本發(fā)明提供了一種用于煤炭地下氣化過程的點(diǎn)火設(shè)備，還提供了這種點(diǎn)火設(shè)備在煤炭地下氣化過程點(diǎn)火階段中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

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(zhuǎn)化為產(chǎn)品氣(也稱為粗合成氣)的過程，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)無疑是很有吸引力的。

在煤炭地下氣化過程中，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(如空氣、富氧空氣或純氧)、氣化劑和冷卻劑(水、水蒸汽和二氧化碳可同時用作氣化劑和冷卻劑，空氣亦可用作冷卻劑)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(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。

在煤炭地下氣化過程中，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)周圍，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(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。

在煤炭地下氣化過程中，所生成的產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)量以及所采用的工藝參數(shù)(溫度和壓力等)。

為了點(diǎn)燃地下煤層開始煤炭地下氣化過程，需要在氧化劑如空氣、富氧空氣或純氧存在下，將地下煤層加熱到著火點(diǎn)。各種煤如褐煤、煙煤、無煙煤、焦炭的著火點(diǎn)一般為400-700℃。當(dāng)氧化劑充足且溫度達(dá)到著火點(diǎn)后，不再需要外部供熱，煤層可通過自身燃燒來維持整個燃燒/氣化過程。

因此，在煤炭地下氣化過程的點(diǎn)火階段，點(diǎn)燃地下煤層并使之持續(xù)燃燒需要燃料、熱量和氧化劑，其中待氣化的煤炭自身可以作為燃料，初始熱量通常來自外部來源，包括外加點(diǎn)火燃料燃燒產(chǎn)生的熱量，氧化劑如空氣或氧氣通常也由外部供給。

在煤炭地下氣化過程中，在保持井系統(tǒng)完整性的情況下安全高效地點(diǎn)燃地下煤層非常重要，但在現(xiàn)有技術(shù)中，煤炭地下氣化過程的點(diǎn)火階段在多個方面仍存在問題和需要改進(jìn)。

具體地，在燃料方面，現(xiàn)有技術(shù)中常用的點(diǎn)火燃料如三乙基硼(TEB,(C₂H₅)₃B)或硅烷(SiH₄)或者它們與低碳烴如甲烷、乙烷、丙烷等的混合物通常在暴露于空氣或氧氣時會發(fā)生反應(yīng)，使用起來安全性不夠，而地下煤層中可能存在的夾矸層也不利于煤層點(diǎn)火；在熱量方面，注入井內(nèi)襯管和/或套管可能影響點(diǎn)火時的初始熱量聚焦到目標(biāo)煤層，較濕煤層需要更多熱量蒸發(fā)水分而使點(diǎn)火困難，點(diǎn)火過程中還要保持產(chǎn)出井溫度以防止煤揮發(fā)分和煤熱解產(chǎn)物重組分(如焦油、瀝青等)冷凝導(dǎo)致產(chǎn)出井堵塞；另外，在氧化劑的引入和使用以及設(shè)備的選擇和配置方面也存在問題或缺陷。

因此，如果能夠進(jìn)一步改進(jìn)點(diǎn)火燃料以提供更多初始熱量以及進(jìn)一步改進(jìn)或優(yōu)化井系統(tǒng)配置以充分利用所述初始熱量必然是有利的。

WO2014/089603A1公開了一種用于地下煤層點(diǎn)火的設(shè)備，如其附圖1所示，其中點(diǎn)火設(shè)備在入口15和出口17之間為混合腔40，該混合腔中包含點(diǎn)火燃料和氧化劑混合物，所述點(diǎn)火燃料可以為烴類氣體如甲烷、丙烷、丁烷等，氧化劑可以為空氣、富氧空氣、富含氧的氣體混合物或純氧，所述點(diǎn)火設(shè)備還包括可燃的燃燒器噴嘴端35，該可燃的燃燒器噴嘴端自身可燃并且可進(jìn)一步包含鋁熱劑，目的是通過燃燒或反應(yīng)放熱來促進(jìn)煤層點(diǎn)火。可知該專利中主要通過低碳烴有氧燃燒來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，盡管其中利用鋁熱劑來促進(jìn)低碳烴燃燒，但并沒有很好地解決煤炭地下氣化過程點(diǎn)火階段的燃料和熱量供應(yīng)。

針對現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)了煤炭地下氣化過程的點(diǎn)火階段及其中所應(yīng)用的點(diǎn)火設(shè)備，尤其是改進(jìn)了點(diǎn)火設(shè)備的燃料和點(diǎn)火階段的熱量供應(yīng)，從而可以更好地實(shí)現(xiàn)地下煤層點(diǎn)火。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供了一種用于煤炭地下氣化過程的點(diǎn)火設(shè)備，還提供了這種點(diǎn)火設(shè)備在煤炭地下氣化過程點(diǎn)火階段中的應(yīng)用。

本發(fā)明提供了一種用于煤炭地下氣化過程的點(diǎn)火設(shè)備，其中所述點(diǎn)火設(shè)備包括彼此按順序連接的輸送裝置、斷開裝置、點(diǎn)火引信和一個或多個燃料包，其中多個燃料包彼此串聯(lián)，和其中：

