Brevet FR2513357A1 — publié le 19830325

La présente invention concerne des dispositifs d'allumage et plus particulièrement des dispositifs d'allumage pour brûleurs à pulsation. L'intérêt apporté dans les techniques de récupé- ration thermique pour la récupération d'huiles brutes visqueuses, la possibilité de conversion sur place du charbon, etc, ont amené à s'intéresser à des brûleurs capables de fonctionner dans des couches à des profondeurs allant jusqu'à plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de mètres. Un brûleur pouvant fonctionner à de telles profondeurs est décrit dans les documents GB A - l 254 452 et 1 254 453 Le brûleur selon ces documents présente un mode de fonctionnement pulsé et comprend une chambre de combustion avec des parois internes grossièrement rugueu- ses ainsi qu'un système d'entrée d'oxygène/combustible gazeux qui présente une faible résistance à l'écoulement gazeux et qui est prévu pour mélanger le combustible et l'oxygène à une extrémité de la chambre de combustion, de sorte que, pendant l'utilisation du brûleur, il se produit une série d'ondes d'explosion par un allumage répété d'un mélange explosif amené dans la chambre de combustion. A des pressions de l'ordre de la pression atmos- phérique, l'allumage du brûleur est relativement direct, et des techniques habituelles à basse tension peuvent être utilisées Toutefois, aux pressions plus élevées que l'on rencontre dans les couches des forages profonds et qui peuvent être de l'ordre de 200 bars, et lorsqu'on utilise des matières combustibles moins volatiles, les techniques habituelles d'allumage par étincelles peuvent ne pas convenir du fait que ces dernières ne procurent pas la durée et la fiabilité nécessaires des caractéristiques. De même, la récupération de l'outillage descendu dans le forage pour une réparation ou un entretien du dispositif d'allumage présente un inconvénient en plus du surcoût impliqué La présente invention concerne un dispositif d'allumage perfectionné pouvant être utilisé avec un brûleur présentant un mode de fonctionnement pulsé. La présente invention concerne ainsi un brûleur présentant un mode de fonctionnement pulsé et comprenant une chambre de combustion pour brûler de manière périodi- que des charges successives et séparées d'une matière combustible amenée de manière continue vers la chambre de combustion, un système d'entrée pour de la matière combustible et pour un gaz contenant de l'oxygène afin d'amener de manière continue la matière combustible vers la chambre de combustion, et une chambre supplémentaire présentant des parois internes rendues au moins partielle- ment rugueuses et reliées à l'amont de la chambre de combustion, ladite chambre supplémentaire présentant une source d'allumage et un système d'entrée pour de la matière combustible et pour un gaz contenant de l'oxygène de sorte que, pendant l'utilisation du brûleur, un allumage périodi- que de charges successives et séparées de gaz combustible dans la chambre supplémentaire produise des ondes de déto- nation ou de combustion à déplacement rapide capables d'enflammer les charges successives et séparées de la matière combustible dans la chambre de combustion. Le dispositif d'allumage peut, par exemple, être une bougie de type usuel, une bougie à semiconducteur ou une bougie à jet de plasma La réalisation et le fonc- tionnement des dispositifs d'allumage à bougie à jet de plasma sont décrits dans les documents GB-A-i 310 499, US-A-3 842 818, US-A-3 842 819 et US-A-3 911 307. La matière combustible de la chambre supplémen- taire ou d'allumage est, de préférence, de l'hydrogène et peut, avantageusement, être produite en faisant passer de l'hydrogène et de l'air dans une tête mélangeuse adjacente au dispositif d'allumage. La chambre supplémentaire ou d'allumage dont les parois internes sont rugueuses, présente, de préférence, la forme d'un tube long Les parois internes peuvent être rendues rugueuses de diverses façons Ainsi, par exemple, une tige ou barre spiralée, de préférence en métal, peut être fixée aux parois internes de la chambre, les parois de la chambre peuvent présenter des rainures, ou encore une rugosité aléatoire peut être imposée aux parois internes de la chambre La chambre peut présenter des parois partiellement rugueuses, la zone rugueuse étant de préfé- rence adjacente au dispositif d'allumage. La longueur de la chambre est réglée pour produire une onde de détonation ou de combustion présentant une caractéristique de combustion appropriée et une énergie d'allumage convenable par exemple de l'ordre de 2 000 mètres /seconde compatible avec un allumage fiable du mélange matière combustible/oxygène dans la chambre principale de combustion La large gamme de fonctionnement de la chambre d'allumage est d'une importance particulière du fait que le brûleur présente un mode de fonctionnement pulsé conçu pour fonctionner avec de nombreuses matières com- bustibles, chaque matière combustible présentant des exigences d'allumage d'énergie différente Ainsi, une onde de plus grande énergie est nécessaire pour allumer un mélange méthane/air que pour allumer un mélange hydrogène/air. De même des matières combustibles liquides peuvent être utilisées dans la chambre principale de com- bustion et ces matières combustibles sont, de préférence, introduites en utilisant un dispositif d'atomisation. De manière avantageuse, la sortie de la