NO821883L - Varmebehandlingsapparat - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse, angår prosesser og apparater for varmebehandling av geologiske undergrunnsformasjoner for bedre ut-nyttelse, av geologiske resurser.

Varmebehandling av geologiske undergrunnsformasjoner utfø-res ofte for å bedre utnyttelsen av geologiske resurser. F.eks. har visse petroleumsmaterialer, de såkalte "tunge råoljer", slike viskbsitets-' og tyngdeegenskaper at de ikke lett kan strømme gjennom de porøse jordformasjoner, og følgelig er det meget vanskelig å utvinne disse materialer. Utvinning av slike petroleumsmaterialer kanøkes ved innføring av oppvarmede materialer i undergrunnsreservoaret for å senke viskositeten, øke mobiliteten og liknende formål. I andre utvinningssystemer kan varmebehandlingsapparater anvendes for befordring av kjemiske reaksjoner, for innledning av in situ-forbrenning eller retor-tering og liknende. Selv om varmebehandlingssystemer er blitt foreslått for bruk nede i borehullet, har de vist seg ikke å virke helt tilfredsstillende, delvis på grunn av forholdene i de fjerne, relativt utilgjengelige og ofte ugjestmilde omgivelser. Enkle og robuste konstruksjoner såvel som enkelt og pålitelig kontrollutstyr er ønskelig for effektiv drift. Det er også ofte ønskelig at systemet ikke innfører verken partikkel-formig materiale eller for meget oksygen i den geologiske formasjon som behandles.

I henhold til en side ved oppfinnelsen er der anordnet et varmeb.ehandlingsapparat for anvendelse nede i et borehull, hvilket apparat omfatter et forbrenningstrinn med konstruksjon for intenst varm vegg-operasjon som danner en forbrennings- og retensjonssone for en brennstoff/oksydant-blanding og anten-ningssonekonstruksjon umiddelbart oppstrøms fra forbrenningssonen der en blanding av forstøvet, væskeformig brennstoff og oksydant antennes, sammen med et væskeinjiseringstrinn umiddelbart nedstrøms fra forbrenningssonen gjennom hvilket strømmen av stort sett partikkelfrie forbrenningsprodukter med høy temperatur strømmer fra forbrenningssonen og inn i hvilket sprøy-tes væske som skal fordampes. Lengden av kammerkonstruksjon som avgrenser varmvegg-forbrenningssonen er fortrinnsvis minst fem ganger dens breddediménsjon og sonen avgrenses av en ildfast vegg hvis overflate holdes på en høy temperatur over 1100°C i et arrangement der den brennende brennstoff/oksydant- blandingen holdes tilbake' i forbrenningssonen inntil forbrenningen er fullstendig slik at en stort sett partikkelfri strøm av forbrenningsprodukter avgis fra forbrenningssonen inn i den geologiske formasjon som skal behandles. Væskeinjiseringstrin-net har fortrinnsvis et langstrakt kammer med dimensjoner lik og aksielt på linje med varmvegg-forbrenningssonekammeret.

En termisk forøkningsprosess i henhold til oppfinnelsen for utvinning av hydrokarbonmaterialer og liknende fra geologiske undergrunnsformasjoner innbefatter anbringelse av forbrenningskammerkonstruksjon nede i borehullet nær den geologiske formasjon som.skal behandles, innføring av en blanding av væskeformig brennstoff og oksydant ved eller under støkiomet-risk forhold i en forbrenningssone i forbrenningskammerkonstruksjonen og antenning av blandingen, innføring av den brennende blanding i en forbrenningssone som avgrenses av veggkonstruk-sjonsoverflate som holdes på en temperatur over 1100°C, tilbake-holding av den brennende brennstoff/oksydant-blandihg i forbrenningssonen tilstrekkelig lenge til å sikre stort sett fullstendig forbrenning, og deretter angivelse av den resulterende, stort sett partikkelfrie, oksygenfrie produktblanding i undergrunnsf ormas jonen som skal behandles. Oppfinnelsen minsker mu-ligheten for gjentetting og/eller nedbryting av de naturlige porer i formasjonen som blandingen innføres i. I en foretrukket utføringsform blir den resulterende strøm av stort sett partikkelfri forbrenningsprodukter ført gjennom en fordampningssone mens vann injiseres i forbrenningsproduktstrømmen og en blanding av damp og forbrenningsprodukter innbefattende karbondioksyd injiseres i en oljeholdig formasjon for kjemisk og termisk stimu-lerende samvirkning for derved å øke den hastighet og effektivi-tet som reservoaret reagerer med.

