一种煤层气井下燃料电池加热设备技术领域
本发明属于煤气开采设备领域，尤其涉及一种煤层气井下燃料电池加热设备。
背景技术
近年煤层气是一种非常优质洁净的新型能源，煤层气主要在煤层中处于吸附状
态，而在我国的煤层气储存中，大多都是处于“高储量、难开采”的境况。怎样提高煤层气的
渗透率，使得煤层气从煤层中快速被开采出来，增加煤层气的产量，扩大煤层气开发的经济
效益，已经成为当前煤层气开采研究中的热点和难点。
传统的水力压裂方法对于煤层气的开采在短时间内有着不错的效果，但是随着时
间的增加，渗透率的降低以及孔隙的闭合使得煤层气的开采量大大下降，单纯的水力压裂
效果已经不能够满足煤层气的更深一步开采。在后来的发展中，又不断提出了煤层气的注
热技术。在向煤层气储层中注入热量之后，储层内部的煤体中热量不断上升，产生热应力的
现象，当热应力不断增加，大于煤体的破裂强度时，就会使得煤体产生破裂的现象，使得煤
储层产生被压裂的效果，进而进一步的提升煤层气的渗透率，另外对于存在天然的破碎裂
缝的煤体，煤层注热技术也能够进行类似于“二次压裂”的效果，达到提升煤层气渗透率的
目的。
注热热采技术首先在石油工程领域的稠油油藏中提出，而注热开采煤层气方法的
可行性还存在较大争议。在注热过程中能源利用率差，热量耗散快，加热时间不可控等问
题，一直是煤层气开采过程中的热点和难点。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤层气井下燃料电池加热设备，针对现有热注采技术中
的能源利用率差、热量耗散快和加热时间不可控的问题，本发明能够对热注采煤层提供足
够的热量，并且具有注热时间长、热量耗散慢和能源利用率高的特点，能够进一步的增加煤
层气热注采效率，提高煤层气开采的产量。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种煤层气井下燃料电池加热设备，所述设备包括加热装置和导向装置，加热装置包
括由上至下设置的用于接触气井井壁的卡紧机构、燃料电池舱和电阻线容纳舱，燃料电池
舱内设有燃料电池，空气输入管、氧化剂输入管和甲烷输入管一端位于外界，另一端穿过卡
紧机构后与燃料电池连接；导向装置为管道机器人，且管道机器人与电阻线容纳舱内的电
阻线连接；水管穿过卡紧机构、燃料电池舱和电阻线容纳舱且两端暴露于外界。
优选的，所述卡紧机构包括上、下设置的控制盘和动作盘，控制盘包括安装环板，
安装环板上设有控制盒和无线接收器，转动板与安装环板的内环配合且转动板上设有两根
固定柱，牵引电磁铁的固定端与安装环板连接、活动端与固定柱连接，牵引电磁铁与控制盒
电信号连接，控制盒和无线接收器分别与外界的无线信号发射器无线信号连接，无线接收
器与管道机器人信号连接；动作盘包括安装圆板，安装圆板上周向等间距设有数个沿安装
圆板径向设置的轨道以及与轨道滑动配合的滑块，滑块一端连接弧型撑杆，另一端与连杆
一端铰接，连杆另一端与转动板底面铰接。
优选的，所述弧型撑杆与安装圆板同轴设置。
优选的，所述安装圆板底部与燃料电池舱之间设有中空隔热筒。
优选的，所述中空隔热筒与控制盘的外壁之间设有皮胶环，且弧型撑杆位于皮胶
环的包裹范围内。
优选的，所述控制盘顶部配设顶板，顶板上表面固设有吊耳。
优选的，所述燃料电池舱与电阻线容纳舱之间设有用于承载燃料电池的电池固定
板，燃料电池通过导线与无线电源开关电连接，无线电源开关与电阻线电连接。
优选的，所述燃料电池舱的舱壁上开设有散热孔。