所述輸送裝置為連續(xù)油管、接合管或集成信號電纜；

所述點(diǎn)火引信貫穿通過一個或多個燃料包和用于以延遲方式從設(shè)備端部開始引燃一個或多個燃料包；

所述斷開裝置在啟動點(diǎn)火引信后斷開，由此回撤包括輸送裝置在內(nèi)的點(diǎn)火設(shè)備部件至少至安全位置；和

所述燃料包中包含鋁熱劑和用于被引燃后點(diǎn)燃地下煤層,所述鋁熱劑為鋁粉和能夠與之發(fā)生鋁熱反應(yīng)的金屬氧化物的顆粒狀混合物，所述金屬氧化物選自三氧化二鐵、四氧化三鐵、氧化銅、三氧化二鎳、氧化鎳、五氧化二釩、三氧化二鉻和二氧化錳，優(yōu)選為三氧化二鐵和四氧化三鐵，其中鋁粉與所述金屬氧化物的混合比為鋁熱反應(yīng)化學(xué)計量比的0.5-2.0、優(yōu)選為0.7-1.5和更優(yōu)選為0.8-1.2倍，和其中所述鋁熱劑的用量足以提供20秒至10分鐘、優(yōu)選30秒到7分鐘的點(diǎn)火時間。

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)明的點(diǎn)火設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)火，和點(diǎn)火成功后開始?xì)饣^程，其中當(dāng)輸送裝置為連續(xù)油管或接合管時，連續(xù)油管或接合管內(nèi)部及連續(xù)油管或接合管與注入井內(nèi)襯管之間的環(huán)隙用作點(diǎn)火階段的氧化劑通道，和當(dāng)輸送裝置為集成信號電纜時，用管道扶正圈密封燃料包與注入井內(nèi)襯管之間環(huán)隙后使用注入井內(nèi)襯管作為燃料包推送氣體通道及點(diǎn)火階段的氧化劑通道。

按照本發(fā)明，所述點(diǎn)火設(shè)備組合應(yīng)用了輸送裝置、斷開裝置、點(diǎn)火引信和一個或多個燃料包，其中輸送裝置可以準(zhǔn)確地輸送和定位燃料包，點(diǎn)火引信以延遲方式從設(shè)備端部開始引燃一個或多個燃料包(即從最接近所述設(shè)備端部的燃料包開始或從與點(diǎn)火引信距離最遠(yuǎn)的燃料包開始)，斷開裝置在啟動點(diǎn)火引信后斷開，由此可以回撤包括輸送裝置在內(nèi)的點(diǎn)火設(shè)備部件至少至安全位置以供后續(xù)應(yīng)用，而所述燃料包經(jīng)具體設(shè)計后可以提供足夠的初始熱量加熱地下煤層至其著火點(diǎn)，由此點(diǎn)燃地下煤層。

按照本發(fā)明，在所述煤炭地下氣化方法中，在點(diǎn)火階段發(fā)生故障如發(fā)生產(chǎn)出井堵塞和/或氧泄漏而未點(diǎn)燃煤層的情況下，或者在氣化過程中發(fā)生煤層中斷不能繼續(xù)氣化的情況下，可以利用本發(fā)明的點(diǎn)火設(shè)備進(jìn)行再次點(diǎn)火，包括二次點(diǎn)火及多次點(diǎn)火，直到再次點(diǎn)燃煤層，從而保證了煤炭地下氣化過程的最終實(shí)施。

因此，利用本發(fā)明的點(diǎn)火設(shè)備可以安全高效地實(shí)現(xiàn)地下煤層點(diǎn)火以開始和/或繼續(xù)煤炭地下氣化過程，為現(xiàn)有技術(shù)帶來了進(jìn)步。

附圖說明

下面參考附圖來進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中：

圖1為按照本發(fā)明一種實(shí)施方案的點(diǎn)火設(shè)備在注入井內(nèi)襯管內(nèi)部分的示意圖，其中利用連續(xù)油管或接合管作為輸送裝置和利用連續(xù)油管或接合管內(nèi)部及連續(xù)油管或接合管與注入井內(nèi)襯管之間的環(huán)隙作為點(diǎn)火階段的氧化劑通道；

圖2給出了圖1所示本發(fā)明點(diǎn)火設(shè)備實(shí)施方案在包括注入井和地面部分時的完整示意圖；

圖3為按照本發(fā)明另一實(shí)施方案的點(diǎn)火設(shè)備在注入井內(nèi)襯管內(nèi)部分的示意圖，其中利用集成信號電纜作為輸送裝置,和利用管道扶正圈密封燃料包與注入井內(nèi)襯管之間的環(huán)隙，由此使用注入井內(nèi)襯管作為燃料包推送氣體通道及點(diǎn)火階段的氧化劑通道，其中使用了3個燃料包，在3個燃料包兩端均設(shè)有塞子和在兩個塞子上都套有管道扶正圈；

圖4給出了圖3所示本發(fā)明點(diǎn)火設(shè)備實(shí)施方案在包括注入井和地面部分時的完整示意圖。

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：

1、煤層；2、套管卡箍(縮徑卡箍兼作點(diǎn)火定位擋板)；3、注入井內(nèi)襯管；4、塞子(前端塞子用于封堵和尾端塞子用于平衡)；5、燃料包(3個燃料包彼此串聯(lián))；6、點(diǎn)火引信(點(diǎn)火引信貫穿通過3個燃料包)；7、斷開裝置；8、分布式溫度、壓力和聲波傳感器(固定在注入井內(nèi)襯管外部和使用連續(xù)油管時亦固定在連續(xù)油管外壁上)；9、止回閥(球+彈簧型)；10、外部抓鉤連接器；11、氧化劑通道；12、連續(xù)油管/接合管；13、氣化區(qū)方向；14、注入井套管；15、井口冷卻劑/空氣注入口；16、井口備用冷卻劑注入口；17、井口控制設(shè)備；18、連續(xù)油管卷筒(中心軸內(nèi)連接儀表和數(shù)據(jù)傳輸線路)；19、旋轉(zhuǎn)接頭；20、地面氧化劑源管線；21、集成信號電纜；22、電纜連接器；23、管道扶正圈；24、電纜服務(wù)車。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種用于煤炭地下氣化過程的點(diǎn)火設(shè)備，還提供了這種點(diǎn)火設(shè)備在煤炭地下氣化過程點(diǎn)火階段中的應(yīng)用。

