CN204457711U - 一种井内油页岩层燃烧加热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种井内油页岩层燃烧加热系统，本实用新型能实现50-800℃的加热范围。包括地面监测与控制系统、井内燃烧与尾气逆流换热系统、外加流体注入管和外部套管。本实用新型运行时，燃料经过燃烧器套管在密封的燃烧腔体内燃烧，不与井下的外界地层环境直接接触。本实用新型可以作为加热体对井下地层进行直接加热，也可在井下加热外加的流体介质再对地层进行渗透传热传质，可实现对地层进行热气体开采、过热蒸汽开采、近/超临界流体开采。本实用新型可用于油页岩储层中的有机质进行原位转化与开采。

Description

一种井内油页岩层燃烧加热系统

技术领域

本实用新型涉及一种井内油页岩层燃烧加热系统，具体为一种井内燃烧加热器。

背景技术

对于油页岩储层中的有机质进行原位转化与开采，又被称为地下干馏工艺，即直接对地下的油页岩进行干馏，从而使油气通过生产井直接从地下导出至地面上。根据加热方式不同，主要分为传导加热（电加热、燃烧加热）、流体对流加热和辐射加热。

目前采取电加热方式的技术最典型的就是壳牌公司的ICP技术，这项技术采用垂直钻井法，将电加热器经钻孔放置到油页岩矿层内，利用热传导作用加热油页岩层，将油页岩中的干酪根转化为高品质的油气产物，然后运用传统的采油方法将这些油气产物抽至地面。此项技术能够在表面较小的地面上生成较多原油和天然气。

采取原位燃烧加热技术的主要有：美国埃克森美孚提出采用注入烃类物质作为循环流体的地下加热方式；通用电气公司提出利用燃料和氧气燃烧器加热导管和空气在地下燃烧器的加热方式。

采用流体对流加热方式的原位转化技术有太原理工大学的对流加热技术，其利用高温烃类气体对油页岩层进行加热，该技术需要先对岩层进行压裂，然后将烃类气体加热到400~700℃后注入到油页岩矿层，通过对流换热方式对油页岩层加热。热解产生油气后，进行采集，将其中一部分烃类气体继续通入储罐，升温加压后重复对岩层加热。同样，雪弗龙的Crush技术也采取了流体对流加热方式，该技术首先需要对页岩层行爆破压裂，利用高温CO2对油页岩层进行加热，并将油气等产物通过垂直井导出。

采取辐射加热方式的技术主要有：美国伊利诺理工大学和劳伦斯利物莫国家实验室提出并开发的LLNL射频技术，采用改进的无线射频加热方式对对油页岩进行加热，具有穿透力强，容易控制，缩短了热扩散的时间；雷神公司的RF/CF 技术，是另一项利用射频技术加热、超临界流体作载体，对油页岩层进行加热的技术。首先在油页岩岩层中布置射频发射装置，对油页岩进行加热，然后将超临界CO2注入到开采岩层中，油页岩热解生成的气体被驱散至采油井。在地面将CO2气体分离继续注回井中，同时将油页岩热解产生油和气体提取出来。

这些原位加热技术免去了将油页岩从地下开采到地面上这一过程，但仍存在热量利用率低，加热效率地下以及成本高、安装操作不便等一系列问题，诸多技术现仍处于试验阶段无法具体在施工中实现。因此需要一种加热效率高、易于控制的加热方法，以解决目前油页岩原位转化技术难以实现的难题。

本实用新型中的加热器集成多种加热功能，所采用的加热器可以作为加热体对地下油页岩层直接进行加热，也可在井下加热外加的流体介质再对地下油页岩层进行渗透传热传质。可实现对地层进行热气体开采、过热蒸汽开采、近/超临界流体开采。本实用新型所采用的加热方法主要用于对油页岩储层中的有机质进行原位转化与开采。该加热方法利用清洁的燃料，能够实现将相当大的热量从该装置受控制地传送至储层中，在密封的燃烧腔体内燃烧，不与井下的外界地层环境直接接触，不污染环境，提高了加热速率及对热量的利用率，最大限度地增加烃回收的效率。本实用新型也可用于重油、油砂、可燃冰等资源的开采。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种井内油页岩层燃烧加热系统。本实用新型能实现50-800℃的加热范围。

本实用新型包括地面监测与控制系统、井内燃烧与尾气逆流换热系统、外加流体注入管和外部套管；

井内燃烧与尾气逆流换热系统包括燃烧器、尾气逆流换热套管组件、集水与抽水系统；燃烧器包括点火器、火焰探测电极、燃料与空气/氧气套管、燃烧器喷嘴和混合燃烧腔；尾气逆流换热套管组件包括有尾气回流换热套管、下孔板、上孔板、湍流换热装置和尾气回收管，湍流换热装置包括有多孔介质填充物、静态混合器、换热盘管、催化床；集水与抽水系统包括有水槽的集水器、抽水管以及地面的抽水泵；

