ФОРСУНКА И НАГНЕТАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ И СПОСОБ РАБОТЫ НАГНЕТАТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА
INJECTOR AND DELIVERY DEVICE FOR USE IN UNDERGROUND COAL GASIFICATION AND METHOD OF OPERATION OF DISCHARGE DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение предоставляет форсунку, нагнетательное устройство и способ работы нагнетательного устройства для процесса подземной газификации угля. В частности, в соответствии с настоящим изобретением, форсунка и нагнетательное устройство могут быть использованы для непрерывного нагнетания высокой концентрации окислителя в подземный угольный пласт во время процесса подземной газификации угля.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Подземная газификация угля (UCG или ISC) представляет собой процесс, посредством которого угольный пласт преобразуют в генераторный газ посредством контролируемого сжигания (неполного сжигания) и реакции газификации подземного угольного пласта. Генераторный газ обычно называют синтез-газом, и он может быть использован в таких процессах, как производство топлива, производство химических продуктов и выработка энергии. Процесс подземной газификации угля объединяет строительство и освоение скважины, технологию подземной добычи угля и газификации угля и обладает преимуществами высокой безопасности, низких вложений, высокой прибыли и меньшего загрязнения.
Во время процесса UCG соответствующую систему освоения скважины, как правило, сооружают в подземном угольном пласте. Система освоения скважины содержит нагнетательную скважину для нагнетания разнообразных реагентов, таких как окислитель, реагент газификации и охладитель; эксплуатационную скважину для извлечения генераторного газа; и другие вторичные вспомогательные скважины, при этом нагнетательная скважина, эксплуатационная скважина и вспомогательные скважины обычно оснащены обсадной колонной и/или обсадным хвостовиком и соединены в соответствии с требованиями, при этом вспомогательные скважины, как правило, включают розжиговую скважину, скважину для доставки охладителя, контрольную скважину и защитную скважину. Нагнетательная скважина обычно представляет собой горизонтально направленную скважину. Эксплуатационная скважина и вспомогательные скважины обычно представляют собой горизонтально направленные скважины или вертикальные скважины.
Во время процесса UCG самая простая система освоения скважин состоит из нагнетательной скважины, эксплуатационной скважины и по существу горизонтального ствола скважины, которые соединены друг с другом и должны заканчиваться обсадной колонной и/или обсадным хвостовиком, которые обычно называются блоком подземной газификации угля или скважинной парой. Блок подземной газификации угля или скважинная пара обычно содержит зону сжигания, зону газификации и зону пиролиза, при этом зона газификации расположена главным образом там, где происходят процесс газификации угля и частичное окисление, в результате чего образуется продукт. С постепенным развитием процесса подземной газификации угля выжженная область, образующаяся в угольном пласте, постепенно увеличивается в размерах. Наконец, подповерхностное месторождение угля полностью расходуется, и остается только угольная зола.
2
2
4
2
4
Во время процесса UCG получаемый генераторный газ обычно содержит CO, CO, H, CH и твердые частицы, воду, каменноугольную смолу и углеводород, а также небольшие количества HS, NH, COS и т. д. Конкретный состав вышеупомянутого генераторного газа зависит от множества факторов, в том числе от используемого окислителя (например, воздух, обогащенный кислородом воздух или чистый кислород), присутствия воды (связанной влаги угольного пласта или воды, попадающей в угольный пласт из окружающих пород), качества угля и используемых параметров процесса (температуры, давления и т. д.).
Во время процесса UCG предпочтительным обычно является использование окислителя с более высокой концентрацией кислорода, поскольку чем выше концентрация кислорода, тем выше качество генераторного газа, например его теплотворная способность. Если концентрация кислорода слишком высока, например выше 35 об. %, то одновременно должны быть использованы охлаждающие реагенты, чтобы предотвращать возникновение слишком высоких температур в зоне сжигания и чрезмерно высоких скоростей распространения пламени назад, с чем устройства известного уровня техники до сих пор имеют некоторые трудности при применении высококонцентрированного окислителя.
В документе CN103541714A раскрываются форсунка и способ подземной газификации угля. Нагнетательное устройство содержит цилиндрическую обсадную колонну, причем обсадная колонна содержит две части, которые гидравлически соединены через переднее отверстие, и вторая часть обсадной колонны снабжена боковым отверстием на боковой стенке. Форсунка дополнительно содержит уплотненный компонент и пружину внутри, которая может со скольжением открывать или закрывать переднее отверстие и боковое отверстие, при этом открытие и закрытие переднего отверстия и бокового отверстия контролируются посредством регулирования скорости потока нагнетания реагента газификации, давления нагнетания и давления на отверстии выходного канала. Однако внутренняя структура форсунки (например, в канале для окислителя) является очевидно сложной и состоит в основном из металлических компонентов, так что при более высокой концентрации кислорода частицы металла, образующиеся в результате трения между металлическими компонентами, могут привести к самовозгоранию при воспламенении частиц, тем самым сжигая оборудование. Кроме того, когда приведение в действие бокового отверстия контролируется давлением нагнетания, флуктуации давления обычно приводят к тому, что высокотемпературный синтез-газ течет обратно в форсунку и непосредственно вступает в контакт с окислителем, что может вызвать сгорание или взрыв внутри форсунки, в результате чего возникают трудности с безопасностью использования.
В документе CN104533377A раскрываются форсунка и способ газификации, причем форсунка представляет собой структуру с оболочкой, содержащую центральную трубку и наружную кольцевую оболочку. Конусообразная структура на конце центральной трубки и наружной кольцевой оболочке образует верхнюю крышку форсунки, и верхняя крышка форсунки снабжена отверстием для нагнетания газа, которое гидравлически соединено с центральной трубкой, а множество отверстий для разбрызгивания воды расположены на наружной кольцевой оболочке. Кислородсодержащий реагент газификации нагнетают через центральную трубку, а воду или водный раствор нагнетают в газогенератор через боковую стенку и отверстия для разбрызгивания воды верхней крышки. В этом изобретении применяется отдельно сконструированная верхняя крышка форсунки, а соединение и разделение центральной трубки и наружной кольцевой оболочки в основном достигаются соединительной муфтой.
