СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПАРОГАЗА В СКВАЖИННОМ ГАЗОГЕНЕРАТОРЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF GAS-VAPOUR RECEIVING IN DOWNHOLE GASIFIER AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к нефтегазодобывающей отрасли и может быть использовано для интенсификации добычи нефти и газа путем термогазодинамичекого воздействия на продуктивный пласт парогазом, вырабатываемым на уровне забоя.
Известен способ получения парогаза в скважинном газогенераторе, в котором для определения параметров процесса горения в камере сгорания парогазогенератора регистрируют давление подачи жидкости компонента в камеру сгорания при условии постоянства его расхода (патент США №4078613, М. кл. Е21В 43/24 - аналог). К недостатку предложенного технического решения следует отнести то, что данный способ подачи компонентов не учитывает влияние изменения давлений за счет изменения глубины погружения парогазогенератора и величины противодавления, например, при подаче воздуха.
Известен забойный парогазогенератор, содержащий камеру сгорания, каналы для ввода воздуха, топлива и воды, топливную форсунку и запальный узел. Каналы для ввода воды расположены тангенциально в верхней части камеры сгорания, а на ее внутренней стенке установлен ряд секторов сброса (авторское свидетельство СССР №899872, опубл. 23.01.82 г. - аналог). К недостатку данного технического решения следует отнести то, что такая схема подачи воды не исключает приток воды в зону горения по пристеночному слою с обратными токами, а следовательно, имеет место или незапуск при опережении подачи воды вследствие попадания воды в район запального узла или снижения полноты сгорания топлива вследствие попадания воды в зону горения.
Известен газогенератор, в котором для подачи воздуха инжектируется нагретое жидкое топливо из резервуара, причем точка инжектирования топлива в канал располагается по ходу движения потока перед тангенциально расположенным патрубком (патент США №3903692 от 24.07.72 г. - аналог). К недостатку данной схемы смесеобразования следует отнести то, что при вращательном потоке имеет место центробежная сила, которая, в свою очередь, вызывает нарушение сплошности потока, то есть более тяжелые частицы отбрасываются в периферийную зону. В конечном счете будет невысокая полнота сгорания топлива.
Известна установка для термического воздействия на пласт, в которой форсунка для впрыска воды выполнена в виде кольцевого сопла, образованного наружной и внутренней рубашками выходного сопла (авторское свидетельство СССР №708736 от 07.10.77 г. - аналог). В данном техническом решении имеется недостаток, заключающийся в том, что минимальное проходное сечение конической части выходного сопла имеет очень высокую температуру (выше 1500°С) из-за высоких скоростей продуктов сгорания и малой поверхности теплообмена, а следовательно, существует проблема его охлаждения.
Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому изобретению являются способ и устройство для извлечения углеводородов из подземных формаций, в которых имеются средства для инжекции углеводородного газа и средства для подачи кислорода в зону горения, которые содержат первые трубопроводы, присоединенные к одному концу камеры. Вторые трубопроводы расположены соосно с первыми, образуя вокруг них кольцевой проход и жидкостное сообщение с зоной горения. Имеются третьи трубопроводы, расположенные соосно со вторым, образуя вокруг них второй кольцевой проход и жидкостное сообщение с камерой сгорания (патент США №4159743 от 13.03.78 г. - прототип). Недостатком известного решения является то, что в данной конструкции предлагаются решения в основном с целью уменьшения диаметральных размеров из-за малых габаритов скважины, в которой располагается устройство, и не решаются тепловые и газодинамические проблемы при организации запуска и рабочего процесса на разных глубинах его погружения.
Технической задачей изобретения является повышение надежности запуска на любой глубине погружения парогазогенератора в скважину, обеспечение безопасности и высокой полноты сгорания топлива за счет уменьшения влияния ряда внешних и внутренних факторов на рабочий процесс.
