CN114207355A - 蒸汽发生器工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蒸汽发生器工具，该蒸汽发生器工具被配置为接收燃料、氧化剂、水和电力/控制的供应，从而燃烧燃料并从水中生成蒸汽。该工具可用于井下或地面。该工具包括工具耦合组件，该工具耦合组件被配置为接收水、燃料、氧化剂和电力/控制的输入；流动转向组件，被耦合到耦合组件并且将输入引导到工具中；点火组件，被配置为点燃燃料以产生火焰。工具还包括燃烧室，被配置为容纳火焰；工具外表面上的多个水喷嘴，被配置为将水喷射到燃烧室的外表面上，在工具工作过程中水被转化为蒸汽。工具耦合组件形成第一，其可以被认为是蒸汽发生器工具的上端部，并且燃烧室位于工具的第二、相对的端部。

Description

蒸汽发生器工具

技术领域

本发明涉及一种蒸汽发生器工具，特别地涉及一种用于从输入的水、燃料和氧气中生成蒸汽的蒸汽发生器工具和方法。

背景技术

全世界有许多储油层含有粘稠的碳氢化合物，该粘稠的碳氢化合物通常被称为“沥青”、“焦油”、“重油”或“超重油”(本文统称为“重油”)，其中重油的粘度范围为3,000至超过1,000,000厘泊。高粘度阻碍了油的采收，因为它不能容易地从岩层流出。

为了经济采收率，(例如利用注蒸汽)加热重油以降低粘度是最常见的开采方法。通常，重油储油层会通过蒸汽吞吐(cyclic steam stimulation，CSS)、蒸汽驱(Drive)和蒸汽辅助重力泄油(steam assisted gravity drainage，SAGD)生产，其中蒸汽从地表注入储油层以加热油，从而将油粘度降低到足以高效生产。

由于地面锅炉效率低、地面管线中的能量损失和井中的能量损失，蒸汽的地面注入具有许多限制。标准油田锅炉将85％到90％的燃料能量转化为蒸汽，根据管道长度和绝缘质量，地面管道将损失5％到25％的燃料能量，并且最后，根据井深和井中的隔热方法，井筒热损失可达燃料能量的5％-15％。因此，在蒸汽到达储油层之前，能量损失的总和可能超过燃料能量的50％。在深层重油储油层中，由于热损失，地面蒸汽注入通常会导致热水而不是蒸汽到达储油层。

此外，许多重油储油层不会响应传统的蒸汽注入，因为许多储油层本身的自然驱动压力很小或没有。即使当储油层压力最初足以生产时，随着生产的进行，压力明显下降。因此，在这些情况下，传统的蒸汽技术几乎没有价值，因为产生的蒸汽处于低压，例如几个大气压。因此，连续喷射蒸汽或“蒸汽驱动”通常是不可能的。因此，在许多蒸汽注入操作中都采用了一种通常称为“蒸汽吞吐”的循环技术。在该技术中，蒸汽在预定的时间段内被注入，中断蒸汽注入并且井在预定的时间段内被关闭，这被称为“浸泡”。此后，将井泵送到预定的损耗点并重复该循环。然而，蒸汽仅穿透井筒周围岩层的很小的部分，特别是因为蒸汽是在相对较低的压力下注入的。

传统的蒸汽发生技术的另一个问题是空气污染物的产生，即CO₂、SO₂、NO_x和颗粒排放。几个行政辖区已经为这类蒸汽操作设定了最大排放量，这通常适用于存在大型重油油田并且以商业规模进行蒸汽作业的广泛区域。因此，在给定油田中的蒸汽作业数量可能会受到严重限制，在某些情况下，有必要分阶段发展以限制空气污染。

也有人建议在地面使用高压燃烧系统。在这样的系统中，水被来自燃烧器的烟气蒸发，烟气和蒸汽都被注入井筒下。这基本上消除或至少减少了解决燃烧过程造成的空气污染的需求，因为所有燃烧产物都被注入储油层，并且大部分注入的污染物仍然隔离在储油层中。注入的混合物通常具有约60％至70％的蒸汽、25％至35％的氮气、约4％至5％的二氧化碳、少于1％的氧气的组成，这取决于是否使用过量的氧气用于完全燃烧，以及SO₂和NO_x的痕迹。当然，SO₂和NO_x会产生酸性物质。然而，通过对用于产生蒸汽的水进行适当处理并通过注入的水稀释酸性化合物，可以显着降低甚至消除这些材料的潜在腐蚀效应。

这种使用蒸汽、氮气和二氧化碳的组合，而不是单独使用蒸汽的操作有公认的好处。除了通过蒸汽冷凝将储油层和油加热到位之外，二氧化碳还溶解在油中，特别是在油冷且氮气对储油层加压或再加压的蒸汽之前的储油层区域中。

然而，目前提出的地上高压系统的一个非常严重的问题是它涉及复杂的压缩设备和在高压和高温下运行的大型燃烧容器。这种组合需要熟练的机械和电气人员来安全地操作设备。

针对地面发生的问题的一种解决方案是将蒸汽发生器放置在井下与待蒸发的岩层相邻的点处，其将蒸汽和烟气的混合物注入岩层中。这也具有上述将深度降低到蒸发是经济地和实际地可行的，并通过注入蒸汽-烟气混合物提高了生产速度和产量的优点。

尽管已经提出了许多井下蒸汽发生器，但目前的设计通常非常复杂，在制造和操作过程中会引发问题。此外，由于井下条件极端，由于硬水积聚或点火器故障，当前的设计需要频繁地维护。耐用性非常重要，因为任何时间需要维护，工具就必须从井中取出，既费时又代价高。

因此，需要耐用的蒸汽发生器工具。这种工具可用于地面或井下。

发明内容

根据一个方面，本发明涉及一种用于生成蒸汽和燃烧气体以从油井生产油的工具，该工具包括：第一端部，被配置为接收输入，该输入包括空气、燃料和水；点火组件，被设置在工具内并且被配置为点燃燃料和空气以生成火焰；燃烧室，用于容纳火焰，在与第一端部相对的第二端部处延伸，并且燃烧室由壁和出口限定，该出口被配置为使得燃烧产物排出；以及水通道，从主体的第一端部延伸并且终止于工具的外表面上的喷嘴，喷嘴至少部分地沿壁的外部长度轴向地引导水流，其中水沿壁的外部长度至少部分地蒸发以生成蒸汽。

