CN113756766B - 一种产物压力自调节的超临界水热燃烧型井下多元热流体发生器 - Google Patents
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Abstract
一种产物压力自调节的超临界水热燃烧型井下多元热流体发生器，主要由顶部端盖、燃烧筒套、旋流壁、主体外壳、蒸发壁、水冷壁、分割块、燃烧产物喷嘴依次连接装配组成，顶部端盖上设有一级燃料进口、一级氧化剂进口、二级燃料进口、二级氧化剂进口、加热棒、加热棒筒套、蒸发水进和旋流壁冷壁水进口，压力自调节装置主要由调压板、调压装置外壳、调压杆、引压孔、调压装置底板组成，调压后的多元热流体从多元热流体喷嘴喷出。本发明实现了油田含油废水冷态入射，稳定产生水热火焰，防止盐沉积和腐蚀，无需额外耗费电力等能源达到产物压力自调节的效果，且运行成本较低，安全可靠，最大程度地利用了水热燃烧产生的热量。
Description
技术领域
本发明属于稠油开采技术领域，特别涉及一种产物压力自调节的超临界水热燃烧型井下多元热流体发生器。
背景技术
我国近海油气田主要分布在渤海湾、东海、南海西部和东部。渤海油田约有23亿吨稠油资源。提高重油的开采量及回收效率，对我国政治稳定，经济发展，科学进步具有重大意义。目前油田开采重油主要使用蒸汽吞吐、蒸汽驱和蒸汽辅助重力泄油等稠油热采技术，作为热载体的蒸汽被注入地层加热稠油，降低稠油粘度，提高其流动性，便于开采。由于注汽锅炉位于地面以上，在稠油开采过程中会产生较大的热损失，地面注汽锅炉排烟损失约为20％，地面蒸汽管路热损失约占15％，地下井筒每千米损失热量约为10％，热损失总计可达50％。此外，地面注汽锅炉及蒸汽管路占地面积大，而海上石油开采平台空间有限，导致海上稠油热采技术应用受到限制。
超临界水热燃烧是指一定浓度的有机物与氧化剂在超临界水(T≥374.15℃且p≥22.12MPa)中发生剧烈氧化反应，产生水热火焰的新型燃烧技术。水热火焰作为内部热源提供能量，超临界水、燃料和氧化剂形成均相，允许湿物料在室温下直接进入反应器，在毫秒内完成反应，释放大量热量，产生多元热流体。超临界水热燃烧具有多种优势，(1)消除了普通蒸汽发生器烘干进料的能耗，避免了在反应器进口处因进料被预热到超临界状态导致无机盐析出沉积堵塞，减小了管道和反应器的腐蚀。(2)反应迅速，换热效率高，反应器结构紧凑，可作为井下蒸汽发生器，消除热损失，实现能量100％利用。(3)燃烧生成的高温多元热流体(水蒸气、CO2和N2)通过热力降粘，气体溶解，补充地层能量等作用极大地提高稠油开采效率。
超临界水热燃烧型井下蒸汽发生器克服了传统注汽锅炉热能损失高，占地面积大的缺点，完全利用燃烧产物及能量，减少稠油开采过程中产生的污染，为高效安全地开采海上稠油提供了可行方案。超临界水热燃烧型井下蒸汽发生器设计重点在于能够快速稳定地点火，防止反应器内盐沉积堵塞和腐蚀，产生目标压力参数的多元热流体。为此本发明提供了一种产物压力自调节的超临界水热燃烧型井下多元热流体发生器，满足了上述需求，为稠油热采提供可行方案。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，实现高效安全稠油热采，本发明的目的在于提供一种产物压力自调节的超临界水热燃烧型井下多元热流体发生器，克服了传统注汽锅炉热能损失高，占地面积大的缺点，通过水热燃烧技术实现了燃烧能量完全利用，直接在地层中产生多元热流体，高效开采稠油。反应器中蒸发壁和水冷壁有效避免盐沉积和腐蚀，压力自调节装置实现了产物压力变化自调节，保持多元热流体压力恒定。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种产物压力自调节的超临界水热燃烧型井下多元热流体发生器，包括主体外壳，主体外壳顶端有顶部端盖，底端有多元热流体喷嘴，其中：
