CN113404475B - 一种用于地下矿产资源原位加热的井下燃烧加热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于地下矿产资源原位加热的井下燃烧加热器，属于原位加热开采技术领域，包括气体注入系统、燃烧系统和尾气回流预热系统，气体注入系统用于保证燃气与助燃空气充分混合后形成混合气再注入燃烧加热器内，燃烧系统包括燃烧腔体管、折流板、点火针支座、点火针、多孔泡沫铝和燃烧腔下端盖，尾气回流预热系统一方面高温尾气的回流能够与多孔泡沫铝通过燃烧腔体管进行换热，保证多孔泡沫铝的温度；另一方面高温尾气的回流能够与注入燃烧加热器的混合气之间通过燃烧腔体管进行换热，将混合气预热来提高气体的燃烧效率。本发明能够对负载催化剂的多孔泡沫铝进行持续加热，并对注入燃烧器的燃气进行预热来提高燃气催化燃烧的效率。

Description

一种用于地下矿产资源原位加热的井下燃烧加热器
技术领域
本发明属于原位加热开采技术领域，具体地，涉及一种用于地下矿产资源原位加热的井下燃烧加热器。
背景技术
油页岩、稠油、致密油及天然气水合物等非常规油气资源是重要的战略资源，通过井下原位加热的方式实现油页岩、稠油、致密油及天然气水合物等非常规油气资源的开采被认为是最有效的方法。
采用烃类气体燃烧产生的高温尾气注入地下加热目标地层是一种有效的井下原位加热方法。该方法首先在地表通过增压机分别向井底的加热器通入燃烧气和助燃气，两种气体在加热器的燃烧室内燃烧形成高温尾气，加热地层；但是烃类气体燃烧温度过高，产生尾气的温度超过了加热地层实际需要的温度，以甲烷为例，甲烷燃烧产生的尾气温度可高达1300℃，远远超过了油页岩、稠油等原位开采600℃以内的工艺要求，因此需要采用催化燃烧的方式降低烃类气体的活化能，使烃类气体能够在450℃～500℃时反应，降低尾气的温度；采用的催化剂主要是多孔泡沫铝涂覆铂和铑，燃烧加热的优点是能够实现长时间加热，故障率低，能够满足长期加热地层的需求。但是，这种方法必须保证负载催化剂的泡沫铝的温度始终保持在500℃左右来确保烃类气体能够反应；另外由于注入燃烧器的气体温度较低，在经过高温多孔泡沫铝的过程中与泡沫铝的换热不充分，导致部分气体达不到反应温度，进而降低了燃气的利用效率。
发明内容
本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的问题，而提供一种用于地下矿产资源原位加热的井下燃烧加热器，能够对负载催化剂的多孔泡沫铝进行持续加热，并对注入燃烧器的燃气进行预热来提高燃气催化燃烧的效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于地下矿产资源原位加热的井下燃烧加热器，其特征在于，包括气体注入系统、燃烧系统和尾气回流预热系统，其中：
气体注入系统整体位于地表井口附近，气体注入系统包括空气压缩机、空气增压机、燃气罐、燃气增压机和预混罐，所述空气增压机的入口侧通过管线与空气压缩机连接，空气增压机的出口侧通过管线与预混罐连接；所述燃气增压机的入口侧通过管线与燃气罐连接，燃气增压机的出口侧通过管线与预混罐连接；预混罐的出口处密封连接有注气管道，所述注气管道穿过燃烧腔体管顶部与燃烧腔体管内部连通；
燃烧系统包括燃烧腔体管、折流板、点火针支座、点火针、多孔泡沫铝和燃烧腔下端盖，燃烧腔体管为顶部封闭、底部敞口的筒形结构，并且燃烧腔体管顶部向外延伸形成与换热器外管连接的外连接部；折流板、点火针支座、点火针和多孔泡沫铝设置在燃烧腔体管内部，折流板由第一换热折流板和第二换热折流板组成，沿着燃烧腔体管的轴线方向第一换热折流板和第二换热折流板交替设置，并在第一换热折流板上设置有至少一圈呈环形分布的通孔，在第二换热折流板上设置有通孔，第二换热折流板上的通孔包括位于第二换热折流板中心的中心通孔和至少一圈呈环形分布于中心通孔周围的外围通孔；所述点火针支座位于折流板下方，点火针支座上设置有进气孔；所述点火针安装在点火针支座上，点火针通过铠装电缆与外界电源连接；所述多孔泡沫铝位于点火针下方，多孔泡沫铝内孔隙表面负载有贵金属催化剂铂；燃烧腔下端盖的上端与燃烧腔体管的下端螺纹连接，燃烧腔下端盖的下端与回流换热腔底座通过焊接的方式连接；燃烧腔下端盖的内壁上设置有用于承载多孔泡沫铝的凸台；
