CN109707356A - 一种油页岩原位开采井下点火加热装置及加热方法 - Google Patents

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Abstract

一种油页岩原位开采井下点火加热装置及加热方法，点火加热装置包括高压油气注入系统、点火加热测控系统、井内管柱线缆系统、井下点燃系统。本发明工作时，首先通过双壁钻杆的中心通道向井内注入压缩空气，经空气喷嘴产生高速空气流。然后通过双壁钻杆的内壁与外壁之间的环空通道向井内输送燃油，经过旋流喷嘴雾化，并与高速空气流充分混合，在加热棒的加热作用下点燃燃油，燃烧产生的热量用于加热油页岩层。火焰检测器实时监测井下燃烧情况，井下封隔器使得燃烧的峰面向井内地层延伸和扩展，持续不断地加热油页岩矿层。本发明减少了由于能量的管路运输损耗，极大地提高了燃油的燃烧效率和能量的利用率。

Description

一种油页岩原位开采井下点火加热装置及加热方法
技术领域
本发明涉及非常规能源开采领域，特别涉及一种油页岩原位开采井下点火加热装置及加热方法。
背景技术
油页岩，作为21世纪可替代常规油气资源的新型能源，一直以来都受到广泛的关注。油页岩是一种含有有机质的沉积岩，有机质含量通常为5％～50％不等，主要类型可以分为为腐泥质、腐殖质或混合型。无机矿物主要包含石英、高岭土、粘土、碳酸盐等。其内部的有机质(干酪根)经过高温处理之后可以生成页岩油和热解气。
目前，油页岩的开采利用方式主要分为两种形式，包括地面干馏技术和地下原位裂解技术，地面干馏技术发展至今已经相当成熟，是目前页岩油开采利用的主要方式。但是这种方法也存在一定的局限性，具有地表占地面积大、能量利用率低、环境污染严重以及生产成本高等缺点。而地下原位裂解技术不需要对地表进行开采，而是直接对地下油页岩层进行加热，具有产品质量好，占地面积小及采油率高等优点。目前，世界上有多种原位开采的方法，根据能量的传递方式可分为对流加热、辐射加热和传导加热(电加热、燃烧加热)三种方式。
采用对流加热方式的油页岩原位转化技术主要有太原理工大学的注蒸汽对流加热技术和雪弗龙公司和Los Alamos国家实验室于2006年联合开发的CRUSH技术。太原理工大学的注蒸汽对流加热技术主要是利用高温烃类气体对油页岩层进行加热，该技术需要先在地面布置群井，通过对岩层进行压裂使群井连通，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进行加热。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。雪弗龙公司的CRUSH技术同样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，然后再利用高温CO2气体对油页岩层进行加热，最后将油气等产物通过垂直井导出至地表。
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。
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，然后将电加热器放置到油页岩矿层内，利用热传导作用加热油页岩层，然后运用传统的采油方法将油气产物抽至地面。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，以及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。
上述原位加热技术虽然不需要将油页岩矿从地下开采到地面这一生产过程，在一定程度上降低了生产成本，但仍存在热量利用率低，加热效率低下以及综合成本高、设备仪器安装操作不便等一系列问题，从而使得诸多原位热解技术现仍处于试验阶段，无法具体在野外现场施工中实现。因此急需一种适合于油页岩原位开采的井下加热装置，以解决目前油页岩原位转化技术难以实现的难题。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提出了一种油页岩原位开采井下点火加热装置及加热方法。
一种油页岩原位开采井下点火加热装置，包括电机泵、燃油罐、压力平衡装置、井口封隔器、信号电缆、加热控制器、双壁钻杆、上覆岩层、油页岩矿层、油页岩矿层、加热棒、空气喷嘴、旋流喷嘴、火焰检测器和井下封隔器；电机泵包括气泵和油泵；
电机泵、燃油罐和压力平衡装置构成高压油气注入系统；
加热控制器和火焰检测器组成点火加热测控系统；
