УСТРОЙСТВО РОЗЖИГА ДЛЯ ПРОЦЕССА ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК E21B43/295 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

В настоящем изобретении предусмотрено устройство розжига для процесса подземной газификации угля и его применения для розжига угля в процессе подземной газификации угля.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Подземная газификация угля (UCG или ISC) представляет собой процесс, посредством которого угольный пласт преобразуется в генераторный газ (также известный как сырой синтез-газ) путем сжигания и газификации угля в естественном залегании в присутствии окислителя. Генераторный газ можно использовать в качестве исходного сырья для различных применений, включающих производство топлива, производство химикатов и выработка энергии. Технология подземной газификации угля является пригодной для большинства угольных месторождений и, несомненно, является чрезвычайно привлекательной, поскольку требования по охране окружающей среды для горнодобывающей промышленности становятся все более строгими, а также с учетом соответствующих трудовых издержек и затрат на строительство.

В процессе подземной газификации угля в угольном пласте обычно устанавливают подповерхностную систему законченных скважин. Вышеупомянутая система законченных скважин содержит нагнетательную скважину для нагнетания разнообразных агентов, таких как окислитель (например, воздух, воздух, обогащенный кислородом, или чистый кислород), газификационный агент и охладитель (в качестве газификационного агента и одновременно охладителя могут быть использованы вода, пар и диоксид углерода; в качестве охладителя также может быть использован воздух), газоотводящую скважину для транспортировки генераторного газа и другие, вспомогательные скважины; при этом внутри нагнетательной скважины, газоотводящей скважины и других вспомогательных скважин для их соединения друг с другом обычно установлена обсадная колонна и/или обсадной хвостовик, при этом вышеупомянутые вспомогательные скважины могут включать розжиговую скважину, скважину для доставки охладителя, контрольную скважину и защитную скважину. Нагнетательная скважина обычно представляет собой горизонтально направленную скважину, тогда как газоотводящая скважина и вспомогательные скважины обычно могут представлять собой или горизонтальные скважины, или вертикальные скважины.

Поэтому в процессе подземной газификации угля основная система законченных скважин состоит из нагнетательной и газоотводящей скважин, соединенных и снабженных обсадной колонной и/или обсадным хвостовиком. Обычно ее называют установкой подземной газификации угля или парой скважин.

В процессе подземной газификации угля значимые подповерхностные зоны включают зону сжигания, зону газификации и зону пиролиза, при этом: зона сжигания находится в непосредственной близости к точке подвода окислителя и газификационного агента, и в зоне сжигания уголь сжигается и газифицируется в присутствии окислителя; зона газификации расположена ниже по потоку относительно зоны сжигания или радиально вокруг зоны сжигания, и в зоне газификации уголь газифицируется и частично окисляется с образованием генераторного газа; зона пиролиза расположена ниже по потоку относительно зоны газификации, и в зоне пиролиза происходят реакции пиролиза угля. Для хорошо управляемого процесса подземной газификации угля реакция пиролиза угля обычно не ожидается. По мере расходования или газификации угля в угольном пласте развивается и растет по размеру выгазованное пространство подземной газификации угля. Это представляет постепенное развитие процесса подземной газификации угля вплоть до полного расходования подповерхностного угольного месторождения, после чего в угольном пласте остается только зола.

В процессе подземной газификации угля генераторный газ обычно состоит из CO, CO₂, H₂, CH₄ и твердых частиц, воды, каменноугольной смолы и углеводородов, а также небольших количеств H₂S, NH₄, COS и т.д. Фактический состав вышеупомянутого генераторного газа зависит от множества факторов, в том числе от окислителя (например, воздух, воздух, обогащенный кислородом, или чистый кислород), присутствия воды (воды угольного пласта или воды, попадающей в угольный пласт из окружающих пород), качества угля и рабочих параметров процесса (температуры, давления и т.д.).

Для розжига угольного пласта с целью запуска процесса подземной газификации угля уголь необходимо разогреть до температуры его розжига в присутствии окислителя (воздуха, воздуха, обогащенного кислородом, или чистого кислорода). Типичные температуры розжига в месте накаливания для угля различных типов (лигнит, битуминозный уголь, антрацит, вплоть до кокса/углерода) обычно находятся в диапазоне 400—700 ᵒC. Если окислителя достаточно, и температура достигает точки розжига, уголь будет способен поддерживать процесс сжигания/газификации без потребности во внешнем тепловом источнике за счет расходования самого угля в качестве источника топлива.

Таким образом, в фазе розжига процесса подземной газификации угля для розжига угля в естественном залегании и поддержания сжигания требуются топливо, тепло и окислитель, при этом в качестве топлива используется сам уголь; первичное тепло обычно происходит из внешних источников, в том числе из теплоты сжигания указанных внешних топлив для розжига; и окислитель, такой как воздух или кислород, также вводится из внешних источников.

В процессе подземной газификации угля чрезвычайно важным является безопасный и эффективный розжиг угля в естественном залегании, в то же время, с сохранением целостности всей системы скважин. Однако в известном уровне техники для процесса подземной газификации угля по-прежнему имеется множество проблем, подлежащих совершенствованию.

В частности в том, что касается топлива, топлива для розжига, традиционно используемые в известном уровне техники, такие как триэтилборан (TEB, (C₂H₅)₃B), силан (SiH₄) или их смесь с метаном, этаном, пропаном и т.д., являются реакционноспособными и самовоспламеняющимися под действием воздуха или кислорода, поэтому они не являются безопасными для повсеместного использования. Разрывы, которые могут присутствовать в подповерхностном угольном пласте, также не являются благоприятными для розжига угольного пласта; в том, что касается тепла, обсадной хвостовик и/или обсадная колонна нагнетательной скважины может влиять на сосредоточение первичного тепла на целевом угольном пласте в процессе розжига, при этом влажный угольный пласт требует еще больше тепла для испарения воды, что делает его розжиг еще более затруднительным. Во избежание конденсации летучих веществ и продуктов пиролиза угля (например, в виде каменноугольной смолы и битума) с образованием перекрытий скважин температуру газоотводящей скважины необходимо поддерживать. Кроме того, имеются трудности и недостатки введения и использования окислителя, а также выбора и конфигурации данного оборудования.

Таким образом, определенно преимущественными являются дальнейшее совершенствование топлива для розжига с целью обеспечения большего количества первичного тепла и дальнейшее совершенствование или оптимизация конфигурации системы скважин с целью более полного использования увеличенного количества первичного тепла.

В документе WO 2014/089603A1 раскрыто оборудование для розжига подземного угольного пласта, приведенное в настоящем документе на фиг. 1, при этом устройство розжига представляет собой смесительную камеру 40 между впускным отверстием 15 и выпускным отверстием 17, при этом смесительная камера содержит топливо для розжига и окислитель, и топливо для розжига может представлять собой газообразный углеводород, такой как метан, пропан, бутан и т.п., а окислителем может являться воздух, воздух, обогащенный кислородом, смесь газов, обогащенная кислородом, или чистый кислород, оборудование для розжига дополнительно содержит сжигаемую форсунку 35 горелки, при этом сжигаемая форсунка горелки сама является сжигаемой и может дополнительно содержать термит, чтобы способствовать розжигу угольного пласта посредством сжигания или выделения теплоты в экзотермической реакции. В данном патенте розжиг реализуется главным образом за счет сжигания углеводородов в кислороде. Несмотря на то, что для содействия сжиганию углеводородов используют термит, проблемы подачи топлива и тепла на этапе розжига процесса подземной газификации угля полностью не решены.

В части, касающейся известного уровня техники, в настоящем изобретении дополнительно усовершенствован розжиг в процессе подземной газификации угля и устройство розжига, и, в частности, совершенствуются топливо для устройства розжига и подача тепла в процессе розжига, за счет чего совершенствуется розжиг подповерхностного угольного пласта.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В части, касающейся известного уровня техники, в настоящем изобретении предусмотрено устройство розжига для процесса подземной газификации угля, а также применения этого устройства розжига на этапе розжига процесса подземной газификации угля.

