一种超临界水热燃烧型井下多元热流体发生方法及装置

本发明属于稠油开采，具体涉及一种超临界水热燃烧型井下多元热流体发生方法及装置。

背景技术：

1、已发现的稠油油藏中，储层深度大于800m的稠油储量约占已探明储量的80％，约有一半油藏的埋深在1300～1700m。稠油与常规油气相比，不仅胶质、沥青质含量高，而且粘度和凝固点高，流动性较差，因此开采技术要比常规油气开发复杂的多，采收率相对也较小。但是稠油对温度极为敏感，每增加10℃，粘度就会降低一半。目前，油田主要通过地面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热采技术来开采稠油。然而，现有开采方式存在热损失大(地面装置及管线热损失、蒸汽注入井筒热损失)、油藏深度受限、地面装置占地面积大等问题。

2、多元热流体技术是一种利用气体(n2、co2)与蒸汽协同效应的原油开采技术，可在地下形成泡沫油，增加原油膨胀系数和原油流动性。具体表现在：1)高温多元热流体对油层加热，使稠油粘度显著降低；2)多元热流体中含有大量的n2和co2，气体在较高压力下溶解于原油可进一步降低原油粘度、提高原油膨胀系数，与原油相互作用形成泡沫油增加原油流动性；3)多元流体具有明显的增压作用；4)扩大波及体积，注入多元热流体后气体扩散形成高压区体积要明显大于注蒸汽的高压区，增压效果非常明显；5)减少油层热量损失，多元热流体中的n2和co2悬浮在油层上方，保持油层温度，减少热量散失。综上，产生的多元热流体(蒸汽、n2、co2等)兼具热力降粘、气体混相降粘作用，进而有效提高稠油采收率。超临界水热燃烧是指在超临界水(t＞374.1℃、p＞22.1mpa)环境中，达到一定浓度的燃料化合物，当温度高于其自燃温度时，与氧化剂混合后在超临界水中起燃而放出巨大的热量，形成水热火焰。超临界水热燃烧反应速率快，水热火焰温度高，可达到700～1100℃，进而燃料的燃烧效率高，可作为一种高效的能源获取手段；并且燃料在超临界水中的燃烧过程是分子之间的直接传热，换热效率高，因此超临界水热燃烧反应装置结构紧凑。

3、将超临界水热燃烧与多元热流体注汽技术相结合，将低温高压的燃料溶液与氧化剂注入燃烧装置，点燃燃料产生超临界水热火焰，并反应生成包含co2、h2o和n2的多元热流体直接注入油层用以稠油热采，可实现：1)发生器装置几何结构紧凑，满足井下空间受限要求；2)井下装置不受井深限制，适用于深层及超深层稠油开发；3)超临界水热燃烧装置无排烟损失，且避免了地面热损失及井筒散热损失，提高能量利用效率，减少燃料消耗。

4、超临界水热燃烧型井下多元热流体注汽技术，契合节能减排和保证能源安全的需求。工业化超临界水热燃烧型多元热流体发生装置的设计重点在于燃料的冷态着火以及大流量物料的稳定燃烧，并且产生目标参数的多元热流体。本发明提供了一种超临界水热燃烧型井下多元热流体发生装置，满足上述需求，为中、深油层的稠油开采提供了一种可行方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有注汽技术难以满足井下装置要求的难题，提供了一种超临界水热燃烧型多元热流体发生方法及装置，启动时通过小流量强制点火实现井下燃料的冷态着火，运行时通过对大流量物料轴向分级的方式来维持各级燃料的稳定氧化放热，在装置底部输入冷却调温水与设置降压透平，实现出口流体参数自调节，进而获得目标参数的多元热流体。

