一种井内油页岩层燃烧加热系统技术方案

本发明专利技术公开一种井内油页岩层燃烧加热系统，本发明专利技术能实现50-800℃的加热范围。包括地面监测与控制系统、井内燃烧与尾气逆流换热系统、外加流体注入管和外部套管。本发明专利技术运行时，燃料经过燃烧器套管在密封的燃烧腔体内燃烧，不与井下的外界地层环境直接接触。本发明专利技术可以作为加热体对井下地层进行直接加热，也可在井下加热外加的流体介质再对地层进行渗透传热传质，可实现对地层进行热气体开采、过热蒸汽开采、近/超临界流体开采。本发明专利技术可用于油页岩储层中的有机质进行原位转化与开采。

【技术实现步骤摘要】
一种井内油页岩层燃烧加热系统
本专利技术涉及一种井内油页岩层燃烧加热系统，具体为一种井内燃烧加热器。
技术介绍
对于油页岩储层中的有机质进行原位转化与开采，又被称为地下干馏工艺，即直接对地下的油页岩进行干馏，从而使油气通过生产井直接从地下导出至地面上。根据加热方式不同，主要分为传导加热(电加热、燃烧加热)、流体对流加热和辐射加热。目前采取电加热方式的技术最典型的就是壳牌公司的ICP技术，这项技术采用垂直钻井法，将电加热器经钻孔放置到油页岩矿层内，利用热传导作用加热油页岩层，将油页岩中的干酪根转化为高品质的油气产物，然后运用传统的采油方法将这些油气产物抽至地面。此项技术能够在表面较小的地面上生成较多原油和天然气。采取原位燃烧加热技术的主要有：美国埃克森美孚提出采用注入烃类物质作为循环流体的地下加热方式；通用电气公司提出利用燃料和氧气燃烧器加热导管和空气在地下燃烧器的加热方式。采用流体对流加热方式的原位转化技术有太原理工大学的对流加热技术，其利用高温烃类气体对油页岩层进行加热，该技术需要先对岩层进行压裂，然后将烃类气体加热到400～700℃后注入到油页岩矿层，通过对流换热方式对油页岩层加热。热解产生油气后，进行采集，将其中一部分烃类气体继续通入储罐，升温加压后重复对岩层加热。同样，雪弗龙的Crush技术也采取了流体对流加热方式，该技术首先需要对页岩层行爆破压裂，利用高温CO2对油页岩层进行加热，并将油气等产物通过垂直井导出。采取辐射加热方式的技术主要有：美国伊利诺理工大学和劳伦斯利物莫国家实验室提出并开发的LLNL射频技术，采用改进的无线射频加热方式对对油页岩进行加热，具有穿透力强，容易控制，缩短了热扩散的时间；雷神公司的RF/CF技术，是另一项利用射频技术加热、超临界流体作载体，对油页岩层进行加热的技术。首先在油页岩岩层中布置射频发射装置，对油页岩进行加热，然后将超临界CO2注入到开采岩层中，油页岩热解生成的气体被驱散至采油井。在地面将CO2气体分离继续注回井中，同时将油页岩热解产生油和气体提取出来。这些原位加热技术免去了将油页岩从地下开采到地面上这一过程，但仍存在热量利用率低，加热效率地下以及成本高、安装操作不便等一系列问题，诸多技术现仍处于试验阶段无法具体在施工中实现。因此需要一种加热效率高、易于控制的加热方法，以解决目前油页岩原位转化技术难以实现的难题。本专利技术中的加热器集成多种加热功能，所采用的加热器可以作为加热体对地下油页岩层直接进行加热，也可在井下加热外加的流体介质再对地下油页岩层进行渗透传热传质。可实现对地层进行热气体开采、过热蒸汽开采、近/超临界流体开采。本专利技术所采用的加热方法主要用于对油页岩储层中的有机质进行原位转化与开采。该加热方法利用清洁的燃料，能够实现将相当大的热量从该装置受控制地传送至储层中，在密封的燃烧腔体内燃烧，不与井下的外界地层环境直接接触，不污染环境，提高了加热速率及对热量的利用率，最大限度地增加烃回收的效率。本专利技术也可用于重油、油砂、可燃冰等资源的开采。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种井内油页岩层燃烧加热系统。本专利技术能实现50-800℃的加热范围。本专利技术包括地面监测与控制系统、井内燃烧与尾气逆流换热系统、外加流体注入管和外部套管；井内燃烧与尾气逆流换热系统包括燃烧器、尾气逆流换热套管组件、集水与抽水系统；燃烧器包括点火器、火焰探测电极、燃料与空气/氧气套管、燃烧器喷嘴和混合燃烧腔；尾气逆流换热套管组件包括有尾气回流换热套管、下孔板、上孔板、湍流换热装置和尾气回收管，湍流换热装置包括有多孔介质填充物、静态混合器、换热盘管、催化床；集水与抽水系统包括有水槽的集水器、抽水管以及地面的抽水泵；井内燃烧加热系统可以作为加热体对井下地层进行直接加热，也可在井下加热外加的流体介质再对地层进行渗透传热传质，可实现对地层进行热气体开采、过热蒸汽开采、近/超临界流体开采。