一种用于超深井下稠油热采的超临界水热燃烧型蒸汽发生器
技术领域
本发明属于稠油开采与超临界水技术领域，涉及一种蒸汽发生器，特别涉及一种用于超深井下稠油热采的超临界水热燃烧型蒸汽发生器。
背景技术
超临界水(Supercritical Water，简称SCW)是指温度和压力均高于其临界点(T＝374.15℃，P＝22.12MPa)的特殊状态的水。在该状态下，水中只有少量的氢键存在，介电常数近似于有机溶剂，具有低的粘度和高的扩散系数。使有机物、氧气能按任意比例与超临界水互溶，从而使非均相反应变为均相反应，大大减少了物质之间的传质、传热阻力。
超临界水热燃烧(Supercritical Hydrothermal Combustion，简称SCHC)技术就是指燃料与氧化剂在超临界水环境中发生剧烈氧化反应，产生水热火焰(HydrothermalFlame)的一种新型燃烧方式，与常规燃烧技术相比，超临界水热燃烧技术具有燃烧核心温度较低，反应产物清洁，反应器很小等显著的优越性。
目前油田稠油的开采方法主要是在地面利用注汽锅炉产生蒸汽，注入井下结合蒸汽吞吐、蒸汽驱和蒸汽辅助重力泄油三种稠油热采技术开采稠油，以上方式主要存在以下瓶颈：地面蒸汽发生器占地面积大，无法布置于空间受限的海上石油开采平台，限制了海上稠油的开采；热损失大。地面蒸汽发生器的排烟损失约20％，地面输气管线热损失约15％，注入井筒热损失每千米约10％，整体热效率低；注气锅炉不可避免产生包含SOx与NOx的排烟会造成环境的污染；可采油藏深度受限，已发现的稠油油藏中，储层深度大于1700m的稠油储量约占已探明储量的40％。除蒸汽吞吐的应用深度达到1800米，采收率较高的蒸汽驱和蒸汽辅助重力泄油技术主要应用深度在1200米以内的油藏中。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，解决现有注气锅炉产蒸汽开采稠油技术存在的巨大热损失、环境污染、开采成本高于开采深度有限等问题，本发明的目的在于提供一种用于超深井下稠油热采的超临界水热燃烧型蒸汽发生器，可直接在井下进行点火燃烧产生蒸汽与二氧化碳，降低常规地面产生蒸汽运输等热损失造成的高额成本，且反应器相对注气锅炉很小可降低大量材料成本及土地成本，并能实现压力自动调节成井下稠油热采所需的压力，还可避免注气锅炉排烟造成的环境污染，最终实现常规技术无法开采的超深油藏资源的开采工作。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于超深井下稠油热采的超临界水热燃烧型蒸汽发生器，包括依次连接装配的发生器头部18、发生器上部19和发生器下部25，所述发生器头部18为端盖结构，其上设置有喷嘴口5，喷嘴口5中装有贯穿发生器头部18的喷嘴，所述喷嘴包括喷嘴内胆3、喷嘴外壳4和点火棒1，喷嘴内胆3侧壁开有一次燃料入口2，底端开有若干雾化喷口，点火棒1内插入喷嘴内胆3，喷嘴外壳4上部设有一次氧化剂入口15，喷嘴外壳4下方外部为喷嘴单螺旋结构。
所述发生器上部19的内部区域由上方的一次燃烧室10和下方的二次燃烧室11通过喉口组件23连通构成，二次燃烧室11的下方连接位于发生器下部25的喷头13，其中所述雾化喷口和喷嘴单螺旋结构均处于一次燃烧室10的上部。
所述发生器头部18上设有与一次燃烧室10连通的测压口一7、火焰检测口6和测温口一16，所述发生器上部19或发生器下部25设置有连通二次燃烧室11的测温口二24，所述发生器下部25设置有连通喷头13下方区域的测压口二14和测温口三26。
所述的喷头13上开有若干与水平面成45-80°的斜向下的喷口。
所述一次燃烧室10由耐火组件20环绕而成，所述的耐火组件20材料包括但不限于碳化硅、金属陶瓷、氮化硅等市面上可购买的一种或多种无机金属或非金属材料。