2、为达到以上目的，本发明提供一种超临界水热燃烧型井下多元热流体发生方法，设置ⅰ级燃烧区、ⅱ级燃烧区、ⅲ级反应区、ⅳ级反应区和ⅴ级掺混区，常温的ⅰ级燃料喷入ⅰ级燃烧区a1，在氧化剂辅助下发生超临界水热燃烧反应；ⅱ级燃料螺旋喷入ⅱ级燃烧区a2，快速与ⅰ级燃料的高温燃烧产物和剩余氧化剂混合，在氧化剂辅助下发生超临界水热燃烧反应；ⅲ级燃料喷入ⅲ级反应区a3，与上游ⅱ级燃料高温燃烧产物混合而加热至所需预热温度，在氧化剂辅助下发生快速超临界水氧化反应，快速升温；ⅳ级燃料喷入ⅳ级反应区a4，与上游ⅲ级燃料高温燃烧产物和剩余氧化剂混合而被加热至所需预热温度，在氧化剂辅助下发生快速超临界水氧化反应，快速升温；ⅴ级掺混水喷入ⅴ级掺混区a5，与上游ⅳ级燃料快速超临界水氧化高温产物掺混，产生高温高压的超临界多元热流体。

3、在ⅰ级燃烧区a1，通过强制点火方式起燃，产生高温超临界水，随后对下游各级反应区进行加热；待ⅰ级燃烧区a1、ⅱ级燃烧区a2、ⅲ级反应区a3和ⅳ级反应区a4被超临界水充满，建立起各级燃料稳定反应的初始条件后；喷入各级反应燃料和氧化剂，发生超临界水热燃烧反应和快速超临界水氧化反应，直至ⅰ级燃烧区a1、ⅱ级燃烧区a2、ⅲ级反应区a3和ⅳ级反应区a4达到正常运行工况的条件；ⅴ级掺混水流入ⅴ级掺混区a5，与上游高温反应流体混合，产生超临界多元热流体；待运行稳定后，通过热自燃方式实现ⅰ级燃料的冷态入射稳定燃烧，同时维持各级燃料的稳定反应过程，持续产生大流量的多元热流体。

4、利用液力透平降低反应区超临界多元热流体压力，液力透平带动刮刷装置转动冲刷反应室内壁。

5、同时提供一种超临界水热燃烧型井下多元热流体发生装置，包括依次连接的顶部端盖、上端盖、承压壁和底部端盖，其中，顶部端盖中设置有ⅰ级燃料点火器，上端盖内侧由外向内依次设置反应室三级螺旋壁和ⅰ级燃烧室螺旋冷却壁，反应室三级螺旋壁位于承压壁内侧；ⅰ级燃烧室螺旋冷却壁围成的区域为ⅰ级燃烧区a1，ⅰ级燃烧区a1下方依次为ⅱ级燃烧区a2、ⅲ级反应区a3、ⅳ级反应区a4和ⅴ级掺混区a5，反应室三级螺旋壁设置三条螺旋通道分别对应连通ⅲ级反应区a3、ⅳ级反应区a4、ⅴ级掺混区a5；顶部端盖设置有ⅰ级燃料的通道和ⅰ、ⅱ级氧化剂通道连通ⅰ级燃烧区a1，上端盖上开设分别对应连通三条螺旋通道的燃料入口；底部端盖开设多元热流体出口。

6、ⅰ级燃料点火器外侧设置芯管与内套筒，内套筒连接于顶部端盖内，ⅰ级燃烧室螺旋冷却壁连接于内套筒上，芯管下部侧壁沿圆周方向开有一圈斜孔，在芯管底部封闭端开设直径大于点火器接线柱直径的圆孔，所述斜孔与底部封闭端上的环形孔作为ⅰ级燃料喷入ⅰ级燃烧区a1的ⅰ级燃料入射口，顶部端盖上分别设有ⅰ级燃料进口n1和ⅰ、ⅱ级氧化剂进口n2，芯管内壁与点火器接线柱外壁之间的环形间隙形成ⅰ级燃料的通道，由芯管外壁和内套筒内壁之间的环形间隙形成ⅰ、ⅱ级氧化剂通道。

7、反应室三级螺旋壁外侧设置三条相互独立的螺旋通道作为ⅲ级燃料及氧化剂螺旋通道、ⅳ级燃料螺旋通道和ⅴ级掺混水螺旋通道；上端盖上设有ⅱ级燃料进口n3、ⅲ级燃料及氧化剂进口n4、ⅳ级燃料进口n5和ⅴ级掺混水进口n6，ⅱ级燃料进口n3与ⅰ级燃烧室螺旋冷却壁外壁上的螺旋通道连通，由ⅰ级燃烧室螺旋冷却壁外壁上的螺旋通道形成ⅱ级燃料的通道；ⅲ级燃料及氧化剂进口n4与ⅲ级燃料及氧化剂螺旋通道连通，ⅳ级燃料进口n5与ⅳ级燃料螺旋通道连通，ⅴ级掺混水进口n6与ⅴ级掺混水螺旋通道连通。