在另一个实施例中，本发明涉及一种用于从蒸汽发生器工具生成蒸汽以从储油层生产油的方法，该方法包括：向蒸汽发生器供应空气、水、燃料和电力或控制；从蒸汽发生器外表面上的喷嘴喷射水；使用点火组件点燃火焰；通过允许水沿着燃烧室的壁的外表面的长度流向燃烧室的出口，同时来自火焰的燃烧产物在燃烧室内流向燃烧室的出口，使从喷嘴喷射出的水蒸发；以及将蒸汽和燃烧产物引导到储油层中。

本发明的另一个方面涉及一种用于生成蒸汽和燃烧气体以从油井生产油的工具，该工具包括：第一端部，被配置为接收输入，该输入包括空气、燃料和水，其中空气进入该工具在第一端部上部分的端口处，该端口没有任何连接并且被配置为将工具打开到外表面；位置，位于工具的第一端部，被配置为将水和燃料的输入管线连接到工具；点火组件，被设置在主体内，被配置为点燃空气和燃料以生成火焰；燃烧室，容纳火焰并在与第一端部相对的第二端部延伸，燃烧室由壁和出口限定，该出口被配置为使得燃烧产物排出到井中；以及通道，该通道在工具内从端口到燃烧室，以使得空气从端口流到燃烧室。

附图说明

为了更好地理解本发明，附上以下附图：

图l是其中带有火焰的蒸汽发生器工具的截面图。

图2A是示出另外的喷嘴和外壳体的储油层中的另一个蒸汽发生器工具的截面图。

图2B是具有混合装置支撑件和异径锥可选实施例的储油层中的另一个蒸汽发生器工具的截面图。

图2C是包括混合装置支撑件和带有延伸部的异径锥的蒸汽发生器工具的等距视图。

图3A是示出工具外表面上的喷嘴的蒸汽发生器工具的立体图。

图3B是示出工作中的喷嘴的蒸汽发生器工具的立体图。

图3C是示出工作中的喷嘴和水延伸管道的蒸汽发生器工具的透视图。

图4A是通过连续油管脐带被安装和连接到地面的蒸汽发生器工具的俯视图。

图4B是通过多导管脐带管被安装和连接到地面的蒸汽发生器工具的俯视图。

图4C是通过连续油管脐带和用于氧化剂输入的环形旁路被安装和连接到地面的蒸汽发生器工具的俯视图。

图4D是包括环形空气旁路的蒸汽发生器工具的截面图。

具体实施方式

下文阐述的详细描述和示例旨在作为对本发明的各种实施例的描述并且不旨在代表发明人所设想的唯一实施例。详细描述包括用于提供对本发明的全面理解的具体细节。然而，对于本领域的技术人员来说，在没有这些具体细节的情况下也可以实践本发明是显而易见的。

本发明总体上涉及一种用于将蒸汽和烟气注入储油层的蒸汽发生器工具和在井下或在地面上产生蒸汽的方法。

虽然蒸汽注入经常用于重油的采收，但本发明的方面不限于用于重油的采收，而是也适用于一般的蒸汽生成。应用包括但不限于用于重油采收或其他工业应用的蒸汽生成、水净化等。此外，蒸汽发生器工具在用于重油采收时可以用于多种配置中的任一种，例如，在地面上、在竖直、水平或其他井筒方向上的井下。

参考附图，图1、图3A和图3B示出了蒸汽发生器工具100，该蒸汽发生器工具100被配置为容纳燃料和水的供应，并由此燃烧燃料并从水中生成蒸汽。该工具可用于井下或地面。在图1所示的实施例中，工具100包括：工具耦合组件2，被配置为接收水、燃料和氧化剂的输入；流动转向组件4，被耦合至耦合组件并且引导通过工具输入；点火组件5，被配置为点燃燃料以产生火焰F。工具100还包括被配置为容纳火焰的燃烧室74；以及在工具的外表面上的多个水喷嘴6。每个喷嘴都具有孔口并且被配置为将水喷射到燃烧室74的外表面上。在工具100的工作过程中水被转化为蒸汽。工具耦合组件2限定了第一端部，其可以被认为是蒸汽发生器工具的上端，并且燃烧室位于工具的第二、相对的端部。

耦合组件、流动转向组件4、点火组件5等可以是分离的，但是与工具的部分耦合，或者它们可以是永久耦合的，例如是一体的，但只是工具的功能区。

在使用中，可以提供用于耦合到工具以输送输入的一条或多条供应线1。管线1在工具耦合组件2处被接收。工具的耦合组件2被配置为接收和耦合任何管线1。输入可以由具有可以适当密封的连接件的组件2接收，并且便于更换、修理和改装。例如，工具耦合组件2可包括一个或多个连接器，该连接器提供多个输入和通向流动转向组件4的通道之间的连接。管线1可以向工具耦合组件2提供诸如氧化剂(例如空气)、燃料和水的输入的加压输送，或点火控制。

流动转向组件4将燃料和空气从组件2输送到点火组件5，并将水从组件2输送到喷嘴6。流动转向组件4具有第一端部41，该第一端部41接收来自工具耦合组件2的供给。流动转向组件4引导工具内的供给来使用和消耗供给。燃料和空气可以通过管线1供应到工具中，流动转向组件4将燃料和空气转向通过工具并释放到燃烧室74中，在燃烧室74中它们被燃烧。水可以从管线1引入工具，由流体转向组件4转向水喷嘴6，水在水喷嘴6处被释放，并且在使用中，当水沿着燃烧室外壁流动或流入排出燃烧室的热燃烧气体时，被部分蒸发成蒸汽。

