还能充分发挥作用还不能确定。
中国专利201210489910.1介绍了一种矿井下面钻进、增透的方法，通过先钻井，然后采用压裂和水力割缝的形式增加煤层的渗透性，但是这种方式适用于井下开采，水力在无井式地下气化操作中，难于实现。水力割缝技术在煤层气化中广泛运用，通过水流射孔增加地下煤层裂隙，但是这种方法需要一次性完成所有地下煤层的割缝操作，而在煤炭地下气化过程中，分段气化需要的时间比较长，长时间后由于地下煤层的作用而导致煤层裂隙关闭，大大降低了工作效率。
发明内容
为解决现有技术存在问题，本发明提供一种煤炭地下气化装置，该气化装置在气化过程中对地下煤层进行水力割缝时能够控制射水方向，循序渐进地进行定向气化，增加煤层渗透性。为实施上述气化装置，还提供了一种气化方法，该方法在气化过程中对地下煤层进行多次方向可控的水力割缝，进而提高气化效率。
本发明提供一种煤炭地下气化装置，包括注气管，位于注气管内的进水管和与注气管固定连接的喷头，喷头外套置有与进水管相连通的水夹套，水夹套的轴壁上设置有供水流出的射水孔，水夹套外套置有用于控制出水的射水控制套，射水控制套与外套弹簧的拉杆相连，弹簧一端通过弹簧座固定在注气管上，另一端抵靠射水控制套。
根据本发明，射水控制套的内表面与水夹套的外表面之间有间距，形成环形缝隙，该环 形缝隙为1mm～5mm。
根据本发明，射水孔采用单侧单孔、单侧多孔。
根据本发明，射水孔采用多侧开孔，多侧开孔以环绕水夹套方向。
根据本发明，注气管的外侧还设有用于喷射催化剂的喷气管。
另一方面，本发明提供一种煤炭地下气化方法，步骤包括：
第一步，准备阶段
在进气井和出气井之间钻孔，在地下煤层中形成一个通道，从进气井口放入本发明提供的煤炭地下气化装置至出气井下部地下煤层中，在出气井底部将地下煤层由放置在出气井底部的点火器点火；
第二步，形成低压气化燃空区
通过注气管向出气井下部燃空区注入助燃气体，使地下煤层开始气化；
第三步，冷却喷头
在通入助燃气体的同时，通过进水管向水夹套中通入冷却水；
第四步，对地下煤层进行边气化边射孔
在形成低压气化燃空区的同时，当燃空区扩展到高度大于4米，宽度大于1.5米时，拖动注气管向进气井的方向移动；
同时操作拉杆使射水控制套向进气井方向移动，直至射水孔全部露出，提高注入水夹套内冷却水的压力，直至注气管停止移动，恢复注入水夹套内的冷却水压力至初始压力；
第五步，完成煤炭地下气化
重复上述第三步和第四步多次，直至喷头移到进气井时，结束对地下煤层的气化。
根据本发明，步骤三中注水压力为燃空区压力的1～1.5倍。
根据本发明，步骤四中注入水夹套内冷却水的压力提高到15MPa～30MPa。
根据本发明，步骤四中，注气管向注气井方向移动4～6米，每移动1米停留1～10分钟。
根据本发明，步骤四中通过喷气管注入催化剂，负载到割裂的部分地下煤层表面及裂缝内。
根据本发明，催化剂含有金属氧化物及金属盐类中一种或多种混合物粉末，喷气管内压力为3MPa～5MPa。
本发明提供的气化装置和气化方法的优点和积极效果：
通过在气化装置水夹套外面设置射水控制套，使得在不进行水力割缝煤层时，水流可以从水夹套流出后向燃空区方向流动，增加燃空区内的水和煤的气化反应；而在增大水压进行水力割缝时不影响水流冲击煤层。在气化过程中采用低流量低压力的水喷入，在保护喷头的同时不会过分降低燃空区的温度。在注气管后退拖动过程中，提高注水管及水夹套内的水量和水压力，可以使夹套内水流通过射水孔射入地下煤层中，形成水力割缝形式，提高地下煤层渗透率。
附图说明
图1是本发明所述的气化装置第一实施例的示意图；
图2是图1中所示的喷头，进水管和水夹套之间的关系示意图；
图3是图4的a-a向示意图；
图4是本发明所述的气化装置第二实施例的示意图。
图5是本发明所述的气化装置第二实施例增隙工作状态示意图。