В документе CN104564008A раскрываются устройство для подземной газификации угля и способ газификации, причем устройство содержит трубу для нагнетания газа и впускную трубу для воды, расположенную в трубе для нагнетания газа, и форсунку, закрепленную на трубе для нагнетания газа, при этом рубашка форсунки снабжена водяной рубашкой, соединенной с впускной трубой для воды. На стенке вала водяной рубашки предусмотрены отверстия для разбрызгивания воды, и на водяной рубашке установлена муфта для контроля нагнетания воды, предназначенная для контроля выпускного отверстия для воды, и муфта для контроля нагнетания воды соединена с тяговой штангой пружины наружного корпуса. Один конец пружины закреплен на трубе для нагнетания газа, а другой конец смещен относительно муфты для контроля нагнетания воды. Очевидно, что такое устройство газификации также имеет относительно сложную конструкцию, и при этом канал для доставки окислителя представляет собой кольцевое пространство, что подвергает окислитель непосредственному воздействие возможной высокотемпературной среды, в результате чего возникают трудности с безопасностью использования.
В документе CN205243495U раскрываются форсунка и система доставки реагента газификации с использованием форсунки, при этом форсунка содержит керамический корпус и металлическую защитную оболочку, и защитная оболочка обернута вокруг корпуса форсунки, но при этом защитная оболочка используется только для защиты форсунки и не имеет каких-либо активных механизмов охлаждения, и, кроме того, вообще не присутствует механизм защиты от обратного потока. Следовательно, такие форсунки не могут быть безопасно или эффективно использованы в процессе UCG для высоких концентраций окислителя, такого как чистый кислород.
В документе CN204455019U раскрывается горелка в сборе процесса, содержащая корпус горелки (включая концентрически расположенные трубки горелки, водопровод и охлаждающую трубку) и компонент отбора проб газа (включая центральную трубку в сообщении с водопроводом и охлаждающей трубкой). Эта горелка учитывает механизм охлаждения более полно, однако охлаждающий змеевик, обернутый вокруг наружной поверхности компонента, приводит к образованию высоких крутящих и тянущих сил, когда оборудование входит в скважину и выходит из нее, а требование рассеивания тепла ограничивает толщину стенки охлаждающего змеевика, так что охлаждающий змеевик может быть легко поврежден в подземной среде. Кроме того, отсутствует механизм защиты от обратного потока для всей горелки и системы подачи, в результате чего возникают проблемы с безопасностью использования.
В документе WO2014/043747A1 раскрываются устройство и способ осуществления процесса подземной газификации угля с обогащением кислородом, в частности, нагнетательное устройство кислорода и способ, в которых используется кислородное копье специальной конструкции для нагнетания окислителя в подземный угольный пласт, при этом копье содержит: корпус трубы с внутренним проходом, в которую введен обратный клапан; переходник в виде гибкой трубы в заднем конце корпуса трубы, причем переходник имеет отверстие для термопары; по меньшей мере одну распорную трубку, соединенную с передним концом корпуса трубы; нагнетательную форсунку на переднем конце трубки; и термопару, которая отслеживает температуру нагнетательной форсунки. Хотя в этом патенте упоминается подземная газификации угля с обогащением кислородом, в оборудовании для нагнетания кислорода отсутствует собственный механизм охлаждения и оно не подходит для подземной газификация угля с высокой концентрацией окислителя.
В документе WO2014/186823A1 раскрываются устройство и способ подачи окислителя и воды в угольный пласт во время подземной газификации угля, при этом устройство содержит проход для окислителя и изоляцию обсадной колонны, причем проход для окислителя содержит по меньшей мере одно отверстие на скважинном конце и по меньшей мере одно отверстие на верхнем конце скважины. Отверстие на скважинном конце используется для нагнетания окислителя в зону подземной газификации угля, а отверстие на верхнем конце скважины используется для соединения по текучей среде с гибкой трубой. Уплотнение обсадной колонны используется для уплотнения кольцевого прохода между проходом для окислителя и обсадной колонной ствола скважины. Изоляция обсадной колонны имеет один или более проходов для нагнетания воды в зону подземной газификации угля. Однако изоляция обсадной колонны согласно этому патенту чрезвычайно затрудняет вход и выход оборудования в устье скважины и из него и прохождение через искривленную область направленной скважины, и хотя окислителем согласно этому патенту может быть по существу чистый кислород, давление самого водяного столба в проходе для нагнетания воды делает процесс контролируемого отведения очень сложным и трудным для реализации.
Следовательно, форсунки и соответствующие устройства, используемые в процессе подземной газификации угля на известном уровне техники, все еще имеют некоторые недостатки или трудности, связанные с конструктивным исполнением и безопасностью использования, и необходимо дальнейшее усовершенствование.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение направлено на преодоление недостатков известного уровня техники и решение связанных задач, при этом предоставляя форсунку и нагнетательное устройство, которые могут непрерывно нагнетать высококонцентрированный окислитель в процессе подземной газификации угля.
Настоящее изобретение предоставляет форсунку, оборудование для нагнетания и способ работы нагнетательного устройства для процесса подземной газификации угля (UCG). В частности, в соответствии с настоящим изобретением, форсунка и оборудование для нагнетания могут быть использованы для непрерывного нагнетания высококонцентрированного окислителя в подповерхностный угольный пласт во время процесса UCG.