本专利技术可用于油页岩层储层中的有机质进行原位转化与开采。井内燃烧与尾气逆流换热系统集成了燃料的燃烧加热、高温尾气热量回收与利用、尾气中的水的地表排放等多种功用。燃烧器的点火器与火焰探测电极用以点燃混合燃烧腔内的燃料与空气/氧气混合物，点火器与火焰探测电极安置在混合燃烧腔内靠近燃烧器喷嘴的指定位置，点火器与火焰探测电极的电源接至地面监测与控制系统，便于控制。燃烧器的燃料与空气/氧气套管由双管内外同轴安装在导流器上组合而成。内管中空气/氧气穿过内管及导流器壳体内部通入混合燃烧腔；外管中燃料穿过外管及导流器壳体上孔道通入混合燃烧腔。燃料与空气/氧气套管双管同轴组合对应连接在燃料与空气/氧气套管顶端。导流器用以同轴定位安装燃料与空气/氧气套管，导流器壳体内的通道用以将来自内管的空气/氧气通入混合燃烧腔，用来增加空气/氧气轴向流速，提高对燃料的引射作用，导流器壳体上的孔道用以将来自外管的燃料通入燃烧器喷嘴。燃烧器喷嘴为旋流喷嘴设计，使得燃料在进入混合燃烧腔时能产生较好的旋转动量，有效地控制空气/燃料气混合速度，防止混合过快或过慢。燃烧器喷嘴同轴安装在燃料与空气/氧气套管的外部、燃料与空气/氧气套管的导流器的顶部。混合燃烧腔分布在燃烧器喷嘴的顶部空间，为燃料与空气/氧气良好混合及平稳燃烧提供空间。温度传感器安装在混合燃烧腔内的指定位置，温度传感器用以将数据提供给地面监测与控制系统。燃烧器所采用的燃料与空气/氧气经过燃料与空气/氧气套管通入到密封的混合燃烧腔内，经混合后燃烧，不与井下的地层环境直接接触。所用燃料可以是甲烷、天然气、液化石油气、煤气、页岩气、汽油、柴油中的至少一种。高温尾气通过尾气逆流换热套管组件时将燃烧器产生的热量传递给湍流换热装置，再由湍流换热装置将热量传递给尾气回流换热套管外部的流体或直接传递给外界地层环境。同时，经尾气回收管将气水分离后的尾气回收排放到地表指定位置，防止污染。湍流换热装置选用多孔介质填充物、静态混合器、换热盘管中的一种或多种组合，极大的增加了尾气回流时的换热面积，吸收燃烧产生的高温尾气的热量，提高换热效率。多孔介质填充物是由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所构成的物质，主要物理特征是空隙尺寸极其微小，比表面积数值很大。为燃料与空气/氧气的平稳燃烧、尾气渗流提供空间，有效地增加尾气回流时的换热面积并吸收燃烧产生的高温尾气的热量。多孔介质填充物填充在燃烧器喷嘴顶部的混合燃烧腔内的指定位置。所选用的多孔介质填充物可以是泡沫金属、泡沫陶瓷、金属纤维中的一种或多种组合。可在下孔板和上孔板位置上安置催化床，提高燃料转化率，使尾气中残余的燃料得到充分转化。所选用的催化剂可以是二氧化锆基、三氧化二铝基的金属铂、金属钯、金属铱中的一种或多种组合。静态混合器是由流体管和螺旋片构成，流体管内放置螺旋片，相邻单元双孔道的方位错位°，单元之间设有流体再分配室。利用固定在管内的螺旋片造成管内流体湍流状态，使流体良好分散。静态混合器以管束形式分布在燃烧器喷嘴顶部的混合燃烧腔内的指定位置，为尾气提供渗流空间，制造尾气湍流状态使得尾气内的不同流体如二氧化碳、一氧化碳、水蒸气等之间良好分散，增加尾气回流时的换热面积，提高换热效率并吸收燃烧产生的高温尾气的热量。换热盘管是管壳式换热器的一种，主要由内部换热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种井内油页岩层燃烧加热系统，其特征在于：包括地面监测与控制系统（1）、井内燃烧与尾气逆流换热系统（2）、外加流体注入管（6）和外部套管（7）；井内燃烧与尾气逆流换热系统（2）包括燃烧器（3）、尾气逆流换热套管组件（4）、集水与抽水系统（5）；燃烧器（3）包括点火器（18）、火焰探测电极（19）、燃料与空气/氧气套管（25）、燃烧器喷嘴（28）和混合燃烧腔（29）；尾气逆流换热套管组件（4）包括