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом способе получения парогаза в скважинном газогенераторе при любой глубине погружения газогенератора вначале подают воздух в камеру сгорания с максимальным расходом через охлаждающий тракт камеры сгорания и проходное сечение, выполненное с критическими параметрами течения для максимального режима работы, затем подают воду и топливо, с максимальным расходом, при этом топливо впрыскивают в сечение с критическими параметрами течения воздуха при условии наличия расхода воды определенной величины и организуют воспламенение образовавшейся топливовоздушной смеси, а воду смешивают с продуктами сгорания после фронта горения в зоне с пониженным давлением, которую создают сужением и расширением проточной части камеры сгорания. Причем воздух через охлаждающий тракт камеры сгорания подают коаксиально вначале по потоку продуктов сгорания, затем, против потока продуктов сгорания, топливо впрыскивают по оси сечения с критическими параметрами течения воздуха, а воду вначале - после участка сужения проточной части, смешивают с продуктами сгорания по поверхности внутренней стенки камеры сгорания, затем организуют внедрение воды в продукты сгорания с помощью кольца сброса, которое устанавливают после участка расширения проточной части, при этом протекание процессов контролируют датчиками температуры и давления.
В устройстве, содержащем корпус, в котором расположены камера сгорания, примыкающие к камере сгорания форсунку и камеру смешения, автономный источник воспламенения, каналы подвода воздуха, топлива и воды и измерительные приборы, согласно изобретению камера сгорания выполнена с тремя коаксиально расположенными цилиндрами, полость между внешним и средним цилиндрами сообщена с подводом воздуха, полость между средним и внутренним цилиндрами сообщена с полостью камеры сгорания через форсунку, выполненную с каналом течения воздуха в виде диффузора с цилиндрическим насадком подачи топлива, соосно расположенным в его входной части, при этом канал подвода топлива снабжен пуско-отсечным клапаном с чувствительным элементом, полости которого сообщены до и после дросселирующего элемента, расположенного на канале подвода воды, а камера смешения выполнена в виде последовательно расположенных сужающего и расширяющего каналов, соединенных между собой с образованием кольцевой щели, сообщенный с подводом воды, и снабжена кольцом сброса, расположенным после расширяющего канала. При этом часть корпуса выполнена в виде цилиндрической оболочки с разъемным соединением по образующей, в которой расположены каналы подвода воздуха, топлива и воды, агрегаты автоматики, камера сгорания, камера смешения, блок информации и автономный источник воспламенения, в свою очередь разъемная часть корпуса соединена с одной стороны с блоком фильтров, а с другой - с выходным соплом.
Для описания предлагаемого способа получения парогаза в скважинном газогенераторе и устройства для его осуществления схематично на чертеже представлены основные конструктивные решения.
Основными элементами устройства являются:
1 - корпус;
2 - камера сгорания;
3 - форсунка;
4 - камера смешения;
5 - автономный источник воспламенения;
6, 7 и 8 - каналы подвода воздуха, топлива и воды соответственно;
9 - блок информации;
10 - пуско-отсечной клапан;
11 - дросселирующий элемент;
12, 13 и 14 - обратные клапаны;
15 - блок фильтров;
16, 17 и 18 - фильтрующие элементы;
19 и 20 - цилиндрические оболочки;
21 - разъемное соединение;
22, 23 и 24 - цилиндры;
25 и 26 - полости между цилиндрами;
27 - насадок подачи топлива;
28 и 29 - сужающий и расширяющий канал;
30 - кольцевая щель;
31 - кольцо сброса;
32 - выходное сопло;
33 - чувствительный элемент клапана.