Настоящее изобретение предоставляет форсунку для процесса UCG, причем форсунка содержит центральную трубку и корпус. Центральная трубка и корпус проходят от соединительного конца в нагнетательный конец форсунки, причем они вдвоем расположены концентрически с кольцевым пространством между ними. Наружный корпус проходит от соединительного конца, образуя кольцевую торцевую поверхность, а содержащий сопло конец образует нагнетательную торцевую поверхность форсунки, при этом центральная трубка и корпус соединены посредством неуплотненной спирали и образуют тем самым спиральный проход для потока в кольцевой зазор форсунки, при этом множество пар впускных отверстий для охладителя и выпускных отверстий для охладителя соответствуют друг другу, соединены и согласованы со спиральным проходом для потока на кольцевой торцевой поверхности соединительного конца и нагнетательной торцевой поверхности форсунки, и при этом нагнетательная торцевая поверхность форсунки дополнительно снабжена отверстиями для нагнетания окислителя.
Настоящее изобретение также предоставляет оборудование для нагнетания для процесса UCG, которое основано на хвостовике нагнетательной скважины, используемом как канал доставки оборудования. Оборудование для нагнетания согласно настоящему изобретению содержит гибкую трубу, механическое резальное устройство и форсунку, которые имеют газонепроницаемое соединение и соединены последовательно друг с другом, при этом: гибкая труба используется для перемещения нагнетательного устройства через хвостовик скважины в предварительно определенное положение в подземном угольном пласте, подлежащем газификации, и, при необходимости, для отведения всего нагнетательного устройства или его части на поверхность; механическое резальное устройство используется, при необходимости, для отсоединения форсунки с целью отведения оставшейся части нагнетательного устройства; и форсунка используется для нагнетания охладителя и окислителя в угольный пласт для газификации.
Настоящее изобретение дополнительно предоставляет способ работы с применением нагнетательного устройства согласно настоящему изобретению в процессе UCG, при этом система освоения скважин для UCG предусмотрена в подземном угольном пласте, при этом центральная трубка форсунки нагнетательного устройства и внутренние проходы других компонентов совместно образуют проход для окислителя, а спиральные проходы для потока в кольцевом зазоре форсунки нагнетательного устройства совместно с кольцевым зазором между другими компонентами и внутренней стенкой хвостовика нагнетательной скважины образуют проход для охладителя. Способ работы включает следующие этапы:
подготовительный этап, включающий:
соединение оборудования для нагнетания с подземным устройством розжига посредством быстросъемного соединителя в нагнетательном конце форсунки нагнетательного устройства;
применение устройства управления устья скважины нагнетательной скважины, доставку нагнетательного устройства и подземного устройства розжига полностью в предварительно определенное положение розжига в подземном угольном пласте с использованием гибкой трубы оборудования для нагнетания;
фазу розжига, в которой розжиг подземного угольного пласта выполняют с задержкой и которая включает:
нагнетание потока окислителя через проход для окислителя или приложение давления для активации и последующего отсоединения подземного устройства розжига, при этом воздух с низкой скоростью потока используют в качестве окислителя для розжига и нагнетают в подземный угольный пласт через проход для охладителя;
фазу газификации, в которой процесс подземной газификации угля выполняют в соответствии со способом отведения, включающую:
нагнетание охладителя через проход для охладителя и регулирование давления нагнетания и/или скорости потока охладителя для уплотнения кольцевого пространства между внутренней стенкой хвостовика нагнетательной скважины и форсункой;
непрерывное нагнетание окислителя в подземный угольный пласт через путь прохождения окислителя для выполнения газификации подземного угольного пласта;
отведение нагнетательного устройства на определенное расстояние в соответствии с определенным интервалом времени для продолжения процесса газификации до тех пор, пока не будет израсходован весь уголь в направлении хвостовика нагнетательной скважины, при этом давление нагнетания и/или скорость потока охладителя регулируют во время процесса отведения так, чтобы разрушать уплотнение кольцевого пространства между внутренней стенкой хвостовика нагнетательной скважины и форсункой для облегчения операции отведения.
В соответствии с настоящим изобретением в форсунке применяется конструкция, в которой центральная трубка комбинируется с наружным корпусом, при этом центральная трубка представляет собой проход для окислителя, а кольцевое пространство между центральной трубкой и наружным корпусом представляет собой проход для охладителя. Центральная трубка соединена с наружным корпусом посредством соединения неуплотненной спирали и, хотя для соединения используется неуплотненная спираль, она также образует спиральный проход для потока, предназначенный для прохождения охладителя через него, образуя тем самым проточный кольцевой охладительный жилет форсунки, который может эффективно охлаждать форсунку во время работы форсунки, тем самым предотвращая сгорание форсунки и ее структурную деформацию во время процесса UCG, таким образом повышая безопасность форсунки.
Кроме того, согласно настоящему изобретению оборудование для нагнетания образуется посредством дополнительного сочетания гибкой трубы и механического резального устройства за форсункой, при этом гибкая труба, использующаяся в качестве устройства доставки, аккуратно транспортирует и позиционирует форсунку, а механическое резальное устройство может, когда необходимо, отсоединять форсунку, чтобы отводить компоненты нагнетательного устройства, включая гибкую трубу, в по меньшей мере безопасное положение для последующего использования, а форсунка используется для нагнетания реагентов, таких как охладитель и окислитель, в подземный угольный пласт. При применении оборудования для нагнетания с такой конфигурацией высококонцентрированный окислитель можно непрерывно нагнетать в подземный угольный пласт, чтобы безопасно получать стабильный и высококачественный генераторный газ из подземного угольного пласта.
Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением также предоставляется способ работы нагнетательного устройства, в котором процесс UCG может непрерывно выполняться с использованием высококонцентрированного окислителя, благодаря эффективному охлаждению форсунки и безопасности применяемого оборудования для нагнетания, причем цикл отведения и/или расстояние отведения в способе разгара воспламенения во время UCG в известном уровне техники могут быть дополнительно сокращены, реализуя тем самым по существу непрерывный процесс UCG.
