Способ подземной газификации угля и устройство для его осуществления

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ »>652899

Союз Советских

Социалистииеских

Республик

К ПАТЕНТУ (61) Дополнительнцй к патенту (22) Заявлено 10.12.75(21) 2196659/22-03 (23) Приоритет — (32) 11.12.74 (31) 531453 (33) США

Опубликовано 1 5.03. 79.Бюллетень № 1 0

Дата опубликования описания17.03.79 (51) М. Кл.

С 10 Х 5/00

Гаоударствеиинй канитет

СССР по делан изооретеиий и открытий (53) УДК 622.278 (088.8) Иностранец

Рюэл С. Терри (США) (72) Автор изобретения

Иностранная фирма

"Ин Ситу Текнолоджи, Инк. (США) (71) Заявитель (54) СПОСОБ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при подземной газификации угля.

Известен способ подземной газификации угля через скважины, включающий оборудование скважин обсадными трубами, розжиг угольного пласта, нагнетание в пласт воздуха и выдачу образующихся газов по скважине на поверхность (1).

Недостатком известного способа подземной газификации угля является то, что полезное тепло образующихся газов не утилизируется.

Известен также способ подземной газификации угля через скважины, включающий оборудование скважин обсадными трубами и теплообменником, розжиг угольного плас15 та через скважину, инжекцию в нее раскаленных гранул, температура которых выше температуры воспламенения угля, для воспламенения и выгорания угля с получением полезных газов, выдаваемых по скважине 20 на поверхность, нагнетание в пласт воздуха, обеспечивающего регулирование процесса газификации с учетом притока пластовых вод, охлаждение отводимых из пласта полезных газов путем их пропускания через теплообменник, размегценный в скважине, в который подают теплоприемный агент- (2).

Для осуществления способа подземной газификации применяется устройство, включающее устанавливаемый в обсадной трубе скважины теплообменник, инжекционный трубопровод для подачи сжатого воздуха на забой скважины, выводной газопровод, соединяющий забой скважины с поверхностью, вводной и выводной патрубки, расположенные на оголовке скважины.

Недостатком указанного способа является низкая эффективность процесса газификации из-за того, что тепло получаемых газов снимается не по всей длине скважины, а также из-за невозможности поддержания выгазованного пространства.

Цель изобретения — повышение эффективности процесса газификации путем с.ьема тепла по всей длине скважины и поддержания выгазованного пространства.

Цель достигается тем, что в качестве гранул используют невоспламеняемые твердые вещества, которые "подают в скважину для

652899 заполнения выгазованного пространства, а теплоприемный агент пропускают через теплообменник, установленный вдоль всей длины обсадной колонны, при этом в качестве гранул используют керамические шарики

5 или гравии.

Кроме того, в процессе газификации периодически подают пластовые воды в зону ,газификации путем попеременного увеличения и уменьшения давления нагнетаемого в пласт воздуха относительно гидростатичес10 кого напора пластовых вод.

Указанный способ может быть осуществлен устройством, включаюшим устанавливаемый в обсадной трубе скважины теплообменник, инжекционный трубопровод для

15 подачи сжатого воздуха на забои скважины, выводной газопровод, соединяющий забой скважины с поверхностью, вводной и выводной патрубки, расположенные на оголовке скважины, отличающимся тем, что теплообменник выполнен в виде трубы, внутри которой установлены перегородки, образующие вертикально расположенные друг над другом отсеки, сообшаюшиеся между собой при помоши отверстий, сделанных в каждой перегородке, за исключением перегородки, размещенной у кровли пласта, и выполненные с возможностью пропуска теплоприемного агента от устья до кровли угольного пласта.

Кроме того, инжекционный трубопровод сделан гибким с возможностью его подачи з0 в любом направлении в угольном пласте.

Перегородки описываемого устройства выполнены в форме дисков, прикрепленных к. внутренней стенке трубы теплообменника.

Устройство снабжено средством для осу35 ществления повышенной теплопередачи, установленным в отсеке, расположенном у кровли пласта. При этом указанные средства изготовлены в виде диффузоров, больп1ие основания которых обращены к забою скважины. 40

На фиг. 1 изображено устройство для осуществления предлагаемого способа, размещенное в скважине, вид сбоку; на фиг. 2— вертикальный разрез нижней части теплообменника устройства; на фиг. 3 — вертикальный разрез нижней части скважины для подземной газификации угля перед розжигом угольного пласта; на фйг. 4 — вертикальный разрез нижней части скважины для подземной газификации угля, заполненной раскаленными грануМами для розжига уголь50 ного пласта; на фиг. 5 — вертикальный разрез нижней части скважины для подземной газификации угля и выгазованной полости, заполненной гранулами.

