井下燃烧制混相过热蒸汽装置及方法与流程

本发明有关于一种混相过热蒸汽发生装置及方法，尤其有关于一种在油田生产领域中的井下燃烧制混相过热蒸汽装置及方法。

背景技术：

世界上有广泛的稠烃油藏，这些油藏包含很稠的烃类，通常被称为“沥青”、“焦油”、“重油”或者“超重油”，统称为“重油”，其通常具有从100厘泊到1000000厘泊范国的粘度，较高的粘度使稠烃油藏的开采成本极高。通常地，可以采用就地加热重油的方法来降低粘度，例如，循环蒸汽激励(CSS)、蒸汽驱动(Drive)和蒸汽辅助重力泄油(SAGD)等方法。

蒸汽驱采油和蒸汽吞吐采油都是油田生产的重要方式，尤其是稠油油田蒸汽驱，应用更为广泛。目前的蒸汽驱采油主要是采用蒸汽锅炉制造蒸汽，其体积大，配套设施繁多，能耗高，移动困难，蒸汽生产成本高，另外，由于采用燃烧原油和天然气产生蒸汽，造成了能源消耗和污染环境，同时由于注入蒸汽量大、回采水率低，产生了大量地层水淹现象。在蒸汽注入过程中由于保温措施差，热损耗极大，大部分的热量都消耗在注入过程中，蒸汽从井口移动到油层时已经转化成高温热水，为此，需要不断的加大蒸汽注入量来提高蒸汽干度，造成大量的资金和资源消耗。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种井下燃烧制混相过热蒸汽装置，其通过混相蒸汽发生器能够在井下直接制造过热混相蒸汽，能避免蒸汽在井下传输过程中的热量损耗，提高了蒸汽的使用效率，且节能环保。

本发明的另一个目的是提供一种井下燃烧制混相过热蒸汽方法，该方法能够在井下直接制造过热混相蒸汽，能避免蒸汽在井下传输过程中的热量损耗，提高了蒸汽的使用效率，且节能环保。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

一种井下燃烧制混相过热蒸汽装置，其中，所述井下燃烧制混相过热蒸汽装置包括：

混相蒸汽发生器，其位于井下套管内，所述混相蒸汽发生器具有蒸汽管，所述蒸汽管中设有燃烧室，所述燃烧室与所述蒸汽管之间形成有蒸汽腔，所述燃烧室的下端设有火焰喷口，所述火焰喷口与所述蒸汽腔相连通；

多个电磁波热能发生器，多个所述电磁波热能发生器依次相连固定在所述混相蒸汽发生器的下端，各所述电磁波热能发生器的内部均设有加热通道，与所述混相蒸汽发生器相邻连接的所述电磁波热能发生器的加热通道与所述蒸汽腔相连通；所述电磁波热能发生器由多个加热段组成，所述加热段包括磁力棒和分别连接在所述磁力棒两端的电阻棒，所述磁力棒上缠绕铜丝，所述电阻棒上缠绕钨丝；

封装电缆，其具有加热段电缆和超导脉冲电缆，所述加热段电缆与所述钨丝相连，所述超导脉冲电缆与所述铜丝相连。

如上所述的井下燃烧制混相过热蒸汽装置，其中，所述电磁波热能发生器为两个，其分别为与所述混相蒸汽发生器相邻连接的第一电磁波热能发生器和第二电磁波热能发生器，所述第一电磁波热能发生器的外侧套设有加热套，所述加热套上沿其圆周方向设有多个通水孔，所述第二电磁波热能发生器固定连接在所述加热套的下端，多个所述通水孔、所述第一电磁波热能发生器的加热通道分别与所述第二电磁波热能发生器的加热通道相连通。