具体地，流动转向组件4包括多个通道4a、4b、4c，燃料、水和氧化剂的输入流过这些通道。通道包括：从工具的第一端部(例如从其上的入口)延伸到燃烧室的氧化剂通道4a、从工具的耦合组件2延伸到喷嘴6a的水通道4b和从工具的耦合组件2延伸到燃烧室74的燃料通道4c。流动转向组件4还可以容纳在上端部41和例如点火组件5的工具中的不同位置之间延伸的电力/控制管线或通道。

点火组件5被配置为点燃流入燃烧室的燃料和氧化剂，例如在典型的实施例中，点火组件5具有向燃烧室74敞开的部分。一旦点燃，燃料和氧化剂流继续流入燃烧室74并在其中燃烧。点火组件可以是火花发生器、加热的表面等。在另一个实施例中，点火组件可以包括用于引火的或自燃的液体的输送系统。

点火组件5可以由确定点火组件何时工作的控制系统控制。控制系统可以具有其他操作，例如调节火焰的稳定性、燃料燃烧的程度，或测量化学计量数据、供应给工具的空气和燃料的压力。因此，控制系统可以包括诸如位于流动转向组件4、点火组件5或燃烧室74内的传感器。例如，该工具可以具有与管线1中的控制管线19耦合的点火控制管线。点火控制线19可能需要在组件2处进行电气连接。

燃烧室74在工具的与上端部相对的第二端部处延伸。燃烧室被定义为在第二端部延伸的管状壁7内的空间。管状壁具有从封闭的端部、底壁50轴向延伸到开口端的长度L，开口端形成腔室的出口40。根据工具工作参数和输出要求，封闭的端部和开口端之间的长度L可以在300和1000mm之间。

燃烧室壁7具有面向燃烧室的内表面71和外表面72，外表面72在图1的实施例中是工具的外表面的一部分。壁7可以大体上是圆柱形的，例如中空圆柱形，在这种情况下，内表面71和外表面72可以大致是圆柱形的，内表面是壁7的内径，外表面72是壁7的外径，并且外表面72限定了壁7的外圆柱面。

燃烧室74被限定在底壁50和内表面71的范围内，并且其长度L在底壁50和出口40之间，长度L也限定了工具和燃烧室74的长轴。在工作过程中，火焰停留在燃烧室74中，燃烧产物在出口40处排出燃烧室。

燃烧室的出口40的直径可以变化。在一个实施例中，出口40的直径小于燃烧室74的最大直径。换言之，出口40处开口的直径可以小于壁7内径的最大尺寸。因此，壁7可以包括限定了渐狭的出口40的锥形端部。该锥形端部可以被称为燃烧喷嘴75。燃烧喷嘴75影响排出的燃烧气体，因为它们在通过渐狭的直径时会聚。因此，燃烧喷嘴75在腔室74中产生反压，从而影响流体从腔室的排出并缓解流体向上回流到燃烧室中。

如将理解的是，随着燃料和氧化剂在底壁50处或附近进入燃烧室，火焰被锚定在底壁附近并被保护在壁7内。火焰从其锚定处和其下游沿这火焰和来自火焰的燃烧产物的路径产生高热量。因此，燃烧室的壁7在从火焰锚定处径向向外且在其下游到出口40的位置处变得非常热。热量从内表面71传递到外表面72。

喷嘴6连接在水通道4b的端部。喷嘴定位在组件4的外表面上，邻近壁7，并被定向和被配置为沿着燃烧壁的外表面72将水从喷嘴喷向出口40。当水沿着燃烧室壁7流向燃烧室的出口40时，燃烧室的加热外表面72至少部分地将水蒸发成蒸汽。特别地，在外表面72处来自火焰F的热量导致从喷嘴喷射的水至少部分地蒸发成蒸汽。特别地，喷嘴不是定位成将水喷射到燃烧室，这可能对火焰产生不利影响，而是定位在燃烧室外部的外表面72上。同样地，喷嘴孔口在燃烧室壁的径向面向外的表面72附近开口，并且在一个实施例中被配置为至少部分地沿壁7的外表面72轴向地喷射水。

喷嘴6除了它们在工具外表面上的位置之外，还可以大致定位在燃料和氧化剂进入燃烧室的位置处。例如，火焰锚定在燃烧室中空气和燃料被混合并被点燃的位置处或稍下游处。因此，当喷嘴6位于燃烧室外部的工具外表面上时，喷嘴可以定位在与空气4a和燃料4c通向室74的通道开口大致相同的轴向位置处。这将喷嘴定位在与燃料和空气进入燃烧室的位置大致相同的轴向位置处，并且正好位于燃料和空气燃烧的位置的上游。因此，与空气4a和燃料4c通向腔室74的通道开口大致相同的轴向位置处的喷嘴6的位置，使得水能够从通道4b通过工具外表面上较冷区域处的喷嘴释放，同时水被引导从火焰形成的地方径向向外流过或撞击在更热的工具表面上。

在所示实施例中，空气的通道4a和燃料的通道4c通向室74的开口位于底壁50处，因此喷嘴6大致位于底壁50的位置处，底壁50是燃烧室的上部封闭的端部。喷嘴从燃烧室74的底壁50径向向外定位在燃烧室壁的外表面上或附近。在一个实施例中，喷嘴可以位于定位为大致水平的流动转向组件4的外表面上，例如与点火组件5和燃烧室74内的空气的通道4a和燃料的通道4c的开口大致共面，它们都是在底壁50处。

喷嘴在与底壁50相同的轴向位置处的位置确保了水在到达工具的最热的区域之前，通过喷嘴从通道4b释放，该位置在火焰被锚定的位置和出口端部40之间的壁7上。因此，水通道4b仅延伸穿过耦合组件2和流动转向组件4以到达喷嘴6，并且它们不延伸穿过与工具的最热区域邻近的工具。在一个实施例中，通道4b终止于喷嘴6，而不穿过壁7。

