专利名称：高压高温蒸汽氮气二氧化碳发生器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及石油开采设备，特别涉及石油热力开采中使用一种高压高 温蒸汽氮气二氧化碳燃烧发生器。该燃烧发生器利用高压柴油、空气通过燃 烧，并与水热交换产生高压高温蒸汽氮气二氧化碳混合气体(复合热载体)， 直接注入油层用于热力开采中质稠油、特稠油、高凝油和高粘稀油等油藏。
技术背景在石油开采领域中，由于中质稠油、特稠油、高凝油和高粘稀油等油藏中 含有胶质、沥青质和蜡质，呈高粘度、高流阻状态，无法进行有效的机械抽 油泵冷采，必须采用热力开采技术，即将高压高温复合热栽体注入井下油层， 通过加温降低油藏粘度，进行活化驱动，通过加压(特别是注入氮气)补充 油层压力，产生增排效应，从而提高采油驱动力，实现高效率开采稠油。传统热力开采是将地面制氮车制出的氮气注入油层，然后将地面锅炉所产 生的高压高温蒸汽注入井下油层。这种方法利用氮气产生压力、利用蒸汽产 生热量来实现有效开采，即蒸汽吞吐热力开采。但是，长期的实践证明这种 热采方式存在许多不足，比如热损失大，设备及生产成本高，原油开采效率 低，环境污染大，特别是整套设备的移动性差，难以适应油井分散作业的要求。为了克服上述不足，中国专利于1999年12公告了一件名称为《热力采 油复合气体注气装置》，专利号为9823卯70,X和2004年11月10日公告了 一 件名称为《石油热采混合气注气装置》，专利号为03278103.2的实用新型专利。 上述两件专利是吸收俄罗斯热采技术而研制的，旨在克服锅炉水蒸汽热采的 缺陷和局限性，并取得了可喜的效果，但实践证明上述专利技术尚存在设计 和配置上的许多不足，比如燃烧的效果较差；混合气体中过剩氧大；燃烧室 中燃烧栽体温度低；汽化水量低混合气体中热量小；注入油层后潜热效果差； 热量流失大等，使采油效果增产幅度小，热采周期短，设备在高背压情况下 油枪、火花塞经常烧毁，大量水垢堵塞回流缩孔和汽化水喷孔，设备不能长 时间稳定运行。于是本申请人于2004年12月29日向国家知识产^专利局 申请了一件名称为《多功能高压高效燃烧器》，专利号为200420054883.6的实 用新型专利。该专利与上述两件专利相比，不论在技术上，还是在效果、成 本、节能等方面都取得了很大进步，但是这种装置在实际应用中也存在以下 不足1、燃烧室通往汽化室(热交换室)的缩孔难以承受长时间高速气流的
冲刷，导致孔径变大，减少了可燃气体的回流，从而引起点火困难；2、燃烧 室的内衬与吸热水套紧贴相连，导致燃烧室外泄热量较大；3、由于燃烧室外 泄热量大，导致吸热水套中的水温高，容易产生水塘堵塞汽化杯的喷水孔， 使设备无法长时间正常运行；4、因后段的消音变流室(膨胀室)缺少隔热保 温措施，金属外壳外泄的热量比较大，不仅热量流失严重，而且壳体内350 ■C的气体容易引起操作人员烫伤事故。 发明内容本实用新型的目的从改进结构的角度，设计了一种结构合理、安全可靠、 使用寿命长，而且更加先进的高效、节能型高压高温蒸汽氮气二氧化碳发生 器，以克服上述不足。为达到上述目的，本实用新型釆用的技术方案是 一种高压高温蒸汽氮气 二氧化M生器，在壳体内沿轴向设置耐火衬套、内團、消音变流器依次构 成一个前段的燃烧室、中段的汽化室和后段的消音变流室，燃烧室尾部与汽 化室头部相通，汽化室尾部通过变流孔与消音变流室相通，消音变流室与发 生器尾部的喷汽口相通；燃烧室头部设有油枪、空气喷孔和火花塞作用于燃 烧室，其中，油枪位于燃烧室头部中央的轴线方向上，油枪的喷嘴处设有雾 化器，空气喷孔环绕轴线呈锥形分布，其射流方向与燃油喷射方向在前方交 叉汇集，形成油气分离式喷射二次雾化结构；汽化室内壁上设有一组汽化水 喷孔；耐火衬套与壳体之间从内到外依次设有防裂套、保温层、吸热水套， 该吸热水套的出口与一组汽化水喷孔连通；燃烧室尾部与汽化室头部设有耐 磨喷嘴，耐磨喷嘴上设置变径回流喷射孔连通燃烧室与汽化室。上述技术方案中的有关内容解释如下1、 上述方案中，为了延长火花塞的使用寿命，可以在火花塞与火花塞安 装孔之间设置环形间隙，环形间隙朝燃烧室开放，空气喷孔的供气通道设有 分路与该环形间隙连通，以此形成火花塞风冷保护结构。这样在工作时火花 塞头部形成一圏气幕，对火花塞进行保护。2、 上述方案中，为了对燃烧室头部的迎火盘进行冷却，可以在迎火面壁 内设有吸热水腔，该吸热水腔的进口与冷却水供给端连接，出口与燃烧室壁 间的吸热水套进口连接。这样可以使迎火盘的冷却水与燃烧室壁间的冷却水 组成串联结构。3、 上述方案中，为了调控通过汽化水喷孔进入汽化室的汽化水量，可以 将一组汽化水喷孔经控制阀门另接一增补水进口。 一般情况下，控制阃门关
