一種井內(nèi)油頁巖層燃燒加熱系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種井內(nèi)油頁巖層燃燒加熱系統(tǒng)，具體為一種井內(nèi)燃燒加熱器。
【背景技術(shù)】
[0002]對于油頁巖儲層中的有機質(zhì)進行原位轉(zhuǎn)化與開采，又被稱為地下干餾工藝，即直接對地下的油頁巖進行干餾，從而使油氣通過生產(chǎn)井直接從地下導(dǎo)出至地面上。根據(jù)加熱方式不同，主要分為傳導(dǎo)加熱(電加熱、燃燒加熱)、流體對流加熱和輻射加熱。
[0003]目前采取電加熱方式的技術(shù)最典型的就是殼牌公司的ICP技術(shù)，這項技術(shù)采用垂直鉆井法，將電加熱器經(jīng)鉆孔放置到油頁巖礦層內(nèi)，利用熱傳導(dǎo)作用加熱油頁巖層，將油頁巖中的干酪根轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的油氣產(chǎn)物，然后運用傳統(tǒng)的采油方法將這些油氣產(chǎn)物抽至地面。此項技術(shù)能夠在表面較小的地面上生成較多原油和天然氣。
[0004]采取原位燃燒加熱技術(shù)的主要有:美國?？松梨谔岢霾捎米⑷霟N類物質(zhì)作為循環(huán)流體的地下加熱方式；通用電氣公司提出利用燃料和氧氣燃燒器加熱導(dǎo)管和空氣在地下燃燒器的加熱方式。
[0005]采用流體對流加熱方式的原位轉(zhuǎn)化技術(shù)有太原理工大學(xué)的對流加熱技術(shù)，其利用高溫烴類氣體對油頁巖層進行加熱，該技術(shù)需要先對巖層進行壓裂，然后將烴類氣體加熱到400~70(TC后注入到油頁巖礦層，通過對流換熱方式對油頁巖層加熱。熱解產(chǎn)生油氣后，進行采集，將其中一部分烴類氣體繼續(xù)通入儲罐，升溫加壓后重復(fù)對巖層加熱。同樣，雪弗龍的Crush技術(shù)也采取了流體對流加熱方式，該技術(shù)首先需要對頁巖層行爆破壓裂，利用高溫C02對油頁巖層進行加熱，并將油氣等產(chǎn)物通過垂直井導(dǎo)出。
[0006]采取輻射加熱方式的技術(shù)主要有:美國伊利諾理工大學(xué)和勞倫斯利物莫國家實驗室提出并開發(fā)的LLNL射頻技術(shù)，采用改進的無線射頻加熱方式對對油頁巖進行加熱，具有穿透力強，容易控制，縮短了熱擴散的時間；雷神公司的RF/CF技術(shù)，是另一項利用射頻技術(shù)加熱、超臨界流體作載體，對油頁巖層進行加熱的技術(shù)。首先在油頁巖巖層中布置射頻發(fā)射裝置，對油頁巖進行加熱，然后將超臨界C02注入到開采巖層中，油頁巖熱解生成的氣體被驅(qū)散至采油井。在地面將C02氣體分離繼續(xù)注回井中，同時將油頁巖熱解產(chǎn)生油和氣體提取出來。
[0007]這些原位加熱技術(shù)免去了將油頁巖從地下開采到地面上這一過程，但仍存在熱量利用率低，加熱效率地下以及成本高、安裝操作不便等一系列問題，諸多技術(shù)現(xiàn)仍處于試驗階段無法具體在施工中實現(xiàn)。因此需要一種加熱效率高、易于控制的加熱方法，以解決目前油頁巖原位轉(zhuǎn)化技術(shù)難以實現(xiàn)的難題。