从喷嘴6向外表面72施加水在壁7处产生冷却效果，在壁7处水部分蒸发形成蒸汽。因此，该喷嘴位置保护燃烧室壁7免于热降解并在燃烧室壁7周围提供均匀的温度分布。此外，虽然现有技术的工具遇到水通道和喷嘴的水垢堆积和堵塞问题，但本工具将喷嘴定位在工具最热区域的上游以避免水通道和喷嘴中结垢。虽然在工具的外表面上(例如，在壁7的外表面72上)可能会出现结垢，但是大的开放表面积确保这种结垢不会堵塞喷水并且容易脱落或被敲掉。虽然以前的工具有时需要软化水，但当前的工具具有独特的喷嘴定位，可以使用不纯净的水源，例如工艺水、地表水、微咸水等。

在一个实施例中，壁7的外表面72被处理以防止水垢由于水蒸发而积聚。例如，至少在喷嘴6和出口端40之间的外表面可以抛光或涂有不粘涂层，例如Teflon^TM、钛陶瓷化合物或类似材料。这种表面处理有助于在使用和日常维护过程中去除水垢。

喷嘴6可以围绕工具的圆周间隔开，使得水被围绕外表面72的整个外围施加。喷嘴6的数量取决于流速、预期压力损失和燃烧室长度。

在一个实施例中，如图3A和图3B所示，喷嘴6可以安装在工具外表面上的肩部65中。肩部可以通过工具的外径从上端的较大外径到下端的较小外径的变化来定义。肩部可以在流动转向组件4和燃烧室壁7之间。肩部形成一个大致垂直于工具的长轴的环形面。肩部65面朝下，使得大致在底壁50处和底壁50之上的外表面的外径大于燃烧室壁的外表面72的外径。在一个实施例中，喷嘴6安装在肩部的环形面上，它们的孔口在环形面附近开口并且朝向燃烧室的出口40。因此，水沿着工具的外表面从肩部被轴向地喷出，平行于燃烧室壁7。喷嘴6可以围绕肩部的外围等间隔放置，以确保燃烧室壁7有足够的水覆盖。图3B示出了工作中的喷嘴6，其中水从工具周围同心地喷向出口40。这提供了沿着燃烧室壁7的外表面72的水膜。

可以为各种喷射输送类型选择喷嘴6，该类型包括风扇、喷射/流、雾或喷雾。此外，水压和水流量可以根据工具的尺寸、设计标准和工具的功率要求而变化。

如果需要更高的蒸汽质量或发现排出出口的燃烧产物太热，则进一步提供其上在远端具有喷嘴12a的水延伸导管12可能是有益的，如图2A和3C所示。延伸导管12可以连接到一些通道4b，例如那些终止于肩部65的通道。如图3C所示，每个管状水延伸导管12可以连接到组件4，例如连接到肩部65上，间隔开并散布在喷嘴6之间，并且可以沿着燃烧室壁7的长度L延伸在靠近燃烧室的出口40处终止。除了喷嘴6之外，还可以使用水延伸导管12来提供额外的水源。供应给工具的水可以供应到底壁50处的水喷嘴6和安装在延伸导管12上的水喷嘴12a，并从水喷嘴6和12a中喷射出来。图3C示出了水如何从水延伸管道喷嘴12a和喷嘴6同时喷射。

喷嘴12a靠近出口40定位，热燃烧气体在出口40处排出工具进入空间21。因此，延伸导管12的喷嘴12a可以定位成将水喷射到燃烧气体附近或直接喷射到燃烧气体中。供应给工具的水被引导到水延伸导管12中并且由喷嘴12a喷射到空间21中，在该空间21中热的燃烧气体从燃烧室的出口40排出，从而将水蒸发成蒸汽。如图3C所示，可以有多个水延伸导管12和喷嘴12a。

水延伸导管12可以将水直接输送到出口40，在出口40燃烧气体排出到空间21中。将水直接引入排出的燃烧气体中可用于更直接地冷却燃烧气体。特别地，水延伸导管12允许直接冷却从燃烧室的出口40通过的热燃烧气体21。水延伸导管12可以相对于壁轴向地喷射水或者可以朝向燃烧室的出口40向内倾斜。因此，从喷嘴12a喷射的水可以轴向地或以一定角度径向地向内朝向出口或在出口下方。例如，水延伸导管12的远端可以朝向出口40倾斜至少45°的α，从而将水喷射到出口下方的空间21中，在该空间21中热的燃烧气体排出燃烧室。水延伸导管12的数量可以根据要获得的期望的蒸汽质量、井的尺寸、工具的应用和设计而变化。例如，对于预期在具有小于229mm或小于178mm的内径的井中使用的工具，可以提供4到8个水延伸导管12。

具有喷嘴12a的水延伸导管12在例如500万BUT/hr的低功率设置下具有最大的效果。在这种情况下，从喷嘴12a喷出的水有助于冷却排出燃烧室出口40的热燃烧气体。

水延伸导管12通过机械耦合或焊接连接到工具。如图2A所示，水延伸导管可能几乎不接触燃烧室的外表面72或与其隔开。在一个实施例中，在每个导管12和表面72之间存在空间66。因此，水延伸导管12可以通过从喷嘴6供应的水膜与壁7的高温绝缘，该水膜可以流入水延伸导管12和燃烧室的外表面72之间的空间66。

如上所述，该工具可用于井下或地面。当在井下使用时，该工具安装有燃烧室74和喷嘴6，该喷嘴6通向井的区域，例如待蒸汽处理的岩层11。图2A和图2B示出了每个安装在井内的工具100。隔离封隔器3将工具固定在井筒壁内，此处示出为套管9。隔离封隔器3将工具的下蒸汽生成端与封隔器上方的井隔离。因此，封隔器3将来自燃烧室74的蒸汽和热量保持在井下，并且防止蒸汽沿着环面向上流动，远离储油层11。该工具可以安装在穿孔10和储油层11附近，以减少对井套管9和储油层上方的其他岩层的可能的损坏和能量损失。隔离封隔器3具有机械、液压、充气、膨胀或无滑动封隔器元件中的一种或多种。