chambre vers la chambre principale de combustion est évasée en coupe transversale afin de permettre un couplage d'allu- mage amélioré entre l'onde de détonation ou de combustion à déplacement rapide et la chambre principale de combus- tion. Dans des applications à forage profond, telles qu'une production de vapeur d'eau à forage profond, il est très important que l'allumage des composés se trouvant dans la chambre principale de combustion ait lieu de ma- nière fiable car, sinon, il peut se former des quantités explosives de mélange gazeux Le dispositif conforme à l'invention du fait qu'il produit une onde de détonation ou de combustion puissante et fiable dans la chambre, facilite la réalisation de l'objectif ci-dessus. L'invention comprend également un dispositif de chauffage à forage profond comportant un brûleur présentant un mode de fonctionnement pulsé comme décrit précédemment Avec le dispositif d'allumage décrit précé- demment, le brûleur présentant un mode de fonctionnement pulsé ne nécessite pas nécessairement une chambre de combustion dont les parois sont rugueuses, et une chambre de combustion à parois lisses ou à parois seulement en partie rugueuses peut être appropriée sous certaines conditions d'allumage. L'invention se rapporte en outre à un générateur de vapeur d'eau à forage profond comprenant un brûleur présentant un mode de fonctionnement pulsé, un système d'allumage du type décrit précédemment ainsi que des moyens pour pulvériser ou disperser de l'eau dans les gaz d'échappement provenant de la chambre de combustion dudit brûleur afin de former ainsi un mélange vapeur d'eau/gaz d'échappement. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'in- vention sont représentées, à titre d'exemples non limi- tatifs, aux dessins annexés. Les fig 1 A et 1 B sont des coupes verticales d'un générateur de vapeur d'eau à forage profond placé en position de fonctionnement. Les fig 2 A et 2 B sont des vues schématiques en partie en coupe verticale d'un dispositif d'allumage et d'une tête mélangeuse. Aux fig l A et 1 B, l'ensemble d'un générateur de vapeur d'eau est représenté en position dans un forage. Les dispositifs 1 d'alimentation en matière combustible énergie électrique, eau et air se trouvent en surface et sont reliés à la tête mélangeuse 2 et au dispositif d'allumage 3 par l'intermédiaire de tuyaux Les disposi- tifs 1 d'alimentation en matière combustible, eau, et oxygène sont éventuellement préchauffés La tête mé- langeuse 2 et le dispositif d'allumage 3 sont reliés à la chambre principale de combustion 4 du brûleur à pul- sation La tête mélangeuse 2 ainsi que la chambre de combustion 4 sont entourées par une chemise d'eau 5 alimentée à partir de la surface, la chemise d'eau 5 pré- sentant une sortie vers une tête de pulvérisation 6 à l'aval de la chambre de combustion 4 A l'aval de la chambre de combustion et de la tête de pulvérisation, une garniture d'étanchéité ou packer 13, reliée à la chambre par une liaison 14, s'étend vers la zone de vapeur d'eau de travail La garniture d'étanchéité 13 sert à monter et rendre étanche la chambre de combustion dans le tubage du puits. La tête mélangeuse et le dispositif d'allumage sont représentés aux fig 2 A et 2 B De l'hydrogène et de l'air sont amenés au tube de détonation ou chambre 7 près de l'extrémité de travail d'un dispositif d'amor- çage électrique 10 par des conduits 8, 9 Le tube de déto- nation ou chambre 7 se trouve en aval du dispositif d'amorçage électrique 10 Les parois internes du tube d'allumage ou chambre 7 présentent une rainure spiralée découpée dans le métal pour créer une rugosité interne telle que l'onde de combustion amorcée par l'étincelle s'accélère pour donner une onde de détonation ou de combustion à déplacement rapide A l'aval du tube de déto- nation ou chambre 7 se trouve la chambre principale de combustion 4 qui est alimentée en matière combustible, telle que gazole ou kérozène, et en air par l'intermédiaire d'une tête mélangeuse 12 Les parois de la chambre de combustion interne présentent une partie initiale rugueuse conduisant à une partie restante lisse. Lors de l'utilisation du dispositif, le générateur de vapeur d'eau est placé dans le forage De l'hydrogène et de l'air sont amenés par des canalisations 8, 9 vers le tube de détonation ou chambre 7 près de l'extrémité de travail du dispositif d'amorçage électrique 10 Une décharge électrique amène une onde de combustion formée dans le tube de détonation ou chambre 7 et qui est provoquée par la paroi rugueuse il de la chambre 7 à s'accélérer pour former une onde de détonation ou onde de combustion à déplacement rapide Une telle onde de détonation provoque l'allumage du système principal matière combus- tible/air dans la chambre de combustion 4 amené par l'in- termédiaire de la tête mélangeuse 12 On pense que de cette façon une décharge électrique de relativement faible énergie (de l'ordre de 0,01 à 1,0 joule) est aug- mentée à une valeur de haute énergie (de l'ordre de 100 à 500 joules) par l'onde de détonation amorcée dans le tube de détonation Le système principal matière combus- tible/air est alors réglé pour donner une combustion pulsée De l'eau est amenée par pompage depuis une tête de pulvérisation d'eau 6 reliée à la chemise d'eau 5 afin de créer un mélange vapeur d'eau/gaz d'échappement qui est amené à la formation rocheuse 15 environnante par l'intermédiaire de la garniture d'étanchéité 13. L'amorçage électrique du tube d'allumage peut être effectué par l'intermédiaire d'une bougie à jet de plasma, d'une bougie à semiconducteur, d'une bougie usuelle ou de tout autre dispositif électrique approprié. On peut également prévoir que plus d'un tube de détonation soit utilisé pour produire une combustion pulsée Par exemple des tubes de détonation multiples peuvent être disposés selon certains angles dans la chambre de com- bustion. 