[发明专利]用于煤炭地下气化工艺的光纤激光点火系统及其操作方法

说明书

本发明提供了一种用于煤炭地下气化工艺(ISC)的光纤激光点火系统，包括如下部件：车载单元，包括发电机或电源，用于提供点火所需的能量，以及激光源，用于将电能转化为激光；一个或多个铠装光纤电缆串，用于激光的传输，动态安装在连续油管单元内，通过连续油管输送至所需点火点的位置或者静态安装在注入井衬管/注入井套管预定的点火点位置上，包括第一点火点的位置和后续预先设计的点火点位置；一个光纤激光头，用于激光导向和点燃目标煤层，与光纤电缆串对应的动态直接固定在连续油管单元内的氧化剂输送设备末端或者静态直接固定在注入井衬管/注入井套管外侧的铠装光纤电缆串末端；车载单元与光纤电缆串通过快速连接器或光纤滑环进行连接。

技术领域

本发明提供了一种用于煤炭地下气化工艺(ISC)的光纤激光点火系统及操作方法。特别地，本发明提供了一种在煤炭地下气化工艺中可以进行多次点火的光纤激光点火系统，还提供了这种光纤激光点火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过程的初次点火、再次和多次点火过程。

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。其中主要的反应包括：

C+O₂→CO₂(完全氧化反应)

C+1/2O₂→CO(部分氧化反应)

C+H₂O→H₂+CO(水蒸气气化反应)

C+2H₂→CH₄(氢气气化反应)

C+CO₂→2CO(二氧化碳气化反应)

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)用于煤层的初次和随后的重新点火的安全、可靠且具有成本效益的点火设备。