CN1158472C - 脉动式燃烧装置与应用此种装置的方法 - Google Patents
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Abstract
用于地下井筒的脉动式燃烧装置(1)，它包括基本上是管状的燃烧室(10)和用来将燃料与氧化剂供给于此燃烧室的相分开的燃料与氧化剂供给导管(2，6)。所述导管之一具有流体排出口而此口装备有位于此燃烧室上游端的回流限制装置(13)，同时此燃烧室形成Helmholz谐振器的形式，具有一尾管部(15)其内径显著小于燃烧室的其他部分。
Description
本发明涉及脉动式燃烧装置与应用此种装置的方法。
脉动式燃烧装置例如可从下述专利中获知： 美国专利NO.2899287、NO.2860484与NO.5044930；欧洲专利NO.550401与NO.636229以及国际专利申请PCT/EP93/00961。
这种已知的装置一般包括具有敞口的下游端和由单向阀周期地关闭的上游端的燃烧室。
欧洲专利NO.636229与国际专利申请PCT/EP93/00961中公开了井下脉动式燃烧装置，它们具有圆筒形的燃烧室，其中周期性地注入少量空气来点燃此室内大量天然气的一部分，以便促进天然气流向井口。
这类已知装置的缺点之一是它们需用复杂的程序来起动和控制脉动式燃烧过程，而且它们的抽远效率颇低。
美国专利NO.2860484中公开的脉动式燃烧装置可以用来产生驱动能和/或热能。这种已和装置包括管状燃烧室，此室的上游端装配有止回阀而其敞口的下游端确定出一个略窄于此燃烧室的尾管部。此燃烧室同轴地设在一根管内，其中在此燃烧室上游设有另一止回阀。这一第二止回阀由燃烧室下游端反向经环绕此室的环形通道反射的高压波前周期性地关闭。存在这样两个必须依序开关的止回阀对于井下应用是不具有吸引力的，这是因为这两个阀不等程度的磨损、摩擦与沾污容易造成它们不正确的与异相的开和/或关，结果可能造成装置发生故障。
美国专利NO.2899287公开的脉动式燃烧器中包括一个单一的管状燃烧室或两个平行的管状燃烧室。在任一情形中，各个燃烧室都具有内径略小于燃烧室其余部分的敞口尾管和一燃料注入泵，此泵将准确定量的燃料注入各燃烧室来控制燃烧过程。
要是这一已知装置具有单一燃烧室，它就装备一机械式止回阀，而要是它具有两个平行的燃烧室，它就装配一对气动式的止回阀。这对气动制回阀包括有U形再生管系统，后者具有接近燃烧下游端的入口并把燃烧废气压力脉动返送回此入口，同时倾向于将其本身调节到反相。
美国专利2899287的脉动式燃烧器的缺点是它不适用井下应用，因为安装一能在几年时间内稳定工作的燃料注入泵是不容易的，而且没有空隙供安装两个具有相关止回阀和U形再生管系统的平行的燃烧室。
法国专利NO.1252585公开了另一种振荡式加热装置，它具有Helmholz振荡器和U形再生管在燃烧室的下游端与上游端之间，但它不适用于井中，因为缺乏可用于此种U形再生管的空间。
本发明的目的之一在于提供这样一种脉动式燃烧装置与方法，它们能在不同的井下条件下安全和有效地工作，而且所包括的易磨损部件数最少因而只需极少量的维修与检查工作。
本发明的脉动式燃烧装置包括有基本上是管形的具有上游端与下游端的燃烧室、用于给此燃烧室供应燃料与氧化剂的分开的燃料供应导管与氧化剂供应导管，这些导管之一具有通入燃烧室的在其上游与下游端之间的流体排出口，而另一导管则具有位于此室上游端的流体排出口，此排出口设有回流限制装置限制燃烧中发生的流体从燃烧室流入该流体燃料供应导管，且其中的燃烧室形如Helmholz谐振器，具有一靠近下游端的尾管部分，此尾管的内径显著地小于燃烧室的其他部分。