Устройство содержит теплообменник 1, установленный в обсадной трубе 2 скважины расположенные в нем выводные газо! проводы 3, инжекционный трубопровод 4, вводной патрубок 5 и выводной патрубок 6, размещенные на оголовке обсадной трубы 2.

Теплообменник 1 изготовлен в виде трубы, внутри которой установлены перегородки 7, делящие теплообменник 1 на вертикально расположенные друг над другом отсеки 8, выполненные с соосными отверстиями 9 для пропуска инжекционного трубопровода 4 и с соосными отверстиями 10 для пропуска выводных газопроводов 3. Все перегородки, кроме нижней, имеют отверстия 11, расположенные не соосно по вертикали относительно друг друга. Перегородки 7 выполнены в форме дисков и прикреплены к внутренней стенке 12 трубы теплообменника 1.

Инжекционный трубопровод 4 пропушен через соосные отверстия 9 перегородок 7 и снабжен на нижнем конце подьемньпл бойком 13 с насадкой 14 для инжекции воздуха. Нижний конец 15 бойка 13 выполнен в виде конуса.

Выводные газопроводы 3 пропущены через соосные отверстия IO и своими верхними концами выведены в верхний отсек теплообменника 1, который имеет отверстие для трубопровода 16 для отвода газа. Нижние концы выводных газопроводов 3 на участке нижнего отсека теплообменника выполнены в виде диффузоров 17, большие основания которых обращены к забою скважины.

Вводной патрубок 5 сообщен с отсеками 8, а выводной патрубок 6 — с нижним отсеком теплообменника 1 и снабжен теплойзоляцией. Верхняя часть обсадной трубы

2 герметически закрыта крышкой 18.

Способ подземной газификации осушествляют при помощи указанного устройства следуюшим образом.

С поверхности 19 земли по покрывающей породе 20 бурят скважину 21, например, диаметром 600 мм до кровли угольного пласта 22. Скважину обсаживают трубой 2, например, диаметром 500 мм и цементируют затрубное пространство. После установки обсадной трубы 2 скважину 21 заглубляют до подошвы угольного пласта

22 на участке 23, напр. имер, диаметром

400 мм. В подготовленной таким образом скважине устанавливают устройство для осуществления подземной газификации.

Подземную газификацию начинают с розжига угля. Для этого полость участка 23 скважины 21 через выводные газопроводы 3. устройства заполняют раскаленными гранулами 24,изготовленными из гравия, керамических шариков и других негорючих материалов. Гранулы 24 должны быть накалены выше температуры возгорания угля, например до 427 С. Заполнение скважины гранулами 24 производят до тех пор, пока выводные газопроводы 3 не заполнятся этим материалом. Вступая в контакт с углем, раскаленные гранулы 24 способствуют нагреву

652899 и возгоранию угля. По мере того как угольный пласт 22 начинает гореть, в нем образуется полость 25. Гранулы 24 будут продолжать поступать в эту "полость, пока их навал не приобретет угол естественного откоса. 5

Гранулы 24 вокруг буровой скважины 21 внутри пласта 22 служат агентом, способствующим проницаемости пласта и помогающим газу протекать в буровую скважину в случае непредвиденной усадки или откола покрывающей породы 20 вблизи буровой скважины 21.

После розжига угольного пласта 22 в зону реакции через инжекционный трубопровод 4, боек 13 и насадку 14 вводят окислительный агент, йапример обогащенный кис- 15 лородом воздух, под соответствующим давлением, например 18,5 кг/см, для вытеснения пластовой воды. Инжекцию окислителя производят до тех пор, пока не будет создана зона реакции объемом, например, 27 м . 2О

Затем давление подачи окислителя снижают до равновесия с давлением гидростатического напора пластовой воды, например

6 кг/см . Пластовую воду при необходимости выводят из зоны реакции путем поддержания давления в ней выше гидростатического или, наоборот, вводят воду путем снижения указанного давления. Давление регулируют в соответствии с плановым выходом образующегося в процессе газификации угля газа. Образующийся газ выводят из скважины через выводные газопроводы 3 и трубопровод 16.

