本发明专利技术公开了一种井内蓄热式燃烧加热装置，其包括燃烧加热器、回流换热介质、集水与抽水系统、外加流体注入管、外部套管和地面监测控制系统。燃烧加热器包括燃烧加热器壳体、烧嘴芯、燃料与空气输送管、换热器、辐射管和燃烧腔，集水与抽水系统包括含水槽的集水器与抽水泵。燃气与空气混合物经过燃料与空气输送管送到燃烧加热器的密封燃烧腔体内燃烧，不与井下的地层外界环境直接接触。本发明专利技术可以作为加热体井下地层进行直接加热，也可在井下对外加流体进行加热，实现对地层进行过热蒸汽开采、热气体开采。系统经优化可用于油页岩层、冻土可燃冰等储层中有机质的转化与开采。
【技术实现步骤摘要】
一种井内蓄热式燃烧加热装置
本专利技术涉及一种井内蓄热式燃烧加热装置，具体为一种井内蓄热式燃烧加热目标岩层或外加流体的系统。
技术介绍
油气资源可分为常规资源、非常规资源两种基本类型，常规-非常规油气“有序聚集、空间共生”。21世纪，在新理论与新技术创新推动下，全球非常规油气勘探开发不断获得重大突破，其中，油页岩、天然气水合物等成为非常规油气发展的重点领域。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，可分为传导加热（电加热、燃烧加热）、流体对流加热和辐射加热：壳牌公司的ICP技术采取电加热方式。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燃料，然后再从生产井将油气运用传统的采油方法将其抽汲到地面。采取原位燃烧加热技术的有：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。雪弗龙的Crush技术采取流体对流加热方式，这种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。美国雷神公司的RF/CF技术采取辐射加热方式，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。油页岩原位加热技术的优点是省略了将油页岩从地下开采到地面上的这一过程；缺点是加热速率低，对热量的利用率低，对设备性能要求高，成本高，且一些技术现处于试验阶段无法具体在施工中实现。因此需要一种易于控制的加热方法，能突破商业性开发利用的瓶颈。本专利技术所采用的燃烧加热装置可以作为加热体对井下目标地层直接进行加热，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，即可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燃烧加热装置利用清洁的燃料，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。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蓄热式燃烧加热装置。本专利技术包括燃烧加热器、集水与抽水系统、外加流体注入管、外部套管和地面监测控制系统；燃烧加热器包括燃烧加热器壳体、烧嘴芯、燃料与空气输送管、换热器、辐射管、燃烧腔、尾气回收管和回流换热介质；烧嘴芯是由烧嘴芯壳体、燃料管、火焰盘、点火器与火焰探测电极组成；集水与抽水系统包括含水槽的集水器与抽水泵；燃烧加热器壳体，其内部用以定位安装烧嘴芯，外部用以固定辐射管，可以将烧嘴芯、换热器、辐射管等部件组合成一个整体，集成供料燃烧、尾气回流、交换热量等多种功能，有效地节省了部件对空间的需要，提高燃烧氧化率，降低燃料消耗。燃料管，一端安装在烧嘴芯壳体底部，另一端连接到火焰盘底部，火焰盘固定在烧嘴芯壳体内的前端。烧嘴芯壳体用以安装固定火焰盘、燃料管、点火器与火焰探测电极，为燃料与空气点燃提供空间。火焰盘安装在烧嘴芯壳体内的前端，火焰盘上接点火器与火焰探测电极，以在此处点燃燃料与空气混合物。火焰盘上设有大小各异的进气孔保证燃烧时所需的空气量，其外侧采取旋流叶片设计，使得空气在进入燃烧腔时能产生较好的旋转动量，使空气在此与燃料良好混合，有效地控制空气/燃料气混合速度，防止混合太快造成火焰过短，形成局部高温，或混合太慢造成火焰过长；点火器用以点燃燃料与空气混合物，安装在火焰盘上。点火器主要包括供电电源、起动、复位、故障、运行等节点及点火变压器等设备，经过四个接触器即起动信号、燃料点火压力低信号、燃料点火压力高信号和空气压力低信号连接到地面监测控制系统。火焰探测电极安置在火焰盘上。当烧嘴主火焰正常运行后，一直处于工作状态，检测主火焰状态，即火焰探测器检测火焰反馈点。当火焰探测器检测到火焰正常后，输出信号到地面监测控制系统。燃料与空气输送管为双管同轴结构。燃料与空气输送管的内管通燃料，燃料与空气输送管的内管与烧嘴芯内燃料管连接；燃料与空气输送管的外管通空气，燃料与空气输送管的外管安装于燃烧加热器壳体顶部并与烧嘴芯连通。