其中：1、进气井，2、出气井，3、注气管，4、进水管，5、水夹套，6、射水孔，7、弹簧座，8、射水控制套，9、拉杆，10、喷气管，11、喷嘴，12、岩层，13、煤层，14、燃空区，15、连通管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所述的煤炭地下气化装置及其气化方法进行详细介绍。
参见图1，煤炭地下气化装置，包括注气管3，位于注气管3内的进水管4和与注气管3固定连接的喷头11，喷头11外套置有与进水管4相连通的水夹套5，水夹套5的轴壁上设置有供水流出的射水孔6，水夹套5外套置有用于控制出水的射水控制套8，射水控制套8与外套弹簧的拉杆9相连，弹簧一端通过弹簧座7固定在注气管3上，另一端抵靠射水控制套8。
参见图2，水夹套5一端与进水管4连接，另一端与喷头11朝向出气井2的一端封闭连接，进水管4朝向出气井2一侧的端部可设置与水夹套5相连通的连通管15，冷却水从进水管4流经连通管15进入水夹套5，注入气通过注入气3，经由连通管15与水夹套5的间隙注入喷头11，经喷头11喷出。连通管15可如图3所示为两根设置，也可为一根或多根，也可为各种形状，如蛛网状、螺旋状等，以实现向水夹套5内提供冷却水，且在不过分增加气体阻力的情况下使注入气通过连通管15与水夹套5的间隙。
射水控制套8的内表面与水夹套5的外表面之间有间距，使之形成环形缝隙。为保证有足够的水量，该环形缝隙为1mm～5mm，优选3mm。射水控制套8与注气管3之间的配合 为滑动配合，可在其上作轴向移动。为防止水倒流，也可以有效的移动，在两者的配合表面之间涂抹润滑剂和密封胶。
射水孔可以根据地下煤层的变质程度采用单侧单孔或者单侧多孔，以及根据气化条件的要求采用单侧或者多侧开孔，多侧开孔以环绕水夹套方向。优选为环绕水夹套360度均匀分布，以设置4个孔为宜。
水夹套5的长度为300～500mm，水夹套长度根据喷嘴长度来定，一般大于喷头长达10mm～30mm即可。根据煤层的疏松程度(即煤层的水力割缝的难易程度)，水夹套5可沿着长度方向设置2排孔及多排孔，其孔直径为6mm～8mm，并且均匀分布。
此外，为进一步提高地下煤层的气化效率，在注气管3的外设有喷气管10，用于在喷入高压冷却水的同时，向喷气管10内通入混合催化剂的气体，使催化剂负载到割裂的部分地下煤层表面及裂缝内，提高射孔的利用率，进一步提高地下煤层的气化效率。该催化剂为含有金属单体、金属氧化物及金属盐类等一种或多种混合物粉末。
下面简单介绍该装置是如何工作的：
助燃气体经注气管3进入喷头11，在出气井2底部将地下煤层13引燃形成燃空区14，当燃空区14扩展到要求的大小时，拖动注气管3向进气井1的方向移动(该拖动为现有技术)。
燃烧过程中，温度较高，通过进水管4注入低压冷却水冷却喷头11，该低压冷却水经进水管4、连通管15和射水孔6流向水夹套5与射水控制套8之间的缝隙，从喷头11与射水控制套8前端的间隙里流入燃空区14内，这样，既可以有效冷却喷头11，又可以保证通入射水孔6的水量对地下煤层进行有效气化，还可以保证通入燃空区14的水量而不使燃空区温度降低或浇灭燃空区的火焰。
在拖动注气管3的同时，控制拉杆9使射水控制套8向进气井1方向移动，水夹套5露出，高压冷却水经进水管4、连通管15流向水夹套5后直接从射水孔6喷入地下煤层13内，从而在上述气化的过程中控制出水向地下煤层13表面喷射，切割煤层。
注气管3向进气井1的方向分阶段移动，直至将目标煤层气化完毕为止。
参见图1，本发明提供的煤炭地下气化方法，步骤包括：
第一步，准备阶段
在进气井和出气井之间钻孔，在地下煤层中形成一个通道，从进气井口放入本发明提供的煤炭地下气化装置至出气井下部地下煤层中，在出气井底部将地下煤层由放置在出气井底部的点火器点火；