闭，当需要增补汽化水时，可以打开控制阀通过增补水进口增补汽化水。4、 上述方案中，所述吸热水套由套体外缘周向所设的螺旋型水槽与壳体 内壁配合形成。5、 上述方案中，为了消除噪音，提高膨胀效果，汽化室与消音变流室之 间设有消音变流器，该消音变流器为一革体结构，軍体上设有若干变流孔， 变流孔沿罩体外侧切向倾斜布置。这样既能起到消音作用，又能通过变流孔 将燃气与蒸汽进一步混合并膨胀。6、 上述方案中，为了减少热量损失以及防止烫伤事故，可以在消音变流 室对应的壳体上设置保温层。本实用新型工作原理是高压燃油由油枪喷入，在油枪头部枳械雾化器的 作用下，使燃油由液状转变成高压、高速旋转的油雾进入燃烧室。在燃烧室 内， 一次雾化的燃油与注入的高压空气撞击实现二次雾化，经火花塞点火后， 使注入燃油与注入空气混合成的可燃气在燃烧室内进行高压、高速燃烧，并 以音速从变径回流喷射孔喷入汽化室。在汽化室内，经燃烧室头部吸热水腔 和燃烧室壁间冷却水通道的冷却水通过汽化水喷孔注入后，与变径回流喷射 孔喷出的高温栽体热交换，完成燃烧、吸热、热交换的全部过程，然后再经 消音变流室膨胀后产生高温高压复合热载体，最后由喷汽口排出。由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点1、 本实用新型将配置的高压柴油、高压空气、高压水资源组织在发生器 的燃烧室中直接燃烧，并在汽化室中进行热交换，使上述资源全部转化成有 效体积注入油井，可迅速补充、提高油井地层压力，配置资源有效率达到 100%,使油井获得采油必备的势能要素。2、 本实用新型高压燃油注入油枪后经机械雾化器进行一次雾化后，进入 燃烧室与注入的高压空气撞击实现二次雾化，使燃油中的液碳与空气中的氧 气完全混合，油气比例达到l: ll的最高值，燃烧后的高温栽体中过剩氧小于 0.2%,因此最大限度的应用了配置气源的有效率。3、 本实用新型燃烧室由耐2300*€高温且导热系数小的耐火材料氧化锆钢 玉合成，并在专用模具中高压成型，提高密度，为可燃油气提供保温燃烧的 良好环境。由于油气在燃烧室中燃烧成1800X:以上的超高温栽体，使投入的 燃油达到最高的发热量，当载体与水交换到300X:时，汽化水量达到l: 30的 最大量，大大提高了复合热载体中过热蒸汽的量和热焓值，从而提高了携带 热量在油层中的降粘、活化、驱动效果和潜热效果。
4、 本实用新型将燃油与空气采用分离式注入方式，而且汇聚点位亍迎火 面前方，因此在背压高的时候，燃烧中心不会紧靠燃烧室头部的迎火面，从 而克服了现有技术容易被烧熔的缺陷，使油枪和火花塞的使用寿命延长。5、 本实用新型利用空气喷射在火花塞周围设计了一种风冷保护结构，该 结构工作时在火花塞头部形成一圏气幕，对火花塞进行保护，因此延长了火 花塞的使用寿命。6、 本实用新型燃烧室外壁设有防裂金属套，有效地制止了燃烧室耐火村 套因高压高温爆燃造成的裂变和粉碎，提高了衬套的使用寿命。7、 本实用新型燃烧室防裂套与吸热水套中间增设隔热保温层有效地减少 了燃烧室热量的外泄，大大降低吸热水的水温，杜绝了水垢生成。8、 本实用新型将汽化水先送到燃烧室头部迎火面壁内的吸热水腔，对燃 烧室头部的迎火盘进行冷却，然后再送入燃烧室壁间的吸热水套，对燃烧室 壳体进行冷却，最后将这些吸热后的冷却水通过汽化水喷孔喷入汽化室进行 再利用。这样一方面发挥了水流的冷却作用，另一方面其冷却时吸收的热量 充分得到利用。9、 本实用新型通过耐磨喷嘴上的变径回流喷射孔连通燃烧室与汽化室， 一方面提高了变径回流喷射孔的耐磨性和使用寿命，杜绝汽化室热交换后的 气流回流到燃烧室，保证燃烧环境，另一方面使燃烧室内混合后的可燃气体 产生回流，由室壁回流到点火区，为火花塞点火提供必要条件。10、 本实用新型汽化室尾部连接消音变流器，该消音变流器上设有若干倾 斜的加旋孔(变流孔)，使复合热载体混合消音，最终促4吏气流呈高压、高速 旋转状注入油井。11、 本实用新型后段外壳设置了加厚隔热保温层，既减少了金属外壳传热 造成的热量流失，又杜绝了烫伤事故的发生。
