CN102818250A - 提高注汽锅炉蒸汽干度的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种稠油热力开采技术领域，特别涉及一种提高注汽锅炉蒸汽干度的方法及装置。其技术方案是：注汽锅炉出口的湿饱和蒸汽通过干度提升器提高干度后与干度提升器产生的燃气一起密闭注入油层；其中，所述的干度提升器包括组合式喷头、蒸汽加热室、燃烧室和混合室，燃烧室产生的高温高压燃气进入混合室，与来自注汽锅炉的蒸汽在混合室充分混合。有益效果是可把注汽锅炉出口的湿饱和蒸汽干度提高到95%—100%，起到提高蒸汽的热焓，补充地层能量，扩大蒸汽波及体积的作用，能更加有效地加热油层，提高稠油开发效果；热能损失低，能源热利用率高，还避免了二氧化碳排放导致的环境污染；可有效降低开采成本，提高油藏采收率。

Description

提高注汽锅炉蒸汽干度的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种稠油热力开采技术领域，特别涉及一种提高注汽锅炉蒸汽干度的方法及装置，用以减少热损失、提高注汽干度、增加蒸汽热焓、补充地层能量、提高原油采收率。
背景技术
    目前国内外开采稠油的主要手段是热力开采，热力开采是将热能注入油层，提高油层温度，降低原油黏度，增强原油的流动性，达到开发生产的目的。蒸汽发生器（直流注汽锅炉）是目前国内外稠油开采的专用设备，目前国内约有2000余台，其中蒸汽干度是影响注汽开发效果的重要指标，蒸汽干度越高，蒸汽热焓越高，蒸汽在油藏的波及体积越大，开发效果越好。目前注汽锅炉由于受自身结构、给水水质的限制，锅炉出口蒸汽干度只能达到70%-75%，注入井底的蒸汽干度因井筒热损失，仅剩30%-40%，严重影响了热采效果。为了提高蒸汽干度，目前有设计一种过热注汽锅炉的方法，其原理是：锅炉出口蒸汽进入锅炉本体外设的球形汽水分离器进行汽水分离，分离出的高干度蒸汽再回到注汽锅炉的过热段加热成过热蒸汽，过热蒸汽再流经注汽锅炉本体外设的喷水减温器与球形汽水分离器分离出的饱和盐水混合，饱和水得以汽化提高干度，然后注入井下，该方法虽然避开了受热区析盐问题，同时也提高了蒸汽干度，但结构复杂，辅助设施多，控制繁琐，生产成本高，如替换现有注汽锅炉，会造成原有设备严重浪费，并且投资巨大。 
另外，稠油热采方式主要以蒸汽吞吐和蒸汽驱为主，属降压开采，随着吞吐轮次的增加和蒸汽驱时间的延长，地层能量亏空严重，开发效果变差，采收率低，注汽锅炉本身无法解决地层能量亏空问题。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种提高注汽锅炉蒸汽干度的方法及装置，用以提高注汽锅炉蒸汽干度、增加蒸汽热焓、补充地层能量，提高原油采收率。
一种提高注汽锅炉蒸汽干度的方法，包括以下：注汽锅炉出口的湿饱和蒸汽通过干度提升器提高干度后与干度提升器产生的燃气一起密闭注入油层；
其中，所述的干度提升器包括组合式喷头、蒸汽加热室、燃烧室和混合室，通过干度提升器自控系统控制高压燃油泵和空气压缩机向燃烧室提供燃油和空气，燃油和空气进入燃烧室点火燃烧，同时锅炉出口的湿饱和蒸汽进入干度提升器的蒸汽加热室，湿饱和蒸汽在蒸汽加热室中被燃烧室燃烧产生的高温加热，燃烧室产生的高温高压燃气进入混合室，与来自蒸汽加热室提高了一定干度的湿饱和蒸汽在混合室充分混合，湿饱和蒸汽再次提高干度，通过干度提升器自控系统控制燃油量可将湿饱和蒸汽干度可提高到95%-100%，同时也可控制燃气蒸汽混合后的温度，混合后的燃气蒸汽通过注汽管柱一起密闭注入油层。