8、在ⅲ级燃料及氧化剂螺旋通道的最后一圈上开有若干通孔，作为ⅲ级燃料及氧化剂入射口，ⅲ级燃料及氧化剂螺旋通道在ⅲ级燃料及氧化剂入射口处停止，ⅰ级燃烧室螺旋冷却壁出口与ⅲ级燃料及氧化剂入射口之间的区域为ⅱ级燃烧区a2；在ⅳ级燃料螺旋通道的最后一圈上开有若干通孔，作为ⅳ级燃料入射口，ⅳ级燃料螺旋通道在ⅳ级燃料入射口处停止，ⅲ级燃料及氧化剂入射口与ⅳ级燃料入射口之间的区域为ⅲ级反应区a3；在ⅴ级掺混水螺旋通道底部开有若干阵列式小孔，作为ⅴ级掺混水入射口，ⅳ级燃料入射口与ⅴ级掺混水入射口之间形成了ⅳ级反应区a4，ⅴ级掺混水入射口所在区域至液力透平进口盖之间的区域为ⅴ级掺混区a5。

9、承压壁下部设置有旋转轴和液力透平进口盖；旋转轴穿过底部端盖中心，旋转轴中部穿过液力透平进口盖，旋转轴下部安装液力透平，液力透平进口盖上设置液力透平流体进口n7，旋转轴通过推力轴承分别与液力透平进口盖和底部端盖转动连接。

10、旋转轴上部安装有旋转刮刷。

11、供入ⅰ级燃烧区a1、ⅱ级燃烧区a2、ⅲ级反应区a3、ⅳ级反应区a4的燃料为甲醇或甲醇溶液、乙醇或乙醇溶液和原油或原油/水混合物中的任一种，供入ⅰ级燃烧区a1、ⅱ级燃烧区a2、ⅲ级反应区a3、ⅳ级反应区a4的燃料相同，ⅴ级掺混水进口n6供入的掺混水为油田废水或软化水。

12、与现有技术相比，本发明装置的优点具体表现在如下几个方面：

13、1)通过对ⅰ级燃料进行热面强制点火，可在启动阶段实现燃料的冷态入射稳定着火，目的在于在各级反应区内建立起超临界水环境，达到正常运行工况的稳定燃烧与氧化初始条件，这种点火方式无需额外的加热装置，克服了在热自燃点火的水热燃烧过程中存在的燃料临界预热温度限制，满足井下装置的冷态燃料着火要求；

14、2)本发明对燃料溶液与氧化剂进行轴向分级，在径向尺寸受限的反应室中：(1)使ⅰ、ⅱ级物料流速低于超临界水热燃烧的火焰波速度，并且采用高浓度燃料，使在运行过程中，保障冷态入射燃料的稳定燃烧；(2)将ⅲ、ⅳ级物料分别与上一级反应后高温产物混合而加热至快速超临界水氧化反应临界预热温度，并且使ⅲ、ⅳ级物料掺混后流速满足流速限制，发生快速超临界水氧化反应并放出热量，产生高温超临界流体。因此，将反应物料轴向分级，不仅可使各级物料在空间受限的井下装置中，符合维持稳定的超临界水快速放热反应的流速限制，而且通过逐级预热方式使各级物料满足相应反应的初始温度要求，保障燃料溶液的稳定水热燃烧与氧化，实现井下超临界水热燃烧型多元热流体发生装置的大流量化；保证正常运行过程中水热火焰稳定燃烧，未燃物料流速低于超临界压力条件下的火焰波速度，超临界水热燃烧的火焰波速度在0.01～0.1m/s范围内，而无火焰的快速超临界水氧化反应要求反应物料的流速在0.2～1m/s范围内。

15、3)通过在发生装置底部输入掺混水与配备降压透平，使出口混合介质依次降温降压至目标参数，实现多元热流体参数自调节。另外，利用降压透平的能量转换特性，使高压反应产物的压能转换为驱动旋转刮刷转动的动能，无需额外的驱动设备，而且克服了阀门降压方式带来的能量损失，提高能量利用效率。