隔离封隔器3同中心地安装在工具外表面周围、在工具上方、在相连的但单独的工具上或者在管线1上。当不使用时或当被松开进入井中时，封隔器3最初处于缩回位置，但当在井中就位时，封隔器3通过膨胀封隔器元件来进行设置。

在一个实施例中，隔离封隔器围绕工具的外围安装在耦合组件2和喷嘴6之间。因此，当安装在井中时，耦合组件位于封隔器的井上，而喷嘴6和出口40位于封隔器3的井下。封隔器3将耦合组件2与喷嘴的除了通过通道4a、4b、4c的连通隔排出。

当安装在井中时，可以在封隔器3上方的工具的井上采用环形冷却系统23。

图2A至图2C还示出了可能的蒸汽发生器工具。所示工具具有用于在燃烧室出口40的下游中强制混合任何未蒸发的水、蒸汽和燃烧气体的会聚结构。会聚结构可用于控制从工具输出的热量和蒸汽。会聚结构迫使任何未蒸发的水和蒸汽径向向内流动，从而混合到排出出口40的烟气中，从而使水汽化并冷却烟气。会聚结构可以包括位于出口40下方的工具的第二下端部上的异径锥14，其间具有空间21。

异径锥包括锥形的、漏斗形的、渐狭的侧壁，其从入口、开口上端部14a向出口、开口下端部14b收敛。锥的下端部具有比其上端部更小的直径开口。较宽的上端部位于工具上比下端部14b更靠近出口40的位置。

在一个实施例中，异径锥14的开口上端部14a的直径大于出口40的直径，并迫使任何未蒸发的水、蒸汽沿外表面72与排出出口40的燃烧气体会聚。特别地，上端部14a迫使空间21中的流体会聚以通过较小直径的下出口14b。在一个实施例中，异径锥14的上端的直径与工具将要在其中使用的井筒套管的直径大致相同，当封隔器3设置时，异径锥14的上端的直径与封隔器3的直径大致相同。因此，在出口40下方的区域21中的任何流体在排出工具时都必须通过变径锥。较小直径的下出口14b可以通过直径一致的圆柱形实心壁延伸部来加长，以控制排出的蒸汽和燃烧烟气的流体动力学。例如，当流体排出锥14时，该延伸可以缓解涡流的形成。

异径锥14可以以各种方式中的任何一种方式耦合到工具上，使得其定位成与出口40大致同心并在出口40下方隔开。如果担心工具控制或套管损坏，会聚结构可以包括大致实心的圆柱形外壳体8以将锥14耦合在工具上的适当位置。这种工具如图2A所示。在这种工具中，外壳体8包围工具包括壁7的下端部，喷嘴6位于外壳体8和工具的下端部之间。外壳体8在其下端部支撑异径锥14，该异径锥14与燃烧室出口40隔开并位于燃烧室出口40下方。外壳体可以是圆柱形实心壁。由于喷嘴6通向外壳体8和壁7之间的环形空间，因此外壳体8和异径锥14容纳来自喷嘴6的水，以及最初在工具内生成的蒸汽和烟气。例如，从喷嘴6喷出的水在燃烧室壁7和外壳体8的内部之间产生水流。具有外壳体8的工具可以在更高的蒸汽质量(>80％)下工作，而不会损坏井套管9。因此，壳体8是具有牺牲性的，并保护套管9免受在壁7旁边生成的高热量的影响。外壳体8可以可拆卸地连接到工具上，例如连接到组件4上，并且可以在维护期间被更换。

可选地，可以将不粘处理，例如如上所述的涂层，应用到外壳体的内表面上。

在另一个实施例中，如图2B和图2C所示，工具包括支撑臂13，该支撑臂13在与出口40隔开并位于其下方的第二端部上与异径锥14。支撑臂13延伸超过壁7的下端部。支撑臂13有多种选择。尽管支撑件13可以被配置为更完全地围绕外部出口40和区域21，但在一个实施例中，支撑件13是多个间隔开的细长的轴向延伸的杆，其间具有开口区域，如图2C所示。仅具有多个间隔开的杆而不是实心圆柱形壁，减少了工具的重量、复杂性和材料要求，并使喷嘴6下方的壁7周围的环面尽可能敞开。

在一个实施例中，支撑臂13通过轴环13a连接，轴环13a同心地固定在喷嘴6上方的工具上，例如，固定到封隔器3下方的组件4的外表面。支撑件13沿着主体和燃烧室壁向下延伸并且轴向地超过出口40。因此，支撑臂13长于壁7的长度L以从喷嘴6上方延伸至终止于出口40下方。

支撑臂13和/或轴环13a还可被配置为用作工具相对于在其中安装工具的套管的扶正器。例如，支撑件和/或轴环13a可以径向地突出超过工具主体、组件2和4的直径，以限定有效外径，该有效外径与工具将要在其中使用的井筒套管的直径大致相同。在支撑臂用作扶正器的情况下，可以存在至少三个间隔开的支撑杆，它们从肩部65处或肩部65上方轴向地延伸并且周向地间隔开以限定与在其中使用工具的井筒套管直径大致相同的有效外径，其直径与锥14和封隔器3的上端部的直径大致相同，当设置时，该有效外径大于工具组件2、4和壁7中的每一个的外径。

异径锥的上端部14a靠近或抵靠井套管9，因为如上所述，上端直径与在其中安装工具的套管大致相同。在一个实施例中，在异径锥14的上端部有一个密封件15。密封件可以是围绕上端部14a的整个外围延伸的环，并且环直径被选择为偏压在井套管9上。密封件15可由多种高温弹性材料制成，例如高温橡胶化合物、特氟隆(Teflon)或者类似材料。

在这个实施例中，井套管9用于将水、蒸汽和燃烧产物容纳在井下喷嘴内。例如，来自喷嘴6的水和产生的蒸汽沿着井套管9、臂13和壁7之间的空间流动，直到它到达密封件15和锥14，在该处向内会聚到从出口40排出的烟气中。

