本发明属于稠油开采技术领域，特别涉及一种用于稠油热采的超临界水热燃烧型井下蒸汽发生器。
背景技术：
目前油田上主要采用在地面利用注汽锅炉产生蒸汽，注入井下结合蒸汽吞吐、蒸汽驱和蒸汽辅助重力泄油(sagd)三种稠油热采技术开采稠油，以上方式主要存在以下瓶颈，(1)热损失大。地面蒸汽发生装置的排烟损失约20％，地面输气管线热损失约15％，注入井筒热损失每千米约10％，整体热效率低；(2)油藏深度受限。除蒸汽吞吐的应用深度达到1800米，采收率较高的蒸汽驱和sagd技术主要应用深度在1200米以内的油藏中。(3)地面蒸汽发生装置占地面积大。无法布置于空间受限的海上石油开采平台，限制了海上稠油的开采。
超临界水热燃烧是指燃料或者一定浓度的有机废物与氧化剂在超临界水(t≥374.15℃且p≥22.12mpa)环境中发生剧烈氧化反应的一种新型燃烧方式，其火焰即为超临界水热火焰。超临界水热火焰通常为800℃以上，水热火焰区局部高温将显著加速有机物降解(100毫秒内可完成降解绝大多数有机物)，释放大量热量，甚至可以作为能源获取的一种手段。该燃烧方式其具有多项显著优势，(1)具有毫秒级反应速率。(2)反应器换热效率高、结构紧凑，尤其适合作为井下蒸汽的来源。(3)反应产物只有co2和水蒸气，无污染，且co2可活性降粘，进一步改善开发效果，实现产物的100％利用。多元热流体采油技术是指将燃料和氧化剂注入井下多元热流体发生器，在高压密闭环境中燃烧使水气化，利用气体(n2和co2)与蒸汽的协同效应，通过气体溶解降粘、气体增压、加热降粘和气体辅助原油重力驱等机理来开采原油的一种技术。相比于传统地面锅炉注气，该技术具有污染小、热效率高、采收率高等优势。
将多热流体采油技术与超临界水热燃烧技术结合形成的超临界水热燃烧型井下蒸汽发生技术，可以实现更高的稠油采收率和安全性，不受井深限制，解放大量油层，完美解决中深层稠油开发，克服传统锅炉产生蒸汽方式所带来的高能耗和高污染难题。超临界水热燃烧型井下蒸汽发生技术的成功应用离不开超临界水热燃烧型井下蒸汽发生器的研发设计，主要是因为油井内空间有限，反应器需要在一定的体积下实现稳定燃烧一级良好的控温控压，保证安全稳定运行。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于稠油热采的超临界水热燃烧型井下蒸汽发生器，旨在解决注气锅炉在稠油热采注蒸汽过程中的能耗较高、污染较大问题，通过将多元热流体采油技术与超临界水热燃烧技术相结合，从而实现直接在地层内高效产生蒸汽，避免了蒸汽输送过程中的热量损失，为深井、超深井以及海上稠油开采提供了一种切实可行的采油手段。本发明具体指一种井下蒸汽发生器，为从地面输送而来的高压燃料和氧化剂提供反应环境，并同时允许冷却水进入，实现冷却功能的同时产生高温水蒸气。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于稠油热采的超临界水热燃烧型井下蒸汽发生器，主要由顶部端盖、中部端盖、回流稳燃区外壳、主反应区外壳和掺混区外壳依次连接装配组成，其中，顶部端盖上设有旋流器燃料入口和轴向的加热棒，加热棒插入孔贯穿中部端盖中心，中部端盖上设有主燃孔射流燃料入口、主燃孔射流氧化剂入口、冷却水入口和旋流喷嘴，旋流喷嘴与旋流器燃料入口连通，回流稳燃区外壳内侧周向包裹复合螺旋壁，底端设有主燃喷嘴结构，主反应区外壳内壁为螺旋冷却壁，底端设有出口小孔，掺混区外壳底端设有掺混区外壳出口，所述复合螺旋壁有内、中、外三个螺旋通道，主燃孔射流氧化剂入口通过内螺旋通道、主燃孔射流燃料入口通过中螺旋通道，接通主燃喷嘴结构，冷却水入口通过外螺旋通道接通螺旋冷却壁，最终在旋流喷嘴与主燃喷嘴结构之间形成回流稳燃区，在主燃喷嘴结构与出口小孔之间形成主反应区，在出口小孔与掺混区外壳出口之间形成掺混区。