В настоящем изобретении предусмотрено устройство розжига для процесса подземной газификации угля, при этом данное устройство розжига состоит из последовательно соединенных компонентов, включающих устройство доставки, разъединительное (отсекающее) устройство, воспламенительное (детонаторное) устройство и один или несколько топливных контейнеров, при этом топливные контейнеры соединены друг с другом последовательно, и при этом:

вышеупомянутое устройство доставки представляет собой гибкую трубу, составную (сопряженную) трубу или направляющий канат (интегрированный с сигнальным кабелем);

вышеупомянутое воспламенительное устройство соединено с одним или несколькими топливными контейнерами и используется для воспламенения топливных контейнеров с конца устройства розжига способом замедленного срабатывания;

вышеупомянутое разъединительное устройство используется для отсоединения остальных частей устройства розжига после запуска воспламенительного устройства. Остальные части устройства розжига, в том числе устройство доставки, отводятся на минимально безопасное расстояние.

Вышеупомянутый топливный контейнер содержит алюминотермический агент и используется для розжига подповерхностного угольного пласта. Алюминотермический агент представляет собой гранулированную смесь порошка алюминия и оксида металла, способную претерпевать алюминотермическую реакцию. Оксид металла может быть выбран из оксида железа (III), оксида железа (II, III), оксида меди, диоксида никеля, оксида никеля, пентоксида ванадия, полуторного оксида хрома и диоксида марганца, предпочтительно из оксида железа (III) и оксида железа (II, III), при этом соотношение порошка алюминия и оксида металла в смеси составляет в 0,5—2,0, предпочтительно в 0,7—1,5 и более предпочтительно в 0,8—1,2 раз больше стехиометрического отношения алюминотермической реакции, при этом количество термита является достаточным для обеспечения времени розжига от 20 секунд до 10 минут, предпочтительно от 30 секунд до 7 минут.

В настоящем изобретении также предусмотрен способ подземной газификации угля, в котором в подповерхностном угольном пласте сооружается система заканчивания скважин для подземной газификации угля. Устройство розжига согласно настоящему изобретению используется для розжига угля, и после успешного розжига начинается процесс газификации. Если устройство доставки представляет собой гибкую трубу или составную трубу, внутренний проход гибкой трубы или составной трубы и кольцевой канал между гибкой трубой или составной трубой и обсадным хвостовиком нагнетательной скважины используется на этапе розжига в качестве пути прохождения газодутьевого потока окислителя. Если устройство доставки представляет собой направленный канат, кольцевой канал между топливным контейнером и обсадным хвостовиком нагнетательной скважины герметизируется центрирующим устройством, и обсадной хвостовик нагнетательной скважины используется в качестве пути прохождения потока газа для доставки с целью продвижения топливного контейнера по обсадному хвостовику, и обсадной хвостовик также используется на этапе розжига в качестве пути прохождения газодутьевого потока окислителя.

Согласно настоящему изобретению устройство розжига содержит устройство доставки, разъединительное устройство, воспламенительное устройство и один или несколько топливных контейнеров, при этом устройство доставки выполнено с возможностью точной доставки и позиционирования топливного контейнера, воспламенительное устройство начинает воспламенять один или несколько топливных контейнеров с конца устройства розжига способом замедленного срабатывания (т.е. запуска, начиная с топливного контейнера, расположенного на конце устройства, или от наиболее удаленного топливного контейнера). Разъединительное устройство после приведения в действие воспламенительного устройства отсоединяет устройство розжига от устройства доставки, тем самым отводя компоненты устройства розжига в безопасное положение для дальнейшего использования. Топливный контейнер является специально сконструированным и может обеспечивать достаточное количество первичного тепла для нагрева подповерхностного угольного пласта до температуры его розжига и, таким образом, для розжига подповерхностного угольного пласта.

Согласно настоящему изобретению в способе подземной газификации угля, если на этапе розжига возникает неисправность, такая как перекрытие газоотводящей скважины и/или утечка кислорода без розжига угольного пласта, или когда угольный пласт невозможно непрерывно газифицировать по причине нарушения его сплошности, устройство розжига согласно настоящему изобретению может быть использовано для повторного розжига, в том числе вторичного розжига и многократного розжига, до тех пор, пока не будет осуществлен повторный розжиг угольного пласта, тем самым обеспечивая окончательную реализацию процесса подземной газификации угля.

Таким образом, использование устройства розжига согласно настоящему изобретению может осуществлять безопасный и эффективный розжиг подповерхностного угольного пласта с целью запуска и/или продолжения процесса подземной газификации угля, что совершенствует современную технологию.

Краткое описание графических материалов

Настоящее изобретение будет в дальнейшем описано посредством фигур, на которых:

на фиг. 1 приведено схематическое изображение одного варианта осуществления настоящего изобретения, в котором устройство розжига расположено в обсадном хвостовике нагнетательной скважины, при этом в качестве устройства доставки используется гибкая труба или составная (сопряженная) труба, и внутренний проход гибкой трубы или составной трубы и кольцевой канал между гибкой трубой или составной трубой и обсадным хвостовиком нагнетательной скважины на этапе розжига используется в качестве пути прохождения газодутьевого потока окислителя;

на фиг. 2 приведено схематическое изображение варианта осуществления устройства розжига согласно настоящему изобретению, приведенного на фиг. 1, которое содержит нагнетательную скважину и наземные объекты;

на фиг. 3 приведено схематическое изображение другого варианта осуществления настоящего изобретения для устройства розжига, расположенного в обсадном хвостовике нагнетательной скважины, в котором в качестве устройства доставки используется направляющий канат (интегрированный с сигнальным кабелем), и кольцевой зазор между топливным контейнером и обсадным хвостовиком нагнетательной скважины герметизирован центраторами, где обсадной хвостовик нагнетательной скважины используется в качестве пути прохождения потока газа для доставки топливного контейнера и пути прохождения газодутьевого потока окислителя на этапе розжига, при этом в данном варианте осуществления используется 3 топливных контейнера с центрирующими заглушками, закрепленными с обеих сторон;

на фиг. 4 приведено схематическое изображение варианта осуществления устройства розжига согласно настоящему изобретению, приведенного на фиг. 3, которое содержит нагнетательную скважину и наземные объекты.

На соответствующих фигурах подобные ссылочные позиции относятся к подобным деталям. В частности, конкретнее, ссылочные позиции, приведенные на соответствующих фигурах, имеют следующие значения:

1. Угольный пласт; 2. Муфта обсадной колонны (муфта имеет уменьшенный внутренний диаметр и используется в качестве перегородки для позиционирования розжига); 3. Обсадной хвостовик нагнетательной скважины; 4. Заглушка (передняя заглушка используется для герметизации, задняя заглушка используется для центрирования); 5. Топливные контейнеры (три топливных контейнера, расположенные последовательно); 6. Воспламенитель (детонатор; воспламенитель соединяет три топливных контейнера); 7. Разъединительное (отсекающее) устройство; 8. Распределенные датчики температуры, давления и акустические датчики (закрепленные на наружной стенке обсадного хвостовика нагнетательной скважины, и, при использовании гибкой трубы, также закреплены на наружной стенке гибкой трубы); 9. Обратный клапан (относящийся к типу шарового пружинного клапана); 10. Внешний захватный соединитель; 11. Канал окислителя; 12 Гибкая труба/составная труба; 13. Зона газификации; 14. Обсадная колонна нагнетательной скважины; 15. Отверстие для нагнетания охладителя/воздуха в устье скважины; 16. Запасное отверстие для нагнетания охладителя в устье скважины; 17. Оборудование управления скважинами; 18. Барабан для гибкой трубы (измерительные линии и линии передачи данных присоединены внутри центральной шахты); 19. Шарнирное соединение; 20. Трубопроводы для охладителя на поверхности; 21. Направляющий канат; 22. Канатные соединители; 23. Центратор; 24. Автомобиль для обслуживания проволочного каната.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

В изобретении предусматривается устройство розжига для процесса подземной газификации угля, а также применения этого устройства розжига в фазе розжига процесса подземной газификации угля.