图4A至图4C示出了安装在井套管9中的多个工具的俯视图。这些图说明了输入管线1的可选的配置，例如用于空气17、燃料18、点火控制/电力19和水20的管线。在图4A的实施例中，所有管线与其中容纳较小直径管的较大直径管捆绑在一起。燃料、水和控制管线18、19、20是较小直径的管线，而空气管线17实际上是较大直径管内的剩余空间。工具耦合组件2包括用于空气流过的较大直径管的连接位置和用于水20、燃料18和点火控制19中的每一个的连接位置。

在另一个实施例中，可以捆绑多条管线，例如被配置为多导管脐带管1a，如图4B所示。多导管脐带管1a可以在工具耦合组件2处耦合到工具。多导管脐带管可以使用管道、同心盘管、柔性编织软管、包裹物进行捆绑。一种多导管脐带管被称为装甲封装(Armorpak^TM)管，并在专利号为10,273,790的美国专利中进行了描述。

管线1、1a的外径可以取决于工具应用的压力要求。例如，针对重油生产，油管的外径可以在60到114毫米之间，对于Armorpak管，可以在15到60毫米之间。与水20相比，诸如空气管线17或燃料管线18的输入管线可以向工具输送最大体积的输入，因此可以被配置为在井下应用期间将工具100刚性地固定到地面。

在图4C和图4D所示的替代的实施例中，工具被配置为通过工具外表面上的端口90从环境接收空气，而不是通过管线从供应源接收空气。在这样的实施例中，工具100在其上端部(例如在工具组件2或4上)包括氧化剂入口90。当燃料管线18、水管线20和控制管线19各自在单独或成束的位置连接到工具时，空气通过井的环面被提供并在端口90处进入工具。端口90可以没有任何类型的输入管线连接，例如快速连接、螺纹连接、Armorpak连接、盘管连接或捆绑连接。端口90与通向燃烧室的通道连通。通道可以被配置为使得空气能够从端口90流到燃烧室。在端口90上可能有碎屑或脱水器，例如筛网92，以防止端口90及其通道被碎屑或杂质堵塞。在这个实施例中，没有向工具供应空气的管线，而是可以将空气从工具的井筒井上被吸入工具中。诸如空气的氧化剂可以被泵入工具的井筒井上。端口90提供了一个通过工具的环形旁路。例如，在需要大量空气的情况下，可以使用环形旁路。在这些情况下，使用环形旁路可以降低地面压力和注入压力，以管理系统上的总压力。

来自井套管9内的空气可以流入端口90并通过流动转向组件4转向腔室74。在井下作业过程中，通过端口90的环形旁路允许井表面的工作压力低于氧化剂的管线输送，因为环面中的流动面积比通过输入管线1的流动面积大几倍。因此，当井套管9较窄时，端口90可能是有用的，以在工具表面提供最佳工作压力。此外，当空气通过端口90输送时，用于向井下输送输入的压缩器可能是更加经济的。通过使用环面通过端口90输送空气，补充燃料17和水20可以通过输入管线1输送。

在本发明的另一个方面，如图4C所示，工具包括温度传感器24，可以通过管线1或远程对温度传感器24进行监控。也可以使用其他传感器，例如压力或化学传感器。传感器可以检测指示操作或故障(例如过热或泄漏)的参数。封隔器3的上方(如图所示)和下方可能有传感器。

蒸汽发生器工具100的外径可以根据井套管9的内径而变化。蒸汽发生器工具的外径必须小于井套管9的内径。通常，井的内径可以小于200mm或小于125mm，在这种情况下，工具可具有约190至120mm的最大外径以装配在井套管9内。

在蒸汽发生器工具的井下应用过程中，工具的外径可能受到井套管9的尺寸的限制，而在工具的地面应用过程中，没有尺寸限制。

在另一个实施例中，提供了一种用于生成蒸汽的方法，例如用于注入储油层11以从储油层中生产油。该方法包括：向蒸汽发生器工具供应空气、水和燃料；点燃燃料以在燃烧室74内产生火焰；沿燃烧室壁7的外部将水从喷嘴6喷出，使得水部分蒸发形成蒸汽并沿燃烧室壁7的外表面72流动，同时来自火焰的燃烧气体通过限定在壁的内表面71内的内径在燃烧室内流动；以及在燃烧室的出口40处混合蒸汽和燃烧气体。蒸汽和燃烧气体的混合物可以被输送到储油层。

可以使用各种方法实现向工具供应空气、水和燃料。例如，多导管脐带管可以为工具提供输入。可替代地，工具和井套管9之间的空间，特别是环面可以为诸如空气的输入提供路径，其中工具包括端口90。点火组件5可以用于引发供应的燃料和空气的燃烧，以在燃烧室内部产生火焰。经由多导管脐带管流入工具的水可以通过水喷嘴6喷射到锚定火焰的燃烧室外部。喷嘴6可以定向成使得水可以至少部分地轴向地朝向燃烧室的出口40喷射。沿加热的燃烧室壁7的长度L流动的水冷却壁并蒸发成蒸汽。只有当蒸汽和任何未蒸发的水到达壁的下端时，它们才会接触在出口40处排出的烟气。

蒸汽和燃烧气体以及任何未蒸发的水可以，例如通过在进入储油层11之前通过异径锥14，被引导以会聚。在沿着燃烧室壁7行进之后，异径锥形成漏斗状并迫使蒸汽和/或水与排出燃烧室的出口40的燃烧气体混合。这提高了蒸汽质量并降低了烟气排出温度。

因为工具在其外表面上蒸发水，所以供应给工具100的水可能是不纯净的，例如淡水、碱性水或海水。由工具100生成的蒸汽可以包括过热蒸汽。

可以使用多种不同的燃料，例如天然气、合成气、丙烷、氢气或液体燃料。

为了在典型的储油层中使用，空气或气体的压力可以控制在大约20个大气压(2,000kPa)到大约70个大气压(7,000kPa)，并且工具的输出可以控制在10MM Btu/hr以上。

