用于煤炭地下气化工艺的模块化高温井口井控系统其操作方法技术方案

本发明专利技术提供了一种用于煤炭地下气化工艺(ISC)的模块化高温井口井控系统，从下而上包括如下部件：基板，直接安装在导管上方；套管头；整体套管悬挂筒，包括槽式芯轴悬挂、水泥固井套管监测系统和锁紧机构。多端口静态管柱悬挂四通，包括悬挂四通本体、多端口芯轴悬挂外壳、芯轴悬挂、密封压盖、全内径阀和锁紧机构。多端口耐腐蚀合金(CRA)静态管柱悬挂四通，包括悬挂四通本体、管柱悬挂、流体辅助管柱端口、电子辅助管柱端口、多用途阀、终端阀四通和锁紧机构。法兰适配器。本发明专利技术工艺操作更为灵活方便，从而实现煤炭地下气化工艺的连续稳定运行，模块化设计显著地降低项目的经济成本和时间成本，为现有技术带来了进步。

Modular high temperature wellhead control system for underground coal gasification process and its operation method

The invention provides a modular high temperature wellhead control system for underground coal gasification process (ISC). From the bottom to the top, the system comprises the following components: a baseboard directly installed above the conduit; a casing head; and an integral casing hanger, including a trough core shaft suspension, a cement cementing casing monitoring system and a locking mechanism. Multi-port static string suspension four-way, including suspension four-way body, multi-port mandrel suspension shell, mandrel suspension, sealing cap, full inner diameter valve and locking mechanism. Multi-port corrosion resistant alloy (CRA) static pipe string suspension four-way, including suspension four-way body, pipe string suspension, fluid auxiliary pipe string port, electronic auxiliary pipe string port, multi-purpose valve, terminal valve four-way and locking mechanism. Flange adapter. The process operation of the invention is more flexible and convenient, thereby realizing the continuous and stable operation of the underground coal gasification process, and the modular design significantly reduces the economic cost and time cost of the project, thus bringing progress to the existing technology.

【技术实现步骤摘要】
