井下混相热流体发生器及其使用方法与流程

本发明为一种井下混相热流体发生器及其使用方法，涉及石油天然气开采领域。

背景技术：

目前开采稠油的技术主要是热力开采，热力开采的方式主要有蒸汽吞吐和蒸汽驱两种方法。这两种方法均需在地面建设蒸汽站锅炉，通过管线将高温高压蒸汽输入井下，将地下高粘度的石油采出。这两种方法的主要缺点有：

1.热损耗大。它的热损耗主要有：蒸汽站锅炉和烟囱排放产生的热损失约占20％，蒸汽站至井口产生的热损失约占3％—20％(平均13％)，尽管在井筒内采取了许多隔热措施，注蒸汽过程中井口至油层产生的热损失约占30％—40％之间，造成了巨大的能源浪费；为了减少环境污染和井口至油层的热损耗，美国石油工业规定在井深超过2500英尺(762米)时就不允许使用以上方式；但是全球95％的稠油储藏都在2500英尺以下的地下；因此传统的蒸汽吞吐和蒸汽驱方法对稠油的开采有着很大的局限性。

2.开采深度受限。由于注蒸汽过程中热损失比较大，地面注蒸汽热采技术在深度上受到限制，随着油层深度的增加，注入油层内的蒸汽干度随之下降，个别极深地层作业时，地面蒸汽到油层时由于热损失已经转化为热水，极大的增加了注蒸汽采油的难度。

3.开采周期长。蒸汽吞吐法的一个闷井周期通常在2—7天，整个开采周期在15天左右，且不能连续生产，需要反复地注汽闷井，生产效率不高；蒸汽驱虽然可以进行连续开采，但是注入蒸汽的周期仍较长。

4.整个设备的可移动性差。蒸汽站锅炉的安装，需在地面上建造安装基础，蒸汽站锅炉建立后难以移动，由于地面蒸汽产生设备庞大，在海上油田和一些边际受限制的井场应用受到限制，因此难以适应不同油田现场的要求。

5.环境污染严重。蒸汽站锅炉排放的烟气，含有大量的硫化物、氮氧化物、颗粒物等污染物，不仅会带来大量的热损失，且对环境污染较大。

6.井筒坍塌隐患。部分地层包含介于地表和油层之间的永久冻土带，或油层处于温度较低的海底，由地表注入的热气体可能会使套管及套管外壁地层增温，从而导致永久冻土带融化或使海底沉淀物中的气体水化层融化，使得融化部位的地层膨胀，可能导致井筒坍塌。

针对现有技术中稠油热采方法的不足，本发明的目的在于提供一种应用简便、适应性强的井下混相热流体发生器，以实现在目前稠油热采技术基础上提高稠油油藏采收率。

技术实现要素：

本发明实施例涉及一种井下混相热流体发生器及其使用方法，井下混相热流体发生器由顶部连接组件、燃烧组件、汽化组件、螺旋增压组件和喷射组件组成，井下混相热流体发生器可以增加不同类型油藏的原油、天然气采收率。使用方法可以包括将一种或多种流体供应到发生器内部，在其内部燃料和氧化剂燃烧形成燃烧产物，并将水喷入燃烧产物中，形成混相热流体，通过螺旋增压组件和喷射组件将混相热流体注入至油藏中，从而提高原油、天然气采收率。

本发明实施例的有益效果在于：1)本发明通过向井下混相热流体发生器提供氧化剂、燃料和冷却水，在井下形成混相燃烧生成混相热流体，并随之注入油层中，混相热流体中的高温蒸汽和二氧化碳可以起到降低原油粘度、增加其流动性的作用，并对原油改质，减少原油中重质、胶质、沥青质含量，使其更易于被采出，从而提高原油、天然气采收率；2)本发明采油方法相对于蒸汽驱采油方法减少了井筒热损失以及蒸汽对井筒的腐蚀，且工作时无燃烧尾气排放，减少环境污染；3)本发明相对于火烧油层采油方法，减少地面设施的体积，并且本方法相较火烧油层应用更为灵活，可适应不同地质条件的油藏，且在采油过程中可以随时停注进行调整措施作业，而火烧油层采油方法停止注气后恢复注气需要重新进行地下点火操作；4)本方法可以应用于传统采油方法难以动用的稠油、超稠油油藏一次采油或三次采油。