上述的干度提升器的蒸汽加热室的首端设有蒸汽入口，末端设有环形多孔喷嘴，燃烧室末端与蒸汽加热室末端的环形多孔喷嘴相通并连通混合室。
上述的干度提升器的混合室的上端增设了一路混合室蒸汽入口，注汽锅炉供给蒸汽一路由蒸汽加热室首端的蒸汽入口进入蒸汽加热室，一路由混合室蒸汽入口直接进入混合室。
上述的干度提升器的燃烧室的前端增设预热室，燃油和空气在预热室预热，利于燃油雾化燃烧。
本发明提到的提高注汽锅炉蒸汽干度的装置，包括高压燃油泵、空气压缩机、干度提升器、干度提升器自控系统；注汽锅炉的蒸汽出口一路通过注汽管线与旁通自控阀连接，通过旁通自控阀直接与注汽井口连接；蒸汽出口的另一路通过蒸汽入口自控阀与干度提升器连接，通过干度提升器对蒸汽干度进一步提升后送入注汽井口，所述的干度提升器自控系统与注汽锅炉自控系统连接；高压燃油泵、空气压缩机、干度提升器上设的点火器与干度提升器自控系统连接；高压燃油泵、空气压缩机又分别与干度提升器上的高压燃油喷嘴和高压空气喷嘴连接；干度提升器的燃气蒸汽出口通过燃气蒸汽出口自控阀、单流阀与注汽井口连接。
本发明提到的干度提升器，包括组合式喷头、蒸汽加热室、燃烧室和混合室，所述的组合式喷头设有高压空气喷嘴、点火器、高压燃油喷嘴，所述的组合式喷头与燃烧室连接，所述的燃烧室为圆筒形结构，所述的蒸汽加热室以环形设计套在燃烧室的外围，首端设有蒸汽入口，末端设有环形多孔喷嘴，所述的燃烧室末端与蒸汽加热室末端的环形多孔喷嘴相通并连通混合室，混合室的出口端设有燃气蒸汽出口。
本发明提到的干度提升器，还可以是这样的结构：包括组合式喷头、蒸汽加热室、燃烧室和混合室，所述的组合式喷头设有高压空气喷嘴、点火器、高压燃油喷嘴，所述的组合式喷头与燃烧室连接，所述的燃烧室为圆筒形结构，所述的蒸汽加热室以环形设计套在燃烧室的外围，首端设有蒸汽入口，所述的燃烧室末端与蒸汽加热室的末端相通并连通混合室，所述的混合室上端设有混合室蒸汽入口，出口端设有燃气蒸汽出口。
本发明提到的干度提升器，还可以是这样的结构：根据燃料的特点，在上述两种干度提升器的燃烧室的前端增设预热室，利于燃油雾化燃烧，预热室与组合式喷头连接，所述的预热室与燃烧室为圆筒形整体结构，预热室上下对应开孔，高压空气喷嘴、点火器和高压燃油喷嘴经预热室连通燃烧室。
以上干度提升器的几种方案涉及的预热室、环形多孔喷嘴、混合室蒸汽入口、混合室在干度提升器中根据具体实施条件可以全部应用或部分应用，例如预热室根据燃料的特点可设或不设；蒸汽加热室末端的环形多孔喷嘴和混合室蒸汽入口可单设或全设，又可根据混合室容积的加大都不设，当然，混合室根据离井口的距离远近可不设或设置；还有本发明不仅局限于燃油作为燃料，也可以采用燃气作为燃料，当然，相应的就需要采用高压燃气泵等，其结构的常规变化均属于本发明要求保护的范围。
干度提升器的结构变化包括但不限于以上所述的几种形式。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、该工艺方法及装置可有效提高蒸汽干度，可把注汽锅炉出口70%-75%干度的湿饱和蒸汽提高到95%—100%，提高了蒸汽的热焓，更加有效地加热油层，提高稠油开发效果；