用于煤炭地下气化工艺的模块化高温井口井控系统其操作方法
本专利技术提供了一种用于煤炭地下气化工艺(ISC)的模块化高温井口井控系统及操作方法。特别地，本专利技术提供了一种在煤炭地下气化工艺中用于高温产品井的模块化高温井口井控系统，还提供了这种高温井口井控系统在煤炭地下气化工艺中的操作方法，具体可用于煤炭地下气化工艺的生产过程。
技术介绍
煤炭地下气化(ISC)是在氧化剂存在下通过地下煤层的燃烧和气化反应将煤直接转化为产品气的过程，所述产品气通常称为合成气，该合成气可以随后用作多种应用的原料，包括燃料生产、化学品生产和发电等。这种煤炭地下气化技术对于大多数煤藏都是适用的。鉴于有关采矿业的环保要求越来越严格和考虑到相关的人工成本和基建成本，这种技术无疑是很有吸引力的。煤炭气化工艺是将煤炭通过一系列的化学反应转变为合成气的过程。地面钻井直通煤层，给氧化剂注入和产品气产出提供有效通道。一对钻井在地下连通或水平延伸构成一个实质上水平钻井通道(也可简称为煤层井道或连通通道)。该通道有助于氧化剂注入，燃空区生长和产品气输送。一个用于氧化剂注入的钻井称为“注入井”，另外一个用于生产产品气的钻井称为“产品井”。定向水平钻井和垂直钻井都可作为注入井或产品井。煤炭地下气化(ISC)可能在注入井和产品井之间还需要使用到一个或多个的垂直井(例如：功能井和辅助井)。当煤层中有注入井、产品井和水平通道将二者连接起来时，此构造被称为一个煤炭地下气化(ISC)单元或井对。ISC单元包括燃烧区，气化区和热解区。其中，燃烧区在煤层中氧化剂注入点附近；气化区以放射状形态围绕在燃烧区周围或者在燃烧区下游，煤炭在气化区被气化、部分被氧化，从而生成产品气；热解区在气化区下游，煤的热解反应一般在这里发生。高温的产品气从气化区往下游流动，并最终从产品井井口输送到地面。在煤燃烧或气化的同时，煤层中的ISC燃空区会生长变大。通过煤炭地下气化生成的产品气(粗合成气)通常含有合成气(CO，CO2，H2，CH4及其他气体的混合物)以及其他成分固体颗粒，水，煤焦油，烃类蒸汽，其他微量组分包括H2S，NH4，COS等)。其成分复杂程度取决于多个方面：煤炭地下气化所使用的氧化剂(空气或其他氧化剂，比如氧气、富氧空气或蒸汽混合物)、煤层中的内在水或周边地层渗入煤层中的水、煤质、以及煤炭地下气化工艺的操作参数，包括温度，压力等。根据已有专利文献，目前煤炭地下气化技术所面临的问题主要包括：a)大多数煤炭地下气化井口系统及相关井控设备，通常是通过对现有设备进行粗糙/基础地改造，形成了各种不同的井口系统，导致其在设计和操作上都非常复杂。b)大多数煤炭地下气化井口系统及相关井控设备，具有高度的定制性，导致其生产周期较长且生产成本较高。c)大多数煤炭地下气化井口系统只允许在地面和井下进行静态密封，这严重地阻碍了气化炉的整体生产效率，同时增加了由于热膨胀/形变导致井口系统损坏或报废的几率。d)大多数煤炭地下气化井口系统仅适用于单管柱完井设计或最多双管柱完井设计。这限制了气化炉设计的灵活性，从而影响了煤炭地下气化工艺的商业可行性。e)大多数煤炭地下气化井口系统只专注于示范项目，而不是用于最终的商业运行。例如，采用现有标准化的“A段”、“B段”和“C段”井口叠加方法。这使得整个井口系统的高度(堆积)非常高。同时，导致绝大部分或整个井口系统都需要采用昂贵的耐腐蚀合金，最终严重增加项目的资本支出，降低项目的经济可行性。
技术实现思路
针对现有技术，本专利技术提供了一种用于煤炭地下气化工艺的模块化高温井口井控系统，还提供了这种模块化高温井口井控系统在煤炭地下气化工艺中的操作方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：用于煤炭地下气化工艺的模块化高温井口井控系统，所述模块化高温井口井控系统从下而上包括如下部件：1.基板，用于增加模块化高温井口井控系统的完整性，直接安装在导管上方，可提高表层套管设置高度的灵活性；2.套管头，用于高温井口井控系统内连接表层套管；3.