井内燃烧加热系统可以作为加热体对井下地层进行直接加热，也可在井下加热外加的流体介质再对地层进行渗透传热传质，可实现对地层进行热气体开采、过热蒸汽开采、近/超临界流体开采。本实用新型可用于油页岩层储层中的有机质进行原位转化与开采。

井内燃烧与尾气逆流换热系统集成了燃料的燃烧加热、高温尾气热量回收与利用、尾气中的水的地表排放等多种功用。

燃烧器的点火器与火焰探测电极用以点燃混合燃烧腔内的燃料与空气/氧气混合物，点火器与火焰探测电极安置在混合燃烧腔内靠近燃烧器喷嘴的指定位置，点火器与火焰探测电极的电源接至地面监测与控制系统，便于控制。

燃烧器的燃料与空气/氧气套管由双管内外同轴安装在导流器上组合而成。内管中空气/氧气穿过内管及导流器壳体内部通入混合燃烧腔；外管中燃料穿过外管及导流器壳体上孔道通入混合燃烧腔。燃料与空气/氧气输送管双管同轴组合对应连接在燃料与空气/氧气套管顶端。导流器用以同轴定位安装燃料与空气/氧气套管，导流器壳体内的通道用以将来自内管的空气/氧气通入混合燃烧腔，用来增加空气/氧气轴向流速，提高对燃料的引射作用，导流器壳体上的孔道用以将来自外管的燃料通入燃烧器喷嘴。

燃烧器喷嘴为旋流喷嘴设计，使得燃料在进入混合燃烧腔时能产生较好的旋转动量，有效地控制空气/燃料气混合速度，防止混合过快或过慢。燃烧器喷嘴同轴安装在燃料与空气/氧气套管的外部、燃料与空气/氧气套管的导流器的顶部。

混合燃烧腔分布在燃烧器喷嘴的顶部空间，为燃料与空气/氧气良好混合及平稳燃烧提供空间。

温度传感器安装在混合燃烧腔内的指定位置，温度传感器用以将数据提供给地面监测与控制系统。

燃烧器所采用的燃料与空气/氧气经过燃料与空气/氧气套管通入到密封的混合燃烧腔内，经混合后燃烧，不与井下的地层环境直接接触。所用燃料可以是甲烷、天然气、液化石油气、煤气、页岩气、汽油、柴油中的至少一种。

高温尾气通过尾气逆流换热套管组件时将燃烧器产生的热量传递给湍流换热装置，再由湍流换热装置将热量传递给尾气回流换热套管外部的流体或直接传递给外界地层环境。同时，经尾气回收管将气水分离后的尾气回收排放到地表指定位置，防止污染。

湍流换热装置选用多孔介质、静态混合器、换热盘管中的一种或多种组合，极大的增加了尾气回流时的换热面积，吸收燃烧产生的高温尾气的热量，提高换热效率。

多孔介质是由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所构成的物质，主要物理特征是空隙尺寸极其微小，比表面积数值很大。 为燃料与空气/氧气的平稳燃烧、尾气渗流提供空间，有效地增加尾气回流时的换热面积并吸收燃烧产生的高温尾气的热量。

多孔介质填充在燃烧器喷嘴顶部的混合燃烧腔内的指定位置。所选用的多孔介质可以是泡沫金属、泡沫陶瓷、金属纤维中的一种或多种组合。

可在下孔板和上孔板位置上安置催化床，提高燃料转化率，使尾气中残余的燃料得到充分转化。所选用的催化剂可以是二氧化锆基、三氧化二铝基的金属铂、金属钯、金属铱中的一种或多种组合。

静态混合器是由流体管和螺旋片构成，流体管内放置螺旋片，相邻单元双孔道的方位错位°，单元之间设有流体再分配室。利用固定在管内的螺旋片造成管内流体湍流状态，使流体良好分散。静态混合器以管束形式分布在燃烧器喷嘴顶部的混合燃烧腔内的指定位置，为尾气提供渗流空间，制造尾气湍流状态使得尾气内的不同流体如二氧化碳、一氧化碳、水蒸气等之间良好分散，增加尾气回流时的换热面积，提高换热效率并吸收燃烧产生的高温尾气的热量。

换热盘管是管壳式换热器的一种，主要由内部换热管，换热器管壁，上下端口组件等组成。在诸多增大换热面积的方式中，增大同样大小的换热面积，该方式所占空间最小。换热盘管通过上下端口组件安装固定在燃烧器喷嘴顶部的混合燃烧腔内的指定位置，为尾气提供渗流空间，增加尾气回流时的换热面积，提高换热效率并吸收燃烧产生的高温尾气的热量。