尾气回流预热系统包括尾气回流孔、回流换热腔底座、回流换热腔体管、换热器外管和换热器底座，尾气回流孔开设于燃烧腔下端盖的侧壁下部，尾气回流孔为贯通孔；回流换热腔底座与回流换热腔体管的下端通过螺纹连接；换热器外管的上端与燃烧腔体管螺纹连接，换热器外管的下端与换热器底座螺纹连接，换热器底座具有沿轴向设置的贯穿中心孔，换热器外管、回流换热腔体管和燃烧腔体管从外到内依次套设，且同轴设置，回流换热腔体管与燃烧腔体管之间形成第一环空，换热器外管和回流换热腔体管之间形成第二环空，回流换热腔体管的顶部为敞口结构，第一环空和第二环空连通。
进一步，所述第一换热折流板和第二换热折流板的外边缘与燃烧腔体管的内壁焊接。
进一步，所述第一换热折流板上的通孔靠近第一换热折流板中心位置，第二换热折流板上的外围通孔靠近第二换热折流板的外圆周。
进一步，所述点火针支座以焊接的方式固定在燃烧腔体管内壁上。
进一步，所述点火针以焊接的方式固定在点火针支座用于容置点火针的孔内。
进一步，所述回流换热腔体管的长度小于换热器外管的长度。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明通过燃气燃烧产生的高温气体的部分热量为燃烧器的燃烧过程提供热量，保证燃气的燃烧反应能够持续进行；同时通过高温尾气对注入燃烧器的混合气体进行预热，提高混合气在负载催化剂的多孔泡沫铝内部的转化率，提高了燃气的利用效率。
附图说明
此处的附图说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明申请的一部分，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为用于地下矿产资源原位加热的井下燃烧加热器的示意图。
图2为实施例中第一换热折流板的剖视图；
图3为实施例中第二换热折流板的剖视图。
图中各标记如下：1-空气压缩机，2-空气增压机，3-燃气罐，4-燃气增压机，5-预混罐，6-燃烧腔体管，7-第一换热折流板，8-第二换热折流板，9-外界电源，10-铠装电缆，11-进气孔，12-点火针支座，13-点火针，14-多孔泡沫铝，15-燃烧腔下端盖，16-尾气回流孔，17-回流换热腔底座，18-回流换热腔体管，19-换热器外管，20-换热器底座。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面结合本发明的实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚完整地描述。显然，本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述；本发明中使用的“第一”、“第二”并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。。
如图1、图2和图3所示，一种用于地下矿产资源原位加热的井下燃烧加热器，适用于重油、页岩油及油页岩储层井下原位加热开采，所述井下燃烧加热器为自身预热式井下燃烧加热器，包括：气体注入系统、燃烧系统和尾气回流预热系统，其中：
气体注入系统整体位于地表井口附近，气体注入系统包括空气压缩机1、空气增压机2、燃气罐3、燃气增压机4和预混罐5，所述空气增压机2的入口侧通过管线与空气压缩机1连接，空气增压机2的出口侧通过管线与预混罐5连接；所述燃气增压机4的入口侧通过管线与燃气罐3连接，燃气增压机4的出口侧通过管线与预混罐5连接；预混罐5的出口处连接有注气管道，所述注气管道穿过燃烧腔体管6顶部与燃烧腔体管6内部连通；空气压缩机1为燃烧加热器提供助燃空气，空气压缩机1将压缩空气输入到空气增压机2中，由空气增压机2进一步加压后，使压缩空气具有足够的压力与燃气混合后能注入地层中。燃气罐3为燃烧加热器提供燃气气源，根据不同的工艺需求燃气罐3内的气体可以采用甲烷、乙烷等不同类型的烃类气体，燃气罐3将燃气输送至燃气增压机4进行加压，加压后的燃气与助燃空气混合后注入加热井中。在燃气和助燃空气注入加热井前，需要通过空气增压机2和增压机4将两种气体注入预混罐5先进行预混，保证两种气体充分混合后再注入燃烧加热器内，保证燃气能充分燃烧，经过预混合产生的气体称为混合气。