所述发生器上部19的侧壁设有二次燃料/氧化剂双通道22，所述发生器头部18上设有与二次燃料/氧化剂双通道22连通的二次燃料入口8和二次氧化剂入口17，所述二次燃料/氧化剂双通道22下端向内开有若干排倾斜向下的与二次燃烧室11连通的二次燃料/氧化剂混合出孔。
所述喷头13设置在发生器下部25内，所述发生器上部19的侧壁设有冷却水上通道21，冷却水上通道21位于二次燃料/氧化剂双通道22外侧，所述发生器头部18上设有与冷却水上通道21连通的冷却水入口9，所述发生器下部25的上方侧壁设有与冷却水上通道21相连通的冷却水下通道12，所述冷却水下通道12下方开有连接喷头13的冷却水出口。
所述二次燃料/氧化剂双通道22为双螺旋下降结构，所述冷却水上通道21和冷却水下通道12为单螺旋下降结构。
所述二次燃料/氧化剂双通道22、冷却水上通道21和冷却水下通道12的螺旋平面均与水平面成10-45°，所述二次燃料/氧化剂混合出孔与水平面成45-80°。
所述发生器下部25底端整体为收缩喷管结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明公开的一种用于超深井下稠油热采的超临界水热燃烧型蒸汽发生器，在井下利用超临界水热燃烧技术产生蒸汽可以避免蒸汽锅炉的排烟与输汽管线所产生的45％以上的热损失，提高了整体的热效率，且该装置结构紧凑小巧，能够放置井下，使得产生蒸汽的过程不必在地面上使用庞大的注气锅炉产生，有效降低了投资成本和土地成本，从而提高了系统的经济性。
(2)本发明公开的一种用于超深井下稠油热采的超临界水热燃烧型蒸汽发生器，在井下利用超临界水热燃烧技术产生蒸汽，产物全部注入井下，不会往大气中排放注气锅炉不可避免的有毒排烟SOx以及NOx，保护了环境。
(3)本发明公开的一种用于超深井下稠油热采的超临界水热燃烧型蒸汽发生器，不受井深限制，可用于常规采油工艺难以利用的深层油藏、超深层油藏以及海上油藏，提高了油田油藏的使用率。
因此，本发明公开的一种用于超深井下稠油热采的超临界水热燃烧型蒸汽发生器，降低了稠油开采成本、提高热量利用效率、减少了污染物的排放、不受开采井深限制、实现了深层及海上油藏的高效开采。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
其中，1为点火棒，2为一次燃料入口，3为喷嘴内胆，4为喷嘴外壳，5为喷嘴口，6为火焰检测器口，7为测压口，8为二次燃料入口，9为冷却水入口，10为一次燃烧室，11为二次燃烧室，12为冷却水下通道，13为喷头，14为测压口，15为一次氧化剂入口，16为测温口，17为二次氧化剂入口，18为发生器头部，19为发生器上部，20为耐火材料，21为冷却水上通道，22为二次燃料/氧化剂双通道，23为喉口组件，24为测温口，25为发生器下部，26为测温口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，一种用于超深井下稠油热采的超临界水热燃烧型蒸汽发生器，其主体部分包括依次连接装配的发生器头部18、发生器上部19和发生器下部25，其中，发生器上部19的内部为主要反应区，可由上方的一次燃烧室10和下方的二次燃烧室11通过喉口组件23连通构成，一次燃烧室10可由耐火组件20环绕而成，耐火组件20材料包括但不限于碳化硅、金属陶瓷、氮化硅等市面上可购买的一种或多种无机金属或非金属材料。发生器下部25可内设喷头13，喷头13上开有若干与水平面成45-80°的斜向下的喷口，发生器下部25底端整体可为收缩喷管结构。
