燃烧热发生器和用于增强的油开采的系统和方法与流程

燃烧热发生器和用于增强的油开采的系统和方法相关申请的交叉引用本专利申请要求于2010年11月22日提交的美国临时申请第61/415,892号的权益，该临时申请以其整体通过引用并入本文。背景本发明大体上涉及用于燃烧的装置、系统和方法，包括但不限于例如用于在烃生产中并且特别地从地下烃形成层（hydrocarbonformation）增强生产重烃的用于产生蒸汽的装置、系统和方法。油田的开发通常在三个阶段中发生。油田开发的第一阶段是一次开采。在一次开采期间，一个或多个洞被从表面向下钻入烃储层中。在地下烃储层中存在的压力把烃推动经过井眼至表面。一次开采继续，直到烃储层中的压力不足以把烃推动经过井眼至表面。典型地，储层中的最初的油的仅百分之5至百分之15可以在一次开采阶段期间被开采。油田开发的第二阶段是二次开采。在二次开采期间，各种技术可以用于从具有耗尽的压力的储层开采烃。一种技术被称为储层充溢，涉及注射流体例如水以增加储层压力，以把烃推动经过井眼至表面。一种可选择的技术被称为气举，涉及注射气体例如二氧化碳以减少井眼中的流体的总体的密度。地层压力然后足以把较小密度的流体推动经过井眼。有时，泵可以用于把油从烃储层提取至表面。典型地，储层的最初的油的仅百分之20至百分之40可以通过一次开采和二次开采来提取。油田开发的第三阶段是三次开采，也被称为增强的油开采（EOR）。在二次开采之后，烃的大的百分数保持被捕获在储层中。在EOR期间，各种方法被用于增加油的移动性以增加提取。EOR的最普遍的方法是蒸汽注射。典型地，蒸汽使用在表面的蒸汽发生器来生产，其经常是热电厂的 一部分。蒸汽然后经过井眼注射入储层中，在储层中蒸汽加热油，由此减少其粘度并且使其更容易提取。目前的基于蒸汽的油开采方法由于热和压力损失仅对于约2,500英尺有效。表面蒸汽生产还非期望地产生很大的温室气体排放。一种可选择的EOR方法是二氧化碳充溢，其中二氧化碳被注射入油储层中，在储层中二氧化碳与油混合，减少其粘度并且使其更容易提取。二氧化碳充溢在比2,000英尺深的储层中是特别地有效的，其中二氧化碳在超临界状态中。其他可选择的EOR方法包括注射减小粘度并且改进向烃储层中的流动的流体。这些流体可以包括与油可混合的气体、空气、氧气、聚合物溶液、凝胶、表面活性剂-聚合物制剂、碱-表面活性剂-聚合物制剂、或微生物制剂。目前的EOR的方法典型地允许储层的油的仅另外的百分之5至百分之15被开采。可开采的烃的量由多个因素决定，包括储层的深度、岩石的渗透性、以及天然驱动的强度，例如气体压力、来自毗邻的水的压力、或重力。一个重要的因素是储层中的烃的粘度。烃的粘度的范围广泛地从轻的至重的。较轻的油典型地导致较高的提取率。在另一个方面，重油、沥青和甲烷水合物是高粘度的或固体的，并且几乎不可能使用常规的油生产方法提取。重油典型地被分类为具有约10至约20的API比重和大于约100cP的粘度的油。沥青是典型地具有小于约10的API和大于约10,000cP的粘度的半固体或固体烃物质。甲烷水合物是甲烷的被捕获在水的晶体结构内的固体形式。加热甲烷水合物可以从其的晶格结构释放气态的甲烷。在陆上2,500英尺下方和在离岸的全深度的重油和沥青储层不能够使用目前的蒸汽技术来生产。根据国家石油和能源研究协会（NIPER）研究，在美国剩余的重油储量的680亿桶的多于一半在2,500英尺下方。ATechnical,Economic,andLegalAssessmentofNorthAmericanHeavyOil,OilSands,andOilShaleResources，美国能源部，http://fossil.energy.gov/programs/oilgas/publications/oilshale/HeavyOilLowRes.pdf。如果美国和加拿大的重油和油砂沉积物的一半被出售，那么它们单独地可以满足两个国家的对于原油的当前的需求多于150年。America’sOil Shale:ARoadmapforFederalDecisionMaking，美国能源部，http://fossil.energy.gov/programs/reserves/npr/publications/oil_shale_roadmap.pdf。据此，将是高度地期望的是，提供用于增强的从地下烃形成层生产烃的装置、系统和方法。将是特别地期望的是，提供用于重油、沥青和/或甲烷水合物沉积物（尤其是在大于2,500英尺的深度处）的提取的装置、系统和方法。美国专利第4,604,988号和第7,780,152号公开了为了通过提供井下蒸汽发生器解决这个问题的努力。然而，需要改进，以提供更高效率的、可靠的、和/或在长期连续使用中耐久的燃烧装置。