CN110513092A - 一种辅助油页岩原位开采用催化燃烧装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种辅助油页岩原位开采用催化燃烧装置及其使用方法,属于能源开采领域,包括井下加热系统、地面油气收集系统及催化燃烧系统,井下加热系统用于向开采井井内输送所需要的气体,对油页岩层进行加热;地面油气收集系统用于对油气产物的分级收集,催化燃烧系统用于对不凝性有机可燃气体预热和初次点火,并进行催化燃烧,燃烧后的高温气体产物进入油页岩层,对油页岩层进行高温加热。本发明在油页岩原位开采中使用催化燃烧装置,利用不凝性气体进行催化燃烧放热,产生的高温气体可对油页岩层进行加热,起到辅助热解油页岩的作用,降低油页岩原位开采成本。同时使具有毒害性质的不凝性气体通过催化燃烧转换为无毒无害气体,可降低对人体及环境的危害。
Description
技术领域
本发明涉及能源开采领域,特别涉及一种辅助油页岩原位开采用催化燃烧装置及其使用方法。
背景技术
能源是人类生产生活进步、社会繁荣发展的重要物质基础之一,同时也是现代经济的命脉,严重影响着国家的安全和社会的稳定。面对世界范围内日益紧张的石油资源,寻找其经济合理的替代能源成为了学者们的研究重点。油页岩作为一种重要的非常规能源,以其储量大、分布广等优点,受到了世界各国的密切关注。
油页岩是一种富含有机物的沉积岩,其内部的有机物干酪根经过热解后可以产生与石油性质相近的页岩油。油页岩在开采初期,以地面露天开采为主,直接进行地面干馏获取页岩油及其副产品。这样的开采方式对土壤、植被、水和大气的污染都很大。原位开采方法相较于地面开采,不需要进行采矿、运输,也不需要建设地面干馏设备等大型相关配套装置,因此油页岩原位开采方法受到了前所未有的重视,成为了目前的研究热点。
但是,无论是地面干馏,还是地下原位热解,在消耗大量热量的同时,有机质热解之后产生的不凝性气体,特别是其中含有大量的具有毒害性质的有机气体,会对人体及环境造成不可忽视的危害。同时,这些有机气体大多具有可燃性,在一定的条件下可以发生燃烧反应。
发明内容
本发明的目的是提供一种辅助油页岩原位开采用催化燃烧装置及其使用方法,充分利用不凝性有机可燃气体燃烧放热,为地下原位热解提供热量,同时,使具有毒害性质的有机气体通过燃烧反应转化为无毒无害气体,减少对人体和环境的危害。
本发明为实现上述目的采用的技术方案是:一种辅助油页岩原位开采用催化燃烧装置,其特征在于,包括:井下加热系统、地面油气收集系统及催化燃烧系统,
所述井下加热系统包括空压机系统、稳压罐、气体管道及井下加热器,空压机系统与稳压罐的进口相连接;稳压罐的出口通过气体管道与开采井内部连通;井下加热器设置在气体管道的井下端,井下加热器与可编程逻辑器件PLD电性连接;
所述地面油气收集系统包括分级冷凝装置、油水分离器、废水处理器、重油储集罐、三相分离器及轻油储集罐,分级冷凝装置的入口通过管路与生产井内部连通,分级冷凝装置的出口通过管路与油水分离器连接;废水处理器、重油储集罐和三相分离器分别通过管路与油水分离器连接;轻油储集罐与三相分离器通过管路连接;
所述催化燃烧系统包括有机气体在线检测器、催化燃烧器、空气补偿系统和气体泵,催化燃烧器包括预热室和燃烧室,预热室内设置有电阻丝,电阻丝与可编程逻辑器件PLD电性连接;燃烧室与预热室连通,燃烧室为双层结构,且内层套设在外层内部,二者为分体式结构,燃烧室的内层由蜂窝状陶瓷构成,蜂窝状陶瓷表面形成载有催化剂的α-氧化铝层,燃烧室内设置有点燃器、温度探测器、气体浓度检测器和火焰探测器,同时点燃器、温度探测器、气体浓度检测器和火焰探测器均与可编程逻辑器件PLD电性连接;有机气体在线检测器的进气端通过管路与三相分离器连接,有机气体在线检测器的出气端通过管路与催化燃烧器进气口连通,同时有机气体在线检测器与可编程逻辑器件PLD电性连接;空气补偿系统与催化燃烧器的燃烧室通过管路连接,同时空气补偿系统与可编程逻辑器件PLD电性连接,空气补偿系统设置有温度控制系统,该温度控制系统与催化燃烧器内的温度探测器及气体浓度检测器电性连接;气体泵通过管路与催化燃烧器出气口连接,同时气体泵通过管路与气体管道连通。
