用于煤炭地下气化过程的产出井设备制造技术

本实用新型专利技术提供了一种用于煤炭地下气化过程的产出井设备。特别地，本实用新型专利技术提供了一种在煤炭地下气化过程中可以通过注入冷却剂冷却后移除产品气的产出井设备。本实用新型专利技术通过对所述产出井设备的各部件的设计、选材和应用以及产出井本身的应用进行优化，使得所述产出井设备的操作更加安全可控，并且其大部分部件如井口设备、产品管、冷却剂管和监测仪表系统等都可以在气化过程结束后全部或部分回收和重复使用。

【技术实现步骤摘要】

本技术提供了一种用于煤炭地下气化过程的产出井设备。特别地，本技术提供了一种在煤炭地下气化过程中可以通过注入冷却剂冷却后移除产品气的产出井设备，还提供了所述产出井设备在煤炭地下气化过程中的应用。
技术介绍
煤炭地下气化(UCG或ISC)过程是在氧化剂存在下通过地下煤层的燃烧和气化将煤直接转化为产品气(也称为粗合成气)的过程，所述产品气随后可以用于多种应用，包括燃料生产、化学品生产和发电等。鉴于采矿业越来越严格的环保要求和考虑到相关的人工成本和基建成本，这种适用于大多数煤藏的煤炭地下气化技术无疑是很有吸引力的。对于煤气化过程，无论在地上还是地下进行，其中都是通过如下一系列化学反应使煤转化，其中H2O和CO2为主要气化剂，和O2为主要氧化剂：C+O2→CO2(完全氧化反应)C+1/2O2→CO(部分氧化反应)C+H2O→H2+CO(水蒸气气化反应)C+2H2→CH4(氢气气化反应)C+CO2→2CO(二氧化碳气化反应)(水煤气变换反应)(甲烷化反应)。在煤炭地下气化过程中，通常要在地下煤层中设有相应的完井系统。所述完井系统通常包括用于注入各种试剂如氧化剂、气化剂和冷却剂等的注入井、用于移除产品气的产出井和用于起辅助作用的各种辅助井，其中注入井、产出井和辅助井内通常均铺设有套管和/或内衬管且按需要彼此连通，其中所述辅助井通常包括点火井、冷冻井、屏蔽井和防护井等，其中注入井通常为水平定向井，而产出井和辅助井通常可以为水平定向井或垂直井。因此，在煤炭地下气化过程中，最基本的完井系统由彼此连通且内部铺设有套管和/或内衬管的注入井和产出井组成，亦称为煤炭地下气化单元或井对。在煤炭地下气化过程中，相关地下区域包括燃烧区、气化区和热解区，其中：燃烧区一般从氧化剂和气化剂注入点开始延伸，在燃烧区中煤在氧化剂和气化剂存在下发生燃烧和气化；气化区位于燃烧区下游或以放射状围绕在燃烧区周围，在气化区中煤主要被气化和部分氧化生成产品气；热解区位于气化区下游，在热解区发生煤的热解。对于理想的煤炭地下气化过程来说，一般希望煤的热解尽可能少。随着煤炭地下气化过程的逐渐推进，煤层中形成的燃空区逐渐变大，最终地下煤藏完全被消耗，仅留下煤灰。在煤炭地下气化过程中，所生成的产品气通常包含CO、CO2、H2、CH4及固体颗粒、水、煤焦油和烃以及少量H2S、NH4和COS等。所述产品气的具体组成通常取决于多个因素，包括所使用的氧化剂(例如空气、富氧空气或纯氧)、水的存在(煤层水或周边地层渗入煤层的水)、煤的质量以及所采用的工艺参数(温度和压力等)。在煤炭地下气化过程中，由于气化过程的强放热性，所生成的产品气通常具有极高的温度，例如一般为700-800℃和有时甚至高达1000℃，而直接应对这种高温产品气的产出井必然要面临多种由于高温高热所引发的问题，具体包括产出井相关部件的热损坏和湿热腐蚀损坏，例如绝对高温如700℃超过产出井套管材料的屈服应力失效温度而造成产出井损坏，热膨胀和/或热伸长造成套管和/或水泥层损坏，热伸长造成产出井内产品管弯曲变形，和湿腐蚀性产品气造成产出井完整性劣化和损坏，如颗粒和高速气体侵蚀、氢脆或氢致开裂、氯离子点腐蚀、硫化物(H2S)应力腐蚀开裂、CO2腐蚀和异种金属电化腐蚀等。因此，对于用于煤炭地下气化过程的产出井设备，如果能够更好地应对高温湿腐蚀性产品气、能够预防和减少可能发生的各种问题、和/或能够在封井或废井后回收和重新利用部分部件，无疑将是非常有利的。AU2014100615提供了一种UCG产品气冷激方法和设备，其中在产品气到达产出井之前降低产品气温度以改变所述产品气的物理和/或化学性质，其中主要通过位于运行气化区下游和产出井上游的辅助井向产品气物流注入冷激流体，以将产品气温度由约500-1200℃降低至约200-400℃。可知该专利中使用辅助井注入冷激流体来冷却产品气，而由于单独的辅助井的存在，这种设计方案无疑是成本较高且结构相对复杂的。因此，对于现有技术的煤炭地下气化过程，其中所应用的产出井设备仍需要改进，尤其是要改进如何应对气化产生的高温湿腐蚀性产品气。