具體地，本發(fā)明提供了一種用于煤炭地下氣化過程的點(diǎn)火設(shè)備，其中所述點(diǎn)火設(shè)備包括彼此按順序連接的輸送裝置、斷開裝置、點(diǎn)火引信和一個或多個燃料包，其中多個燃料包彼此串聯(lián)，和其中：

所述輸送裝置為連續(xù)油管、接合管或集成信號電纜；

所述點(diǎn)火引信貫穿通過一個或多個燃料包和用于以延遲方式從設(shè)備端部開始引燃一個或多個燃料包；

所述斷開裝置在啟動點(diǎn)火引信后斷開，由此回撤包括輸送裝置在內(nèi)的點(diǎn)火設(shè)備部件至少至安全位置；和

所述燃料包中包含鋁熱劑和用于被引燃后點(diǎn)燃地下煤層,所述鋁熱劑為鋁粉和能夠與之發(fā)生鋁熱反應(yīng)的金屬氧化物的顆粒狀混合物，所述金屬氧化物選自三氧化二鐵、四氧化三鐵、氧化銅、三氧化二鎳、氧化鎳、五氧化二釩、三氧化二鉻和二氧化錳，優(yōu)選為三氧化二鐵和四氧化三鐵，其中鋁粉與所述金屬氧化物的混合比為鋁熱反應(yīng)化學(xué)計量比的0.5-2.0、優(yōu)選為0.7-1.5和更優(yōu)選為0.8-1.2倍，和其中所述鋁熱劑的用量足以提供20秒至10分鐘、優(yōu)選30秒到7分鐘的點(diǎn)火時間。

按照本發(fā)明，在所述點(diǎn)火設(shè)備中，所述輸送裝置可以為連續(xù)油管或接合管或集成信號電纜，該輸送裝置可以準(zhǔn)確地輸送和定位燃料包。

按照本發(fā)明，在所述點(diǎn)火設(shè)備中，當(dāng)采用連續(xù)油管或接合管作為輸送裝置時，連續(xù)油管或接合管內(nèi)部及連續(xù)油管或接合管與注入井內(nèi)襯管之間的環(huán)隙均可用作點(diǎn)火階段的氧化劑通道。

按照本發(fā)明，在所述點(diǎn)火設(shè)備中，當(dāng)采用連續(xù)油管作為輸送裝置時，可通過連續(xù)油管向地下煤層注入高濃度氧化劑如純氧，這是因?yàn)檫B續(xù)油管為高度氣密性部件，可以避免應(yīng)用高濃度氧化劑如純氧時可能存在的安全問題。

如本領(lǐng)域中所公知的，連續(xù)油管通常卷繞在連續(xù)油管卷筒上，在作業(yè)狀態(tài)下通過連續(xù)油管卷筒卷繞實(shí)現(xiàn)連續(xù)油管的釋放和回撤，連續(xù)油管及其卷筒的選擇應(yīng)確保連續(xù)油管可以抵達(dá)煤層所在深度及煤層內(nèi)部井孔延伸長度。

按照本發(fā)明，在所述點(diǎn)火設(shè)備中，還可以采用接合管作為輸送裝置，對于不采用高濃度氧化劑如空氣氣化的情況，采用普通接合管是非常經(jīng)濟(jì)的方案，不足之處是在插入地下煤層及回撤過程中耗時較多且勞動強(qiáng)度較大。

按照本發(fā)明，在所述點(diǎn)火設(shè)備中，作為輸送裝置的連續(xù)油管和接合管可以通過合適的連接方式與其它部件相連，例如二者均可以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可以實(shí)現(xiàn)非焊接連接和提供氣密性密封，由此可以容易地更換和維修點(diǎn)火設(shè)備的其它部件，另外，接合管還可以通過螺紋接口與其它部件相連。

按照本發(fā)明，在所述點(diǎn)火設(shè)備中，當(dāng)采用連續(xù)油管或接合管作為輸送裝置時，所述連續(xù)油管或接合管與斷開裝置之間還可以連接有一個或多個止回閥，主要用于阻止逆向氣流進(jìn)入所述連續(xù)油管或接合管，以使點(diǎn)火設(shè)備相關(guān)部件保持清潔并在地面井口移除或回撤設(shè)備時提供安全保護(hù)，所述止回閥可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知適用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。

按照本發(fā)明，在所述點(diǎn)火設(shè)備中，當(dāng)采用集成信號電纜作為輸送裝置時，一般需要利用管道扶正圈密封燃料包與注入井內(nèi)襯管之間的環(huán)隙，由此可以使用注入井內(nèi)襯管作為燃料包推送氣體通道及點(diǎn)火階段的氧化劑通道,而在輸送燃料包的過程中，可以根據(jù)電纜繃緊程度確定燃料包是否到達(dá)預(yù)定點(diǎn)火位置，和可以在到達(dá)后減小燃料包推送氣體流量以在保持燃料包定位的同時避免電纜過度緊繃，其中集成信號電纜可以通過電纜連接器與斷開裝置相連和電纜長度可能成為限制因素。

按照本發(fā)明，在所述點(diǎn)火設(shè)備中，所述斷開裝置為一種自斷機(jī)構(gòu)，可以利用壓力信號或電信號啟動，用于在啟動點(diǎn)火引信后斷開，由此可以回撤包括輸送裝置在內(nèi)的點(diǎn)火設(shè)備部件至少至安全位置以供后續(xù)應(yīng)用，從而在一定程度上減少了煤炭地下氣化過程中的設(shè)備損耗。

