FR2491542A1 - Procede et dispositif de traitement thermique pour la recuperation de ressources geologiques - Google Patents

Abstract

DISPOSITIF DE TRAITEMENT THERMIQUE DANS UN SONDAGE POUR LA RECUPERATION DE RESSOURCES GEOLOGIQUES SOUTERRAINES, COMPORTANT UN ETAGE DE COMBUSTION COMPRENANT UNE ZONE DE COMBUSTION ALLONGEE 80 A PAROI CHAUDE ET UNE ZONE D'INFLAMMATION 164, SITUEE IMMEDIATEMENT EN AVAL DE CELLE-CI, DANS LAQUELLE EST ENFLAMME UN MELANGE ATOMISE DE COMBUSTIBLE LIQUIDE ET D'AIR, DANS UN RAPPORT STOECHIOMETRIQUE OU INFERIEUR, AINSI QU'UN ETAGE D'INJECTION D'EAU 82 IMMEDIATEMENT EN AVAL DE LA ZONE DE COMBUSTION; LE MELANGE RESULTANT DE VAPEUR ET DE PRODUITS DE COMBUSTION ETANT INJECTE DANS UNE FORMATION A TRAITER POUR AUGMENTER LA VITESSE ET L'EFFICACITE DE LA REPONSE DU RESERVOIR PAR SUITE D'INTERACTIONS DE STIMULATION PHYSIQUES, CHIMIQUES ETOU THERMIQUES.

Description

i -Procédé et dispositif de traitement thermique pour la

récupération de ressources géologiques.

L'invention concerne des procédés et des dispositifs pour le traitement thermique de formations géologiques souterraines pour améliorer la récupération

des ressources géologiques.

Le traitement thermique de formations géologiques

souterraines est souvent utile pour améliorer la récupé-

ration de ressources géologiques. Par exemple, certains matériaux contenant du pétrole, appelés "bruts lourds", possèdent des caractéristiques de viscosité et de densité telles que ces matériaux-ne s'écoulent pas facilement à

travers les formations terrestres poreuses et par consé-

quent leur récupération est extrêmement difficile.

La récupération de ces matériaux contenant du pétrole peut Atre améliorée en faisant circuler des matériaux chauffés dans le réservoir souterrain pour réduire la viscosité, améliorer la mobilité, et autres buts semblables. Dans d'autres systèmes de récupération, on peut utiliser un dispositif de traitement thermique pour favoriser des réactions chimiques afin d'amorcer une combustion ou une pyrogénation in situ et des réactions semblables. Bien

qu'on ait déjà proposé des systèmes de traitement thermi-

que destinés à être utilisés dans un sondage, leur fonctionnement n'est pas entièrement satisfaisant, en partie en raison de l'environnement éloigné, relativement inaccessible et souvent rude. Des constructions simples et robustes-ainsi que des systèmes de commande simples

et fiables sont souhaitables pour obtenir un fonctionne-

ment efficace. Il est également souvent souhaitable que le système n'introduise ni des particules de matériau ni

un excès d'oxygène dans la formation géologique traitée.

Suivant une de ses caractéristiques, l'invention fournit un appareil de traitement thermique destiné à être mis en oeuvre dans un sondage, qui comporte un étage

de combustion comprenant une structure pour le fonction-

nement d'une paroi extrêmement chaude qui définit une zone de combustion du mélange combustible-oxydant et de rétention, et une structure de zone d'inflammation située immédiatement en amont de la zone de combustion, dans laquelle un mélange de combustible liquide atomisé et d'oxydant est enflammé; ainsi qu'un étage d'injection de

liquide situé immédiatement en aval de la zone de combus-

tion, à travers lequel circule le courant de produits de

combustion, à haute température et ne contenant pratique-

ment aucune particule, provenant de la zone de combustion, et dans lequel est vaporisé le liquide injecté. La longueur de la chambre définissant la zone de combustion à paroi chaude est de préférence égale à au moins cinq fois sa largeur et la zone est définie par une paroi réfractaire dont la surface est maintenue à une température élevée supérieure à 110000 dans un agencement suivant lequel le mélange de combustible et d'oxydant qui br(ule est retenu dans la zone de combustion jusqu'à ce que la combustion soit complète, de manière qu'un courant de produits de combustion ne contenant pratiquement aucune particule soit

envoyé de la zone de combustion dans la formation géolo-

gique devant être traitée. L'étage d'injection de liquide comporte de préférence une chambre allongée de dimensions similaires et alignée axialement avec la chambre de la

zone de combustion à paroi chaude.

Un procédé d'amélioration par traitement thermi-

que suivant l'invention pour la récupération d'hydrocar-

bures ou de produits semblables à partir de formations géologiques souterraines consiste à disposer une structure de chambre de combustion dans un sondage au voisinage de la formation géologique devant être traitée, à faire circuler un mélange de combustible liquide et d'oxydant, suivant un rapport stoechiométrique ou un rapport plus faible,-dans une zone d'inflammation de la structure de chambre de combustion et à enflammer le mélange, à faire circuler le mélange qui brftle dans une zone de combustion définie par une surface de paroi de la st ucture maintenue à une température supérieure à 110000, à retenir le mélange de combustible et d'oxydant qui brale dans la zone de combustion suffisamment longtemps pour assurer une combustion sensiblement complète, puis à envoyer le mélange résultant de produits ne contenant pratiquement ni particules ni oxygène, dans la formation souterraine devant être traitée. Le procédé de l'invention

présente un risque réduit de colmatage et/ou de dégrada-

tion de la porosité naturelle de la formation dans laquelle le mélange est envoyé. Dans un mode de mise en oeuvre préféré, le courant ainsi obtenu de produits de combustion ne contenant pratiquement pas de particules est envoyé dans une zone de vaporisation en injectant de l'eau dans ce courant de produits de combustion, et un mélange de vapeur d'eau et de produits de combustion, contenant du gaz carbonique, est injecté dans une formation contenant du pétrole pour produire des interactions chimiques et de stimulation thermique pour améliorer la vitesse et

l'efficacité de réponse du réservoir.