整体套管悬挂筒，用于高温井口井控系统内连接和悬挂生产套管，包括槽式芯轴悬挂、水泥固井套管监测系统和锁紧机构。4.多端口静态管柱悬挂四通，用于高温井口井控系统内连接和悬挂辅助管柱，实现一根或多根流体辅助管柱和/或电子辅助管柱在井口内的同心/偏心悬挂和穿越，包括悬挂四通本体、多端口芯轴悬挂外壳、芯轴悬挂、密封压盖、全内径阀和锁紧机构。5.多端口耐腐蚀合金(CRA)静态管柱悬挂四通，用于高温井口井控系统内连接和悬挂管柱，包括悬挂四通本体、管柱悬挂、流体辅助管柱端口、电子辅助管柱端口、多用途阀、终端阀四通和锁紧机构。6.法兰适配器，用于在高温井口和井控系最上端连接一个或多个主阀和/或采气树。其中，本专利技术所述模块化高温井口井控系统，通过更换所述多端口耐腐蚀合金(CRA)静态管柱悬挂四通为多端口耐腐蚀合金(CRA)动态管柱悬挂四通可实现地面和井下的动态密封，避免了由于热膨胀/形变导致井口系统损坏或报废的可能性，提高了气化炉的整体生产效。所述多端口耐腐蚀合金(CRA)动态管柱悬挂四通包括悬挂四通本体、管柱悬挂、流体辅助管柱端口、电子辅助管柱端口、多用途阀、终端阀四通和锁紧机构。本专利技术所述模块化高温井口井控系统，所述多端口耐腐蚀合金(CRA)静态管柱悬挂四通或/和多端口耐腐蚀合金(CRA)动态管柱悬挂四通内部的管柱悬挂上部，可连接和安装另一个管柱悬挂，用于连接修井机钻杆或油管，起出管柱并实施修井作业。本专利技术所述模块化高温井口井控系统，所述多端口静态管柱悬挂四通内部的用于辅助管柱的芯轴悬挂可向下移送至地表以下并增加第二多端口芯轴悬挂外壳，实现一根或多根流体辅助管柱和/或电子辅助管柱在套管柱内(地表以下)的同心/偏心悬挂和穿越，最终可以有效地压缩所述模块化高温井口井控系统在地表的部件和高度，便于商业化项目的实施。本专利技术所述模块化高温井口井控系统的操作方法，所述操作方法如下：1.安装套管头，连接表层套管；2.安装基板，基板直接连接到导管外壳，调节表层套管的设置高度，实施表层套管水泥固井和相关安装测试；3.安装整体套管悬挂筒，通过芯轴悬挂连接生产套管，并通过锁紧机构固定生产套管位置，实施生产套管水泥固井和相关安装测试；4.安装多端口静态管柱悬挂四通本体和槽式芯轴悬挂；5.安装密封压盖和多端口芯轴悬挂外壳，并通过锁紧螺栓固定多端口芯轴悬挂位置后，实施管柱和辅助管柱的下管；6.在多端口芯轴悬挂外壳内安装芯轴悬挂，完成辅助管柱悬挂；7.安装多端口耐腐蚀合金静态管柱悬挂四通本体和侧孔上的全内径阀；8.连接辅助管柱和相应的端口及安装多用途阀/终端阀四通，完成辅助管柱穿越；9.安装管柱悬挂，并通过锁紧机构固定管柱的位置；10.安装法兰适配器，并实施相关安装测试。11.所述模块化高温井口井控系统安装在注入井上，通过管柱注入氧化剂或作为氧化剂注入设备的通道12.所述模块化高温井口井控系统安装在产品井上，通过管柱输出合成气产品；13.通过流体辅助管柱注入辅助生产流体，如冷却剂、催化剂、辅助原料、吹扫流体等；14.通过电子辅助管柱实时监测和控制井下煤炭地下气化工艺参数和状况：15.通过管柱、辅助管柱和生产套管之间的环隙通道作为异常操作情况下的泄压通道、注入通道和吹扫通道。其中，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于煤炭地下气化工艺的模块化高温井口井控系统，其特征在于，所述模块化高温井口井控系统从下而上包括如下部件：基板，用于增加模块化高温井口井控系统的完整性，提高表层套管设置深度的灵活性；套管头，用于高温井口井控系统内连接表层套管；整体套管悬挂筒，用于高温井口井控系统内连接和悬挂生产套管，包括槽式芯轴悬挂、、水泥固井套管监测系统和锁紧机构；多端口静态管柱悬挂四通，用于高温井口井控系统内连接和悬挂辅助管柱，实现一根或多根流体辅助管柱和/或电子辅助管柱在井口内的同心/偏心悬挂和穿越，包括悬挂四通本体、多端口芯轴悬挂外壳、芯轴悬挂、密封压盖、全内径阀和锁紧机构，所述密封压盖，用于隔离多端口芯轴悬挂外壳与槽式芯轴悬挂和已完井井口下段；多端口耐腐蚀合金静态管柱悬挂四通，用于高温井口井控系统内连接和悬挂管柱，包括悬挂四通本体、管柱悬挂、流体辅助管柱端口、电子辅助管柱端口、多用途阀、终端阀四通和锁紧机构；法兰适配器，用于在高温井口井控系统最上端连接一个或多个主阀和/或采气树。

