用于煤炭地下氣化過程的氧化劑注入設備及其應用制造技術

本發明專利技術提供了一種用于煤炭地下氣化過程的氧化劑注入設備，所述氧化劑注入設備包括氧化劑通道，所述氧化劑通道包括彼此按順序氣密性連通的旋轉接頭、連續油管、機械剪切裝置和氧化劑噴嘴，其中所述機械剪切裝置用于在必要時剪斷氧化劑噴嘴以撤回連續油管，和其中所述旋轉接頭使地面氧化劑源與連續油管卷筒的中心軸氣密性連通，由此即使在通過連續油管卷筒卷繞連續油管移動氧化劑噴嘴的過程中仍繼續注入氧化劑。另外，本發明專利技術還提供了這種氧化劑注入設備在煤炭地下氣化過程中的應用，具體可用于煤炭地下氣化過程的點火及正常操作過程。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術提供了一種用于煤炭地下氣化過程的氧化劑注入設備。特別地，本專利技術提供了一種在煤炭地下氣化過程中可以連續注入高濃度氧化劑的設備，還提供了這種氧化劑注入設備在煤炭地下氣化過程中的應用，具體可用于煤炭地下氣化過程的點火及正常操作過程。
技術介紹
煤炭地下氣化(UCG或ISC)過程是在氧化劑存在下通過地下煤層的燃燒和氣化將煤直接轉化為產品氣(也稱為粗合成氣)的過程，所述產品氣隨后可以用于多種應用，包括燃料生產、化學品生產和發電等。鑒于采礦業越來越嚴格的環保要求和考慮到相關的人工成本和基建成本，這種適用于大多數煤藏的煤炭地下氣化技術無疑是很有吸引力的。對于煤氣化過程，無論在地上還是地下進行，其中都是通過如下一系列化學反應使煤轉化，其中H2O和CO2為主要氣化劑，和O2為主要氧化劑：C+O2→CO2(完全氧化反應)C+1/2O2→CO(部分氧化反應)C+H2O→H2+CO(水蒸氣氣化反應)C+2H2→CH4(氫氣氣化反應)C+CO2→2CO(二氧化碳氣化反應)在煤炭地下氣化過程中，通常要在地下煤層中設有相應的完井系統。所述完井系統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、用于移除產品氣的產出井和用于起輔助作用的各種輔助井，其中注入井、產出井和輔助井內通常均鋪設有套管和/或內襯管且按需要彼此連通，其中所述輔助井通常包括點火井、冷凍井、屏蔽井和防護井等，其中注入井通常為水平定向井，而產出井和輔助井通常可以為水平定向井或垂直井。因此，在煤炭地下氣化過程中，最基本的完井系統由彼此連通且內部鋪設有套管和/或內襯管的注入井和產出井組成，亦稱為煤炭地下氣化單元或井對。在煤炭地下氣化過程中，相關地下區域包括燃燒區、氣化區和熱解區，其中：燃燒區一般從氧化劑和氣化劑注入點開始延伸，在燃燒區中煤在氧化劑和氣化劑存在下發生燃燒和氣化；氣化區位于燃燒區下游或以放射狀圍繞在燃燒區周圍，在氣化區中煤主要被氣化和部分氧化生成產品氣；熱解區位于氣化區下游，在熱解區發生煤的熱解。對于理想的煤炭地下氣化過程來說，一般希望煤的熱解盡可能少。隨著煤炭地下氣化過程的逐漸推進，煤層中形成的燃空區逐漸變大，最終地下煤藏完全被消耗，僅留下煤灰。在煤炭地下氣化過程中，所生成的產品氣通常包含CO、CO2、H2、CH4及固體顆粒、水、煤焦油和烴以及少量H2S、NH4和COS等。所述產品氣的具體組成通常取決于多個因素，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)、煤的質量以及所采用的工藝參數(溫度和壓力等)。在煤炭地下氣化過程中，通常傾向于使用氧濃度較高的氧化劑，因為氧濃度越高，產品氣質量如熱值越高。但氧濃度太高如高于35vol％時就必須同時使用冷卻劑以避免燃燒區溫度太高、回燒強度過大以及注入井內襯管被燒壞的危險。