Dans un mode de réalisation particulier, le dispositif de traitement thermique comporte un corps cylindrique allongé d'environ quinze centimètres de diamètre extérieur, qui est disposé en bas dans un

tubage de puits de pétrole classique. Un module d'obtura-

tion à haute température est prévu immédiatement au-

dessus ou au-dessous du dispositif de traitement thermique pour obturer le tubage au voisinage de la formation géologique devant être traitée. Ce module d'obturation à haute température comprend une structure de matrices annulaires et des bagues d'étanchéité métalliques qui sont extrudées hydrauliquement à travers les matrices dans l'espace annulaire entre la garniture d'étanchéité et le tubage. On peut également utiliser d'autres dispositifs d'obturation à haute température. les étages de combustion et d'injection de liquide sont logés, en étant alignés axialement, dans un manchon allongé commun qui s'adapte dans le tubage, avec une chambre annulaire de refroidissement qui s'étend sur toute la longueur des étages de combustion et d'injection de liquide et o circule le liquide devant être vaporisé. L'étage de combustion comporte une structure qui définit une zone d'injection de carburant comportant une buse d'atomisation qui introduit un brouillard bien atomisé de combustible dans la zone d'inflammation dans une gaine d'air coaxiale, et une chambre-de combustion à garnissage réfractaire dont la surface est maintenue à une température extrêmement élevée. L'air introduit dans la zone d'inflammation par une structure de passage à turbulence établit un courant tourbillonnaire forcé qui maximise le taux de cisaillement aérodynamique et la vitesse de mélange du combustible et

de l'air dans une zone fortement agitée, avec une augmen-

tation de température modérée qui assure une inflammation stable et une meilleure évaporation du combustible dans le tourbillon toroldal. La limite aval de la zone d'inflammation dans le tourbillon forcé est définie par une structure de stabilisation des flammes déterminée qui comporte une structure étranglée convergente-divergente, avec une zone d'écoulement inverse fortement agitée située immédiatement en aval de la structure étranglée qui maximise la vitesse de combustion à l'extrémité amont de la zone de combustion à paroi chaude. En aval de la zone d'écoulement inverse et se poursuivant dans la zone de

combustion à paroi chaude se trouve une région d'écoule-

ment avec effet-bouchon du tourbillon libre, dans laquelle

la combustion est complétée. Le système assure une stabi-

lisation des flammes dans deux régions distinctes mais interconnectées, une première région servant de zone d'inflammation et la seconde région fournissant une configuration d'écoulement des gaz chauds qui assure la stabilité des flammes dans une zone d'écoulement fortement mélangé en retour et de forte turbulence qui favorise une combustion efficace. La surface de la paroi réfractaire chaude assure la combustion maximale de n'importe quel matériau restant non brOlé et l'inertie thermique de cette surface fournit une source d'inflammation facile pour un réallumage et aide à niveler les variations du taux de

dégagement de chaleur dues à des fluctuations du processus.

Un composant particulièrement vulnérable des systèmes de br^uleur est le garnissage de la chambre de combustion qui est soumis à des contraintes thermiques sévères pendant le fonctionnement du système et lés séquences de démarrage et de refroidissement, et qui se détériore fréquemment. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'unité de chambre de combustion tubulaire

logée dans la chambre de refroidissement tubulaire compor-

te un tube monolithique de matériau réfractaire dont la surface intérieure définit la zone de combustion. Un manchon de renforcement métallique entoure et s'étend sur

toute la longueur du tube réfractaire. La surface inté-

rieure de la chambre de refroidissement et la surface extérieure de la chambre de combustion sont dimensionnées de manière à être proches l'une de l'autre (espacement inférieur à 1 mm) dans l'état de repos ou froid, de sorte que la chambre de combustion possède une liberté de dilatation limitée, cette dilatation étant stabilisée par la chambre de. refroidissement de sorte que les forces de compression dans le tube réfractaire n'excèdent pas de p.ét féLei ue la moitié de la contrainte de compression de sécurité du matériau; les matériaux de la chambre de

compression sont choisis de manière à établir des para-

mètres de gradient thermique à travers la chambre de compression afin de maintenir le tube réfractaire en compression de manière qu'il ne soit pas soumis à des forces de tension qui provoqueraient une cassure du matériau réfractaire pendant les séquences de démarrage et de refroidissement du système de combustion, ainsi que

pendant le fonctionnement normal.

Bien que l'on puisse utiliser différents maté-

riaux dans l'unité de la chambre de combustion, on préfère utiliser des composés de silicium pour le tube réfractaire et des alliages métalliques haute température tel que de l'acier inoxydable 304, des alliages Hasteloy et Incoloy, pour le manchon de renforcement. Le matériau de liaison réfractaire entre le manchon de renforcement et le tube réfractaire forme une région de transition thermique et le gradient de cette région peut être réglé de façon souhaitée, par exemple en ajoutant des particules

conductrices de chaleur dans le matériau de liaison.

Un revêtement de réglage thermique peut également Otre

appliqué sur la surface extérieure du manchon métallique.

Dans un mode de réalisation particulier destiné à

être mis en oeuvre dans un sondage, la chambre de refroi-

dissement est constituée par une structure cylindrique allongée d'environ 15 cm de diamètre extérieur et d'environ 11 cm de diamètre intérieur. L'unité de chambre de combustion disposée dans la chambre de refroidissement comporte un tube de carbure de silicium moulé qui définit une chambre de combustion d'environ 7,5 cm de diamètre et d'environ 92 cm de long. Un manchon de renforcement en acier inoxydable possède un diamètre d'un peu moins de

11,5 cm de sorte qu'il existe un espace annulaire d'envi-

ron 0,25 mm entre la surface extérieure du garnissage et

la surface intérieure de 'La chambre de refroidissement.