概述在一个方面，提供了用于燃烧蒸汽发生的设备。在一个实施方案中，装置包括：燃烧室，其具有入口端和出口端；歧管外壳，其被连接于入口端并且被配置为把燃料和氧化剂引入燃烧室中；外套管，其界定在外套管的内表面和燃烧室的外表面之间的冷却剂室；以及多个收缩冷却剂入口，其用于把来自冷却剂室的冷却剂在燃烧室的出口端处或附近引导入燃烧室中，其中所述多个收缩冷却剂入口被径向地布置在燃烧室周围。所述多个收缩冷却剂入口可以被配置为由被引导入燃烧室中的冷却剂产生收缩-扩张喷嘴（converging-divergingnozzle）。设备还可以包括被定位为与燃烧室的出口端流体连通的离开部火焰扩散器（exitflamediffuser）。设备优选地被按尺寸制造以装配在工业标准井套管内和/或被按尺寸制造以穿过在水平井中使用的标准转弯弯曲部（turnsweep）。在另一个方面，提供了用于从油形成层提取油的系统和方法，包括：第一井眼，其用于把蒸汽和/或其他热气体传送至烃储层（hydrocarbonreservoir）；以及先进的燃烧热发生器装置，其中设备可以在井下定位在第一井眼中。装置可以在大于2,500英尺的深度处定位在第一井眼中。系统可以包括用于从烃储层提取烃的第二井眼。在一个另外的方面，提供了用于生产蒸汽的方法。方法可以包括：把燃料和氧化剂引入燃烧室的入口端中；使燃烧室中的燃料和氧化剂燃烧以产生燃烧产物；使水在燃烧室的入口端处或附近流入被界定在外套管和燃烧室的外表面之间的冷却剂室中；使水从冷却剂室流动经过被径向地布置在燃烧室周围的多个收缩冷却剂入口并且在燃烧室的出口端处或附近进入燃烧室中，使得水形成燃烧产物流动经过的收缩-扩张喷嘴，水被燃烧产物加热以形成蒸汽。在还另一个方面，提供了用于从烃形成层提取烃的方法。方法可以包括：把具有燃烧室的设备配置入井眼中；把燃料和氧化剂引入燃烧室的入口端中；使燃烧室中的燃料和氧化剂燃烧以产生燃烧产物；使水在燃烧室的入口端处或附近流入被界定在外套管和燃烧室的外表面之间的冷却剂室中；使水从冷却剂室流动经过被径向地布置在燃烧室周围的多个收缩冷却剂入口并且在燃烧室的出口端处或附近进入燃烧室中，使得水形成燃烧产物流动经过的收缩-扩张喷嘴的喉部，水被燃烧产物加热以形成蒸汽；把燃烧产物和/或蒸汽注射入烃形成层中；以及从烃形成层提取烃。在一个变化形式中，具有燃烧室的设备被配置入井眼中在表面下方至少2,500ft的深度处。在又一个方面，提供了用于形成收缩-扩张喷嘴的方法。方法可以包括：使燃料和氧化剂在圆柱形燃烧室中燃烧以形成燃烧产物；以及经过被径向地布置在圆柱形燃烧室周围的多个水入口将水注射入圆柱形燃烧室的后端部中。在一个特别的实施方案中，当燃烧产物收缩时燃烧产物的流速加速至音速。在还另一个方面，提供了收缩-扩张喷嘴装置，其包括：长形的环形管，其具有界定流动通道的管壁；以及喷嘴，其至少部分地被定位在长形的环形管内，喷嘴具有收缩部分、喉部和扩张部分，其中喷嘴由流动经过管的气体和流动穿过被径向地布置为围绕管壁并且延伸穿过管壁的多个孔的液体形成，每个孔的纵向轴线以与气体的流动的方向成一定角度延伸。附图简述图1是描绘如本文描述的用于燃烧蒸汽发生的设备的一个实施方案的平面图，其中一部分被切去。图2是如本文描述的用于燃烧蒸汽发生的设备的实施方案的横截面图。图3是如本文描述的用于蒸汽发生的燃烧设备的实施方案的分解图。图4是如本文描述的用于燃烧蒸汽发生的设备的歧管外壳的一个实施方案的外部端部部分的透视图。（仅歧管外壳被示出；其他部件为了清晰性而被省略。）图5是图4的歧管外壳的相对侧的透视图。图6是图示了跨过根据本公开内容的一个实施方案的收缩-扩张喷嘴的温度曲线、压力曲线和速度曲线的图。图7是用于蒸汽发生的燃烧设备的实施方案的一部分的特写透视图，其中外套管被省略以揭示燃烧室的外部和多个收缩冷却剂入口。图8是根据如本文描述的用于燃烧蒸汽发生的设备的一个实施方案的燃烧室的出口端部分的透视图。图9是图示了根据本文描述的系统和方法的一个实施方案的用于从油形成层提取油的系统的示意图。图10是图示了根据本文描述的系统和方法的另一个实施方案的用于从油形成层提取油的系统的示意图。图11是图示了在变化的井深度使用蒸汽注射所生产的油的每桶成本的图。图12是如本文描述的收缩-扩张喷嘴装置的实施方案的横截面图。详细描述本装置、系统和方法可以通过参照以下的本发明的优选的实施方案的详细描述以及通过参照附图来更容易地理解，在附图中相同的数字在所有的单独的视图中指示相同的要素。提供了用于生产蒸汽的装置、系统和方法，其包括燃烧设备的改进的设计，该设计把冷却剂引入燃烧室的出口端部分中以便以有利的方式把冷却剂与燃烧产物气体合并，以高效率地生产高速度的高品质的蒸汽。