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为井下混相热流体发生器结构示意图。

图2为顶部连接组件上部分示意图。

图3为供给接口表面示意图。

图4为燃烧组件示意图。

图5为燃烧室示意图。

图6为内部燃料供给系统示意图。

图7为汽化组件示意图。

图8为汽化室示意图。

图9为螺旋增压组件示意图。

图10为单向增压阀示意图。

图11为喷射组件示意图。

图12为电点火器结构示意图。

附图标号：1、供给连接部件2、顶部连接扩张段3、螺栓孔4、防磨层5、连接接触面6、供给管路入口7、供给接口表面8、氧化剂供给接口9、燃料供给接口10、冷却水供给接口11、电缆接头12、连接螺栓13、氧化剂通道14、燃料通道15、冷却水通道16、燃烧室内壁17、燃料喷射口18、燃烧室19、电点火器20、燃烧组件外壁21、连接导管22、内置增压歧管23、喷射导管24、燃烧产物通道25、水喷射口26、汽化室27、汽化组件外壁28、汽化组件接触面29、增压入口30、内部螺旋通道31、螺旋增压组件外壁32、喷射口33、上定位套34、阀座35、阀头36、阀体37、弹簧38、保护壳体39、锁闭装置40、单向阀内部连接处41、阀杆42、喷射空隙43、喷射通道44、单向阀锁闭接口45、喷射罩体、46、侧部导向孔47、下部导向孔48、电点火头49、温度传感器50、绝缘隔层51、压力传感器52、绝缘接触面53、紧固螺纹54、压力传感器电缆接头55、电点火器电缆接头56、温度传感器电缆接头100、顶部连接组件200、燃烧组件300、汽化组件400、螺旋增压组件500、喷射组件

具体实施方式

图1为井下混相热流体发生器结构示意图。所述井下混相热流体发生器包括顶部连接组件100、燃烧组件200、汽化组件300、螺旋增压组件400和喷射组件500。顶部连接组件100通过螺栓连接于燃烧组件200上部，汽化组件300通过螺栓连接于燃烧组件200下部，螺旋增压组件400通过螺栓连接于汽化组件300下部，喷射组件500通过螺栓连接于螺旋增压组件400下部；所述顶部连接组件100、燃烧组件200、汽化组件300、螺旋增压组件400和喷射组件500连接处的外径由油井套管的内径限定，所述井下混相热流体发生器与套管呈同心分布。

顶部连接组件100由上、下两部分组成，如图2、图3所示，所述供给连接部件1可通过螺栓和凸缘连接、螺纹连接、焊接连接或现有技术中公知的其他连接方式与井下混相热流体发生器上一级的井下设备相连接，上一级井下设备可以是油管、封隔器、专用供给管线及其他井下设备，通过供给连接部件1实现对井下混相热流体发生器供给管路的连接；所述顶部连接扩张段2与所述供给管路入口6相连接，顶部连接扩张段2内部内嵌氧化剂供给歧管、燃料供给歧管、冷却水供给歧管、电缆保护管，所述内嵌式供给歧管的形状是不固定的，可根据供给接口的改变而进行改变，所述供给歧管与地面输出管线和所述供给接口表面7相连接；一个或多个氧化剂供给歧管、燃料供给歧管、冷却水供给歧管和电缆保护管通过供给管路入口6与所述氧化剂供给接口8、燃料供给接口9、冷却水供给接口10和电缆接头11相连接，通过地面供给系统向所述发生器供给氧化剂、燃料、冷却水和电；所述一个或多个氧化剂供给接口8、燃料供给接口9、冷却水供给接口10和电缆接头11位于供给接口表面7上；所述连接接触面5与供给接口表面7通过螺栓孔3和连接螺栓12相连接；所述防磨层4位于发生器各组件连接处外壁，与油井中的套管内壁相接触，发生器工作状态时，由于其内部进行增压燃烧，以及高压喷射，会对发生器造成一定的震动，因此加设防磨层，可对发生器及套管起到一定的保护作用，其材质为耐高温、耐腐蚀橡胶。