附图1为本实用新型结构剖视图； 附图2为图l燃烧室头部结构放大图； 附图3为图1中段部分结构放大图。以上附图中1、进油口； 2、油枪；3、火花塞；4、汽化水进口； 5、空 气进口； 6、吸热水腔；7、空气腔；8、空气喷孔；9、汽化水进口； 10、增 补水进口； 11、组合头；12、前段筒体；13、后段筒体；14、后段外套管；15、 雾化片；16、燃烧室；17、汽化室；18、消音变流室；19、变流孔；20、吸 热水套；21、保温层；22、防裂套；23、耐火衬套；24、变径回流喷射孔； 25、耐磨喷嘴；26、汽化杯；27、汽化水喷孔；28、保温层；29、喷汽口； 30、 内團；31、消音变流器；32、迎火盘。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述实施例参见图1 图3所示， 一种高压高温蒸汽氮气二氧化碳发生器，由 组合头11、前段筒体12和后段筒体13组成一个筒形壳体，筒形壳体的尾部 为喷汽口 29。筒形壳体内部由迎火盘32、耐火衬套23、汽化杯26、内團30以及消音变 流器31在轴向构成一个前段的燃烧室16、中段的汽化室17和后段的消音变 流室18。燃烧室16尾部与汽化室17头部通过耐磨喷嘴25上的变径回流喷射 孑L 24相通，汽化室17尾部与消音变流室18头部通过消音变流器31上的若 干个变流孔19 (加旋孔)相通，消音变流室18与发生器尾部的喷汽口 29相 通。组合头11上设有油枪2、空气进口 5、汽化水进口4和火花塞3，其中， 油枪2位于组合头11中央的轴线方向上，并穿入迎火盘32作用于燃烧室16, 油枪2的喷嘴处设有雾化片15。空气进口 5通过空气腔7连通空气喷孔8， 空气喷孔8环绕组合头11轴线呈锥形分布，其射流方向与燃油喷射方向在前 方交叉汇集，形成油气分离式喷射二次雾化结构。火花塞3通过安装孔与燃 烧室16相通，火花塞3与火花塞安装孔之间设置环形间隙，环形间隙朝燃烧 室16开放，空气喷孔8的供气通道设有分路与该环形间隙连通，以此形成火 花塞风冷保护结构。工作时在火花塞3头部形成一團气幕，对火花塞进行保 护。为了对燃烧室16头部的迎火盘32进行冷却，在迎火面壁内设有吸热水 腔6，汽化水进口 4连通吸热水腔6，吸热水腔6的出口与燃烧室16壁间的 吸热水套20进口连接(图中未画出)。耐火衬套23与前段筒体12之间从内到外依次设有防裂套22、保温层21、 吸热水套20。吸热水套20的进口为汽化水进口 9,该汽化水进口9与吸热水 腔6的出口通过管道连接(图中未画出)，吸热水套20的出口与一组汽化水 喷孔27连通， 一組汽化水喷孔27设在汽化杯26上，并与汽化室17相通。 所述吸热水套20由套体外缘周向所设的螺旋型7JC槽与前段筒体12内壁配合 形成。为了调控通过汽化水喷孔27进入汽化室17的汽化水量，将一组汽化 水喷孔27经控制阀门另接一增补水进口 10, —般情况下，控制阀门关闭，当 需要增补汽化水时，可以打开控制阀通过增补水进口增补汽化水。汽化室17与消音变流室18之间设有消音变流器31，消音变流器31为一 罩体结构，軍体上设有若千变流孔19，变流孔19沿軍体外侧切向倾斜布置。 为了减少消音变流室18热量损失以及防止烫伤事故，可以在消音变流室18 对应的后段筒体13外设置保温层28，保温层28外再设一后段外套管14。本实施例工作时，高压燃油与高压空气分别从进油口l和空气进口注入， 其中，高压燃油经雾化片15进行一次雾化后，然后与注入的高压空气撞击实 现二次雾化。