设计有益地可以使冷却剂形成收缩-扩张喷嘴，该收缩-扩张喷嘴与经受连续使用的固体喷嘴不同，将不磨损（因为水形成的喷嘴的水正在被连续地更换）。这在耐久性和商业可行性方面是很大的优势。在一个优选的实施方案中，本蒸汽发生装置和系统有利地是在一个延长的时段内持续不断地或连续地可操作的，例如几日、几个月或甚至几年。在其他可能的用途中，这些装置、系统和方法对于增强从烃储层或烃形成层提取烃来说是特别有用的。装置可以被放置在井下在井套管中以在烃形成层的界面处生产蒸汽，由此高效率地把蒸汽、二氧化碳和其他燃烧气体传送至烃形成层同时最小化表面损失。这些装置、系统和方法对于移出和流化在被认为是干燥的（不经济的、最小生产性的或非生产性的）或是通过任何其他现有技术不可开采的现有油井中的油来说还是有用的。这些装置、系统和方法对于重油、沥青和/或甲烷水合物沉积物的提取来说是特别有用的。如本文所使用的，“重油”是具有约10至约20的API比重和大于约100cP的粘度的高度粘性的油。如本文所使用的，“沥青”是具有小于约10的API和大于约10,000cP的粘度的半固体或固体烃物质。本发明的装置、系统和方法不具有深度限制并且对于包括在大于2,500英尺的深度的所有深度的烃的提取来说可以是有用的。装置、系统和方法可以在陆上或离岸使用。I.燃烧设备/蒸汽发生器在一个实施方案中，提供用于燃烧蒸汽发生的设备，其包括：（a）燃烧室，其具有入口端和出口端；（b）歧管外壳，其被连接于燃烧室的入口端并且被配置为把燃料和氧化剂引入燃烧室中；（c）外套管，其界定在外套管的内表面和燃烧室的外表面之间的冷却剂室；以及（d）多个收缩冷却剂入口，其用于把冷却剂从冷却剂室引导入燃烧室中。在某些实施方案中，多个收缩冷却剂入口可以被配置为由被引导入燃烧室中的冷却剂产生收缩-扩张喷嘴。这样的设备或装置可以在本文中被称为先进的燃烧热发生 器（“ACTG”）装置。如图1中所示的，ACTG装置10在形状上是大体上圆柱形的。ACTG装置10包括外套管11、歧管外壳12和离开部火焰扩散器13。外套管11、歧管外壳12和离开部火焰扩散器13被组装并且共同地形成ACTG装置10的外部分。歧管外壳12可以以任何合适的方式连接于外套管11。在一个实施方案中，歧管外壳12包括有螺纹的部分，该有螺纹的部分与外套管11的有螺纹的内部分旋接在一起以形成气密且流体密封的密封部。离开部火焰扩散器13也可以以任何合适的方式连接于外套管11。在所示出的实施方案中，外套管11的后端部通过径向地布置在外套管11的后端部周围的多个螺钉14连接于离开部火焰扩散器13。螺钉与离开部火焰扩散器13中的有螺纹的洞接合，由此产生在外套管11和离开部火焰扩散器13之间的气密且流体密封的密封部。ACTG装置10的歧管外壳12被连接于控制管线15，控制管线15把ACTG装置10连接于表面（在地面上方）。控制管线15可选择地可以是由装甲电线钢脐带电缆制造的盘绕的管道控制管线。控制管线15包括燃料管线16、氧化剂管线17和冷却剂管线18。燃料管线16、氧化剂管线17和冷却剂管线18分别地被连接于燃料源和氧化剂源以及冷却剂源，燃料源和氧化剂源以及冷却剂源可以被定位在表面处。在一个实施方案中，燃料管线16、氧化剂管线17和冷却剂管线18是一英寸不锈钢管。控制管线可选择地还可以包括一个或多个电力管线和数据管线。控制管线可选择地还可以包括用于润滑剂或其他各种各样需要的一个或多个管线。ACTG装置10是紧凑的并且可以形成所需尺寸以用于放置在井下在油井的井眼中。ACTG装置10可以在竖直井和水平井二者中使用。ACTG装置10可以被按尺寸制造以适应工业标准井套管。井套管是通常在长度上为20至40英尺的高强度钢管。井套管被旋接在一起以组成套管柱并且被插入井眼的钻孔中。典型地，井套管使用水泥来保持在适当位置。工业标准油井套管包括但不限于标准的5英寸、6英寸和7英寸套管。ACTG装置10还可以是足够地紧凑的，以容纳在水平井中使用的标准转弯弯曲部，水平井例如在蒸汽辅助的重力排水中使用的水平井（见图9，在下文 描述）。蒸汽辅助的重力排水是一种增强的油开采技术，其中一对水平井被钻入油储层中。水平井中的一个被定位在另一个井的上方。低压蒸汽被连续地注射入上井眼中以加热油并且降低其粘度，使被加热的油排入下井眼中，在下井眼中被加热的油被泵送至表面。如图2中所示的，ACTG装置10可以被配置在具有井眼壁20的井眼19中。井眼套管21内衬井眼19的外侧。封隔器22被定位在ACTG装置10和井眼套管21之间的环形空间中。封隔器是用于隔离井套管内部的区域的密封装置。封隔器提供在外套管11和井眼套管21之间的环形密封部，以阻止蒸汽、燃烧气体、油或其他流体沿着套管柱朝向表面向上流动。封隔器还把ACTG装置10保持在适当的位置在井眼的中心中。