图4为燃烧组件示意图，氧化剂通道13位于燃烧组件200上部，与其上部的氧化剂供给接口8相连接，与其下部的燃烧室18相连接，氧化剂通过氧化剂供给接口8传输至氧化剂通道13进入燃烧室18；燃料通道14位于燃烧组件200上部，与其上部的燃料供给接口9相连接，燃料通过燃料供给接口9传输至燃料通道14进入燃烧室18；冷却水通道15贯穿燃烧组件200，位于燃烧室18和燃烧组件外壁20之间，与其上部的冷却水供给接口10相连接，冷却水通过冷却水供给接口10传输至冷却水通道15起到冷却燃烧组件200的作用，且一条或多条冷却水通道贯穿燃烧组件200与汽化组件300相连接。

图5为燃烧室示意图，一个或多个燃料喷射口17位于燃烧室内壁16上，用于将燃料喷射至燃烧室18中，所述燃料喷射口17位于氧化剂通道13下游，通过氧化剂通道13与所述燃烧室18相连接；所述电点火器19同样位于燃烧室内壁16上，通过氧化剂通道13向燃烧室18供应氧化剂，通过燃烧喷射口17向燃烧室18供应燃料，并通过电点火器19进行电点火，在所述燃烧室18中形成高压燃烧；通过改变燃料喷射速度、喷射量，可以进行优化包括方向、速度、液滴大小等喷射参数，以考虑在燃烧室18中改变火焰温度、火焰形状、燃烧产物排量等参数，以实现最佳燃烧性能平衡；所述电点火器19的供电电缆与电缆接头11相连接，其中供电电缆位于燃烧室18与燃烧组件外壁20之间的电缆槽中。

所述燃烧室18可以为弧形、椭圆形、圆柱形及其他规则形状，燃烧室内径范围为2-6英寸，以图4为例，燃烧室18为椭圆形，椭圆形燃烧室18内部直径的变化可以形成注入氧化剂的紊流或者驻涡效应，可有效增强燃烧室18中的流体混合，从而可以提供更完全的燃烧，增大燃烧效率。

通过调节所述燃烧室18所供应的氧化剂中氧的含量，或燃料类别、注入量，可以控制燃烧温度，特别用于控制避免火焰温度过高对燃烧室造成损伤；通过调节冷却水注入量可以调节混相热流体温度、混相热流体中蒸汽干度。

图6为内部燃料供给系统示意图，所述燃料供给系统包括燃料供给接口9、燃料通道14、连接导管21、内置增压歧管22、喷射导管23和燃料喷射口17；燃料通过燃料供给接口9注入燃料通道14，经由连接导管21进入内置增压歧管22中进行增压，通过喷射导管23传输至燃料喷射口17后进入燃烧室18；所述内置增压歧管22布置在所述燃料供给通道14下游，可以连接一个或多个燃料喷射口17；所述内置增压歧管22内径大于燃料供给通道14内径，所述燃料供给通道14内径大于燃料喷射口17内径；所述燃料喷射口17布置在所述内置增压歧管22下游通过喷射导管23连接，所述燃料喷射口17为内嵌式孔型，孔型可以为圆形、三角形、正方形或其他形状，所述喷射导管23与氧化剂通道13之间夹角在30°—60°范围之间，通过夹角设计可避免氧化剂通道13流速过快造成火焰吹灭。

图7为汽化组件示意图，汽化组件300包括冷却水通道15、汽化组件接触面28、汽化室26、水喷射口25和汽化组件外壁27，汽化组件接触面28与燃烧组件200底部通过螺栓孔3和连接螺栓12相连接；汽化室26位于汽化组件300内部，其上部为燃烧产物通道24，与燃烧室18下部出口相连接，其下部与螺旋增压组件400入口相连接；一个或多个水喷射口25位于汽化室26内部，水喷射口25与冷却水通道15相连接，通过冷却水通道15将冷却水传输至水喷射口25后喷入汽化室26，冷却水在汽化室26中与燃烧产物接触并汽化形成混相热流体。

图8为汽化室示意图，汽化室26可以为弧形、椭圆形、圆柱形及其他规则形状，汽化室内径范围为2-6英寸，一个或多个水喷射口25位于汽化室26内部，冷却水通过冷却水通道15经由连接导管21进入内置增压歧管22中进行增压，通过喷射导管23传输至水喷射口25后进入汽化室26；所述内置增压歧管22布置在所述冷却水通道15下游，可以连接一个或多个水喷射口25；所述内置增压歧管22内径大于冷却水通道15内径，所述冷却水通道15内径大于喷射导管23内径，所述喷射导管23内径大于水喷射口25内径；所述水喷射口25为内嵌式孔型，孔型可以为圆形、三角形、正方形或其他形状；可以通过改变冷却水通道25内冷却水的注入量，进行优化包括方向、速度、大小及其他液滴喷射参数，以考虑在燃烧室18内火焰温度、燃烧产物排量、蒸发距离等参数带来的影响，以实现最佳性能平衡；所述冷却水包括蒸馏水、去离子水、软化水以及部分不产生水垢的油田污水，以避免生成水垢堵塞水流通道。

