井下混相熱流體發生器及其使用方法與流程
2023-09-19 19:39:45 1
本發明為一種井下混相熱流體發生器及其使用方法，涉及石油天然氣開採領域。
背景技術：
目前開採稠油的技術主要是熱力開採，熱力開採的方式主要有蒸汽吞吐和蒸汽驅兩種方法。這兩種方法均需在地面建設蒸汽站鍋爐，通過管線將高溫高壓蒸汽輸入井下，將地下高粘度的石油採出。這兩種方法的主要缺點有：
1.熱損耗大。它的熱損耗主要有：蒸汽站鍋爐和煙囪排放產生的熱損失約佔20％，蒸汽站至井口產生的熱損失約佔3％—20％(平均13％)，儘管在井筒內採取了許多隔熱措施，注蒸汽過程中井口至油層產生的熱損失約佔30％—40％之間，造成了巨大的能源浪費；為了減少環境汙染和井口至油層的熱損耗，美國石油工業規定在井深超過2500英尺(762米)時就不允許使用以上方式；但是全球95％的稠油儲藏都在2500英尺以下的地下；因此傳統的蒸汽吞吐和蒸汽驅方法對稠油的開採有著很大的局限性。
2.開採深度受限。由於注蒸汽過程中熱損失比較大，地面注蒸汽熱採技術在深度上受到限制，隨著油層深度的增加，注入油層內的蒸汽幹度隨之下降，個別極深地層作業時，地面蒸汽到油層時由於熱損失已經轉化為熱水，極大的增加了注蒸汽採油的難度。
3.開採周期長。蒸汽吞吐法的一個悶井周期通常在2—7天，整個開採周期在15天左右，且不能連續生產，需要反覆地注汽悶井，生產效率不高；蒸汽驅雖然可以進行連續開採，但是注入蒸汽的周期仍較長。
4.整個設備的可移動性差。蒸汽站鍋爐的安裝，需在地面上建造安裝基礎，蒸汽站鍋爐建立後難以移動，由於地面蒸汽產生設備龐大，在海上油田和一些邊際受限制的井場應用受到限制，因此難以適應不同油田現場的要求。
5.環境汙染嚴重。蒸汽站鍋爐排放的煙氣，含有大量的硫化物、氮氧化物、顆粒物等汙染物，不僅會帶來大量的熱損失，且對環境汙染較大。
6.井筒坍塌隱患。部分地層包含介於地表和油層之間的永久凍土帶，或油層處於溫度較低的海底，由地表注入的熱氣體可能會使套管及套管外壁地層增溫，從而導致永久凍土帶融化或使海底沉澱物中的氣體水化層融化，使得融化部位的地層膨脹，可能導致井筒坍塌。
針對現有技術中稠油熱採方法的不足，本發明的目的在於提供一種應用簡便、適應性強的井下混相熱流體發生器，以實現在目前稠油熱採技術基礎上提高稠油油藏採收率。
技術實現要素：
本發明實施例涉及一種井下混相熱流體發生器及其使用方法，井下混相熱流體發生器由頂部連接組件、燃燒組件、汽化組件、螺旋增壓組件和噴射組件組成，井下混相熱流體發生器可以增加不同類型油藏的原油、天然氣採收率。使用方法可以包括將一種或多種流體供應到發生器內部，在其內部燃料和氧化劑燃燒形成燃燒產物，並將水噴入燃燒產物中，形成混相熱流體，通過螺旋增壓組件和噴射組件將混相熱流體注入至油藏中，從而提高原油、天然氣採收率。
本發明實施例的有益效果在於：1)本發明通過向井下混相熱流體發生器提供氧化劑、燃料和冷卻水，在井下形成混相燃燒生成混相熱流體，並隨之注入油層中，混相熱流體中的高溫蒸汽和二氧化碳可以起到降低原油粘度、增加其流動性的作用，並對原油改質，減少原油中重質、膠質、瀝青質含量，使其更易於被採出，從而提高原油、天然氣採收率；2)本發明採油方法相對於蒸汽驅採油方法減少了井筒熱損失以及蒸汽對井筒的腐蝕，且工作時無燃燒尾氣排放，減少環境汙染；3)本發明相對於火燒油層採油方法，減少地面設施的體積，並且本方法相較火燒油層應用更為靈活，可適應不同地質條件的油藏，且在採油過程中可以隨時停注進行調整措施作業，而火燒油層採油方法停止注氣後恢復注氣需要重新進行地下點火操作；4)本方法可以應用於傳統採油方法難以動用的稠油、超稠油油藏一次採油或三次採油。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為井下混相熱流體發生器結構示意圖。