В частности в настоящем изобретении предусматривается устройство розжига для процесса подземной газификации угля, при этом данное устройство розжига состоит из последовательно соединенных друг с другом устройства доставки, разъединительного (отсекающего) устройства, воспламенительного (детонаторного) устройства и одного или нескольких топливных контейнеров, и при этом:

вышеупомянутое устройство доставки представляет собой гибкую трубу, составную (сопряженную) трубу или направляющий канат (интегрированный с сигнальным кабелем);

вышеупомянутое воспламенительное устройство проходит через одно или несколько топливных контейнеров и используется для воспламенения топливных контейнеров, начиная с конца устройства розжига, способом замедленного срабатывания;

вышеупомянутое разъединительное устройство используется для отсоединения остальных частей устройства розжига, в том числе устройства доставки, в минимально безопасное положение после приведения в действие воспламенительного устройства; и

вышеупомянутый топливный контейнер содержит алюминотермический агент и используется для розжига подповерхностного угольного пласта. Алюминотермический агент представляет собой гранулированную смесь порошка алюминия и оксида металла, способную претерпевать алюминотермическую реакцию. Оксид металла может быть выбран из оксида железа (III), оксида железа (II, III), оксида меди, диоксида никеля, оксида никеля, пентоксида ванадия, полуторного оксида хрома и диоксида марганца, предпочтительно из оксида железа (III) и оксида железа (II, III), при этом соотношение порошка алюминия и оксида металла в смеси составляет в 0,5—2,0, предпочтительно в 0,7—1,5 и более предпочтительно в 0,8—1,2 раз больше стехиометрического отношения алюминотермической реакции, при этом количество термита является достаточным для обеспечения времени розжига от 20 секунд до 10 минут, предпочтительно от 30 секунд до 7 минут.

В вышеупомянутом устройстве розжига согласно настоящему изобретению устройство доставки может представлять собой гибкую трубу, составную трубу или направляющий канат, и устройство доставки может точно доставлять и позиционировать топливный контейнер.

В вышеупомянутом устройстве розжига согласно настоящему изобретению, если устройство доставки представляет собой гибкую трубу или составную трубу, как внутренний проход гибкой трубы или составной трубы и кольцевой канал между гибкой трубой или составной трубой и обсадным хвостовиком нагнетательной скважины может использоваться в фазе розжига в качестве пути прохождения газодутьевого потока окислителя.

В вышеупомянутом устройстве розжига согласно настоящему изобретению, поскольку гибкая труба представляет собой компонент с высокой газонепроницаемостью, что позволяет избежать потенциальных проблем с безопасностью при использовании такого высокочистого окислителя, как чистый кислород, если в качестве устройства доставки используется гибкая труба, через эту гибкую трубу в подповерхностный угольный пласт может нагнетаться такой высокочистый окислитель, как чистый кислород.

Как известно в данной области техники, гибкая труба обычно намотана на барабан для гибкой трубы. В ходе эксплуатации барабан для гибкой трубы вращается с целью введения и отведения гибкой трубы. Выбор гибкой трубы и барабана для нее должен обеспечивать достижение гибкой трубой глубины, на которой расположен угольный пласт, и длины ствола скважины внутри угольного пласта.

В вышеупомянутом устройстве розжига согласно настоящему изобретению в качестве устройства доставки также может использоваться составная труба. Использование составной трубы представляет собой чрезвычайно экономичное решение в случаях, когда не используется высокочистый окислитель, таких как случаи использования воздуха. Недостатком является то, что операции введения и отведения составной трубы в подповерхностном угольном пласте занимают много времени и являются трудоемкими.

В вышеупомянутом устройстве розжига согласно настоящему изобретению гибкая труба и составная труба в качестве устройства доставки могут быть соединены с другими компонентами посредством подходящего соединения, например они могут быть эффективно соединены с другими компонентами посредством внешнего захватного соединителя. Внешний захватный соединитель делает возможным несварное соединение с газонепроницаемой герметичностью, за счет чего другие детали устройства розжига можно легко заменять и ремонтировать. В дополнение, составная труба может также быть соединена с другими компонентами посредством резьбового соединения.

В вышеупомянутом устройстве розжига согласно настоящему изобретению, если в качестве устройства доставки используется гибкая труба или составная труба, между гибкой трубой или составной трубой и разъединительным устройством могут быть присоединены один или несколько обратных клапанов, которые используются главным образом для предотвращения попадания обратного потока газа в гибкую трубу или составную трубу, что поддерживает соответствующие детали устройства розжига в чистоте и обеспечивает безопасность при извлечении или отведении через устье скважины. Обратный клапан может представлять собой обратный клапан любого типа, известного специалистам в данной области техники, например, он может представлять собой створчатый пружинный обратный клапан или шаровой пружинный клапан.

В вышеупомянутом устройстве розжига согласно настоящему изобретению, если в качестве устройства доставки используется направляющий канат, обычно требуется герметизация кольцевого зазора между топливным контейнером и обсадным хвостовиком нагнетательной скважины с использованием центрирующего устройства. Таким образом, в качестве пути прохождения потока газа для доставки топливного контейнера и пути прохождения газодутьевого потока окислителя в фазе розжига может использоваться обсадной хвостовик нагнетательной скважины. В то же время, в процессе доставки топливного контейнера натяжение каната можно использовать для определения того, достиг ли топливный контейнер расчетного положения розжига. Во избежание излишнего натяжения каната, когда топливный контейнер прибывает в положение розжига, скорость потока газа для доставки может быть уменьшена, при этом направляющий канат может быть соединен с разъединительным устройством посредством канатного соединителя. Однако длина направляющего каната может стать ограничивающим фактором.

В вышеупомянутом устройстве розжига согласно настоящему изобретению разъединительное устройство представляет собой самосдвигающийся механизм, который может быть приведен в действие по сигналу давления или электрическому сигналу для отсоединения устройства розжига после запуска воспламенительного устройства, за счет чего остальные компоненты устройства розжига, в том числе устройство доставки, могут быть отведены в минимально безопасное положение для последующего применения, за счет чего до некоторой степени уменьшаются потери оборудования в ходе подземной газификации угля.

В вышеупомянутом устройстве розжига согласно настоящему изобретению воспламенительное устройство соединяется через один или несколько топливных контейнеров, т.е. через все используемые топливные контейнеры. Оно может приводиться в действие по сигналу давления или электрическому сигналу. Оно служит для воспламенения одного или нескольких топливных контейнеров, начиная с конца устройства способом замедленного срабатывания, при этом использование способа замедленного срабатывания для воспламенения топливного контейнера обеспечивает возможность отсоединения и отведения компонентов устройства, в том числе устройства доставки, в минимально безопасное положение перед воспламенением топливного контейнера.

В рамках данного документа выражение «начиная с конца устройства» означает запуск с топливного контейнера, ближайшего к концу устройства. Иными словами, воспламенение начинается с топливного контейнера, наиболее удаленного от воспламенительного устройства. В частности, если воспламеняется множество топливных контейнеров, воспламенительное устройство начинает воспламенять топливный контейнер, ближайший к концу устройства (который представляет собой топливный контейнер, наиболее удаленный от воспламенительного устройства), а затем последовательно воспламеняет каждый топливный контейнер.

В вышеупомянутом устройстве розжига согласно настоящему изобретению как воспламенительное устройство, так и разъединительное устройство могут приводиться в действие с использованием сигнала давления или электрического сигнала. Выбор сигнала для приведения в действие обычно определяется на основании выбранного устройства доставки. Принцип выбора заключается в упрощении процессов эксплуатации и управления.

В частности, если в качестве устройства доставки используется гибкая труба или составная труба, воспламенительное устройство и разъединительное устройство обычно приводятся в действие независимо с использованием сигналов давления. При использовании в качестве устройства доставки направляющего каната воспламенительное устройство и разъединительное устройство обычно приводятся в действие независимо с использованием электрических сигналов. При использовании для приведения в действие сигнала давления, давление, необходимое для приведения в действие разъединительного устройства, обычно несколько превышает давление, необходимое для приведения в действие воспламенительного устройства с тем, чтобы обеспечить последовательное приведение в действие этих двух устройств. Например, в процессе газификации с рабочим давлением 45 бар и.д. для приведения в действие воспламенительного устройства может быть выбрано давление 47,5 бар и.д., а для приведения в действие разъединительного устройства может быть выбрано давление, соответственно, 50 бар и.д. При использовании для приведения в действие электрического сигнала воспламенительное устройство и разъединительное устройство, соответственно, приводятся в действие двумя независимыми электрическими сигналами.