Следовательно, форсунка, оборудование для нагнетания и соответствующий способ работы нагнетательного устройства согласно настоящему изобретению могут помочь выполнять процесс UCG более безопасным и эффективным образом, что способствует усовершенствованию известного уровня техники.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Настоящее изобретение дополнительно описано ниже со ссылкой на сопроводительные графические материалы, в которых:
на фиг. 1 приведен вид в продольном сечении нагнетательного устройства согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2(a) приведен вид в поперечном сечении, взятом по линии A–A, представленной на фиг. 1;
на фиг. 2(b) приведен вид в поперечном сечении, взятом по линии B–B, представленной на фиг. 1;
на фиг. 3(a) приведен вид в поперечном сечении основной опоры обратного клапана согласно настоящему изобретению;
на фиг. 3(b) приведен вид в поперечном сечении опорного кольца форсунки согласно настоящему изобретению; и
на фиг. 4 приведен схематический вид, представляющий способ работы нагнетательного устройства согласно настоящему изобретению.
На соответствующих графических материалах одинаковые ссылочные позиции используются для обозначения одинаковых деталей. В частности, значения ссылочных позиций, включенных в соответствующие графические материалы, являются следующими:
1. Хвостовик нагнетательной скважины; 2. Гибкая труба; 3. Распределенные датчики температуры, давления и звуковых волн (закрепленные снаружи хвостовика нагнетательной скважины, на наружной стенке гибкой трубы и внутри центральной трубки форсунки); 4. Основной обратный клапан (расположенный между гибкой трубой и механическим резальным устройством); 5. Механическое резальное устройство; 6. Основная часть резального устройства; 7. Наружный корпус резального устройства; 8. Резальные шипы; 9. Центральная трубка форсунки; 10. Корпус форсунки; 11. Проход для окислителя; 12. Проход для охладителя; 13. Спиральный канал потока (образованный неуплотненной спиралью внутри кольцевого зазора форсунки); 14. Зона сжигания и зона газификации; 15. Впускное отверстие для охладителя; 16. Выпускное отверстие для охладителя; 17. Отверстие для нагнетания окислителя; 18. Опорный компонент основного обратного клапана; 19. Опорное кольцо форсунки; 20. Внешний захватный соединитель; 21. Пневматическая защитная заглушка форсунки; 22. Дренажные системы из микроскопических трубок Вентури; 23. U-образные опорные ножки; 24. Пружина; 25. Колесо; 26. U-образное опорное кольцо; 27. Уплотнительное кольцо; 28. Смесь окислителя и охладителя; 29. Угольный пласт; 30. Полость; 31. Полость U-образного опорного кольца и кольцевой канал сообщения с кольцевым зазором форсунки.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Настоящее изобретение будет дополнительно описано подробно ниже со ссылкой на сопроводительные графические материалы.
Настоящее изобретение предоставляет форсунку для процесса подземной газификации угля (UCG), причем форсунка содержит центральную трубку и наружный корпус. Центральная трубка и корпус проходят от соединительного конца в нагнетательный конец форсунки, причем они вдвоем расположены концентрически и отделены друг от друга кольцевым пространством между ними. Наружный корпус проходит от соединительного конца, образуя кольцевую торцевую поверхность, а содержащий сопло конец образует нагнетательную торцевую поверхность форсунки, при этом центральная трубка и корпус соединены посредством неуплотненной спирали и образуют тем самым спиральный проход для потока внутри кольцевого зазора форсунки, при этом множество пар впускных отверстий для охладителя и выпускных отверстий для охладителя, соответствующих друг другу, сообщающихся со спиральными проходами для потока и согласованных с ними, предусмотрены на кольцевой торцевой поверхности соединительного конца и нагнетательной торцевой поверхности форсунки, и при этом нагнетательная торцевая поверхность форсунки дополнительно снабжена отверстиями для нагнетания окислителя.
В соответствии с настоящим изобретением, поскольку во время процесса UCG оборудование должно использоваться в среде с высококонцентрированным окислителем, материалы для изготовления форсунок и соответствующих компонентов должны быть адаптированы к среде высокоскоростного потока чистого кислорода высокой температуры и высокого давления, и поэтому подходящие материалы следует выбирать из группы, состоящей из латуни, инконеля, монеля и т. д. (например, инконель в переводе: сплав на основе никеля с хромом и железом; монель в переводе: сплав Ni-Cu).
В соответствии с настоящим изобретением центральная трубка форсунки, которая представляет собой проход для высококонцентрированного окислителя, должна быть достаточно чистой, чтобы подходить для среды с чистым кислородом, то есть свободной от загрязнения частицами или углеводородами. Кроме того, внутренняя поверхность форсунки требует специальной обработки для предотвращения риска самовоспламенения в результате воздействия частиц на внутреннюю поверхность металла в условиях среды с высококонцентрированным окислителем; кроме того, наружная сторона форсунки должна быть гладкой, и любое изменение размеров должно быть постепенным переходным процессом, чтобы способствовать плавному перемещению внутри хвостовика нагнетательной скважины, при этом также обеспечивая газонепроницаемое уплотнение при прохождении через устройство управления устья скважины; кроме того, наружный корпус форсунки должен быть достаточно толстым, например 10–20 мм, чтобы выдерживать тепловое излучение, конвекцию тепла и передачу тепла из высокотемпературной зоны сжигания и зоны газификации, и должны быть удовлетворены соответствующие требования к охлаждению для предотвращения обратного горения во время работы и для обеспечения целостности и надежности оборудования форсунки.
В соответствии с настоящим изобретением соединительный конец форсунки предназначен для соединения с другими компонентами во время использования, а нагнетательный конец форсунки используется для нагнетания реагентов, таких как окислитель и охладитель, в подземный угольный пласт во время использования, при этом центральная трубка и наружный корпус вдвоем проходят от соединительного конца в нагнетательный конец форсунки, причем они вдвоем расположены концентрически и отделены друг от друга кольцевым пространством между ними, при этом наружный корпус проходит от соединительного конца с образованием кольцевой торцевой поверхности, а содержащий сопло конец образует нагнетательную торцевую поверхность форсунки, так что как кольцевая торцевая поверхность соединительного конца, так и торцевая поверхность нагнетательного сопла являются частью корпуса форсунки.