在本发明的其他实施方案中，封隔器可以提供在外套管和井眼的壁之间的环形密封部。标准的油井封隔器可以根据本发明的实施方案来被使用。ACTG装置10的歧管外壳12在一个端部处连接于燃料管线16和氧化剂管线17。燃料管线16被连接于燃料源，燃料源可以被定位在表面处。如本文所使用的术语“燃料”意指任何被消耗以产生能量的物质或材料，包括但不限于天然气、氢气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、汽油、柴油燃料、煤油、燃料油、甲醇或乙醇，或其组合。在一个优选的实施方案中，燃料是甲烷或天然气。氧化剂管线17被连接于氧化剂源，氧化剂源可以被定位在表面处。根据本发明的实施方案，氧化剂可以包括任何气态的或液态的氧化剂源，包括但不限于空气、气态氧（GOX）、液态氧（LOX）、O、O3、H2O2或HAN，或其组合。在一个优选的实施方案中，氧化剂是GOX。氧化剂例如GOX，经过氧化剂管线17行进至销子23，销子23被附接于歧管外壳12。销子23在形状上可以大体上是圆柱形的并且可以装配在穿过歧管外壳12的圆柱形洞内。销子23可以以任何合适的方式附接于歧管外壳。在一个实施方案中，销子23包括有螺纹的部分，该有螺纹的部分与歧管外壳12的有螺纹的内部分旋接在一起以形成气密且流体密封的密封部。氧化剂经过销子23流动进入燃烧室24的入口端中。燃烧室24在形状上可以是圆柱形的。燃料例如甲烷，行进经过燃料管线16，燃料管线16被连接于歧管外壳12。歧管外壳12的内表面和销子23的外表面界 定燃料通路25。燃料从燃料管线16流动经过燃料通路25进入燃烧室24的入口端中。燃料和氧化剂可以在燃烧室24的入口端处或附近混合。ACTG装置10的部件可以由任何合适的材料形成，所述材料的实例包括高温金属和合金，包括但不限于本领域中已知的镍铬合金。在一个实施方案中，部件中的一个或多个由HanyesTM230TM合金（HaynesInternational,Kokomo,Indiana，美国）制造。ACTG装置10的歧管外壳12还在一个端部处连接于电力管线26。电力管线26被连接于电源，电源可以被定位在表面处。在可选择的实施方案中，本发明可以包括集成电源，例如电池。本发明的实施方案可选择地还可以包括一个或多个电力管线和/或数据管线。电力管线或数据管线可以包括一个或多个光纤电力管线或数据管线。电力管线26被连接于点火器系统27。点火器系统可以包括多火花放电（MSD）点火系统。点火器系统可以包括火花塞、氧化剂供应部和/或燃料供应部。本发明的实施方案可选择地可以包括用于在燃烧点控制点火器的光纤数据管线。光纤数据管线可以把数据传送至表面上的计算机控制程序。ACTG装置10还可以包括本领域中已知的一个或多个传感器，例如温度传感器和/或压力传感器。光纤数据管线还可以把数据从这样的传感器传送至表面上的计算机控制程序。当点火器系统27被激活时，火花或火焰经过点火火焰火炬路径28。火花或火焰使燃料和氧化剂在燃烧室24中点火。燃料和氧化剂在燃烧室24中的燃烧生产燃烧产物。燃烧产物可以包括二氧化碳和蒸汽。燃料和氧化剂在燃烧室24中的燃烧也生产热能。ACTG装置10的歧管外壳12还在一个端部处连接于冷却剂管线18。冷却剂管线18被连接于冷却剂源，冷却剂源可以被定位在表面处。根据本发明的实施方案，冷却剂可以包括水或具有合适的冷却剂性质的另一种物质或材料。在一个优选的实施方案中，冷却剂是水。冷却剂可以被注射经过歧管外壳12中的一系列的冷却剂路径29。冷却剂可以经过一系列的冷却剂路径29进入冷却剂室30中。冷却剂室30由ACTG装置10的外套管11的内表面和燃烧室24的外表面界定。冷却剂经过冷却剂室30并且由此提供对燃烧室24的冷却。外套管11 的内表面和/或燃烧室24的外表面可以具有螺旋状凹槽或凿沟。这样的凹槽或凿沟包括任何螺旋状型式，无论是从冷却剂室30的壁的表面凸起的还是降低入冷却剂室30的壁的表面中。这样的螺旋状凹槽可以促进冷却剂经过冷却剂室30的螺旋状的或螺旋形的流动路径。螺旋状的或螺旋形的流动路径提供冷却剂在冷却剂室中的更均匀的分布/流动和/或可以增加湍流，由此减少如果不以这种方式可以具有在燃烧室24和/或冷却剂室30中形成的趋势的非期望的热点。多个收缩冷却剂入口31被设置在燃烧室24的出口端处或附近。收缩冷却剂入口是延伸穿过燃烧室24的壁的洞，所述洞形成用于把冷却剂从冷却剂室30引导入燃烧室24中的流动路径。收缩冷却剂入口31被径向地布置在燃烧室24周围。冷却剂在燃烧室24的出口端处或附近经过收缩冷却剂入口31流入燃烧室24中。收缩冷却剂入口31被配置为由被引导入燃烧室24中的冷却剂产生收缩-扩张喷嘴9。