Une région de transition entre le manchon en acier inoxy-

dable et le tube en carbure de silicium est remplie par un agent de liaison constitué par de l'oxyde d'aluminium, qui possède un gradient thermique nettement plus important que celui du tube en carbure de silicium ou du manchon en acier inoxydable. En outre, un mince revêtement de zirconium est prévu sur la surface extérieure du manchon de renforcement métallique. Le système de brleur comporte une structure de zone d'inflammation à une extrémité de l'unité de chambre de combustion pour faire circuler un mélange enflammé de combustible et d'oxydant dans l'unité de chambre de combustion, et un étage d'injection de liquide situé immédiatement en aval de l'unité de chambre de combustion et o circule un courant de produits de combustion à haute température ne contenant pratiquement pas de particules, et dans lequel du liquide provenant de

la chambre de refroissement est vaporisé.

Le système fournit un système de braleur qui est capable de fonctionner pendant de longues périodes de tempe sans être supervisé, dans des environnements éloignés et inaccessibles, tout en conservant sa stabilité et avec une dégradation minimale, le tube réfractaire étant maintenu en compression sans soumettre d'autres

composants du système à une contrainte excessive.

L'étage d'injection de liquide allongé situé en aval comporte un manchon tubulaire qui supporte un groupe

de buses de vaporisation espacées axialement et circonfé-

rentiellement, par l'intermédiaire desquelles de l'eau est injectée avec un débit commandé pour former de la vapeur d'eau et/ou régler la température du mélange évacué de

produits de combustion et de liquide vaporisé.

Des combustibles liquides sont brClés efficace-

ment dans des environnements souterrains à l'aide des procédés et des dispositifs suivant l'invention, avec une combustion complète, de sorte que le courant résultant de produits de combustion ne contient pratiquement pas de particules. Le système est de constitution simple et robuste, est efficace et possède un fonctionnement fiable

sur une large gamme de conditions de fonctionnement.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de

la description qui suit de plusieurs modes de réalisation

préférés mais non limitatifs représentés aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un système de récupération par traitement thermique suivant l'invention; - la figure 2 est une vue à échelle agrandie d'une partie du puits d'injection de la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe de l'unité de stimulation thermique suivant la ligne 3-3 de la figure 2; - la figure 4 est une vue en coupe, à échelle agrandie, de certaines parties de l'unité de stimulation thermique suivant la ligne 4-4 de la figure 3; - les figures 5 à 9 sont des vues en coupe respectivement suivant les lignes 5-5, 6-6, 7-7, 8-8 et 9-9 de la figure 4; - la figure 10 est une vue en coupe suivant la ligne 10-10 de la figure 2; - la figure 11 est une vue en coupe de certaines parties d'une autre unité de stimulation thermique suivant l'invention; - les figures 12 et 13 sont des vues en coupe respectivement suivant les lignes 12-12 et 13-13 de la figure Il; - la figure 14 est une vue en coupe, à échelle agrandie, d'une partie de l'unité représentée sur la figure 11; et - la figure 15 est un schéma représentant les conditions d'écoulement aérodynamiques dans les unités de stimulation thermique représentées sur les figures

4 et 11.

Le système représenté à la figure 1 comporte un puits d'injection 10 qui descend à partir de la surface du sol jusqu'à un réservoir de pétrole 14 ou une autre

formation géologique souterraine similaire.

Un puits de production 16 remonte

à partir du réservoir 14 jusqu'à un équipement de traite-

ment qui comporte des dispositifs tels qu'une unité 20 de séparation du pétrole et de l'eau, et une unité 22 de séparation par flottation. Un équipement de support de générateur de vapeur comporte un compresseur d'orgue 24

et un réservoir de combustible 26. Des agents d'alimenta-

tion comprenant du combustible liquide (tel que de l'huile combustible nO 2, de l'huile combustible n0 6 ou du pétrole brut pré-traité), de l'air, et de l'eau sont envoyés à partir de l'équipement de surface, par le puits d'injection 10, au système de stimulation thermique à la base du puits 10. Des produits de stimulation thermique comprenant de la vapeur et du gaz carbonique fournis par le système 30 sont envoyés dans le réservoir

14 et stimulent l'écoulement de matériaux à base d'hydro-

carbures provenant du réservoir 14, par le puits de production 16, en direction de l'équipement de traitement de surface 20, 22 pour être pompés vers une raffinerie

par l'intermédiaire de canalisation 28.

D'autres détails du système de stimulation

thermique 30 dans le sondage sont visibles à la figure 2.

Ce système de stimulation est supporté, avec un tubage en acier de 17,75 cm de diamètre, par un train de tiges 34 et comporte un dispositif classique d'étanchéité 36, un joint coulissant classique 38, un module d'étanchéité à haute température 40 et une unité de génération de vapeur 50. Le train de tiges 34 comporte des sections de

conduites réunies 42 (alimentation en air) et 44 (alimen--

tation.en eau), un tube continu 46 de faible diamètre pour le combustible et un tube continu 48 de faible diamètre pour le fluide hydraulique pour la garniture d'étanchéité. les tubes 46 et 48 s'étendent le long des sections de conduites réunies 42, 44 et sont maintenues à intervalles réguliers par des brides de fixation 52 qui à la fois supportent les tubes 46 et 48 et centrent le faisceau dans le tubage 32. Le joint coulissant 38 et le

module d'étanchéité 40 sont commandés hydrauliquement.

Le module d'étanchéité à haute température 40 comporte une paire de matrices à travers lesquelles des bagues

d'étanchéité métalliques 54, 56 sont extrudées hydrauli-

quement dans l'espace annulaire entre la garniture d'étan-

chéité 40 et le tubage 32. Pour commander le module d'étanchéité 40, du fluide hydraulique provenant de la surface (à une pression de 1035 bars) tout d'abord pour étendre les joints coulissants puis pour extruder les bagues d'étanchéité 54, 56. D'autres détails du module d'étanchéité 40 sont donnés dans la demande de brevet internationale PCT/US 81/00216 déposée le 23 février 1981, à laquelle on pourra se référer. L'ensemble est retiré de façon classique en tirant vers le haut sur le train de tiges, ce qui libère les joints coulissants et dégage

les bagues d'étanchéité.