技术实现思路
针对现有技术，本技术提供了一种用于煤炭地下气化过程的产出井设备。特别地，本技术提供了一种在煤炭地下气化过程中可以通过注入冷却剂冷却后移除产品气的产出井设备，还提供了所述产出井设备在煤炭地下气化过程中的应用。本技术提供了一种用于煤炭地下气化过程的产出井设备，所述产出井设备包括井口设备和套管以及位于套管内的产品管、冷却剂管和监测仪表系统，其中：所述套管用于加固和隔离产出井井孔，它采用接箍和螺纹进行连接和通过水泥层固定在产出井井孔中；所述产品管用于将气化产生的产品气从产出井井下输送到地面，它在端部设有开孔段；所述冷却剂管用于将冷却剂注入到产出井井下以冷却气化产生的产品气，它在端部连接有冷却剂喷嘴；所述监测仪表系统从井口向下延伸和固定在产品管端部开孔段起点附近，其中包括设置在保护套管内的温度、压力和声波传感器；和所述井口设备气密性封堵所述套管和包括用于监测仪表系统的仪表压紧接头端口、用于产品管的产品气出口、用于套管的套管环隙出口和用于冷却剂管的冷却剂入口；其中在冷却剂喷嘴下游为产品气骤冷区，其中气化产生的产品气与经冷却剂喷嘴喷出的冷却剂接触和混合而被冷却，条件是预期的热效应和/或重力效应造成的膨胀和/或伸长不影响各部件本身的自由度及各部件之间的相对位置。本技术还提供了一种煤炭地下气化方法，其中在地下煤层中设有用于煤炭地下气化的完井系统，其中利用本技术的产出井设备，其中经冷却剂管向产出井井下注入冷却剂以冷却气化产生的产品气和冷却后的产品气经产品管输送到地面，所述冷却剂选自水、水蒸气、二氧化碳、惰性气体或液体以及冷却后的常温产品气，和冷却剂的注入流量足以使井下产品气温度降低到设定值以下。按照本技术，所述产出井设备中组合了冷却剂管，使得在煤炭地下气化过程中可以通过向产出井井下注入冷却剂而即时冷却气化产生的高温产品气，例如通过适当控制冷却剂流量，可以将产品气由初始温度约700-1000℃冷却到约400℃以下，从而极大地降低了产出井、尤其是产品管的后续热负荷，改进了产出井的运行环境和延长了产出井的运行寿命，进而提高了煤炭地下气化过程的可靠性和安全性，为现有技术带来了进步。另外，按照本技术，通过对所述产出井设备的各部件的设计、选材和应用以及产出井本身的应用进行优化，使得所述产出井设备的操作更加安全可控，并且其大部分部件如井口设备、产品管、冷却剂管和监测仪表系统等都可以在气化过程结束后全部或部分回收和重复使用，从而在一定程度上节约了煤炭地下气化过程的设备成本，为现有技术带来了进步。附图说明下面参考附图来进一步描述本技术，其中：图1是本技术的产出井设备的一种实施方案的地下部分剖面图，其中所述产出井为垂直产出井，和其中产品气骤冷区位于产出井底部；图2是本技术的产出井设备的另一种实施方案的地下部分剖面图，其中所述产出井为水平定向产出井，其中产品气骤冷区位于产出井无水泥层自由套管段端部，其中在产品管开孔段内设有导流板来强化产品气与冷却剂之间的接触和混合；和图3是本技术的产出井设备的又一种实施方案的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于煤炭地下气化过程的产出井设备，所述产出井设备包括井口设备和套管以及位于套管内的产品管、冷却剂管和监测仪表系统，其中：所述套管用于加固和隔离产出井井孔，它采用接箍和螺纹进行连接和通过水泥层固定在产出井井孔中；所述产品管用于将气化产生的产品气从产出井井下输送到地面，它在端部设有开孔段；所述冷却剂管用于将冷却剂注入到产出井井下以冷却气化产生的产品气，它在端部连接有冷却剂喷嘴；所述监测仪表系统从井口向下延伸和固定在产品管端部开孔段起点附近，其中包括设置在保护套管内的温度、压力和声波传感器；和所述井口设备气密性封堵所述套管和包括用于监测仪表系统的仪表压紧接头端口、用于产品管的产品气出口、用于套管的套管环隙出口和用于冷却剂管的冷却剂入口；其中在冷却剂喷嘴下游为产品气骤冷区，其中气化产生的产品气与经冷却剂喷嘴喷出的冷却剂接触和混合而被冷却，条件是预期的热效应和/或重力效应造成的膨胀和/或伸长不影响各部件本身的自由度及各部件之间的相对位置。