燃料与空气输送管用以将燃料与空气送入到烧嘴芯内并在火焰盘处混合点燃。换热器同轴安装在烧嘴芯前端、辐射管内部。换热器采取最佳化表面球状设计，用以获得最高的换热效率及最低的阻力。换热器采取特殊的翅片设计，扩大换热面积，提高换热效率。所用换热器的材料可以是耐高温陶瓷、耐高温合金中的一种。辐射管同轴套在换热器外部并采取法兰连接安装在燃烧加热器壳体底部，用以引导尾气回流、吸收尾气中的热量并将热量传递给相应位置的回流换热介质。当采用直接加热目标地层的方法时，辐射管直接用作加热体加热目标岩层；当采用加热由外加流体注入管送来的流体间接加热目标岩层的方法时，辐射管将热量传递给外部的回流换热介质并回流换热介质加热外加流体。同时，尾气在辐射管内回流有效地防止了燃烧过程中产生的尾气对环境的污染。燃烧腔分布于火焰盘前端与换热器之间，为平稳燃烧提供空间。尾气回收管同轴安装在燃烧加热器壳体顶部、燃料与空气输送管外部。由于燃烧腔内排烟阻力大，用以强制排烟，同时将尾气余热传递给燃料与空气输送管，预热燃料与空气，提高能量利用率，且烟气热交换后温度降低便于排放。回流换热介质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，回流换热介质填充在烧嘴芯壳体与辐射管、换热器与辐射管、外部套管与辐射管的环状间隙内，用以降低燃烧加热器热量损失、提高外加流体对燃烧加热器产生热量的使用率。多孔介质可以是泡沫金属、泡沫陶瓷、金属纤维等材料中的一种或多种组成。静态混合器，以管束形式分布，管内按照规律分布螺旋片。换热盘管为3-5根依照径向等间距、轴向同轴、整体螺旋分布。温度传感器安装在燃烧腔内，温度传感器与地面监测控制系统连接；温度传感器将数据提供给地面监测控制系统。燃烧加热器所采用的燃料与空气，经过燃料与空气输送管通入到密封的燃烧腔内按比例混合燃烧，不与井下的地层环境直接接触。所述的燃料可以是甲烷、天然气、液化石油气、煤气、页岩气、汽油、柴油中的至少一种。集水与抽水系统是由含水槽的集水器和抽水泵组成，用以收集尾气中的水蒸气并排到地表。含水槽的集水器同轴安装在燃料与空气输送管外部、尾气回收管内部、燃烧加热器上端。集水器底部喷孔将尾气引射进集水器外环空，引导尾气进入气水分离部件的入口，在气水分离部件内壁产生高速螺旋气流，利用离心力将冷凝水收集到回收顶板顶部并由其将冷凝水引导到集水器底部的水槽。分离后的冷凝水到达一定量后，电控阀开启抽水泵经集水器连接的抽水管将水抽出。分离后的尾气，经由集水器底部的径向孔通入尾气回收管，经由尾气回收泵抽出。集水器本体是封闭结构，没有更换元件，无须维护，能够有效地将燃料燃烧后形成的尾气中含有的大量水蒸气，冷凝成液态水珠并汇聚到水槽中。外加流体注入管穿过封隔器，用以向进入到辐射管与外部套管之间的回流换热介质输送可本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种井内蓄热式燃烧加热装置，其特征在于：包括燃烧加热器（1）、集水与抽水系统（2）、外加流体注入管（3）、外部套管（4）和地面监测控制系统（5）；燃烧加热器（1）包括燃烧加热器壳体（23）、烧嘴芯（24）、燃料与空气输送管（6）、换热器（25）、辐射管（26）、燃烧腔（28）、尾气回收管（20）和回流换热介质（27）；烧嘴芯（24）是由烧嘴芯壳体（29）、燃料管（30）、火焰盘（31）、点火器（8）与火焰探测电极（9）组成；集水与抽水系统（2）包括含水槽的集水器（34）与抽水泵（18）；燃烧加热器壳体（23），内部用以定位安装烧嘴芯（24），外部用以固定辐射管（26），把烧嘴芯（24）、换热器（25）、辐射管（26）等部件组合成一个整体；燃料管（30）一端安装在烧嘴芯壳体（29）底部，另一端连接到火焰盘（31）底部，火焰盘（31）固定在烧嘴芯壳体（29）内的前端；烧嘴芯壳体（29）用以安装固定火焰盘（31）、燃料管（30）、点火器（8）与火焰探测电极（9），为燃料与空气点燃提供空间；火焰盘（31）安装在烧嘴芯（24）壳体内的前端，火焰盘（31）上接点火器（8）与火焰探测电极（9），用以在此处点燃燃料与空气混合物；点火器（8）用以点燃燃料与空气混合物，点火器（8）安置在火焰盘（31）上；火焰探测电极（9）安置在火焰盘（31）上；燃料与空气输送管（6）为双管同轴结构；燃料与空气输送管（6）的内管通燃料，燃料与空气输送管（6）的内管与烧嘴芯（24）内燃料管（30）连接；燃料与空气输送管（6）的外管通空气，燃料与空气输送管（6）的外管安装于燃烧加热器壳体（23）顶部并与烧嘴芯（24）连通；燃料与空气输送管（6）用以将燃料与空气送入到烧嘴芯（24）内并在火焰盘（31）处混合点燃；换热器（25）同轴安装在烧嘴芯（24）前端、辐射管（26）内部；辐射管（26）同