按照本發(fā)明，在所述點(diǎn)火設(shè)備中，所述點(diǎn)火引信貫穿通過一個或多個燃料包，即貫穿通過所使用的全部燃料包，它可以利用壓力信號或電信號啟動，和用于以延遲方式從設(shè)備端部開始引燃一個或多個燃料包，其中以延遲方式引燃燃料包可以在燃料包被引燃之前利用斷開裝置斷開和回撤包括輸送裝置在內(nèi)的點(diǎn)火設(shè)備部件至少至安全位置。

如這里所應(yīng)用的，“從設(shè)備端部開始”指的是從最接近所述設(shè)備端部的燃料包開始，也就是說，從與點(diǎn)火引信距離最遠(yuǎn)的燃料包開始。具體地，當(dāng)引燃多個燃料包時，點(diǎn)火引信從最接近所述設(shè)備端部的燃料包(即與點(diǎn)火引信距離最遠(yuǎn)的燃料包)開始引燃和然后依次向后引燃各燃料包。

按照本發(fā)明，在所述點(diǎn)火設(shè)備中，所述點(diǎn)火引信和斷開裝置均可以利用壓力信號或電信號啟動，而選擇利用何種信號啟動通常基于所使用的輸送裝置來確定，確定原則是盡可能簡化過程操作和控制。

具體地，當(dāng)使用連續(xù)油管或接合管作為輸送裝置時，所述點(diǎn)火引信和斷開裝置通常各自獨(dú)立地利用壓力信號啟動，當(dāng)使用集成信號電纜作為輸送裝置時，所述點(diǎn)火引信和斷開裝置通常各自獨(dú)立地利用電信號啟動，當(dāng)利用壓力信號啟動時，啟動斷開裝置的壓力通常要略高于啟動點(diǎn)火引信的壓力以確保二者相繼啟動，例如對于操作壓力為45barg的氣化過程，可采用47.5barg的壓力啟動點(diǎn)火引信和50barg的壓力啟動斷開裝置，而當(dāng)利用電信號啟動時，點(diǎn)火引信和斷開裝置分別通過獨(dú)立的電信號相繼啟動。

按照本發(fā)明，在所述點(diǎn)火設(shè)備中，采用具體設(shè)計的燃料包來點(diǎn)燃地下煤層，其中具體設(shè)計了所述燃料包本身及其內(nèi)部所包含的燃料。

按照本發(fā)明，在所述點(diǎn)火設(shè)備中，所述燃料包可以為單個燃料包或彼此串聯(lián)的多個燃料包，所述燃料包中包含鋁熱劑和用于被引燃后點(diǎn)燃地下煤層,所述燃料包的形狀一般要與注入井內(nèi)襯管匹配，例如，所述燃料包的形狀可以為圓筒狀，所述圓筒的外徑要與注入井內(nèi)襯管內(nèi)徑匹配，以保證所述燃料包可以在注入井內(nèi)襯管中自由移動，從而被輸送到預(yù)定點(diǎn)火位置。

按照本發(fā)明，在所述點(diǎn)火設(shè)備中，所述燃料包的外殼通常為高壓防水型外殼，優(yōu)選為具有合適強(qiáng)度并且能夠被鋁熱反應(yīng)熔化的金屬外殼，更優(yōu)選為鋁外殼(鋁熔點(diǎn)約為680℃)，從而可以保持燃料包在注入井內(nèi)襯管內(nèi)被輸送時結(jié)構(gòu)完整，又可以在燃料包被引燃后被完全燒掉；另外，所述燃料包的外殼上任選還包括一些隨機(jī)分布的薄弱點(diǎn)例如未完全鉆通的鉆孔，從而有利于釋放鋁熱反應(yīng)中可能產(chǎn)生的氣體；進(jìn)一步，在點(diǎn)火位置定位后，所述燃料包本身還可以起到封堵點(diǎn)火前沿通道的作用，以在一定程度上迫使注入的氧化劑流進(jìn)入煤層用于點(diǎn)火。

按照本發(fā)明，在所述點(diǎn)火設(shè)備中，任選從設(shè)備端部開始在一個或多個燃料包前端設(shè)有用于封堵點(diǎn)火前沿通道的塞子和在多個燃料包尾端設(shè)有用于平衡的相同塞子,所述塞子的材料一般為碳鋼或熔點(diǎn)高于鋁的金屬。

具體地，在本發(fā)明的點(diǎn)火設(shè)備中，從最接近所述設(shè)備端部開始，任選在一個或多個燃料包前端(即與點(diǎn)火引信距離最遠(yuǎn)的燃料包端部)設(shè)有用于封堵點(diǎn)火前沿通道的塞子，所述封堵用塞子的材料一般為碳鋼或熔點(diǎn)高于鋁的金屬，由此可以比燃料包本身更久地封堵點(diǎn)火前沿通道，以迫使更多注入的氧化劑流進(jìn)入煤層用于點(diǎn)火，而當(dāng)使用多個燃料包時通常還在多個燃料包尾端(即與點(diǎn)火引信距離最近的燃料包端部)設(shè)有用于平衡的相同塞子，由此使多個燃料包在行進(jìn)過程中較好地保持平衡。

另外，如前面已經(jīng)提到的，當(dāng)使用集成信號電纜作為輸送裝置時，需要利用管道扶正圈密封燃料包與注入井內(nèi)襯管之間的環(huán)隙，此時可以在一個或多個燃料包外殼上套有管道扶正圈，和/或在所述封堵用塞子和多個燃料包時存在的平衡用塞子上套有管道扶正圈，由此密封燃料包與注入井內(nèi)襯管之間的環(huán)隙，使注入井內(nèi)襯管可以用作燃料包推送氣體通道及點(diǎn)火階段的氧化劑通道，其中所述管道扶正圈一般具有低摩擦系數(shù)，其材料可以為橡膠，優(yōu)選為高密度聚乙烯。