Ved en spesiell utføringsform innbefatter varmebehandlingsapparatet en langstrakt sylindrisk hoveddel omtrent 15 cm i ytterdiameter som er anordnet nede i borehullet i et konvensjonelt oljebrønn-foringsrør. En varmebestandig tetningsmodul er anordnet for anvendelse umiddelbart over eller under varmebehandlingsapparatet for avtetting av foringsrøret nær formasjonen som skal behandles. Den varmebestandige tetningsmodul omfatter en ringformet dysekonstruksjon og metalltetningsringer som-er hydraulisk ekstrudert gjennom dysene inn i ringrommet mellom pakning og brønn-foringsrøret. Andre typer varmebestandige pakninger kan også anvendes. Forbrennings- og væskeinjiseringstrinnene er anordnet aksielt på linje i en felles langstrakt hylse som passer i brønnens foringsrør med et ringformet kjølekappekammer som strekker seg langs både forbrennings- og væskeinjiseringstrinnene gjennom hvilket væsken som skal fordampes ledes. Forbrenningstrinnet innbefatter en innretning som danner en brennstoffinjiseringssone med en forstøvningsdyse som innfører en godt forstøvet, brennstoffstråle i antenningssonen i en koaksial luftskjerm, og et med ildfast foring forsynt forbrenningskammer hvis overflate holdes på en intenst høy temperatur. Luft som innføres i antenningssqnen gjennom en virvelkanalkonstruksjon frembringer en påtrykket virvelstrøm som maksimaliserer aerodynamisk skjær- og brennstoff/luft-blandingshastigheter i en sterkt opprørt sone med moderat temperaturstigning som danner stabil antenning og øket brenn-stof fordampning i toroid-virvelen. Nedstrømsgrensen av den.på-trykte virvel-antenningssone avgrenses av en fast flammestabi-lisatorkonstruksjon som innbefatter konvergerende/divergerende strupekonstruksjon med en utstrakt og sterkt opprørt tilbake-strømningssone umiddelbart nedstrøms av strupekonstruksjonen som maksimaliserer forbrenningshastigheten i oppstrømsenden av varmvegg-forbrenningssonen. Nedstrøms av tilbakestrømnings-sonen og i fortsettelse av yarmvegg-forbrenningssonen' er et område med fri virvelpluggstrømning der forbrenningen fullføres. •Systemet tilveiebringer flammestabilisering i to separate, men med innbyrdes forbindelse anordnede områder, et første område virker som en antenningssone og det andre område frembringer et varmgass-resirkuleringsmønster som gir blandestabilitet i en sone med sterk turbulens og intenst tilbakeblandet strøm som befordrer effektiv forbrenning. Den varme ildfaste veggover-flate maksimaliserer forbrenning av eventuelle gjenværende ubrente materialer og varmeforsinkelsen i denne overflate ut-gjør en effektiv antenningskilde for gjenantenning og bidrar til å jevne ut variasjoner i varmeavgivningshastigheten som følge av prosessfluktuasjoner.

En særlig sårbar komponent i brennersystemene er forbrenningskammerforingen som utsettes for høye varmespenninger både under drift av systemet og oppstartings-og nedkjølingsfåsene, og hyppig svikter. I henhold til en annen side ved oppfinnelsen innbefatter den rørformede forbrenningskammerenhet som er opptatt i den rørformede kjølekappeenhet et monolittisk rør av ildfast materiale hvis innvendige overflate avgrenser forbrenningssonen. En metall-forsterkningshylse omgir og strekker seg langs det ildfaste rør. Den innvendige overflate ikjølekappe-enheten og den utvendige overflate til forbrenningskammerenheten er slik dimensjonert at disse overflater er nær hverandre (mindre enn én millimeters avstand ) i standby-tilstand eller kald tilstand slik at forbrenningskammerenheten har begrenset frihet til å ekspandere idet denne ekspansjon stabiliseres av kjølekappeenheten slik at kdmpresjonskreftene i det ildfaste rør fortrinnsvis ikke overskrider ca. halve verdien av materi-alets tillatte trykkspenning, og materialene i forbrenningskammerenheten er slik valgt at der opprettes varmegradient-parametre over forbrenningskammerenheten for å holde det ildfaste rør i trykktilstand slik,at det ikke utsettes for trykkrefter som kan forårsake brudd i, det ildfaste materiale under oppstarting og nedkjøling av forbrenningssystemet, såvel som under normal drift.

Selv om en rekke materialer kan benyttes i forbrenningskammerenheten , er silisiumblandinger foretrukne materialer for det ildfaste rør, og varmefaste metallegeringer såsom 304 syrefast stål, Hasteloy og Incoloy er foretrukket for forsterkningshylsen. Ildfast bindmateriale mellom forsterkningshylsen og det ildfaste rør gir et varmeovergangsområde og gradienten i dette område kan reguleres etter ønske, f.eks. med tilsetning av varmeledende partikler i bindmaterialet. Et varmeregule- • rende belegg kan også påføres metallhylsens ytre overflate.

Ved en spesiell utføringsform som er.konstruert for bruk nede i borehullet, er kjølekappeenheten en langstrakt sylindrisk konstruksjon med en ytterdiameter på ca. 15 cm og en innerdia-meter på ca. 11 cm. Forbrenningskammerenheten som er anordnet i kjølekappeenheten innbefatter et rør av støpt silisiumkarbid som avgrenser et forbrenningskammer med diameter ca. 7., 5 cm og lengde ca. 92 cm. En forsterkningshylse av syrefast stål har en ytterdiameter som er noe mindre enn 11,5 cm slik at der fore-ligger et ringformet rom på ca. 0,25 mm mellom foringsenhetens utvendige overflate og kjølekappeenhetens innvendige overflate. Et overgangsområde mellom den syrefaste stålhylse og silisium-karbidrøret er fylt med et aluminiumoksyd-bindemiddel som har vesentlig høyere varmegradient enn både silisiumkarbidrøret og den syrefaste stålhylse. I tillegg er der påført-et tynt belegg av sirkonium på metall-forsterkningshylsens utside. Bren-nersystemet innbefatter en antenningssone-konstruksjon ved forbrenningskammerenhetens ene ende for innføring av en antent brennstoff/oksydant-blanding i forbrenningskammerenheten og et . væskeinjiseringstrinn umiddelbart nedstrøms av forbrenningskammerenheten gjennom hvilket en strøm av stort sett partikkelfrie forbrenningsprodukter med høy temperatur strømmer og inn. i hvilket væske fra kjølekappeenheten innsprøytes for fordampning.