收缩-扩张喷嘴在下文的部分II中更详细地描述。冷却剂以与燃烧产物经过燃烧室24的流动路径成一定角度经过收缩冷却剂入口31流入燃烧室24中。在一个优选的实施方案中，该角度是与流动路径成约25度和约35度之间的角度（即与燃烧室24的轴线成约25度和约35度之间的角度）。在另一个优选的实施方案中，该角度是与流动路径成约30度（即与燃烧室24的轴线成约30度）。燃烧产物通过由冷却剂流入燃烧室24中形成的收缩-扩张喷嘴加速，并且经过燃烧室24的出口端。燃烧室的出口端通过径向地布置在外套管11的后端部周围的多个螺钉14连接于离开部火焰扩散器13。离开部火焰扩散器13与燃烧室24的出口端流体连通。离开部火焰扩散器13在形状上是大体上圆柱形的。多个洞32被设置在离开部火焰扩散器13的壁中。燃烧室24和/或离开部火焰扩散器13形成由冷却剂流动经过收缩的水入口31而形成的收缩-扩张喷嘴的扩张部分33。离开部火焰扩散器13可以控制从燃烧室24至井套管21的火焰冲击。离开部火焰扩散器13还可以提供对燃烧室24的冷却，由此向排气火焰提供同质的混合物。离开部火焰扩散器13还可以提供将另外的热能从燃烧产物至冷却剂的转移，由此增加蒸汽生产。燃烧产物和蒸汽的混合物可以经过离开部火焰扩散器洞32和/ 或离开部火焰扩散器的出口端离开，进入井眼19中。图3提供另一个视图，以理解ACTG装置10的部件。具体地，图3示出了销子23、歧管外壳12、燃烧室24、外套管11和离开部火焰扩散器13。ACTG装置10可以作为组件存在，如图1-2中所示的。ACTG装置10通过把销子23连接在歧管外壳12内，例如通过把销子23的外部有螺纹的部分旋接入歧管外壳12的内部有螺纹的部分中而被组装。歧管外壳12被连接于燃烧室24，例如通过把燃烧室24的内部有螺纹的部分旋接至歧管外壳12的有螺纹的外部分。根据优选的实施方案，燃烧室24的表面具有螺旋状凹槽39。可选择地或另外地，根据本发明的优选的实施方案，外套管11的内表面可以具有螺旋状凹槽。外套管11装配在燃烧室24上并且连接于歧管外壳12，例如通过把外套管11的内部有螺纹的部分旋接至歧管外壳12的有螺纹的外部分。当被组装时，在外套管11和燃烧室24之间的环形空间界定冷却剂室（未示出）。离开部火焰扩散器13通过径向地布置在外套管11的后端部周围的多个螺钉14连接于外套管。螺钉与离开部火焰扩散器13中的有螺纹的洞34接合，由此产生在外套管11和离开部火焰扩散器13之间的气密且流体密封的密封部。当被组装时，离开部火焰扩散器13与燃烧室24流体连通。歧管外壳12的一个实施方案的细节在图4和图5中示出。歧管外壳12包括燃料入口35、氧化剂入口36、冷却剂入口37以及电力和数据系统入口38。燃料入口35可以被连接于燃料管线。燃料管线又可以被连接于燃料源，燃料源可以被定位在井的表面处。氧化剂入口36可以被连接于氧化剂管线。氧化剂管线又可以被连接于氧化剂源，氧化剂源可以被定位在表面处。冷却剂入口37可以被连接于冷却剂管线。冷却剂管线又可以被连接于冷却剂源，冷却剂源可以被定位在表面处。动力和数据系统入口38可以被连接于电力管线和/或数据管线。电力管线和/或数据管线又可以被连接于电源、计算机和/或控制系统，电源、计算机和/或控制系统可以被定位在表面处。设想，这些入口中的任何的数量和/或放置可以变化。如图5中所示的，歧管外壳12被连接于销子23。氧化剂从氧化剂管线流动经过销子23进入燃烧室中。歧管外壳12和销子23共同地形成燃 料通路25，燃料从燃料管线流动经过燃料通路25进入燃烧室中。冷却剂从冷却剂管线流动经过歧管外壳12中的一系列的冷却剂路径29进入由外套管和燃烧室形成的冷却剂室中。歧管外壳12还包括点火火焰火炬路径28。点火器系统可以被定位在歧管外壳12内。当点火器系统被激活时，火花或火焰可以经过点火火焰火炬路径28并且可以使燃料和氧化剂在燃烧室中点火。II.收缩-扩张喷嘴ACTG装置可以被配置为由冷却剂被引导入燃烧室中而产生收缩-扩张喷嘴。收缩-扩张喷嘴也被称为deLaval（或DeLaval）喷嘴，是把高温高压气体加速至超音速的装置。典型地，其是在中部被挤压以形成平衡的不对称的沙漏形状的管。一个示例性的收缩-扩张喷嘴在美国专利第4,064,977号中示出和描述，该美国专利以其整体通过引用并入本文。通常，收缩-扩张喷嘴包括收缩部分、喉部和扩张部分。典型地，其由钢、铜、石墨或随时间推移易于磨损的另一种类型的烧蚀材料制造。收缩-扩张喷嘴通过把恒定质量流速的气体推动经过具有小的横截面的孔口而操作。从收缩部分中的气体的观点，喷嘴是导致较低压力区域的洞或“喉部”。当气体接近喉部时，其开始加速。气体继续朝向喉部加速，最终在喉部处达到音速。如本文所使用的“音速”是在热气体中的音速，不是在环境条件中在地面水平处在空气中的音速。