所述顶部端盖上有一级燃料进口、一级氧化剂进口、二级燃料进口、二级氧化剂进口、冷壁水进口和旋流壁冷壁水进口；
所述顶部端盖内置加热棒筒套，加热棒筒套外壁有周向螺旋通道，加热棒筒套内置加热棒，加热棒筒套底端安装一级燃料喷嘴，加热棒筒套下部外侧设置有燃烧筒套，燃烧筒套内壁设置旋流壁；
所述一级燃料进口与加热棒和加热棒筒套之间形成的环形空间连通，并接通一级燃料喷嘴，一级氧化剂进口与加热棒筒套周向螺旋通道连通，旋流壁冷壁水进口通过旋流壁，共同在燃烧筒套内形成稳燃空间A；
主体外壳内壁上方设置水冷壁，下方设置蒸发壁，水冷壁内侧空间为主燃空间A，蒸发壁内侧空间为掺混空间A，蒸发壁与主体外壳间形成蒸发壁空间A；所述二级燃料进口和二级氧化剂进口接通主燃空间A，冷壁水由冷壁水进口进入水冷壁与主体外壳间的螺旋空间，吸收主燃空间A中燃烧热量；冷壁水沿轴向流入蒸发壁空间A，在蒸发壁壁面上形成液膜，在掺混空间A中与多元热流体掺混。
优选地，所述加热棒、加热棒筒套、一级燃料喷嘴、旋流壁以及燃烧筒套同轴安装，贯穿顶部端盖。
优选地，所述一级燃料进口的流量小于二级燃料进口的流量，一级氧化剂进口的流量小于二级氧化剂进口的流量。
优选地，所述蒸发壁由多孔管材构成，与水冷壁轴向咬合连接。
优选地，所述主体外壳的底部安装有分割块，分割块纵截面为U形，其顶部边沿与蒸发壁的下边沿咬合连接，底部设置有喷孔和喷嘴。
优选地，所述喷嘴为轴向喷嘴，喷孔为斜向孔，对称设置在喷嘴两侧。
优选地，所述主体外壳中位于多元热流体喷嘴入口端设置有压力自调节装置，所述压力自调节装置包括带有过孔一的调压板和带有过孔二的调压装置底板，调压板和调压装置底板均安装在主体外壳内壁，调压板位于调压装置底板上方，调压装置底板上安装有调压装置外壳，调压装置外壳内部通过轴向的调压弹簧安装有可轴向移动的调压杆，调压杆向上伸出调压装置外壳并与所述过孔一相对。
优选地，所述调压杆为倒T形结构，其两臂上表面通过调压弹簧连接调压装置外壳顶壁的下表面，中间杆向上伸出调压装置外壳并与所述过孔一相对。
优选地，所述调压装置外壳顶面开有若干引压孔，引压孔连通至调压装置外壳内部。
优选地，所述调压杆的前端为锥形，所述过孔一与所述锥形的外形适配。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、冷物料稳定点火和维持火焰：燃料和氧化剂分级送进装置，小流量一级燃料从一级燃料喷嘴倾斜和垂直流进稳燃空间A1，被加热棒高温前端迅速点燃，使稳燃空间A1内保持高温，确保了水热火焰的稳定燃烧，实现了冷物料进射条件下小流量燃料的强迫点火和稳燃。
2、装置壁面冷却，防盐沉积堵塞和腐蚀效果好：低温水流过旋流壁，吸收稳燃空间A1中燃烧产生的热量，避免了旋流壁壁面过温；冷壁水流入水冷壁与主体外壳间螺旋空间，吸收主燃空间A2的热量，避免壁面超温；冷壁水沿轴向流动，进入蒸发壁空间A3，在蒸发壁壁面上形成液膜，在掺混空间A4中与多元热流体掺混，防止了盐沉积堵塞和腐蚀。
3、燃料适应性好，运行成本低：发生器可以避免盐沉积和腐蚀，除柴油、甲醇等普通燃料，还可以直接燃烧油田中的含油废水作为一次燃料和二次燃料，降低发生器运行成本。