Описываемое устройство располагают в буровой скважине 21, и оно служит в качестве теплообменника, создавая средства для циркуляции воспринимающего теялоагента, такого как, например, вода, с rioверхности земли к низу аппарата и последовательно с этим обратно к земной поверхности 19 через выводной патрубок 6. Устройство имеет два назначения, из которых основ4О ным является отвод выделяемого тепла из выходных газов и передача отобранного тепла в форме пара на электрогенераторную ус,тановку или подобный агрегат. Вторичное назначение устройства заключается в отводе тепла от обсадной трубы 2 для того, 45 чтобы последняя не перегревалась и не теряла свою прочность. Полученные при газификации газы входят в буровую скважйну в общем случае при температуре 1095 С.

При этом происходит нагрев выводных газопроводов 3. Для утилизации тепла в теплообменник 1 через вводной патрубок 5 вводят теплоприем ный а гент, на при мер воду.

Введенная в теплообменник 1 вода циркулирует по отсекам 8 теплообменника 1, перетекая из верхнего отсека в нижний через отверстия 11 в перегородках 7. При достижении водой нижнего отсека теплообменника 1 она начинает циркулировать вокруг диффузоров 17 выводных газопроводов 3. Если при этом температура диффузоров 17 выше, чем температура испарения воды при имеющемся давлении, вода будет закипать и под действием образующегося пара подниматься по выводному патрубку 6 на поверхность.

Если температура диффузоров 17 ниже температуры испарения воды при имеющемся давлении, то давление вводимой в теплообменник воды поддерживают на уровне, позволяющем нагретой воде подниматься по выводному патрубку 6 на поверхность. Полученные таким образом горячую воду или пар можно использовать в любой известной системе для генерации электроэнергии или другого вида энергии.

Скорость циркуляции воды в теплообменнике регулируют так, чтобы температура выдаваемого газа на головке скважины

21, например 260 С, оставалась выше точки росы получаемого газа. Поддержание состояния выходящих газов выше точки росы особенно важно, когда скважина работает в окислительной среде, так как получаемая в этом случае серная кислота в газовой фазе не должна конденсироваться, пока не достигнет определенной технологической точки в наземном оборудовании.

Процесс газификации осуществляют следующим образом.

После того как зона реакции устанавливается в нижней части угольного пласта 22, регулируют инжекцию окислителя в сторону обеднения кислородом среды, чтобы происходило неполное сгорание. Сторона угля вдоль зоны реакции при этом выгорает и высвобождает большие количества окиси углерода. Уголь же, расположенный вблизи горящей стороны, нагревается и выделяет летучие компоненты в выходные газы в качестве высококалорийных компонентов добываемых газов. Влагосодержимое угля переводится в состояние пара, который, в свою очередь, вступает в реакцию с остальными веществами, давая светильный газ. Метан в непосредственной близости от зоны реакции выводится в добываемые газы. Прилегающие слои угля, после отдачи своих легколетучих компонентов, становятся карбонизированными и сами горят по мере достижения фронта огня. Путем направления по разным местам пласта инжектируемого окислителя почти весь уголь на этом участке может быть пережжен в остаточную золу.

Вслед за этапами, где создается сначала окислительная среда, что дает в результате низкокалорийный газ с .теплоотдачей примерно 890 ккал/мз, идут другие этапы.

На следующих стадиях среда меняется на восстановительную и теплотворная способность газа заметно улучшается до уровней порядка 4450 — 6230 ккал/мз. Именно в этот

652899

7 период происходит отдача метана, газификация легколетучих компонентов и образование светильного газа. По мере того как содержимое метана и легколетучих компонентов в зоне действия скважины приходит к истощению, теплосодержание полученных газов начинает уменьшаться. Влагосодержание угля служит ограничением для объема светильного газа, который может образоваться естественной влагой, по сравнению с тем объемом, который получают при введении дополнительного пара в зону реакции.

В предпочти гельном варианте добавоч- ный пар вводят в зону реакции, когда теплосодержание получаемого газа падает ни= же планового уровня, например 4450 ккал/м, з что осуществляют сбросом давления в шахте отдельной скважины в течение некоторого запланированного периода времени, например 1 ч, чтобы создать условия для просачивания воды в горячую зону для образования там паров. Это сопровождается подачей давления путем инжекции окислителя до планового рабочего давления шахты, например почти равновесного (равного) с давлением гидростатического напора, и поддержайием давления в установленный плановый период времени, например 4 ч. Количество часов для поддерживающей операции поднятия давления зависит от проницаемосТи угольНого пласта и количества воды в формации, поступающей на просачивание.

В тех случаях, где просачивание слишком замедлено или наличной воды недостаточно, через линию инжекции окислителя закачивают пар или воду с наземных устано вок.