业已发现，通过使燃烧室适当地取Helmholz谐振器的形状，此脉动式燃烧装置则成为自吸气和排出式的而不需用U形再生管。
燃烧室的这种尾管和其余部分最好呈圆筒或圆锥形，且此尾管的最小横剖面积最好是在燃烧室其他部分的平均横剖面积的0.15～0.30倍之间。
试验结果表明上述燃烧室的几何结构是最优的，因为它能将很大一部分压力波动从燃烧室内传送到尾管外部而不破坏脉动燃烧过程。
要是本发明的脉动式燃烧装置用来压缩燃气生产井中的天然气时，则最好用一对可膨胀的密垫将其安装到生产管道内，同时将空气和另一种氧化剂如氧气通过套管-管材环路中的供应导管供给此燃烧装置，此导管连接到位于这两个密垫之间的生产管道中一孔口处。然后让此空气或氧化剂从两密垫间的环形空隙内，经通入到其上游与下游端之间燃烧室的氧化剂供应口，而流入燃烧室内。
在上述情形下，最好使该回流限制装置包括一或多个舌门型的排出式止回阀。
或者，把本发明的脉动式燃烧装置用来加热井孔周围的地下结构，这时井孔中有一或多脉动燃烧室装置在工作。
在这种情形下，本发明的方法包括通过燃料与氧化剂供应导管给各个脉动式燃烧装置供应燃料与氧化剂，而这些导管则是从井口延伸到井内，并能在各个脉动燃烧装置内重复地使氧化剂与供给到燃烧室内的燃料的一部分反应，由此而产生一高压波前，此波前在各燃烧室的上游端为回流抑制装置阻止，而在此室下游端则为尾管部增强。在尾管部下游端，此高压波前被反射，随接是低压波前引致氧化剂与燃料流入燃烧室。
此燃烧装置或加热装置的回流限制装置最好包括一或多个气动阀，这种气动阀不包括任何可动部件或在燃烧室下游端与上游端之间延伸的再生管系统。
最好将一列脉动式燃烧装置从氧化剂与燃料供应导管的井口悬挂下，使它们于井内沿轴向相分开。
这样一串轴向分开的脉动式燃烧装置特别适用于加热地下页岩或重油储层，使得储层温度在井孔区中为600～800°K。
试验结果表明，这种脉动式燃烧装置能在稳定方式下于这样高的温度下工作许多年，并能够给先有的电子催化式无火焰燃烧井下加热装置提供低成本的另一种可供选择的装置。
下面参看附图详述本发明，附图中：
图1是在天然气生产井的生产管道中的，本发明的脉动式燃烧装置的纵剖图；
图2是用来加热地下结构的，本发明的两个脉动式燃烧装置的纵剖图；
图3是曲线图，其中示明了燃烧的甲烷的分数率相对于尾管与燃烧室其他部分的最小横剖面积之间的比AT/Ac的关系。
现来参考图1，其中示明了位于横切地下结构4的天然气生产井3中生产管道2中的脉动式燃烧装置1。
脉动式燃烧装置1由一对可膨胀密垫5密封地固定于生产管道2内。
空气或另外的氧化剂在图1中由O2表示，经从井口(未图示)通过管材/套管环路延伸到两密垫5之间的生产管道2中的孔口7，供给装置1。
空气从上述孔口7经环形空隙8到达一列空气排出口9，后者在此装置1的燃烧室10的上游端11与下游端12之间的一处进到室10之内。
在燃烧室10的上游端11设有一列舌门型的排出或止回阀13，这些阀可让图中例如以CH4表示的天然气从装置1下方的生产管道2流入燃烧室10，但却可以阻止天然气和/或例如图中以CO2+H2O表示的燃射废气从室10回流到装置1下方的生产管道2内。
根据本发明，燃烧室10形成Helmholz谐振器的形式，其中此室10设有狭长的具有最小直径DT的尾管15，此DT最好是燃烧室圆筒形下部的平均直径Dc的0.3～0.5倍。试验与计算机计算的结果都指出这样的DT/Dc比是最优的，因为通过装置1能在最低燃料消耗下实现天然气的最高压力波动和最大的质量流，这在后面将参看图3作更详细的说明。
图1中的装置1设有电热塞16，可经电力电缆17给它供给电功率。电热塞16在装置1工作中连续地接通，且一般在装置1已达到其正常工作温度时不断开，这是由于若是装置1用作井下天然气压缩机时，它的工作温度则保持在此天然气无自然的水平。