В соответствии с настоящим изобретением центральная трубка форсунки соединена с наружным корпусом посредством негерметичной спирали, причем негерметичная спираль образует спиральный проход для потока внутри кольцевого зазора форсунки, а глубина и ширина интервала резьбы на неуплотненной спирали независимо составляют 2–10 мм, и предпочтительно 4–8 мм, так что спиральный проход для потока соответствует требованиям к потоку охладителя, а также требованиям к рассеиванию тепла и эффективности охлаждения форсунки.
В соответствии с настоящим изобретением спиральный проход для потока, образованный неуплотненной спиралью внутри кольцевого зазора форсунки, представляет собой основной проход для охладителя, при этом охладитель протекает через кольцевой зазор форсунки так, чтобы выполнять динамическое охлаждение с жилетом, и, благодаря резьбовому соединению, удобно заменять и обслуживать корпус форсунки в соответствии с фактическими условиями работы и требованиями работы угольного пласта. Например, при замене после повреждения, регулировать количество впускных отверстий для охладителя и выпускных отверстий для охладителя, регулировать количество отверстий для нагнетания окислителя и регулировать толщину корпуса форсунки.
В соответствии с настоящим изобретением, в дополнение к неуплотненному спиральному соединению, центральная трубка и наружный корпус дополнительно соединены и закреплены на соединительном конце посредством несварного соединения, которое может быть выбрано из внешнего захватного соединителя, байонета / регулировочного болта или фланцевого болта, чтобы избежать затруднений, когда резьбовое соединение между центральной трубкой и наружным корпусом ослабляется во время процесса подземной передачи.
В соответствии с настоящим изобретением форсунка снабжена множеством пар впускных отверстий для охладителя и выпускных отверстий для охладителя (например, 4–12 пар), соответствующих друг другу, сообщающихся со спиральными проходами для потока и согласованных с ними, на торцевых поверхностях соединительного конца и нагнетательного конца форсунки. Эти впускные отверстия для охладителя и выпускные отверстия для охладителя равномерно распределены по окружности.
В соответствии с настоящим изобретением форсунка дополнительно снабжена одним или более отверстиями для нагнетания окислителя на торцевой поверхности нагнетательного конца форсунки, причем общая площадь пропускного сечения может быть определена на основе максимально требуемой скорости нагнетания окислителя, и когда предусмотрено множество отверстий для нагнетания окислителя, эти отверстия могут быть распределены вдоль осевой линии и периферии, а наружные отверстия могут быть параллельны центральному отверстию или могут быть отклонены наружу под углом 5–35°, предпочтительно 8–20°, к центральному отверстию, чтобы оптимизировать расстояние нагнетания и дальность распыления окислителя в зоне сжигания и зоне газификации.
В соответствии с настоящим изобретением форсунка может быть снабжена вспомогательным обратным клапаном на каждом из впускных отверстий для охладителя, каждом из выпускных отверстий для охладителя и каждом из отверстий для нагнетания окислителя, чтобы предотвращать вхождение обратного потока горючих и взрывоопасных газов в проход для охладителя во время процесса отведения нагнетательного устройства, вызывающее загрязнение и повреждение. Здесь служебный обратный клапан представляет собой обратный клапан, обычно используемый на известном уровне техники, но он может быть относительно меньшим по размеру, чтобы соответствовать размеру впускных и выпускных отверстий для охладителя и отверстия для нагнетания окислителя.
В соответствии с настоящим изобретением форсунка может быть снабжена множеством микродренажных линий на торцевой поверхности нагнетательного конца форсунки, проходящих от выпускного отверстия для охладителя до отверстия для нагнетания окислителя, например, дренажной системой из микроскопических трубок Вентури, которая может обладать глубиной 2–3 мм, для направления охладителя к отверстиям для нагнетания окислителя с целью обеспечения необходимой охлаждающей защиты.
В соответствии с настоящим изобретением опорное кольцо может быть предусмотрено на корпусе форсунки рядом с нагнетательным концом форсунки (например, 3–30 мм от торцевой поверхности нагнетательного конца форсунки), а конструктивный зазор между опорным кольцом и внутренней стенкой хвостовика нагнетательной скважины в целом не превышает 10 мм (например 5–10 мм), и содержит U-образное опорное кольцо, пружину и уплотнительное кольцо, при этом пружина и уплотнительное кольцо содержатся во внутренней полости U-образного опорного кольца, причем внутренняя полость находится в сообщении со спиральным проходом для потока в кольцевом зазоре форсунки, таким образом, уплотнительное кольцо выталкивается пружиной при нагнетании охладителя, чтобы блокировать конструктивный зазор.
В соответствии с вышеупомянутым конструктивным исполнением толщина уплотнительного кольца, как правило, должна быть больше, чем у конструктивного зазора, а выведение и отведение уплотнительного кольца в основном контролируется давлением нагнетания и/или скоростью потока охладителя, так что кольцевое пространство между хвостовиком нагнетательной скважины и форсункой может быть уплотнено при нагнетании охладителя во время нормальной работы, гарантируя тем самым прохождение всего охладителя через спиральный проход для потока, расположенный в кольцевом зазоре форсунки, в зону сжигания и зону газификации во время процесса газификации, тем самым полностью покрывая и охлаждая устройство форсунки.
В соответствии с настоящим изобретением опорное кольцо форсунки, как правило, выбирают из стойких к высоким температурам и коррозии специальных дуплексных сталей, например, инконель, монель, вольфрамовый сплав и т. д., которые могут быть установлены и присоединены на наружном корпусе форсунки посредством сварки, крепежных болтов или интегрированной формовки.