尾气回流换热套管安装在燃烧器外部，顶部连接尾气回收管，用以将燃烧器、尾气逆流换热套管组件、集水与抽水系统中的各个部件套装在其内部，使三组系统安装组成一个整体。

气水分离后的尾气经尾气回收管回收排放到地表指定位置。

集水与抽水系统是由具有水槽的集水器、抽水管以及地面的抽水泵组成，用以收集尾气中的水蒸气并排到地表。

具有水槽的集水器为仿生结构设计。通过集水器内表面自然冷却吸收尾气中的大量水蒸汽，即将尾气中的大量水蒸气冷凝成液态水珠并汇聚到水槽中；集水器外表面将尾气在尾气回收管排放过程中冷却回落的水汇聚到水槽中。集水器的水槽贮水空间大，足够收集燃料燃烧后生成尾气中的水。当水槽内水量达到预定量时，水槽内电磁阀自动开启，地面的抽水泵将水槽中的水抽出。

集水与抽水系统放置在下孔板顶部，在集水与抽水系统顶部安装上孔板，采用法兰连接将含有水槽的集水器安装在尾气逆流换热套管组件内部偏上的位置。由地面的抽水泵将水槽中的水抽出。最后以尾气回流换热套管将燃烧器、尾气逆流换热套管组件、集水与抽水系统中的各个部件套装在其内部。在尾气回流换热套管顶部连接尾气回收管。此时视为三组系统安装完成，组成一个整体，即井内燃烧与尾气逆流换热系统。

外加流体注入管穿过封隔器通入流体到尾气回流换热套管与外部套管的间隙，加热后的流体由冲缝筛管的孔隙通入目标岩层。

连接管路后，将所有以上部件作为一个整体，即组成燃烧加热系统井下器具组合，下入到外部套管内指定位置并由扶正器和封隔器保直固定。

井内燃烧与尾气逆流换热系统内部的点火器、火焰探测电极、温度传感器以及相关电控阀门等设备通过布置在尾气回收管内、燃料与空气/氧气输送管外的信号线，与地面监测与控制系统对应连接，且该系统能够相对于外部套管而独立运动。

外部套管下入井内，外部套管的位置在燃烧加热系统井下器具组合的外部，外部套管的作用是为燃烧加热系统井下器具组合的稳固安装提供空间，为加热流体提供通道。当采用在井下对外加流体进行加热时，需在外部套管底部安装有冲缝筛管，在冲缝筛管内部设置温度传感器。

地面监测与控制系统，采用信号线与点火器、火焰探测电极、燃烧器内部设置的温度传感器、冲缝筛管内部设置的温度传感器以及电控阀门与流量计等设备对应连接，并将信号线布置在尾气回收管内、燃料与空气/氧气输送管外。该系统构造为实现远程监控功能。

本实用新型的使用方法：

a.进行钻井工作并对目标岩层实施压裂，下入外部套管；如需采用对流加热开采，需在外部套管底部加冲缝筛管；

b.燃烧加热系统安装布置，经调试无误，即可开始工作；

c.向井下通入燃料和空气/氧气至混合燃烧腔；

d.点火并监测燃烧过程中的温度分布及其变化，调节燃料和空气/氧气的送入流量，使混合燃烧腔温度稳定在800℃左右；

e.系统可作为加热体对地层进行直接加热或在井下对外加流体进行加热；

f.气水分离后的尾气由尾气回收泵抽出，水汇聚到水槽由抽水泵抽出；

g.通过地面监测与控制系统，实时监测并作出调整；

本实用新型的有益效果：

本实用新型能集成多种加热功能，本实用新型作为加热体对井下目标地层直接进行加热，也可在井下加热外加的流体介质再对地层进行渗透传热传质，可实现对地层进行热气体开采、过热蒸汽开采、近/超临界流体开采。同时，本实用新型可用于对油页岩储层中的有机质进行原位转化与开采。本实用新型利用清洁的燃料，能够实现将相当大的热量从该装置受控制地传送至储层中，在密封的燃烧腔体内燃烧，不与井下的外界地层环境直接接触，不污染环境，提高了加热速率及对热量的利用率，最大限度地增加烃回收的效率。