Корпус 1 является силовой частью, в нем расположены камера сгорания 2, примыкающие к камере сгорания форсунка 3 и камера смешения 4, автономный источник воспламенения 5, каналы подвода воздуха 6, топлива 7 и воды 8 и измерительные приборы, заключенные в блоке информации 9. В корпусе также расположены автоматический пуско-отсечной клапан 10, дросселирующий элемент 11 и обратные клапаны 12, 13, 14. Со стороны подвода компонентов к корпусу установлен блок 15 с фильтрующими элементами 16, 17, 18. В свою очередь корпус выполнен в виде двух цилиндрических оболочек 19 и 20 с разъемным соединением 21 по образующей. Камера сгорания выполнена с тремя коаксиально расположенными цилиндрами 22, 23 и 24. Полость 25 между внешним 22 и средним 23 цилиндрами сообщена с каналом 6 подвода воздуха. Полость 26 между средним 23 и внутренним 24 цилиндрами сообщена с полостью камеры сгорания 2 через форсунку 3, выполненную с каналом течения воздуха в виде диффузора с цилиндрическим насадком 27 подачи топлива, соосно расположенным в его входной части. Камера смешения для образования зоны с пониженным давлением выполнена в виде последовательно расположенных сужающего 28 и расширяющего 29 каналов, соединенных между собой с образованием кольцевой щели 30, сообщенной с каналом 8 подвода воды. Кроме того, камера смешения снабжена кольцом сброса 31, расположенным после расширяющего канала. На выходе камеры смешения и разъемной части корпуса установлено выходное сопло 32. Топливный пуско-отсечной клапан 10 для автоматического срабатывания выполнен с чувствительным элементом 33, полости которого сообщены до и после дросселирующего элемента 11, расположенного на канале подвода воды.
Принцип работы предложенного технического решения по способу и устройству заключается в следующем.
При любой глубине погружения газогенератора подается воздух в камеру сгорания 2 с максимальным расходом. Так как в форсунке 3 проходное сечение по линии подачи воздуха выполнено с критическими параметрами течения, то независимо от величины противодавления (давление в скважине) в этом сечении всегда постоянная величина давления. Затем подаются вода и топливо также с максимальными расходами и включается автономный источник воспламенения 5. Пока вода не достигнет определенной величины по расходу и не создаст определенный перепад давления на дросселирующем элементе 11, клапан 10 не откроется. Вследствие того что вода подается в зону с пониженным давлением (меньше величины давления в камере сгорания на 2-5%) по потоку воздуха, то она не поступает в зону горения и, следовательно, не влияет на процесс воспламенения и горения топлива. Это условие обеспечивает повышение полноты сгорания топлива. Более того, внедрение воды в воздушную среду на длине после фронта горения предохраняет процесс от повышения давления в камере сгорания в момент воспламенения за счет исключения горения части топлива, накопившейся при задержке воспламенения. Это условие упрощает циклограмму запуска и повышает надежность запуска.
При открытии клапана 10 и впрыске топлива топливовоздушная смесь воспламеняется, автономный источник воспламенения отключается, процесс горения продолжается. Если по каким-то причинам расход воды уменьшается, клапан 10 закроется и процесс горения прекратится. Это условие защищает пласт от расплавления, что обеспечивает безопасность.
Подача топлива, например поршневым насосом, и впрыск его в полость форсунки с постоянной величиной давления (независимо от глубины погружения скважинного газогенератора) исключает влияние ряда внешних и внутренних факторов на организацию рабочего процесса (противодавление, сопротивление трубопроводов, напор столба). Это условие повышает надежность запуска.
Техническое решение по схеме подачи воздуха через охлаждающий тракт камеры вначале по потоку продуктов сгорания, а затем против потока увеличивает теплосъем с внутреннего цилиндра камеры сгорания и обеспечивает его надежное охлаждение.
Техническое решение по конструктивному исполнению корпуса - с разъемом по образующей цилиндра обеспечивает высокую эксплуатационную технологичность и хороший доступ к элементам оборудования при ремонте.
В предложенном способе получения парогаза в скважинном газогенераторе и устройстве для его осуществления достигнуто, как показали конструкторские разработки и натурные испытания опытного образца, повышение надежности запуска на любой глубине погружения парогазогенератора, обеспечена безопасность и высокая полнота сгорания топлива за счет уменьшения влияния внешних и внутренних факторов на рабочий процесс.