D'autres détails de l'unité de générateur de vapeur 50 apparaissent sur les figures 3 et 4. Cette unité de générateur est fixée sur un raccord à brides - qui est fixé sur l'extrémité inférieure du module d'étanchéité 40. la bride supérieure 62 de l'organe de couplage 64 est fixée sur le raccord 60 par des boulons 66 qui traversent des perçages 68. De façon similaire, des boulons 70 traversent des perçages 72 ménagés dans la bride inférieure 74 de l'adaptateur 64 pour fixer l'extrémité supérieure de l'unité de générateur de

vapeur 50 par rapport à la bride 74.

Cette unité de générateur de vapeur comporte une section de combustion 76 et une section de vaporisation 78 alignées axialement. La section de combustion 76 comporte une chambre de combustion tubulaire 80 à garnissage réfractaire dont la longueur est d'environ 90 cm et dont le diamètre interne est d'environ 7,5 cm.

La section de vaporisation 78 comporte une chambre annu-

laire 82 alignée axialement qui possède une longueur d'environ 90 cm de long et un diamètre intérieur d'environ

11,5 cm. Une série de groupes, disposés circonférentielle-

ment, de buses d'injection 84 s'étend axialement suivant la longueur de la chambre de vaporisation 82, le nombre de buses 84 dans chaque groupe circonférentiel est plus important au niveau de l'extrémité d'entrée de la chambre de vaporisation 82 et diminue en direction de

l'orifice de sortie 86.

Comme représenté sur les figures 4 et 5, un certain nombre de passages traversent l'adaptateur 64, à savoir un passage 100 pour le combustible, un passage 102 pour les composants électroniques, deux passages 104A et

104B pour l'air, et quatre passages 106 pour l'eau.

L'adaptateur 64 est boulonné sur un bottier porte-buse , comme indiqué sur les figures 4 et 6, de manière que le passage 100 pour le combustible communique avec une rainure inclinée 112 qui s'étend en direction d'une

chambre centrale 114 dans le bottier porte-buse 110.

la chambre 114 comporte un perçage fileté intérieurement 116 et un orifice de sortie 120 qui est entouré par une surface conique 118 sur laquelle s'appuie le bloc 122 de buse d'atomisation. Le bloc 122 peut être du type à cone creux avec un angle de vaporisation nominal de 750 (mesuré à 2758 bars), un diamètre de l'orifice de 1,6 mm et un noyau qui communique un mouvement tourbillonnaire au combustible liquide. La buse 122 est vissée dans un adaptateur 124 qui comporte un perçage central traversait 126 et qui est lui-même vissé dans le perçage de la chambre centrale de manière que la surface conique extérieure de la buse 122 soit fermement positionnée au

niveau de l'orifice 120.

Comme représenté aux figures 4 et 6, des passages d'air 130A, 130B (qui sont alignés avec des passages correspondants 104A, 104B dans l'adaptateur 64) traversent le bottier porte-buse 110 de chaque c8té de la chambre centrale 114. Les extrémités inférieures des passages 130 aboutissent dans un évidement annulaire 132 (figures 4 et

7) au niveau de la périphérie inférieure du bottier 110.

Dans la paroi cylindrique du bottier 110, au-dessus de l'évidement 132, est ménagée une série en gradins de surfaces annulaires 1.54,.136, 138; et dans la surface intérieure du bottier 110 est formée une surface conique 140 qui s'étend vers l'extérieur à partir de l'orifice en direction d'une nervure annulaire 142 dans

laquelle est formé un groupe de huit fentes 144.

Sur la surface 138 est appuyée l'extrémité supérieure du manchon extérieur 150 (un tube en acier inoxydable de 0,95 cm d'épaisseur de paroi, dé 200 cm de long et de 15,25 cm de diamètre); sur la surface 134 est appuyé un manchon 152 (un tube en acier inoxydable de 0,6 cm d'épaisseur de paroi, 96 cm de long et 12,7 cm de diamètre) contenant la chambre interne de combustion, de sorte qu'un passage annulaire allongé 154 est défini entre les manchons 150 et 152. Quatre passages 156 d'alimentation eni eau (figure 6) dans le bottier 110 s'étendent à partir du passage 106 dans l'adaptateur 64 jusqu'à l'extrémité supérieure du passage annulaire 154, au niveau de points

situés immédiatement au-dessous de la surface 136.

L'extrémité supérieure du manchon 152-comporte un contre-perçage 158 dans lequel est logé l'élément d'étranglement 160 du stabilisateur de flammes. La surface sa u.p c5uro plane 162 de l'étranglement 160 est assise sur la surface extérieure plane du dessus 142 et forme la limite inférieure de la chambre 132 d'alimentation en air. L'air envoyé par les passages 104A, 104B et 130A, B dans la chambre annulaire 132 circule vers l'intérieur par des canaux à turbulence 144, pour arriver dans une zone d'inflammation 164 limitée de son c8té supérieur par la surface conique 140 du porte-buse et de son c8té inférieur par la surface conique 166 de l'élément du stabilisateur de flammes. La surface convergente 166 de l'élément d'étranglement 160 s'étend jusqu'à un orifice d'étranglement 168 de cinq centimètres de diamètre, et la surface divergente 170 définit une transition de

dilatation avec la chambre de combustion à garnissage 80.

Des détecteurs de flammes et de température contrôlent la zone d'inflammation 164 et transmettent des signaux par l'intermédiaire de conducteurs qui s'étendent dans des

passages 128 et 102.

Un manchon réfractaire 172 en oxyde d'aluminium moulé (Ai203) de 0,95 cm d'épaisseur est logé dans le manchon 152 du bottier de la chambre de combustion et

appuyé sur la surface inférieure de l'élément d'étrangle-

ment 160, et un groupe de segments réfractaires 174 en oxyde d'aluminium (A1203), ayant respectivement la forme d'un arc de cercle s'étendant sur 1200 et possédant une épaisseur de 0,95 cm. Les surfaces intérieures des segments 174 en forme d'arc de cercle définit la paroi intérieure de la chambre de combustion 80, comme indiqué sur la figure 8. Le manchon 172 et le groupe de segments 174 en forme d'arc de cercle sont fixés dans le manchon 152 par une bague de transition 176 qui est soudée sur

l'extrémité inférieure du manchon 152. La bague de tran-

sition 176 possède une surface cylindrique 178 de 10 cm de diamètre et une surface inférieure 180 qui diverge

suivant un angle de 350 par rapport à l'axe du système.