附图说明

图1是本实用新型的第一实施例垂直分布示意图。

图2是本实用新型的第二实施例垂直分布示意图。

图3是本实用新型的各部件连接方式示意图。

图4是本实用新型的井内燃烧与尾气逆流换热系统安装示意图。

图5是图4中的Y处放大示意。

图6是图4中的A-A剖视图。

图7是图4中的B-B剖视图。

图8是图4中的C-C剖视图。

图9是图4中的D-D剖视图。

图10是图4中的X处放大示意图。

图11是本实用新型的静态混合器放大示意图。

图12是本实用新型的换热盘管放大示意图。

图13是本实用新型安装和使用状态示意图。

具体实施方式

请参阅图1至图13所示，本实用新型的目的是提供一种井内油页岩层燃烧加热系统。本实用新型能实现50-800℃的加热范围。

本实用新型包括地面监测与控制系统（1）、井内燃烧与尾气逆流换热系统（2）、外加流体注入管（6）和外部套管（7）；

井内燃烧与尾气逆流换热系统2包括燃烧器3、尾气逆流换热套管组件4、集水与抽水系统5；燃烧器3包括点火器18、火焰探测电极19、燃料与空气/氧气套管25、燃烧器喷嘴28和混合燃烧腔29；尾气逆流换热套管组件4包括有尾气回流换热套管31、下孔板32、上孔板33、湍流换热装置30和尾气回收管16，湍流换热装置30包括有多孔介质填充物34、静态混合器36、换热盘管39、催化床35；集水与抽水系统5包括有水槽的集水器26、抽水管15以及地面的抽水泵13；

井内燃烧加热系统可以作为加热体对井下地层进行直接加热，也可在井下加热外加的流体介质再对地层进行渗透传热传质，可实现对地层进行热气体开采、过热蒸汽开采、近/超临界流体开采。本实用新型可用于油页岩层储层中的有机质进行原位转化与开采。

井内燃烧与尾气逆流换热系统2集成了燃料的燃烧加热、高温尾气热量回收与利用、尾气中的水的地表排放等多种功用。

燃烧器3的点火器18与火焰探测电极19用以点燃混合燃烧腔29内的燃料与空气/氧气混合物，点火器18与火焰探测电极19安置在混合燃烧腔29内靠近燃烧器喷嘴28的指定位置，点火器18与火焰探测电极19的电源接至地面监测与控制系统1，便于控制。

燃烧器3的燃料与空气/氧气套管25由双管内外同轴安装在导流器27上组合而成。内管中空气/氧气穿过内管及导流器27壳体内部通入混合燃烧腔29；外管中燃料穿过外管及导流器27壳体上孔道通入混合燃烧腔29。燃料与空气/氧气输送管8双管同轴组合对应连接在燃料与空气/氧气套管25顶端。导流器27用以同轴定位安装燃料与空气/氧气套管25，导流器27壳体内的通道用以将来自内管的空气/氧气通入混合燃烧腔29，用来增加空气/氧气轴向流速，提高对燃料的引射作用，导流器27壳体上的孔道用以将来自外管的燃料通入燃烧器喷嘴28。

燃烧器喷嘴28为旋流喷嘴设计，使得燃料在进入混合燃烧腔29时能产生较好的旋转动量，有效地控制空气/燃料气混合速度，防止混合过快或过慢。燃烧器喷嘴28同轴安装在燃料与空气/氧气套管25的外部、燃料与空气/氧气套管25的导流器27的顶部。

混合燃烧腔29分布在燃烧器喷嘴28的顶部空间，为燃料与空气/氧气良好混合及平稳燃烧提供空间。

温度传感器17安装在混合燃烧腔29内的指定位置，温度传感器17用以将数据提供给地面监测与控制系统1。

燃烧器3所采用的燃料与空气/氧气经过燃料与空气/氧气套管25通入到密封的混合燃烧腔29内，经混合后燃烧，不与井下的地层环境直接接触。所用燃料可以是甲烷、天然气、液化石油气、煤气、页岩气、汽油、柴油中的至少一种。

高温尾气通过尾气逆流换热套管组件4时将燃烧器3产生的热量传递给湍流换热装置30，再由湍流换热装置30将热量传递给尾气回流换热套管31外部的流体或直接传递给外界地层环境。同时，经尾气回收管16将气水分离后的尾气回收排放到地表指定位置，防止污染。

湍流换热装置30选用多孔介质34、静态混合器36、换热盘管39中的一种或多种组合，极大的增加了尾气回流时的换热面积，吸收燃烧产生的高温尾气的热量，提高换热效率。

多孔介质34是由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所构成的物质，主要物理特征是空隙尺寸极其微小，比表面积数值很大。 为燃料与空气/氧气的平稳燃烧、尾气渗流提供空间，有效地增加尾气回流时的换热面积并吸收燃烧产生的高温尾气的热量。

多孔介质34填充在燃烧器喷嘴28顶部的混合燃烧腔29内的指定位置。所选用的多孔介质34可以是泡沫金属、泡沫陶瓷、金属纤维中的一种或多种组合。

可在下孔板32和上孔板33位置上安置催化床，提高燃料转化率，使尾气中残余的燃料得到充分转化。所选用的催化剂35可以是二氧化锆基、三氧化二铝基的金属铂、金属钯、金属铱中的一种或多种组合。