因此，如果能夠安全地使用高濃度氧化劑如純氧進行煤炭地下氣化過程必然是有利的。另外，在煤炭地下氣化過程中，通常還不能完全連續注入氧化劑。特別地，當在煤炭地下氣化過程中需要改變氧化劑注入位置時，通常要停止氧化劑注入。例如，對于回退法煤炭地下氣化過程，其中通常要定期回退氧化劑注入位置，如連續氣化30天后要回退氧化劑注入位置50米，而在回退過程中通常要停止氧化劑注入。在這種情況下，煤炭地下氣化過程從整體來看并不真正“連續”，而這種“不連續”必然導致產品氣質量發生波動，當波動較大時就會為產品氣的后續應用帶來問題。因此，如果在煤炭地下氣化過程中能夠真正連續注入氧化劑必然是有利的。WO2014/043747A1公開了一種用于實施富氧地下煤氣化過程的設備和方法，具體為氧注入設備和方法，其中使用特別設計的氧槍來向地下煤層注入氧化劑，所述氧槍包括：具有內部通道的槍體，所述內部通道內插有止回閥；槍體尾端的連續油管接合器，所述接合器上有用于通熱電偶的孔；連至槍體前端的至少一段間隔管；連到間隔管前端的注入噴嘴；和監測注入噴嘴溫度的熱電偶。盡管該專利中提到了富氧地下煤氣化，但其中實際上是注入空氣進行操作的。WO2014/186823A1公開了一種用于煤炭地下氣化過程中向煤層供應氧化劑和水的設備和方法，其中所述設備包括氧化劑通道和套管密封，所述氧化劑通道包括至少一個井下端部開孔和至少一個井上端部開孔，所述井下端部開孔用于向地下煤氣化區注入氧化劑，所述井上端部開孔用于與連續油管流體連接，所述套管密封用于密封氧化劑通道和井孔套管之間的環形通道，所述套管密封上具有一個或多個用于向地下煤氣化區注入水的通道。盡管該專利中氧化劑可以為基本純的氧，但其中采用的是受控回退注入點概念，這對應的是現有技術中由若干回退階段間隔開的煤炭地下氣化過程。總之，在現有技術中，所述煤炭地下氣化過程在一些方面仍有待改進，具體包括：如何更好地控制煤層的燃燒和氣化以提供高質量產品氣；如何能夠在不中斷氧化劑注入的情況下實現氧化劑注入設備的轉移或回退；如何避免在井底高溫環境下氧化劑注入設備的損壞和注入井內襯管的熔融；以及如何更好地進行地下監控來控制煤炭地下氣化過程。因此，現有技術中的煤炭地下氣化過程仍需要進一步改進，尤其需要實現氧化劑的連續注入以及高濃度氧化劑如純氧的安全使用。
技術實現思路
針對現有技術，本專利技術提供了一種用于煤炭地下氣化過程的氧化劑注入設備。特別地，本專利技術提供了一種在煤炭地下氣化過程中可以連續注入高濃度氧化劑的設備，還提供了這種氧化劑注入設備在煤炭地下氣化過程中的應用，具體可用于煤炭地下氣化過程的點火及正常操作過程。本專利技術提供了一種用于煤炭地下氣化過程的氧化劑注入設備，所述氧化劑注入設備包括氧化劑通道，所述氧化劑通道包括彼此按順序氣密性連通的旋轉接頭、連續油管、機械剪切裝置和氧化劑噴嘴，其中所述機械剪切裝置用于在必要時剪斷氧化劑噴嘴以撤回連續油管，和其中所述旋轉接頭使地面氧化劑源與連續油管卷筒的中心軸氣密性連通，由此即使在通過連續油管卷筒卷繞連續油管移動氧化劑噴嘴的過程中仍繼續注入氧化劑。本專利技術還提供了一種煤炭地下氣化方法，其中在地下煤層中設有用于煤炭地下氣化的完井系統，其中利用本專利技術的氧化劑注入設備經注入井向地下煤層連續注入高濃度氧化劑，其中所述高濃度氧化劑為包含至少80vol％氧、優選至少90vol％氧的富氧空氣或純氧，其中還利用由所述氧化劑注入設備的連續油管與注入井內襯管之間的環隙形成的輔助通道同時注入冷卻劑，所述冷卻劑為水、水蒸汽或二氧化碳，此時該冷卻劑同時用作煤氣化過程的氣化劑。按照本專利技術，所述氧化劑注入設備組合了各部件的相應特性和功能，尤其是旋轉接頭和連續油管的組合使用，使得在煤炭地下氣化過程中不僅可以不間斷地連續注入氧化劑，實現真正連續運行的煤炭地下氣化過程，而且可以安全穩定地使用高濃度氧化劑如純氧，從而可以獲得高質量且質量穩定的產品氣，為現有技術帶來了進步。