2、该工艺方法及装置产生的高温高压燃气与提高干度后的蒸汽混合注入油层，热能损失低，能源热利用率高，还避免了二氧化碳排放导致的环境污染；
3、该工艺方法及装置产生的高温高压燃气中氮气（80%）、二氧化碳（20%）可有效补充地层能量，扩大蒸汽波及体积，其中二氧化碳气体可以有效改变油藏原油的流体性质，起到降粘和降凝的作用，提高稠油采收率；
4、该工艺方法及装置设计合理，结构紧凑，易与现有注汽锅炉配合进行流动作业，在利用原有注汽锅炉的条件下，不新增投资过热注汽锅炉，即可提高稠油热力开采的蒸汽干度并达到增压开采的效果，可有效降低开采成本，提高油藏采收率。
附图说明
附图1是本发明方法的工艺装置流程图；
附图2是干度提升器的第一种结构示意图；
附图3是干度提升器的第二种结构示意图；
附图4是干度提升器的第三种结构示意图；
附图5是干度提升器的第四种结构示意图；
附图6是干度提升器的第五种结构示意图；
附图7是干度提升器的第六种结构示意图；
上图中：注汽锅炉1、 锅炉蒸汽出口自控阀2、 蒸汽入口自控阀3、干度提升器4、放空阀5、 燃气蒸汽出口自控阀6、 单流阀7、 旁通自控阀8、  注汽锅炉自控系统9、  干度提升器自控系统10、  燃油罐11、 高压燃油泵12、 空气压缩机13、 注汽井口14；
蒸汽入口4.1、 蒸汽加热室4.2、 燃烧室4.3、组合式喷头4.4  高压空气喷嘴4.5、 点火器4.6、 高压燃油喷嘴4.7、预热室4.8、 环形多孔喷嘴4.9  混合室4.10、  燃气蒸汽出口4.11  混合室蒸汽入口4.12。
具体实施方式
    实施例1：结合附图1-2，对本发明作进一步的描述：
本发明利用燃烧学、流体力学、传热学、工程热力学的原理与工程技术相结合，设计一种利用研制的干度提升器将注汽锅炉出口干度为70%-75%的湿饱和蒸汽加热并提高干度至95%-100%，连同燃气通过注汽管柱一起密闭注入油层的工艺方法。该装置主要由注汽锅炉1、干度提升器4、高压燃油泵12、空气压缩机13、干度提升器自控系统10构成。注汽锅炉蒸汽出口通过注汽管线与干度提升器4的蒸汽入口自控阀3和旁通自控阀8连接；注汽锅炉自控系统9与干度提升器自控系统10连接，其中，注汽锅炉自控系统9与干度提升器自控系统10为本领域技术人员所熟知的常规技术实现，此处不再详述；高压燃油泵12、空气压缩机13、点火器4.6与干度提升器自控系统10连接；高压燃油泵12、空气压缩机13又分别与干度提升器组合式喷头4.4上设的高压燃油喷嘴4.7和高压空气喷嘴4.5连接；干度提升器4上设的燃气蒸汽出口4.11与放空阀5、燃气蒸汽出口自控阀6、单流阀7连接，单流阀7与注汽井口14连接。
该工艺方法是这样实施的：工作时，首先启动注汽锅炉1，此时干度提升器的蒸汽入口自控阀3和燃气蒸汽出口自控阀6处于关闭状态，锅炉蒸汽出口自控阀2和旁通自控阀8处于开启状态，注汽锅炉产生的蒸汽通过旁通自控阀8向油井注汽，待注汽锅炉参数运行正常，启动干度提升器4，同时开启干度提升器的蒸汽入口自控阀3和放空阀5，关闭旁通自控阀8，干度提升器4按设定工作参数，由自控系统控制高压燃油泵12和空气压缩机13将燃油罐11中的燃油和压缩的空气提供给干度提升器4，燃油和空气进入干度提升器4的燃烧室4.3后由点火器4.6点火燃烧，经20s的自动检测，燃烧正常时程序自动开启燃气蒸汽出口自控阀6，关闭放空阀5，进入正常工作的干度提升器4把注汽锅炉提供的70%-75%干度的湿饱和蒸汽提高干度至95%-100%，与燃气混合通过注汽管柱一起密闭注入油层。