进一步,在所述稳压罐的出口处设置有单向阀。
进一步,所述气体管道外部缠设有保温棉和伴热带。
进一步,所述催化燃烧器外部包裹有保温石棉层。
一种使用所述辅助油页岩原位开采用催化燃烧装置的方法,其特征在于,具体过程如下:预先设定井下加热器的加热温度、有机气体在线检测器的有机气体浓度报警值以及气体浓度检测器的气体浓度报警值,通过空压机系统、稳压罐、气体管道及井下加热器向开采井井内输送温度范围为300℃~350℃的高温空气,对油页岩层进行加热,通过有机气体在线检测器实时检测油页岩原位热解过程中生成的有机气体浓度,有机气体的浓度达到预先设定的有机气体浓度报警值时,可编程逻辑器件PLD控制催化燃烧器内的电阻丝和点燃器,对不凝性有机可燃气体进行预热和初次点火,并进行催化燃烧,燃烧得到的400℃~450℃高温气体在气体泵的作用下再次通过气体管道、井下加热器进入油页岩层,对油页岩层进行高温加热。
优选地,所述预热温度为80℃。
通过上述设计方案,本发明可以带来如下有益效果:本发明通过空压机系统、稳压罐、气体管道、井下加热器向开采井井内输送高温空气,对目标油页岩层进行加热。通过有机气体在线检测器实时检测油页岩原位热解过程中生成的有机气体浓度,有机气体的浓度达到预先设定的有机气体浓度报警值时,可编程逻辑器件PLD控制催化燃烧器内的电阻丝和点燃器,对不凝性有机可燃气体进行预热和初次点火,并进行催化燃烧,燃烧的高温气体在气体泵的作用下再次通过气体管道、井下加热器进入油页岩层,对油页岩层进行高温加热。催化燃烧器内的燃烧情况通过温度探测器、火焰探测器、气体浓度检测器进行实时监测,并在空气补偿器的作用下实现对催化燃烧器内部燃气/空气比值的调控,以达到高效、安全地运行。此过程的不断循环进行,可实现对油页岩地层的持续加热。本发明充分利用油页岩热解过程中产生的不凝性有机可燃气体进行催化燃烧放热,为地下原位热解提供热量,同时,使具有毒害性质的有机气体通过催化燃烧反应转化为无毒无害气体,减少对人体和环境的危害。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明,并不构成本发明的不当限定,在附图中:
图1为本发明实施例中采用催化燃烧装置辅助油页岩原位开采的系统结构示意图。
图2为本发明实施例中辅助油页岩原位开采用催化燃烧装置示意图。
图3为本发明中所述催化燃烧器的结构示意图。
图中各标记如下:1-空压机系统,3-稳压罐,4-气体管道,5-开采井,6-上覆岩层,7-井下加热器,8-下伏地层,9-油页岩层,10-生产井,11-分级冷凝装置,12-油水分离器,13-废水处理器,14-重油储集罐,15-三相分离器,16-轻油储集罐,17-有机气体在线检测器,18-催化燃烧器,19-空气补偿系统,20-气体泵,21-催化燃烧器进气口,22-预热室,23-点燃器,24-保温石棉层,25-温度探测器,26-催化燃烧器出气口,27-气体浓度检测,28-蜂窝状陶瓷,29-火焰探测器。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明,下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的,不应以此限制本发明的保护范围。
如图1、图2及图3所示,一种辅助油页岩原位开采用催化燃烧装置,包括井下加热系统、地面油气收集系统及催化燃烧系统,
所述井下加热系统用于向开采井5井内输送所需要的气体,井下加热系统包括空压机系统1、稳压罐3、气体管道4及井下加热器7,空压机系统1与稳压罐3的进口相连接;稳压罐3的出口通过气体管道4与开采井5内部连通,并在稳压罐3的出口处设置有单向阀,防止气体回流;所述井下加热器7设置在气体管道4的井下端,井下加热器7与可编程逻辑器件PLD电性连接,井下加热器7由可编程逻辑器件PLD进行电子控制,用于实时控制井内加热载体的温度;气体管道4外部缠设有保温棉和伴热带,用于降低热交换,减少热量的损失。