4、装置内设有压力自调节装置，无需额外耗费电力等能源，采用机械结构实现产物压力自调节：多元热流体通过调压板与调压杆间的缝隙节流至较小的目标压力。节流后的多元热流体小部分流入调压装置外壳上的引压孔，与调压弹簧的反作用力相平衡。当节流后压力变大时，多元热流体推动调压杆向调压板运动，两者间缝隙变小，流阻变大，多元热流体压力恢复到目标压力；当节流后压力变小时，与上述过程相反，流阻变小，多元热流体压力恢复到目标压力。
附图说明
图1为本发明的示意图。
图2为超临界水热燃烧型井下多元热流体发生器的局部(上部)放大图。
图3为超临界水热燃烧型井下多元热流体发生器的局部(下部)放大图。
图4为压力自调节装置放大图。
其中A1-稳燃空间；A2-主燃空间；A3-蒸发壁空间；A4-掺混空间；1-顶部端盖；2-加热棒筒套；3-加热棒；4-一级燃料进口；5-一级氧化剂进口；6-旋流壁冷壁水进口；7-二级燃料进口；8-冷壁水进口；9-二级氧化剂进口；10-燃烧筒套；11-旋流壁；12-主体外壳；13-一级燃料喷嘴；14-水冷壁；15-蒸发壁；16-分割块；17-调压板；18-调压装置外壳；19-调压杆；20-引压孔；21-调压装置底板；22-调压弹簧；23-多元热流体喷嘴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1、图2和图3所示，本发明一种产物压力自调节的超临界水热燃烧型井下多元热流体发生器，包括主体外壳12，主体外壳12顶端有顶部端盖1，底端有多元热流体喷嘴23，内壁上方设置水冷壁14，下方设置蒸发壁15。
其中，在顶部端盖1上有一级燃料进口4、一级氧化剂进口5、二级燃料进口7、二级氧化剂进口9、冷壁水进口8和旋流壁冷壁水进口6。
本发明的顶部端盖1内置加热棒筒套2，加热棒筒套2外壁有周向螺旋通道，加热棒筒套2内置加热棒3，加热棒筒套2底端安装一级燃料喷嘴13，加热棒筒套2下部外侧设置有燃烧筒套10，燃烧筒套10内壁设置旋流壁11。
在本发明的实施例中，加热棒3、加热棒筒套2、一级燃料喷嘴13、旋流壁11以及燃烧筒套10可同轴安装，贯穿顶部端盖1。
一级燃料进口4与加热棒3和加热棒筒套2之间形成的环形空间连通，并接通一级燃料喷嘴13，一级氧化剂进口5与加热棒筒套2周向螺旋通道连通，旋流壁冷壁水进口6通过旋流壁11，共同在燃烧筒套10内形成稳燃空间A1。
在本发明的实施例中，蒸发壁15由多孔管材构成，与水冷壁14轴向咬合连接。
水冷壁14内侧空间为主燃空间A2，蒸发壁15内侧空间为掺混空间A4，蒸发壁15与主体外壳12间形成蒸发壁空间A3。二级燃料进口7和二级氧化剂进口9接通主燃空间A2，冷壁水由冷壁水进口8进入水冷壁14与主体外壳12间的螺旋空间，吸收主燃空间A2中燃烧热量，防止壁温过高；冷壁水沿轴向流入蒸发壁空间A3，在蒸发壁15壁面上形成液膜，在掺混空间A4中与多元热流体掺混，避免超临界水中析出的无机盐在壁面上沉积，发生腐蚀。本发明具有抗盐沉积和腐蚀的特性，故可以直接燃烧油田含油废水作为一次燃料和二次燃料，减少运行成本。
在本发明的实施例中，一级燃料进口4的流量小于二级燃料进口7的流量，一级氧化剂进口5的流量小于二级氧化剂进口9的流量。小流量一级燃料与一级氧化剂在稳燃空间A1接触加热棒3的高温前端，被稳定点燃。
在本发明的实施例中，还可包括分割块16和/或压力自调节装置，此时，本发明主要由顶部端盖1、燃烧筒套10、旋流壁11、主体外壳12、蒸发壁14、水冷壁15、分割块16、多元热流体喷嘴23依次连接装配组成。