本发明进一步改进在于，在回流稳燃区顶部旋流喷嘴四周布置有耐火材料制成的环形稳燃壁，环形稳燃壁自上向下整体呈喇叭状。
本发明进一步改进在于，所述螺旋冷却壁包裹主反应区，主反应区外壳的底部收缩封闭并设有诸多呈一定角度的出口小孔，以作为高温反应后流体的喷出通道。
本发明进一步改进在于，所述冷却水入口连通掺混区外壳与螺旋冷却壁之间的空隙，冷却水经螺旋冷却壁出口19呈螺旋状喷出，进而与高温反应后流体混合产生蒸汽。
本发明进一步改进在于，在装置内部设有多种节流控压结构：经旋流器燃料入口进入的一级燃料与一级氧化剂混合后经突扩结构的环形稳燃壁进入回流稳燃区；螺旋冷却壁底部收口封闭并开有多个呈一定角度的出口小孔；掺混区外壳底部为收口结构。
本发明进一步改进在于，所述主燃喷嘴结构处于上部的复合螺旋壁和下部的螺旋冷却壁之间，其上开有两排环孔，上排环孔是氧化剂主燃孔，下排环孔是燃料主燃孔；上排环孔与复合螺旋壁内螺旋通道接通，下排环孔与复合螺旋壁中螺旋通道接通，两排环孔的中心线交汇于一点，且交点位于主反应区。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、一体式燃烧-控压：装备内部设有多种节流控压结构，既保证了针对水热燃烧需要保持在超临界压力以上，反应器内部做了多项调整：螺旋冷却壁底部收口密封，只开有多个小孔，保证高温产物与冷却水混合；掺混区外壳同样做了收口处理。
2、安全性高：复合冷却壁分离燃料、氧化剂和冷却水三种物料的同时，吸收燃烧释放的热量进行预热，既节约了能量，又达到了保护反应器的目的，防止反应器高温烧毁甚至爆炸，克服了常规多元热流体发生器在应用过程中遇到的安全问题。
3、火焰稳定性好：反应器内燃料流和氧化剂流各分为两级，旋流器燃料用于点火及稳燃，主燃孔射流燃料用于释放能量蒸发冷却水；中部端盖靠近旋流喷嘴处固定有耐火材料，用于燃烧过程中吸收热量稳定燃烧；反应器顶部安装有大功率加热棒，在反应器工作过程中保持开启，实现对物料的一定程度预热；喷嘴结构可更换为其他类型喷嘴，保证燃料与氧化剂充分混合反应。
4、热效率高：将井下蒸汽发生器放至井底固定后，燃料和氧化剂经水热燃烧反应后，释放的大量热量可直接蒸发冷却水，实现直接在地层内高效产生蒸汽，避免了蒸汽输送过程中的热量损失，为深井、超深井以及海上稠油开采提供了一种切实可行的采油装置。
附图说明
图1为本发明的示意图。
其中：a1-回流稳燃区、a2-主反应区、1-旋流器燃料入口、2-主燃孔射流燃料入口、3-固定螺栓、4-螺旋冷却壁、5-加热棒、6-顶部端盖、7-主燃孔射流氧化剂入口、8-冷却水入口、9-中部端盖、10-旋流喷嘴、11-环形稳燃壁、12-回流稳燃区外壳、13-复合螺旋壁、14-主燃喷嘴结构、15-主反应区外壳、16-掺混区外壳、17-螺旋冷却壁出口小孔、18-掺混区外壳出口。
图2为超临界水热火焰发生器的局部(上部)放大图。
图3为超临界水热火焰发生器的局部(下部)放大图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1、图2和图3所示，本发明一种用于稠油热采的超临界水热燃烧型井下蒸汽发生器，主要由顶部端盖6、中部端盖9、回流稳燃区外壳12、主反应区外壳15和掺混区外壳16以固定螺栓3依次连接装配组成。