第二步，形成低压气化燃空区
通过注气管向出气井下部燃空区注入助燃气体，使地下煤层开始气化；
第三步，冷却喷头
在通入助燃气体的同时，通过进水管向水夹套中通入冷却水；
第四步，对地下煤层进行边气化边射孔
在形成低压气化燃空区的同时，当燃空区扩展到高度大于4米，宽度大于1.5米时，拖动注气管向进气井的方向移动；
同时操作拉杆使射水控制套向进气井方向移动，直至射水孔全部露出，提高注入水夹套内冷却水的压力，直至注气管停止移动，恢复注入水夹套内的冷却水压力至初始压力；
第五步，完成煤炭地下气化
重复上述第三步和第四步多次，直至喷头移到进气井时，结束对地下煤层的气化。
步骤二中喷入助燃气体，通过注气管3向出气井2下部燃空区14注入助燃气体，使地下煤层13开始气化；该助燃气体一般为氧气或者富氧空气的混合气体，使地下煤层13的燃空区火势继续扩大。助燃气体压力为0.3MPa～1.5MPa，最佳低压值为1.2MPa，使燃空区压力保持在0.8MPa～1.2MPa的范围内。
步骤三中，在地下煤层13燃烧过程中，由于喷头11的出气口端部处于燃空区14内部，温度较高，所以在通入助燃气体的同时，通过进水管4向水夹套5与射水控制套8之间的缝隙通入低压冷却水，注水压力可为燃空区压力的1～1.5倍，最佳冷却水压力控制为1.5MPa，既可以有效冷却喷头11，又可以保证通入射水孔6的水量对地下煤层进行有效气化，还可以保证通入燃空区14的水量而不使燃空区温度降低或浇灭燃空区的火焰。
步骤四中，在形成低压气化燃空区的同时，通过监测煤气成分、气化区热电偶测得(现有技术)的温度变化和计算燃煤量来预测燃空区14扩展范围，当燃空区14扩展到高度大于4米，宽度大于1.5米时，拖动注气管3向进气井1的方向移动。参见图5，在拖动注气管3的同时，操作拉杆9使射水控制套8向进气井1方向移动，直至射水控制套8靠近到弹簧座7为止，即：直至射水孔6全部露出，保持拉杆9的拉紧状态。
提高注入水夹套5内冷却水的压力，直至注气管3停止移动，恢复注入水夹套5内的冷却水压力至初始压力。
其中：上述拖动注气管3向进气井1的方向移动可以分阶段进行，注气管3向注气井1方向移动4～6米，每移动1米停留1～10分钟。如：
每拖动1米停留10分钟，在停留中通过进水管4向水夹套5内注入高压冷却水，设计水压为15MPa～30MPa；高压冷却水喷入地下煤层中，切割地下煤层，使地下煤层四周出现裂缝，形成射孔，渗透率增大。
10分钟后，注气管继续移动，如此循环反复进行，直至注气管3的拖动距离达到4米时，重新降低注水管4内冷却水压力至1.5PMa，使地下煤层13的燃空区火势向进气井1方向继续扩大。
另外，为提高上述第四步对地下煤层13进行水力割缝的效果，使水力割缝后的地下煤层中形成射孔，在进行上述第四步的同时，通过喷气管10注入催化剂，负载到割裂的部分地下煤层表面及裂缝内。见图4；该催化剂含有金属氧化物及金属盐类等一种或多种混合物粉末。喷气管10内压力为3MPa～5MPa，通常喷气管10内压力是燃空区14压力的3～5倍。
金属氧化物、金属盐为氢氧化钙、碳酸钙、氧化钙等。
本申请提供的方法通过水夹套5注入冷却水，一方面可以冷却喷头11的温度，另一方面可以提供地下气化需要的水蒸气来源，同时还可以作为水力割缝的出水口。
通过预先的水力射孔，可以增加燃烧地下煤层前端的渗透性，增大地下煤层与气化剂的接触面积，有利于地下气化的进行。
采用边射孔边气化的方式，可以有效的掌控射孔的位置，大大提高射孔的利用率。
在射孔的过程中，加入一定数量的催化剂，使催化剂在射孔的同时负载到地下煤层，可以进一步提高地下煤层的气化效率。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。