如上所述的井下燃烧制混相过热蒸汽装置，其中，多个所述电磁波热能发生器的下端连接有直喷尾管，所述直喷尾管的下端连接有内径由上到下逐渐扩大的喷嘴。

如上所述的井下燃烧制混相过热蒸汽装置，其中，所述直喷尾管上设有单向阀，所述单向阀位于所述喷嘴的上方。

如上所述的井下燃烧制混相过热蒸汽装置，其中，所述井下燃烧制混相过热蒸汽装置还包括连续管，所述连续管穿设于所述井下套管内，所述连续管的内腔中设有电缆管、燃料管和助燃剂管，所述电缆管中穿设有所述封装电缆，所述燃料管和所述助燃剂管分别与所述燃烧室相连通，所述燃烧室内设有点火器。

如上所述的井下燃烧制混相过热蒸汽装置，其中，所述井下燃烧制混相过热蒸汽装置还包括连接盘，所述连接盘连接在所述连续管和所述混相蒸汽发生器之间，所述连接盘设有电缆通道、燃料通道、助燃剂通道和多个通孔，其中，所述电缆管和所述电缆通道相连通，所述燃料管通过所述燃料通道与所述燃烧室相连通，所述助燃剂管通过所述助燃剂通道与所述燃烧室相连通，所述连续管的内腔通过多个所述通孔与所述蒸汽腔相连通。

如上所述的井下燃烧制混相过热蒸汽装置，其中，所述燃料管中通入天然气，所述助燃剂管中通入液态氧。

如上所述的井下燃烧制混相过热蒸汽装置，其中，所述连续管的下端连接有封隔器，所述封隔器坐封于所述井下套管；所述连续管上间隔设有多个扶正器，多个所述扶正器位于所述封隔器的上方。

如上所述的井下燃烧制混相过热蒸汽装置，其中，所述直喷尾管上设有扶正器。

如上所述的井下燃烧制混相过热蒸汽装置，其中，所述直喷尾管的外侧设有测温器。

如上所述的井下燃烧制混相过热蒸汽装置，其中，所述加热段的长度为1m，所述磁力棒的长度为50cm，所述电阻棒的长度为25cm。

如上所述的井下燃烧制混相过热蒸汽装置，其中，所述井下套管内设有膨胀管，所述膨胀管上分别设有与井下第一油层相对的第一射孔组和与井下第二油层相对的第二射孔组，多个所述电磁波热能发生器的下部与所述第一射孔组相对设置，所述喷嘴与所述第二射孔组相对设置。

本发明还提供一种井下燃烧制混相过热蒸汽的方法，采用如上所述的井下燃烧制混相过热蒸汽装置，其中，所述井下燃烧制混相过热蒸汽的方法包括如下步骤：

步骤A：向所述燃烧室中通入燃料和助燃剂，向所述蒸汽腔中通入空气和水；

步骤B：所述燃料和所述助燃剂在所述燃烧室内燃烧后形成的火焰自所述火焰喷口喷出，所述火焰将蒸汽腔中的水加热，形成水、蒸汽、氮气和二氧化碳的混合物；

步骤C：开启多个所述电磁波热能发生器，所述水、蒸汽、氮气和二氧化碳的混合物进入多个所述电磁波热能发生器的加热通道中被加热，形成由蒸汽、氮气和二氧化碳组成的混相过热蒸汽并被喷出。

如上所述的井下燃烧制混相过热蒸汽的方法，其中，在所述步骤A之前，向所述蒸汽腔中注入氮气。

本发明的井下燃烧制混相过热蒸汽装置及方法的特点及优点是：

本发明是在井下套管内设置混相蒸汽发生器和多个电磁波热能发生器，混相蒸汽发生器利用燃料和助燃剂燃烧后的火焰将水加热成蒸汽，而形成由水、蒸汽、氮气和二氧化碳组成的混合物，之后由多个电磁波热能发生器再将水、蒸汽、氮气和二氧化碳的混合物加热形成由蒸汽、氮气和二氧化碳组成的混相过热蒸汽，最后将该混相过热蒸汽直接喷入井下油层中，本发明能够在井下直接制造混相过热蒸汽，能避免蒸汽在井下传输过程中的热量损耗，提高了蒸汽的使用效率，且节能环保。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的井下燃烧制混相过热蒸汽装置的结构示意图；