В вышеупомянутом устройстве розжига согласно настоящему изобретению для розжига подповерхностного угольного пласта используется топливный контейнер специальной конструкции, при этом и сам топливный контейнер, и содержащееся в нем топливо выполнены специальным образом.

В вышеупомянутом устройстве розжига согласно настоящему изобретению топливный контейнер может представлять собой один топливный контейнер или множество топливных контейнеров, последовательно соединенных друг с другом. Топливный контейнер содержит алюминотермический агент для розжига подповерхностного угольного пласта после запуска розжига. Обычно необходимо, чтобы форма топливного контейнера соответствовала форме обсадного хвостовика нагнетательной скважины. Например, форма топливного контейнера может являться цилиндрической, и его наружные диаметры соответствуют внутреннему диаметру обсадного хвостовика нагнетательной скважины для обеспечения доставки топливного контейнера в предварительно определенное положение розжига и его свободного перемещения в обсадном хвостовике нагнетательной скважины.

В вышеупомянутом устройстве розжига согласно настоящему изобретению топливный контейнер обычно требует стойкого к высокому давлению и непроницаемого для воды корпуса, предпочтительно из металла с определенной прочностью, способного плавиться под действием алюминотермической реакции, более предпочтительно алюминиевого корпуса (температура плавления алюминия составляет приблизительно 680 °C) для обеспечения конструктивной целостности узла топливного контейнера в ходе доставки в обсадной хвостовик нагнетательной скважины и может полностью сгорать после воспламенения топливных контейнеров. В дополнение, на корпусе топливного контейнера имеются распределенные случайным образом слабые места, такие как небольшие отверстия, не полностью просверленные насквозь, через которые преимущественно выделяются газы, потенциально образующиеся в алюминотермической реакции. Кроме того, после позиционирования топливного контейнера в положении розжига сам топливный контейнер также может служить для блокировки пути прохождения газодутьевого потока, чтобы заставлять нагнетаемый окислитель попадать на угольный пласт для розжига.

В вышеупомянутом устройстве розжига согласно настоящему изобретению, начиная с конца устройства, один или несколько топливных контейнеров необязательно оснащены заглушкой, блокирующей путь прохождения газодутьевого потока на переднем конце. Задняя заглушка установлена на заднем конце одного или нескольких топливных контейнеров для центрирования устройства розжига. Материалом заглушки обычно является углеродистая сталь или металл с температурой плавления выше, чем у алюминия.

В частности в устройстве розжига согласно настоящему изобретению, начиная с конца устройства, один или несколько топливных контейнеров необязательно оснащены на переднем конце (т.е. на конце топливного контейнера, расположенном в точке, наиболее удаленной от воспламенительного устройства) заглушкой для блокировки пути прохождения газодутьевого потока. Материалом заглушки обычно является углеродистая сталь или металл с температурой плавления выше, чем у алюминия. Таким образом, заглушка может блокировать путь прохождения газодутьевого потока при более длительном сроке службы, чем у самого топливного контейнера, чтобы заставлять большее количество нагнетаемого окислителя втекать в угольный пласт для розжига. При использовании нескольких топливных контейнеров такую же заглушку устанавливают на заднем конце (т.е. конце топливного контейнера, расположенном в точке, ближайшей к воспламенительному устройству) одного или нескольких топливных контейнеров с целью центрирования устройства розжига, тем самым позволяя множеству топливных контейнеров оставаться в хорошо центрированном положении во время процесса доставки.

В дополнение, как уже упоминалось, если в качестве устройства доставки используется направляющий канат, кольцевой зазор между топливным контейнером и обсадным хвостовиком нагнетательной скважины должен быть герметизирован при помощи центратора. Центратором может быть оснащен корпус одного или нескольких топливных контейнеров, и/или им могут быть оснащены вышеупомянутые заглушки, которые используются для закупоривания и центрирования с целью герметизации кольцевого зазора между топливным контейнером и обсадным хвостовиком нагнетательной скважины. Таким образом, обсадной хвостовик нагнетательной скважины может быть использован в качестве пути прохождения потока газа-вытеснителя для доставки топливного контейнера и пути прохождения газодутьевого потока окислителя на этапе розжига, при этом центратор обычно имеет низкий коэффициент трения, и его материал может представлять собой каучук, предпочтительно полиэтилен высокой плотности.

Как известно из уровня техники, термит представляет собой смесь алюминиевого порошка и некоторых оксидов металлов, и при их воспламенении происходит алюминотермическая экзотермическая реакция для восстановления оксида металла до соответствующего металла. Реакция протекает энергично с выделением большого количества тепла, и температура может достигать 2000—3000 °C. Например, теплота реакции алюминия с оксидом железа составляет 945,4 кал/г, а температура может достигать приблизительно 2500 °C. Сама термитная смесь является чрезвычайно устойчивой, ее можно безопасно использовать и обращаться с ней.

Таким образом, алюминотермическая реакция термита представляет собой безопасный и эффективный способ выработки достаточного количества тепла в ограниченном объеме, тем самым обеспечивая возможность протекания реакций, требующих высокой температуры и высокой тепловой энергии. Топливный контейнер согласно настоящему изобретению, таким образом, конструируют на основании характеристик термита.

В частности в устройстве розжига согласно настоящему изобретению топливный контейнер содержит алюминотермический агент, используемый для розжига подповерхностного угольного пласта после его приведения в действие. Термит представляет собой смесь порошка алюминия и оксида металла, способную претерпевать алюминотермическую реакцию. Оксид металла может быть выбран из группы, состоящей из таких оксидов железа, как оксид железа (III), оксид железа (II, III), таких оксидов никеля, как диоксид никеля и оксид никеля, оксида меди, пентоксида ванадия, полуторного оксида хрома, диоксида марганца и т.п., предпочтительно из оксида железа (III) и оксида железа (II, III), при этом соотношение алюминиевого порошка и оксида металла в смеси определяется в соответствии со стехиометрическим отношением алюминотермической реакции, при этом может использоваться в 0,5—2,0 стехиометрического отношения, предпочтительно 0,7—1,5 и более предпочтительно 0,8—1,2. Количество термитного агента может быть выбрано соответствующим образом на основании требуемого времени розжига в диапазоне от 20 секунд до 10 минут, предпочтительно от 30 секунд до 7 минут.

В устройстве розжига согласно настоящему изобретению топливный контейнер также может содержать разбавитель для снижения скорости его горения и увеличения соответствующего времени сжигания. Разбавитель обычно может содержать измельченное твердое топливо, предпочтительно выбранное из твердых углеводородов или угольных порошков. Количество разбавителя также может быть выбрано соответствующим образом, и обычно оно не может превышать 40 вес. % в расчете на полный вес смеси, предпочтительно не более 30 вес. %, более предпочтительно не более 25 вес. %.

В устройстве розжига согласно настоящему изобретению как термит, так и необязательный разбавитель в топливном контейнере представляют собой гранулированные материалы. Размер частиц может быть выбран соответствующим образом на основе эффективности розжига, однако обычно предпочтительным для повышения эффективности сжигания в топливном контейнере является использование частиц малого размера. Например, размер частиц термита и разбавителя может в каждом случае составлять от 200 нм до 5,0 мм, предпочтительно от 300 нм до 4,0 мм, более предпочтительно от 500 нм до 2,5 мм.

В устройстве розжига согласно настоящему изобретению, когда топливный контейнер воспламеняется, термит в нем запускает алюминотермическую реакцию, и необязательный разбавитель начинает сгорать. Тепла, образующегося в этих реакциях, достаточно для прожигания насквозь корпуса топливного контейнера и обсадного хвостовика нагнетательной скважины в положении розжига, испарения свободной воды в угольном пласте в положении розжига и повышения температуры угольного пласта до температуры воспламенения и в конечном итоге розжига угольного пласта.

Таким образом, в устройстве розжига согласно настоящему изобретению конструкция топливного контейнера может быть выполнена путем регулировки соотношения компонентов в смеси порошка алюминия и оксида металла, изменения выбора и количества разбавителя и изменения размера частиц термита и/или разбавителя, за счет чего изменяется количество выделяемого тепла и время воспламенения топливного контейнера, тем самым оптимизируя процесс розжига подземной газификации угля.