在装置1的正常作业中，在燃烧室10中发生脉动燃烧。
脉动过程的频率由Helmoholz效应确定，通常为10～50Hz。
在各个周期中产生一高压波前，随后是低压波前。这两种波前为Helmholz效应增强，使得当低压波前到达室10的上游端时有最大量的天然气吸入室10之中，同时由于高压波前的结果也有大量天然气和燃烧废气受压经尾管15通过室10的下游端。尾管15的发散形状还提高了通过燃烧室的质量流。
要是装置1用作天然气生产中的井下压缩机，则只将较少量的空气或其他氧化剂如纯氧供给燃烧室，使得流过生产管道2被燃烧的天然气体不到天然气的10％。小比例的燃烧废气的存在对所生产出的天然气只会带来极少的污染。
参看图1，其中示明了横切地下页岩或重油载承结构21的注热井20。
井20中设有一列本发明的脉动式燃烧装置22。
这列装置22从通过它们各个中心的中央甲烷注入管23悬下。各个装置22的空气进入室25经孔口26连接空气注入管24。
空气进入室25通过多个气动阀28与燃烧室27连接，这些气动阀允许空气从空气进入室25向上流入燃烧室27，但阻止燃烧废气从燃烧室回流到此空气进入室。
在装置22的正常工作期间，甲烷(CH4)或另一种燃料通过甲烷注入管23和一列甲烷排出口29注入燃烧室27。于此同时，经气动阀28将空气注入室27内，导致在燃烧室27的高温下发生脉动燃烧过程。
要是把装置22用作加热器，则在起动时，此燃烧过程只借助电热塞(未图示)，而在正常作业期间，由于室27中占优势的压力与温度的结果，在室27内会发生甲烷的自燃。
在各个燃烧周期内，于Helmholz效应确定的频率下，燃烧室27中发展出高压与低压波前，这是由于在各个燃烧室的下游端31处存在有较其上游部32相对较窄的尾管30所致。
在所示的例子中，尾管的横剖面积表示为AT，而燃烧室上游部32的横剖面积表示为Ac。
应知甲烷注入管23在装置22中心处的横剖面积AM并不计算作燃烧室22的尾管与上游部分32的横剖面积AT与Ac的一部分的。在所示例子中，根据下述分析将比率AT/Ac选为0.15～0.25。
试验结果表明，脉动燃烧器中热声脉动的开始是可以由质量、动量与能量的一维守恒方程的线性分析研究的。业已发现，这种脉动是逐渐减弱的，
a)通过燃烧室27的燃气速度较大；
b)燃烧室的上游部分32比尾管30的长度较短；
c)尾管30的直径与燃烧室上游部32的直径相比较小。
另一方面发现，燃烧室27中积聚的压力越大，则燃烧室27的启闭也越多。从而必须有得以实现最高压力波动的最优尾管直径。
这里的尾管的横剖面积与燃烧室其他部分横剖面积之间的标准几何比，不同于工业与科学应用中脉动燃烧器的一般尺寸。已进行了一组计算机模拟试验来研究横剖面积比AT/Ac的改变是否能改进此种脉动燃烧装置的性能。最小的尾管直径是在这些模拟试验中所改变的唯一参数。
计算机的模拟结果与试验结果示明于图3中。
图3表明最佳尾管横剖面积在使甲烷燃烧分数率为最小的一定压缩比之下是确实存在的。在给定压缩率下的最小甲烷燃烧分数率乃是此脉动燃烧过程在最佳方式下进行的一个清晰表征。图3说明最佳AT/Ac比是0.15～0.25。要是燃烧室的尾管和其他部分是管形的且具有敞开的中心如图1所示，则它们的直径比DT/DC应为0.3～0.5。为标准几何构型所选择的直径在两种情形下都合理地接近最佳直径。但是对于1.15的压缩比，通过选择略宽的尾管可使质量流增加20％。
对于图2所示的加热器组件重要的是要有最佳压缩比，因为这样能确保装置22稳定的作业。