[0008]本實用新型中的加熱器集成多種加熱功能，所采用的加熱器可以作為加熱體對地下油頁巖層直接進行加熱，也可在井下加熱外加的流體介質(zhì)再對地下油頁巖層進行滲透傳熱傳質(zhì)?？蓪崿F(xiàn)對地層進行熱氣體開采、過熱蒸汽開采、近/超臨界流體開采。本實用新型所采用的加熱方法主要用于對油頁巖儲層中的有機質(zhì)進行原位轉(zhuǎn)化與開采。該加熱方法利用清潔的燃料，能夠?qū)崿F(xiàn)將相當大的熱量從該裝置受控制地傳送至儲層中，在密封的燃燒腔體內(nèi)燃燒，不與井下的外界地層環(huán)境直接接觸，不污染環(huán)境，提高了加熱速率及對熱量的利用率，最大限度地增加烴回收的效率。本實用新型也可用于重油、油砂、可燃冰等資源的開采。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本實用新型的目的是提供一種井內(nèi)油頁巖層燃燒加熱系統(tǒng)。本實用新型能實現(xiàn)50-800 °C的加熱范圍。
[0010]本實用新型包括地面監(jiān)測與控制系統(tǒng)、井內(nèi)燃燒與尾氣逆流換熱系統(tǒng)、外加流體注入管和外部套管；
[0011]井內(nèi)燃燒與尾氣逆流換熱系統(tǒng)包括燃燒器、尾氣逆流換熱套管組件、集水與抽水系統(tǒng)；燃燒器包括點火器、火焰探測電極、燃料與空氣/氧氣套管、燃燒器噴嘴和混合燃燒腔；尾氣逆流換熱套管組件包括有尾氣回流換熱套管、下孔板、上孔板、湍流換熱裝置和尾氣回收管，湍流換熱裝置包括有多孔介質(zhì)填充物、靜態(tài)混合器、換熱盤管、催化床；集水與抽水系統(tǒng)包括有水槽的集水器、抽水管以及地面的抽水泵；
[0012]井內(nèi)燃燒加熱系統(tǒng)可以作為加熱體對井下地層進行直接加熱，也可在井下加熱外加的流體介質(zhì)再對地層進行滲透傳熱傳質(zhì)，可實現(xiàn)對地層進行熱氣體開采、過熱蒸汽開采、近/超臨界流體開采。本實用新型可用于油頁巖層儲層中的有機質(zhì)進行原位轉(zhuǎn)化與開采。
[0013]井內(nèi)燃燒與尾氣逆流換熱系統(tǒng)集成了燃料的燃燒加熱、高溫尾氣熱量回收與利用、尾氣中的水的地表排放等多種功用。
[0014]燃燒器的點火器與火焰探測電極用以點燃混合燃燒腔內(nèi)的燃料與空氣/氧氣混合物，點火器與火焰探測電極安置在混合燃燒腔內(nèi)靠近燃燒器噴嘴的指定位置，點火器與火焰探測電極的電源接至地面監(jiān)測與控制系統(tǒng)，便于控制。
[0015]燃燒器的燃料與空氣/氧氣套管由雙管內(nèi)外同軸安裝在導(dǎo)流器上組合而成。內(nèi)管中空氣/氧氣穿過內(nèi)管及導(dǎo)流器殼體內(nèi)部通入混合燃燒腔；外管中燃料穿過外管及導(dǎo)流器殼體上孔道通入混合燃燒腔。燃料與空氣/氧氣輸送管雙管同軸組合對應(yīng)連接在燃料與空氣/氧氣套管頂端。導(dǎo)流器用以同軸定位安裝燃料與空氣/氧氣套管，導(dǎo)流器殼體內(nèi)的通道用以將來自內(nèi)管的空氣/氧氣通入混合燃燒腔，用來增加空氣/氧氣軸向流速，提高對燃料的引射作用，導(dǎo)流器殼體上的孔道用以將來自外管的燃料通入燃燒器噴嘴。
[0016]燃燒器噴嘴為旋流噴嘴設(shè)計，使得燃料在進入混合燃燒腔時能產(chǎn)生較好的旋轉(zhuǎn)動量，有效地控制空氣/燃料氣混合速度，防止混合過快或過慢。燃燒器噴嘴同軸安裝在燃料與空氣/氧氣套管的外部、燃料與空氣/氧氣套管的導(dǎo)流器的頂部。
[0017]混合燃燒腔分布在燃燒器噴嘴的頂部空間，為燃料與空氣/氧氣良好混合及平穩(wěn)燃燒提供空間。
[0018]溫度傳感器安裝在混合燃燒腔內(nèi)的指定位置，溫度傳感器用以將數(shù)據(jù)提供給地面監(jiān)測與控制系統(tǒng)。
[0019]燃燒器所采用的燃料與空氣/氧氣經(jīng)過燃料與空氣/氧氣套管通入到密封的混合燃燒腔內(nèi)，經(jīng)混合后燃燒，不與井下的地層環(huán)境直接接觸。所用燃料可以是甲烷、天然氣、液化石油氣、煤氣、頁巖氣、汽油、柴油中的至少一種。
