CN101067372B - 用于石油热采注气机的高压混合气发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到用于石油热力开采的一种混合气体发生装置。该装置由头部、燃烧段、混合段组成。其特征在于设置了冷却水帽内部的螺旋环状冷却室结构，使头部能得到有效冷却。隔热套和冷却水套对燃烧室和燃烧段本体分别起到了隔热保温、预热、冷却、降温的多重效果；尤其是调温器的缩口衬套，有效地保证了燃烧室形成足够的压力场，从而极大地提高了燃料的燃烧反应速度。该装置的作用就是使用柴油为燃料，以压缩空气为氧化剂，燃烧后产生高温高压的烟气，喷水进行调温后，产生主要由N₂、CO₂和水蒸汽组成的混合气体，注入油井用于石油热力开采。该装置应用于油田，可创造出一种能够有效替代以高压蒸汽锅炉为技术特征的石油蒸汽热采工艺。

Description

用于石油热采注气机的高压混合气发生装置

技术领域：

本发明涉及到用于石油热采注气机的高压混合气发生装置。该装置利用轻柴油与压缩空气燃烧后产生的高温高压烟气与水相混合，从而产生温度、湿度可视要求调节的主要由N₂、CO₂、水蒸汽(H₂O)组成的混合气。该装置主要应用于石油的热力开采，将该装置产生的混合气直接注入油井，可有效提高石油、特别是稠油的采收率，为一种替代传统的以高压蒸汽锅炉为技术特征的采油新工艺。

背景技术：

石油的开采工艺大致可分为一次采油、二次采油及多次采油。蒸汽采油则是典型的三次或多次采油工艺。蒸汽采油是利用热能的升温效应来降低原油的粘度，同时也在一定程度上增加油层的压力，从而提高油井的石油采收率。

从20世纪80年代初以来，我国油田运用蒸汽热采技术的实践表明，该技术较适用于800m以上地层中油层的低开采周期范围。其开采过程中，地层压力不断下降，当开采到了6～8周期以后，油井地层压力失去了70％～90％，即失去了热采所必需的势能，导致油井低采能，尤其是大量稠油井进入热采高周期后，因低于热采经济界限而被迫关井停采。

以高压蒸汽锅炉为技术特征的蒸汽热采工艺还存在许多不足。例如：排烟不仅造成较大热损失，还造成环境污染；设备投资及运行成本高；特别是整套设备的移动性极差，难以适应油井分散作业的要求。

针对蒸汽热采技术对热采高周期、深油层、粘稠油藏采收的不足，近些年又提出一种新的原油热采工艺技术——复合介质(即烟气水蒸汽的混合气)热采法，也称为气-汽热采，或简称为混合气热采。

为了克服上述不足，中国专利00210830.5《稠油热采蒸汽、燃气混合注气装置》，该专利与上述蒸汽锅炉热采技术相比，在各方面都有了很大的改观。但是，这种装置在结构设计方面仍然存在许多不足，给实际应用带来不少困难。例如：1、其燃烧室由内壁与外壁夹套构成，夹套中设有螺旋型冷却水槽，该冷却水槽与一个外冷却水闭路循环系统连接构成冷却系统，这种设计采用了直接冷却的结构，由于内壁直接面对燃烧室，容易被高温烟气烧蚀，由于冷却水槽内水温较高容易结垢，使冷却水流动不畅，甚至发生故障，由于直接冷却导致燃烧室温度较低(≤1300℃)，造成不易点火、燃烧不稳定、燃烧不完全(出口冒黑烟)等后果；2、处置冷却水闭路循环系统不仅使结构复杂化，增加了设备成本，而且浪费大量能源，即冷却水循环系统在正常工作情况下带走了许多热量，而这些热量又无法加以利用，如果不正常工作则将会引发事故等等。