Настоящее изобретение также предоставляет нагнетательное устройство для процесса подземной газификации угля, которое основано на использовании хвостовика нагнетательной скважины в качестве канала доставки. Нагнетательное устройство содержит гибкую трубу, механическое резальное устройство и форсунку согласно настоящему изобретению, которые имеют газонепроницаемые соединения и соединены последовательно друг с другом, при этом: гибкая труба используется для перемещения нагнетательного устройства через хвостовик скважины в предварительно определенное положение в подземном угольном пласте, подлежащем газификации, и, при необходимости, для отведения всего нагнетательного устройства или его части на поверхность; механическое резальное устройство используется, при необходимости, для отрезания форсунки для отведения оставшейся части нагнетательного устройства; и форсунка используется для нагнетания охладителя и окислителя в угольный пласт для газификации.
В соответствии с настоящим изобретением в нагнетательном устройстве предусмотрен основной обратный клапан между гибкой трубой и механическим резальным устройством для предотвращения обратного потока газа в гибкую трубу, и основной обратный клапан дополнительно снабжен опорным компонентом для позиционирования и уплотнения нагнетательного устройства, при этом опорный компонент содержит 3 или 4 набора равномерно распределенных по окружности U-образных опорных ножек, пружин и роликов. Конструктивный зазор между U-образными опорными ножками и внутренней стенкой хвостовика нагнетательной скважины не должен превышать 10 мм (например, 5–10 мм), причем пружины и ролики включены в полость U-образных опорных ножек, непосредственно контактирующих с роликом и внутренней стенкой хвостовика нагнетательной скважины.
В соответствии с настоящим изобретением опора основного обратного клапана выполняет функцию позиционирования и уплотнения для нагнетательного устройства, и опорный компонент, как правило, может быть выполнен из нержавеющей стали 316L или марки материала более высокого качества, при этом используются 3 или 4 набора равномерно распределенных по окружности U-образных опорных ножек, пружин и роликов, поскольку прохождение потока охладителя может быть ограничено при использовании большего количества наборов этих компонентов.
В соответствии с настоящим изобретением в опорах основного обратного клапана используются 3 или 4 набора равномерно распределенных по окружности U-образных опорных ножек, пружин и роликов, чтобы облегчить свободное перемещение нагнетательного устройства в хвостовике нагнетательной скважины, например в тех случаях, когда при прохождении через изогнутую часть хвостовика нагнетательной скважины, если на внутренней стенке хвостовика нагнетательной скважины имеются препятствия, такие как твердые частицы или угольный конденсат, или если возникают связанные с деформацией проблемы самого хвостовика нагнетательной скважины и т. д., пружина в опорном компоненте может регулировать высоту вытягивания ролика для достижения плавного перемещения всего нагнетательного устройства.
В соответствии с настоящим изобретением основной обратный клапан также используется для предотвращения попадания горючих и взрывоопасных газов в гибкую трубу, которое может привести к загрязнению и повреждению оборудования, подобно вспомогательным обратным клапанам для впускного отверстия для охладителя, выпускного отверстия для охладителя и отверстия для нагнетания окислителя. Основной обратный клапан также представляет собой обратный клапан, обычно используемый на известном уровне техники, за исключением того, что размер выбирают на основании внутреннего диаметра гибкой трубы. Кроме того, как основной обратный клапан, так и вспомогательный обратный клапан могут быть выбраны специалистами в данной области техники так, чтобы они подходили для использования в средах с высококонцентрированным окислителем, например в среде чистого кислорода. Примерами обратных клапанов могут быть пружинный шарнирный обратный клапан или шаровой пружинный обратный клапан.
В соответствии с настоящим изобретением механическое резальное устройство используется, при необходимости, для отсоединения форсунки с целью отведения оставшейся части нагнетательного устройства. Например, когда хвостовик нагнетательной скважины механически поврежден из-за расплавления или деформации, отсоединение форсунки позволяет обеспечивать быстрое отведение другого оборудования, расположенного выше по потоку, для технического обслуживания и замены, тем самым в некоторой степени снижая потери оборудования в процессе подземной газификации угля.
В соответствии с настоящим изобретением механическое резальное устройство применяет резальный (саморежущий / отрывающий) механизм, и оно содержит основную часть резального устройства, наружный корпус резального устройства и резальный шип, при этом резальный шип может отрезать основную часть и наружный корпус, чтобы обеспечивать отсоединение форсунки.
В соответствии с настоящим изобретением форсунка расположена ниже по потоку относительно механического резального устройства для нагнетания высококонцентрированного окислителя, такого как чистый кислород, и охладителя, такого как вода, пар или диоксид углерода, в зону сжигания и зону газификации подземного угольного пласта, при этом охладитель образует перемещающийся охлаждающий барьер в спиральном канале для потока, расположенном в кольцевом зазоре форсунки, таким образом защищая все устройство форсунки.
В соответствии с настоящим изобретением пневматическая защитная заглушка также может быть предусмотрена на нагнетательном конце форсунки для защиты устройства форсунки, когда нагнетательное устройство входит в нисходящую скважину (например, во избежание механического износа и загрязнения (например, смазочным буровым раствором и частицами угля)), и она срывается потоком реагента под высоким давлением после запуска потока нагнетаемого реагента, то есть она не препятствует нагнетанию реагента; или быстросъемный соединитель может быть установлен на нагнетательном конце форсунки для присоединения, доставки и отсоединения подземных устройств розжига во время фазы розжига. Следовательно, нагнетательное устройство согласно настоящему изобретению может быть использовано во время фазы розжига и этапа обычной газификации процесса подземной газификации угля.
В соответствии с настоящим изобретением компоненты нагнетательного устройства могут быть соединены друг с другом и могут обеспечивать газонепроницаемое уплотнение посредством несварного соединения, которое может быть выбрано из внешнего захватного соединителя, быстросъемного соединителя, байонета / регулировочного болта и фланцевого болта. Эти несварные соединения являются крайне выгодными для быстрого соединения и последующих разборки и технического обслуживания различных компонентов.