静态混合器36是由流体管38和螺旋片37构成，流体管38内放置螺旋片37，相邻单元双孔道的方位错位90°，单元之间设有流体再分配室。利用固定在管内的螺旋片37造成管内流体湍流状态，使流体良好分散。静态混合器36以管束形式分布在燃烧器喷嘴28顶部的混合燃烧腔29内的指定位置，为尾气提供渗流空间，制造尾气湍流状态使得尾气内的不同流体如二氧化碳、一氧化碳、水蒸气等之间良好分散，增加尾气回流时的换热面积，提高换热效率并吸收燃烧产生的高温尾气的热量。

换热盘管39是管壳式换热器的一种，主要由内部换热管，换热器管壁，上下端口组件等组成。在诸多增大换热面积的方式中，增大同样大小的换热面积，该方式所占空间最小。换热盘管39通过上下端口组件安装固定在燃烧器喷嘴28顶部的混合燃烧腔29内的指定位置，为尾气提供渗流空间，增加尾气回流时的换热面积，提高换热效率并吸收燃烧产生的高温尾气的热量。

尾气回流换热套管31安装在燃烧器3外部，顶部连接尾气回收管16，用以将燃烧器3、尾气逆流换热套管组件4、集水与抽水系统5中的各个部件套装在其内部，使三组系统安装组成一个整体。

气水分离后的尾气经尾气回收管16回收排放到地表指定位置。

集水与抽水系统5是由具有水槽的集水器26、抽水管15以及地面的抽水泵13组成，用以收集尾气中的水蒸气并排到地表。

具有水槽的集水器26为仿生结构设计。通过集水器26内表面自然冷却吸收尾气中的大量水蒸汽，即将尾气中的大量水蒸气冷凝成液态水珠并汇聚到水槽中；集水器26外表面将尾气在尾气回收管16排放过程中冷却回落的水汇聚到水槽中。集水器的水槽贮水空间大，足够收集燃料燃烧后生成尾气中的水。当水槽内水量达到预定量时，水槽内电磁阀自动开启，地面的抽水泵13将水槽中的水抽出。

集水与抽水系统5放置在下孔板32顶部，在集水与抽水系统5顶部安装上孔板33，采用法兰连接将含有水槽的集水器26安装在尾气逆流换热套管组件4内部偏上的位置。由地面的抽水泵13将水槽中的水抽出。最后以尾气回流换热套管31将燃烧器3、尾气逆流换热套管组件4、集水与抽水系统5中的各个部件套装在其内部。在尾气回流换热套管31顶部连接尾气回收管16。此时视为三组系统安装完成，组成一个整体，即井内燃烧与尾气逆流换热系统2。

外加流体注入管6穿过封隔器22通入流体到尾气回流换热套管31与外部套管7的间隙，加热后的流体由冲缝筛管23的孔隙通入目标岩层。

连接管路后，将所有以上部件作为一个整体，即组成燃烧加热系统井下器具组合，下入到外部套管7内指定位置并由扶正器21和封隔器22保直固定。

井内燃烧与尾气逆流换热系统2内部的点火器8、火焰探测电极9、温度传感器17以及相关电控阀门等设备通过布置在尾气回收管16内、燃料与空气/氧气输送管25外的信号线，与地面监测与控制系统1对应连接，且该系统2能够相对于外部套管7而独立运动。

外部套管7下入井内，外部套管7的位置在燃烧加热系统井下器具组合的外部，外部套管7的作用是为燃烧加热系统井下器具组合的稳固安装提供空间，为加热流体提供通道。当采用在井下对外加流体进行加热时，需在外部套管7底部安装有冲缝筛管23，在冲缝筛管23内部设置温度传感器24。

地面监测与控制系统1，采用信号线与点火器8、火焰探测电极9、燃烧器3内部设置的温度传感器17、冲缝筛管23内部设置的温度传感器24以及电控阀门与流量计11等设备对应连接，并将信号线布置在尾气回收管16内、燃料与空气/氧气输送管25外。该系统构造为实现远程监控功能。

本实用新型的操作步骤如下：

1.根据目标岩层油页岩层分布范围进行钻孔孔位选定及孔身结构设计，并依据孔身结构设计进行钻孔工作。在钻孔工作结束后，向孔内下入套管及封隔器，对目标岩层实施压裂。然后，提出孔内压裂器具并下入外部套管7；如需采用对流加热开采，需在套管底部加冲缝筛管23，并采用相应装置做好孔口密封；

2.燃烧加热器安装布置；

3.通过地面监测与控制系统1，开启电控阀门与流量计11、燃料输送泵9与压缩机10，向燃料与空气/氧气套管25内通入燃料和空气/氧气并使之在混合燃烧腔29内以一定比例混合。如此，可使燃料和空气/氧气不与井下的地层环境直接接触。燃料可以是甲烷、天然气、液化石油气、煤气、页岩气、汽油、柴油中的至少一种；

4.当混合燃烧腔29内燃料和空气/氧气的量达到要求后，通过地面监测与控制系统1，驱动点火器18及火焰探测电极19，在混合燃烧腔29中点燃燃料和空气/氧气的混合物并依照温度传感器17监测燃烧过程中的温度分布及其变化；