Systemet tilveiebringer et brennersystem som er istand til å arbeide over lang tid uten å overvåkes i fjerntliggende og utilgjengelige omgivelser, samtidig som dets stabilitet opprett-holdes og slitasjen er minimal, idet det ildfaste rør holdes .under trykk uten at andre systemkomponenter utsettes for util-børlig belastning.

Det nedstrøms beliggende, langstrakte væskeinjiseringstrinn innbefatter en rørformet hylse som bærer en rekke aksielt og omkretsmessig fordelte sprederdyser gjennom hvilket vannet injiseres med kontrollert strømningshastighet for å;utvikle damp og/eller for å kontrollere temperaturen i den avgitte blanding av forbrenningsprodukter og fordampet væske.

Væskeformige brennstoffer renner effektivt i det miljø som hersker nede i borehullet, ved bruk av fremgangsmåten og apparatet ifølge oppfinnelsen, med fullstendig forbrenning, slik at den resulterende strøm av forbrenningsprodukter er stort sett fri for partikler. Systemet er enkelt og robust konstruert,

det er effektivt og gir pålitelig drift over et område av driftsbetingelser.

Andre trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå etterhvert som følgende beskrivelse av spesielle utføringsformer skrider frem, i tilknytning til tegningene, hvor: Fig. 1 er en skjematisk gjengivelse av et termisk, utvin-ningssystem ifølge oppfinnelsen, Fig. 2 er et riss i større målestokk av et parti av injek-sjonsbrønnen på fig. 1, Fig. 3 er et snitt av varmestimuleringsenheten sett langs

linjen 3-3 i fig. 2,

Fig. 4 er et snitt, i større målestokk, av deler av varmestimuleringsenheten, langs linjen 4-4 i fig. 3, Fig. 5 - 9 er snitt langs henholdsvis linjene 5-5, 6-6, 7-7, 8-8 og 9-9 i fig. 4,

Fig. 10 er et snitt langs linjen 10-10 i fig. 2,

Fig. 11 er et snitt gjennom deler av en annen varmestimuie-ringsenhet ifølge oppfinnelsen, Fig. 12 og 13 er snitt langs henholdsvis linjene 12-12 og 13-13 i fig. 11, Fig. 14 er et riss i større målestokk av en del av enheten vist i fig. 11, og Fig. 15 er et skjematisk riss som indikerer aerodynamiske strømningsforhold i. varmestimuleringsenhetene vist i f ig. 4 og 11.. Det i fig. 1 viste system innbefatter en injeksjonsbrønn 10 som strekker seg nedad fra jordoverflaten 12 til et oljere-seryoar 14 eller' annen liknende geologisk undergrunnsformasjon. En produksjonsbrønn 16 strekker seg oppover fra reservoaret 14 til behandlingsutstyr som . innbefatter slike apparater som olje/ vann-separeringsenhet 20., og f Iotas jon-separeringsenhet 22. Dampgenerator-hjelpeutstyr innbefatter luftkompressor 24 og brennstofftank 26. Forsyninger innbefåttene væskeformig brennstoff ( f.eks. fyringsolje nr. 2, fyringsolje nr. 6 eller for-behandlet råolje), luft, og vann mates fra overflateutstyret gjennom injeksjonsbrønnen 10 til et varmestimuleringssystem 30 ved bunnen av brønnen 10. Varmestimuleringsproduktet innbefattende damp og CO^som utvikles av systemet 30, slippes inn i reservoaret 14 og stimulerer utstrømning av hydrokarbonmaterialer fra reservoaret 14 gjennom produksjonsbrønnen 16 til over-, flatebehandlingsutstyret 20, 22 for pumping til et raffineri gjennom ledninger 28.

Ytterligere detaljer ved det nede i borehullet beliggende varmestimuleringssystem 30 fremgår av fig. 2. Dette stimule-ringssystem understøttes med et 17 3/4 cm diameter foringsrør 32 av stål', ved hjelp av en rørstreng 34 og innbefatter en konvensjonell pakningsdel 36, en konvensjonell kilebelteinnretning 38, en varmebestandig tetningsmodul 40 og en dampgeneratorenhet 50. Rørstrengen 34 innbefatter skjøtede rørseksjpner 42

(lufttilførsel) og 44 (vanntilførsel), en kontinuerlig brennstoff-rørledning 46 med liten diameter, og en kontinuerlig hydraulikkvæske-rørledning 48 med liten diameter for pakningen. Rørledningene 46 og 48 er strukket langs siden av de sammenkop-lede rørseksjoner .42 , 44 og fastholdes med regelmessige mellom-rom ved hjelp av rørklemmer 52 som både bærer de kontinuerlige rørledninger 46, 48 og sentrerer bunten i foringsrøret 32. Kilebelteinnretningen 38. og tetningsmodulen 40 ansettes hydraulisk. Den varmebestandige tetningsmodul 40 innbefatter et par dyser gjennom hvilke metalltetningsringer 54, 56 hydraulisk ekstruderes inn i ringrommet mellom pakningen 40 og brønn-foringsr"øret 32. For ansetting av tetningsmodulen 40 bringer hydraulikkfluid fra overflaten (103 410 kPa) først kilebelteinnretningen til å utvide seg og ekstruderer deretter tetningsringene 54, 56. Ytterligere, detaljer ved tetningsmodulen 40 fremgår av den samtidige PCT-søknad nr. PCT/US81/00216 innle-vert' 23. februar 1981, benevnelse "PACKER" hvis innhold er opptatt i foreliggende søknad ved henvisning.. Enheten trekkes opp igjen på vanlig måte ved oppadrettet trekkraft på rørstrengen 34,slik at kilebeltet frigjøres og tetningsringene løsner.