La bague 176 est traversée par un groupe de huit passages de vaporisation 182, possédant respectivement un diamètre

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de 0,76 mm, et s'étendant de la chambre 154 jusqu'à la

surface 180.

De façon similaire, sur l'extrémité inférieure de la bague de transition 176 est soudé un manchon 184 de la chambre de vaporisation (tube en acier inoxydable de 0,63 cm d'épaisseur de paroi, 96 cm de long, et 12,7 cm de diamètre) qui définit une zone de vaporisation 82. Une série de dix groupes circonférentiels 186 de buses de vaporisation 84 est fixée dans des perçages ménagés traversant la paroi du manchon 184, il y a trois groupes circonférentiels (186-1 à 3) de huit buses chacun (espacés axialement d'environ 5 cm) (figure 9), trois groupes circonférentiels(186-4 à 6) de six buses chacun (espacés axialement d'environ 5 cm), et quatre groupes circonférentiels (186-7 à 10) de quatre buses chacun (espacés axialement d'environ 10 cm) suivant la longueur axiale de la zone de vaporisation 82. Chaque buse de vaporisation 84 est du type d'un c8ne creux et possède un orifice de 0,76 mm de diamètre. Une bague d'écartement 188 est soudée sur les surfaces extremes des manchons et 184 et définit l'extrémité inférieure de la chambre annulaire 154 d'alimentation en eau. la figure 10 représente une vue en coupe transversale de la zone de

vaporisation 82.

Une autre unité 50' de traitement thermique est représentée aux figures 11-14 dans lesquelles les éléments correspondants à ceux de l'unité de générateur 50 sont désignés par les mêmes références munies d'un signe "prime". L'unité 50' comporte un adaptateur de couplage

tubulaire 64' soudée sur une plaque d'extrémité 200.

Les extrémités supérieures du manchon extérieur 150' (un tube en acier inoxydable possédant une épaisseur de paroi de 1,25 cm, un diamètre extérieur d'environ 15 cm, et une longueur de 200 cm), et un manchon de transition intérieur 202 (un.tube en acier inoxydable possédant une épaisseur de paroi d'environ 0,6 cm et un diamètre extérieur d'environ 12, 5 cm)-sont également soudés sur la plaque d'extrémité 200 de sorte qu'un passage annulaire 204 est défini entre ces manchons, passage dans lequel de l'eau est introduite à partir de la conduite 44'.

Une bride 206 de l'organe 208 de la zone d'in-

flammation est soudée sur l'extrémité inférieure du manchon de transition 202. L'organe 208 supporte un adaptateur 124' sur lequel est vissée la buse 122' qui reçoit-du combustible par l'intermédiaire de la conduite 46'. Le courant d'air à travers l'adaptateur de couplage 64' et de l'origide 210 dans la plaque d'extrémité 200 arrive dans la chambre 212. Une partie de cet air circule par le passage 214 dans la région de la buse pour sortir par l'orifice 120' dans une gaine coaxiale qui entoure lebrouillard de gouttelettes atomisées de combustible

provenant de la buse 122' dans là zone d'inflammation 164'.

De l'air passe de la chambre 212, par des passages à

turbulence 144', dans la périphérie de la zone d'inflamma-

tion 164'. L'élément de la zone d'inflammation possède une surface convergente 166' en direction d'un orifice d'étranglement 168' de 5 cm de diamètre, et une surface divergente inférieure 170'. Des signaux provenant d'un

détecteur de température 216 sont transmis, par un conduc-

teur 218, à l'équipement de contrôle situé en surface.

Sur le côté inférieur de la bride 206 est soudée l'extré-

mité supérieure d'un manchon 152' (un tube en acier inoxydable possédant une épaisseur de paroi d'environ 0,63 cm, une longueur de 96 cm, et un diamètre extérieur de 12,7 cm). Un canal hélicoïdal 154' de 7,6 cm de large et de 0,15 cm de profondeur est formé dans sa surface extérieure et forme, avec un rebord hélicoïdal de 0,63 cm

de large, un trajet d'écoulement hélicoïdal de refroidis-

sement. Un manchon extérieur 150' est emmanché par pression ou à chaud sur le manchon intérieur 152', et de

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l'eau circule à partir de la conduite 44', par un passage ménagé dans la plaque d'extrémité 200, vers le passage annulaire 204 entre les manchons 150' et 202 et par le trajet hélicoïdal défini entre les manchons 150' et 152' suivant la longueur de la zone de combustion 80'. Sur l'extrémité inférieure du manchon 152' est soudée une bague de transition 176', et une bague de

support 222 est appuyée sur la bague de transition 176'.

Un ensemble de paroi réfractaire 224, dont l'extrémité supérieure 226 s'étend dans l'évidement défini par la surface extérieure 228 de l'élément 208 de la zone d'inflammation, est logé dans le manchon 152' et supporté

sur la bague de support 222. L'ensemble 224 comporte un.

manchon 230 en acier inoxydable (un tube possédant une

épaisseur de paroi d'environ 0,32 cm et un diamètre exté-

rieur d'environ Il cm) avec un revêtement en zirconium

vaporisé 232 sur sa surface supérieure; un manchon inté-

rieur 234 en carbure de silicium de grande pureté qui possède une surface intérieure 236 de 7,6 cm de diamètre et de 1,25 cm d'épaisseur de paroi; et une région intermédiaire 238 (d'environ 0,32 cm d'épaisseur) rempli

de ciment d'oxyde d'aluminium moulé.