有尾气回流换热套管（31）、下孔板32、上孔板33、湍流换热装置（30）和尾气回收管（16），湍流换热装置（30）包括有多孔介质填充物（34）、静态混合器（36）、换热盘管（39）、催化床（35）；集水与抽水系统（5）包括含水槽的集水器（26）、抽水管（15）以及地面的抽水泵（13）；燃烧器（3）的点火器（18）与火焰探测电极（19）用以点燃混合燃烧腔（29）内的燃料与空气/氧气混合物，点火器（18）与火焰探测电极（19）安置在混合燃烧腔（29）内靠近燃烧器喷嘴（28）的指定位置，点火器（18）与火焰探测电极（19）的电源接至地面监测与控制系统（1）；燃烧器（3）的燃料与空气/氧气套管（25）由双管内外同轴安装在导流器（27）上组合而成；内管中空气/氧气穿过内管及导流器（27）壳体内部通入混合燃烧腔（29）；外管中燃料穿过外管及导流器（27）壳体上孔道通入混合燃烧腔（29）；燃料与空气/氧气输送管（8）双管同轴组合对应连接在燃料与空气/氧气套管（25）顶端；导流器（27）用以同轴定位安装燃料与空气/氧气套管（25），导流器（27）壳体内的通道用以将来自内管的空气/氧气通入混合燃烧腔（29），用来增加空气/氧气轴向流速，提高对燃料的引射作用，导流器（27）壳体上的孔道用以将来自外管的燃料通入燃烧器喷嘴（28）；燃烧器喷嘴（28）为旋流设计，燃烧器喷嘴（28）同轴安装在燃料与空气/氧气套管（25）的外部、燃料与空气/氧气套管（25）的导流器（27）的顶部；混合燃烧腔（29）为分布在燃烧器喷嘴（28）的顶部空间，为燃料与空气/氧气良好混合及平稳燃烧提供空间；温度传感器（17）安装在混合燃烧腔（29）内的指定位置，温度传感器（17）用以将数据提供给地面监测与控制系统（1）；燃烧器（3）所采用的燃料与空气/氧气经过燃料与空气/氧气套管（25）通入到密封的混合燃烧腔（29）内，经混合后燃烧，不与井下的地层环境直接接触；高温尾气通过尾气逆流换热套管组件（4）时将燃烧器（3）产生的热量传递给湍流换热装置（30），再由湍流换热装置（30）将热量传递给尾气回流换热套管（31）外部的流体或直接传递给外界地层环境；同时，经尾气回收管（16）将气水分离后的尾气回收排放到地表，防止污染；湍流换热装置（30）选用多孔介质（34）、静态混合器（36）、换热盘管（39）中的一种或多种组合；多孔介质（34）填充在燃烧器喷嘴（28）顶部的混合燃烧腔（29）内；静态混合器（36）是由流体管（38）和螺旋片（37）构成，流体管（38）内放置螺旋片（37），相邻单元双孔道的方位错位90°，单元之间设有流体再分配室；利用固定在管内的螺旋片（37）造成管内流体湍流状态，使流体良好分散；静态混合器（36）以管束形式分布在燃烧器喷嘴（28）顶部的混合燃烧腔（29）内的指定位置，为尾气提供渗流空间；换热盘管（39）是管壳式换热器的一种，主要由内部换热管、换热器管壁和上下端口组件组成，换热盘管（39）通过上下端口组件安装固定在燃烧器喷嘴（28）顶部的混合燃烧腔（29）内，为尾气提供渗流空间，增加尾气回流时的换热面积，提高换热效率并吸收燃烧产生的高温尾气的热量；尾气回流换热套管（31）安装在燃烧器（3）外部，顶部连接尾气回收管（16），用以将燃烧器（3）、尾气逆流换热套管组件（4）、集水与抽水系统（5）中的各个部件套装在其内部，使三组系统安装组成一个整体；气水分离后的尾气经尾气回收管（16）回收排放到地表；集水与抽水系统（5）是由含水槽的集水器（26）、抽水管（15）以及地面的抽水泵（13）组成，用以收集尾气中的水蒸气并排到地表；含水槽的集水器（26），通过其内表面自然冷却吸收尾气中的大量水蒸汽；集水器（26）外表面将尾气在尾气回收管（16）排放过程中冷却回落的水汇聚到水槽中；集水器（26）的水槽贮水空间大，足够收集燃料燃烧后生成尾气中的水；当水槽内水量达到预定量时，水槽内电磁阀自动开启，地面的抽水泵（13）将水槽中的水抽出；集水与抽水系统（5）放置在下孔板（32）顶部，在集水与抽水系统（5）顶部安装上孔板（33），采用法兰连接将含水槽的集水器（26）安装在尾气逆流换热套管组件（4）内部偏上的位置，且预先在下孔板32和上孔板33位置上安置催化床；由地面的抽水泵（13）将水槽中的水抽出；最后以尾...