Ytterligere detaljer ved dampgeneratorenheten 50 fremgår av fig. 3 og- 4. Denne generatorenhet er' festet til en flens-nippel 60 som er festet til nedre ende av pakningsmodulen 40. Den øvre flens 62 på en kopling 64 er festet til nippelen 60 ved hjelp av bolter 66 som strekker seg gjennom bolthull 68.

På samme måte løper bolter 70 gjennom bolthull 72 i nedre flens 74' av mellomstykket 64 for befestigelse av dampgenerator-enhetens 50 øvre ende til flensen 74..

Denne dampgeneratorenhet innbefatter.en aksielt på linje innrettet forbrenningsseksjon 76 og fordamperseksjon 78. For-brenningsseksjonen 76 innbefatter en rørformet, med ildfast foring forsynt forbrenningskammer 80 som har en lengde på ca. 90 cm og en innvendig diameter på. ca. 7,5 cm. Fordampersek-sjonen 78 har et aksielt innrettet, rørformet kammer 82 som er ca. 90 cm langt og har innvendig diameter på ca. 11,5 cm. En serie omkretsmessig rundtløpende rekker av stråledyser 84 strekker seg aksielt langs fordampningskammerets 82 lengde, idet antall dyser '84 i hver rundtløpende rekke er størst ved fordampningskammerets 82 innløpsende og avtar mot utløpsåpningen 86.

Som antydet i fig. 4 og 5 strekker det seg et antall kanaler gjennom mellomkoplingen 64, innbefattende brennstoffkanal 100, elektronikkanal 102, to luftkanaler 104A og 104B, og fire vannkanaler 106. Koplingen 64 er fastboltet til dysehus 110, som antydet i fig. 4 og 6, slik at brennstoffkanalen•100 kommu-niserer med et skråttløpende spor 112 som strekker seg til et midtre kammer 114 i dysehuset 110. Kammeret 114 har en innvendig gjenget boring 116 og en utløpsåpning 120 som er omgitt av en konisk flate 118 som danner sete for en forstøvningsdyseen-het 122. Dyseenheten 122 kan være av den hule koniske type med en nominell strålesprédningsvinkel på 75 grader (målt ved 275 kPa), en åpningsdiameter på 1,6 mm og en kjerne som gir det væskeformige brennstoff en virvelbevegelse. Dysen 122 er innskrudd i en holder 124 som har et sentralt gjennomløp 126 og som i sin tur er innskrudd i boringen i det midtre kammer 114, slik at dysens 122 koniske ytterflate ligger fast an mot sitt sete ved åpningen 120.

Som vist i fig. 4 og 6 løper luftkanaler 130A, 1'30B (som er innrettet på linje med motsvarende kanaler 104A, 104B i mellomstykket 64) gjennom dysehuset 110 på hver side av det

midtre kammer' 114. De nedre ender av kanaler 130 går over i en ringformet utsparing 132 (fig. 4 og 7) ved husets 110 nedre om-krets. I husets 110 sylindriske vegg, over utsparingen 132, er utformet en avtrappet rekke ringflater 134, 136, 138, og i

dysehusets 110 nedre overflate er utformet.en konisk flate 140 som strekker seg utad. fra åpningen 120 til et ringformet kant-parti 142 i hvilket er utformet en rekke på åtte slisser 144.

En ytterhylse 150 (et rør av syrefast stål med 0,95 cm veggtykkelse, 200 cm langt, og 15,25 cm i diameter) ligger an mot flaten 138, og en innvendig forbrenningskammerhylse 152

(et rør av syrefast stål med 0,6 cm veggtykkelse, 96 cm langt, og 12,7 cm i diameter) ligger an mot flaten 134, slik at der dannes en langstrakt ringformet kanal 154 mellom hylsene 150 og 152. Fire vanntilførselskanaler 1.56 (fig. 6) i dysehuset 110 strekker seg fra kanalen 106 i mellomstykket 64 til øvre ende av ringkanalen 154 ved punkter umiddelbart under- flaten 136.

I øvre ende av hylsen 152 er der en forsenkning 158 i hvilken et flammestabilisereride strupeelement 160 er opptatt. Strupeelementets 160 plane' overside 162 ligger an mot den plane endeflate på kantpartiet 142 og danner nedre avgrensning av et lufttilførselskammer 1.32. Luft som tilføres gjennom ka-nalene 104A,104B og 13.0A, 130B til ringkammeret 132 strømmer innover gjennom virvelåpninger 144 inn i en antenningssone 164 som oventil avgrenses av den koniske dyseholderflate 140 og nedentil av den koniske overflate 166 på flammestabilisator-elementet 160. Strupeelementets 160 konvergerende flate 166 strekker seg til 5 cm diameter dyseåpning 168 og den divergerende overflate 170 danner en ekspansjonsovergang til det fo-rede forbrenningskammer 80. Flamme- og temperatur.følere styrer antenningssonen 164 og overfører signaler gjennom ledninger som strekker seg gjennom kanaler 128 og 122.

En av støpt aluminiumoksyd (A^O^) bestående, ildfast hylse 172 med 0,95 cm tykkelse er opptatt i forbrenningskammer-hylsen 152 og ligger an mot strupeelementets 160 underside, og en rekke bueformede, ildfaste segmenter 174 av aluminiumoksyd (Al^O^), hver av en lengde på 0,95 cm og med 120 grader vinkel-utstrekning. Buesegmentenes 174 innvendige overflater avgrenser en innervegg i forbrenningskammeret 80 som antydet i fig. 8. Hylsen 172 og rekken av buesegmenter 174 er festet i hylsen 152 ved hjelp av en overgangsring 176 som er sveiset til nedre ende av hylsen 152. Overgangsringen 176 har en sylindrisk overflate 178 med 10 cm diameter og en underside 180 som divergerer med en vinkel på 35 grader i forhold til systemets akse.. En rekke på åtte strålesprederkanaler 182, hver 0,76 mm i diameter, strekker seg gjennom ringen 176 fra kammeret- 154 til overflaten 180.

