煤炭地下氣化裝置及其氣化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及開采煤炭的氣化，具體說是涉及開采煤炭的地下氣化裝置和地下氣化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在煤炭地下氣化過程中，疏松的地下煤層更加有利于氣化劑的滲入和產(chǎn)物氣體的析出，通過增加地下煤層的裂隙來提高地下氣化效率已經(jīng)被認為是一種可行的手段。在傳統(tǒng)的天然氣開采中，壓裂可以提高地下煤層裂隙，但對于變質(zhì)程度低的薄煤層頂板，高壓可能造成煤層穿孔，含水層內(nèi)的水會流入煤層中，這會大大影響地下氣化效果；傳統(tǒng)的煤田開采中，射孔和水力沖孔也可以在短距離內(nèi)提高煤層的滲透性，但如何利用這種方法只能在水平鉆井過程中一次性的加工完成所有的孔，在長達數(shù)個月的地下氣化過程中這些短距離的孔是否還能充分發(fā)揮作用還不能確定。
[0003]中國專利201210489910.1介紹了一種礦井下面鉆進、增透的方法，通過先鉆井，然后采用壓裂和水力割縫的形式增加煤層的滲透性，但是這種方式適用于井下開采，水力在無井式地下氣化操作中，難于實現(xiàn)。水力割縫技術(shù)在煤層氣化中廣泛運用，通過水流射孔增加地下煤層裂隙，但是這種方法需要一次性完成所有地下煤層的割縫操作，而在煤炭地下氣化過程中，分段氣化需要的時間比較長，長時間后由于地下煤層的作用而導(dǎo)致煤層裂隙關(guān)閉，大大降低了工作效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在問題，本發(fā)明提供一種煤炭地下氣化裝置，該氣化裝置在氣化過程中對地下煤層進行水力割縫時能夠控制射水方向，循序漸進地進行定向氣化，增加煤層滲透性。為實施上述氣化裝置，還提供了一種氣化方法，該方法在氣化過程中對地下煤層進行多次方向可控的水力割縫，進而提高氣化效率。
[0005]本發(fā)明提供一種煤炭地下氣化裝置，包括注氣管，位于注氣管內(nèi)的進水管和與注氣管固定連接的噴頭，噴頭外套置有與進水管相連通的水夾套，水夾套的軸壁上設(shè)置有供水流出的射水孔，水夾套外套置有用于控制出水的射水控制套，射水控制套與外套彈簧的拉桿相連，彈簧一端通過彈簧座固定在注氣管上，另一端抵靠射水控制套。
[0006]根據(jù)本發(fā)明，射水控制套的內(nèi)表面與水夾套的外表面之間有間距，形成環(huán)形縫隙，該環(huán)形縫隙為Imm?5mm。
[0007]根據(jù)本發(fā)明，射水孔采用單側(cè)單孔、單側(cè)多孔。
[0008]根據(jù)本發(fā)明，射水孔采用多側(cè)開孔，多側(cè)開孔以環(huán)繞水夾套方向。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，注氣管的外側(cè)還設(shè)有用于噴射催化劑的噴氣管。
[0010]另一方面，本發(fā)明提供一種煤炭地下氣化方法，步驟包括:
[0011]第一步，準備階段
[0012]在進氣井和出氣井之間鉆孔，在地下煤層中形成一個通道，從進氣井口放入本發(fā)明提供的煤炭地下氣化裝置至出氣井下部地下煤層中，在出氣井底部將地下煤層由放置在出氣井底部的點火器點火；
[0013]第二步，形成低壓氣化燃空區(qū)
[0014]通過注氣管向出氣井下部燃空區(qū)注入助燃氣體，使地下煤層開始氣化；
[0015]第三步，冷卻噴頭
[0016]在通入助燃氣體的同時，通過進水管向水夾套中通入冷卻水；
[0017]第四步，對地下煤層進行邊氣化邊射孔
[0018]在形成低壓氣化燃空區(qū)的同時，當(dāng)燃空區(qū)擴展到高度大于4米，寬度大于1.5米時，拖動注氣管向進氣井的方向移動；
[0019]同時操作拉桿使射水控制套向進氣井方向移動，直至射水孔全部露出，提高注入水夾套內(nèi)冷卻水的壓力，直至注氣管停止移動，恢復(fù)注入水夾套內(nèi)的冷卻水壓力至初始壓力；
[0020]第五步，完成煤炭地下氣化
[0021]重復(fù)上述第三步和第四步多次，直至噴頭移到進氣井時，結(jié)束對地下煤層的氣化。
[0022]根據(jù)本發(fā)明，步驟三中注水壓力為燃空區(qū)壓力的I?1.5倍。
[0023]根據(jù)本發(fā)明，步驟四中注入水夾套內(nèi)冷卻水的壓力提高到15MPa?30MPa。
[0024]根據(jù)本發(fā)明，步驟四中，注氣管向注氣井方向移動4?6米，每移動I米停留I?10分鐘。
[0025]根據(jù)本發(fā)明，步驟四中通過噴氣管注入催化劑，負載到割裂的部分地下煤層表面及裂縫內(nèi)。
[0026]根據(jù)本發(fā)明，催化劑含有金屬氧化物及金屬鹽類中一種或多種混合物粉末，噴氣管內(nèi)壓力為3MPa?5MPa。
[0027]本發(fā)明提供的氣化裝置和氣化方法的優(yōu)點和積極效果:
[0028]通過在氣化裝置水夾套外面設(shè)置射水控制套，使得在不進行水力割縫煤層時，水流可以從水夾套流出后向燃空區(qū)方向流動，增加燃空區(qū)內(nèi)的水和煤的氣化反應(yīng)；而在增大水壓進行水力割縫時不影響水流沖擊煤層。在氣化過程中采用低流量低壓力的水噴入，在保護噴頭的同時不會過分降低燃空區(qū)的溫度。在注氣管后退拖動過程中，提高注水管及水夾套內(nèi)的水量和水壓力，可以使夾套內(nèi)水流通過射水孔射入地下煤層中，形成水力割縫形式，提高地下煤層滲透率。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明所述的氣化裝置第一實施例的示意圖；
[0030]圖2是圖1中所示的噴頭，進水管和水夾套之間的關(guān)系示意圖；
[0031]圖3是圖4的a-a向示意圖；
[0032]圖4是本發(fā)明所述的氣化裝置第二實施例的示意圖。
[0033]圖5是本發(fā)明所述的氣化裝置第二實施例增隙工作狀態(tài)示意圖。
[0034]其中:1、進氣井，2、出氣井，3、注氣管，4、進水管，5、水夾套，6、射水孔，7、彈簧座，
8、射水控制套，9、拉桿，10、噴氣管，11、噴嘴，12、巖層，13、煤層，14、燃空區(qū)，15、連通管。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明所述的煤炭地下氣化裝置及其氣化方法進行詳細介紹。
[0036]參見圖1，煤炭地下氣化裝置，包括注氣管3，位于注氣管3內(nèi)的進水管4和與注氣管3固定連接的噴頭11，噴頭11外套置有與進水管4相連通的水夾套5，水夾套5的軸壁上設(shè)置有供水流出的射水孔6，水夾套5外套置有用于控制出水的射水控制套8，射水控制套8與外套彈簧的拉桿9相連，彈簧一端通過彈簧座7固定在注氣管3上，另一端抵靠射水控制套8。
[0037]參見圖2，水夾套5 —端與進水管4連接，另一端與噴頭11朝向出氣井2的一端封閉連接，進水管4朝向出氣井2 —側(cè)的端部可設(shè)置與水夾套5相連通的連通管15，冷卻水從進水管4流經(jīng)連通管15進入水夾套5，注入氣通過注入氣3，經(jīng)由連通管15與水夾套5的間隙注入噴頭11，經(jīng)噴頭11噴出。連通管15可如圖3所示為兩根設(shè)置，也可為一根或多根，也可為各種形狀，如蛛網(wǎng)狀、螺旋狀等，以實現(xiàn)向水夾套5內(nèi)提供冷卻水，且在不過分增加氣體阻力的情況下使注入氣通過連通管15與水夾套5的間隙。
[0038]射水控制套8的內(nèi)表面與水夾套5的外表面之間有間距，使之形成環(huán)形縫隙。為保證有足夠的水量，該環(huán)形縫隙為1_?5_，優(yōu)選3_。射水控制套8與注氣管3之間的配合為滑動配合，可在其上作軸向移動。為防止水倒流，也可以有效的移動，在兩者的配合表面之間涂抹潤滑劑和密封膠。
[0039]射水孔可以根據(jù)地下煤層的變質(zhì)程度采用單側(cè)單孔或者單側(cè)多孔，以及根據(jù)氣化條件的要求采用單側(cè)或者多側(cè)開孔，多側(cè)開孔以環(huán)繞水夾套方向。優(yōu)選為環(huán)繞水夾套360度均勻分布，以設(shè)置4個孔為宜。
[0040]水夾套5的長度為300?500mm，水夾套長度根據(jù)噴嘴長度來定，一般大于噴頭長達1mm?30mm即可。根據(jù)煤層的疏松程度(即煤層的水力割縫的難易程度)，水夾套5可沿著長度方向設(shè)置2排孔及多排孔，其孔直徑為6_?8_，并且均勻分布。
[0041]此外，為進一步提高地下煤層的氣化效率，在注氣管3的外設(shè)有噴氣管10，用于在噴入高壓冷卻水的同時，向噴氣管10內(nèi)通入混合催化劑的氣體，使催化劑負載到割裂的部分地下煤層表面及裂縫內(nèi)，提高射孔的利用率，進一步提高地下煤層的氣化效率。該催化劑為含有金屬單體、金屬氧化物及金屬鹽類等一種或多種混合物粉末。
[0042]下面簡單介紹該裝置是如何工作的:
[0043]助燃氣體經(jīng)注氣管3進入噴頭11，在出氣井2底部將地下煤層13引燃形成燃空區(qū)14，當(dāng)燃空區(qū)14擴展到要求的大小時，拖動注氣管3向進氣井I的方向移動(該拖動為現(xiàn)有技術(shù))。
[0044]燃燒過程中，溫度較高，通過進水管4注入低壓冷卻水冷卻噴頭11，該低壓冷卻水經(jīng)進水管4、連通管15和射水孔6流向水夾套5與射水控制套8之間的縫隙，從噴頭11與射水控制套8前端的間隙里流入燃空區(qū)14內(nèi)，這樣，既可以有效冷卻噴頭11，又可以保證通入射水孔6的水量對地下煤層進行有效氣化，還可以保證通入燃空區(qū)14的水量而不使燃空區(qū)溫度降低或澆滅燃空區(qū)的火焰。
[0045]在拖動注氣管3的同時，控制拉桿9使射水控制套8向進氣井I方向移動，水夾套5露出，高壓冷卻水經(jīng)進水管4、連通管15流向水夾套5后直接從射水孔6噴入地下煤層13內(nèi)，從而在上述氣化的過程中控制出水向地下煤層13表面噴射，切割煤層。
[0046]注氣管3向進氣井I的方向分階段移