在热气体中的音速典型地比在环境条件中在地面水平处在空气中的音速快2至3倍，这取决于温度。气体在喉部达到音速之后，其流入扩张部分中，在扩张部分气体膨胀并且冷却，以倾斜的角度侧向地向壁推动，并且加速至超音速。喷嘴的钟形的扩张部分提供最大的效率，但是简单的圆锥形状的扩张部分提供百分之99效率并且可以提供更成本有效的构造。喷嘴的扩张部分可以把气体的速度增加至音速的2.7倍或更多，这取决于在喉部处的横截面积与在来自喷嘴的离开部处的横截面积的精确的比率。喷嘴起到把高温高压气体的势能转换为动能的作用。因为经过典型的 收缩-扩张喷嘴的喉部的气体的高温和高速，所以喷嘴的喉部可以侵蚀，导致喉部直径的非期望的增加以及室压力和气体速度的减小。喷嘴喉部中的侵蚀最终限制喷嘴的寿命以及结合有喷嘴的装置的运行时间。有利地，本文描述的先进的燃烧热发生器利用由冷却剂的流动形成的收缩-扩张喷嘴，代替由机械工具例如金属喉部形成的收缩-扩张喷嘴，冷却剂优选地是水。据此，装置可以在地下操作几年，而不需要更换装置的部件，例如喷嘴。在一个方面，提供用于通过在圆柱形燃烧室中燃烧燃料和氧化剂以形成燃烧产物并且通过经过被径向地布置在圆柱形燃烧室周围的多个收缩水入口将水注射入圆柱形燃烧室的后端部中形成收缩-扩张喷嘴的方法。水与圆柱形燃烧室的轴线成一定角度以对于通过减小燃烧室的有效横截面积使燃烧产物收缩有效的方式被注射入燃烧室中。正在被推动经过燃烧室的水最终达到使得气体不能够进一步压缩的密度，并且水由此建立deLaval喷嘴的喉部。在一个优选的实施方案中，水可以与圆柱形燃烧室的轴线成在约25度至约35度之间的角度被注射。在另一个优选的实施方案中，水可以与燃烧室的轴线成约30度的角度被注射。在另一个优选的实施方案中，当燃烧产物收缩时燃烧产物的流速加速至音速。图6是图示了跨过根据本文描述的装置和系统的实施方案的收缩-扩张喷嘴的温度曲线、压力曲线和速度曲线的图。当燃烧产物流动经过燃烧室时，其接近燃烧室的出口端并且进入喷嘴的收缩部分。当其收缩时，燃烧产物加速并且温度和压力开始减小。在由水流入燃烧室中而形成的喉部，速度显著地增加至音速并且气体的温度和压力据此下降。当燃烧产物离开喉部并且进入燃烧室的扩张部分和/或离开部火焰扩散器时，速度增加至超音速并且压力和温度进一步下降。因此，将理解，冷却剂可以在装置中起到至少两个目的。第一，当冷却剂流动经过冷却剂室时冷却剂提供对燃烧室的冷却。第二，与燃烧室的轴线成一定角度将冷却剂注射入燃烧室中可以产生收缩-扩张喷嘴，以加速从ACTG排放的燃烧产物和蒸汽的速度。还将理解，冷却剂、燃料和/或氧化剂的流速可以是可变的和可调整的，使得当烃形成层中的烃的压力改 变时，冷却剂的流速可以据此改变以补偿这些改变。因此，冷却剂、燃料和/或氧化剂的流速可以被调整，从而提供气体进入形成层中的可注射的流速以及装置的实施方案的最优的性能。还将理解，燃烧产物和冷却剂的流动导致对装置的实施方案的表面的最小的侵蚀或没有侵蚀。经过收缩水入口注射入圆柱形室中的水可以离开进入离开部火焰扩散器中并且与燃烧产物混合。在此，水可以转化为蒸汽并且离开ACTG装置进入井眼或烃形成层中。燃烧室24的出口端在图7和图8中详细描述。如图7中所示的，燃烧室24的出口端被连接于离开部火焰扩散器13。为了基本结构的清晰性的目的，普通地将包围燃烧室24并且界定冷却剂室的外套管未被示出。多个收缩冷却剂入口31被径向地布置在燃烧室24周围。多个收缩冷却剂入口31与燃烧产物经过燃烧室24的流动的方向成一定角度延伸穿过燃烧室24的壁。收缩冷却剂入口被配置为由被引导入燃烧室中的冷却剂产生收缩-扩张喷嘴。在一个优选的实施方案中，收缩冷却剂入口的角度在约25度至约35度之间。在另一个优选的实施方案中，收缩冷却剂入口的角度是约30度。在图8中，普通地将连接于燃烧室的出口端的离开部火焰扩散器被省略以示出在燃烧室24的出口端处的内壁。收缩冷却剂入口31被配置为由被注射入燃烧室24中的冷却剂产生收缩-扩张喷嘴。为了形成收缩-扩张喷嘴，水（冷却剂）以与圆柱形燃烧室24的轴线成一定角度而被注射经过收缩水入口31。流动的燃烧产物将水推动经过燃烧室24的外端部。水减少燃烧室24的有效横截面积并且建立收缩-扩张喷嘴的喉部。在一个优选的实施方案中，当燃烧产物收缩时燃烧产物的流速加速至音速。当燃烧产物离开喉部时，其进入燃烧室的扩张部分33和/或离开部火焰扩散器。在扩张部分33中，流动路径的内径增加并且气体的速度可以增加至超音速。III.用于增强的油开采的系统和方法提供了根据本文描述的某些实施方案的生产蒸汽并且从烃储层或烃形成层提取烃的系统和方法。这些系统包括本文描述的被配置在井下以生产蒸汽和二氧化碳以用于油或其他烃的增强的开采的ACTG装置。