СПОСОБ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ
METHOD FOR UNDERGROUND GASIFICATION

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной газификации, преимущественно при отработке пластов угля небольшой мощности (не выше средней), например для получения газа, используемого в качестве сырья для производства жидкого топлива.
Известен способ подземной газификации, предусматривающий бурение системы дутьевых и газоотводящих скважин, которые соединяют реакционными каналами, формирование огневого канала, розжиг газогенератора и его выгазовывание с соответствующим перемещением огневого забоя и закладкой выгазованного пространства закладочным материалом в жидком состоянии с подачей его через скважины (патент США N 4437520, кл. В21Е 33/138, 1984).
Недостаток этого решения в больших дополнительных затратах на осуществление комплекса закладочных работ. Кроме того, безвозвратно теряется тепло вмещающего массива и золы, остающихся после выгазовывания угля, и недостаточно эффективно используется система дутьевых и газоотводящих скважин, которые после окончания газификации запасов угля попросту погашаются (тем самым доля затрат на комплекс буровых работ в общей стоимости товарного газа составляет существенную часть).
Известен способ подземной газификации, включающий бурение системы воздухоподводящих и газоотводящих скважин, формирование огневого забоя и выгазовывание запасов газогенератора нисходящими слоями с перемещением огневого забоя в пределах слоя с последующим заполнением выработанного пространства каждого слоя инертными материалами (патент ФРГ N 3404455, кл. C10J 5/00, 1985).
Недостаток этого технического решения в больших объемах подготовительных работ (поскольку подготовку и газификацию каждого последующего слоя газогенератора повторяют столько раз, сколько это необходимо для выгазовывания всей толщи газогенератора). Кроме того, в этом случае необходимо использование значительных объемов инертных материалов, что при отсутствии в районе газогенератора отвалов горнообогатительного производства вызовет необходимость добычи и транспортирования закладочного материала.
Известен также способ подземной газификации, включающий расположение в угольном пласте горизонтальных участков скважин, сбойку скважин, розжиг, подачу дутья и отвод продуктивного газа, (см., пат. РФ №1727435 Е21В 43/295, 2000).
Недостаток этого технического решения в невозможности стабильного получения высококалорийного газа и повышенной трудоемкости его реализации.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, - обеспечение возможности стабильного получения высококалорийного газа.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, - упрощение его реализации, обеспечение полноты газифицирования запасов угольного пласта.
Для решения поставленной задачи способ подземной газификации, включающий расположение в угольном пласте горизонтальных участков скважин, сбойку скважин, розжиг, подачу дутья и отвод продуктивного газа, отличается тем, что горизонтальные участки скважин в угольном пласте формируют длиной, по меньшей мере вдвое превышающей расстояние между скважинами, при этом скважины располагают на почве пласта и формируют диаметром, составляющим не менее 0,25-0,8 от мощности пласта, для чего используют установки наклонно-направленного бурения, при этом в качестве дутьевой используют скважину, расположенную ниже по падению, причем в состав дутья вводят дисперсный углеродсодержащий материал. Кроме того, горизонтальные скважины формируют с борта карьера или борта наклонной выработки, пройденной по углю. Кроме того, в качестве дисперсного углеродсодержащего материала используют уголь и/или материал, продукт пиролиза углеродсодержащих отходов и/или тонкоизмельченные твердые углеродсодержащие отходы с дисперсностью, обеспечивающей летучесть твердых частиц при используемых скоростях подачи дутья.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков заявляемомого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".
Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки "… горизонтальные участки скважин в угольном пласте формируют длиной, по меньшей мере вдвое превышающей расстояние между скважинами…" позволяют минимизировать долю сбоечных работ в общем объеме подготовительных работ, причем тем значительнее, чем больше длина горизонтальных участков, при этом обеспечивается возможность существенного удлинения реакционных каналов, когда газогенератор работает фактически как источник раскаленных газов, содержащих в своем составе значительное количество окислов, восстановление которых до горючих форм происходит при их взаимодействии с углем, окружающим отводящий канал.
Признак "… (скважины) располагают на почве пласта" обеспечивает полноту газифицирования пласта по его мощности т.к. выгазовываются в первую очередь участки угля, примыкающие к верхнему участку газогенератора и отводящего канала. Кроме того, в этом случае силы гравитации способствуют ослаблению именно этих участков массива.
Признаки "… формируют диаметром, составляющим не менее 0,25-0,7 от мощности пласта,…" снижают аэродинамическое сопротивление дутьевого и отводящего каналов, позволяя увеличивать их длину, что обеспечивает возможность повышения объемов прокачиваемого дутья через газогенератор и тем самым повышения его производительности. Кроме того, обеспечивается возможность использования высокопроизводительных технологий формирования каналов большой длины и сравнительно большого диаметра. При этом пределы вариации отношения диаметра скважин к мощности пласта получены из следующих соображений: диапазон мощностей, для которых предназначен заявленный способ, включает пласты от весьма тонких (менее 0,7 м) до средней мощности (1,21-3,5 м), при этом принимались в расчет технические характеристики мобильных установок наклонного направленного бурения (диаметр формируемых скважин порядка 0,5-1,0 м, для установок, обеспечивающих достаточно большую глубину бурения - не менее 500 м). Таким образом, для условий весьма тонких пластов отношение диаметра скважины к мощности пласта составляет - 0,5 м/0,7 м=0,72, а для наибольших значений мощности пластов, относящихся к средним - 1,0 м/3,5 м=0,28
Признак "… используют установки наклонно-направленного бурения" обеспечивает ускоренное проведение скважин большой длины и сравнительно большого диаметра.