燃烧系统包括燃烧腔体管6、折流板、点火针支座12、点火针13、多孔泡沫铝14和燃烧腔下端盖15，燃烧腔体管6为顶部封闭、底部敞口的筒形结构，并且燃烧腔体管6顶部向外延伸形成与换热器外管19连接的外连接部；折流板、点火针支座12、点火针13和多孔泡沫铝14设置在燃烧腔体管6内部，折流板由第一换热折流板7和第二换热折流板8组成，沿着燃烧腔体管6的轴线方向第一换热折流板7和第二换热折流板8交替设置，并在第一换热折流板7上设置有至少一圈呈环形分布的通孔，在第二换热折流板8上设置有通孔，第二换热折流板8上的通孔包括位于第二换热折流板8中心的中心通孔和至少一圈呈环形分布于中心通孔周围的外围通孔；第一换热折流板7上的通孔靠近第一换热折流板7中心位置，第二换热折流板8上的外围通孔靠近第二换热折流板8的外圆周；本发明中第一换热折流板7和第二换热折流板8交替设置，增加气体通过第一换热折流板7和第二换热折流板8流动的路径，提高气体的换热时间；所述点火针支座12位于折流板下方，点火针支座12以焊接的方式固定在燃烧腔体管6内壁上，点火针支座12上设置有进气孔11；所述点火针13固定在点火针支座12上，点火针13通过铠装电缆10与外界电源9连接；所述点火针13的下部设置有多孔泡沫铝14；所述多孔泡沫铝14的下部由燃烧腔下端盖15内壁上的凸台支撑，燃烧腔下端盖15的上端与燃烧腔体管6的下端螺纹连接，燃烧腔下端盖15的下端与回流换热腔底座17通过焊接的方式连接；混合气通过注气管道进入燃烧腔体管6中，通过第一换热折流板7和第二换热折流板8上的通孔进入燃烧腔体管6内部，然后通过点火针支座12上的进气孔11与点火针13接触，点火针13通过铠装电缆10与外界电源9连接，连接外界电源9后点火针13之间会产生电流，当混合气与点火针13接触后即被点燃，并产生高温尾气。点火针13的下方为多孔泡沫铝14，多孔泡沫铝14的孔隙表面负载了贵金属催化剂铂，铂金属催化剂可以降低烃类气体的燃烧温度。燃烧产生的高温尾气通过负载了贵金属催化剂铂的多孔泡沫铝14的过程中加热多孔泡沫铝14，然后将铠装电缆10与外界电源9连接断开，停止点火；此时，混合气在高温的多孔泡沫铝14内部由于铂金属催化剂的作用发生无焰燃烧，燃烧过程中产生的尾气经过燃烧腔下端盖15下部的尾气回流孔16进入预热腔。
尾气回流预热系统的作用有两方面，一方面高温尾气的回流能够与多孔泡沫铝14通过燃烧腔体管6进行换热，保证多孔泡沫铝14的温度；另一方面高温尾气的回流能够与注入燃烧加热器的混合气之间通过燃烧腔体管6进行换热，将混合气预热来提高气体的燃烧效率，尾气回流预热系统包括尾气回流孔16、回流换热腔底座17、回流换热腔体管18、换热器外管19和换热器底座20，尾气回流孔16位于燃烧腔下端盖15的侧壁上，尾气回流孔16为贯通孔，回流换热腔底座17与回流换热腔体管18通过螺纹连接，换热器外管19的上端与燃烧腔体管6螺纹连接，换热器外管19的下端与换热器底座20螺纹连接，换热器底座20具有沿轴向设置的贯穿中心孔；燃烧腔体管6、回流换热腔体管18和换热器外管19从内到外依次套设，且同轴设置，回流换热腔体管18与燃烧腔体管6之间形成第一环空，换热器外管19和回流换热腔体管18之间形成第二环空，回流换热腔体管18的顶部为敞口，所述回流换热腔体管18的长度小于换热器外管19的长度，第一环空和第二环空连通；催化燃烧产生的高温尾气进入回流换热腔体管18与燃烧腔体管6之间的环状空间，通过燃烧腔体管6与多孔泡沫铝14和混合气之间进行换热，然后高温尾气会进入到换热器外管19与回流换热腔体管18之间的环状间隙中，然后经由换热器底座20的中心孔排出注入到地层中，加热目标地层。