Lors de la fabrication de l'ensemble de garnissa-

ge 224, les manchons 230 et 234 sont disposés concentri-

quement dans un moule, et le mélange de ciment réfractaire (2200 parties d'Alumdun, 340 parties d'agent plastifiant Melment et 200 parties d'eau) est coulé dans l'espace 238 pendant qu'on fait vibrer le moule de manière que le mélange de ciment remplisse tout l'espace. L'ensemble est séché à la température ambiante pendant 24 h, puis cuit à 800C pendant 6 h; la température est alors augmentée de 240C/h jusqu'à 49600 et y est maintenue pendant 4 h l'ensemble est ensuite refroidi de 380C/h jusqu'à la température ambiante. Le ciment relie fermement les manchons 230 et 234. La surface extérieure du manchon 230 est munie d'un revêtement de zirconium 232 (0,12 mm d'épaisseur) pour obtenir un diamètre extérieur de l'ensemble 224 d'environ 11,38 ca. L'ensemble 102 est ensuite inséré dans le manchon formant une enveloppe pour l'eau, un intervalle annulaire (voir figure 14) d'environ 0,25 mm restant entre la surface extérieure 122 du garnissage et la surface intérieure 124 de la structure de la chambre de

refroidissement, à température ambiante.

Sur la surface inférieure de la bague de transition 176' est soudé un manchon 184' (environ 84 cm de long) qui supporte un groupe de buses de vaporisation 84'. La bague d'écartement 188' est soudée sur les

extrémités inférieures des manchons 150' et 184' et. défi-

nit l'extrémité inférieure de la chambre annulaire 154'

pour l'eau, ainsi que l'orifice de sortie 86'.

Lors de l'utilisation, le système 30 de produc-

tion de vapeur est fixé sur le train de tiges 34 et est descendu dans le tubage 32. Une fois que le système 30 de génération de vapeur est positionné dans le souçIage au voisinage de la formation souterraine devant être traitée, comme représenté sur les figures 1 et 2, les

joints coulissants d'étanchéité 38 et le module d'étan-

chéité sont commandés hydrauliquement, comme indiqué ci-

dessus, pour former une zone de pression étanche communi-

quant avec le réservoir 14 dans lequel se trouve le système 30. Du combustible liquide est alors envoyé, par la conduite 46 (46') à la buse 122 (122') pour être atomisé et vaporisé dans la zone d'inflammation 164 (164'), comme indiqué sur la figure 15. Simultanément, de l'air est envoyé, suivant un rapport stoéchiométrique par les passages 104 et 130 (orifice 210) vers la chambre annulaire 132 (chambre 212) et arrive, par des passages à turbulence 144 (144'), dans la zone d'inflammation 164 (164') pour former un écoulement tourbillonnaire forcé 250, et, par l'intermédiaire de l'orifice 214, dans la chambre de la buse pour circuler, par l'intermédiaire de l'orifice 120 (120') dans une gaine 252 autour du jet 254 de gouttelettes de combustible atomisé provenant de la buse 122 (122'). L'enflammation du combustible se propage dans la conduite de combustible 46 (46') devant le combustible liquide, grâce à l'utilisation d'un

liquide hypergolique (par exemple du triéthylborane).

le liquide hypergolique enflamme une zone d'inflammation

164 (164') en présence de la gaine, et de l'air tourbil-

lonnaire circule et enflamme le mélange combustible-air.

Lorsque le mélange combustible-air enflammé brûle, il passe, par l'étranglement 168 (168') dans la zone d'écoulement de retour fortement agitée 256 (au niveau de

l'extrémité supérieure de manchon de garnissage réfractai-

re 172 (232) qui maximise la vitesse de combustion au niveau de l'extrémité supérieure de la zone de combustion , puis redescend à partir de la zone d'écoulement en retour 256 en passant par la'zone 258 d'écoulement avec effet-bouchon à tourbillons libres dans laquelle la

combustion est complétée.

Lorsque la combustion commence, la température de la surface 236 du tube 234 en carbure de silicium monolithique augmente, ce qui provoque une dilatation à la fois axiale et radiale du garnissage 224, jusqu'à ce que la surface extérieure 240 du garnissage 224 s'appuie contre

là surface intérieure de l'ensemble de refroidissement.

Le carbure de silicium qui se dilate est en compression et ces forces de compression se stabilisent à environ la moitié de la contrainte de compression de sécurité du tube 234, grâce à l'action de retenue de l'ensemble de refroidissement. Avec un rapport stoechiométrique d'air et de combustible nO 2, la température du processus de combustion dans la zone 80' est de l'ordre de 20400C et la température de la surface 236 du revêtement en carbure de silicium est de l'ordre de 14250C. Avec un taux d'enflammation de 1,46.106W, on utilise un débit de 1/mn d'agent de refroidissement pour maintenir la température de la surface intérieure 242 de la chambre de circulation d'eau à environ 20500 ou moins. L'unité de garnissage 224 étant stabilisée par la chambre de refroidissement, un gradient thermique, représenté schématiquement sur la figure 14, est établi à travers les composants du garnissage, le gradient thermique pour le matériau de revêtement 232 étant environ le double de celui du matériau de liaison 238, de sorte que les chutes de température maximales se trouvent entre le matériau de liaison 238 à base d'oxyde d'aluminium et la mince couche de zirconium 232. Lorsque la combustion est terminée, le manchon 234 en carbure de silicium reste en compression étant donné que le système refroidit, de sorte qu'il n'est pas soumis à des forces de tension qui pourraient casser le matériau réfractaire. Cette unité de garnissage fournit une surface 236 stable physiquement

de la chambre de combustion qui forme une zone de combus-

tion allongée 80' à température élevée dans laquelle des mélanges stoechiométriques d'air et de combustible braient complètement, de sorte que les produits de combustion qui

sortent de la zone de combustion 80' ne contiennent prati-

quement ni particule ni oxygène et peuvent être recyclés de façon répétée au cours du fonctionnement du braleur

(démarrage et refroidissement).