工具由选择出的适合井下严苛条件(例如，高温、蒸汽和腐蚀性流体)的材料组成。

蒸汽发生器工具100的组件简单灵活，易于使用、检查、修理和改装。工具和使用该工具产生蒸汽的方法减少或延缓了环境污染。由于组件的设计和配置，工具能够经受住重复使用过程中的高温和高压。此外，当燃烧气体和蒸汽可以以各种压力注入井中时，该工具能够对储油层加压和/或再加压。工具的高功率输出在许多应用中提供了扩展操作。

条款：

a.一种用于生成蒸汽和燃烧气体以从油井生产油的工具，该工具包括：主体，具有被配置为接收输入的第一端部，该输入包括空气、燃料和水；点火组件，在工具内被配置为点燃燃料和空气以生成火焰；燃烧室，用于容纳火焰，燃烧室在主体的与第一端部相对的第二端部处延伸，并且燃烧室由壁和出口限定，出口被配置为使得燃烧产物排出；水通道，从第一端部延伸穿过主体并且终止于工具的外表面上的喷嘴，该喷嘴被配置为至少部分地沿壁的外部长度在燃烧室的外部轴向地引导水流，其中水沿壁的外部长度至少部分地蒸发以生成蒸汽。

b.根据任一条款所述的工具，其中喷嘴位于空气和燃料进入燃烧室的位置附近。

c.根据任一条款所述的工具，其中喷嘴位于燃烧室内的点火设备的径向外侧。

d.根据任一条款所述的工具，其中第一端部包括被配置为接收输入管线的连接位置。

e.根据任一条款所述的工具，其中第一端部包括端口，端口被配置为从工具的远离输入管线的外表面接收空气。

f.根据任一条款所述的工具，其中输入还包括电力或点火控制。

g.根据任一条款所述的工具，其中输入是成束的。

h.根据任一条款所述的工具，还包括异径锥，在燃烧室的出口下方间隔开，异径锥具有开口上端部和比上端部窄的开口下端部，异径锥被配置为收集和混合蒸汽和出口下方的烟气。

i.根据任一条款所述的工具，还包括弹性密封件，围绕异径锥的开口上端部。

j.根据任一条款所述的工具，还包括将异径锥耦合到工具的外壳体，外壳体具有围绕燃烧室的壁的实心壁，并且喷嘴位于实心壁和壁之间的环形空间中。

k.根据任一条款所述的工具，还包括将异径锥耦合到工具的支撑臂，支撑臂中的每一者都为延伸超出燃烧室的出口的杆状结构。

l.根据任一条款所述的工具，还包括第一端部和喷嘴之间围绕工具的隔离封隔器。

m.根据任一条款所述的工具，其中所述喷嘴是围绕所述工具的外圆周定位的多个喷嘴中的一者。

n.根据任一条款所述的工具，还包括水延伸导管，该水延伸导管具有管状结构，该管状结构沿着壁的外部长度延伸并且终止于靠近燃烧室的出口的孔口处，该孔口被配置为喷射水穿过燃烧室的出口。

o.根据任一条款所述的工具，其中水延伸导管的远端以相对于壁的外部长度朝向燃烧室的出口的向内角度终止。

p.一种用于从蒸汽发生器工具产生蒸汽以从储油层生成油的方法，该方法包括：在蒸汽发生器工具的燃烧室内燃烧空气和燃料；从蒸汽发生器工具的外表面上的喷嘴喷射水，从而使水蒸发并在燃烧室外部生成蒸汽；并且仅在烟气排出燃烧室之后并且在蒸汽和烟气接触储油层之前才使得来自燃烧室的蒸汽和烟气混合。

q.根据任一条款所述的方法，其中喷射水包括将水引向燃烧室的外壁表面。

r.根据任一条款所述的方法，其中燃烧室被限定在管状侧壁内并且还包括到燃烧室的燃料和空气入口，并且燃烧包括将燃烧火焰锚定在燃料和空气入口的下游的侧壁内,并且喷射水包括通过工具供水和从工具释放水并靠着侧壁的外壁表面。

s.根据任一条款所述的方法，其中释放发生在蒸汽发生器工具的上端部和燃烧火焰被锚定的径向向外的位置之间。

t.根据任一条款所述的方法，其中喷射水还包括通过燃烧室的出口将水喷射到排出燃烧室的烟气中。

u.根据任一条款所述的方法，还包括迫使蒸汽和烟气通过位于燃烧室的下游的会聚锥体。

v.根据任一条款所述的方法，其中用于蒸汽发生器工具的空气来自工具上方远离入口管线的井。

w.根据任一条款所述的方法，其中空气通过工具的外表面上远离入口管线的端口进入蒸汽发生器工具。

x.一种用于生成蒸汽和燃烧气体以从油井生产油的工具，该工具包括：主体，具有第一端部，第一端部包括用于接收用于燃料和/或水的输入管线的连接的连接位置，和被配置为从工具周围的大气中接收空气的空气入口端口；点火组件，被设置在主体内，被配置为点燃空气和燃料以生成火焰；燃烧室，用于容纳火焰并在主体的与第一端部相反的第二端部延伸，燃烧室由壁和出口限定，出口被配置为允许燃烧产物从燃烧室排出；以及通道，在工具内从空气入口端口到燃烧室，以允许空气从空气入口端口流到燃烧室；并且可选地，至少一个还包括环绕工具的隔离封隔器，并且其中空气入口端口定位在第一端部的上端部和隔离封隔器之间，并且其中空气进气端口包括用于防止水或碎屑进入通道的组件。

y.一种用于从蒸汽发生器工具生成蒸汽的方法，该方法包括：将空气从井内的大气中接收到蒸汽发生器工具中，井对蒸汽发生器工具的外表面开口；在蒸汽发生器工具的燃烧室内燃烧空气和燃料以产生热量；以及通过蒸汽发生器工具产生的热量喷射水以蒸发成蒸汽，并且可选地，其中接收空气包括在工具的外表面从空气中筛除水和碎屑。

描述和附图是为了使本领域技术人员能够更好地理解本发明。本发明不受描述和附图的限制，而是给出了大致的解释。

Claims (28)