中国专利03278103.2《石油热采混合气注气装置》、中国专利200420054883.6《多功能高压高效燃烧器》该两项专利技术相比，在燃烧效率，系统热效率、制造与运行成本、运行的可靠性、使用寿命、使用的机动性等诸多方面都有了较大改观，但是经实践证明，其结构设计及材料使用上也存在一些不足之处：1、在油井背压较高的条件下，燃烧室中火焰高温中心逐渐移向头部的迎火面，容易导致头部被烧损(如迎火端面、点火器点火头，油喷嘴雾化器等)；2、燃烧室耐火内衬在高温高压(2000℃、16MPa)下容易产生爆裂、剥蚀现象，导致耐火内衬的使用效果显著下降，因而使燃烧器(或注气器)的使用寿命大大缩短(有时不足一个注气工作日)；3、在燃烧室出口即缩孔处采用的材料为高强度的耐冲蚀刚玉，但是在极度高温高压气流高速冲刷的条件下，这种材料还是容易产生剥蚀现象，从而影响燃烧器(或注气器)的正常运行；4、燃烧室出口即缩孔直径较大，或缩孔处耐冲蚀衬套剥蚀后导致缩口直径变大，均会导致燃烧室发生不易点火，或点火后燃烧不完全(发生器出口处冒黑烟)的现象，从而影响装置的使用效果，导致燃烧效率、热效率降低。

发明内容：

本发明的目的是提供一种结构合理、可靠性强、易于操作、使用期长(主要易损部件可以连续工作2400小时)、节能高效的用于石油热采注气机的高压混合气发生装置，可为石油尤其是稠油的开采创造出一种新的替代工艺。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于石油热力开采的高压混合气发生装置，由头部、燃烧段、混合段组成，头部与燃烧段一端相连结，燃烧段另一端与混合段相连结，头部形成燃烧段内部燃烧室的一侧端面，燃烧段包括夹套与燃烧室，燃烧室另一端即隔热套的下方是喷水调温器，调温器缩口即是燃烧段出口；其特征在于在头部设置了带螺旋环状冷却室的冷却水帽总成，其包括由冷却水槽连接而成经过头部的配风器、油喷嘴、点火器的外壁的冷却水通道。

在燃烧段内部燃烧室的下方设置了调温器缩口衬套，该缩口的出口侧即圆筒段长度为8-12mm，内径为6-14mm。由于调温器采用了喷水减温的独特方式，经过缩口的混合流体温度也大大降低(由约2000℃降低到350℃以下)，因此，缩口衬套可以采用耐受热应力性能极为优越的耐热金属，使用耐热金属可以保证在长期连续工作至少2400小时的条件下其技术尺寸不发生改变。

在燃烧段内设置的夹套由冷却水套和隔热套组成，冷却水套位于燃烧段本体内侧，冷却水套内侧为隔热套，冷却水套的出口与调温器的一组喷水孔相接。隔热套起隔热保温的作用，使燃烧室内的火焰温度维持在大约2000℃，冷却水套起冷却降温的作用，使燃烧段本体外表面温度保持在接近常温的水平。可保证燃料在燃烧室中稳定着火燃烧，同时又保证燃烧段本体的工作性能即使用寿命，从而保证了该装置可以高效、安全长期运行。

所述喷水调温器内侧圆锥面上沿燃烧室轴线方向设置有两组喷水孔，第一组(前端)与预热水套螺旋槽进口相接，第二组(后端)与调温器进口接头相接，所有喷水口均向缩口倾斜。

所述混合室消音罩与调温器相联结，消音罩上设有若干小孔，均沿切向布置，混合气体由缩口经消音罩进入混合室。高温高压高速运动的混合流体由缩口进入消音罩，一是起到了消音作用，二是起到了减振作用(消减压力波、速度波产生的高频喘振)，三是起到了强化烟气与减温水产生的水蒸汽的混合作用。这样的结构保证了该装置可安全稳定长期运行。

由于上述技术方案的应用，本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、由于头部内室采用了螺旋环状冷却室用水直接冷却的结构，大大降低了头部及其主要部件的工作温度。在正常运行时，头部外表面温度接近常温，手可以长时间触摸，有效地提高了该装置的工作稳定性、延长了持续工作周期，从而使该装置成为能够有效投放市场的定型产品。

2、由于燃烧段采用了隔热套和冷却水套的多重保护结构，尤其是隔热套的寿命大大高于现有的技术材料寿命，不仅大大延长了该装置的使用寿命，而且由于隔热套优异的耐热保温效果，使燃烧室的温度保持在大约2000℃的水平，这样就极大地提高了燃烧反应速度，使燃烧效率几乎达到100％，从而使该装置实现了高效、安全运行。