干度提升器4启动后经20s的自动检测有故障或不正常，自动关闭高压燃油泵12和空气压缩机13，同时关闭蒸汽入口自控阀3和燃气蒸汽出口自控阀6，开启放空阀5和旁通自控阀8，同时监控系统在显示屏上显示故障点，重新启动与上述程序相同。燃烧室4.3燃烧产生的2000℃左右高温加热燃烧室外围的蒸汽加热室4.2，湿饱和蒸汽中的饱和水在蒸汽加热室4.2中吸热汽化提高蒸汽干度，饱和水吸热汽化的同时也是给燃烧室4.3外壁降温的过程，因饱和水的汽化潜热较大，而且吸热汽化过程中蒸汽温度不变，燃烧室4.3外壁的温度不会过高，可保障干度提升器4的燃烧室4.3不被烧蚀并长期安全运行。提高了一定干度的湿饱和蒸汽经蒸汽加热室4.2末端的环形多孔喷嘴4.9喷射进入混合室4.10与燃烧室4.3产生的高温高压燃气充分混合，其中的饱和水绝大部分瞬间吸热汽化，蒸汽干度在混合室4.10中再次提高，根据控制燃油用量可控制将蒸汽干度提高到95%-100%。同时也可控制燃气蒸汽混合后的温度，燃气蒸汽混合后经燃气蒸汽出口4.11通过注汽管线一起密闭注入油层。干度提升器4的设计参数和工作参数随时显示在自动控制系统的监视器上并自动记录储存。
其中，干度提升器主要由组合式喷头4.4、蒸汽加热室4.2、燃烧室4.3和混合室4.10构成，所述的组合式喷头4.4设有高压空气喷嘴4.5、点火器4.6、高压燃油喷嘴4.7，所述的组合式喷头4.4与燃烧室4.3连接，所述的燃烧室4.3为圆筒形结构，所述的蒸汽加热室4.2以环形设计套在燃烧室4.3的外围，首端设有蒸汽入口4.1，末端设有环形多孔喷嘴4.9，所述的燃烧室4.3末端与蒸汽加热室4.2末端的环形多孔喷嘴4.9相通并连通混合室4.10，混合室4.10的出口端设有燃气蒸汽出口4.11，出口通过放空阀5、燃气蒸汽自控阀6和单流阀7连接注汽管线。
实施例2：
结合附图1、附图3，对本发明作进一步的描述：
本实施例与实施例1的区别在于干度提升器4的蒸汽加热室4.2末端去掉了环形多孔喷嘴4.9，在混合室4.10的上端增设了一路混合室蒸汽入口4.12，注汽锅炉供给蒸汽一路由蒸汽入口4.1进入蒸汽加热室4.2，一路直接进入混合室4.10，该方案亦可使燃气蒸汽充分混合，将蒸汽干度提高到95%-100%，并不影响本发明目的的实施。
实施例3：
结合附图1、附图4，对本发明作进一步的描述：
本实施例与实施例1的区别在于干度提升器4的蒸汽加热室4.2末端去掉了环形多孔喷嘴4.9，混合室4.10向外侧延伸加长，使容积加大，使来自燃烧室的燃气和来自注汽锅炉的蒸汽充分混合，将蒸汽干度提高到95%-100%，当然，此处的混合室也可以为喇叭形、圆锥形或者圆柱形，不仅限于图中的结构。该方案亦可使燃气蒸汽充分混合，并不影响本发明目的的实施。
实施例4：
结合附图1、附图5、附图6、附图7，对本发明作进一步的描述：
本实施例与实施例1的区别在于根据燃料的特点，干度提升器4的燃烧室4.3前端增设了预热室4.8，其他结构变化本实施方式可以与实施方式2、实施方式3的结构变化一致，并不影响本发明目的的实施。