ACTG装置可以用于减少或消除在传统的蒸汽注射增强的油开采系统和方法中发生的表面蒸汽损失。有利地，ACTG装置可以直接地把蒸汽传送至储层界面。这样的实施方案对于在超过2,500英尺的深度的储层和/或包含重油或沥青的储层来说可以是特别有用的。这样的实施方案还用于离岸或接近离岸储层中且用于在永久冻土条件下提取重油或沥青。由ACTG装置生产的蒸汽品质可以根据需要来控制。例如，实施方案可以生产在约百分之10至约百分之95之间或更大的蒸汽品质。在一个实施方案中，所生产的蒸汽品质是约百分之75至约百分之95，例如约百分之85至约百分之95。在优选的实施方案中，ACTG装置生产以在百分之90至百分之100之间的蒸汽品质、可用于烃形成层的蒸汽。提供用于从烃形成层提取烃的系统。用于增强的油开采的系统包括用于把蒸汽和/或其他热气体传送至烃储层的第一井眼以及本发明的实施方案的先进的燃烧热发生器装置（见上文的部分I和II中的描述）。ACTG装置可以被定位在井下在第一井眼中。蒸汽和/或其他热气体可以向形成层中的烃提供热以减小粘度和/或蒸发烃的一部分。在一个优选的实施方案中，烃储层可以包含重油、沥青、甲烷水合物或其组合。用于增强的油开采的系统可选择地还可以包括用于从烃储层提取烃的第二井眼。根据本文公开的装置、系统和方法的各种实施方案，第一井眼和第二井眼中的一个或两个可以是竖直井眼。可选择地，第一井眼和第二井眼中的一个或两个可以包括至少一个水平部分。ACTG装置可以被定位在井眼中的任何点处，包括在井眼的竖直部分或水平部分中。ACTG装置还可以被定位在井眼中的任何深度处。ACTG装置在ACTG装置被配置至在表面下方大于2,500英尺的深度的用途中是特别地有利的。用于增强的油开采的系统可选择地还可以包括从大约第一井眼的顶部延伸至大约第一井眼的底部的套管柱。在一个优选的实施方案中，ACTG装置可以被定位在套管柱内。用于增强的油开采的系统还可以包括燃料源、氧化剂源和/或冷却剂源。燃料源、氧化剂源和/或冷却剂源可以通过盘绕的管道控制管线连接于ACTG装置。盘绕的管道控制管线可选择地可以包括燃料供入管线、和氧 化剂供入管线、和/或冷却剂供入管线。盘绕的管道控制管线可选择地还可以包括光纤数据管线和/或电力管线。如图9中所示的，利用如本文描述的ACTG装置的蒸汽辅助的重力排出系统可以被使用。系统包括用于把蒸汽和/或其他热气体传送至烃储层51的第一井眼50（“蒸汽注射井眼”）。在一个优选的实施方案中，烃储层包含重油、沥青和/或甲烷水合物。系统还包括用于从烃储层51提取烃的第二井眼52（“生产井眼”）。ACTG装置10被定位在井下在第一井眼50的套管柱中。ACTG装置经由包括水供入管线59、燃料供入管线60和氧化剂供入管线61的控制管线58连接于在表面的水源、燃料源和氧化剂源。在可选择的实施方案中，控制管线还可以包括光纤数据管线和/或电力管线。第一井眼包括竖直部分53和水平部分54。ACTG装置10被按尺寸制造以装配在井眼50内并且被按尺寸制造以经过在水平井眼中使用的转弯弯曲部55。第二井眼也包括竖直部分56和水平部分57。第二井眼的水平部分被定位在第一井眼的水平部分下方。ACTG装置10可以通过本文描述的方法产生蒸汽和燃烧气体。例如，ACTG装置10可以通过以下产生蒸汽和燃烧气体：把燃料和氧化剂引入燃烧室的入口端中，燃烧燃烧室中的燃料和氧化剂以生产燃烧产物，使水在燃烧室的入口端处或附近流入被界定在外套管和燃烧室的外表面之间的冷却剂室中，以及使水从冷却剂室流动经过被径向地布置在燃烧室周围的多个收缩冷却剂入口并且在燃烧室的出口端处或附近进入燃烧室中，使得水形成燃烧产物流动经过的收缩-扩张喷嘴，水被燃烧产物加热以形成蒸汽。在一个优选的实施方案中，燃料、氧化剂和水可以被计量以生产在约120psig至约2,950psig的压力下的蒸汽。在另一个优选的实施方案中，燃料、氧化剂和水可以被计量以生产以约百分之75至约百分之99，例如约百分之85至约百分之95的蒸汽品质的蒸汽。蒸汽和燃烧气体可以通过ACTG装置10注射入井眼50中和/或注射入烃形成层51中。在一个优选的实施方案中，ACTG装置10被配置在大于2,500英尺的深度处并且蒸汽和燃烧气体被注射入井眼50中和/或注射 入在大于2,500英尺的深度的烃形成层51中。在一个优选的实施方案中，蒸汽以约120psig至约2,950psig的压力被注射入烃形成层51中。在另一个优选的实施方案中，蒸汽以在约百分之75至约百分之95之间的蒸汽品质被注射入烃形成层51中。在另一个优选的实施方案中，燃烧产物包含至少百分之50二氧化碳。在另一个优选的实施方案中，二氧化碳是超临界流体。在另一个优选的实施方案中，二氧化碳以对于减少烃形成层51中的烃的粘度有效的量被注射入烃形成层中。