La circulation d'eau dans la chambre de refroi-

dissement 154 limite l'augmentation de température de l'unité de garnissage réfractaire, le gradient thermique étant réglé par le choix des matériaux, y compris ceux du revêtement 232 et de l'agent de liaison 238. L'eau de refroidissement évacuée de la chambre de refroidissement de la chambre de combustion nasse dans le canal de la zone de-vaporisation et est vaporisée en jets 260, par l'intermédiaire de buses 84, pour arriver dans le courant de produits de combustion dans la zone de vaporisation 82 (figures 10 et 15) et être transformée en vapeur,

le mélange résultant de vapeur et de produits de combus-

tion étant évacué par l'orifice de sortie 86 (86') pour

être envoyé dans la réserve de pétrole 14.

Le tableau suivant indique une gamme de valeurs caractéristiques de ce système générateur de vapeur: Pression d'injection 68,95 bars 137,9 bars 206,85 bars Taux d'inflammation 2,931 x106 5,862x106 5,862x106 (w) Sortie de vapeur 4025 8,05 8,05 (kg/h) Débit d'air néces- 3433 6,86 6,86 saire (kg/h) Débit d'eau néces- 3677 7,35 7,35 saire (kg/h) Débit de combustible nécessaire (kg/h) 229,5 0,46 0,46 (générateur de vapeur) Le système délivre de la vapeur de qualité à % pour des pressions dé réservoir allant jusqu'à ,862 x 106 bars, suivant des quantités allant jusqu'à

222,6 m3/jour.

Dans un essai du système représenté sur les figures 11 à 13, pendant une durée de 80 h, avec des taux d'inflammation allant de 2,931 x 105W à 14, 655x105W, en utilisant une buse d'atomisation sous pression suivant un angle de 80 , avec un débit de 54,55 l/h, à c8lne creux du type Delavan A, on a envoyé dans le système du

combustible no 2 et de l'air dans un rapport stoechio-

métrique, avec production de vapeur à des pressions comprises entre 6,89 bars et 34,45 bars. Dans un autre essai à pression atmosphérique avec du combustible no 6 émulsifié, en utilisant une buse d'atomisation d'air du type Delavan SNA, et des rapports stoechiométriques d'air et de combustible, le système fonctionnait à des taux d'inflammation compris entre 37 517 et 52 758 W. Dans chaque essai le courant de sortie provenant du système contenait moins de 0,5% d'oxygène et ne contenait pratiquement pas de particules (en moyenne, les courants de sortie contenaient moins de 5 parties/million de

particules de dimensions supérieures à 2 i).

Les procédés et dispositifs perfectionnés de traitement thermique dans un sondage suivant l'invention peuvent être utilisés de façon prolongée sur une large gamme de taux d'inflammation et de pressions de réservoir; le dispositif possède une constitution compacte et

convient pour ttre utilisé en association avec un équipe-

ment classique pour un champ de pétrole; l'invention permet en outre une économie importante de temps et de coOtt par rapport à de la vapeur produite en surface pour la récupération de pétrole lourd à partir de réservoirs profonds, ainsi que par rapport à d'autres procédés pour la récupération de ressources à partir de formations

géologiques souterraines.

Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus particulièrement envisagés; elle en embrasse, au

contraire, toutes les variantes.

Claims (22)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de traitement thermique destiné à être mis en oeuvre dans un sondage, caractérisé en ce qu'il comporte une structure d'étage de combustion comprenant une structure de zone d'inflammation dans laquelle un mélange de combustible liquide et d'oxydant

est enflammé et, en aval, une structure de zone de combus-

tion de longueur suffisante pour assurer la combustion sensiblement complète du mélange de combustible et d'oxydant; une structure d'étage d'injection de liquide, en aval de ladite structure d'étage de combustion, à travers laquelle circulent des produits de combustion à haute température provenant de ladite structure d'étage de combustion; et des moyens pour vaporiser un liquide dans ladite structure d'étage d'injection de manière que les produits de combustion et le liquide vaporisé soient

envoyés dans la formation souterraine devant être traitée.

2. Dispositif suivant la revendication 1,

caractérisé en ce que ladite structure d'étage de combus-

tion comporte une chambre de zone de combustion allongée dont la longueur est égale à au moins cinq fois la largeur de la section transversale, et que ladite structure d'étage d'injection de liquide comporte une chambre tubulaire allongée de dimensions similaires,

alignée axialement avec la chambre de zone de combustion.

3. Dispositif suivant la revendications 1 ou 2,

caractérisé en ce que les moyens de vaporisation compor-

tent un groupe de buses de vaporisation dans la paroi de la chambre de zone de vaporisation pour vaporiser du liquide dans ladite chambre pour obtenir une interaction avec le courant de produits de combustion provenant de

ladite chambre de zone de combustion.

4. Dispositif suivant l'une quelconque des

revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une

structure d'étanchéité adjacente à la structure d'étage de combustion pour établir un contact étanche avec la paroi du tubage du puits dans lequel se trouve le dispositif, ladite structure d'étanchéité comportant des passages pour envoyer du combustible, de l'oxydant et du liquide à des composants situés en aval de ladite structure d'étanchéité.

5. Dispositif suivant l'une quelconque des reven-

dications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite structure d'étage de combustion comporte un garnissage de matériau réfractaire, et un passage annulaire d'écoulement de liquide qui entoure ledit garnissage de la chambre de combustion.

6. Dispositif suivant l'une quelconque des

revencications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite struc-

ture de zone d'inflammation comporte une buse d'atomisa-

tion pour vaporiser un cône de carburant liquide atomisé dans ladite zone d'inflammation, et une structure de passage à turbulence pour introduire un oxydant gazeux dans ladite zone d'inflammation pour le mélange avec le

combustible.

7. Dispositif suivant la revendication 6,

caractérisé en ce que ladite structure de zone d'enflamma-

tion comporte une structure d'étranglement convergente-

divergente de stabilisation de flammes en aval de ladite

buse d'atomisation.

8. Dispositif suivant l'une quelconque des

revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte

un manchon allongé commun dans lequel les structures d'étage de combustion et d'étage d'injection de liquide sont logées en étant alignées axialement avec un passage annulaire qui s'étend sur toute la longueur des deux structures pour fournir du liquide auxdits moyens de vaporisation, ledit manchon possédant un diamètre extérieur plus faible que le diamètre intérieur du tubage du puits

dans lequel est utilisé le dispositif.