图2为本发明的井下燃烧制混相过热蒸汽装置的A-A截面剖视图；

图3为本发明的井下燃烧制混相过热蒸汽装置的B-B截面剖视图；

图4为本发明的井下燃烧制混相过热蒸汽装置的C-C截面剖视图；

图5为本发明的井下燃烧制混相过热蒸汽装置的电磁波热能发生器的加热段的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施方式一

如图1至图5所示，本发明提供一种井下燃烧制混相过热蒸汽装置，包括：混相蒸汽发生器7，其位于井下套管1内，所述混相蒸汽发生器7具有蒸汽管72，所述蒸汽管72中设有燃烧室73，所述燃烧室73与所述蒸汽管72之间形成有蒸汽腔74，所述燃烧室73的下端设有火焰喷口75，所述火焰喷口75与所述蒸汽腔74相连通；多个电磁波热能发生器10，多个所述电磁波热能发生器10依次相连固定在所述混相蒸汽发生器7的下端，各所述电磁波热能发生器10的内部均设有加热通道2000，与所述混相蒸汽发生器7相邻连接的所述电磁波热能发生器10的加热通道2000与所述蒸汽腔74相连通；所述电磁波热能发生器10由多个加热段100组成，所述加热段100包括磁力棒101和分别连接在所述磁力棒101两端的电阻棒102，所述磁力棒101上缠绕铜丝1010，所述电阻棒102上缠绕钨丝1020；封装电缆20，其具有加热段电缆2011和超导脉冲电缆2012，所述加热段电缆2011与所述钨丝1020相连，所述超导脉冲电缆2012与所述铜丝1010相连。本发明的井下燃烧制混相过热蒸汽装置是在井下套管内设置混相蒸汽发生器7和多个电磁波热能发生器10，混相蒸汽发生器7利用燃料和助燃剂燃烧后的火焰将水加热成蒸汽，而形成水、蒸汽、氮气和二氧化碳的混合物，之后由多个电磁波热能发生器10再将水、蒸汽、氮气和二氧化碳的混合物加热形成蒸汽、氮气和二氧化碳的混相过热蒸汽，最后将该混相过热蒸汽直接喷入井下油层中，本发明能够在井下直接制造混相过热蒸汽，能避免蒸汽在井下传输过程中的热量损耗，提高了蒸汽的使用效率，且节能环保。

具体地，如图1所示，混相蒸汽发生器7具有大体呈圆筒状的蒸汽管72，蒸汽管72中设有燃烧室73，燃烧室73与蒸汽管72之间的空间形成蒸汽腔74，即蒸汽管72的内部和燃烧室73的外部的空间构成了蒸汽腔74。在本发明中，燃烧室73内设有点火器71，点火器71为电火花点火器，其能持续稳定地点火；燃烧室73的下部设有火焰喷口75，该火焰喷口75为由连接在燃烧室73下端的圆筒形的喷筒形成，火焰喷口75与蒸汽腔74相连通。向燃烧室73内通入燃料和助燃剂，向蒸汽腔74中通入水和空气，燃料和助燃剂在燃烧室73内燃烧后形成的火焰自火焰喷口75喷出，该火焰能够将蒸汽腔74中的水加热，形成水、蒸汽、氮气和二氧化碳的混合物。

在本发明中，封装电缆20中除包含超导脉冲电缆2012和加热段电缆2011外，还包含控制电缆2013。其中，控制电缆2013的外壁、超导脉冲电缆2012的外壁以及加热段电缆2011的外壁均包裹有银铝感应电缆，使其具有良好的耐高温效果。

如图1和图5所示，各电磁波热能发生器10的中部均设有加热通道2000，蒸汽腔74中的水、蒸汽、氮气和二氧化碳的混合物经多个加热通道2000后，自多个电磁波热能发生器10的末端喷出，形成蒸汽、氮气和二氧化碳的混相过热蒸汽。在本发明中，该电磁波热能发生器10由多个加热段100分段串连而成，各加热段100中都具有加热孔1000，多个加热段100的加热孔1000构成电磁波热能发生器10的加热通道2000。在本实施例中，每个加热段100的长度均为一米，各个加热段100之间通过丝扣连接起来，加热段100的中间一段为磁力棒101，磁力棒101的长度为50cm，磁力棒101上缠绕有铜丝1010，铜丝1010的接线端1011与超导脉冲电缆2012连接，磁力棒101的两端各连接有一电阻棒102，电阻棒102的长度为25cm，电阻棒102上缠绕钨丝1020，加热段电缆2011和钨丝1020的接线端1021连接。