Настоящее изобретение дополнительно предоставляет способ работы с применением нагнетательного устройства согласно настоящему изобретению в процессе подземной газификации угля, при этом система освоения скважин для подземной газификации угля предусмотрена в подземном угольном пласте, причем центральная трубка форсунки нагнетательного устройства и внутренние проходы других компонентов совместно образуют проход для окислителя, и спиральные проходы для потока в кольцевом зазоре форсунки нагнетательного устройства совместно с кольцевым зазором между другими компонентами и внутренней стенкой хвостовика нагнетательной скважины образуют проход для охладителя. Способ работы включает следующие этапы:
подготовительный этап, включающий:
соединение нагнетательного устройства с подземным устройством розжига посредством быстросъемного соединителя на нагнетательном конце форсунки нагнетательного устройства;
применение устройства управления устья скважины нагнетательной скважины, причем нагнетательное устройство и подземное устройство розжига полностью доставляются в предварительно определенное положение розжига в подземном угольном пласте с использованием гибкой трубы для нагнетательного устройства;
фазу розжига, в которой розжиг подземного угольного пласта выполняют с задержкой и которая включает:
нагнетание потока окислителя через проход для окислителя или приложение давления для активации и последующего отсоединения подземного устройства розжига, при этом воздух с низкой скоростью потока используют в качестве окислителя для розжига и нагнетают в подземный угольный пласт через проход для охладителя;
фазу газификации, в которой процесс подземной газификации угля выполняют в соответствии со способом отведения, включающую:
нагнетание охладителя через проход для охладителя и регулирование давления нагнетания и/или скорости потока охладителя так, чтобы уплотнять кольцевое пространство между внутренней стенкой хвостовика нагнетательной скважины и форсункой;
непрерывное нагнетание окислителя в подземный угольный пласт через проход для окислителя для выполнения газификации подземного угольного пласта;
отведение нагнетательного устройства на определенное расстояние в соответствии с определенным интервалом времени для продолжения процесса газификации до тех пор, пока не будет израсходован весь уголь в направлении хвостовика в нагнетательной скважине, при этом давление нагнетания и/или скорость потока охладителя регулируют во время процесса отведения так, чтобы разрушать уплотнение кольцевого пространства между внутренней стенкой хвостовика нагнетательной скважины и форсункой для облегчения операции отведения.
В соответствии с настоящим изобретением в вышеупомянутом способе работы, в котором высококонцентрированный окислитель непрерывно нагнетают в подземный угольный пласт через проход для окислителя, во время этапа газификации, высококонцентрированный окислитель может представлять собой обогащенный кислородом воздух с по меньшей мере 80 об. % кислорода, предпочтительно по меньшей мере 90 об. % кислорода, или чистый кислород, при этом охладитель может представлять собой воду, пар или диоксид углерода, и охладитель также используют в качестве агента газификации для процесса газификации угля, а скорость горения хвостовика нагнетательной скважины перед нагнетательным устройством может быть увеличена за счет уменьшения скорости потока нагнетаемого охладителя после отведения, так что свежий угольный пласт может быть подвергнут воздействию высокотемпературной зоны сжигания и зоны газификации.
В соответствии с настоящим изобретением в способе работы, после успешного розжига во время фазы розжига, нагнетательное устройство, как правило, отводят в безопасное положение для ожидания последующего запуска фазы газификации, и при этом во время фазы газификации уплотнение кольцевого пространства между внутренней стенкой хвостовика нагнетательной скважины и форсункой может быть разрушено посредством регулирования давления нагнетания и/или скорости потока охладителя при отведении нагнетательного устройства. Например, уплотнительное кольцо может быть открыто посредством регулирования давления нагнетания и/или скорости потока охладителя, чтобы сделать удобным отведение нагнетательного устройства гибкой трубой, и после завершения отведения скорость потока нагнетания охладителя может быть снижена, например, скорость потока нагнетания охладителя может быть снижена на 10–80 об. %, чтобы ускорить скорость горения хвостовика нагнетательной скважины перед нагнетательным устройством, так что свежий угольный пласт может быть подвергнут воздействию высокотемпературной зоны сжигания и зоны газификации, тем самым продолжая процесс подземной газификации угля, пока не будут израсходованы все залежи угля в направлении хвостовика нагнетательной скважины.
В соответствии с настоящим изобретением в способе работы распределенные датчики температуры, давления и звуковых волн используют для мониторинга и контроля параметров процесса, относящихся к процессу подземной газификации угля. Распределенные датчики температуры, давления и звуковых волн соответственно расположены снаружи хвостовика нагнетательной скважины, на наружной стенке гибкой трубы и внутри центральной трубки форсунки. Их используют для получения сигналов о температуре, давлении и звуковых волнах подземного угольного пласта и передачи информации обратно в оборудование управления устья скважины нагнетательной скважины.
В соответствии с настоящим изобретением в способе работы распределенные датчики температуры, давления и звуковых волн представляют собой распределенные сенсорные оптические волокна, основанные на технологии оптической временной рефлектометрии (OTDR). Оптическое волокно проходит от места рядом с устьем скважины или от начала гибкой трубы к целевой точке измерения, и при этом биметаллический двойной зонд термопары типа К в оболочке дополнительно или альтернативно используют в нагнетательной форсунке для окислителя для получения температуры в этой точке, и скорость потока нагнетания охладителя контролируют на основе этой температуры.
В соответствии с настоящим изобретением при использовании нагнетательного устройства согласно настоящему изобретению в процессе подземной газификации угля процесс отведения может быть выполнен посредством управления давлением и/или потоком нагнетания охладителя без прерывания нагнетания окислителя и охладителя, поэтому работа является относительно более гибкой и удобной и может значительно сократить период отведения и/или расстояние отведения способов отведения известного уровня техники и реализовывать непрерывную и стабильную работу процесса подземной газификации угля; более того, нагнетательное устройство согласно настоящему изобретению обеспечивает безопасное и стабильное использование высококонцентрированного окислителя, такого как чистый кислород, с получением таким образом генераторного газа высокого и стабильного качества; кроме того, согласно настоящему изобретению, система сбора сигналов температуры, давления и звуковых волн может быть использована для обеспечения хорошего управления всем процессом подземной газификации угля. Следовательно, настоящее изобретение представляет собой значительное усовершенствование в сравнении с известным уровнем техники и обеспечивает технологические преимущества.