7 2513357 REVENDICATIONS 1 Brûleur présentant un mode de fonctionnement pulsé et comprenant une chambre de combustion ( 4) pour le brûlage périodique de charges successives et séparées d'une matière combustible amenée de manière continue vers la chambre de combustion ( 41), un système d'entrée ( 1,2) pour la matière combustible et pour un gaz contenant de l'oxygène afin d'ame- ner de manière continue le gaz combustible vers la chambre de combustion ( 41), et une chambre supplémentaire ( 7) présentant des parois internes rendues au moins en partie rugueuses et reliées à l'amont de la chambre de combustion ( 7), ladite chambre supplémentaire ( 7) présentant une source d'allumage ( 10) et un système d'entrée ( 8,9) pour de la matière combusti- ble et pour un gaz contenant de l'oxygène de sorte que, pen- dant l'utilisation du brûleur, un allumage périodique de char- ges successives et séparées de gaz combustible dans la chambre supplémentaire ( 7) produise des ondes de détonation ou de com- bustion à déplacement rapide capable d'enflammer les charges successives et séparées de la matière combustible dans la chambre de combustion ( 4). 2 Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois internes de la chambre de combustion ( 4) sont au moins en partie rugueuses. 3 Brûleur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les parois internes sont rendues rugueu- ses en prévoyant de fixer une tige ou barre spiralée à la pa- roi interne de la chambre ( 4,7), 4 Brûleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la tige ou barre spiralée est réalisée en métal. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les parois en partie rendues rugueuses de la chambre supplémentaire ( 7) sont adjacentes à la source d'allumage ( 10). 6 Brûleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la chambre supplémentaire,( 7) comprend un long tube cylindrique. 7 Brûleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la source d'allumage ( 10) est une bougie de type usuel, une bougie à jet de plasma Du un dispositif d'allumage à semiconducteur. 8 Brûleur selon l'une-des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que plusieurs chambres supplémentaires ( 7) sont reliées à une chambre de combustion ( 4) unique. 9 Brûleur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la matière combustible amenée à la chambre de combustion ( 4) est du méthane, du propane, du gazole ou du kérozène. 10 Bruleur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la matière combustible amenée à la chambre supplémentaire ( 7) est de l'hydrogène. 11 Brûleur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la sortie de la chambre supplémentaire ( 7) vers la chambre de combustion ( 4) est évasée en coupe transversale. 12 Brûleur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour la pulvéri- sation ou la dispersion d'eau dans des gaz d'échappement provenant de la chmbre de combustion ( 4) du brûleur afin de former un mélange vapeur d'eau/gaz d'échappement. 13 Brûleur selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens permettant de pulvériser ou de disperser de l'eau sont reliés à une chemise d'eau ( 5) entourant l'ex- térieur de la chambre de combustion ( 4). 14 Procédé d'allumage d'un brûleur selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'on amène, de ma- nière continue, des charges successives et séparées de gaz combustible vers la chambre de combustion ( 4) du brûleur, on amène de manière continue des charges successives et sé- parées d'un gaz combustible vers la chambre supplémentaire ( 7) du brûleur, on enflamme, de manière périodique le gaz combustible dans la chambre supplémentaire ( 7) en actionnant la source d'allumage ( 10) de sorte qu'on onde de détonation ou de combustion à déplacement rapide passe depuis la chambre supplémentaire ( 7) vers la chambre de combustion ( 4) et en- flamme la matière combustible de la chambre de combustion ( 4). Procédé de formation de vapeur à forage profond utilisant un brûleur selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'on amène de manière continue des char- ges successives et séparées de gaz combustible vers la cham- bre de combustion ( 4) du brûleur, on amène de manière conti- nue des charges successives et séparées de gaz combustible vers la chambre supplémentaire ( 7) du brûleur, on enflamme de manière périodique le gaz combustible dans la chambre supplé- mentaire ( 7) en actionnant la source d'allumage ( 10) de sorte que des ondes de détonation ou de combustion à mouvement ra- pide passent depuis la chambre supplémentaire ( 7) vers la chambre de combustion ( 4) et enflamment le gaz combustible dans la chambre de combustion ( 4), on pulvérise ou on disper- se de l'eau dans les gaz d'échappement sortant de la chambre de combustion ( 4) afin de former un mélange vapeur d'eau/gaz d'échappement, et on fait passer le mélange vapeur d'eau/gaz d'échappement dans une formation géologique.