9. Dispositif suivant l'une quelconque des

revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la structure

d'étage de combustion comporte une chambre de refroidis-

sement tubulaire, et une unité de chambre de combustion tubulaire logée dans ladite chambre de refroidissement; ladite unité dé chambre de combustion comprenant un tube monolithique de matériau réfractaire dont la surface intérieure définit une zone de combustion, un manchon de renforcement entourant et s'étendant sur toute la longueur dudit tube, la surface extérieure de ladite unité de

chambre de combustion étant espacée de moins d'un milli-

mètre de la surface intérieure de la chambre de refroidis-

sement dans l'état de.repos, ladite unité de chambre de combustion assurant un temps de séjour suffisant pour une combustion complète du mélange de combustible et d'oxydant dans ladite unité, de manière que le courant de produits de combustion évacué de l'extrémité de ladite unité qui est éloignée de la structure de zone d'inflammation ne

contienne pratiquement aucune particule.

10. Dispositif à brnleur comportant une chambre de refroidissement tubulaire, une unité de chambre de combustion tubulaire logée dans ladite chambre de refroidissement, et une structure de zone d'inflammation à une extrémité de ladite unité de chambre de combustion pour faire circuler un mélange enflammé de combustible et

d'oxydant dans cette unité de chambre de combustion, carac-

térisé en ce que l'unité de chambre de combustion comporte un tube monolithique de matériau réfractaire dont la surface intérieure définit une zone de combustion, un manchon de renforcement entourant et s'étendant sur toute la longueur dudit tube, la surface extérieure de ladite unité de chambre de combustion étant espacée de moins d'un millimètre de la surface intérieure de la chambre de refroidissement dans l'état de repos, et ladite unité de chambre de combustion assurant un temps de séjour suffisant pour une combustion complète du mélange de combustible et d'oxydant dans ladite unité de chambre de combustion, de manière que le courant de produits de combustion évacué de

l'extrémité de ladite unité qui est éloignée de la struc-

ture de zone d'inflammation ne contienne pratiquement

aucune particule.

11. Dispositif suivant la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que le matériau et les dimensions de

l'unité de chambre de combustion sont tels que le maté-

riau est en compression tout au cours du fonctionnement du système, y compris les séquences de démarrage et de refroidissement.

12. Dispositif suivant l'une quelconque des

revendications 9 à 11, caractérisé en ce que laditç unité

de chambre de combustion comporte un matériau, reliant ledit manchon audit tube réfractaire, dont le gradient thermique est nettement supérieur à celui dudit matériau

réfractaire ou dudit manchon de renforcement.

13. Dispositif suivant l'une quelconque des

revendications 9 à 12, caractérisé en ce que le

matériau du tube réfractaire est un composé de silicium.

14. Dispositif suivant l'une quelconque des

revendications 9 à 13, caractérisé en ce que le manchon

de renforcement comporte un revêtement isolant du point

de vue thermique sur sa surface extérieure.

15. Dispositif suivant l'une quelconque des

revendications 9 à 14, caractérisé en ce que ledit manchon

de renforcement est constitué par un alliage métallique haute température, le tube monolithique est en carbure de silicium moulé, et le matériau de liaison contient un

oxyde d'aluminium.

16. Procédé pour récupérer des matériaux conte-

nant des hydrocarbures et des matériaux semblables à partir de formations géologiques souterraines, consistant à positionner une structure de chambre de combustion dans un sondage au voisinage de la formation géologique souterraine devant 8tre traitée, et à faire circuler un oxydant et un combustible liquide dans le sondage en direction de la structure de chambre de combustion, caractérisé en ce qu'un mélange de combustible et d'oxy- dant, suivant un rapport stoechiométrique ou un rapport inférieur, est enflammé dans ladite structure, en ce que le mélange d'oxydant et de combustible qui brCle est envoyé dans ladite structure de chambre de combustion avec une vitesse telle que le mélange qui brCle est retenu dans ladite chambre jusqu'à ce que la combustion soit sensiblement complète, et en ce que le courant de

produits de combustion résultant, ne contenant pratique-

ment ni particule ni oxygène, est envoyé, à partir de la chambre de combustion, dans la formation géologique

souterraine devant être traitée.

17. Procédé suivant la revendication 16, caractérisé en ce qu'-il consiste en outre à maintenir

la paroi de la structure de chambre de combustion défi-

nissant la zone de combustion à une température supérieure

à 11000C pendant le processus de combustion.

18. Procédé suivant la revendication 16 ou 17, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes consistant à former une zone d'écoulement. tourbillonnaire forcé d'oxydant dans la région d'inflammation et en aval de celle-ci une zone d'écoulement inverse fortement agitée, ad niveau de l'extrémité supérieure de la chambre de

combustion pour augmenter la vitesse de combustion.

19. Procédé suivant l'une quelconque des

revendications 16 à 18, caractérisé en ce qu'il comprend

en outre l'étape consistant à faire circuler ledit courant résultant de produits de combustion dans une zone de vaporisation tout en injectant un liquide dans le courant de produits de combustion en circulation de manière à envoyer dans la formation souterraine devant être traitée un mélange résultant de produits de

combustion et de liquide vaporisé.

20. Procédé suivant l'une quelconque des

revendications 16 à 19, caractérisé en ce que ledit

oxydant est de l'air, ledit combustible est de l'huile

combustible liquide, et ledit liquide est de l'eau.

21. Procédé suivant la revendication 20, caractérisé en ce que le mélange d'air et de combustible est brnlé dans la zone de combustion à une pression d'environ 34,5 bars, et avec un taux d'inflammation d'au

moins environ 0,73275.106W.

22. Procédé suivant l'une quelconque des

revendications 19 à 21, caractérisé en ce que ladite zone

de combustion possède une longueur égale au moins à cinq

fois la dimension transversale, et ladite zone de vapori-

sation est alignée axialement avec ladite zone de combustion.