按照本專利技術，當采用回退法進行煤炭地下氣化過程時，由于利用了本專利技術的氧化劑注入設備，不再需要在中斷氧化劑注入的情況下移動氧化劑噴嘴的繁瑣拆裝操作，相對而言操作起來更為靈活方便，從而可以大幅縮短現有技術回退法的回退周期和/或回退距離，甚至可以實現地下煤層內氣化位置基本連續移動的煤炭地下氣化過程。因此，按照本專利技術，可以實現短周期小距離回退的回退法煤炭地下氣化過程本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于煤炭地下氣化過程的氧化劑注入設備，所述氧化劑注入設備包括氧化劑通道，所述氧化劑通道包括彼此按順序氣密性連通的旋轉接頭、連續油管、機械剪切裝置和氧化劑噴嘴，其中所述機械剪切裝置用于在必要時剪斷氧化劑噴嘴以撤回連續油管，和其中所述旋轉接頭使地面氧化劑源與連續油管卷筒的中心軸氣密性連通，由此即使在通過連續油管卷筒卷繞連續油管移動氧化劑噴嘴的過程中仍繼續注入氧化劑。

【技術特征摘要】
1.一種用于煤炭地下氣化過程的氧化劑注入設備，所述氧化劑注入設備包括氧化劑通道，所述氧化劑通道包括彼此按順序氣密性連通的旋轉接頭、連續油管、機械剪切裝置和氧化劑噴嘴，其中所述機械剪切裝置用于在必要時剪斷氧化劑噴嘴以撤回連續油管，和其中所述旋轉接頭使地面氧化劑源與連續油管卷筒的中心軸氣密性連通，由此即使在通過連續油管卷筒卷繞連續油管移動氧化劑噴嘴的過程中仍繼續注入氧化劑。2.權利要求1的氧化劑注入設備，其中所述氧化劑通道還包括連接在所述連續油管和機械剪切裝置之間的一個或多個止回閥，用于阻止逆向氣流進入連續油管。3.權利要求1或2的氧化劑注入設備，其中在所述氧化劑通道內所述連續油管通過外部抓鉤連接器與其它部件有效連接，所述外部抓鉤連接器實現非焊接連接和提供氣密性密封。4.權利要求1-3任一項的氧化劑注入設備，其中所述氧化劑噴嘴的內部通道適合高濃度氧化劑流動，所述氧化劑噴嘴的外徑可調節，和所述氧化劑噴嘴還帶有氣動保護塞，用于保護氧化劑噴嘴和在開始注入氧化劑時被高壓氧化劑流吹掉。5.權利要求4的氧化劑注入設備，其中所述氧化劑噴嘴為帶有一個或多個孔的噴嘴頭，其中帶有一個孔的單孔噴嘴頭的孔尺寸基于出口最大噴射速度確定，帶有多個孔的多孔噴嘴頭的多個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、優選8-20°角向外發散，和所述噴嘴頭在接近其端部2-20mm、優選3-15mm處設有微型文丘里紋路，用于引導冷卻劑到達所述噴嘴頭上的孔以實施冷卻保護。6.一種煤炭地下氣化方法，其中在地下煤層中設有用于煤炭地下氣化的完井系統，其中利用權利要求1-5任一項的氧化劑注入設備經注入井向地下煤層連續注入高濃度氧化劑，其中所述高濃度氧化劑為包含至少80vol％氧、優選至少90vol％氧的富氧空氣或純氧，其中還利用由所述氧化劑注入設備的連續油管與注入井內襯管之間的環隙形成的輔助通道同時注入冷卻劑，所述冷卻劑為水、水蒸汽或二氧化碳，此時該冷卻劑同時用作煤氣化過程的氣化劑。7.權利要求6的方法，其中在注入井垂直段套管外部、注入井內襯管外部、連續油管外壁和氧化劑噴嘴上分別固定有溫度、壓力和聲波傳感器，用于獲取地下煤層的溫度、壓力和聲波信號并反饋給井口附近的控制系統。8.權利要求7的方法，其中所述溫度、壓力和...

【專利技術屬性】
技術研發人員：卡斯珀·揚·亨德利克·伯格，閔振華，汪原理，
申請(專利權)人：中為上海能源技術有限公司，
類型：發明
國別省市：上海;31