Предпочтительно выстраивать в угольном пласте ряд скважин, например десять рядов в десять скважин. Работа этих скважин строится в шахматном порядке, так что некоторые скважины принимают воду в то время, как другие скважины работают на повышенном давлении, откачивающем воду.

Конкретная геометрическая разбивка скважин устанавливается относительно характеристик потока грунтовых вод в данном угольном пласте. Такое расположение с использованием обогащенного кислородом воздуха позволяет получать больше газа с высоким теплосодержанием порядка

2670 ккал/мз и выше, пока угольная залежь не будет полностью истощена. Скважины могут быть взаимосоединены подходящими изолированными системами сборных трубопроводов с одной системой, выдающей горячую воду или пар и транспортирующей горячую воду или пар в теплоэлектростанцию или подобный агрегат, и с другой системой, транспортирующей полученные газы в центральный пункт обработки, где корпускулярные частицы могут быть удалены, где выделяют сероводород и где удаляют пары воды и других газифицированных жидкостей. Остающийся сухой газ может направляться после этого по трубопроводам либо в хранилища газа — газгольдеры, либо прямо на теплоэнергетическую установку электростанции.

Предлагаемый способ подземной газификации угля и устройство для его осуществления позволяют повысить эффективность процесса газификации путем более полной утилизации тепла образующегося газа и улучшения проницаемости пласта за счет поддержания выгазованного пространства и получать газ высокой теплотворной спо15 собности.

Формула изобретения

1. Способ подземной газификации угля через скважины, включающий оборудование скважин обсадными трубами и теплообменником, розжиг угольного пласта через скважину, инжекцию в нее раскаленных гранул, температура КоТорых выше температуры вос25 пламенения угля, для воспламенения и выгорания угля с получением полезных газов, выдаваемых по скважине на поверхность, нагнетание в пласт воздуха, обеспечивающего регулирование процесса газификации с учетом притока пластовых вод, охлаждение отводимых из пласта полезных газов путем их пропускания через теплообменник, установленный в скважине, в который подают теплоприемный агент, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности

Зу процесса газификации путем съема тепла по всей длине скважины и поддержания выгазованнбго пространства, в качестве гранул используют невоспламеняемые твердые вещества, которые подают в скважину для заполнения выгазованного пространства, а теплоприемный агент пропускают через теплообменник, установленный вдоль всей дли.-..ны обсадной колонны.

2 Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве гранул испОльзуют керамические шарики.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве гранул используют гравий.

4, Способ по пп. 1 — 3, отличающиися тем, что в процессе газификации периодически подают пластовые воды в зону газификации путем попеременного увеличения и. уменьшения давления нагнетаемого в пласт воздуха относительно гидростатического напора пластовых вод.

5. Устр ой ство дл я ос у шест вл е н и я с п осо55 ба по пп. 1 — 3, включающее устанавливаемый в обсадной трубе скважины теплообменник, инжекционный трубопровод для подачи сжатого воздуха на забой скважины, вывод652899

I

Ф

24

Фиг

ФигХ

ЦНИИ!1И Заказ !097/58 Тираж 608 Подписное

Филиал ППП «Патент», r. Ужгород, ул., Проектная, 4 ной газопровод, соединяющий забой скважины с поверхностью, вводной и выводной патрубки, установленные на оголовке скважины, отличающееся тем, что теплообменник выполнен в виде трубы, внутри которой установлены перегородки, образующие вертикально расположенные друг над другом отсеки, сообщающиеся между собой при помощи отверстий, выполненных в каждой перегородке, за исключением перегородки,"устанавливаемой у кровли пласта, и выполненные с.возможностью пропуска теплоприемного агента от устья до кровли угольного пласта.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что инжекционный трубопровод выполнен гибким с возможностью его подачи в любом направлении в угольном пласте.

7. Устройство по и. 5, отличающееся тем, что перегородки выполнены в форме дисков, прикрепленных к внутренней стенке трубы теплообменника.

8. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что оно снабжено средством для осуществления повышенной теплопередачи, установленным в отсеке, расположенном у кровли пласта.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что указанные средства выполнены в виде диффузоров, большие основания кото!

0 рых обращены к забою скважины.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

I. Ариненков Д. М. и Маркман Л. М.

Подземная газификация угля. Сталино-Донбасс, 1960, с. 14 — 20.

2. Крейнин Е. В. и др. О работе газоотводящих скважин при повышенной температуре. Сб. «Проблемы подземной газификации в Кузбассе», Кемерово, 1967, с. 20—

25.