在本实施方式中，如图1和图4所示，混相蒸汽发生器7的下端设有两个电磁波热能发生器10，其分别为与混相蒸汽发生器7相邻连接的第一电磁波热能发生器111和第二电磁波热能发生器112。封装电缆20伸入井下套管1内并固定贴合在混相蒸汽发生器7的外表面，从而实现与第一电磁波热能发生器111和第二电磁波热能发生器112的电连接。在本发明中，该第一电磁波热能发生器111的外侧套设有加热套9，加热套9上沿其圆周方向设有多个通水孔91，第二电磁波热能发生器112固定连接在加热套9的下端，多个通水孔91、第一电磁波热能发生器111的加热通道1111分别与第二电磁波热能发生器112的加热通道1121相连通，当从燃烧室73喷出的火焰将蒸汽腔74中的水加热之后，会有一小部分没有汽化的水流到蒸汽腔74的底部，该部分水无法被火焰加热，只能向下流入加热套9上的多个通水孔91，然后进入到第二电磁波热能发生器112的加热通道1121中，在此过程中，该部分水经过第一电磁波热能发生器111和第二电磁波热能发生器112的二次加热后，最终形成过热蒸汽。在本发明中，该第一电磁波热能发生器111的上端和下端分别固定连接有第一直喷筒8和第二直喷筒11，第一直喷筒8和第二直喷筒11均为圆柱形筒，蒸汽腔74通过第一直喷筒8依次与第一电磁波热能发生器111的加热通道1111、第二直喷筒11相连通。

根据本发明的一个实施方式，如图1所示，多个电磁波热能发生器10的下端连接有直喷尾管13，直喷尾管13的下端具有内径由上到下逐渐扩大的喷嘴131，由多个电磁波热能发生器10中喷出的混相过热蒸汽进入直喷尾管13，再从喷嘴131中喷出，由于喷嘴131的内径由上到下逐渐扩大，混相过热蒸汽能以扩散的形态从喷嘴131中喷出，这样的喷嘴形状有利于混相过热蒸汽在井下油层中迅速扩散，快速散热。

根据本发明的一个实施方式，如图1所示，直喷尾管13上设有单向阀14，单向阀14位于喷嘴131的上方，单向阀14的设置，使得即使井下压力过大，也不会导致混相过热蒸汽或其他污物反向进入直喷尾管13内。

根据本发明的一个实施方式，如图1所示，本发明的井下燃烧制混相过热蒸汽装置还包括连续管2，连续管2穿设于井下套管1内，连续管2固定连接在混相蒸汽发生器7的上端，连续管2的内腔中设有电缆管201、燃料管202和助燃剂管203，其中，封装电缆20穿设在电缆管201内，其与供电装置21电连接，燃料管202与位于井筒外部的燃料供应装置22连通，助燃剂管203与位于井筒外部的助燃剂供应装置23连通，连续管2的内腔204与位于井筒外部的水和空气供应装置24连通。其中，燃料管202和助燃剂管203分别与燃烧室73相连通，燃料供应装置22供给的燃料通过燃料管202进入燃烧室73，助燃剂供应装置23供给的助燃剂通过助燃剂管203进入燃烧室73，燃烧室73内设有点火器71，封装电缆20中的控制电缆2013与点火器71电连接，以控制点火器71开启或关闭。该点火器71用于点燃通入燃烧室73中的燃料和助燃剂，燃料和助燃剂在燃烧室73中充分燃烧后形成的火焰从火焰喷口75中喷出。在本发明中，连续管2由不锈钢材料制成，能很好的保护其中各个管线免受井下的恶劣环境侵蚀；另外，燃料管202中通入的燃料为天然气，助燃剂管203中通入助燃剂为液态氧，天然气和液态氧是比较容易获得的燃料和助燃剂，其成本低，且充分燃烧后只产生水和二氧化碳，比较环保。