双壁钻杆、井下封隔器和信号电缆构成井内管柱线缆系统；信号电缆用于连接火焰检测器和加热控制器；
空气喷嘴、旋流喷嘴和加热棒构成井下点燃系统；
压力平衡装置是通过内置的压力平衡膜调节注入的油压和气压，使得向井内注入的燃油压力和空气压力保持一致。
加热控制器通过PLD控制方法和功率调节装置实现井内的加热控制。
双壁钻杆的中心通道为气体的运输通道，用于向井底输送所需的空气；双壁钻杆内壁与外壁的环空通道为燃油的输送通道，用于将燃油运送至孔底。
旋流喷嘴与双壁钻杆的内壁与外壁的环空通道相连通，用于将燃油雾化；
空气喷嘴与双壁钻杆的中心通道相连通，用于产生高速的空气流，与雾化的燃油充分混合，提高燃油的燃烧效率。
加热棒的外侧均分布有火焰检测器，用于实时监测燃油的燃烧情况。
井下封隔器为圆环形结构，其外圆直径与钻孔直径一致，内圆直径与双壁钻杆外径相一致，用于封隔井孔，防止井下燃烧的火焰窜至井口，使燃油燃烧的锋面向地层延伸，持续地对油页岩矿层进行加热。
油页岩开采井从上至下为上覆岩层和油页岩矿层，油页岩矿层包括第一油页岩矿层和第二油页岩矿层；
一种油页岩原位开采井下点火加热装置的加热方法：
首先通过气泵和油泵向压力平衡装置内输送空气和燃油，经压力平衡后输出同等压力的压缩空气和燃油。然后压缩空气经双壁钻杆的中心通道注入井内，并经空气喷嘴产生高速空气流，燃油通过双壁钻杆的内壁与外壁之间的环空通道输送至井内，并经旋流喷嘴雾化，再与高速空气流充分混合，在加热棒的加热作用下点燃燃油，燃烧产生的热量用于加热油页岩层。通过点火加热测控系统实时监测和控制井下燃油的燃烧情况。井下封隔器使得燃烧的峰面向井内地层延伸和扩展，持续不断地加热油页岩矿层。
本发明的有益效果：
本发明的结构、制造工艺简单，成本低，且便于维护；在井下点火，对目标地层进行加热，减少了由于能量的管路运输损耗，并采用旋流喷嘴和空气喷嘴结构，极大地提高了燃油的燃烧效率和能量的利用率；操作工艺简单，且通过火焰检测器实时监测井内燃烧情况，可控性强。
附图说明
图1是一种油页岩原位开采井下点火加热装置的结构示意图。
其中：1-电机泵、2-燃油罐、3-压力平衡装置、4-井口封隔器、5-信号电缆、6-加热控制器、7-双壁钻杆、8-上覆岩层、9-第一油页岩矿层、10-第二油页岩矿层、11-加热棒、12-空气喷嘴、13-旋流喷嘴、14-火焰检测器、15-井下封隔器。
具体实施方式
请参阅图1所示，油页岩开采井从上至下为上覆岩层8和油页岩矿层，油页岩矿层包括第一油页岩矿层9和第二油页岩矿层10；
请参阅图1所示，一种油页岩原位开采井下点火加热装置，包括电机泵1、燃油罐2、压力平衡装置3、井口封隔器4、信号电缆5、加热控制器6、双壁钻杆7、加热棒11、空气喷嘴12、旋流喷嘴13、火焰检测器14和井下封隔器15；电机泵1包括气泵和油泵；
电机泵1、燃油罐2和压力平衡装置3构成高压油气注入系统；
加热控制器6和火焰检测器14组成点火加热测控系统；
双壁钻杆7、井下封隔器15和信号电缆5构成井内管柱线缆系统；信号电缆5用于连接火焰检测器14和加热控制器6；
空气喷嘴12、旋流喷嘴13和加热棒11构成井下点燃系统；
压力平衡装置3是通过内置的压力平衡膜调节注入的油压和气压，使得向井内注入的燃油压力和空气压力保持一致。
加热控制器6通过PLD控制方法和功率调节装置实现井内的加热控制。
双壁钻杆7的中心通道为气体的运输通道，用于向井底输送所需的空气；双壁钻杆7内壁与外壁的环空通道为燃油的输送通道，用于将燃油运送至孔底。
旋流喷嘴13与双壁钻杆7的内壁与外壁的环空通道相连通，用于将燃油雾化；
空气喷嘴12与双壁钻杆7的中心通道相连通，用于产生高速的空气流，与雾化的燃油充分混合，提高燃油的燃烧效率。
加热棒11的外侧均分布有火焰检测器14，用于实时监测燃油的燃烧情况。
井下封隔器15为圆环形结构，其外圆直径与钻孔直径一致，内圆直径与双壁钻杆7外径相一致，用于封隔井孔，防止井下燃烧的火焰窜至井口，使燃油燃烧的锋面向地层延伸，持续地对油页岩矿层进行加热。
一种油页岩原位开采井下点火加热装置的加热方法：
首先通过气泵和油泵向压力平衡装置3内输送空气和燃油，经压力平衡后输出同等压力的压缩空气和燃油。然后压缩空气经双壁钻杆7的中心通道注入井内，并经空气喷嘴12产生高速空气流，燃油通过双壁钻杆7的内壁与外壁之间的环空通道输送至井内，并经旋流喷嘴13雾化，再与高速空气流充分混合，在加热棒11的加热作用下点燃燃油，燃烧产生的热量用于加热油页岩层。通过点火加热测控系统实时监测和控制井下燃油的燃烧情况。井下封隔器15使得燃烧的峰面向井内地层延伸和扩展，持续不断地加热油页岩矿层。