Например, термит может состоять из порошка алюминия и оксида железа (III) в стехиометрическом отношении (т.е. в молярном отношении 2:1), а затем его смешивают с угольным порошком (количество угольного порошка составляет приблизительно 15 вес. % в расчете на всю смесь), а размер частиц готовой смеси поддерживается приблизительно 1 мм. Эту смесь затем используют в топливном контейнере согласно настоящему изобретению.

Согласно экспериментальным данным время сжигания данной смеси (6,35 фунтов) составляет приблизительно 30 секунд после воспламенения, и она выделяет общую тепловую энергию приблизительно 11,4 МДж, чего достаточно для достижения следующих результатов: расплавление алюминиевого корпуса топливного контейнера; нагрев и испарение 2 футов свободной воды по длине кольцевого зазора между топливным контейнером и обсадным хвостовиком нагнетательной скважины; расплавление 3 футов длины алюминиевого хвостовика; нагрев 237 Нм³/ч азота до 650 °C; и нагрев угольного пласта до достижения им температуры воспламенения 650 °C.

В данном случае после комбинирования 10 топливных контейнеров данного размера и последовательного воспламенения один за другим можно обеспечить время сжигания 5 минут и тепловую энергию приблизительно 114 МДж, что является достаточным для розжига подповерхностного угольного пласта. Это указывает на то, что топливный контейнер согласно настоящему изобретению может быть соответствующим образом использован для розжига угольных пластов в процессе подземной газификации угля.

Настоящее изобретение также предусматривает способ подземной газификации угля, в котором в подповерхностном угольном пласте сооружают систему заканчивания скважин для подземной газификации угля, при этом для розжига используется устройство розжига согласно настоящему изобретению, и после успешного розжига запускается процесс газификации, в котором, если устройство доставки представляет собой гибкую трубу или составную трубу, внутренний проход гибкой трубы или составной трубы и кольцевой зазор между гибкой трубой или составной трубой и обсадным хвостовиком нагнетательной скважины используется в фазе розжига в качестве пути прохождения газодутьевого потока окислителя. Если устройство доставки представляет собой направляющий канат, обсадной хвостовик нагнетательной скважины используется в качестве пути прохождения потока газа-вытеснителя для доставки топливного контейнера и пути прохождения газодутьевого потока окислителя в фазе розжига после того, как кольцевой зазор между топливным контейнером и обсадным хвостовиком нагнетательной скважины герметизируется центраторами.

В вышеупомянутом способе подземной газификации угля согласно настоящему изобретению на наружной обсадной колонне вертикальной секции нагнетательной скважины, наружной стенке обсадного хвостовика нагнетательной скважины, в устье газоотводящей скважины, на наружной стенке обсадного хвостовика газоотводящей скважины и наружной стенке гибкой трубы, соответственно, закреплены датчики температуры, давления и акустические датчики для измерения подповерхностных сигналов температуры, давления и акустических сигналов и осуществления обратной связи с системой управления возле устья скважины.

Вышеупомянутые датчики давления, температуры и акустические датчики согласно настоящему изобретению могут представлять собой оптическое волокно распределенных датчиков на основе оптической временной рефлектометрии (OTDR). Это оптическое волокно может проходить от устья скважины или центральной шахты барабана для гибкой трубы к целевому замерному пункту с целью получения соответствующего профиля температуры, профиля давления и акустического профиля. Все данные измерений используются для мониторинга положения розжига, зоны сжигания, расходования угольного пласта, температуры и давления в нагнетательной скважине, газоотводящей скважине, зоне газификации, целостности системы скважин и т.д., при помощи которого осуществляется управление процессом подземной газификации угля. Альтернативно или в дополнение, в качестве датчиков температуры могут быть использованы двойные, биметаллические термопары типа К с металлической оболочкой.

В частности, согласно настоящему изобретению функции различных датчиков температуры, давления и акустических волн описываются следующим образом.

Датчики температуры, давления и акустические датчики, закрепленные на наружной обсадной колонне вертикальной секции нагнетательной скважины, снаружи устья газоотводящей скважины, на наружной стенке обсадного хвостовика газоотводящей скважины, служат в качестве источников данных для системы безопасности. Если чрезмерно высокой является температура и чрезмерно высоким является давление (т.е. если температура и/или давление в некотором положении достигает критического значения или превышает расчетное безопасное значение), эксплуатация системы может быть автоматически прекращена, и система управления может отвечать на соответствующие проблемы на основании акустического сигнала от указанных датчиков с целью обеспечения целостности системы скважин.

Датчики температуры, давления и акустические датчики, закрепленные на наружной стенке обсадного хвостовика нагнетательной скважины, обычно проходят в зону газификации через инструментальное отверстие в устье скважины, все результаты измерений передаются обратно в систему управления и сохраняются в базе данных, при этом датчики температуры и давления используются главным образом для мониторинга температуры и давления в подповерхностном угольном пласте, температуры в положении розжига и давления в зоне газификации, в то время как датчик акустических волн используется главным образом для подтверждения положения розжига. Обычно, если температура зоны газификации составляет >600 ^oC (например, 600—1200 ^oC), можно считать, что происходит газификация угольного пласта вдоль обсадного хвостовика нагнетательной скважины. Если температура превышает 1200 ^oC, основной реакцией является сжигание угля. В дополнение, если весь подповерхностный угольный пласт вдоль обсадного хвостовика нагнетательной скважины был израсходован, эксплуатация системы может быть автоматически прекращена.

При использовании гибкой трубы в качестве устройства доставки, датчики температуры, давления и акустически датчики, закрепленные на наружной стенке гибкой трубы, могут проходить от центральной шахты барабана для гибкой трубы на всем пути вниз к форсунке окислителя, которая может быть использована. Эти датчики соединены с беспроводными передающими устройствами и будут передавать результаты измерений обратно в систему управления для их сохранения в базе данных.

Согласно настоящему изобретению на основе систем сбора сигналов температуры, давления и акустических сигналов, сконструированных так, как описано выше, можно добиться надлежащего управления всем процессом подземной газификации угля, в том числе фазой розжига.

Согласно настоящему изобретению для системы заканчивания скважин, выполненной в подповерхностном угольном пласте, обсадные хвостовики системы скважин (в том числе нагнетательной скважины и газоотводящей скважины) могут быть соединены любым подходящим способом соединения, обычно используемым в данной области техники. Например, сварка, резьбовые соединения, пазы зажимов, фланцы, направляющие кольца или защелкивающиеся соединения могут быть применены, если они основаны на принципе обеспечения наилучших эксплуатационных характеристик готовой системы заканчивания скважин.

Для вышеупомянутой системы заканчивания скважин согласно настоящему изобретению обсадной хвостовик нагнетательной скважины является важным компонентом, и его функциональная целостность является важной гарантией бесперебойного действия процесса подземной газификации угля.

В частности, функция обсадного хвостовика нагнетательной скважины воплощена главным образом в следующих аспектах: во-первых, обсадной хвостовик нагнетательной скважины является важным каналом для потока текучих веществ и доставки оборудования в процессе подземной газификации угля; во-вторых, кольцевой зазор между обсадным хвостовиком нагнетательной скважины и открытой буровой скважиной в угольном пласте также можно использовать в качестве пути прохождения газодутьевого потока после продувания инертным газом. Например, после успешного розжига, если угольный пласт является очень сухим и/или процесс газификации требует большего количества газификационного агента, дополнительный газификационный агент можно нагнетать через кольцевой зазор; более того, для мониторинга положения расходования подповерхностного угольного пласта и соответствующих параметров процесса на наружной стенке обсадного хвостовика нагнетательной скважины могут быть закреплены распределенные датчики температуры, давления и акустических волн с целью обеспечения соответствующих профилей температуры, давления и акустических профилей.