以上干度提升器4的几种方案涉及的预热室4.8、环形多孔喷嘴4.9、混合室蒸汽入口4.12、混合室4.10在干度提升器4中根据具体实施条件可以全部应用或部分应用，例如预热室4.8根据燃料的特点可设或不设；蒸汽加热室4.2末端的环形多孔喷嘴4.9和混合室蒸汽入口4.12可单设或全设，又可根据混合室4.10容积的加大都不设，当然，混合室4.10根据离井口的距离远近可不设或设置；另外，本发明不仅局限于燃油作为燃料，也可以采用燃气作为燃料，当然，相应的就需要采用高压燃气泵、燃气管线等，而不需要燃油罐等，其结构为本领域技术人员所熟知。
干度提升器4的结构变化包含但不仅限于以上实施例和附图提供的几种形式，其结构的常规变换也尽属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种提高注汽锅炉蒸汽干度的方法，其特征是：注汽锅炉出口的湿饱和蒸汽通过干度提升器提高干度后与干度提升器产生的燃气一起密闭注入油层；
所述的干度提升器（4）包括组合式喷头（4.4）、蒸汽加热室（4.2）、燃烧室（4.3）和混合室（4.10），通过干度提升器自控系统（10）控制高压燃油泵（12）和空气压缩机（13）向燃烧室（4.3）提供燃油和空气，燃油和空气进入燃烧室（4.3）点火燃烧，同时锅炉出口的湿饱和蒸汽进入干度提升器（4）的蒸汽加热室（4.2），湿饱和蒸汽在蒸汽加热室（4.2）中被燃烧室（4.3）燃烧产生的高温加热，燃烧室（4.3）产生的高温高压燃气进入混合室（4.10），与来自蒸汽加热室（4.2）提高了一定干度的湿饱和蒸汽在混合室（4.10）充分混合，湿饱和蒸汽再次提高干度，通过干度提升器自控系统（10）控制燃油量可将湿饱和蒸汽干度可提高到95%-100%，同时也可控制燃气蒸汽混合后的温度，混合后的燃气蒸汽通过注汽管柱一起密闭注入油层。
2.根据权利要求1所述的提高注汽锅炉蒸汽干度的方法，其特征是包括以下详细步骤：
（a）首先启动注汽锅炉（1），此时蒸汽入口自控阀（3）和燃气蒸汽出口自控阀（6）处于关闭状态，锅炉蒸汽出口自控阀（2）和旁通自控阀（8）处于开启状态，注汽锅炉产生的蒸汽通过旁通自控阀（8）向油井注汽；
（b）待注汽锅炉参数运行正常，启动干度提升器，同时开启蒸汽入口自控阀（3）和放空阀（5），关闭旁通自控阀（8），干度提升器按设定工作参数，由干度提升器自控系统（10）控制高压燃油泵（12）和空气压缩机（13）将燃油罐（11）中的燃油和压缩的空气提供给干度提升器（4），燃油和空气进入干度提升器（4）的燃烧室（4.3）后由点火器（4.6）点火燃烧，经检测燃烧正常时，开启燃气蒸汽出口自控阀（6），关闭放空阀（5），进入正常工作的干度提升器把注汽锅炉提供的湿饱和蒸汽提高干度至95%-100%，与干度提升器（4）燃烧产生的燃气混合后通过注汽管柱一起密闭注入油层。
3.根据权利要求1或2所述的提高注汽锅炉蒸汽干度的方法，其特征是：所述的干度提升器（4）的蒸汽加热室（4.2）的首端设有蒸汽入口（4.1），末端设有环形多孔喷嘴（4.9），燃烧室（4.3）末端与蒸汽加热室（4.2）末端的环形多孔喷嘴（4.9）相通并连通混合室（4.10）。
4.根据权利要求1或2所述的提高注汽锅炉蒸汽干度的方法，其特征是：所述的干度提升器（4）的混合室（4.10）的上端增设了一路混合室蒸汽入口（4.12），注汽锅炉供给蒸汽一路由蒸汽加热室（4.2）首端的蒸汽入口（4.1）进入蒸汽加热室（4.2），一路由混合室蒸汽入口（4.12）直接进入混合室（4.10）。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的提高注汽锅炉蒸汽干度的方法，其特征是：所述的干度提升器（4）的燃烧室（4.3）的前端增设预热室（4.8），燃油和空气在预热室预热，利于燃油雾化燃烧。