3、由于燃烧段采用了喷水调温器与燃烧室出口过渡连接的结构，燃烧段冷却水套的水作为调温器的一级喷水，头部冷却水帽的冷却水作为调温器的二级喷水(由头部冷却水出口经外接管道与调温器进口接头相连)，冷却水不仅对缩口衬套起到了有效的保护作用，从而保证了燃烧室的压力场，进一步保证燃烧室的充分燃烧，而且还实现了冷却水所含热量的回收利用，进一步提高了该装置的热效率，使该装置实现了高效、节能、安全运行。

4、由于混合段的消音罩直接消纳燃烧段出口的混合气流，极大地提高了消音减振的效果，并且强化了混合气的混合效果，使该装置实现了安全、稳定长期运行。

5、由于采用了头部冷却、燃烧段隔热保温预热、混合室调温等多项关键技术，使该装置能够在高温高压(2000℃、20MPa)工况下长期安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

1头部   2配风器   3油喷嘴   4冷却水帽   5点火器   6风帽   7燃烧段   8隔热套9冷却水套   10燃烧室   11调温器进口接头   12混合段   13消音罩   14混合室   15出口法兰   16缩口衬套   17调温器   18进口接头

具体实施方式

下面，结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

实施例：如图1，一种高压混合气发生装置，由头部1、燃烧段7、混合段12组成一台整体设备。

柴油从油喷嘴3进入燃烧室10，压缩空气从配风器2进入燃烧室10，点火器5的工作端也通向燃烧室10。

一股冷却水从冷却水帽4的接口经深入到紧贴冷却水帽4端部的螺旋环状冷却室，然后由出口接头排出，再经外部水管接自调温器进口接头11，再经调温器17的第二组喷孔(后端)通入调温器。

另一股冷却水从进口接头18进入冷却水套9，沿冷却水套9的螺旋形水槽经调温器17的第一组喷孔(前端)通入调温器17。

隔热套8与冷却水套9形成隔热、保温、冷却的多重结构。隔热套8的内侧圆筒空间形成燃烧室10，冷却水套9的外侧为燃烧段7。

燃烧室10中的高温高压烟气进入调温器17后，与从两组喷孔喷出的冷却水汇合后经过缩口衬套16进入混合段12的消音罩13，再通入混合室14，最后由混合段12的出口法兰15进入油井管道。

本实施例工作时，燃油和空气进入燃烧室10后雾化混合，由点火器5点燃，完全燃烧后产生高温高压烟气，进入调温器后与冷却水汇合。两股水分别由头部1的冷却水帽4的出口和燃烧段7中冷却水套9的出口经调温器17的两组喷孔进入调温器内与高温高压烟气汇合。这股混合气流经缩口衬套16进入消音罩13，消音减振后进入混合室14，混合均匀后由出口法兰15进入油井管道。

Claims (2)

1.用于石油热采注气机的高压混合气发生装置，由头部(1)、燃烧段(7)、混合段(12)组成，头部与燃烧段一端相联结，燃烧段另一端与混合段相联结，头部形成燃烧段内部燃烧室的一侧端面，燃烧段包括夹套与燃烧室(10)，燃烧室另一端即隔热套的下方是调温器(17)，调温器缩口即是燃烧段出口；其特征在于在头部设置了带螺旋环状冷却室的冷却水帽(4)，其包括由冷却水槽连接而成经过头部的配风器、油喷嘴、点火器的外壁的冷却水通道；所述夹套由冷却水套(9)和隔热套(8)组成，冷却水套(9)位于燃烧段本体内侧，冷却水套(9)内侧为隔热套(8)，冷却水套的出口与调温器(17)的一组喷水孔相接；所述调温器(17)内侧圆锥面上沿燃烧室轴线方向设置有两组喷水孔，第一组与冷却水套出口相接，第二组与调温器进口接头(11)相接，所有喷水口均向缩口倾斜；位于燃烧段内部的燃烧室的下方设置了调温器缩口衬套(16)，该缩口的出口侧即圆筒段长度为8-12mm，内径为6-14mm。

2.根据权利要求1所述的用于石油热采注气机的高压混合气发生装置，其特征在于所述混合段消音罩(13)与调温器(17)相联结，消音罩上设有若干小孔，均沿切向布置。