Согласно настоящему изобретению материал обсадного хвостовика нагнетательной скважины обычно может быть выбран в соответствии с литостатическим давлением и гидростатическим давлением подповерхностной формации; обычно требуется, чтобы внутренний диаметр обсадного хвостовика нагнетательной скважины соответствовал наружному диаметру топливного контейнера; кольцевой зазор между внутренней стенкой обсадного хвостовика нагнетательной скважины и гибкой трубой или составной трубой может быть использован в качестве пути прохождения газодутьевого потока, например пути прохождения газодутьевого потока окислителя. Обсадной хвостовик нагнетательной скважины обычно проходит возле подошвы подповерхностного угольного пласта и над разрывами, которые могут присутствовать. В целом, от обсадного хвостовика нагнетательной скважины требуется нахождение как можно ближе к подошве подповерхностного угольного пласта, но он не должен выходить из угольного пласта в нижележащий скальный грунт. При наличии разрывов он должен быть расположен над разрывами, и между хвостовиком и разрывом предпочтительно должен находиться сплошной угольный пласт толщиной приблизительно 1 метр, предпочтительно менее 15 см толщины для неугольного слоя и более предпочтительно менее 10 см толщины.

Согласно настоящему изобретению обсадной хвостовик нагнетательной скважины и обсадной хвостовик газоотводящей скважины обычно пересекаются друг с другом на концах, и как обсадной хвостовик нагнетательной скважины, так и обсадной хвостовик газоотводящей скважины должны являться перфорированными на пересечении, для того чтобы обеспечить возможность попадания генераторного газа в обсадной хвостовик газоотводящей скважины из обсадного хвостовика нагнетательной скважины и в конечном итоге возможности извлечения в газоотводящей скважине.

В этом случае для обсадного хвостовика нагнетательной скважины и обсадного хвостовика газоотводящей скважины длины перфорированных секций могут составлять по 1—3, предпочтительно по 2 полные длины трубы, и диаметр перфорированных отверстий обычно составляет 5—35 мм, предпочтительно 10—25 мм. Перфорации обычно упорядочены со ступенчатыми интервалами, и общая площадь перфораций может составлять 5—35 %, предпочтительно 10—30 %, общей площади стенки на перфорированных секциях; в дополнение, перфорации обычно начинаются на расстоянии по меньшей мере 0,5 метров в сторону от муфты для сохранения прочности всей трубной секции.

Согласно настоящему изобретению, если в качестве положения розжига в перфорированной секции обсадного хвостовика нагнетательной скважины предусмотрена перегородка, и при условии обеспечения наличия перфорированных обсадных хвостовиков с обеих сторон перегородки, перегородку предпочтительно устанавливают на расстоянии 1—2 полных трубных секций от конца обсадного хвостовика нагнетательной скважины для содействия конечному расположению топливного контейнера, при этом перегородка может представлять собой приваренную перегородку или муфту с уменьшенным внутренним диаметром для предварительного задания положения розжига и содействия конечному расположению топливного контейнера в ходе эксплуатации. После позиционирования топливного контейнера он герметизирует перегородку, что приводит к блокировке пути прохождения газодутьевого потока перед перегородкой и вынуждает нагнетаемый окислитель вытекать через перфорационные отверстия на обсадном хвостовике нагнетательной скважины в угольный пласт с целью розжига.

В дополнение, как было упомянуто выше, устройство розжига согласно настоящему изобретению снабжено заглушкой для блокировки пути прохождения газодутьевого потока необязательно на переднем конце одного или нескольких топливных контейнеров, расположенных на конце устройства. При использовании перегородки заглушка будет блокировать путь прохождения газодутьевого потока перед перегородкой и вынуждать нагнетаемый окислитель вытекать через перфорационные отверстия на обсадном хвостовике нагнетательной скважины на угольный пласт с целью розжига.

В дополнение, аналогично известному уровню техники для процесса подземной газификации угля система заканчивания скважин обычно включает промывку, дренаж и воздушную сушку скважин, при этом промывка скважин и дренаж включают удаление бурового шлама и бурового раствора, а также выкачивание свободной воды из скважины. Воздушная сушка включает нагнетание воздуха из нагнетательной скважины и вентиляцию или выдувание остаточной воды из газоотводящей скважины, и постепенное нагнетание давления в ней до целевого рабочего давления и нагнетание воздуха до розжига с целью поддержания циркуляции и сушки системы скважин.

В способе подземной газификации угля согласно настоящему изобретению розжиг и газификация могут в дальнейшем выполняться следующим образом.

В условиях поддержания нагнетания воздуха, поддерживающего систему скважин в циркуляции и сухом состоянии, устройство доставки начинает доставлять один или несколько топливных контейнеров к перегородке для позиционирования розжига. Если устройством доставки является направляющий канат, в качестве газа-вытеснителя для доставки топливного контейнера используется воздух.

При нагнетании воздуха с низким расходом (например, ≤300 Нм³/ч воздуха) через путь прохождения газодутьевого потока окислителя воспламенительное устройство приводится в действие для запуска воспламенения одного или нескольких топливных контейнеров с конца устройства способом замедленного срабатывания. Затем с целью отведения остальных компонентов устройства розжига, в том числе устройства доставки, в минимально безопасное положение, находящееся на расстоянии по меньшей мере 10 метров от положения розжига, предпочтительно по меньшей мере 20 метров, приводится в действие разъединительное устройство;

измеряются температуры положения розжига и устья газоотводящей скважины. После начала плавления обсадного хвостовика нагнетательной скважины расход воздушного дутья постепенно увеличивают (например, постепенно увеличивают до ≤1000 Нм³/ч) до достижения устойчивого состава генераторного газа. Расход воздушного дутья снова постепенно увеличивают до тех пор, пока температура в устье газоотводящей скважины не будет соответствовать требованиям (например, не достигнет предварительно определенного значения 120—150 ^oC). При условии отсутствия перекрытий и/или обводного потока кислорода в газоотводящей скважине, с целью газификации начинают нагнетать окислитель и газификационный агент, при этом, если оптоволоконный сигнал указывает, что температура в положении розжига превышает измеримый диапазон и длина оптического волокна становится меньше, это может подтверждать, что обсадной хвостовик нагнетательной скважины начинает плавиться.

В вышеупомянутом способе согласно настоящему изобретению, что касается температуры в устье газоотводящей скважины, скоростью разогрева газоотводящей скважины обычно управляют посредством расхода окислителя или воздуха, составляющей не более 20 °C/ч, предпочтительно не более 15 °C/ч, и в конечном итоге температура устья газоотводящей скважины стабилизируется при 120—150 °C. Причинами, по которым температурой в устье газоотводящей скважины управляют подобным образом, является обеспечение возможности увлечения летучих веществ и продуктов пиролиза угля к поверхности потоком генераторного газа без перекрытия газоотводящей скважины после конденсации и в отсутствие нарушения целостности системы скважин. Если в газоотводящей скважине возникает перекрытие, процесс розжига следует остановить. Мониторинг обводного потока кислорода можно осуществлять, исходя из содержания кислорода в генераторном газе. Если содержание кислорода в генераторном газе находится в пределах взрывоопасности, что указывает на возникновение обводного потока кислорода, розжиг должен быть тут же прекращен.

В вышеупомянутом способе подземной газификации угля согласно настоящему изобретению при использовании высокочистого окислителя с концентрацией кислорода более 35 об. % в ходе газификации требуется одновременное нагнетание охладителя. Кольцевой зазор между обсадным хвостовиком нагнетательной скважины и открытой буровой скважиной в угольном пласте может быть использован для нагнетания газификационного агента, при этом кольцевой зазор обычно требует продувки инертным газом перед процессом розжига.

В вышеупомянутом способе подземной газификации угля согласно настоящему изобретению в случае, если угольный пласт не разжигается в фазе розжига или имеются нарушения сплошности угольного пласта в процессе газификации, обычно требуется повторный розжиг (включая вторичный розжиг и многократные розжиги). Гибкая труба обычно используется в качестве устройства доставки для перезагрузки и транспортировки на место топливных контейнеров, а также используется в качестве канала для окислителя с целью нагнетания окислителей с концентрацией кислорода 35—50 об. % для повторного розжига угольного пласта. Гибкая труба используется в данном случае по причине ее функциональной гибкости и, что более важно, по причине высокой газонепроницаемости, гарантирующей отсутствие утечки кислорода.