所述地面油气收集系统可实现对油气产物的分级收集,地面油气收集系统包括分级冷凝装置11、油水分离器12、废水处理器13、重油储集罐14、三相分离器15及轻油储集罐16,分级冷凝装置11的入口通过管路与生产井10内部连通,分级冷凝装置11的出口通过管路与油水分离器12连接;废水处理器13、重油储集罐14和三相分离器15分别通过管路与油水分离器12连接;轻油储集罐16与三相分离器15通过管路连接。
所述催化燃烧系统包括有机气体在线检测器17、催化燃烧器18、空气补偿系统19和气体泵20,催化燃烧器18包括预热室22和燃烧室,预热室22内设置有电阻丝,电阻丝与可编程逻辑器件PLD电性连接,用于预热不凝性气体;燃烧室与预热室22连通,燃烧室22为双层结构,且内层套设在外层内部,二者为分体式结构,便于装配、拆卸和更换,燃烧室22的内层由蜂窝状陶瓷28构成,蜂窝状陶瓷28表面形成有α-氧化铝层,催化剂分散在α-氧化铝层中,蜂窝状陶瓷28用作催化剂载体,催化剂为铂、钯等贵金属催化剂,也可为镍、锰、钒等普通金属催化剂;燃烧室内设置有点燃器23、温度探测器25、气体浓度检测器27和火焰探测器29,同时点燃器23、温度探测器25、气体浓度检测器27和火焰探测器29均与可编程逻辑器件PLD电性连接,其中点燃器23用于有机气体的初次点燃操作;温度探测器25和火焰探测器29分别用于精确掌握和控制燃烧室内的温度和燃烧情况;气体浓度检测器27用于检测燃烧室内的气体浓度;催化燃烧器18外部包裹有保温石棉层24,用于减少热量损失;有机气体在线检测器17用于实时检测油页岩原位热解过程中生成的有机气体,有机气体在线检测器17的进气端通过管路与三相分离器15连接,有机气体在线检测器17的出气端通过管路与的催化燃烧器进气口连通,同时有机气体在线检测器17与可编程逻辑器件PLD电性连接,实现气体的预热和初次点火操作的自动化控制;空气补偿系统19与催化燃烧器18的燃烧室通过管路连接,同时空气补偿系统19与可编程逻辑器件PLD电性连接,空气补偿系统19用于向催化燃烧器18的燃烧室内输送和补充空气,空气补偿系统19设置有温度控制系统,该温度控制系统与催化燃烧器18内的温度探测器25及气体浓度检测器27电性连接,用于精准控制空气的输送,调控燃气/空气比值;气体泵20通过管路与催化燃烧器出气口26连接,同时气体泵20通过管路与气体管道4连通,通过气体泵20的泵送功能可实现对催化燃烧器18的燃烧室送气和排气操作。
本发明辅助油页岩原位开采用催化燃烧装置的具体实施过程:首先,启动空压机系统1,通过稳压罐3平稳气体压力,设置井下加热器7加热温度,经由气体管道4向开采井5井内输送常温空气,并经井下加热器7加热后向油页岩层9注入温度范围为300℃~350℃的高温空气,通过各管路之间的闭式连接,实现热载气体在开采井5、上覆岩层6、油页岩层9、下伏地层8及生产井10等整个原位开采系统中的全循环。同时,设定有机气体在线检测器17的有机气体浓度报警值,预设催化燃烧器18内的气体浓度检测器27气体浓度报警值,准确控制催化燃烧器18内的燃气/空气比值。当油页岩层9被加热至有机质初始热解温度(>300℃)时,油页岩开始热解,管路系统中开始产生有机气体,有机气体在线检测器17检出信号。随着油页岩层9温度的持续升高,其内部有机质发生大量的分解,产生气态可凝性油气产物和水产物,以及不凝性气体产物,这些热解产物在气流的携带作用下从油页岩层9循环至地表,进入地面油气收集系统。其中气态可凝性油气产物和水产物通过分级冷凝装置11、油水分离器12、废水处理器13、重油储集罐14、三相分离器15及轻油储集罐6进行相应的分离和收集存储;未被分离和收集的不凝性气体产物继续通过循环管路和有机气体在线检测器17、催化燃烧器进气口21进入催化燃烧器18,当有机气体的浓度达到有机气体在线检测器17预设的有机气体浓度报警值时,通过可编程逻辑器件PLD控制催化燃烧器18内的预热室22和点燃器23,预热室22通过电加热的方式对有机气体进行初次预热,温度75℃~80℃,进行不凝性有机可燃气体的预热和初次点火操作,燃烧后的400℃~450℃高温气体产物(主要为水蒸气和二氧化碳)在气体泵20的作用下再次通过催化燃烧器出气口26、气体管道4、井下加热器7进入油页岩层9,对油页岩层9进行持续高温加热。