På samme måte er der til nedre ende av overgangsringen 176 fastsveiset en fordampningkammerhylse 184 (et rør av syrefast stål med 0,63 cm veggtykkelse, 96 cm langt, og 12,7 cm i diameter) som danner en fordampningssone 82. En rekke på to omkretsmessig rundtløpende rekker 186 av stråledyser 84 er festet i boringen gjennom hylsens 184 vegg, idet der er tre rundtlø-pende rekker (186-1 - 3) på åtte dyser hver (aksielt fordelt med ca. 5 cm innbyrdes avstand) (fig. 9), idet tre rundtløpende rekker (186-4 - 6) på seks dyser hver (aksielt fordelt med 5 cm innbyrdes avstand), og fire rundtløpende rekker (186-7 - 10) på fire dyser hver, (aksielt fordelt med ca. 10 cm innbyrdes avstand) langs fordampningssonens 82 aksielle lengde. Hver stråledyse 84 er av den hule koniske type og har en åpning på 0,76 mm diameter. Distansering 188 er sveiset til.hylsenes 150 og 184 endeflater og danner nedre ende av ringformet vanntil-førselskammer 154 i Et snitt gjennom fordampningssonen 82 er vist i fig. 10.

Detaljer ved en annen termisk forøkningsenhet 50' fremgår, av fig. 11 - 14, der elementer som motsvarer elementene i gene-ratorenheten 50 er angitt med et merket henvisningstall. Enheten 50' har rørformet koplingsstykke 64' sveiset til endeplate 200. De"øvre ender av ytterhylsen 150' (et syrefast stålrør med ca'. 1,25 cm veggtykkelse, ca. 15 cm. i y tterdiameter, og

200 cm i lengde) en indre overgangshylse 202 (et syrefast stål-rør på ca. 0,6 cm veggtykkelse og 12,5 cm ytterdiameter) er også sveiset til endeplaten 200 slik at der dannes en ringformet kanal 204 mellom disse hylser inn i hvilken vann innføres fra rør-ledning 441 ..

En flens 206 på et antenningssoneelement 208 er sveiset til nedre ende av overgangshylsen 202. Elementet 208 bærer en holder 124' i hvilken er fastskrudd en dyse 122' .og til hvilken fyringsolje tilføres gjennom rørledning 46'. Luftstrøm gjennom koplingsstykket 64' og åpningen 210 i endeplaten 200 strømmer inn i kammeret 212. En del av denne luft strømmer gjennom kanal 214 inn i dyseområdet'for utstrømning gjennom åpning 120' i en koaksial skjerm som omgir strålen av forstøvede brennstoffdråper fra dysen 122' inn i antenningssonen 164'. Luft strømmer også fra kammeret 212 gjennom virvelkanalene 144' inn i omkret-sen av antenningssonen 164'. Antenningssoneelementet har en flate 166' som konvergerer til en 5 cm diameter strupeåpning 168' og en nedre divergerende flate 170'. Signaler fra tempe-raturføler 216 overføres via ledning 218 til overflatebeliggende overvåkingsutstyr. Til undersiden av flensen 206 er fastsveiset øvre ende av hylse 152' (ét syrefast stålrør på ca. 0,63 cm veggtykkelse, 96 cm langt, og 12,7 cm ytterdiameter), En spiralformet kanal 154', 7,6 cm bred og 0,15 cm dyp, er utformet-i den ytre overflate og danner med 0,63 cm bred spiralkant 220 en spiralformet bane for■strømmende kjølemiddel. Ytterhylsen 150' er med press- eller krympepasning anordnet på innerhylsen 152', og vann strømmer fra rørledning 44' gjennom en kanal i endeplaten 200 til ringkanalen 204 mellom hylsen 150' og 202

og gjennom spiralbanen som avgrenses mellom hylsen 150' og 152' langs forbrenningssonens 80' lengde.

En overgangsring 176' er sveiset til nedre ende av hylsen 152', og en støttering 222 hviler på overgangsringen 176'. I hylsen 152' er der på støtteringen 222 opplagret en ildfast veggenhet 224 hvis øvre ende 226 strekker seg inn i utsparingen som avgrenses av antenningssoneelementets 208 ytterflate 228. Enheten 224 omfatter en syrefast stålhylse 230 (et rør på ca. 0,32 cm veggtykkelse og en ytterdiameter ca. 11 .cm) med et påsprøytet sirkoniumoksydbelégg 232 på sin ytterflate, en inner-hylse 234 av silisiumkarbid av stor renhetsgrad méd en inner-flate 236 på 7,6 cm diameter og. 1,25 cm veggtykkelse, og et mellomliggende område 238 (ca. 0,32 cm i tykkelse) fylt med støpt aluminiumoksydsement.

Ved fremstillingen av foringsenheten 224 plasseres hylsene 230 og 234 konsentrisk i en form, og den ildfaste blanding

(2200 deler Alumdun, 340 deler Melment mykner og 200 deler

vann) helles inn i rommet 238 mens formen vibreres slik at se-mentblandingen fyller hele rommet. Enheten tørkes ved romtemperatur i ca.24 timer og blir så brent: 80°C i seks timer, hvoretter temperaturen økes med en hastighet på 24°C pr. time til 496°C og holdes i fire timer, og avkjøles deretter med en hastighet på 38°'C pr. time til romtemperatur. Sementen binder hylsene 230 og 234 fast sammen. Hylsens 230 ytterflate har et sirkoniumoksydbelégg 232 (0,12 mm tykkelse) som gir en ytterdiameter for enheten 224 på ca. 11,38 cm.