【技术特征摘要】
1.一种井内油页岩层燃烧加热系统，其特征在于：包括地面监测与控制系统(1)、井内燃烧与尾气逆流换热系统(2)、外加流体注入管(6)和外部套管(7)；井内燃烧与尾气逆流换热系统(2)包括燃烧器(3)、尾气逆流换热套管组件(4)、集水与抽水系统(5)；燃烧器(3)包括点火器(18)、火焰探测电极(19)、燃料与空气/氧气套管(25)、燃烧器喷嘴(28)和混合燃烧腔(29)；尾气逆流换热套管组件(4)包括有尾气回流换热套管(31)、下孔板（32）、上孔板（33）、湍流换热装置(30)和尾气回收管(16)，湍流换热装置(30)包括有多孔介质填充物(34)、静态混合器(36)、换热盘管(39)、催化床(35)；集水与抽水系统(5)包括含水槽的集水器(26)、抽水管(15)以及地面的抽水泵(13)；燃烧器(3)的点火器(18)与火焰探测电极(19)用以点燃混合燃烧腔(29)内的燃料与空气/氧气混合物，点火器(18)与火焰探测电极(19)安置在混合燃烧腔(29)内靠近燃烧器喷嘴(28)的指定位置，点火器(18)与火焰探测电极(19)的电源接至地面监测与控制系统(1)；燃烧器(3)的燃料与空气/氧气套管(25)由双管内外同轴安装在导流器(27)上组合而成；内管中空气/氧气穿过内管及导流器(27)壳体内部通入混合燃烧腔(29)；外管中燃料穿过外管及导流器(27)壳体上孔道通入混合燃烧腔(29)；燃料与空气/氧气套管(25)双管同轴组合对应连接在燃料与空气/氧气套管(25)顶端；导流器(27)用以同轴定位安装燃料与空气/氧气套管(25)，导流器(27)壳体内的通道用以将来自内管的空气/氧气通入混合燃烧腔(29)，用来增加空气/氧气轴向流速，提高对燃料的引射作用，导流器(27)壳体上的孔道用以将来自外管的燃料通入燃烧器喷嘴(28)；燃烧器喷嘴(28)为旋流设计，燃烧器喷嘴(28)同轴安装在燃料与空气/氧气套管(25)的外部、燃料与空气/氧气套管(25)的导流器(27)的顶部；混合燃烧腔(29)为分布在燃烧器喷嘴(28)的顶部空间，为燃料与空气/氧气良好混合及平稳燃烧提供空间；温度传感器(17)安装在混合燃烧腔(29)内的指定位置，温度传感器(17)用以将数据提供给地面监测与控制系统(1)；燃烧器(3)所采用的燃料与空气/氧气经过燃料与空气/氧气套管(25)通入到密封的混合燃烧腔(29)内，经混合后燃烧，不与井下的地层环境直接接触；高温尾气通过尾气逆流换热套管组件(4)时将燃烧器(3)产生的热量传递给湍流换热装置(30)，再由湍流换热装置(30)将热量传递给尾气回流换热套管(31)外部的流体或直接传递给外界地层环境；同时，经尾气回收管(16)将气水分离后的尾气回收排放到地表，防止污染；湍流换热装置(30)选用多孔介质填充物(34)、静态混合器(36)、换热盘管(39)中的一种或多种组合；多孔介质填充物(34)填充在燃烧器喷嘴(28)顶部的混合燃烧腔(29)内；静态混合器(36)是由流体管(38)和螺旋片(37)构成，流体管(38)内放置螺旋片(37)，相邻单元双孔道的方位错位90°，单元之间设有流体再分配室；利用固定在管内的螺旋片(37)造成管内流体湍流状态，使流体良好分散；静态混合器(36)以管束形式分布在燃烧器喷嘴(28)顶部的混合燃烧腔(29)内的指定位置，为尾气提供渗流空间；换热盘管(39)是管壳式换热器的一种，主要由内部换热管、换热器管壁和上下端口组件组成，换热盘...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙友宏，邓孙华，何里，郭威，李强，刘宝昌，马银龙，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22