В вышеупомянутом способе подземной газификации угля согласно настоящему изобретению при возникновении перекрытия и/или обводного потока кислорода в газоотводящей скважине в процессе розжига процесс розжига прекращают. Обычно требуется определить, является ли пласт разожженным, и если он не разожжен, требуется повторный розжиг. В частности, если возникает обводной поток кислорода, угольный пласт обычно разжигается не полностью и обычно нуждается в повторном розжиге; если возникает перекрытие газоотводящей скважины, например, если она блокируется сконденсировавшейся каменноугольной смолой, перекрытие должно быть расчищено в первую очередь. Затем требуется определить, разожжен ли угольный пласт. Если он разожжен, то для продолжения розжига требуется лишь увеличение скорости потока кислорода. Если он не разожжен, требуется повторный розжиг. Для повторного розжига в процессе розжига использование окислителя с концентрацией кислорода 35—50 об. % предназначено главным образом для обеспечения быстрого сгорания остающегося обсадного хвостовика нагнетательной скважины для розжига новой секции угольного пласта.

В вышеупомянутом способе подземной газификации угля согласно настоящему изобретению, если угольный пласт в процессе газификации содержит нарушения сплошности, например, когда газификация достигает плотной неугольной формации, такой как разрывы, сбросы, складки и т.д., процесс газификации не протекает. Обычно требуется идентифицировать положение угольного пласта для повторного розжига, при этом для обеспечения возможности быстрого розжига новой секции угольного пласта обычно используется окислитель с концентрацией кислорода 35—50 об. %.

Варианты осуществления настоящего изобретения будут дополнительно описаны ниже со ссылкой на сопроводительные фигуры.

На фиг. 1—2 приведен один вариант осуществления устройства розжига согласно настоящему изобретению, в котором в качестве устройства доставки используется гибкая труба или составная труба. Как показано на фиг. 1—2, гибкая труба или составная труба 12 соединена с обратным клапаном 9 посредством внешнего захватного соединителя 10, а также соединена с воспламенительным устройством 6 и топливным контейнером 5 посредством разъединительного устройства 7. Распределенные датчики температуры, давления и акустические датчики 8 закреплены, соответственно, на наружной части обсадного хвостовика нагнетательной скважины и на наружной стенке гибкой трубы. Топливный контейнер 5 содержит термит и разбавитель. Воспламенительное устройство 6 проникает сквозь топливный контейнер (на фиг. 1 приведены 3 топливных контейнера) и в первую очередь способом замедленного срабатывания воспламеняет наиболее удаленный топливный контейнер, а затем последовательно воспламеняет топливные контейнеры за ним. После воспламенения топливного контейнера выделяется тепло, и через путь 11 прохождения газодутьевого потока окислителя (в данном случае он представляет собой кольцевой канал между обсадным хвостовиком нагнетательной скважины и гибкой трубой или составной трубой 10) с низким расходом нагнетается воздух. Воздух с низким расходом увлекает тепло для попадания в угольный пласт 1 в окружающей области через перфорационные отверстия на обсадном хвостовике 3 нагнетательной скважины и переносит тепло в угольный пласт 1. На переднем конце топливного контейнера установлена заглушка 4 для блокировки муфты 2 обсадной колонны в обсадном хвостовике 3 нагнетательной скважины после позиционирования топливного контейнера (муфта уменьшенного диаметра также служит в качестве перегородки) с целью вынуждения протекания нагнетаемого воздуха с низким расходом через перфорационные отверстия на обсадном хвостовике нагнетательной скважины в угольный пласт с целью его розжига.

На фиг. 3—4 приведен другой вариант осуществления устройства розжига согласно настоящему изобретению, в котором в качестве устройства доставки используется направляющий канат. Как показано на фиг. 3—4, направляющий канат 21 соединен с разъединительным устройством 7 и воспламенительным устройством 6 посредством канатного соединителя 22 на конце, при этом как разъединительное устройство 7, так и воспламенительное устройство 6 приводятся в действие электрическими сигналами. Установка и функция топливного контейнера 5, приведенного на фиг. 3, аналогична фиг. 1 с тем исключением, что электрический сигнал для управления разъединительным устройством 7 и воспламенительным устройством 6 и для их запуска передается по направляющему канату 21. В дополнение, топливный контейнер 5 должен быть введен в предварительно определенное положение розжига при помощи направляющего каната 21 и потока воздуха-вытеснителя для доставки через путь 11 прохождения газодутьевого потока окислителя. Заглушка 4 для блокировки потока окислителя установлена на переднем конце топливного контейнера, а на заднем конце топливного контейнера установлена заглушка 4 для центрирования. Центратор 23 также закреплен муфтами на обеих заглушках для достижения газонепроницаемой герметизации за счет поддержания тесного контакта с внутренней стенкой обсадного хвостовика нагнетательной скважины так, что доводится до максимума усилие продвижения топливного контейнера потоком воздуха для доставки.

Настоящее изобретение не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления. Для специалистов в данной области техники изобретение также может иметь различные изменения и модификации без выхода за пределы сущности и принципов настоящего изобретения. Такие изменения и модификации должны находиться в пределах объема настоящего изобретения.

Группа изобретений относится к устройству розжига и способу для процесса подземной газификации угля. Устройство розжига содержит соединенные последовательно устройство доставки, разделительное устройство, воспламенительное устройство и один или несколько топливных контейнеров. Топливные контейнеры последовательно соединены друг с другом. Устройство доставки представляет собой гибкую трубу/сопряженную трубу или направляющий канат. Воспламенительное устройство проходит через один или несколько топливных контейнеров и замедленным способом воспламеняет их, начиная с конца устройства. Разъединительное устройство отрывается после запуска воспламенительного устройства, и таким образом компоненты устройства розжига, в том числе устройство доставки, отводятся в безопасное положение. Каждый топливный контейнер содержит алюминотермический агент и используется для розжига подземного угольного пласта после воспламенения топливного контейнера. Также раскрыт способ для осуществления предложенного устройства. Техническим результатом является повышение эффективности розжига угля. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство розжига для процесса подземной газификации угля, при этом устройство розжига состоит из последовательно соединенных друг с другом устройства доставки, разделительного (отсекающего) устройства, воспламенительного (детонаторного) устройства и одного или нескольких топливных контейнеров, при этом топливные контейнеры соединены друг с другом последовательно, и при этом:

вышеупомянутое устройство доставки представляет собой гибкую трубу, составную (сопряженную) трубу или направляющий канат (интегрированный с сигнальным кабелем);

вышеупомянутое воспламенительное устройство проходит через один или несколько топливных контейнеров и используется для воспламенения топливных контейнеров, начиная c конца устройства розжига, способом замедленного срабатывания;

вышеупомянутое разъединительное устройство используется для отсоединения остальных частей устройства розжига после приведения в действие воспламенительного устройства, тем самым осуществляя отведение компонентов устройства розжига, в том числе устройства доставки, таким образом, в минимально безопасное положение; и

вышеупомянутый топливный контейнер содержит алюминотермический агент и после приведения в действие используется для розжига подповерхностного угольного пласта; алюминотермический агент представляет собой гранулированную смесь порошка алюминия и оксида металла, способную претерпевать алюминотермическую реакцию; оксид металла может быть выбран из группы, состоящей из оксида железа (III), оксида железа (II, III), оксида меди, диоксида никеля, оксида никеля, пентоксида ванадия, полуторного оксида хрома и диоксида марганца, предпочтительно из оксида железа (III) и оксида железа (II, III), при этом соотношение порошка алюминия и оксида металла в смеси составляет в 0,5-2,0, предпочтительно в 0,7-1,5 и более предпочтительно в 0,8-1,2 раз больше стехиометрического отношения алюминотермической реакции; количество термита является достаточным для обеспечения времени сжигания от 20 секунд до 10 минут, предпочтительно от 30 секунд до 7 минут.

2. Устройство розжига по п. 1, отличающееся тем, что, начиная с конца устройства, один или несколько топливных контейнеров необязательно оснащены заглушкой, блокирующей путь прохождения газодутьевого потока на переднем конце; задняя заглушка установлена на заднем конце одного или нескольких топливных контейнеров для центрирования устройства розжига; материалом заглушки обычно является углеродистая сталь или другие металлы, температура плавления которых выше, чем у алюминия.