在另一个实施方案中，二氧化碳使油溶胀和/或增加油流动驱动。将蒸汽和燃烧气体（包括二氧化碳）注射入烃储层51中导致储层51中的烃的粘度的减小。较小粘度的烃向下流动至第二井眼52的水平部分57。在第二井眼52的表面的生产设施62从烃形成层提取烃。图10示出了利用如本文描述的ACTG装置的蒸汽充溢系统。系统包括用于把蒸汽和/或其他热气体传送至烃储层64的第一井眼63。在一个优选的实施方案中，烃储层包含重油、沥青和/或甲烷水合物。系统还包括用于从烃储层64提取烃的第二井眼65。第一井眼63和第二井眼65二者都是竖直井眼。ACTG装置（未示出）被定位在井下在第一井眼63的套管柱中。在一个优选的实施方案中，ACTG装置被定位在2,500英尺的深度或大于2,500英尺的深度处。通过ACTG装置生产的蒸汽和燃烧产物被注射入烃储层64中。在本实施方案中，蒸汽和热气体形成蒸汽前沿，蒸汽前沿加热烃，降低烃的粘度，并且把烃推向生产井眼65。在生产井眼65的表面的生产设施66从烃形成层提取烃。与传统的基于蒸汽的增强的油开采技术不同，本发明的装置和系统不受深度限制。据此，装置、系统和方法可以减少油生产的成本，特别是在约1,500英尺下方的深度。图11是图示了在变化的井深度使用蒸汽注射所生产的油的每桶成本的图。曲线a、b和c描绘了使用以各种蒸汽品质的表面蒸汽来开采的油的每桶成本。曲线a描绘了使用以百分之40品质和0.92kg/秒注射速率的表面蒸汽来开采的油的每桶成本。曲线b描绘了使用以百分之80品质和0.92kg/秒注射速率的表面蒸汽来开采的油的每桶成本。 曲线c描绘了使用以百分之80品质和2.75kg/秒注射速率的表面蒸汽来开采的油的每桶成本。曲线d描绘了使用本文描述的系统和装置的实施方案来开采的油的每桶成本。与表面蒸汽不同，使用本发明的装置和系统来开采的油的每桶成本不随着井深度可察觉地变化。因此，这些装置、系统和方法提供相对于传统的增强的油开采方法的成本优点，特别是对于深的和/或重的沉积物来说。图12示出了冷却剂流动形成ACTG装置10中的收缩-扩张喷嘴。如在上文的部分I中描述的，ACTG装置10包括界定冷却剂室30的燃烧室24和外套管11。在操作中，冷却剂填充冷却剂室30。多个收缩冷却剂入口31被径向地布置在燃烧室24周围。冷却剂从冷却剂室30流动经过收缩冷却剂入口31在燃烧室24的出口端处或附近进入燃烧室24中。收缩冷却剂入口31被配置为由被引导入燃烧室24中的冷却剂产生收缩-扩张喷嘴9。收缩-扩张喷嘴在上文的部分II中更详细地描述。在流入燃烧室24中之后，冷却剂初始地朝向燃烧室24的轴向中心线收缩，但是被流动的燃烧产物的力向外推动至燃烧室的壁。冷却剂，作为不可压缩的流体，形成与燃烧室壁同中心的水的层。该同中心的水的层作为燃烧产物必须流动经过的喉部起作用。来自燃烧室的燃烧产物可以经过收缩部分和喉部加速至音速或超音速。在喉部之后，燃烧产物和冷却剂流动至扩张部分33和离开部火焰扩散器13。多个洞32被设置在离开部火焰扩散器13的壁中。在扩张部分33和离开部火焰扩散器13中燃烧产物可以继续加速至超音速。在一个实施方案中，冷却剂是水并且被扩张部分33和/或离开部火焰扩散器13中的燃烧产物加热。在另一个实施方案中，扩张部分33与离开部火焰扩散器13成一体或形成离开部火焰扩散器13的一部分。水向蒸汽的转化由图12中的阴影描绘。燃烧产物和蒸汽的混合物可以离开ACTG装置10并且被注射入井眼和/或烃形成层中。用于增强的油开采的装置和系统可以可选择地包括其他标准的井生产设备；封隔器；控制器系统，其用于测量工艺条件（例如温度、压力）以及调整通向ACTG装置的流体的压力和流速。有利地，装置或系统可以 被控制以管理从储层的生产。例如，氧化剂、燃料和冷却剂的流量可以被调节以提供期望的蒸汽量和压力（例如，可以提供120psig至2950psig的蒸汽）。目前公开的装置、系统和方法还可以在用于浅井、沥青砂和页岩的较大规模的表面蒸汽配置中使用。超出百分之99的燃料至蒸汽的热转化效率、接近完全的自由压缩以及百分之50比率的作为燃烧的副产物的纯二氧化碳可以通过这样的模型来实现。本发明的用于增强的油开采的装置和系统还可选择地可以根据需要把在井下的化学物有效负载传送至形成层。例如，应用可以包括火焰前缘控制、用于原地燃烧的氧化剂传送以及煤炭地下气化。这样的修改和改编在本领域普通技术人员的技能内并且意图落入所附的权利要求的范围内。本文引用的出版物以及引用的材料特别地以它们的整体通过引用并入，而不是承认这些是现有技术。本文描述的装置、系统以及装置的修改和变化形式从上文的详细描述对于本领域的技术人员来说将是明显的。这样的修改和变化形式意图落入所附的权利要求的范围内。