Enheten 102- blir så innført i vannkappehylsen, idet der er en ringformet spalte (se fig. 14) på ca. 0,25 mm mellom foringsenhetens ytterflate 122 og innerflaten 124 til kjølekappekon-struksjohen ved omgivelsestemperatur.

En hylse 184' (lengde 84 cm) som bærer en rekke sprederdyser 84' er sveiset til undersiden av overgangsringen 176'.

En distansering 188' er sveiset til de nedre ender av hylsene 150' og 184' og danner nedre ende av et ringformet vannkammer 154' såvel som en utløpsåpning 86'.

Ved bruk festes dampgeneratorsystemet 30 til rørstrengen

34 og nedsenkes i borehull-foringsrøret 32. Etter at dampgene- sjonen som skal behandles,- som antydet i fig. 1 og 2, ansettes paknings-kilebeltet 38 og tetningen 40 hydraulisk, som ovenfor angitt, for å frembringe en avtettet trykksone som kommunise-rer med reservoaret 14 der systemet 30 er anordnet. Væskeformig brennstoff blir så ført gjennom ledningen 46 (46<*>) til dysen 122 (122') for forstøvning og innsprøyting i antenningssonen 164 (164') som vist i fig. 15. Samtidig innføres luft i støkiometrisk forhold gjennom kanalen 104 og 130 (åpning 210) til ringkammeret 132 (kammer 212) og strømmer gjennom virvelkanalene 144 (144') inn i antenningssonen 164 (164') for å danne en virvelstrøm. 250, og gjennom'åpning 214 inn i dysekam-mer for å strømme gjennom åpningen'120 (120') i en skjerm 252 rundt strålen 254 av forstøvede brennstoffdråper fra dysen 122 (122'). Brennstoffantenning skjer ved hjelp av en væske som reagerer spontant ved kontakt med annet stoff (f.eks. trietyl-boran) som innføres gjennom brennstoffledningen 46 (46') før brennstoffvæsken. Den spontantreagerende væske antennes i antenningssonen 164 (164') i nærvær av skjermen og virvelluft strømmer og antenner brennstoff/luft-blandingen.

Under forbrenningen av den antente brennstoff/luft-blanding strømmer den gjennom strupeinnretningen 168 (168') inn i den sterkt opprørte tilbakestrømningssone 256- (ved øvre ende

av den ildfaste foringshylse 172 (232)) som maksimaliserer forbrenningshastigheten ved øvre ende av forbrenningssonen 80 og deretter strømmer nedstrøms fra tilbakestrømningssonen 256 gjennom sonen 258 med fri virvelpluggstrømning der forbrenningen fullføres.

Etterhvert som forbrenningen skrider frem øker temperaturen til overflaten 236 av det monolittiske silisiumkarbidrør 234, hvilket forårsaker både aksiell og radiell utvidelse av foringsenheten 224 inntil foringsenhetens 224 ytterflate 240 kommer til anlegg mot kjølekappeenhetens innside 24 2. Den eks-panderende silisiumkarbid er under trykk og disse trykkrefter stabiliserer seg ved ca. halve verdien av tillatt trykkspenning i røret 234 på grunn av- kjølekappeenhetens tilbakeholdende innvirkning. Ved støkiometrisk forhold mellom luft og fyringsolje nr. 2 er forbrenningsprosesstemperaturen i sone 80' i størrelsesorden 2040°C og temperaturen i silisiumkarbidforingens overflate 236 er i størrelsesorden 1425°C. Med en fyringsrate på 1465 kW anvendes en kjølemiddelstrømningshastighet på 30 liter pr. minutt hvilket holder temperaturen på vannkappens innvendige. overflate 242 i størrelsesorden 205°C eller mindre. Med foringsenheten 224 stabilisert ved hjelp av kjølekappen, opptrer en temperaturgradient, som er skjematisk antydet i fig. 14, over foringskomponentene, idet temperaturgradienten for beleggmaterialet 232 er omtrent det dobbelte av gradienten for materialet 238, slik at store temperaturfall opptas over aluminiumoksyd-bindmaterialet 238 og det tynne sirkoniumoksyd-laget 232. Når forbrenningen er avsluttet forblir silisium-karbidhylsen 234 i trykktilstand mens systemet avkjøles slik .at det ikke utsettes for strekkrefter som ville forårsake brudd i det ildfaste materiale. Denne foringsenhet danner en fysisk stabil forbrenningskammeroverflate 236 som gir en langstrakt, høytemperatur veggforbrenningssone 80' der støkiometriske luft/ brennstoff-blandinger forbrennes fullstendig slik at forbren-ningsproduktstrømmene fra forbrenningssonen 80' er stort sett partikke.lfri og oksygenfri og slik at de gjentatte ganger kan sirkuleres gjennom brenneroperasjonsykluser (oppstarting og nedkjøling).

Vannstrømmen gjennom kjølekappekanalen 154 begrenser tempe-raturstigningen i den ildfaste foringsenhet idet temperaturgradienten reguleres ved hensiktsmessig valg av materialet innbefattende belegget 232 og bindemidlet 238. Kjølevannet som avgis fra forbrenningskammer-kjølekappen strømmer inn i fordamp-ningssonekanaleh og sprøytes i stråler 260 gjennom dyser 84 inn i strømmen av forbrenningsprodukter i fordampningssonen 82 (fig.