Признак "… в качестве дутьевой используют скважину, расположенную ниже по падению" позволяет уменьшить аэродинамическое сопротивление системы, включающей скважины и газогенератор, за счет использования архимедовой силы.
Признак "… в состав дутья вводят дисперсный углеродсодержащий материал» обеспечивает возможность повышения производительности газогенератора при сохранении исходного объема буровых работ.
Признак … «горизонтальные скважины формируют с борта карьера или борта наклонной выработки, пройденной по углю»,… упрощает реализацию способа.
Признаки … «в качестве дисперсного углеродсодержащего материала используют уголь и/или материал, продукт пиролиза углеродсодержащих отходов и/или тонкоизмельченные твердые углеродсодержащие отходы с дисперсностью, обеспечивающей летучесть твердых частиц при используемых скоростях подачи дутья»,… конкретизируют вид углеродсодержащего материала и исключают его осаждение в дутьевой скважине.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 схематически показан вид в плоскости пласта на момент подготовительных работ; на фиг.2 схематически показан вид в плоскости пласта в начале процесса газификации; на фиг.3 показан разрез А-А по падению пласта.
На чертежах показаны угольный пласт 1, горизонтальные участки дутьевой 2 и отводящей 3 скважин, участок сбойки 4 скважин 2 и 3 (в процессе газификации - газогенератор 5), стенки 6 скважин 2 и 3, борт 7 карьера.
Горизонтальные участки скважин 2 и3 формируют по простиранию пласта 1 длиной, по меньшей мере вдвое превышающей расстояние между скважинами, которое может достигать 100-120 м, при этом скважины формируют повышенным диаметром (порядка 500-1000 мм) и располагают на почве пласта. Конструктивно скважины не отличаются друг от друга, только в качестве дутьевой используют скважину, расположенную ниже по падению пласта.
В качестве дисперсного углеродсодержащего материала используют уголь и/или материал, продукт пиролиза углеродсодержащих отходов, который измельчают известным образом до получения степени дисперсности, которая обеспечивает летучесть твердых частиц при используемых скоростях подачи дутья.
Способ осуществляют следующим образом.
С борта 7 карьера по простиранию пласта 1 формируют параллельные скважины 2 и 3. Для формирования скважин используют известный комплект оборудования - мобильный буровой комплекс направленного бурения, (на чертежах не показан), например, марки Vermeer Navigator D80/100, обеспечивающий бурение скважин диаметром до 1000 мм, длиной до 800 м.
На участке скважин, непосредственно примыкающем к дневной поверхности, формируют жесткую обсадку на длину скважины, соответствующую ширине охранного целика 8. Далее выемку угля в пределах контура скважины ведут без крепления, прижимая скважину к почве пласта. Расстояние между скважинами принимают порядка 60 -120 м в зависимости от конкретных горно-геологических условий. Глубина бурения определяется техническими возможностями оборудования и отсутствием нарушений с амплитудой, исключающей ее переход используемым комплектом оборудования. Технология формирования каналов предусматривает формирование пилотной скважины на всю длину с последующим ее расширением обратным ходом до проектных размеров. При приближении к проектной границе 9 участка, предназначенного для газификации (на расстояние, диктуемое минимально возможным радиусом криволинейных участков 10, проходимых используемым комплексом), начинают работу по сбойке скважин 2 и 3 (формируют участок сбойки 4), разворачивая рабочие органы мобильного бурового комплекса направленного бурения встречно друг другу. Непосредственно перед сбойкой работу ведут только с одной стороны. Соединение сформированных таким образом каналов осуществляют известным образом взрывным способом или гидроразрывом. В последнем случае можно использовать гидромонитор с гибким ставом, работая им из забоя одной из скважин (при этом необходимо предварительно определить, например с использованием геофизических методов, взаимное положение забоев скважин 2 и 3).
После сбойки забоев скважин 2 и 3, монтажа соответствующего дутьевого и газосборного оборудования (на чертежах не показано) и продувки всей сети, включающей скважины 2 и 3 и участок сбойки 4, известным образом производят розжиг (выше участка сбойки, если сбойку осуществляли гидромониторым способом, а если использовали взрывной способ сбойки, то местоположение участка розжига целесообразно разместить на сопряжении дутьевой скважины и участка сбойки 4). В первом случае до осушения канала газогенератора 5 можно подавать дутье через отводящую скважину, а отводить газы - продукты газификации через дутьевую с поддержанием температуры исходящих газов порядка 100-120°С.
После начала процесса вывода газогенератора 5 на рабочий режим дутье подают через дутьевую скважину 2 с отводом газов - продуктов газификации через отводящую скважину 3. Непосредственно сами приемы и операции процесса газификации не отличаются от известных, отличие в том, что в дутье известным образом вводят тонкодисперсный углеродсодержащий материал, кроме того, за счет резкого увеличения длины реакционных каналов, когда газогенератор работает фактически как источник раскаленных газов, содержащих в своем составе значительное количество окислов, которые восстановливаются до горючих форм при взаимодействии отходящих газов с углем, окружающим отводящую скважину, кроме того, в отводящей скважине формируется зона, прогретая до температур (порядка 450-700°С), при которых начинается и идет процесс пиролиза угля, что способствует обогащению отходящих газов высококалорийными газовыми компонентами.
Далее все продолжается до полного выгазовывания участка.