在本发明的实施例中，分割块16安装在外壳12的底部，纵截面为U形，其顶部边沿与蒸发壁15的下边沿咬合连接，底部设置有喷孔和喷嘴。喷孔和喷嘴的直径均较小，其中喷嘴为轴向喷嘴，喷孔为斜向孔，对称设置在喷嘴两侧。
在本发明的实施例中，压力自调节装置位于多元热流体喷嘴23入口端位置，无需额外耗费电力等能源，采用机械结构实现产物压力自调节，其包括带有过孔一的调压板17和带有过孔二的调压装置底板21，调压板17和调压装置底板21均安装在主体外壳12内壁，调压板17位于调压装置底板21上方，调压装置底板21上安装有调压装置外壳18，调压装置外壳18内部通过轴向的调压弹簧22安装有可轴向移动的调压杆19，调压杆19向上伸出调压装置外壳18并与所述过孔一相对。
在本发明的实施例中，调压杆19为倒T形结构，其两臂上表面通过调压弹簧22连接调压装置外壳18顶壁的下表面，中间杆向上伸出调压装置外壳18并与所述过孔一相对。
在本发明的实施例中，调压装置外壳18顶面开有若干引压孔20，引压孔20连通至调压装置外壳18内部。
在本发明的实施例中，调压杆19的前端为锥形，所述过孔一与所述锥形的外形适配。
多元热流体通过调压板17与调压杆19间的缝隙节流至较小的目标压力。节流后的多元热流体小部分流入调压装置外壳18上的引压孔20，与调压弹簧22的反作用力相平衡。当节流后压力变大时，多元热流体推动调压杆19向调压板17运动，两者间缝隙变小，流阻变大，多元热流体压力恢复到目标压力；当节流后压力变小时，与上述过程相反，流阻变小，多元热流体压力恢复到目标压力。最后多元热流体从多元热流体喷嘴23喷出。
根据上述结构描述，本发明的启动方式：
首先启动加热棒3，点燃冷态从一级燃料进口4进入的一级燃料和从一级氧化剂进口5进入的一级氧化剂，此时两者的流量都处于较小的范围。旋流壁冷壁水流进旋流壁11，吸收稳燃空间A1内水热火焰的热量。大流量冷态二级燃料和二级氧化剂与一级燃料和一级氧化剂的高温燃烧产物湍流混合，强烈传热，快速升温至自燃温度，导致大流量物料冷态热自燃点火，产生了稳定的水热火焰。冷壁水从冷壁水进口8流进，吸收主燃空间A2内燃烧产物热量，避免装置壁面超温，冷壁水沿轴向流入蒸发壁空间A3，在蒸发壁15壁面上形成液膜，在掺混空间A4中与多元热流体掺混，避免超临界水中析出的无机盐在壁面上沉积，发生腐蚀。多元热流体由分割块16上倾斜小孔和小直径喷嘴喷出，通过调压板17与调压杆19间的缝隙节流至较小的目标压力。节流后的多元热流体小部分流入调压装置外壳18上的引压孔20，与调压弹簧22的反作用力相平衡。当节流后压力变大时，多元热流体推动调压杆19向调压板17运动，两者间缝隙变小，流阻变大，多元热流体压力恢复到目标压力；当节流后压力变小时，与上述过程相反，流阻变小，多元热流体压力恢复到目标压力。实现了产物压力自调节。多元热流体通过调压装置底板21上的过孔二流入多元热流体喷嘴23后喷出。
综上所述，本发明提供了一种产物压力自调节的超临界水热燃烧型井下多元热流体发生器，达到了油田含油废水冷态入射，稳定产生水热火焰，防止盐沉积和腐蚀，无需额外耗费电力等能源达到产物压力自调节的效果，且运行成本较低，安全可靠，最大程度地利用了水热燃烧产生的热量，为热采稠油提供了安全高效的多元热流体发生器。
Claims (8)
1.一种产物压力自调节的超临界水热燃烧型井下多元热流体发生器，包括主体外壳(12)，主体外壳(12)顶端有顶部端盖(1)，底端有多元热流体喷嘴(23)，其特征在于：
所述顶部端盖(1)上有一级燃料进口(4)、一级氧化剂进口(5)、二级燃料进口(7)、二级氧化剂进口(9)、冷壁水进口(8)和旋流壁冷壁水进口(6)；