10 og 15) og går momentant over til damp hvoretter den resulterende blanding av damp og forbrenningsprodukter strømmer ut

gjennom utløpsåpningen 86 (86') for så å strømme inn iolje-reservoaret 14.

Diverse data for dette dampgeneratorsystem er angitt i følgende tabell:.

Injeksjonstrykk

Systemet leverer damp av 80 prosent kvalitet ved reservoartrykk opptil 20682 kPa i mengder på opptil 1400 fat pr. dag (ca.

223 m3) .'

Prøvekjøring av systemet vist i fig. 11 - 13 i 80 timer med fyringseffekter fra 293 - 1465 kw, ved bruk av en dyse av type Delavan Type A, hul konus, trykkforstøvning, 80 grader, 45,5 liter pr. minutt, fyringsolje nr. 2 og luft ved støkio-metrisk forhold ført gjennom systemet ved trykk på 689 - 3447 kPa overtrykk. Ved en annen prøvekjøring ved atmosfæretrykk med emulgert fyringsolje nr. 6 ved bruk av dyse av type Delavan Type SNA, luftforstøvning, og støkiometrisk luft/brennstoff-forhold arbeider systemet ved fyringseffekter på 37,5 kW

52,7 kW. Ved hvert forsøk inneholdt utstrømningen fra systemet mindre enn prosent oksygen og var stort sett.partikkelfri (i gjennomsnitt inneholdt utstrømningene mindre enn fem deler pr. million av partikler større enn 2 ym).

Forbedrede varmebehandlingsprosesser og apparater ifølge oppfinnelsen for bruk nede i borehull er istand til å arbeide

i lang tid over et bredt område av fyringseffekter og reservoartrykk. Apparatet er av kompakt konstruksjon og egnet for bruk i forbindelse med konvensjonelt olje-feltutstyr, og oppfinnelsen innebærer betydelige tids- og kostnadsbesparelser sammen-liknet med damp som produseres på overflaten for utvinning av tungolje fra dype reservoarer såvel som andre prosesser for utvinning av resurser fra geologiske undergrunnsformasjoner.

Selv bm spesielle utføringsformer av oppfinnelsen er vist og beskrevet, vil fagmenn på området kunne innse forskjellige modifikasjoner, og det er derfor ikke meningen at oppfinnelsen skal begrenses til de viste utføringsformer eller til detaljer ved disse, og avvik fra dette kan utføres innenfor oppfinnelses-tanken og' dens ramme.

Claims (22)

1. Varmebehandlingsapparat for anvendelse i borehull,karakterisert vedat den omfatter en forbrennings-trinnanordning med. en antenningssoneanordning hvor en blanding av væskeformig .brennstoff og en oksydant antennes samt en ned-strøms forbrenningssoheanordning av tilstrekkelig lengde for fullstendig forbrenning av brennstoff/oksydant-blandingen, en væskeinjeksjonstrinn-anordning nedstrøms av forbrenningstrinnanordningen gjennom hvilken forbrenningsprodukter med høy temperatur strømmer fra forbrenningstrinnanordningen, og en innretning for" sprøyting av en væske som skal fordampes inn 'i injek-sjonstrinnanordningen slik at forbrenningsprodukter og fordampet væske strømmer ut i undergrunnsformasjonen som skal behandles-.

2. Apparat ifølge krav 1 ,karakterisert vedat forbrenningstrinnanordningen innbefatter et langstrakt forbren-ningssonekammer med en lengde minst fem ganger dets tverrsnittsdimensjon, og,at væskeinjeksjonstrinn-anordningen innbefatter et langstrakt rørformet kammer av samme dimensjon innrettet aksielt på linje med forbrenningssonekammeret.

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2,karakterisert"ved at sprøyteinnretningen innbefatter en rekke sprederdyser i veggen til fordampningssonekammeret for innsprøyting av væske i fordampningssonekammeret for samvirke med strømmen av forbrenningsprodukter fra forbrenningssonekammeret.

4. Apparat ifølge et av de foregående krav,karakterisert vedat der er anordnet en pakningsanordning nær forbrenningstrinnanordningen for tettende inngrep med den om-sluttende vegg i brønnen der apparatet er plassert, hvilken pakningsanordning har gjennomgående kanaler for tilføring av brennstoff, oksydant, og væske til komponenter nedstrøms av pakningsanordningen.

5. Apparat ifølge et av de foregående krav,karakterisert vedat forbrenningstrinnanordningen innbefatter en foring av ildfast materiale, og en ringformet væskestrømnings-kanal som omgir forbrenningskammerforingen.

6. Apparat ifølge et av de'foregående krav,karakterisert vedat antenningssoneanordningen innbefatter en forstøvningsdyse for innsprøyting av en kjegle av forstøvet, væskeformig brennstoff inn i antenningssonen, og en virvel kanalkonstruksjon for innføring av en gassformig oksydant i antenningssonen for sammenblandin<g>, med brennstoffet.

7. Apparat ifølge krav 6,karakterisert vedat antenningssonekonstruksjonen innbefatter en konvergerendedivergerende, flammestabiliserende .strupeanordning nedstrøms av forstøvningsdysen.

8. Apparat ifølge et av de foregående krav,karakterisert vedat det omfatter en felles, langstrakt hylse i hvilken forbrenningstrinn- og væskeinjeksjonstrinn-anordningene er opptatt aksielt på linje med en ringformet kanal som strekker seg langs lengden av begge anordningene for tilføring av væske til sprøyteinnretningen, hvilken hylse har en ytterdiameter som er mindre enn innerdiameteren til brønn-forings-røret i hvilket apparatet skal anvendes.