[0020]高溫尾氣通過尾氣逆流換熱套管組件時將燃燒器產(chǎn)生的熱量傳遞給湍流換熱裝置，再由湍流換熱裝置將熱量傳遞給尾氣回流換熱套管外部的流體或直接傳遞給外界地層環(huán)境。同時，經(jīng)尾氣回收管將氣水分離后的尾氣回收排放到地表指定位置，防止污染。
[0021]湍流換熱裝置選用多孔介質(zhì)、靜態(tài)混合器、換熱盤管中的一種或多種組合，極大的增加了尾氣回流時的換熱面積，吸收燃燒產(chǎn)生的高溫尾氣的熱量，提高換熱效率。
[0022]多孔介質(zhì)是由固體物質(zhì)組成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所構(gòu)成的物質(zhì)，主要物理特征是空隙尺寸極其微小，比表面積數(shù)值很大。為燃料與空氣/氧氣的平穩(wěn)燃燒、尾氣滲流提供空間，有效地增加尾氣回流時的換熱面積并吸收燃燒產(chǎn)生的高溫尾氣的熱量。
[0023]多孔介質(zhì)填充在燃燒器噴嘴頂部的混合燃燒腔內(nèi)的指定位置。所選用的多孔介質(zhì)可以是泡沫金屬、泡沫陶瓷、金屬纖維中的一種或多種組合。
[0024]可在下孔板和上孔板位置上安置催化床，提高燃料轉(zhuǎn)化率，使尾氣中殘余的燃料得到充分轉(zhuǎn)化。所選用的催化劑可以是二氧化鋯基、三氧化二鋁基的金屬鉑、金屬鈀、金屬銥中的一種或多種組合。
[0025]靜態(tài)混合器是由流體管和螺旋片構(gòu)成，流體管內(nèi)放置螺旋片，相鄰單元雙孔道的方位錯位。，單元之間設(shè)有流體再分配室。利用固定在管內(nèi)的螺旋片造成管內(nèi)流體湍流狀態(tài)，使流體良好分散。靜態(tài)混合器以管束形式分布在燃燒器噴嘴頂部的混合燃燒腔內(nèi)的指定位置，為尾氣提供滲流空間，制造尾氣湍流狀態(tài)使得尾氣內(nèi)的不同流體如二氧化碳、一氧化碳、水蒸氣等之間良好分散，增加尾氣回流時的換熱面積，提高換熱效率并吸收燃燒產(chǎn)生的高溫尾氣的熱量。
[0026]換熱盤管是管殼式換熱器的一種，主要由內(nèi)部換熱管，換熱器管壁，上下端口組件等組成。在諸多增大換熱面積的方式中，增大同樣大小的換熱面積，該方式所占空間最小。換熱盤管通過上下端口組件安裝固定在燃燒器噴嘴頂部的混合燃燒腔內(nèi)的指定位置，為尾氣提供滲流空間，增加尾氣回流時的換熱面積，提高換熱效率并吸收燃燒產(chǎn)生的高溫尾氣的熱量。
[0027]尾氣回流換熱套管安裝在燃燒器外部，頂部連接尾氣回收管，用以將燃燒器、尾氣逆流換熱套管組件、集水與抽水系統(tǒng)中的各個部件套裝在其內(nèi)部，使三組系統(tǒng)安裝組成一個整體。
[0028]氣水分離后的尾氣經(jīng)尾氣回收管回收排放到地表指定位置。
[0029]集水與抽水系統(tǒng)是由具有水槽的集水器、抽水管以及地面的抽水泵組成，用以收集尾氣中的水蒸氣并排到地表。
[0030]具有水槽的集水器為仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過集水器內(nèi)表面自然冷卻吸收尾氣中的大量水蒸汽，即將尾氣中的大量水蒸氣冷凝成液態(tài)水珠并匯聚到水槽中；集水器外表面將尾氣在尾氣回收管排放過程中冷卻回落的水匯聚到水槽中。集水器的水槽貯水空間大，足夠收集燃料燃燒后生成尾氣中的水。當水槽內(nèi)水量達到預(yù)定量時，水槽內(nèi)電磁閥自動開啟，地面的抽水泵將水槽中的水抽出。
[0031]集水與抽水系統(tǒng)放置在下孔板頂部，在集水與抽水系統(tǒng)頂部安裝上孔板，采用法蘭連接將含有水槽的集水器安裝在尾氣逆流換熱套管組