5.当燃烧器混合燃烧腔29内温度达到800℃以后，通过地面监测与控制系统1，调节电控阀门与流量计11开启程度以调节燃料和空气/氧气的送入流量，使混合燃烧腔29温度稳定在800℃左右；

6.燃烧器3产生的高温尾气通过尾气逆流换热套管组件4时将热量传递给湍流换热装置30；

7.当系统作为加热体对井下地层进行直接加热，即由湍流换热装置30将热量通过套管26外部传递给外界地层环境；

8.当系统在井下对外加流体进行加热，即传热流体被外加流体注入管6输送至外部套管7与尾气回流换热套管31之间的环状间隙，获得由湍流换热装置30通过套管31外部传递的能量，加热后经过冲缝筛管23加热目标岩层；

9.燃烧过程中产生的尾气中含有大量水蒸气，经过尾气回流换热系统后水蒸气温度不断降低，逐渐冷凝成液态水珠。水珠经集水器26收集汇聚到水槽中，当水槽内水量达到预定量时，水槽内电磁阀自动开启，地面的抽水泵13将水槽中的水抽出；

10.燃烧过程中，含有大量水蒸气的尾气经过集水与抽水系统5的气水分离作用后，经过尾气回收管16排放，由尾气回收泵14回收至地表指定位置并做处理；

11.通过地面监测与控制系统1，实时监测关键的温度和流量数据，并可实时作出调整；

其中，步骤2的具体操作如下：

a.将相应尺寸的丝堵20、扶正器21、井内燃烧与尾气逆流换热系统2、封隔器22、外加流体注入管6及相关管路、传感器等安装连接，其中：

b.扶正器，用以导正，保证下入井内的部件不弯曲、不倾斜分布，即垂直分布在指定位置；

c.封隔器，采用具有弹性密封元件封隔井内燃烧与尾气逆流换热系统与外部套管之间环形空间，隔绝产层，以控制流体注入，保护井下工具，并防止生产过程中产生的热量上窜；

d.井内燃烧与尾气逆流换热系统2包括燃烧器3、尾气逆流换热套管组件4、集水与抽水系统5；

e.燃烧器3包括点火器18、火焰探测电极19、燃料与空气/氧气套管25、燃烧器喷嘴28和混合燃烧腔29。燃料与空气/氧气套管25由双管内外同轴安装在导流器27上。燃烧器喷嘴28同轴安装在燃料与空气/氧气套管25的外部、导流器27的顶部。混合燃烧腔29自然分布在燃烧器喷嘴28的顶部。将点火器18、火焰探测电极19安装在燃烧器喷嘴28附近、混合燃烧腔29内指定位置。将温度传感器17安装在混合燃烧腔29内指定位置。将燃料与空气/氧气输送管8同轴组合对应连接到燃料与空气/氧气套管25后，即完成燃烧器3安装；

f.湍流换热装置30选用多孔介质34、催化床35、静态混合器36、换热盘管39中的一种或多种：

g.当采用多孔介质34时，将其填充在燃烧器的混合燃烧腔29内。所选用的多孔介质34可以是泡沫金属、泡沫陶瓷、金属纤维等材料中的一种或多种组成；

h.当采用催化甲烷低温燃烧加热方法时，需将催化床35布置在燃烧器喷嘴28顶部。所选用的催化剂35可以是二氧化锆基、三氧化二铝基的金属铂、金属钯、金属铱中的一种或多种组合；

i.当采用静态混合器36时，先将螺旋片37按照规律分布在流体管38内，而后将诸多静态混合器36依照管束模式布置安装在混合燃烧腔29内的指定位置；

j.当采用换热盘管39时，将换热盘管39布置在混合燃烧腔29内的指定位置并用上下端口组件安装固定；

k.在湍流换热装置30安装完成后，在其顶部安装孔板32。孔板32顶部放置催化床35，用以催化氧化尾气中残留的甲烷，用以提高甲烷反应率达到100%。而后在催化床35顶部放置集水与抽水系统5。在集水与抽水系统5顶部安装孔板33。而后采用法兰连接将含有水槽的集水器26安装在尾气逆流换热套管组件4内部偏上的位置；

l.用尾气回流换热套管31将燃烧器3、尾气逆流换热套管组件4、集水与抽水系统5中的各个部件套装在其内部。在尾气回流换热套管31顶部连接尾气回收管16。此时视为尾气逆流换热套管组件4安装完成，三组系统已经安装组成一个整体，即井内燃烧与尾气逆流换热系统2；