显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地解释本发明所作的举例，并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种用于地下矿产资源原位加热的井下燃烧加热器，其特征在于，包括气体注入系统、燃烧系统和尾气回流预热系统，其中：
气体注入系统整体位于地表井口附近，气体注入系统包括空气压缩机(1)、空气增压机(2)、燃气罐(3)、燃气增压机(4)和预混罐(5)，所述空气增压机(2)的入口侧通过管线与空气压缩机(1)连接，空气增压机(2)的出口侧通过管线与预混罐(5)连接；所述燃气增压机(4)的入口侧通过管线与燃气罐(3)连接，燃气增压机(4)的出口侧通过管线与预混罐(5)连接；预混罐(5)的出口处密封连接有注气管道，所述注气管道穿过燃烧腔体管(6)顶部与燃烧腔体管(6)内部连通；
燃烧系统包括燃烧腔体管(6)、折流板、点火针支座(12)、点火针(13)、多孔泡沫铝(14)和燃烧腔下端盖(15)，燃烧腔体管(6)为顶部封闭、底部敞口的筒形结构，并且燃烧腔体管(6)顶部向外延伸形成与换热器外管(19)连接的外连接部；折流板、点火针支座(12)、点火针(13)和多孔泡沫铝(14)设置在燃烧腔体管(6)内部，折流板由第一换热折流板(7)和第二换热折流板(8)组成，沿着燃烧腔体管(6)的轴线方向第一换热折流板(7)和第二换热折流板(8)交替设置，并在第一换热折流板(7)上设置有至少一圈呈环形分布的通孔，在第二换热折流板(8)上设置有通孔，第二换热折流板(8)上的通孔包括位于第二换热折流板(8)中心的中心通孔和至少一圈呈环形分布于中心通孔周围的外围通孔；所述点火针支座(12)位于折流板下方，点火针支座(12)上设置有进气孔(11)；所述点火针(13)安装在点火针支座(12)上，点火针(13)通过铠装电缆(10)与外界电源(9)连接；所述多孔泡沫铝(14)位于点火针(13)下方，多孔泡沫铝(14)内孔隙表面负载有贵金属催化剂铂；燃烧腔下端盖(15)的上端与燃烧腔体管(6)的下端螺纹连接，燃烧腔下端盖(15)的下端与回流换热腔底座(17)通过焊接的方式连接；燃烧腔下端盖(15)的内壁上设置有用于承载多孔泡沫铝(14)的凸台；
尾气回流预热系统包括尾气回流孔(16)、回流换热腔底座(17)、回流换热腔体管(18)、换热器外管(19)和换热器底座(20)，尾气回流孔(16)开设于燃烧腔下端盖(15)的侧壁下部，尾气回流孔(16)为贯通孔；回流换热腔底座(17)与回流换热腔体管(18)的下端通过螺纹连接；换热器外管(19)的上端与燃烧腔体管(6)螺纹连接，换热器外管(19)的下端与换热器底座(20)螺纹连接，换热器底座(20)具有沿轴向设置的贯穿中心孔，换热器外管(19)、回流换热腔体管(18)和燃烧腔体管(6)从外到内依次套设，且同轴设置，回流换热腔体管(18)与燃烧腔体管(6)之间形成第一环空，换热器外管(19)和回流换热腔体管(18)之间形成第二环空，回流换热腔体管(18)的顶部为敞口结构，第一环空和第二环空连通。
2.根据权利要求1所述的用于地下矿产资源原位加热的井下燃烧加热器，其特征在于：所述第一换热折流板(7)和第二换热折流板(8)的外边缘与燃烧腔体管(6)的内壁焊接。
3.根据权利要求1所述的用于地下矿产资源原位加热的井下燃烧加热器，其特征在于：所述第一换热折流板(7)上的通孔靠近第一换热折流板(7)中心位置，第二换热折流板(8)上的外围通孔靠近第二换热折流板(8)的外圆周。
4.根据权利要求1所述的用于地下矿产资源原位加热的井下燃烧加热器，其特征在于：所述点火针支座(12)以焊接的方式固定在燃烧腔体管(6)内壁上。
5.根据权利要求1所述的用于地下矿产资源原位加热的井下燃烧加热器，其特征在于：所述点火针(13)以焊接的方式固定在点火针支座(12)用于容置点火针(13)的孔内。
6.根据权利要求1所述的用于地下矿产资源原位加热的井下燃烧加热器，其特征在于：所述回流换热腔体管(18)的长度小于换热器外管(19)的长度。
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