优选的，所述电阻线容纳舱内设有电线盒，电线盒顶部通过转轴和轴承与电池固
定板连接，电阻线缠绕于电线盒外壁，电线盒上设有与水管配合的通道。
优选的，所述管道机械人外部套设有隔热护盖，隔热护盖一端与电阻线连接，另一
端设有前置雷达；所述隔热护盖包括数块平面侧板和设置于平面侧板上、下端部的盖板，平
面侧板之间圆弧过渡。
本发明工作过程如下：首先利用吊具通过顶板的吊耳将本发明吊放置至气井内合
适深度并保证无线接收器位于无线发射器的信号传递距离内，然后通过无线发射器发射无
线信号到无线接收器，进而通过控制盒对牵引电磁铁通电，使得牵引电磁铁收缩，牵引电磁
铁通过固定柱带动转动板作周向转动，转动板推动铰接的连杆，连杆带动滑块沿轨道移动，
并使得弧型撑杆外张，多个弧型撑杆外张带动皮胶环鼓起并与气井井壁接触，进而实现加
热装置的位置固定。
空气输入管、氧化剂输入管和甲烷输入管分别与相应的供给装置连接，并分别对
燃料电池供料，相应原料在燃料电池内反应生成电能储存，反应生成的热量对水管内的水
进行加热后从燃料电池舱的舱壁处向外逸散；
通过无线发射器发射无线信号到无线接收器，进而实现对管道机器人的控制，管道机
器人沿气井井道爬动至更深处的目标层位，同时管道机器人将电阻线从电阻线容纳舱内的
电线盒上拉出，使得电阻线随着气井井壁铺设并延伸至目标层位。
工作人员通过水管向气井内注入水以对煤层进行压裂，同时通过无线发射器启动
无线电源开关，使得燃料电池通过导线对电阻线进行通电，电阻线通电后发热，对注入的水
和电阻线周围的煤层进行加热，同时利用水压裂和加热两种方式使得煤层加速破裂，提升
煤层气的渗透率。
管道机器人的隔热护盖可以对管道机器人进行有效隔热，防止管道机器人受热损
伤，同时隔热护盖的平面侧板之间圆弧过渡连接，可高度配合气井井壁，降低爬行时的障
碍。
电阻线的具体型号和数量，可以根据实际作业的煤层气井情况进行调整设置。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1）同时对煤层采用注水和加热的方式造成其破裂程度加速，能够快速提高煤层气的渗
透率，提高煤层气的采集效率；同时本发明的燃料电池和电阻线可以根据地下煤层的热量
需求情况进行无线电控，进而产生不同热量以符合煤层破裂的需求，而且通过管道机器人
带动电阻线移动至目标层位，对目的层位进行高效热量传导，避免了热量因为途中逸散而
无法传递至目标层位；
2）本发明通过燃料电池内部原料反应生成的反应热，以及传统的电阻丝加热分别对水
和煤层进行首次和二次加热，能量利用率高，而且加热时间和产热状况可以受到外界控制，
提高了本发明的实际应用性；
3）本发明整体技术方案结构简单，设计合理巧妙，有效解决了现有技术中对煤层气采
集效率低的技术问题，同时将稠油热采技术加以优化和改进并转用于煤层气热采，填补了
相应技术空白。
附图说明
图1为具体实施方式中煤层气井下燃料电池加热设备的结构示意图；
图2为图1所示设备的内部结构示意图；
图3为图1所述设备中卡紧机构的结构示意图；
图4为图3所述卡紧机构的控制盘结构示意图；
图5为图3所述卡紧机构的内部结构示意图；
图6为图3所述卡紧机构的动作盘结构示意图；
图7为图3所述卡紧机构的转动板与动作盘的连接结构俯视图；
图8为图1所示设备的工作状态示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。
如图1-8所示，一种煤层气井下燃料电池加热设备，所述设备包括加热装置和导向