所述顶部端盖(1)内置加热棒筒套(2)，加热棒筒套(2)外壁有周向螺旋通道，加热棒筒套(2)内置加热棒(3)，加热棒筒套(2)底端安装一级燃料喷嘴(13)，加热棒筒套(2)下部外侧设置有燃烧筒套(10)，燃烧筒套(10)内壁设置旋流壁(11)；
所述一级燃料进口(4)与加热棒(3)和加热棒筒套(2)之间形成的环形空间连通，并接通一级燃料喷嘴(13)，一级氧化剂进口(5)与加热棒筒套(2)周向螺旋通道连通，旋流壁冷壁水进口(6)通过旋流壁(11)，共同在燃烧筒套(10)内形成稳燃空间A1；
主体外壳(12)内壁上方设置水冷壁(14)，下方设置蒸发壁(15)，水冷壁(14)内侧空间为主燃空间A2，蒸发壁(15)内侧空间为掺混空间A4，蒸发壁(15)与主体外壳(12)间形成蒸发壁空间A3；所述二级燃料进口(7)和二级氧化剂进口(9)接通主燃空间A2，冷壁水由冷壁水进口(8)进入水冷壁(14)与主体外壳(12)间的螺旋空间，吸收主燃空间A2中燃烧热量；冷壁水沿轴向流入蒸发壁空间A3，在蒸发壁(15)壁面上形成液膜，在掺混空间A4中与多元热流体掺混；
所述主体外壳(12)中位于多元热流体喷嘴(23)入口端设置有压力自调节装置，所述压力自调节装置包括带有过孔一的调压板(17)和带有过孔二的调压装置底板(21)，调压板(17)和调压装置底板(21)均安装在主体外壳(12)内壁，调压板(17)位于调压装置底板(21)上方，调压装置底板(21)上安装有调压装置外壳(18)，调压装置外壳(18)内部通过轴向的调压弹簧(22)安装有可轴向移动的调压杆(19)，调压杆(19)向上伸出调压装置外壳(18)并与所述过孔一相对；
所述一级燃料进口(4)的流量小于二级燃料进口(7)的流量，一级氧化剂进口(5)的流量小于二级氧化剂进口(9)的流量；小流量一级燃料与一级氧化剂在稳燃空间A1接触加热棒(3)的高温前端，被稳定点燃。
2.根据权利要求1所述产物压力自调节的超临界水热燃烧型井下多元热流体发生器，其特征在于，所述加热棒(3)、加热棒筒套(2)、一级燃料喷嘴(13)、旋流壁(11)以及燃烧筒套(10)同轴安装，贯穿顶部端盖(1)。
3.根据权利要求1所述产物压力自调节的超临界水热燃烧型井下多元热流体发生器，其特征在于，所述蒸发壁(15)由多孔管材构成，与水冷壁(14)轴向咬合连接。
4.根据权利要求1所述产物压力自调节的超临界水热燃烧型井下多元热流体发生器，其特征在于，所述主体外壳(12)的底部安装有分割块(16)，分割块(16)纵截面为U形，其顶部边沿与蒸发壁(15)的下边沿咬合连接，底部设置有喷孔和喷嘴。
5.根据权利要求4所述产物压力自调节的超临界水热燃烧型井下多元热流体发生器，其特征在于，所述喷嘴为轴向喷嘴，喷孔为斜向孔，对称设置在喷嘴两侧。
6.根据权利要求1所述产物压力自调节的超临界水热燃烧型井下多元热流体发生器，其特征在于，所述调压杆(19)为倒T形结构，其两臂上表面通过调压弹簧(22)连接调压装置外壳(18)顶壁的下表面，中间杆向上伸出调压装置外壳(18)并与所述过孔一相对。
7.根据权利要求1所述产物压力自调节的超临界水热燃烧型井下多元热流体发生器，其特征在于，所述调压装置外壳(18)顶面开有若干引压孔(20)，引压孔(20)连通至调压装置外壳(18)内部。
8.根据权利要求1所述产物压力自调节的超临界水热燃烧型井下多元热流体发生器，其特征在于，所述调压杆(19)的前端为锥形，所述过孔一与所述锥形的外形适配。
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