【技术特征摘要】
1.一种用于煤炭地下气化过程的产出井设备，所述产出井设备包括井口设备和套管以及位于套管内的产品管、冷却剂管和监测仪表系统，其中：所述套管用于加固和隔离产出井井孔，它采用接箍和螺纹进行连接和通过水泥层固定在产出井井孔中；所述产品管用于将气化产生的产品气从产出井井下输送到地面，它在端部设有开孔段；所述冷却剂管用于将冷却剂注入到产出井井下以冷却气化产生的产品气，它在端部连接有冷却剂喷嘴；所述监测仪表系统从井口向下延伸和固定在产品管端部开孔段起点附近，其中包括设置在保护套管内的温度、压力和声波传感器；和所述井口设备气密性封堵所述套管和包括用于监测仪表系统的仪表压紧接头端口、用于产品管的产品气出口、用于套管的套管环隙出口和用于冷却剂管的冷却剂入口；其中在冷却剂喷嘴下游为产品气骤冷区，其中气化产生的产品气与经冷却剂喷嘴喷出的冷却剂接触和混合而被冷却，条件是预期的热效应和/或重力效应造成的膨胀和/或伸长不影响各部件本身的自由度及各部件之间的相对位置。2.根据权利要求1所述的产出井设备，还包括井口悬挂器，所述井口悬挂器用于在中心位置自由悬挂产品管和在偏心位置平行自由悬挂冷却剂管。3.根据权利要求1或2所述的产出井设备，其中产品管端部开孔段的长度为1-4个完整管段，开孔孔径为5-35mm，所述开孔交错间隔排列，和开孔总面积为开孔段管壁面积的5-35％。4.根据权利要求3所述的产出井设备，其中产品管端部开孔孔径为10-25mm，和开孔总面积为开孔段管壁面积的10-30％。5.根据权利要求1或2所述的产出井设备，其中在冷却剂管内还安装有一个或多个止回阀用于防止逆向气流进入冷却剂管，所述止回阀的位置从井口开始计位于产品管端部开孔段之前。6.根据权利要求1或2所述的产出井设备，其中所述冷却剂喷嘴为孔径大于或等于5mm的单孔喷嘴或多孔喷嘴，其中多孔喷嘴上的多个孔按中心和外周分布且外周各孔与中心孔平行...

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