圖2為頂部連接組件上部分示意圖。
圖3為供給接口表面示意圖。
圖4為燃燒組件示意圖。
圖5為燃燒室示意圖。
圖6為內部燃料供給系統示意圖。
圖7為汽化組件示意圖。
圖8為汽化室示意圖。
圖9為螺旋增壓組件示意圖。
圖10為單向增壓閥示意圖。
圖11為噴射組件示意圖。
圖12為電點火器結構示意圖。
附圖標號：1、供給連接部件2、頂部連接擴張段3、螺栓孔4、防磨層5、連接接觸面6、供給管路入口7、供給接口表面8、氧化劑供給接口9、燃料供給接口10、冷卻水供給接口11、電纜接頭12、連接螺栓13、氧化劑通道14、燃料通道15、冷卻水通道16、燃燒室內壁17、燃料噴射口18、燃燒室19、電點火器20、燃燒組件外壁21、連接導管22、內置增壓歧管23、噴射導管24、燃燒產物通道25、水噴射口26、汽化室27、汽化組件外壁28、汽化組件接觸面29、增壓入口30、內部螺旋通道31、螺旋增壓組件外壁32、噴射口33、上定位套34、閥座35、閥頭36、閥體37、彈簧38、保護殼體39、鎖閉裝置40、單向閥內部連接處41、閥杆42、噴射空隙43、噴射通道44、單向閥鎖閉接口45、噴射罩體、46、側部導向孔47、下部導向孔48、電點火頭49、溫度傳感器50、絕緣隔層51、壓力傳感器52、絕緣接觸面53、緊固螺紋54、壓力傳感器電纜接頭55、電點火器電纜接頭56、溫度傳感器電纜接頭100、頂部連接組件200、燃燒組件300、汽化組件400、螺旋增壓組件500、噴射組件
具體實施方式
圖1為井下混相熱流體發生器結構示意圖。所述井下混相熱流體發生器包括頂部連接組件100、燃燒組件200、汽化組件300、螺旋增壓組件400和噴射組件500。頂部連接組件100通過螺栓連接於燃燒組件200上部，汽化組件300通過螺栓連接於燃燒組件200下部，螺旋增壓組件400通過螺栓連接於汽化組件300下部，噴射組件500通過螺栓連接於螺旋增壓組件400下部；所述頂部連接組件100、燃燒組件200、汽化組件300、螺旋增壓組件400和噴射組件500連接處的外徑由油井套管的內徑限定，所述井下混相熱流體發生器與套管呈同心分布。
頂部連接組件100由上、下兩部分組成，如圖2、圖3所示，所述供給連接部件1可通過螺栓和凸緣連接、螺紋連接、焊接連接或現有技術中公知的其他連接方式與井下混相熱流體發生器上一級的井下設備相連接，上一級井下設備可以是油管、封隔器、專用供給管線及其他井下設備，通過供給連接部件1實現對井下混相熱流體發生器供給管路的連接；所述頂部連接擴張段2與所述供給管路入口6相連接，頂部連接擴張段2內部內嵌氧化劑供給歧管、燃料供給歧管、冷卻水供給歧管、電纜保護管，所述內嵌式供給歧管的形狀是不固定的，可根據供給接口的改變而進行改變，所述供給歧管與地面輸出管線和所述供給接口表面7相連接；一個或多個氧化劑供給歧管、燃料供給歧管、冷卻水供給歧管和電纜保護管通過供給管路入口6與所述氧化劑供給接口8、燃料供給接口9、冷卻水供給接口10和電纜接頭11相連接，通過地面供給系統向所述發生器供給氧化劑、燃料、冷卻水和電；所述一個或多個氧化劑供給接口8、燃料供給接口9、冷卻水供給接口10和電纜接頭11位於供給接口表面7上；所述連接接觸面5與供給接口表面7通過螺栓孔3和連接螺栓12相連接；所述防磨層4位於發生器各組件連接處外壁，與油井中的套管內壁相接觸，發生器工作狀態時，由於其內部進行增壓燃燒，以及高壓噴射，會對發生器造成一定的震動，因此加設防磨層，可對發生器及套管起到一定的保護作用，其材質為耐高溫、耐腐蝕橡膠。