其中，顶部端盖6上设有旋流器燃料入口1和轴向的加热棒5，加热棒5插入孔贯穿中部端盖9中心，中部端盖9上设有主燃孔射流燃料入口2、主燃孔射流氧化剂入口7、冷却水入口8和旋流喷嘴10，旋流喷嘴10与旋流器燃料入口1连通，进一步可在旋流喷嘴10四周布置有耐火材料制成的环形稳燃壁11，环形稳燃壁11自上向下整体呈喇叭状。旋流喷嘴10可采用螺旋喷嘴，其结构中的燃料部分和氧化剂部分均可更换实现配合。
回流稳燃区外壳12内侧周向包裹复合螺旋壁13，底端设有主燃喷嘴结构14，复合螺旋壁13采用三层复合机构，有内、中、外三个螺旋通道。主燃喷嘴结构14处于上部的复合螺旋壁13和下部的螺旋冷却壁4之间，其上开有两排环孔，上排环孔是氧化剂主燃孔，下排环孔是燃料主燃孔；上排环孔与复合螺旋壁13内螺旋通道接通，下排环孔与复合螺旋壁13中螺旋通道接通，两排环孔的中心线交汇于一点。
主反应区外壳15内壁包裹螺旋冷却壁4，以卡槽形式固定，底部收缩封闭并设有诸多呈一定角度的出口小孔17，以作为高温反应后流体的喷出通道。掺混区外壳16底端设有掺混区外壳出口18。
主燃孔射流氧化剂入口7通过复合螺旋壁13的内螺旋通道、主燃孔射流燃料入口2通过复合螺旋壁13的中螺旋通道，接通主燃喷嘴结构14，冷却水入口8通过复合螺旋壁13的外螺旋通道接通掺混区外壳16与螺旋冷却壁4之间的空隙，冷却水经螺旋冷却壁出口19呈螺旋状喷出，进而与高温反应后流体混合产生蒸汽。
最终，在旋流喷嘴10与主燃喷嘴结构14之间形成回流稳燃区a1，在主燃喷嘴结构14与出口小孔17之间形成主反应区a2，在出口小孔17与掺混区外壳出口18之间形成掺混区a3，回流稳燃区a1、主反应区a2和掺混区a3是蒸汽发生器内部的三个主要功能区域，环形稳燃壁11位于回流稳燃区a1顶部，主反应区a2则由螺旋冷却壁4包裹，主燃喷嘴结构14的两排环孔的中心线交点位于主反应区a2。
本发明蒸汽发生器内部涉及了多种节流控压结构：经旋流器燃料入口1进入的一级燃料与一级氧化剂混合后经突扩结构的环形稳燃壁11进入回流稳燃区a1；螺旋冷却壁4底部收口封闭并开有多个呈一定角度的出口小孔17；掺混区外壳16底部为收口结构。
根据以上结构，本发明的启动方式：首先启动大功率加热棒，对从旋流器燃料入口1进入的一级燃料进行初步预热，此时控制流量尽可能低。经由旋流喷嘴10雾化喷出的一级燃料与螺旋状喷出的一级氧化剂在环形稳燃壁11附近混合反应，实现着火。较高流量的二级燃料和二级氧化剂分别经由主燃孔射流燃料入口2和主燃孔射流氧化剂入口7流经复合螺旋壁13，从主燃喷嘴结构14喷出后，汇聚一点发生反应，燃烧后大量放热。冷却水经由冷却水入口8进入发生器，通过螺旋冷却壁4实现对主反应区a2的控温，最后从掺混区外壳16与螺旋冷却壁4之间的空隙中流出，与高温反应物混合，从而大量产生高温蒸汽，得到的高温蒸汽最后从掺混区外壳出口18喷出。
综上，本发明通过将多元热流体采油技术与超临界水热燃烧技术相结合，实现了直接在地层内高效产生蒸汽，避免了蒸汽输送过程中的热量损失，为深井、超深井以及海上稠油开采提供了高效节能型稠油热采装备，解决了传统注汽锅炉在井下稠油热采过程中的能耗较高、污染较大问题，为从地面输送而来的高压燃料和氧化剂提供反应环境，并同时允许冷却水进入，实现冷却功能的同时于井下产生高温水蒸汽，达到稠油高效热采的目的。
技术特征：