在火花塞3点火后燃油在空气中燃烧并形成高温、高压的气体， 经变径回流喷射孔24进入汽化室17,与汽化水喷孔27注入的7K相遇，水吸 热汽化变为蒸汽，两者在汽化室17混合变为复合热栽体(高温高压蒸汽、氮 气、二氧化碳混合气体)，再经消音变流器31变流孔19 (加旋孔)进一步混 合并膨胀，并逐步旋转加速，最后经尾部喷汽口 29排出。冷却水从组合头11上的汽化水进口 4进入吸热水腔6，然后通过汽化水进 口 9进入吸热水套中的螺旋型水槽，对燃烧室16进行冷却，最后通过汽化水 喷孔27进入汽化室17变为蒸汽。上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此 项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实 用新型的保护范围。凡才艮据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都 应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1、一种高压高温蒸汽氮气二氧化碳发生器，在壳体内沿轴向设置耐火衬套[23]、内圈[30]、消音变流器[31]依次构成一个前段的燃烧室[16]、中段的汽化室[17]和后段的消音变流室[18]，燃烧室[16]尾部与汽化室[17]头部相通，汽化室[17]尾部通过变流孔[19]与消音变流室[18]相通，消音变流室[18]与发生器尾部的喷汽口[29]相通；燃烧室[16]头部设有油枪[2]、空气喷孔[8]和火花塞[3]作用于燃烧室[16]，其中，油枪[2]位于燃烧室[16]头部中央的轴线方向上，油枪[2]的喷嘴处设有雾化器，空气喷孔[8]环绕轴线呈锥形分布，其射流方向与燃油喷射方向在前方交叉汇集，形成油气分离式喷射二次雾化结构；汽化室[17]内壁上设有一组汽化水喷孔[27]；其特征在于耐火衬套[23]与壳体之间从内到外依次设有防裂套[22]、保温层[21]、吸热水套[20]，该吸热水套[20]的出口与一组汽化水喷孔[27]连通；燃烧室[16]尾部与汽化室[17]头部设有耐磨喷嘴[25]，耐磨喷嘴[25]上设置变径回流喷射孔[24]连通燃烧室[16]与汽化室[17]。
2、 根据权利要求1所述的发生器，其特征在于所述火花塞[3与火花塞 安装孔之间设置环形间隙，环形间隙朝燃烧室161开放，空气喷孔8的供气通 道设有分路与该环形间隙连通，以此形成火花塞风冷保护结构。
3、 根据权利要求1所述的发生器，其特征在于所述燃烧室[161头部迎火 面壁内设有吸热水腔问，该吸热水腔问的进口与冷却水供给端连接，出口与 燃烧室161壁间的吸热水套201进口连接。
4、 根据权利要求1所述的发生器，其特征在于所述一组汽化水喷孔[27
经控制阀门另接一增补水进口 [101。
5、 根据权利要求l所述的发生器，其特征在于所述吸热水套20由套体 外缘周向所设的螺旋型水槽与壳体内壁配合形成。
6、 根据权利要求1所述的发生器，其特征在于所述消音变流器31为一 罩体结构，軍体上设有若千变流孔[191,变流孔[19沿罩体外侧切向倾斜布置。
7、 4艮据权利要求1所述的发生器，其特征在于所述消音变流室[18!对应 的壳体上设置保温层[281。
专利摘要一种高压高温蒸汽氮气二氧化碳发生器，在壳体内沿轴向设置耐火衬套、内圈、消音变流器依次构成一个前段的燃烧室、中段的汽化室和后段的消音变流室，燃烧室头部设有油枪、空气喷孔和火花塞作用于燃烧室，空气射流方向与燃油喷射方向在前方交叉汇集形成二次雾化；汽化室内壁上设有一组汽化水喷孔；其特征在于耐火衬套与壳体之间从内到外依次设有防裂套、保温层、吸热水套，该吸热水套的出口与一组汽化水喷孔连通；燃烧室尾部与汽化室头部设有耐磨喷嘴，耐磨喷嘴上设置变径回流喷射孔连通燃烧室与汽化室。本方案系针对同类产品缺点而改进的第三代产品，利用高压柴油、空气通过燃烧，并与水热交换产生高压高温复合热载体，直接注入油层用于热力开采中质稠油、特稠油、高凝油和高粘稀油等油藏。
文档编号E21B43/16GK201053311SQ20072003999
公开日2008年4月30日 申请日期2007年6月8日 优先权日2007年6月8日
发明者杨文俊 申请人:杨文俊