m.而后，将一个丝堵20、一个扶正器21、一个井内燃烧与尾气逆流换热系统2、一个扶正器21、一个封隔器22、一个扶正器21，采用丝扣连接、依次安装好。而后连接管路：燃料与空气/氧气输送管8同轴组合对应连接到燃烧器3的燃料与空气/氧气套管25上；集水和抽水系统的抽水管15连接到水槽上；外加流体注入管6穿过封隔器22使流体能够通入尾气回流换热套管31与外部套管7的间隙。而后，将这些部件作为一个整体，即组成燃烧加热系统井下器具组合，下入到外部套管7内指定位置并由扶正器21和封隔器22保直固定。其中燃烧器3能够相对于外部套管7而独立运动；

n.如需采用对流加热，则本实用新型采取外部套管7与尾气回流换热套管31之间的环空为流体加热通道。此时，可在外部套管7底部安装的冲缝筛管23，并在冲缝筛管23内部安装温度传感器24；

o.安放燃料输送泵9、空气/氧气压缩机10，采用输送管路在井口处同轴组合并与燃烧器3内的燃料与空气/氧气套管25对应连接。其中，燃料输送泵9与燃料与空气/氧气套管25的外管连接，空气/氧气压缩机10与燃料与空气/氧气套管25的内管连接，将燃料与空气/氧气输送到燃烧器3内的混合燃烧腔29中并使之以一定比例完成混合。在燃料输送泵9、压缩机10排气口处连接电控阀门及流量计11；

p.安放抽水泵13，采用管路与水槽连接；

q.安放流体注入泵12，采用管路与外加流体注入管6连接，为流体加热提供流体来源；

r.安放尾气回收泵14，采用尾气回收管16与尾气逆流换热套管组件4连接，将尾气抽出；

s.设置地面监测与控制系统1的位置并摆放，连接管路及电路。当所有系统部件安装摆放完成，经调试无误，即可开始工作。

Claims (5)

1.一种井内油页岩层燃烧加热系统，其特征在于：包括地面监测与控制系统（1）、井内燃烧与尾气逆流换热系统（2）、外加流体注入管（6）和外部套管（7）；

井内燃烧与尾气逆流换热系统（2）包括燃烧器（3）、尾气逆流换热套管组件（4）、集水与抽水系统（5）；燃烧器（3）包括点火器（18）、火焰探测电极（19）、燃料与空气/氧气套管（25）、燃烧器喷嘴（28）和混合燃烧腔（29）；尾气逆流换热套管组件（4）包括有尾气回流换热套管（31）、下孔板32、上孔板33、湍流换热装置（30）和尾气回收管（16），湍流换热装置（30）包括有多孔介质填充物（34）、静态混合器（36）、换热盘管（39）、催化床（35）；集水与抽水系统（5）包括含水槽的集水器（26）、抽水管（15）以及地面的抽水泵（13）；

燃烧器（3）的点火器（18）与火焰探测电极（19）用以点燃混合燃烧腔（29）内的燃料与空气/氧气混合物，点火器（18）与火焰探测电极（19）安置在混合燃烧腔（29）内靠近燃烧器喷嘴（28）的指定位置，点火器（18）与火焰探测电极（19）的电源接至地面监测与控制系统（1）；

燃烧器（3）的燃料与空气/氧气套管（25）由双管内外同轴安装在导流器（27）上组合而成；内管中空气/氧气穿过内管及导流器（27）壳体内部通入混合燃烧腔（29）；外管中燃料穿过外管及导流器（27）壳体上孔道通入混合燃烧腔（29）；燃料与空气/氧气输送管（8）双管同轴组合对应连接在燃料与空气/氧气套管（25）顶端；导流器（27）用以同轴定位安装燃料与空气/氧气套管（25），导流器（27）壳体内的通道用以将来自内管的空气/氧气通入混合燃烧腔（29），用来增加空气/氧气轴向流速，提高对燃料的引射作用，导流器（27）壳体上的孔道用以将来自外管的燃料通入燃烧器喷嘴（28）；

燃烧器喷嘴（28）为旋流设计，燃烧器喷嘴（28）同轴安装在燃料与空气/氧气套管（25）的外部、燃料与空气/氧气套管（25）的导流器（27）的顶部；

混合燃烧腔（29）为分布在燃烧器喷嘴（28）的顶部空间，为燃料与空气/氧气良好混合及平稳燃烧提供空间；

温度传感器（17）安装在混合燃烧腔（29）内的指定位置，温度传感器（17）用以将数据提供给地面监测与控制系统（1）；

燃烧器（3）所采用的燃料与空气/氧气经过燃料与空气/氧气套管（25）通入到密封的混合燃烧腔（29）内，经混合后燃烧，不与井下的地层环境直接接触；

高温尾气通过尾气逆流换热套管组件（4）时将燃烧器（3）产生的热量传递给湍流换热装置（30），再由湍流换热装置（30）将热量传递给尾气回流换热套管（31）外部的流体或直接传递给外界地层环境；同时，经尾气回收管（16）将气水分离后的尾气回收排放到地表，防止污染；