装置，导向装置为管道机器人7；
加热装置包括由上至下设置的用于接触气井井壁的卡紧机构、燃料电池舱5和电阻线
容纳舱6，燃料电池舱5内设有燃料电池52，空气输入管12、氧化剂输入管13和甲烷输入管14
一端位于外界，另一端穿过卡紧机构后与燃料电池52连接；水管15穿过卡紧机构、燃料电池
舱5和电阻线容纳舱6且两端暴露于外界。
其中，所述卡紧机构包括由上至下设置的顶板1、控制盘2、动作盘和中空隔热筒4，
顶板1上表面设有吊耳11；
控制盘2包括安装环板27，安装环板27上设有控制盒22和无线接收器23，转动板25与安
装环板27的内环配合且转动板25上设有两根固定柱26，牵引电磁铁24的固定端与安装环板
27连接、活动端与固定柱26连接，牵引电磁铁24与控制盒22电信号连接，控制盒22和无线接
收器23分别与外界的无线信号发射器无线信号连接，无线接收器23与管道机器人7信号连
接；
动作盘包括安装圆板3，安装圆板3上周向等间距设有数个沿安装圆板3径向设置的轨
道33以及与轨道滑动配合的滑块32，滑块32一端连接与安装圆板同轴设置的弧型撑杆31，
另一端与连杆34一端铰接，连杆34另一端与转动板25底面铰接。
中空隔热筒4与控制盘2的外壁之间设有皮胶环21，且弧型撑杆31位于皮胶环21的
包裹范围内。
燃料电池舱5与电阻线容纳舱6之间设有用于承载燃料电池52的电池固定板51，燃
料电池52通过导线54与无线电源开关55电连接，无线电源开关55与电阻线61电连接，燃料
电池舱5的舱壁上开设有散热孔53。
电阻线容纳舱6内设有电线盒62，电线盒62顶部通过转轴和轴承与电池固定板51
连接，电阻线61缠绕于电线盒62外壁，电线盒62上设有与水管15配合的通道63。
管道机械人7外部套设有隔热护盖71，隔热护盖一端与电阻线连接，另一端设有前
置雷达72；所述隔热护盖包括数块平面侧板和设置于平面侧板上、下端部的盖板，平面侧板
之间圆弧过渡。
本发明工作过程如下：首先利用吊具通过顶板的吊耳将本发明吊放置至气井内合
适深度并保证无线接收器位于无线发射器的信号传递距离内，然后通过无线发射器发射无
线信号到无线接收器，进而通过控制盒对牵引电磁铁通电，使得牵引电磁铁收缩，牵引电磁
铁通过固定柱带动转动板作周向转动，转动板推动铰接的连杆，连杆带动滑块沿轨道移动，
并使得弧型撑杆外张，多个弧型撑杆外张带动皮胶环鼓起并与气井井壁接触，进而实现加
热装置的位置固定。
空气输入管、氧化剂输入管和甲烷输入管分别与相应的供给装置连接，并分别对
燃料电池供料，相应原料在燃料电池内反应生成电能储存，反应生成的热量对水管内的水
进行加热后从燃料电池舱的舱壁处向外逸散；
通过无线发射器发射无线信号到无线接收器，进而实现对管道机器人的控制，管道机
器人沿气井井道爬动至更深处的目标层位，同时管道机器人将电阻线从电阻线容纳舱内的
电线盒上拉出，使得电阻线随着气井井壁铺设并延伸至目标层位。
工作人员通过水管向气井内注入水以对煤层进行压裂，同时通过无线发射器启动
无线电源开关，使得燃料电池通过导线对电阻线进行通电，电阻线通电后发热，对注入的水
和电阻线周围的煤层进行加热，同时利用水压裂和加热两种方式使得煤层加速破裂，提升
煤层气的渗透率。
管道机器人的隔热护盖可以对管道机器人进行有效隔热，防止管道机器人受热损
伤，同时隔热护盖的平面侧板之间圆弧过渡连接，可高度配合气井井壁，降低爬行时的障
碍。
电阻线的具体型号和数量，可以根据实际作业的煤层气井情况进行调整设置。