轴套在换热器（25）外部并采取法兰连接安装在燃烧加热器壳体（23）底部，用以引导尾气回流、吸收尾气中的热量并将热量传递给相应位置的回流换热介质（27）；当采用直接加热目标地层的方法时，辐射管（26）直接用作加热体加热目标岩层；当采用加热由外加流体注入管（3）送来的流体间接加热目标岩层的方法时，辐射管（26）将热量传递给外部的回流换热介质（27）并回流换热介质（27）加热外加流体；燃烧腔（28）分布于火焰盘（31）前端与换热器（25）之间，为平稳燃烧提供空间；尾气回收管（20）同轴安装在燃烧加热器壳体（23）顶部、燃料与空气输送管（6）外部；回流换热介质（27）填充在烧嘴芯壳体（29）与辐射管（26）、换热器（25）与辐射管（26）、外部套管（4）与辐射管（26）的环状间隙内；温度传感器（7）安装在燃烧腔（28）内，温度传感器（7）与地面监测控制系统（5）连接；集水与抽水系统（2）是由含水槽的集水器（34）和抽水泵（18）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（34）同轴安装在燃料与空气输送管（6）外部、尾气回收管（20）内部、燃烧加热器上端；外加流体注入管（3）穿过封隔器（22），用以向进入到辐射管（26）与外部套管（4）之间的回流换热介质（27）输送可加热的流体；流体通过外加流体注入管（3）通入到辐射管（26）与外部套管（4）之间的回流换热介质（27），加热后的流体由流体导流管底部离开燃烧加热器（1）并经过冲缝筛管（32）的孔隙通入目标岩层；燃烧加热器（1）与外部套管（4）之间填充回流换热介质（27）；外部套管（4）下入井内，位置在井用烧嘴加热系统井下组合的外部；当采用在井下对外加流体进行加热时，在外部套管（4）底部安装有冲缝筛管（32），在冲缝筛管（32）内部设置温度传感器（33）；地面监测控制系统（5）是由井下燃烧腔（28）的温度传感器（7）、气体温度传感器（33）、点火器（8）、火焰探测电极（9）的控制系统、流量计、第一电控阀门及流量计（13）、第二电控阀门及流量计（14）、第三电控阀门及流量计（16）、泵、空压机（12）的电力系统组成，地面监测控制系统（5）可以实时监测关键的温度和流量数据，并实时作出调整。...
【技术特征摘要】
1.一种井内蓄热式燃烧加热装置，其特征在于：包括燃烧加热器(1)、集水与抽水系统、外加流体注入管(3)、外部套管(4)和地面监测控制系统；燃烧加热器(1)包括燃烧加热器壳体(23)、烧嘴芯、燃料与空气输送管(6)、换热器(25)、辐射管(26)、燃烧腔(28)、尾气回收管(20)和回流换热介质(27)；烧嘴芯是由烧嘴芯壳体(29)、燃料管(30)、火焰盘(31)、点火器(8)与火焰探测电极(9)组成；集水与抽水系统包括含水槽的集水器(34)与抽水泵；燃烧加热器壳体(23)，内部用以定位安装烧嘴芯，外部用以固定辐射管(26)，把烧嘴芯、换热器(25)、辐射管(26)组合成一个整体；燃料管(30)一端安装在烧嘴芯壳体(29)底部，另一端连接到火焰盘(31)底部，火焰盘(31)固定在烧嘴芯壳体(29)内的前端；烧嘴芯壳体(29)用以安装固定火焰盘(31)、燃料管(30)、点火器(8)与火焰探测电极(9)，为燃料与空气点燃提供空间；火焰盘(31)上接点火器(8)与火焰探测电极(9)；点火器(8)用以点燃燃料与空气混合物，点火器(8)安置在火焰盘(31)上；火焰探测电极(9)安置在火焰盘(31)上；燃料与空气输送管(6)为双管同轴结构；燃料与空气输送管(6)的内管通燃料，燃料与空气输送管(6)的内管与烧嘴芯内燃料管(30)连接；燃料与空气输送管(6)的外管通空气，燃料与空气输送管(6)的外管安装于燃烧加热器壳体(23)顶部并与烧嘴芯连通；燃料与空气输送管(6)用以将燃料与空气送入到烧嘴芯内并在火焰盘(31)处混合点燃；换热器(25)同轴安装在烧嘴芯前端、辐射管(26)内部；辐射管(26)同轴套在换热器(25)外部并采取法兰连接安装在燃烧加热器壳体(23)底部，用以引导尾气回流、吸收尾气中的热量并将热量传递给相应位置的回流换热介质(27)；当采用直接加热目标地层的方法时，辐射管(26)直接用作加热体加热目标岩层；当采用加热由外加流体注入管(3)送来的外加流体间接加热目标岩层的方法时，辐射管(26)将热量传递给外部的回流换热介质(27)，并且回流换热介质(27)加热外加...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙友宏，何里，邓孙华，郭威，刘宝昌，李强，马银龙，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22
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