进一步的，请配合参阅图3所示，井下燃烧制混相过热蒸汽装置还包括连接盘6，连接盘6大体为圆盘状，连接盘6的上端固定连接在连续管2的下端，连接盘6的下端固定连接于混相蒸汽发生器7。连接盘6的内部设有电缆通道601、燃料通道602、助燃剂通道603和多个通孔604，其中，电缆管201和电缆通道601连通，燃料管202通过燃料通道602与燃烧室73连通，助燃剂管203通过助燃剂通道603与燃烧室73连通，连续管2的内腔204通过多个通孔604与蒸汽腔74连通。该连接盘6起到连接连续管2和混相蒸汽发生器7的作用，在本实施例中，连接盘6的多个通孔604的内径为1mm，当水和空气的压力较高时，水和空气能通过多个通孔604以雾状混合物的形式喷入蒸汽腔74中，从而使得对该雾状混合物的加热更为充分。

根据本发明的一个实施方式，连续管2的下端连接有封隔器5，封隔器5坐封于井下套管1，封隔器5能封隔连续管2和井下套管1之间的环形空间，防止井下的混相过热蒸汽溢出；进一步的，连续管2上还间隔设有多个扶正器，多个扶正器位于封隔器5的上方，分别为第一扶正器31、第二扶正器32和第三扶正器33，三个扶正器均匀间隔地设置在连续管2和井下套管1之间。在本发明中，直喷尾管13上还设有第四扶正器34。上述多个扶正器能防止本发明的井下燃烧制混相过热蒸汽装置在井下套管1中倾斜。

根据本发明的一个实施方式，直喷尾管13的外侧设有测温器132，其能实时检测井下油层的温度，测温器132通过控制电缆2013与地面控制装置电连接，将温度信号实时上传至地面控制装置。

根据本发明的一个实施方式，井下套管1内设有膨胀管4，膨胀管4上分别设有与井下第一油层相对的第一射孔组12和与井下第二油层相对的第二射孔组15，其中第一射孔组12的厚度为L，第二射孔组15的厚度为L，多个电磁波热能发生器10的下部与第一射孔组12相对设置，喷嘴131与第二射孔组15相对设置。从喷嘴131中喷出的一部分混相过热蒸汽直接通过第二射孔组15注入井下第二油层，另一部分混相过热蒸汽经直喷尾管13与膨胀管4之间的环空上升后，而通过第一射孔组12注入井下第一油层中，进而实现混相过热蒸汽驱油的目的。

本发明的井下燃烧制混相过热蒸汽装置的工作过程如下：将本发明的井下燃烧制混相过热蒸汽装置下入到井下套管1中，燃料供应装置22和助燃剂供应装置23分别向连续管2中通入天然气和液态氧，天然气通过燃料管202和燃料通道602进入燃烧室73，液态氧通过助燃剂管203和助燃剂通道603进入燃烧室73，水和空气供应装置24向连续管2中通入水和空气，水和空气通过连续管2的内腔204进入蒸汽腔74，天然气和液态氧在燃烧室73中燃烧后的火焰从火焰喷口75喷出，将蒸汽腔74中的水加热，形成由水、蒸汽、氮气和二氧化碳组成的混合物，该混合物再通过第一电磁波热能发生器111的加热通道1111以及第二电磁波热能发生器112的加热通道1121的两级加热后，最终形成由蒸汽、氮气和二氧化碳组成的混相过热蒸汽，该混相过热蒸汽从直喷尾管13的喷嘴131中喷出，通过第一射孔组12和第二射孔组15注入到井下第一油层和井下第二油层中，达到混相过热蒸汽驱油的目的。