如現(xiàn)有技術(shù)中已知的，所述鋁熱劑為鋁粉與一些金屬氧化物的混合物，當(dāng)被引燃后二者發(fā)生鋁熱反應(yīng)使金屬氧化物中的金屬被還原，所述鋁熱反應(yīng)劇烈進(jìn)行并放出大量的熱，溫度可達(dá)2000-3000℃，例如鋁與三氧化二鐵的反應(yīng)熱為945.4cal/g和溫度可達(dá)約2500℃，但所述鋁熱劑本身又非常穩(wěn)定，可以安全地處理和使用。

因此，鋁熱劑的鋁熱反應(yīng)是在有限體積內(nèi)產(chǎn)生足夠熱量的安全有效方法，并由此可以引發(fā)一些需要高溫高熱的反應(yīng)。本發(fā)明就基于鋁熱劑的特點(diǎn)設(shè)計了所述燃料包。

按照本發(fā)明，在所述點(diǎn)火設(shè)備中，所述燃料包中包含鋁熱劑和用于被引燃后點(diǎn)燃地下煤層，所述鋁熱劑為鋁粉和能夠與之發(fā)生鋁熱反應(yīng)的金屬氧化物的顆粒狀混合物，所述金屬氧化物可以選自鐵氧化物如三氧化二鐵和四氧化三鐵、鎳氧化物如三氧化二鎳和氧化鎳、以及氧化銅、五氧化二釩、三氧化二鉻和二氧化錳，優(yōu)選為三氧化二鐵和四氧化三鐵，其中鋁粉與所述金屬氧化物的混合比一般按照鋁熱反應(yīng)的化學(xué)計量比來確定，具體可以為鋁熱反應(yīng)化學(xué)計量比的0.5-2.0、優(yōu)選為0.7-1.5和更優(yōu)選為0.8-1.2倍，和其中所述鋁熱劑的用量可以基于所需要的點(diǎn)火時間適當(dāng)選擇，優(yōu)選應(yīng)足以提供20秒至10分鐘、優(yōu)選30秒到7分鐘的點(diǎn)火時間。

按照本發(fā)明，在所述點(diǎn)火設(shè)備中，所述燃料包中還可以包含稀釋劑以降低其燃燒速度和相應(yīng)延長點(diǎn)火時間，所述稀釋劑通?？梢詾轭w粒狀固體燃料，優(yōu)選選自固態(tài)烴和炭粉，所述稀釋劑的用量通常也可以適當(dāng)選擇，一般可以不超過稀釋劑與鋁熱劑混合物的40wt％，優(yōu)選不超過30wt％，更優(yōu)選不超過25wt％。

按照本發(fā)明，在所述點(diǎn)火設(shè)備中，所述燃料包中的鋁熱劑和任選的稀釋劑均為顆粒狀物質(zhì)，它們的顆粒粒度可以適當(dāng)選擇，但一般傾向于使用顆粒粒度較小的內(nèi)容物來提高燃料包發(fā)熱效率，例如，所述鋁熱劑和所述稀釋劑的顆粒粒度可以各自獨(dú)立地為200nm-5.0mm，優(yōu)選為300nm-4.0mm，更優(yōu)選為500nm-2.5mm。

按照本發(fā)明，在所述點(diǎn)火設(shè)備中，當(dāng)所述燃料包被引燃后，其中的鋁熱劑發(fā)生鋁熱反應(yīng)，可能存在的稀釋劑燃料則發(fā)生燃燒，這些過程中產(chǎn)生的熱量足以燒穿燃料包外殼和點(diǎn)火位置處的注入井內(nèi)襯管、蒸發(fā)點(diǎn)火位置處煤層內(nèi)的自由水和提升煤層溫度到著火點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)煤層點(diǎn)火。

因此，按照本發(fā)明，在所述點(diǎn)火設(shè)備中，可以通過調(diào)節(jié)鋁粉與金屬氧化物的混合比、改變稀釋劑的選擇和用量以及改變鋁熱劑和/或稀釋劑的顆粒粒度等來進(jìn)行設(shè)計，由此改變?nèi)剂习姆艧崃亢忘c(diǎn)火時間等，從而優(yōu)化煤炭地下氣化的點(diǎn)火過程。

例如，可以由鋁粉和三氧化二鐵以化學(xué)計量比(即摩爾比為2:1)形成鋁熱劑，然后與炭粉混合(炭粉用量為總混合物的約15wt％)，控制所形成的混合物的顆粒粒度為約1mm，然后將所述混合物用于本發(fā)明的燃料包中。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量，這種混合物(6.35磅)引燃反應(yīng)后的燃燒時長為約30秒，共產(chǎn)生約11.4MJ的熱量，而這足以達(dá)到如下效果：使燃料包的鋁外殼熔融；加熱并蒸發(fā)燃料包和注入井內(nèi)襯管環(huán)隙內(nèi)2英尺距離內(nèi)的水；使3英尺長的鋁制內(nèi)襯管熔融；加熱237Nm³/h的氮?dú)庵?50℃；和加熱煤層到達(dá)到著火點(diǎn)650℃。

這樣，在組合使用10個這種規(guī)格的燃料包和逐個依次引燃后，則可提供5分鐘的燃燒時長和約114MJ的熱量，從而足以點(diǎn)燃地下煤層。這表明，本發(fā)明的燃料包可以很好地用于在煤炭地下氣化過程中點(diǎn)燃煤層。