1.一种用于稠油热采的超临界水热燃烧型井下蒸汽发生器，其特征在于，主要由顶部端盖(6)、中部端盖(9)、回流稳燃区外壳(12)、主反应区外壳(15)和掺混区外壳(16)依次连接装配组成，其中，顶部端盖(6)上设有旋流器燃料入口(1)和轴向的加热棒(5)，加热棒(5)插入孔贯穿中部端盖(9)中心，中部端盖(9)上设有主燃孔射流燃料入口(2)、主燃孔射流氧化剂入口(7)、冷却水入口(8)和旋流喷嘴(10)，旋流喷嘴(10)与旋流器燃料入口(1)连通，回流稳燃区外壳(12)内侧周向包裹复合螺旋壁(13)，底端设有主燃喷嘴结构(14)，主反应区外壳(15)内壁为螺旋冷却壁(4)，底端设有出口小孔(17)，掺混区外壳(16)底端设有掺混区外壳出口(18)，所述复合螺旋壁(13)有内、中、外三个螺旋通道，主燃孔射流氧化剂入口(7)通过内螺旋通道、主燃孔射流燃料入口(2)通过中螺旋通道，接通主燃喷嘴结构(14)，冷却水入口(8)通过外螺旋通道接通螺旋冷却壁(4)，最终在旋流喷嘴(10)与主燃喷嘴结构(14)之间形成回流稳燃区(a1)，在主燃喷嘴结构(14)与出口小孔(17)之间形成主反应区(a2)，在出口小孔(17)与掺混区外壳出口(18)之间形成掺混区(a3)。
2.根据权利要求1所述用于稠油热采的超临界水热燃烧型井下蒸汽发生器，其特征在于，在回流稳燃区(a1)顶部旋流喷嘴(10)四周布置有耐火材料制成的环形稳燃壁(11)，环形稳燃壁(11)自上向下整体呈喇叭状。
3.根据权利要求1所述用于稠油热采的超临界水热燃烧型井下蒸汽发生器，其特征在于，所述螺旋冷却壁(4)包裹主反应区(a2)，主反应区外壳(15)的底部收缩封闭并设有诸多呈一定角度的出口小孔(17)，以作为高温反应后流体的喷出通道。
4.根据权利要求3所述用于稠油热采的超临界水热燃烧型井下蒸汽发生器，其特征在于，所述冷却水入口(8)连通掺混区外壳(16)与螺旋冷却壁(4)之间的空隙，冷却水经螺旋冷却壁出口(19)呈螺旋状喷出，进而与高温反应后流体混合产生蒸汽。
5.根据权利要求1所述用于稠油热采的超临界水热燃烧型井下蒸汽发生器，其特征在于，在装置内部设有多种节流控压结构：经旋流器燃料入口(1)进入的一级燃料与一级氧化剂混合后经突扩结构的环形稳燃壁(11)进入回流稳燃区(a1)；螺旋冷却壁(4)底部收口封闭并开有多个呈一定角度的出口小孔(17)；掺混区外壳(16)底部为收口结构。
6.根据权利要求1所述用于稠油热采的超临界水热燃烧型井下蒸汽发生器，其特征在于，所述主燃喷嘴结构(14)处于上部的复合螺旋壁(13)和下部的螺旋冷却壁(4)之间，其上开有两排环孔，上排环孔是氧化剂主燃孔，下排环孔是燃料主燃孔；上排环孔与复合螺旋壁(13)内螺旋通道接通，下排环孔与复合螺旋壁(13)中螺旋通道接通，两排环孔的中心线交汇于一点，且交点位于主反应区(a2)。
技术总结
一种用于稠油热采的超临界水热燃烧型井下蒸汽发生器，主要由顶部端盖、中部端盖、回流稳燃区外壳、主反应区外壳和掺混区外壳依次连接装配组成，顶部端盖上设有旋流器燃料入口和加热棒，加热棒插入孔贯穿中部端盖中心，中部端盖上设有主燃孔射流燃料入口、主燃孔射流氧化剂入口、冷却水入口和旋流喷嘴，旋流喷嘴与旋流器燃料入口连通，回流稳燃区外壳内侧周向包裹复合螺旋壁，底端设有主燃喷嘴结构，主反应区外壳内壁为螺旋冷却壁，主燃孔射流氧化剂入口、主燃孔射流燃料入口、冷却水入口分别通过复合螺旋壁的内、中、外通道连通主燃喷嘴结构以及通螺旋冷却壁，本发明实现了直接在地层内高效产生蒸汽，避免了蒸汽输送过程中的热量损失。
技术研发人员：王树众;崔成超;李艳辉;蒋卓航;徐海涛;任萌萌
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：.10.22
技术公布日：.01.03