【技术特征摘要】
1.用于煤炭地下气化工艺的模块化高温井口井控系统，其特征在于，所述模块化高温井口井控系统从下而上包括如下部件：基板，用于增加模块化高温井口井控系统的完整性，提高表层套管设置深度的灵活性；套管头，用于高温井口井控系统内连接表层套管；整体套管悬挂筒，用于高温井口井控系统内连接和悬挂生产套管，包括槽式芯轴悬挂、、水泥固井套管监测系统和锁紧机构；多端口静态管柱悬挂四通，用于高温井口井控系统内连接和悬挂辅助管柱，实现一根或多根流体辅助管柱和/或电子辅助管柱在井口内的同心/偏心悬挂和穿越，包括悬挂四通本体、多端口芯轴悬挂外壳、芯轴悬挂、密封压盖、全内径阀和锁紧机构，所述密封压盖，用于隔离多端口芯轴悬挂外壳与槽式芯轴悬挂和已完井井口下段；多端口耐腐蚀合金静态管柱悬挂四通，用于高温井口井控系统内连接和悬挂管柱，包括悬挂四通本体、管柱悬挂、流体辅助管柱端口、电子辅助管柱端口、多用途阀、终端阀四通和锁紧机构；法兰适配器，用于在高温井口井控系统最上端连接一个或多个主阀和/或采气树。2.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的模块化高温井口井控系统，其特征在于，所述模块化高温井口井控系统设计压力1000-25000psi，设计温度最高达到500℃，所述套管头通过螺纹、焊接或法兰与表层套管连接。3.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的模块化高温井口井控系统，其特征在于，根据井筒地质条件要求，生产套管在固井后需要处于压缩或拉力状态时，所述槽式芯轴悬挂替换为滑块式套管悬挂；所述整体套管悬挂筒在生产套管坐放台肩和/或整体套管悬挂筒底处容纳一个金属-金属密封或压盖密封；所述水泥固井套管监测系统集成包括温度监测、压力监测、声音监测、气体成分监测，水泥固井套管监测系统具有遥测或实时信息传输功能，或者具有生成在预定周期内可下载的数据文件功能。4.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的模块化高温井口井控系统，其特征在于，多端口静态管柱悬挂四通中，流体辅助管柱和/电子辅助管柱静态悬挂在所述悬挂四通本体内，辅助管柱包括单根油管管柱、同心油管管柱、生产管柱、套管、反向循环管柱、仪表管柱，当井筒地质条件要求管柱处于压缩或张紧状态时，所述芯轴悬挂替换为滑块式悬挂。5.根据权利要求1所述用于煤炭地下气化工艺的模块化高温井口井控系统，其特征在于，所述槽式芯轴悬挂，用于在所述高温井口井控系统内静态悬挂管柱，所述管柱包括单根油管管柱、同心油管管柱、生产管柱、套管、反向循环管柱、仪表管柱，当井筒地质条件要求管柱处于压缩或张紧状态时，所述芯轴悬挂替换改为滑块悬挂；所述全内径阀，连接在多端口静态管柱悬挂四通的侧孔，连通生产套管与管柱、辅助管柱之间的环隙通道，用于生产/放空和/或吹扫/注入，所述全内径阀尺寸为113/16-135/8英寸。6.根据权利要求1所述用于煤炭地下气化工艺的模块化高温井口井控系统，其特征在于，所述多端口耐腐蚀合金静态管柱悬挂四通，用于高温井口井控系统内连接和悬挂管柱，包括悬挂四通本体、管柱悬挂、流体辅助管柱端口、电子辅助管柱端口、多用途阀、终端阀四通和锁紧机构；其中，管柱通过管柱悬挂静态悬挂在所述悬挂四通本体内，所述管柱包括单根油管管柱、同...

【专利技术属性】
技术研发人员：马修·詹姆斯·迪克森，王建，卡斯珀·扬·亨德利克·伯格，闵振华，汪原理，
申请(专利权)人：中为上海能源技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31