湍流换热装置（30）选用多孔介质（34）、静态混合器（36）、换热盘管（39）中的一种或多种组合；

多孔介质（34）填充在燃烧器喷嘴（28）顶部的混合燃烧腔（29）内；

静态混合器（36）是由流体管（38）和螺旋片（37）构成，流体管（38）内放置螺旋片（37），相邻单元双孔道的方位错位90°，单元之间设有流体再分配室；利用固定在管内的螺旋片（37）造成管内流体湍流状态，使流体良好分散；静态混合器（36）以管束形式分布在燃烧器喷嘴（28）顶部的混合燃烧腔（29）内的指定位置，为尾气提供渗流空间；

换热盘管（39）是管壳式换热器的一种，主要由内部换热管、换热器管壁和上下端口组件组成，换热盘管（39）通过上下端口组件安装固定在燃烧器喷嘴（28）顶部的混合燃烧腔（29）内，为尾气提供渗流空间，增加尾气回流时的换热面积，提高换热效率并吸收燃烧产生的高温尾气的热量；

尾气回流换热套管（31）安装在燃烧器（3）外部，顶部连接尾气回收管（16），用以将燃烧器（3）、尾气逆流换热套管组件（4）、集水与抽水系统（5）中的各个部件套装在其内部，使三组系统安装组成一个整体；

气水分离后的尾气经尾气回收管（16）回收排放到地表；

集水与抽水系统（5）是由含水槽的集水器（26）、抽水管（15）以及地面的抽水泵（13）组成，用以收集尾气中的水蒸气并排到地表；

含水槽的集水器（26），通过其内表面自然冷却吸收尾气中的大量水蒸汽；集水器（26）外表面将尾气在尾气回收管（16）排放过程中冷却回落的水汇聚到水槽中；集水器（26）的水槽贮水空间大，足够收集燃料燃烧后生成尾气中的水；当水槽内水量达到预定量时，水槽内电磁阀自动开启，地面的抽水泵（13）将水槽中的水抽出；

集水与抽水系统（5）放置在下孔板（32）顶部，在集水与抽水系统（5）顶部安装上孔板（33），采用法兰连接将含水槽的集水器（26）安装在尾气逆流换热套管组件（4）内部偏上的位置，且预先在下孔板32和上孔板33位置上安置催化床；由地面的抽水泵（13）将水槽中的水抽出；最后以尾气回流换热套管（31）将燃烧器（3）、尾气逆流换热套管组件（4）、集水与抽水系统（5）中的各个部件套装在其内部；在尾气回流换热套管（31）顶部连接尾气回收管（16）；组成井内燃烧与尾气逆流换热系统（2）；

外加流体注入管（6）穿过封隔器（22）通入流体到尾气回流换热套管（31）与外部套管（7）的间隙，加热后的流体由冲缝筛管（23）的孔隙通入目标岩层；

井内燃烧与尾气逆流换热系统（2）下入到外部套管（7）内指定位置并由扶正器（21）和封隔器（22）保直固定；

井内燃烧与尾气逆流换热系统（2）内部的点火器（8）、火焰探测电极（9）、温度传感器（17）和电控阀门通过布置在尾气回收管（16）内、燃料与空气/氧气输送管（25）外的信号线，与地面监测与控制系统（1）对应连接，井内燃烧与尾气逆流换热系统（2）能够相对于外部套管（7）而独立运动；

外部套管（7）下入井内，外部套管（7）的位置在井内燃烧与尾气逆流换热系统（2）的外部，外部套管（7）的作用是为井内燃烧与尾气逆流换热系统（2）稳固安装提供空间，为加热流体提供通道；当采用在井下对外加流体进行加热时，需在外部套管（7）底部安装有冲缝筛管（23），在冲缝筛管（23）内部设置温度传感器（24）；

地面监测与控制系统（1）采用信号线与点火器（8）、火焰探测电极（9）、燃烧器（3）内部设置的温度传感器（17）、冲缝筛管（23）内部设置的温度传感器（24）以及电控阀门与流量计（11）对应连接，并将信号线布置在尾气回收管（16）内、燃料与空气/氧气输送管（25）外。

2.根据权利要求1所述的一种井内油页岩层燃烧加热系统，其特征在于：所述的燃烧器（3）所采用的燃料是甲烷、天然气、液化石油气、煤气、页岩气、汽油、柴油中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种井内油页岩层燃烧加热系统，其特征在于：所述的多孔介质（34）是由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所构成。

4.根据权利要求1所述的一种井内油页岩层燃烧加热系统，其特征在于：所述的多孔介质（34）是泡沫金属、泡沫陶瓷、金属纤维中的一种或多种组合。

5.根据权利要求1所述的一种井内油页岩层燃烧加热系统，其特征在于：所述的催化剂（35）是二氧化锆基、三氧化二铝基的金属铂、金属钯、金属铱中的一种或多种组合。