圖4為燃燒組件示意圖，氧化劑通道13位於燃燒組件200上部，與其上部的氧化劑供給接口8相連接，與其下部的燃燒室18相連接，氧化劑通過氧化劑供給接口8傳輸至氧化劑通道13進入燃燒室18；燃料通道14位於燃燒組件200上部，與其上部的燃料供給接口9相連接，燃料通過燃料供給接口9傳輸至燃料通道14進入燃燒室18；冷卻水通道15貫穿燃燒組件200，位於燃燒室18和燃燒組件外壁20之間，與其上部的冷卻水供給接口10相連接，冷卻水通過冷卻水供給接口10傳輸至冷卻水通道15起到冷卻燃燒組件200的作用，且一條或多條冷卻水通道貫穿燃燒組件200與汽化組件300相連接。
圖5為燃燒室示意圖，一個或多個燃料噴射口17位於燃燒室內壁16上，用於將燃料噴射至燃燒室18中，所述燃料噴射口17位於氧化劑通道13下遊，通過氧化劑通道13與所述燃燒室18相連接；所述電點火器19同樣位於燃燒室內壁16上，通過氧化劑通道13向燃燒室18供應氧化劑，通過燃燒噴射口17向燃燒室18供應燃料，並通過電點火器19進行電點火，在所述燃燒室18中形成高壓燃燒；通過改變燃料噴射速度、噴射量，可以進行優化包括方向、速度、液滴大小等噴射參數，以考慮在燃燒室18中改變火焰溫度、火焰形狀、燃燒產物排量等參數，以實現最佳燃燒性能平衡；所述電點火器19的供電電纜與電纜接頭11相連接，其中供電電纜位於燃燒室18與燃燒組件外壁20之間的電纜槽中。
所述燃燒室18可以為弧形、橢圓形、圓柱形及其他規則形狀，燃燒室內徑範圍為2-6英寸，以圖4為例，燃燒室18為橢圓形，橢圓形燃燒室18內部直徑的變化可以形成注入氧化劑的紊流或者駐渦效應，可有效增強燃燒室18中的流體混合，從而可以提供更完全的燃燒，增大燃燒效率。
通過調節所述燃燒室18所供應的氧化劑中氧的含量，或燃料類別、注入量，可以控制燃燒溫度，特別用於控制避免火焰溫度過高對燃燒室造成損傷；通過調節冷卻水注入量可以調節混相熱流體溫度、混相熱流體中蒸汽幹度。
圖6為內部燃料供給系統示意圖，所述燃料供給系統包括燃料供給接口9、燃料通道14、連接導管21、內置增壓歧管22、噴射導管23和燃料噴射口17；燃料通過燃料供給接口9注入燃料通道14，經由連接導管21進入內置增壓歧管22中進行增壓，通過噴射導管23傳輸至燃料噴射口17後進入燃燒室18；所述內置增壓歧管22布置在所述燃料供給通道14下遊，可以連接一個或多個燃料噴射口17；所述內置增壓歧管22內徑大於燃料供給通道14內徑，所述燃料供給通道14內徑大於燃料噴射口17內徑；所述燃料噴射口17布置在所述內置增壓歧管22下遊通過噴射導管23連接，所述燃料噴射口17為內嵌式孔型，孔型可以為圓形、三角形、正方形或其他形狀，所述噴射導管23與氧化劑通道13之間夾角在30°—60°範圍之間，通過夾角設計可避免氧化劑通道13流速過快造成火焰吹滅。
圖7為汽化組件示意圖，汽化組件300包括冷卻水通道15、汽化組件接觸面28、汽化室26、水噴射口25和汽化組件外壁27，汽化組件接觸面28與燃燒組件200底部通過螺栓孔3和連接螺栓12相連接；汽化室26位於汽化組件300內部，其上部為燃燒產物通道24，與燃燒室18下部出口相連接，其下部與螺旋增壓組件400入口相連接；一個或多個水噴射口25位於汽化室26內部，水噴射口25與冷卻水通道15相連接，通過冷卻水通道15將冷卻水傳輸至水噴射口25後噴入汽化室26，冷卻水在汽化室26中與燃燒產物接觸並汽化形成混相熱流體。
圖8為汽化室示意圖，汽化室26可以為弧形、橢圓形、圓柱形及其他規則形狀，汽化室內徑範圍為2-6英寸，一個或多個水噴射口25位於汽化室26內部，冷卻水通過冷卻水通道15經由連接導管21進入內置增壓歧管22中進行增壓，通過噴射導管23傳輸至水噴射口25後進入汽化室26；所述內置增壓歧管22布置在所述冷卻水通道15下遊，可以連接一個或多個水噴射口25；所述內置增壓歧管22內徑大於冷卻水通道15內徑，所述冷卻水通道15內徑大於噴射導管23內徑，所述噴射導管23內徑大於水噴射口25內徑；所述水噴射口25為內嵌式孔型，孔型可以為圓形、三角形、正方形或其他形狀；可以通過改變冷卻水通道25內冷卻水的注入量，進行優化包括方向、速度、大小及其他液滴噴射參數，以考慮在燃燒室18內火焰溫度、燃燒產物排量、蒸發距離等參數帶來的影響，以實現最佳性能平衡；所述冷卻水包括蒸餾水、去離子水、軟化水以及部分不產生水垢的油田汙水，以避免生成水垢堵塞水流通道。