本发明的井下燃烧制混相过热蒸汽装置是在井下套管1内设置混相蒸汽发生器7和多个电磁波热能发生器10，混相蒸汽发生器7利用燃料和助燃剂燃烧后的火焰将水加热成蒸汽，而形成由水、蒸汽、氮气和二氧化碳组成的混合物，之后由多个电磁波热能发生器10再将水、蒸汽、氮气和二氧化碳的混合物加热形成由蒸汽、氮气和二氧化碳组成的混相过热蒸汽，最后将该混相过热蒸汽直接喷入井下油层中，本发明能够在井下直接制造混相过热蒸汽，能避免蒸汽在井下传输过程中的热量损耗，提高了蒸汽的使用效率，且节能环保。

实施方式二

如图1至图5所示，本发明还提供一种井下燃烧制混相过热蒸汽的方法，该方法利用实施方式一中的井下燃烧制混相过热蒸汽装置，其中，井下燃烧制混相过热蒸汽装置的结构、工作原理和有益效果与实施方式一相同，在此不再赘述。该井下燃烧制混相过热蒸汽的方法包括如下步骤：

步骤A：向所述燃烧室73中通入燃料和助燃剂，向所述蒸汽腔74中通入空气和水。

具体地，向连续管2中的燃料管202中通入天然气，向连续管2中的助燃剂管203中通入液态氧，向连续管2的内腔204中通入水和空气。天然气通过燃料通道602进入燃烧室73，液态氧通过助燃剂通道603进入燃烧室73，水和空气通过多个通孔604进入蒸汽腔74，水和空气经过多个通孔604喷出后会形成雾状混合物。

步骤B：所述燃料和所述助燃剂在所述燃烧室73内燃烧后形成的火焰自所述火焰喷口75喷出，所述火焰将蒸汽腔74中的水加热，形成水、蒸汽、氮气和二氧化碳的混合物；

具体地，天然气和液态氧在混相蒸汽发生器7的燃烧室73中燃烧形成火焰，火焰从火焰喷口75中喷出，将蒸汽腔74中的水加热，形成水、蒸汽、氮气和二氧化碳的混合物。自火焰喷口75喷出的火焰，不但能加热蒸汽腔74中的水，其还可在蒸汽腔74中的空气中的氧气作用下得到更加充分的燃烧，空气中的氧气被消耗，剩下氮气和稀有气体等，由于稀有气体的含量极少，可忽略不计。

步骤C：开启多个所述电磁波热能发生器10，所述水、蒸汽、氮气和二氧化碳的混合物进入多个所述电磁波热能发生器10的加热通道2000中被加热，形成由蒸汽、氮气和二氧化碳组成的混相过热蒸汽并被喷出。

具体地，由水、蒸汽、氮气和二氧化碳组成的混合物在通过第一电磁波热能发生器111的加热通道1111和第二电磁波热能发生器112的加热通道1121时被二次加热，形成由蒸汽、氮气和二氧化碳组成的混相过热蒸汽并经过直喷尾管13的喷嘴131喷出。当第一电磁波热能发生器111和第二电磁波热能发生器112的功率为300Kw时，每天能产生20吨到30吨的混相过热蒸汽。

根据本发明的一个实施方式，在所述步骤A之前，向蒸汽腔74中注入氮气。具体地，向连续管2的内腔204中通入氮气，氮气经混相蒸汽发生器7的蒸汽腔74、多个电磁波热能发生器10的加热通道2000后注入井下各油层和近井地带，以达到清洗的目的。

本发明的井下燃烧制混相过热蒸汽的方法是在井下套管1内设置混相蒸汽发生器7和多个电磁波热能发生器10，混相蒸汽发生器7利用燃料和助燃剂燃烧后的火焰将水加热成蒸汽，而形成由水、蒸汽、氮气和二氧化碳组成的混合物，之后由多个电磁波热能发生器10再将水、蒸汽、氮气和二氧化碳的混合物加热形成由蒸汽、氮气和二氧化碳组成的混相过热蒸汽，最后将该混相过热蒸汽直接喷入井下油层中，本发明能够在井下直接制造混相过热蒸汽，能避免蒸汽在井下传输过程中的热量损耗，提高了蒸汽的使用效率，且节能环保。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。