3. Устройство розжига по любому из пп. 1 или 2, отличающееся тем, что корпус топливного контейнера обычно представляет собой металл с подходящей прочностью, более предпочтительно алюминиевый корпус, и он может быть расплавлен в алюминотермической реакции; при необходимости, предусмотрены неупорядоченные небольшие отверстия, не полностью просверленные сквозь корпус топливного контейнера, которые являются преимущественными для выделения газов, потенциально образующихся в алюминотермической реакции.

4. Устройство розжига по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что вышеупомянутый топливный контейнер дополнительно содержит разбавитель в форме частиц, выбранный из группы твердых топлив, предпочтительно выбранных из твердых углеводородов и угольного порошка; количество используемого разбавителя не может превышать 40 вес. %, предпочтительно не более 30 вес. %, более предпочтительно не более 25 вес. % общего веса смеси разбавителя и термита, при этом размер частиц термита и разбавителя в каждом случае может составлять от 200 нм до 5,0 мм, предпочтительно от 300 нм до 4,0 мм, более предпочтительно от 500 нм до 2,5 мм.

5. Устройство розжига по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что вышеупомянутое устройство доставки представляет собой гибкую трубу или составную трубу, при этом гибкая труба и составная труба могут быть соединены с другими компонентами посредством внешнего захватного соединителя, который выполнен с возможностью реализации несварного соединения и газонепроницаемой герметизации.

6. Устройство розжига по п. 5, отличающееся тем, что вышеупомянутое воспламенительное устройство и разъединительное устройство могут по отдельности приводиться в действие сигналом давления; между гибкой трубой или составной трубой и разъединительным устройством могут быть также присоединены один или несколько обратных клапанов, главным образом, для предотвращения обратного втекания газа в гибкую трубу или составную трубу.

7. Устройство розжига по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что вышеупомянутое устройство доставки представляет собой направляющий канат, при этом направляющий канат соединен с разъединительным устройством посредством канатного соединителя; центраторы установлены на корпусе одного или нескольких топливных контейнеров и/или вышеупомянутых заглушек, когда они установлены, для блокировки и центрирования.

8. Устройство розжига по п. 7, отличающееся тем, что вышеупомянутые воспламенительное устройство и разъединительное устройство по отдельности приводятся в действие электрическим сигналом, при этом материал указанного центратора представляет собой каучук, предпочтительно полиэтилен высокой плотности.

9. Способ для процесса подземной газификации угля, где в подповерхностном угольном пласте предусмотрена система заканчивания скважин для подземной газификации угля, при этом розжиг реализуют с использованием устройства по любому из пп. 1-8, и после успешного розжига начинается процесс газификации; если устройство доставки представляет собой гибкую трубу или составную трубу, внутренняя часть гибкой трубы или составной трубы и кольцевой канал между гибкой трубой или составной трубой и обсадным хвостовиком нагнетательной скважины действуют в фазе розжига в качестве пути прохождения газодутьевого потока окислителя; если устройство доставки представляет собой направляющий канат, кольцевой канал между топливным контейнером и обсадным хвостовиком нагнетательной скважины герметизируют центратором, и, таким образом, обсадной хвостовик нагнетательной скважины используют в качестве пути прохождения потока газа-вытеснителя для доставки топливного контейнера и пути прохождения газодутьевого потока окислителя в фазе розжига.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что датчики температуры, давления и акустических волн закреплены, соответственно, на наружной обсадной колонне вертикальной секции нагнетательной скважины, наружной стенке обсадного хвостовика нагнетательной скважины, в устье газоотводящей скважины, наружной стенке обсадного хвостовика газоотводящей скважины и наружной стенке гибкой трубы; датчики используются для измерения сигналов температуры, давления и акустических сигналов из подповерхностного угольного пласта и передачи данных в систему управления возле устья скважины.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что вышеупомянутые датчики температуры, давления и акустических волн представляют собой оптическое волокно распределенных датчиков на основе принципов оптической временной рефлектометрии (OTDR); это оптическое волокно установлено от устья скважины или центральной шахты барабана для гибкой трубы на всем пути к целевым замерным пунктам; альтернативно или в дополнение, в качестве датчиков температуры могут быть использованы двойные термопары типа К с металлической оболочкой.

12. Способ по любому из пп. 9-11, отличающийся тем, что обсадной хвостовик нагнетательной скважины обычно проходит к подошве подповерхностного угольного пласта и над потенциально существующими разрывами; обсадной хвостовик нагнетательной скважины и обсадной хвостовик газоотводящей скважины обычно пересекают друг друга на своих концах, и как обсадной хвостовик нагнетательной скважины, так и обсадной хвостовик газоотводящей скважины являются перфорированными на пересечении.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что для обсадного хвостовика нагнетательной скважины и обсадного хвостовика газоотводящей скважины длины перфорированных секций могут составлять по 1-3, предпочтительно 2 полные длины трубы, и диаметр перфорированных отверстий обычно составляет 5-35 мм, предпочтительно 10-25 мм; перфорации обычно упорядочены со ступенчатыми интервалами, и общая площадь перфораций может составлять 5-35 %, предпочтительно 10-30 % общей площади стенки на перфорированных секциях; в перфорированной секции обсадного хвостовика нагнетательной скважины предусмотрена перегородка, содействующая окончательному позиционированию топливного контейнера.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что розжиг и газификация могут быть выполнены посредством следующих этапов:

в условиях поддержания нагнетания воздуха для поддержания системы скважин в циркуляции и сухом состоянии устройство доставки начинает доставлять один или несколько топливных контейнеров в предварительно определенное положение розжига; если устройством доставки является направляющий канат, в качестве газа-вытеснителя для доставки топливного контейнера используют воздух;

в условиях нагнетания воздуха с низким расходом через путь прохождения газодутьевого потока окислителя воспламенительное устройство приводят в действие для начала воспламенения одного или нескольких топливных контейнеров с конца устройства способом замедленного срабатывания; затем разъединительное устройство приводят в действие для отведения остальных компонентов устройства розжига, в том числе устройства доставки на минимально безопасное расстояние;

осуществляют контроль температуры положения розжига и устья газоотводящей скважины; после начала плавления обсадного хвостовика нагнетательной скважины скорость потока воздуха постепенно увеличивают до достижения устойчивого состава генераторного газа, а затем скорость потока воздуха дополнительно увеличивают до тех пор, пока температура устья газоотводящей скважины не будет соответствовать требованиям; при условии отсутствия перекрытий и/или обводного потока кислорода в газоотводящей скважине, с целью газификации нагнетают окислитель и газификационный агент.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что при использовании во время газификации высокочистого окислителя с концентрацией кислорода выше 35 об. % одновременно необходимо нагнетать охладитель, при этом для нагнетания газификационного агента может быть использован кольцевой зазор между обсадным хвостовиком нагнетательной скважины и открытой буровой скважиной в угольном пласте, при этом кольцевой зазор обычно требует продувки инертным газом перед процессом розжига, и если в угольном пласте имеются нарушения сплошности, требуется повторный розжиг.

16. Способ по п. 14, отличающийся тем, что температурой в устье газоотводящей скважины и скоростью разогрева газоотводящей скважины обычно управляют посредством расхода окислителя или воздуха, чтобы она составляла не более 20 °C/ч, предпочтительно не более 15 °C/ч, и в конечном итоге температура устья газоотводящей скважины стабилизируется при 120-150 °C во избежание возникновения перекрытий скважины; мониторинг обводного потока кислорода можно осуществлять, исходя из содержания кислорода в генераторном газе; если в газоотводящей скважине возникает перекрытие и/или обводной поток кислорода, процесс розжига должен быть остановлен, при этом, если угольный пласт не разожжен, требуется повторный розжиг.

17. Способ по п. 15 или 16, отличающийся тем, что при выполнении повторного розжига в качестве устройств доставки для перезагрузки и транспортировки топливных контейнеров на место используют гибкую трубу, она также используется в качестве пути прохождения газодутьевого потока окислителя для нагнетания окислителей с концентрацией кислорода 35-50 об. % с целью повторного розжига угольного пласта, при возникновении перекрытия в газоотводящей скважине газоотводящая скважина должна быть очищена перед повторным розжигом.