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)明的點(diǎn)火設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)火，和點(diǎn)火成功后開始?xì)饣^程，其中當(dāng)輸送裝置為連續(xù)油管或接合管時，連續(xù)油管或接合管內(nèi)部及連續(xù)油管或接合管與注入井內(nèi)襯管之間的環(huán)隙用作點(diǎn)火階段的氧化劑通道，和當(dāng)輸送裝置為集成信號電纜時，用管道扶正圈密封燃料包與注入井內(nèi)襯管之間環(huán)隙后使用注入井內(nèi)襯管作為燃料包推送氣體通道及點(diǎn)火階段的氧化劑通道。

按照本發(fā)明，在所述煤炭地下氣化方法中，在注入井垂直段套管外部、注入井內(nèi)襯管外部、產(chǎn)出井井口、產(chǎn)出井內(nèi)襯管外部和連續(xù)油管外壁上分別固定有溫度、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(tǒng)。

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域反射測量技術(shù)(Optical Time-Domain Reflectometry--OTDR)的分布式感應(yīng)光纖，所述光纖均可以由井口附近或連續(xù)油管卷筒的中心軸開始一直延伸到目標(biāo)測量點(diǎn)，以獲取相應(yīng)的溫度曲線、壓力曲線和聲波曲線用于監(jiān)測點(diǎn)火位置、燃燒區(qū)位置、地下煤層消耗情況、注入井、產(chǎn)出井和氣化區(qū)的溫度和壓力以及井系統(tǒng)完整性等，從而控制煤炭地下氣化過程，和溫度傳感器附加或替代地使用雙金屬護(hù)套K型雙探頭熱電偶。

具體地，按照本發(fā)明，各溫度、壓力和聲波傳感器的功能描述如下：

固定在注入井垂直段套管外部、產(chǎn)出井井口及產(chǎn)出井內(nèi)襯管外部的溫度、壓力和聲波傳感器主要作為安全保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，在溫度過高、壓力過高(例如當(dāng)所述位置溫度和/或壓力達(dá)到臨界值或超過設(shè)計安全值時)時可自動停止系統(tǒng)運(yùn)行，和控制系統(tǒng)可基于這些傳感器的聲波信號隨時應(yīng)對相關(guān)問題以確保井系統(tǒng)完整；

固定在注入井內(nèi)襯管外部的溫度、壓力和聲波傳感器一般經(jīng)井口附近的儀表端口一直延伸到氣化區(qū)，和將測量結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)并儲存到數(shù)據(jù)庫，其中溫度和壓力傳感器主要用于監(jiān)測地下煤層內(nèi)的溫度和壓力、點(diǎn)火位置的溫度和地下煤層內(nèi)氣化區(qū)的壓力，和其中聲波傳感器主要用來確認(rèn)點(diǎn)火位置，一般地，當(dāng)氣化區(qū)溫度>600℃，例如為600-1200℃時，可以認(rèn)為沿著注入井內(nèi)襯管方向煤層正在被氣化，而該溫度高于1,200℃時則主要發(fā)生煤燃燒，另外，當(dāng)沿著注入井內(nèi)襯管的地下煤層全部被消耗時，亦可自動停止系統(tǒng)運(yùn)行；

當(dāng)使用連續(xù)油管作為輸送裝置時，固定在連續(xù)油管外壁上的溫度、壓力和聲波傳感器可以從連續(xù)油管卷筒的中心軸一直延伸到可能使用的氧化劑噴嘴，這些傳感器與無線傳輸設(shè)備連接，將測量結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)并儲存到數(shù)據(jù)庫。

按照本發(fā)明，基于如上所述設(shè)計的溫度、壓力和聲波信號采集系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對包括點(diǎn)火階段在內(nèi)的整個煤炭地下氣化過程的良好控制。

按照本發(fā)明，對于設(shè)在地下煤層內(nèi)的完井系統(tǒng)來說，井系統(tǒng)(包括注入井和產(chǎn)出井)的內(nèi)襯管可以采用本領(lǐng)域通常應(yīng)用的任何合適連接方式連接在一起，例如可以采用焊接、螺紋、卡箍溝槽、法蘭、卡套或卡壓等連接方式，所遵循的原則是確保最終完井系統(tǒng)性能最好。

按照本發(fā)明，對于所述完井系統(tǒng)來說，注入井內(nèi)襯管是很重要的組成部分，它的功能完好是整個煤炭地下氣化過程順利進(jìn)行的重要保證。

具體地，注入井內(nèi)襯管的功能主要體現(xiàn)在以下方面：首先，注入井內(nèi)襯管是煤炭地下氣化過程中用于流體流動和設(shè)備移動的重要通道；其次，注入井內(nèi)襯管和煤層鉆孔之間的環(huán)隙在用惰性氣體吹掃后亦可用作流動通道，例如，在點(diǎn)火成功后，若煤層非常干燥和/或氣化過程需要更多氣化劑時，可以通過該通道注入附加氣化劑；再次，為了監(jiān)控地下煤層的消耗位置和相關(guān)工藝參數(shù)，可以在注入井內(nèi)襯管外壁上固定分布式溫度、壓力和聲波傳感器，以提供相應(yīng)的溫度、壓力和聲波信號分布曲線。

按照本發(fā)明，注入井內(nèi)襯管的材料一般可以依據(jù)地下地層靜巖壓和靜水壓選擇；注入井內(nèi)襯管的內(nèi)徑一般與燃料包外徑相匹配；注入井內(nèi)襯管內(nèi)壁與連續(xù)油管或接合管之間的環(huán)隙可用作流動通道，例如用作點(diǎn)火階段的氧化劑通道；和注入井內(nèi)襯管通常延伸到地下煤層的底部附近和在可能存在的夾矸層上方，一般地，注入井內(nèi)襯管要盡可能接近地下煤層的底部，但不能躍出煤層進(jìn)入下伏巖層，當(dāng)存在夾矸層時，要位于夾矸層上方，此時在所述內(nèi)襯管和夾矸層之間優(yōu)選有約1米厚的連續(xù)煤層，無煤層厚度優(yōu)選要小于15厘米，更優(yōu)選小于10厘米。