圖9為螺旋增壓組件示意圖，螺旋增壓組件400與汽化組件300通過螺栓連接，螺旋增壓組件400包括增壓入口29、內部螺旋通道30、螺旋增壓組件外壁31和噴射口32，其中，一個或多個增壓入口29位於螺旋增壓組件400上部，與汽化室26出口相連接，用以將汽化室26內生成的混相熱流體注入內部螺旋通道30進行螺旋增壓；一條或多條內部螺旋通道30位於螺旋增壓組件400內部，內部螺旋通道30底部連接有一個或多個噴射口32，噴射口32連接有單向增壓閥向螺旋增壓組件400提供一定的反向壓力，使內部螺旋通道30中的混相熱流體達到一定壓力時才能經由噴射口32噴出。
圖10為單向增壓閥結構示意圖，所述單向閥包括上定位套33、閥座34、閥頭35、閥體36、彈簧37、保護殼體38、鎖閉裝置39、單向閥內部連接處40、閥杆41、噴射空隙42和噴射通道43，如圖10a所示，其中，所述上定位套33位於單向閥上部、閥體36內部，與其下部閥座34相連接；閥座34位於閥體36內部、上定位套33下部，為上窄下寬圓環體，與其下部閥頭35相接觸，閥頭35下部連接有彈簧37、保護殼體38和閥杆41，通過彈簧37向閥頭35提供向上彈力，使閥頭35與閥座34相接觸以形成單向流通和增壓效果；閥杆41通過銷連接至閥體36內部，固定在單向閥內部連接處40位置，所述鎖閉裝置39位於閥體36外部；如圖10b所示，噴射空隙42位於閥杆41與閥體36之間；如圖10c所示，鎖閉裝置39與單向閥鎖閉接口44相連接，用以將單向增壓閥與噴射口32相連接；所述混相熱流體經由內部螺旋通道30進入噴射口32，由其注入壓力推動閥頭35與閥座34之間產生空隙，經由噴射通道43進入噴射空隙42，閥座34、閥頭35、彈簧37、保護殼體38和閥杆41構成單流回壓系統，開啟方式為壓力開啟，上述單向增壓閥有兩個作用，一是在汽化室26內壓力小於地層壓力與彈簧壓力之和時，彈簧37將閥頭35頂起，閥頭35與閥座34接觸並形成密封，以防止井底流體上溢，二是，當汽化室26內壓力大於地層壓力與彈簧壓力之和，汽化室26內混相熱流體將閥頭35頂開，向油層中注入混相熱流體。
圖11為噴射組件示意圖，所述噴射組件500位於螺旋增壓組件400下部，通過螺栓連接，所述噴射組件500包括噴射罩體45、一個或多個側部導向孔46和一個或多個下部導向孔47；經噴射孔32噴出的混相熱流體進入噴射組件500，通過調整側部導向孔46、下部導向孔47的數量來調整混相熱流體注入油藏中的方向，以適應不同注入井型對注入方向的要求。
圖12為電點火器結構示意圖，所述電點火器19包括電點火頭48、溫度傳感器49、絕緣隔層50、壓力傳感器51、絕緣接觸面52、緊固螺紋53、壓力傳感器電纜接頭54、電點火器電纜接頭55和溫度傳感器電纜接頭56；所述電點火頭48位於絕緣隔層50內部，所述電點火頭48、絕緣隔層50、溫度傳感器49和壓力傳感器51位於絕緣接觸面52上部，所述絕緣接觸面52位於燃燒室內壁16表面；緊固螺紋53位於絕緣接觸面52、燃燒室內壁16下部，通過緊固螺紋53將電點火器19固定至燃燒室18內，壓力傳感器電纜接頭54、電點火器電纜接頭55和溫度傳感器電纜接頭56位於緊固螺紋53下部，並通過電纜與電纜接頭11相連接，其中電纜位於燃燒室18與燃燒組件外壁20之間的電纜槽中；所述溫度傳感器49和所述壓力傳感器51可將燃燒室18內溫度、壓力實時傳輸至地面接收，可實現對井下燃燒狀態實時監控。
井下混相熱流體發生器的整體或一部分可以由鈹銅、蒙乃爾合金、銅合金等耐高溫或彌散強化材料組成。