Claims (2)

1.一种油页岩原位开采井下点火加热装置，其特征在于：包括电机泵(1)、燃油罐(2)、压力平衡装置(3)、井口封隔器(4)、信号电缆(5)、加热控制器(6)、双壁钻杆(7)、加热棒(11)、空气喷嘴(12)、旋流喷嘴(13)、火焰检测器(14)和井下封隔器(15)；电机泵(1)包括气泵和油泵；
电机泵(1)、燃油罐(2)和压力平衡装置(3)构成高压油气注入系统；
加热控制器(6)和火焰检测器(14)组成点火加热测控系统；
双壁钻杆(7)、井下封隔器(15)和信号电缆(5)构成井内管柱线缆系统；信号电缆(5)用于连接火焰检测器(14)和加热控制器(6)；
空气喷嘴(12)、旋流喷嘴(13)和加热棒(11)构成井下点燃系统；
压力平衡装置(3)是通过内置的压力平衡膜调节注入的油压和气压，使得向井内注入的燃油压力和空气压力保持一致；
双壁钻杆(7)的中心通道为气体的运输通道，用于向井底输送所需的空气；双壁钻杆(7)内壁与外壁的环空通道为燃油的输送通道，用于将燃油运送至孔底；
旋流喷嘴(13)与双壁钻杆(7)的内壁与外壁的环空通道相连通，用于将燃油雾化；
空气喷嘴(12)与双壁钻杆(7)的中心通道相连通，用于产生高速的空气流，与雾化的燃油充分混合，提高燃油的燃烧效率；
加热棒(11)的外侧均分布有火焰检测器(14)，用于实时监测燃油的燃烧情况；
井下封隔器(15)为圆环形结构，其外圆直径与钻孔直径一致，内圆直径与双壁钻杆(7)外径相一致，用于封隔井孔，防止井下燃烧的火焰窜至井口，使燃油燃烧的锋面向地层延伸，持续地对油页岩矿层进行加热。
2.权利要求1所述一种油页岩原位开采井下点火加热装置的加热方法，其特征在于：
首先通过气泵和油泵向压力平衡装置(3)内输送空气和燃油，经压力平衡后输出同等压力的压缩空气和燃油；然后压缩空气经双壁钻杆(7)的中心通道注入井内，并经空气喷嘴(12)产生高速空气流，燃油通过双壁钻杆(7)的内壁与外壁之间的环空通道输送至井内，并经旋流喷嘴(13)雾化，再与高速空气流充分混合，在加热棒(11)的加热作用下点燃燃油，燃烧产生的热量用于加热油页岩层；通过点火加热测控系统实时监测和控制井下燃油的燃烧情况；井下封隔器(15)使得燃烧的峰面向井内地层延伸和扩展，持续不断地加热油页岩矿层。
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