1.一种用于生成蒸汽和燃烧气体以从油井生产油的工具，所述工具包括：

主体，具有被配置为接收输入的第一端部，所述输入包括空气、燃料和水；

点火组件，在所述工具内被配置为点燃燃料和空气以生成火焰；

燃烧室，用于容纳所述火焰，所述燃烧室在所述主体的与所述第一端部相对的第二端部处延伸，并且所述燃烧室由壁和出口限定，所述出口被配置为使得燃烧产物排出；以及

水通道，从所述第一端部延伸穿过所述主体并且终止于所述工具的外表面上的喷嘴，所述喷嘴被配置为至少部分地沿所述壁的外部长度在所述燃烧室的外部轴向地引导水流，其中水沿所述壁的外部长度至少部分地蒸发以生成蒸汽。

2.根据权利要求1所述的工具，其中所述喷嘴位于所述空气和燃料进入所述燃烧室的位置附近。

3.根据权利要求1所述的工具，其中所述喷嘴位于所述燃烧室内的点火设备的径向外侧。

4.根据权利要求2所述的工具，其中所述第一端部包括被配置为接收输入管线的连接位置。

5.根据权利要求1所述的工具，其中所述第一端部包括端口，所述端口被配置为从所述工具的远离输入管线的外表面接收空气。

6.根据权利要求1所述的工具，其中所述输入还包括电力或点火控制。

7.根据权利要求1所述的工具，其中所述输入是成束的。

8.根据权利要求1所述的工具，还包括异径锥，在所述燃烧室的所述出口下方间隔开，所述异径锥具有开口上端部和比所述上端部窄的开口下端部，所述异径锥被配置为收集和混合蒸汽和出口下方的烟气。

9.根据权利要求8所述的工具，还包括弹性密封件，围绕所述异径锥的所述开口上端部。

10.根据权利要求8所述的工具，还包括将所述异径锥耦合到所述工具的外壳体，所述外壳体具有围绕所述燃烧室的所述壁的实心壁，并且所述喷嘴位于所述实心壁和所述壁之间的环形空间中。

11.根据权利要求8所述的工具，还包括将所述异径锥耦合到所述工具的支撑臂，所述支撑臂中的每一者都为延伸超出所述燃烧室的所述出口的杆状结构。

12.根据权利要求1所述的工具，还包括在所述第一端部和所述喷嘴之间围绕所述工具的隔离封隔器。

13.根据权利要求1所述的工具，其中所述喷嘴是围绕所述工具的外圆周定位的多个喷嘴中的一者。

14.根据权利要求1所述的工具，还包括水延伸导管，所述水延伸导管具有管状结构，所述管状结构沿着所述壁的所述外部长度延伸并且终止于靠近所述燃烧室的所述出口的孔口处，所述孔口被配置为喷射水穿过所述燃烧室的所述出口。

15.根据权利要求14所述的工具，其中所述水延伸导管的远端以相对于所述壁的所述外部长度朝向所述燃烧室的所述出口的向内角度终止。

16.一种用于从蒸汽发生器工具产生蒸汽以从储油层生成油的方法，所述方法包括：在所述蒸汽发生器工具的燃烧室内燃烧空气和燃料；从所述蒸汽发生器工具的外表面上的喷嘴喷射水，从而使所述水蒸发并在所述燃烧室外部生成蒸汽；并且仅在烟气排出所述燃烧室之后并且在所述蒸汽和所述烟气接触所述储油层之前才使得来自所述燃烧室的所述蒸汽和所述烟气混合。

17.根据权利要求16所述的方法，其中喷射水包括将水引向所述燃烧室的外壁表面。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述燃烧室被限定在管状侧壁内并且还包括到所述燃烧室的燃料和空气入口，并且燃烧包括将燃烧火焰锚定在所述燃料和空气入口的下游的所述侧壁内,并且喷射水包括通过所述工具供水和从所述工具释放水并靠着所述侧壁的外壁表面。

19.根据权利要求18所述的方法，其中释放发生在所述蒸汽发生器工具的上端部和所述燃烧火焰被锚定的径向向外的位置之间。

20.根据权利要求17所述的方法，其中喷射水还包括通过所述燃烧室的出口将水喷射到排出所述燃烧室的所述烟气中。

21.根据权利要求16所述的方法，还包括迫使所述蒸汽和所述烟气通过位于所述燃烧室的下游的会聚锥体。

22.根据权利要求16所述的方法，其中用于所述蒸汽发生器工具的空气来自所述工具上方远离入口管线的所述井。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述空气通过所述工具的外表面上远离入口管线的端口进入所述蒸汽发生器工具。

24.一种用于生成蒸汽和燃烧气体以从油井生产油的工具，所述工具包括：

主体，具有第一端部，所述第一端部包括用于接收用于燃料和/或水的输入管线的连接的连接位置，和被配置为从所述工具周围的大气中接收空气的空气入口端口；

点火组件，被设置在所述主体内，被配置为点燃所述空气和燃料以生成火焰；

燃烧室，用于容纳所述火焰并在所述主体的与所述第一端部相反的第二端部延伸，所述燃烧室由壁和出口限定，所述出口被配置为允许燃烧产物从所述燃烧室排出；以及

通道，在所述工具内从所述空气入口端口到所述燃烧室，以允许空气从所述空气入口端口流到所述燃烧室。

25.根据权利要求24所述的工具，还包括隔离封隔器，围绕所述工具，并且其中所述空气入口端口定位在所述第一端部的上端部和所述隔离封隔器之间。

26.根据权利要求24所述的工具，其中所述空气入口端口包括用于阻止水或碎屑进入所述通道的组件。

27.一种用于从蒸汽发生器工具生成蒸汽的方法，所述方法包括：将空气从所述井内的所述大气中接收到所述蒸汽发生器工具中，所述井对所述蒸汽发生器工具的外表面开口；在所述蒸汽发生器工具的燃烧室内燃烧所述空气和燃料以产生热量；以及通过蒸汽发生器工具产生的热量喷射水以蒸发成蒸汽。

28.根据权利要求27所述的方法，其中接收空气包括在所述工具的外表面从空气中筛除水和碎屑。

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