催化燃烧器18内的燃烧情况通过温度探测器25、火焰探测器29及气体浓度检测器27进行实时监测,并在空气补偿系统19的作用下实现对催化燃烧器18内部燃气/空气比值的调控,以达到高效、安全地运行。催化剂的使用时长一般可持续8000小时,因此,应注意及时地更换,以保证催化燃烧效果。此过程不断循环进行,可实现对油页岩层9的持续加热。并且,经催化燃烧后的产物更加清洁,对人体及环境无危害,同时催化燃烧后的高温气体产物(主要是高温二氧化碳气体和水蒸气)可再次对油页岩层进行加热,起到辅助加热的作用,并降低了原位开采成本。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种辅助油页岩原位开采用催化燃烧装置,其特征在于,包括:井下加热系统、地面油气收集系统及催化燃烧系统,
所述井下加热系统包括空压机系统、稳压罐、气体管道及井下加热器,空压机系统与稳压罐的进口相连接;稳压罐的出口通过气体管道与开采井内部连通;井下加热器设置在气体管道的井下端,井下加热器与可编程逻辑器件PLD电性连接;
所述地面油气收集系统包括分级冷凝装置、油水分离器、废水处理器、重油储集罐、三相分离器及轻油储集罐,分级冷凝装置的入口通过管路与生产井内部连通,分级冷凝装置的出口通过管路与油水分离器连接;废水处理器、重油储集罐和三相分离器分别通过管路与油水分离器连接;轻油储集罐与三相分离器通过管路连接;
所述催化燃烧系统包括有机气体在线检测器、催化燃烧器、空气补偿系统和气体泵,催化燃烧器包括预热室和燃烧室,预热室内设置有电阻丝,电阻丝与可编程逻辑器件PLD电性连接;燃烧室与预热室连通,燃烧室为双层结构,且内层套设在外层内部,二者为分体式结构,燃烧室的内层由蜂窝状陶瓷构成,蜂窝状陶瓷表面形成载有催化剂的α-氧化铝层,燃烧室内设置有点燃器、温度探测器、气体浓度检测器和火焰探测器,同时点燃器、温度探测器、气体浓度检测器和火焰探测器均与可编程逻辑器件PLD电性连接;有机气体在线检测器的进气端通过管路与三相分离器连接,有机气体在线检测器的出气端通过管路与催化燃烧器进气口连通,同时有机气体在线检测器与可编程逻辑器件PLD电性连接;空气补偿系统与催化燃烧器的燃烧室通过管路连接,同时空气补偿系统与可编程逻辑器件PLD电性连接,空气补偿系统设置有温度控制系统,该温度控制系统与催化燃烧器内的温度探测器及气体浓度检测器电性连接;气体泵通过管路与催化燃烧器出气口连接,同时气体泵通过管路与气体管道连通。
2.根据权利要求1所述的辅助油页岩原位开采用催化燃烧装置,其特征在于:在所述稳压罐的出口处设置有单向阀。
3.根据权利要求1或2所述的辅助油页岩原位开采用催化燃烧装置,其特征在于:所述气体管道外部缠设有保温棉和伴热带。
4.根据权利要求3所述的辅助油页岩原位开采用催化燃烧装置,其特征在于:所述催化燃烧器外部包裹有保温石棉层。
5.一种使用权利要求1所述辅助油页岩原位开采用催化燃烧装置的方法,其特征在于,具体过程如下:预先设定井下加热器的加热温度、有机气体在线检测器的有机气体浓度报警值以及气体浓度检测器的气体浓度报警值,通过空压机系统、稳压罐、气体管道及井下加热器向开采井井内输送温度范围为300℃~350℃的高温空气,对油页岩层进行加热,通过有机气体在线检测器实时检测油页岩原位热解过程中生成的有机气体浓度,有机气体的浓度达到预先设定的有机气体浓度报警值时,可编程逻辑器件PLD控制催化燃烧器内的电阻丝和点燃器,对不凝性有机可燃气体进行预热和初次点火,并进行催化燃烧,燃烧得到的400℃~450℃高温气体在气体泵的作用下再次通过气体管道、井下加热器进入油页岩层,对油页岩层进行高温加热。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述预热温度为80℃。
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