按照本發(fā)明，注入井內(nèi)襯管和產(chǎn)出井內(nèi)襯管在端部一般要彼此交匯，并且在交匯段注入井內(nèi)襯管和產(chǎn)出井內(nèi)襯管都要開孔，以利于所產(chǎn)生的產(chǎn)品氣通過注入井內(nèi)襯管進(jìn)入產(chǎn)出井內(nèi)襯管和最后由產(chǎn)出井移除。

在這種情況下，對于注入井內(nèi)襯管和產(chǎn)出井內(nèi)襯管來說，開孔段長度可以各自獨(dú)立地為1-3、優(yōu)選2個完整管段，開孔孔徑一般為5-35mm、優(yōu)選10-25mm，所述開孔一般交錯間隔排布，和開孔總面積可以為開孔段管壁面積的5-35％、優(yōu)選10-30％；另外，其中以完整管段計一般在距離接箍至少0.5米遠(yuǎn)處開始開孔，以保持整個管段的強(qiáng)度。

按照本發(fā)明，其中在注入井內(nèi)襯管開孔段內(nèi)通常設(shè)置點(diǎn)火定位擋板，在保證點(diǎn)火定位擋板兩側(cè)均有開孔內(nèi)襯管的條件下，優(yōu)選將點(diǎn)火定位擋板設(shè)在距注入井內(nèi)襯管端部1-2個完整管段處，以輔助燃料包最終定位，其中所述點(diǎn)火定位擋板可以為焊接擋板或縮徑卡箍，用于預(yù)先設(shè)定點(diǎn)火位置和在運(yùn)行過程中輔助燃料包最終定位，且燃料包在定位后封堵所述點(diǎn)火定位擋板，由此封堵點(diǎn)火前沿通道迫使注入的氧化劑流通過注入井內(nèi)襯管上的開孔進(jìn)入煤層用于點(diǎn)火。

另外，如前面所提到的，本發(fā)明的點(diǎn)火設(shè)備從所述設(shè)備端部開始任選在一個或多個燃料包前端設(shè)有用于封堵點(diǎn)火前沿通道的塞子，當(dāng)使用點(diǎn)火定位擋板時，所述封堵用塞子就用于封堵點(diǎn)火定位擋板，由此封堵點(diǎn)火前沿通道迫使注入的氧化劑流通過注入井內(nèi)襯管上的開孔進(jìn)入煤層用于點(diǎn)火。

另外，與現(xiàn)有技術(shù)的煤炭地下氣化過程類似，在準(zhǔn)備完井系統(tǒng)時通常包括鉆井沖洗和排水及空氣干燥，其中鉆井沖洗和排水包括除去鉆屑和鉆井液等以及用泵把井內(nèi)自由水抽干，空氣干燥包括由注入井注入空氣和從產(chǎn)出井放空把井內(nèi)的殘余水夾帶或吹掃出來，和之后逐漸加壓至目標(biāo)操作壓力并直到點(diǎn)火前一直注入空氣以保持井系統(tǒng)的流通和干燥。

按照本發(fā)明，在所述煤炭地下氣化方法中，可以進(jìn)一步按如下步驟進(jìn)行點(diǎn)火和氣化：

在注入空氣保持井系統(tǒng)流通和干燥的條件下，啟動輸送裝置將一個或多個燃料包輸送到點(diǎn)火定位擋板處定位，當(dāng)輸送裝置為集成信號電纜時采用空氣作為燃料包推送氣體；

在通過氧化劑通道注入低流量空氣(如≤300Nm³/h的空氣)的條件下,啟動點(diǎn)火引信以延遲方式從設(shè)備端部開始引燃一個或多個燃料包，接著啟動斷開裝置以回撤包括輸送裝置在內(nèi)的點(diǎn)火設(shè)備部件至少至安全位置，所述安全位置遠(yuǎn)離點(diǎn)火位置至少10米，優(yōu)選為至少20米；和

監(jiān)測點(diǎn)火位置和產(chǎn)出井井口的溫度，在注入井內(nèi)襯管開始熔融后逐漸增加空氣流量(如逐漸增加到≤1,000Nm³/h)直到產(chǎn)品氣組成穩(wěn)定，之后再逐漸增加空氣流量直到產(chǎn)出井井口溫度符合要求(例如達(dá)到預(yù)定值120-150℃)，在未發(fā)生產(chǎn)出井堵塞和/或氧泄漏的條件下，開始注入氧化劑和氣化劑進(jìn)行氣化，其中如果光纖信號反饋顯示點(diǎn)火位置溫度超出測量范圍且光纖長度縮短，則可以確定注入井內(nèi)襯管開始熔融。

在本發(fā)明的上述方法中，對于產(chǎn)出井出口溫度，一般基于氧化劑即空氣流量控制其升溫速率不超過20℃/h、優(yōu)選不超過15℃/h和最后使其穩(wěn)定在120-150℃，如此控制產(chǎn)出井出口溫度是為了確保煤的揮發(fā)分和煤的熱解產(chǎn)品可以被產(chǎn)品氣流夾帶到地面而不會在冷凝后堵塞產(chǎn)出井，同時不會破壞井系統(tǒng)完整性，若發(fā)生產(chǎn)出井堵塞則中止點(diǎn)火，和可以基于產(chǎn)品氣中的氧含量監(jiān)控氧泄漏，當(dāng)產(chǎn)品氣中氧氣含量在爆炸極限內(nèi)則可以確定發(fā)生氧泄漏，此時亦應(yīng)中止點(diǎn)火。

