[发明专利]用于煤炭地下气化工艺的模块化高温井口井控系统的操作方法

说明书

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

技术领域

本发明提供了一种用于煤炭地下气化工艺(ISC)的模块化高温井口井控系统及操作方法。特别地，本发明提供了一种在煤炭地下气化工艺中用于高温产品井的模块化高温井口井控系统，还提供了这种高温井口井控系统在煤炭地下气化工艺中的操作方法，具体可用于煤炭地下气化工艺的生产过程。

背景技术

煤炭地下气化(ISC)是在氧化剂存在下通过地下煤层的燃烧和气化反应将煤直接转化为产品气的过程，所述产品气通常称为合成气，该合成气可以随后用作多种应用的原料，包括燃料生产、化学品生产和发电等。这种煤炭地下气化技术对于大多数煤藏都是适用的。鉴于有关采矿业的环保要求越来越严格和考虑到相关的人工成本和基建成本，这种技术无疑是很有吸引力的。煤炭气化工艺是将煤炭通过一系列的化学反应转变为合成气的过程。

地面钻井直通煤层，给氧化剂注入和产品气产出提供有效通道。一对钻井在地下连通或水平延伸构成一个实质上水平钻井通道(也可简称为煤层井道或连通通道)。该通道有助于氧化剂注入，燃空区生长和产品气输送。一个用于氧化剂注入的钻井称为“注入井”，另外一个用于生产产品气的钻井称为“产品井”。定向水平钻井和垂直钻井都可作为注入井或产品井。煤炭地下气化(ISC)可能在注入井和产品井之间还需要使用到一个或多个的垂直井(例如：功能井和辅助井)。

当煤层中有注入井、产品井和水平通道将二者连接起来时，此构造被称为一个煤炭地下气化(ISC)单元或井对。ISC单元包括燃烧区，气化区和热解区。其中，燃烧区在煤层中氧化剂注入点附近；气化区以放射状形态围绕在燃烧区周围或者在燃烧区下游，煤炭在气化区被气化、部分被氧化，从而生成产品气；热解区在气化区下游，煤的热解反应一般在这里发生。高温的产品气从气化区往下游流动，并最终从产品井井口输送到地面。在煤燃烧或气化的同时，煤层中的ISC燃空区会生长变大。

通过煤炭地下气化生成的产品气(粗合成气)通常含有合成气(CO，CO₂，H₂，CH₄及其他气体的混合物)以及其他成分固体颗粒，水，煤焦油，烃类蒸汽，其他微量组分包括H₂S，NH₄，COS等)。其成分复杂程度取决于多个方面：煤炭地下气化所使用的氧化剂(空气或其他氧化剂，比如氧气、富氧空气或蒸汽混合物)、煤层中的内在水或周边地层渗入煤层中的水、煤质、以及煤炭地下气化工艺的操作参数，包括温度，压力等。

根据已有专利文献，目前煤炭地下气化技术所面临的问题主要包括：

a)大多数煤炭地下气化井口系统及相关井控设备，通常是通过对现有设备进行粗糙/基础地改造，形成了各种不同的井口系统，导致其在设计和操作上都非常复杂。

b)大多数煤炭地下气化井口系统及相关井控设备，具有高度的定制性，导致其生产周期较长且生产成本较高。

c)大多数煤炭地下气化井口系统只允许在地面和井下进行静态密封，这严重地阻碍了气化炉的整体生产效率，同时增加了由于热膨胀/形变导致井口系统损坏或报废的几率。

d)大多数煤炭地下气化井口系统仅适用于单管柱完井设计或最多双管柱完井设计。这限制了气化炉设计的灵活性，从而影响了煤炭地下气化工艺的商业可行性。