井下混相熱流體發生器可以轉換為清洗模式，用以防止發生器中的各種流體路徑或發生器下方的井孔發生堵塞，通過地面供給系統在氧化劑通道13、燃料通道14和冷卻水通道15中注入清洗劑，洗掉或衝洗在流體管路、管道、燃燒室18、汽化室26、內部螺旋通道30、噴射組件500中形成的水垢、積炭或其他堵塞物。
向所述井下混相熱流體發生器供應氧化劑包括空氣、富氧氣體、純氧氣、貧氧氣體的至少一種，燃燒室18內的燃燒溫度可以由氧化劑中氧含量來進行調節，油藏開發不同階段需要的混相熱流體溫度不同，在一個實施例中，某油藏開發初期通過加大氧化劑中氧的含量來提高混相熱流體溫度，開發中期氧化劑選擇空氣，燃燒溫度降低，開發後期選擇貧氧氣體再度降低燃燒溫度。
供應到井下混相熱流體發生器的燃料包括天然氣、甲烷、汽油、柴油或其他燃料，所述燃料可以與以下氣體中的一個或者多個組合：氮、二氧化碳或其他非反應性氣體；對燃料添加非反應性氣體可以降低燃燒溫度，由此來調節燃燒溫度；氣體添加還可以增加燃燒室18內燃燒壓力，並維持燃燒產物的輸出速度。
所述的冷卻水包括蒸餾水、去離子水、軟化水以及部分不產生水垢的油田汙水。
燃燒室18和汽化室26可以在2mpa至40mpa壓力區間工作；冷卻水可以在0.1噸/小時至2噸/小時的範圍內供應到發生器，由汽化室26生成的混相熱流體中蒸汽的幹度可以在20％至100％的範圍內；井下混相熱流體發生器噴射速度範圍為2000立方米/天至15000立方米/天；噴射出的混相熱流體溫度範圍為80攝氏度至350攝氏度；通過調整供給至發生器的氧化劑和燃料，使其噴射到油藏中的混相熱流體中殘餘氧含量控制在0.5％至1％。
井下混相熱流體發生器的長度範圍為2—5米，通過調節頂部連接組件100中的供給連接部件1，可使井下混相熱流體發生器與不同的井下設備相連接。
井下混相熱流體發生器內部氧化劑、燃料和冷卻水分別有獨立的運行通道，降低了管道腐蝕的風險，使井下混相熱流體發生器的工作壽命可達4年以上。
井下混相熱流體發生器的使用方法，依次向注入井中下入井下混相熱流體發生器、封隔器、供給管路，下入至預設位置後，將封隔器做封；向所述發生器供應燃料，氧化劑和冷卻水，燃料、氧化劑和冷卻水可以經由一個或多個管路供應至頂部連接組件100，燃料和氧化劑通過氧化劑通道13和燃料噴射口17進入燃燒室18內混合；位於燃燒室18中的電點火器19將混合後的氧化劑和燃料進行電點火，混合物點燃並在燃燒室18內燃燒以生成燃燒產物後輸入至汽化室26；冷卻水經由水進口10、冷卻水通道15、水噴射口25噴至汽化室26與燃燒產物混合形成混相熱流體；混相熱流體經由增壓入口29、內部螺旋通道30、噴射口32、噴射組件500進入油藏中，通過連接於噴射口32的單向回壓閥來控制注入壓力；混相熱流體在油藏以加熱、裂解的方式降低油藏內稠油的粘度，並從生產井將降粘後的原油採出。通過地面供給系統調節燃料、氧化劑、冷卻水的注入壓力、流率、成分來控制燃燒的速度、溫度以及混相熱流體的組分。
井下混相熱流體發生器可應用於不同沉積相油藏，包括陸相沉積、湖相沉積、海相沉積及其他沉積相油藏。
井下混相熱流體發生器可應用於不同井構造中，包括斜井、水平井、直井、叢式水平井及其他與油藏相連通的井。
井下混相熱流體發生器可應用於不同滲透率油藏，其滲透率範圍2md-3000md，在油田應用時，可與增產措施配套使用，包括調剖、堵水、酸化、壓裂及其他井下措施，在一個實施例中，某油藏存在嚴重的非均值性，在使用井下混相熱流體發生器之前，先對油藏進行調剖作業，有效避免了氣竄的發生。
儘管前述已經涉及本發明的實施例，但是本發明的其他和進一步的實施例可以在不脫離本發明的範圍的情況下實施，並且其範圍由權利要求書確定。
在此，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，但並不作為對本發明的限定。