图9为螺旋增压组件示意图，螺旋增压组件400与汽化组件300通过螺栓连接，螺旋增压组件400包括增压入口29、内部螺旋通道30、螺旋增压组件外壁31和喷射口32，其中，一个或多个增压入口29位于螺旋增压组件400上部，与汽化室26出口相连接，用以将汽化室26内生成的混相热流体注入内部螺旋通道30进行螺旋增压；一条或多条内部螺旋通道30位于螺旋增压组件400内部，内部螺旋通道30底部连接有一个或多个喷射口32，喷射口32连接有单向增压阀向螺旋增压组件400提供一定的反向压力，使内部螺旋通道30中的混相热流体达到一定压力时才能经由喷射口32喷出。

图10为单向增压阀结构示意图，所述单向阀包括上定位套33、阀座34、阀头35、阀体36、弹簧37、保护壳体38、锁闭装置39、单向阀内部连接处40、阀杆41、喷射空隙42和喷射通道43，如图10a所示，其中，所述上定位套33位于单向阀上部、阀体36内部，与其下部阀座34相连接；阀座34位于阀体36内部、上定位套33下部，为上窄下宽圆环体，与其下部阀头35相接触，阀头35下部连接有弹簧37、保护壳体38和阀杆41，通过弹簧37向阀头35提供向上弹力，使阀头35与阀座34相接触以形成单向流通和增压效果；阀杆41通过销连接至阀体36内部，固定在单向阀内部连接处40位置，所述锁闭装置39位于阀体36外部；如图10b所示，喷射空隙42位于阀杆41与阀体36之间；如图10c所示，锁闭装置39与单向阀锁闭接口44相连接，用以将单向增压阀与喷射口32相连接；所述混相热流体经由内部螺旋通道30进入喷射口32，由其注入压力推动阀头35与阀座34之间产生空隙，经由喷射通道43进入喷射空隙42，阀座34、阀头35、弹簧37、保护壳体38和阀杆41构成单流回压系统，开启方式为压力开启，上述单向增压阀有两个作用，一是在汽化室26内压力小于地层压力与弹簧压力之和时，弹簧37将阀头35顶起，阀头35与阀座34接触并形成密封，以防止井底流体上溢，二是，当汽化室26内压力大于地层压力与弹簧压力之和，汽化室26内混相热流体将阀头35顶开，向油层中注入混相热流体。

图11为喷射组件示意图，所述喷射组件500位于螺旋增压组件400下部，通过螺栓连接，所述喷射组件500包括喷射罩体45、一个或多个侧部导向孔46和一个或多个下部导向孔47；经喷射孔32喷出的混相热流体进入喷射组件500，通过调整侧部导向孔46、下部导向孔47的数量来调整混相热流体注入油藏中的方向，以适应不同注入井型对注入方向的要求。

图12为电点火器结构示意图，所述电点火器19包括电点火头48、温度传感器49、绝缘隔层50、压力传感器51、绝缘接触面52、紧固螺纹53、压力传感器电缆接头54、电点火器电缆接头55和温度传感器电缆接头56；所述电点火头48位于绝缘隔层50内部，所述电点火头48、绝缘隔层50、温度传感器49和压力传感器51位于绝缘接触面52上部，所述绝缘接触面52位于燃烧室内壁16表面；紧固螺纹53位于绝缘接触面52、燃烧室内壁16下部，通过紧固螺纹53将电点火器19固定至燃烧室18内，压力传感器电缆接头54、电点火器电缆接头55和温度传感器电缆接头56位于紧固螺纹53下部，并通过电缆与电缆接头11相连接，其中电缆位于燃烧室18与燃烧组件外壁20之间的电缆槽中；所述温度传感器49和所述压力传感器51可将燃烧室18内温度、压力实时传输至地面接收，可实现对井下燃烧状态实时监控。