这列装置22可以沿页岩油结构的整个深度延伸。注入井20可以根据需要取倾斜或水平形式，或可以是裸露孔段或套管孔。
Claims (10)
1.用于地下井筒(3，20)的脉动式燃烧装置(1，22)，此装置包括具有上游端(11)与下游端(12)的基本为管状的燃烧室(10，27)，以及用于将燃料与氧化剂供给于此燃烧室的相分开的燃料与氧化剂供应导管(2，23，6，24)，所述的导管之一具有在燃烧室上游端(11)与下游端(12)之间通入此室内的流体排出口(9，29)，所述导管的另一个(2，24)则具有位于室(10，27)上游端(11)的流体排出口，此排出口设有回流限制装置(13，28)，限制燃烧废气从燃烧室(10，27)流入流体供应导管(2，24)，同时其中所述燃烧室形成赫姆霍兹谐振器形式，具有靠近此燃烧室下游端(12)附近的尾管部(15，30)，而后者最小横剖面积是燃烧室(10，27)其他部分平均横剖面积的0.15～0.30倍。
2.权利要求1所述的脉动式燃烧装置，其中燃烧室(10，27)的尾管(15，30)和其余部分具有圆筒形或圆锥形。
3.权利要求2所述的脉动式燃烧装置，其中的尾管(15，30)具有逐渐发散的锥形，而燃烧室(10，27)的其余部分具有大致的圆筒形。
4.权利要求1所述的脉动式燃烧装置，其中所述回流限制装置包括一或多个排出阀或止回阀(13)。
5.权利要求1所述的脉动式燃烧装置，其中所述回流限制装置包括一或多个由固定部件构成的气动阀(28)。
6.增强天然气生产井(3)中的流体流的方法，此方法包括将权利要求4所述的脉动式燃烧装置(1)这样地安装到井生产管道(2)内，使得在燃烧室(10)的外表面与生产管道(2)的内表面之间形成密封垫(5)，通过具有在燃烧室(10)的上游端(11)与下游端(12)之间通入室(10)内的流体排出口(9)的供给导管(6)注入氧化剂，允许此氧化剂与燃烧室(10)中存在的天然气的一部分起反应，由此产生为上述回流限制装置(13)阻止于此燃烧室上游端处的高压波前，而此高压波前则在此燃烧室下游端(12)处为尾管部(15)增强，从而导致氧化剂与天然气的混合物以及燃烧废气向上流过生产管道(2)，此高压波前之后便继续有低压波前，而此低压波前则促使天然气通过回流限制装置(13)流入燃烧室。
7.加热地下结构的方法，此方法包括：将权利要求1所述的至少一个脉动燃烧装置(22)向下放到横切地下结构(21)的井(30)内、通过从井口延伸到井内的燃料与氧化剂供应导管(23，43)将燃料与氧化剂供给各个脉动燃烧装置，同时在各个脉动式燃烧装置(1，22)内让氧化剂重复地与供给到燃烧室(27)内的燃料的一部分起反应，由此产生为所述回流限制装置(28)阻止于各燃烧室上游端处的高压波前，而此高压波前则在所述室的下游端处为尾管部(30)增强，此高压波前之后便继以促致氧化剂与燃料流入燃烧室(27)内的低压波前。
8.权利要求7所述的方法，其中将一列脉动燃烧装置(22)由井口从氧化剂与燃料供应导管(23，24)悬挂下，使得这些装置(22)沿轴向相互分开。
9.权利要求8所述的方法，其中将甲烷形式的燃料经通过至少一个脉动燃烧装置(22)的燃烧室(27)中心与尾管(30)的甲烷供应导管(23)供给各燃烧装置，同时甲烷是通过位于燃烧室(27)的上游与下游端之间的甲烷排出口(29)注入各燃烧装置的燃烧室内的，而氧化剂则是经过在室(27)上游端处的氧化剂排出口(26)供给的。
10.权利要求7所述的方法，其中地下结构(21)包括页岩油，而脉动燃烧装置(22)在工作中使得此在井(20)区域中含页岩油结构(21)的范围在600～800K之间。
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