按照本發(fā)明，在所述煤炭地下氣化方法中，當(dāng)使用氧濃度大于35vol％的高純度氧化劑進(jìn)行氣化時需同時注入冷卻劑，其中還可以利用注入井內(nèi)襯管與煤層鉆孔之間的環(huán)隙注入氣化劑，所述環(huán)隙在點(diǎn)火前一般需要用惰性氣體吹掃。

按照本發(fā)明，在所述煤炭地下氣化方法中，在點(diǎn)火階段未點(diǎn)燃煤層或氣化過程中煤層中斷的情況下一般需要進(jìn)行再次點(diǎn)火(包括二次點(diǎn)火和多次點(diǎn)火)，此時一般采用連續(xù)油管作為輸送裝置重新裝載和輸送燃料包就位，和利用連續(xù)油管作為氧化劑通道注入氧濃度為35-50vol％的氧化劑以重新點(diǎn)燃煤層，這里采用連續(xù)油管是由于其操作靈活性和更主要是由于其高度氣密性可以保證不會泄漏所述氧化劑。

按照本發(fā)明，在所述煤炭地下氣化方法中，如果在點(diǎn)火階段發(fā)生產(chǎn)出井堵塞和/或氧泄漏則中止點(diǎn)火，此時通常要確定煤層是否點(diǎn)燃，如果未點(diǎn)燃則要進(jìn)行再次點(diǎn)火。具體地，如果發(fā)生氧泄漏，此時煤層一般不會完全點(diǎn)燃，通常需要進(jìn)行再次點(diǎn)火；如果發(fā)生產(chǎn)出井堵塞，如由于煤焦油等冷凝導(dǎo)致產(chǎn)出井堵塞，則一般要先清理堵塞物疏通產(chǎn)出井，然后再確認(rèn)煤層是否點(diǎn)燃，如果已經(jīng)點(diǎn)燃則只需要加大氧化劑流量繼續(xù)點(diǎn)火，如果未點(diǎn)燃則要再次點(diǎn)火。對于在點(diǎn)火階段進(jìn)行再次點(diǎn)火，其中采用氧濃度為35-50vol％的氧化劑主要是為了確?？梢钥焖贌羟按吸c(diǎn)火后殘留的注入井內(nèi)襯管以點(diǎn)燃新煤層。

按照本發(fā)明，在所述煤炭地下氣化方法中，如果在氣化過程中發(fā)生煤層中斷，例如碰到較厚的非煤層如夾矸、斷層或褶皺等，導(dǎo)致氣化過程中止，一般要重新確定煤層位置進(jìn)行再次點(diǎn)火，其中采用氧濃度為35-50vol％的氧化劑主要是為了確保可以快速點(diǎn)燃新煤層。

下面參考附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明的實(shí)施方案。

圖1-2中給出了本發(fā)明的點(diǎn)火設(shè)備的一個實(shí)施方案，其中利用連續(xù)油管或接合管作為輸送裝置。如圖1-2所示，其中連續(xù)油管或接合管12通過外部抓鉤連接器10與止回閥9相連，并進(jìn)一步經(jīng)斷開裝置7連接到點(diǎn)火引信6和燃料包5。分布式溫度、壓力和聲波傳感器8分別固定在注入井內(nèi)襯管外部和連續(xù)油管外壁上。燃料包5內(nèi)包含鋁熱劑和稀釋劑，點(diǎn)火引信6貫穿通過燃料包(圖1中示出3個燃料包)，并以延遲方式首先引燃與其相距最遠(yuǎn)的燃料包和然后依次向后引燃各燃料包。燃料包被引燃后釋放熱量，由氧化劑通道11(此時為連續(xù)油管或接合管10與注入井內(nèi)襯管之間的環(huán)隙)注入低流量空氣，所述低流量空氣攜帶所述熱量通過注入井內(nèi)襯管3上的開孔進(jìn)入周圍環(huán)形區(qū)域內(nèi)的煤層1和將熱量傳遞給煤層1。在燃料包前端部設(shè)有塞子4，用于在燃料包定位后封堵設(shè)在注入井內(nèi)襯管3內(nèi)的套管卡箍2(縮徑卡箍同時用作點(diǎn)火定位擋板)，從而可以迫使注入的低流量空氣通過注入井內(nèi)襯管上的開孔進(jìn)入煤層用于點(diǎn)火。

圖3-4中給出了本發(fā)明的點(diǎn)火設(shè)備的另一個實(shí)施方案，其中利用集成信號電纜作為輸送裝置。如圖3-4所示，其中集成信號電纜21在其端部經(jīng)電纜連接器22連接到斷開裝置7和點(diǎn)火引信6，其中斷開裝置7和點(diǎn)火引信6均用電信號啟動。圖3中燃料包5的設(shè)置和功能與圖1中相同，只是通過集成信號電纜21傳送電信號控制和啟動斷開裝置7和點(diǎn)火引信6。另外，集成信號電纜21必須通過氧化劑通道11注入燃料包推送空氣來輸送燃料包5到達(dá)預(yù)定點(diǎn)火位置。在燃料包前端設(shè)有封堵用塞子4和在燃料包尾端設(shè)有平衡用塞子4，而且在兩個塞子上均套有管道扶正圈23，由此與注入井內(nèi)襯管內(nèi)壁緊密接觸實(shí)現(xiàn)氣密性密封，以最大化燃料包推送空氣流的推動力。

本發(fā)明并不局限于以上所述實(shí)施方案，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，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)。