井下混相热流体发生器的整体或一部分可以由铍铜、蒙乃尔合金、铜合金等耐高温或弥散强化材料组成。

井下混相热流体发生器可以转换为清洗模式，用以防止发生器中的各种流体路径或发生器下方的井孔发生堵塞，通过地面供给系统在氧化剂通道13、燃料通道14和冷却水通道15中注入清洗剂，洗掉或冲洗在流体管路、管道、燃烧室18、汽化室26、内部螺旋通道30、喷射组件500中形成的水垢、积炭或其他堵塞物。

向所述井下混相热流体发生器供应氧化剂包括空气、富氧气体、纯氧气、贫氧气体的至少一种，燃烧室18内的燃烧温度可以由氧化剂中氧含量来进行调节，油藏开发不同阶段需要的混相热流体温度不同，在一个实施例中，某油藏开发初期通过加大氧化剂中氧的含量来提高混相热流体温度，开发中期氧化剂选择空气，燃烧温度降低，开发后期选择贫氧气体再度降低燃烧温度。

供应到井下混相热流体发生器的燃料包括天然气、甲烷、汽油、柴油或其他燃料，所述燃料可以与以下气体中的一个或者多个组合：氮、二氧化碳或其他非反应性气体；对燃料添加非反应性气体可以降低燃烧温度，由此来调节燃烧温度；气体添加还可以增加燃烧室18内燃烧压力，并维持燃烧产物的输出速度。

所述的冷却水包括蒸馏水、去离子水、软化水以及部分不产生水垢的油田污水。

燃烧室18和汽化室26可以在2mpa至40mpa压力区间工作；冷却水可以在0.1吨/小时至2吨/小时的范围内供应到发生器，由汽化室26生成的混相热流体中蒸汽的干度可以在20％至100％的范围内；井下混相热流体发生器喷射速度范围为2000立方米/天至15000立方米/天；喷射出的混相热流体温度范围为80摄氏度至350摄氏度；通过调整供给至发生器的氧化剂和燃料，使其喷射到油藏中的混相热流体中残余氧含量控制在0.5％至1％。

井下混相热流体发生器的长度范围为2—5米，通过调节顶部连接组件100中的供给连接部件1，可使井下混相热流体发生器与不同的井下设备相连接。

井下混相热流体发生器内部氧化剂、燃料和冷却水分别有独立的运行通道，降低了管道腐蚀的风险，使井下混相热流体发生器的工作寿命可达4年以上。

井下混相热流体发生器的使用方法，依次向注入井中下入井下混相热流体发生器、封隔器、供给管路，下入至预设位置后，将封隔器做封；向所述发生器供应燃料，氧化剂和冷却水，燃料、氧化剂和冷却水可以经由一个或多个管路供应至顶部连接组件100，燃料和氧化剂通过氧化剂通道13和燃料喷射口17进入燃烧室18内混合；位于燃烧室18中的电点火器19将混合后的氧化剂和燃料进行电点火，混合物点燃并在燃烧室18内燃烧以生成燃烧产物后输入至汽化室26；冷却水经由水进口10、冷却水通道15、水喷射口25喷至汽化室26与燃烧产物混合形成混相热流体；混相热流体经由增压入口29、内部螺旋通道30、喷射口32、喷射组件500进入油藏中，通过连接于喷射口32的单向回压阀来控制注入压力；混相热流体在油藏以加热、裂解的方式降低油藏内稠油的粘度，并从生产井将降粘后的原油采出。通过地面供给系统调节燃料、氧化剂、冷却水的注入压力、流率、成分来控制燃烧的速度、温度以及混相热流体的组分。

井下混相热流体发生器可应用于不同沉积相油藏，包括陆相沉积、湖相沉积、海相沉积及其他沉积相油藏。

井下混相热流体发生器可应用于不同井构造中，包括斜井、水平井、直井、丛式水平井及其他与油藏相连通的井。

井下混相热流体发生器可应用于不同渗透率油藏，其渗透率范围2md-3000md，在油田应用时，可与增产措施配套使用，包括调剖、堵水、酸化、压裂及其他井下措施，在一个实施例中，某油藏存在严重的非均值性，在使用井下混相热流体发生器之前，先对油藏进行调剖作业，有效避免了气窜的发生。

尽管前述已经涉及本发明的实施例，但是本发明的其他和进一步的实施例可以在不脱离本发明的范围的情况下实施，并且其范围由权利要求书确定。

在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。