Настоящее изобретение дополнительно описано ниже со ссылкой на сопроводительные графические материалы.
На фиг. 1–3 представлены соответствующие виды в поперечном сечении нагнетательного устройства согласно настоящему изобретению, вид в поперечном сечении нагнетательного устройства по поперечному сечению A–A, вид в поперечном сечении по сечению B–B, вид в поперечном сечении опорного компонента обратного клапана и вид в поперечном сечении опорного кольца форсунки.
Как показано на фиг. 1, гибкая труба 2 соединена с основным обратным клапаном 4 посредством внешнего захватного соединителя 20. Основной обратный клапан 4 снабжен опорным компонентом 18 для позиционирования и герметизации всего нагнетательного устройства и содержит три набора U-образных опорных ножек 23, пружин 24 и роликов 25, равномерно распределенных по окружности, при этом пружины 24 и ролики 25 содержатся в полости U-образных опорных ножек 23, а ролик 25 находится в непосредственном контакте с внутренней стенкой хвостовика нагнетательной скважины (см. фиг. 2(a) и фиг. 3(a)).
Основной обратный клапан 4 соединен с расположенным ниже по потоку механическим резальным устройством 5, которое содержит основную часть 6 резального устройства, наружный корпус 7 резального устройства и резальный шип 8 для отрезания, при необходимости, форсунки для отведения оставшейся части нагнетательного устройства, такого как гибкая труба 2 или т. п.
Часть механического резального устройства 5, расположенная ниже по потоку, соединена с соединительным концом форсунки. Форсунка содержит центральную трубку 9 форсунки и корпус 10 форсунки. Центральная трубка 9 форсунки и корпус 10 форсунки расположены концентрически и отделяются друг от друга кольцевым пространством между ними. Корпус форсунки проходит от соединительного конца, образуя кольцевую торцевую поверхность, а содержащий сопло конец образует нагнетательную торцевую поверхность форсунки.
Центральная трубка 9 форсунки и корпус 10 форсунки соединены друг с другом посредством неуплотненной спирали 13, которая образует спиральный проход для потока в кольцевом зазоре форсунки, представляющий собой основной проход для охладителя и обеспечивающий эффективное круговое охлаждение и рассеивание тепла для форсунки. 8 пар впускных отверстий 15 для охладителя и выпускных отверстий 16 для охладителя расположены и равномерно распределены по окружности на кольцевой торцевой поверхности форсунки и нагнетательной торцевой поверхности форсунки, и каждое из впускных и выпускных отверстий для охладителя соединены и согласованы с внутренним спиральным проходом для потока, а служебный обратный клапан расположен внутри (см. фиг. 2(a) и 2(b)). На нагнетательном конце форсунки предусмотрены 9 нагнетательных отверстий 17 для окислителя (см. фиг. 2(b)), а быстросъемный соединитель (не изображен на фигуре) предусмотрен для присоединения, доставки и отсоединения подземных устройств розжига во время фазы розжига.
Опорное кольцо 19 форсунки предусмотрено на корпусе 10 форсунки рядом с нагнетательным концом форсунки, и опорное 19 кольцо используется для уплотнения кольцевого пространства между внутренней стенкой хвостовика нагнетательной скважины и устройством форсунки, чтобы позволять охладителю проходить через спиральный проход для потока в кольцевом зазоре форсунки для достаточного охлаждения форсунки, и при этом опорное кольцо 19 содержит U-образное опорное кольцо 26, пружину 24 и уплотнительное кольцо 27, при этом пружина 24 и уплотнительное кольцо 27 содержатся внутри полости U-образного опорного кольца 26, а уплотнительное кольцо 27 выталкивается пружиной 24 при нагнетании охладителя, чтобы непосредственно контактировать с внутренней стенкой хвостовика нагнетательной скважины для получения уплотнения (см. фиг. 2(b) и 3(b)).
Когда нагнетательное устройство входит в подземный угольный пласт через хвостовик нагнетательной скважины, необходимо установить пневматическую защитную заглушку 21 на нагнетательном конце форсунки, чтобы защитить форсунку и предотвратить попадание загрязняющих веществ в нагнетательное устройство.
Распределенные датчики 3 температуры, давления и звуковых волн соответственно закреплены на наружной части хвостовика нагнетательной скважины, на наружной стенке гибкой трубы и внутри центральной трубки форсунки и используются для получения соответствующих сигналов температуры, давления и звуковых волн, которые передаются в оборудование управления устья скважины нагнетательной скважины, контролируя таким образом процесс подземной газификации угля.
Кроме того, как изображено на фиг. 4, на которой представлен схематический вид способа работы (при нормальном процессе производства) для нагнетательного устройства согласно настоящему изобретению, в котором охладитель нагнетают через проход 12 для охладителя нагнетательного устройства, и кольцевое пространство между внутренней стенкой хвостовика нагнетательной скважины и устройством форсунки может быть уплотнено посредством увеличения давления нагнетания охладителя (уплотнительное кольцо 27 выталкивается пружиной 24, чтобы непосредственно контактировать с внутренней стенкой хвостовика нагнетательной скважины), при этом окислитель нагнетают через проход 11 для окислителя нагнетательного устройства, и после того, как пневматическая защитная заглушка 21 срывается, начинается подземная газификация угля, при этом окислитель и охладитель (также используемый в качестве агента газификации) смешиваются на переднем конце форсунки с образованием смеси 28 окислителя и охладителя, а затем вводятся в зону сжигания и зону 14 газификации для выполнения процесса подземной газификации угля.
Описание настоящей заявки является лишь предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, однако настоящее изобретение не ограничивается этими предпочтительными вариантами осуществления. Другие изменения и модификации настоящего изобретения возможны без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения, и такие изменения и модификации находятся в пределах объема настоящего изобретения.