9. Apparat ifølge et av dé foregående krav,karakterisert vedat forbrenningstrinnanordningen innbefatter en rørformet kjølekappeenhet, en rørformet forbrenningskammerenhet anordnet i kjølekappeenheten, hvilken forbrenningskammér-enhet omfatter et monolittisk rør av ildfast materiale med en innvendig overflate som avgrenser en forbrenningssone, en forsterkningshylse som omgir røret og strekker seg i rørets lengde, idet forbrenningskammerenhetens utvendige overflate er anordnet med en avstand mindre enn en millimeter fra kjølekappeenhetens innvendige overflate i "standby"-tilstand, hvilken forbrenningskammerenhet gir tilstrekkelig oppholdstid for fullstendig forbrenning av brennstoff/oksydant-blandingen i forbrenningskammerenheten , slik at strømmen av forbrenningsprodukter som avgis fra enden av forbrenningskammerenheten lengst fra antenningssoneanordningen er stort sett partikkelfri.

10. Brennerapparat omfattende en rørformet kjølekappeenhet, en rørformet forbrenningskammerenhet som'er anordnet i kjølekappe-enheten, og en antenningssoneanordning ved en ende av forbrenningskammerenheten for innføring av en antent brennstoff/ oksydant-blanding i forbrenningskammerenheten,karakterisert vedat forbrenningskammerenheten innbefatter et monolittisk rør av ildfast materiale' med en innvendig overflate som avgrenser en forbrenningssone, en forsterkningshylse som omgir røret og strekker seg i rørets lengde, at forbrenningskammerenhetens utvendige overflate er anordnet med en avstand på mindre enn 1 mm fra kjølekappeenhetens innvendige overflate i "stanby"-tilstand, at forbrenningskammerenheten gir tilstrekkelig oppholdstid for fullstendig forbrenning av brennstoff/oksydant-blandingen i forbrenningskammerenheten, slik at strømmen av forbrenningsprodukter som avgis fra enden av forbrenningskammerenheten lengst fra antenningssoneanordningen er stort sett partikkelfri.

11. Apparat ifølge krav 9 eller 10,karakterisertved at material- og dimensjonsparametrene til forbrenningskammerenheten er slik at det ildfaste materiale er trykkbelas-tet under systemets totale arbeidsforløp innbefattende både oppstartings- og .nedkjølingstrinn.

12. Apparat ifølge et av kravene-9 -11,karakterisert vedat forbrenningskammerenheten innbefatter materiale som forbinder hylsen med det ildfaste rør og har en temperaturgradient vesentlig større enn temperaturgradienten til både det ildfaste materiale og forsterkningshyIsen.

13. Apparat ifølge et av kravene 9- 12,karakteri-, sert ved at materialet i det ildfaste rør er en silisium-forbindelse.

14. Apparat ifølge et av kravene 9-13,karakterisert vedat forsterkningshylsen har et varmeisolerende belegg på sin utside.

15. Apparat ifølge et av kravene 9-14,karakterisert vedat forsterkningshylsen er av en varmebestandig metallegering, at det monolittiske rør er av støpt silisiumkarbid og at bindematerialet innbefatter aluminiumoksyd.

16. ■ Fremgangsmåte for utvinning av hydrokarbonmaterialer og liknende fra. geologiske undergrunnsformasjoner omfattende anbringelse av en forbrenningskammerkonstruksjon i et borehull ved den geologiske undergrunnsformasjon som skal behandles, innføring av oksydant og væskeformig brensel i borehullet til forbrenningskammerkonstruksjohen,karakterisertved at en brennstoff/oksydant-blanding ved eller lavere enn støkiometrisk forhold antennes i konstruksjonen nede i borehullet, og at den brennende oksydant/brennstoff-blanding ledes gjennom forbrenningskammerkonstruksjonen med en slik. strømnings-hastighet at den brennende blanding forblir i kammeret inntil tilnærmet fullstendig forbrenning har funnet sted, og at den resulterende, stort sett partikkelfrie, oksygenfrie strøm av forbrenningsprodukter ledes fra forbrenningskammeret for inn-strømning i' den geologiske undergrunnsf ormas jon som skal behandles.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 16,karakterisertved at forbrenningskammerkonstruksjonens vegg som avgrenser forbrenningssonen holdes på en temperatur høyere enn 1100°C under ' forbrenningsprosessen..

18. Fremgangsmåte ifølge krav 16 eller 17,karakterisert vedat der frembringes en sone der oksydant strømmer i tvungen virvel i antenningsområdet og en sterkt opprørt tilbake-strømningssone nedstrøms av den tvungne virvelsbne ved øvre ende av forbrenningskammeret for øking av forbrenningshastigheten.

19. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 16-18,karakterisert vedat den resulterende strøm av forbrenningsprodukter ledes gjennom en fordampningssone mens væske injiseres i strømmen av forbenningsprodukter slik at den resulterende blanding av forbrenningsprodukter og fordampet væske avgis til undergrunnsformasjonen som skal behandles.

20. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 16-19, k a, r ak - terisert ved at oksydanten er luft, at brennstoffet er væskeformig fyringsolje og at væsken er vann.

21. Fremgangsmåte ifølge krav 20,karakterisertved at luft/brennstoff-blandingen brennes ved et trykk i forbrenningssonen på minst ca. 3447 kPa og ved en fyringseffekt på minst ca. 733 kW.

22. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 19-21,karakterisert vedat forbrenningssonen har en lengde på minst fem ganger sin tverrsnittsdimensjon, og at fordampningssonen • ligger aksielt på linje med forbrenningssonen.