6.一种提高注汽锅炉蒸汽干度的装置，其特征是：包括高压燃油泵（12）、空气压缩机（13）、干度提升器（4）、干度提升器自控系统（10）；注汽锅炉（1）的蒸汽出口一路通过注汽管线与旁通自控阀（8）连接，通过旁通自控阀（8）直接与注汽井口（14）连接；蒸汽出口的另一路通过蒸汽入口自控阀（3）与干度提升器（4）连接，通过干度提升器（4）对蒸汽干度进一步提升后送入注汽井口（14），所述的干度提升器自控系统（10）与注汽锅炉自控系统（9）连接；高压燃油泵（12）、空气压缩机（13）、干度提升器（4）上设的点火器（4.6）与干度提升器自控系统（10）连接；高压燃油泵（12）、空气压缩机（13）又分别与干度提升器（4）上的高压燃油喷嘴（4.7）和高压空气喷嘴（4.5）连接；干度提升器（4）的燃气蒸汽出口（4.11）通过燃气蒸汽出口自控阀（6）、单流阀（7）与注汽井口（14）连接。
7.一种用于权利要求1、2或6的干度提升器，其特征是：包括组合式喷头（4.4）、蒸汽加热室（4.2）、燃烧室（4.3）和混合室（4.10），所述的组合式喷头（4.4）设有高压空气喷嘴（4.5）、点火器（4.6）、高压燃油喷嘴（4.7），所述的组合式喷头（4.4）与燃烧室（4.3）连接，所述的燃烧室（4.3）为圆筒形结构，所述的蒸汽加热室（4.2）以环形设计套在燃烧室（4.3）的外围，首端设有蒸汽入口（4.1），末端设有环形多孔喷嘴（4.9），所述的燃烧室（4.3）末端与蒸汽加热室（4.2）末端的环形多孔喷嘴（4.9）相通并连通混合室（4.10），混合室（4.10）的出口端设有燃气蒸汽出口（4.11）。
8.一种用于权利要求1、2或6的干度提升器，其特征是：包括组合式喷头（4.4）、蒸汽加热室（4.2）、燃烧室（4.3）和混合室（4.10），所述的组合式喷头（4.4）设有高压空气喷嘴（4.5）、点火器（4.6）、高压燃油喷嘴（4.7），所述的组合式喷头（4.4）与燃烧室（4.3）连接，所述的燃烧室（4.3）为圆筒形结构，所述的蒸汽加热室（4.2）以环形设计套在燃烧室（4.3）的外围，首端设有蒸汽入口（4.1），所述的燃烧室（4.3）末端与蒸汽加热室（4.2）的末端相通并连通混合室（4.10），所述的混合室（4.10）上端设有混合室蒸汽入口（4.12），出口端设有燃气蒸汽出口（4.11）。
9.根据权利要求7所述的干度提升器，其特征是：所述的燃烧室（4.3）的前端增设预热室（4.8），预热室（4.8）与组合式喷头（4.4）连接，所述的预热室（4.8）与燃烧室（4.3）为圆筒形整体结构，预热室（4.8）上下对应开孔，高压空气喷嘴（4.5）、点火器（4.6）和高压燃油喷嘴（4.7）经预热室（4.8）连通燃烧室（4.3）。
10.根据权利要求8所述的干度提升器，其特征是：所述的燃烧室（4.3）的前端增设预热室（4.8），预热室（4.8）与组合式喷头（4.4）连接，所述的预热室（4.8）与燃烧室（4.3）为圆筒形整体结构，预热室（4.8）上下对应开孔，高压空气喷嘴（4.5）、点火器（4.6）和高压燃油喷嘴（4.7）经预热室（4.8）连通燃烧室（4.3）。
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