发生器头部18为本发明的重要结构，采取端盖形式，其上的核心结构为嘴口5，喷嘴口5中装有纵向贯穿发生器头部18伸入至主要反应区(在分为一次燃烧室10和二次燃烧室11时，则伸入至一次燃烧室10)的喷嘴。其中嘴口5最好能够设置在发生器头部18的中央位置，喷嘴包括喷嘴内胆3、喷嘴外壳4和点火棒1，喷嘴内胆3侧壁开有一次燃料入口2，底端开有若干雾化喷口，点火棒1内插入喷嘴内胆3，喷嘴外壳4上部设有一次氧化剂入口15，喷嘴外壳4下方外部为喷嘴单螺旋结构。二次燃烧室11的下方连接位于发生器下部25的喷头13，其中雾化喷口和喷嘴单螺旋结构均处于主要反应区的上部(在分为一次燃烧室10和二次燃烧室11时，则处于一次燃烧室10的上部)。
发生器上部19的侧壁可设有二次燃料/氧化剂双通道22，二次燃料/氧化剂双通道22可为双螺旋下降结构，螺旋平面与水平面成10-45°，与此同时发生器头部18上设有与二次燃料/氧化剂双通道22连通的二次燃料入口8和二次氧化剂入口17，二次燃料/氧化剂双通道22下端向内开有若干排倾斜向下的与二次燃烧室11连通的二次燃料/氧化剂混合出孔，该出孔与水平面成45-80°。
进一步地，发生器上部19的侧壁设有冷却水上通道21，冷却水上通道21位于二次燃料/氧化剂双通道22外侧，发生器头部18上设有与冷却水上通道21连通的冷却水入口9，发生器下部25的上方侧壁设有与冷却水上通道21以竖直孔相连通的冷却水下通道12，冷却水下通道12下方开有连接喷头13的冷却水出口。冷却水上通道21和冷却水下通道12均可为单螺旋下降结构，螺旋平面均与水平面成10-45°。
进一步地，本发明还包括了一些实现监测的手段，即，在发生器头部18上设有与一次燃烧室10连通的测压口一7、火焰检测口6和测温口一16，发生器上部19或发生器下部25设置有连通二次燃烧室11的测温口二24，发生器下部25设置有连通喷头13下方区域的测压口二14和测温口三26，从而实现对相应部分的压力与温度的监测。
根据以上结构，本发明的工艺流程如下：
超临界压力下的一定浓度的燃料水溶液经一次燃料入口2进入喷嘴内胆3，经过加热棒1加热后通过底端的雾化喷嘴喷入一次燃烧室10；超临界压力下的氧化剂通过一次氧化剂入口15进入喷嘴外壳4与喷嘴内胆3的环腔内经过下部的螺旋通道起旋进入一次燃烧室10与一次燃料混合点燃并稳定燃烧，反应的高温产物通过喉口组件23，进入二次燃烧室11。
另一股超临界压力下的一定浓度的燃料水溶液通过二次燃料入口8进入双螺旋的二次燃料/氧化剂双通道22，另一股超临界压力下的氧化剂通过二次氧化剂入口17进入二次燃料/氧化剂双通道22，两股流体通过经过不同层的螺旋通道流至二次燃料/氧化剂双通道22的下端，两股流体通过二次燃料/氧化剂混合出孔流入二次燃烧室11进行二次燃烧，反应产物通过喷头13上的倾斜向下的喷口喷入发生器下部25内。
一股超临界压力下的冷却水，通过冷却水入口9进入单螺旋的冷却水上通道21，通过单螺旋往下流，并通过冷却水下通道12开的若干竖直孔流入冷却水下通道的单螺旋通道，随后进入发生器下部25内与反应产物混合，随后混合物通过收缩喷口流出蒸汽发生器。
综上，本发明公开了一种用于超深井下稠油热采的超临界水热燃烧型蒸汽发生器，包括发生器头部、发生器上部和发生器下部三部分。发生器头部上装有保证超临界水热燃烧反应发生的电加热棒；发生器上部包括一次燃烧室与二次燃烧室以保证燃料与氧化剂的充分超临界水热燃烧反应；发生器下部的喷头与渐缩口保证了反应产物的参数符合油田稠油开采的要求；发生器内的冷却水用于保证发生器不超温以保护发生器安全运行。本装置降低了稠油开采成本，提高热量利用效率，阻止了污染物的排放，实现了深层及海上油藏的高效开采。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
