ПАРОГАЗОГЕНЕРАТОР ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С КАЛИЛЬНЫМ ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ
HIGH-PRESSURE STEAM-AND-GAS GENERATOR WITH HEAT RATING IGNITION

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
2
[1] Воспламенение при высоком давлении, например, в вариантах применения в зоне забоя промысловых скважин, оказывается весьма сложным. При давлении выше 600 фунт/дюйм (4 МПа) традиционные способы воспламенения, например искровое воспламенение, становятся неосуществимыми. При этом в промышленности обращаются к другим средствам воспламенения, например самовоспламеняющимся горючим смесям и калильному воспламенению (калильному зажиганию). Самовоспламеняющиеся горючие смеси воспламеняются при смешивании с окислителем, например воздухом или кислородом, что обеспечивает им высокую надежность срабатывания. Вместе с тем, такие смеси могут оставлять инородные частицы внутри парогазогенератора и смежных систем, что может вызывать неисправности, смеси являются в общем весьма опасными в хранении и транспортировке, дорогостоящими для доставки и даже могут являться канцерогенными. Поэтому самовоспламеняющиеся горючие смеси обычно считаются вспомогательным средством воспламенения, и их применение для внутрискважинных систем является нежелательным. С другой стороны, калильное воспламенение не имеет как недостатков, связанных с применением химических средств, так и высокой стоимости, обусловленных самовоспламеняющимися горючими смесями; в калильном воспламенении проблемой является ограниченная мощность электропитания в зоне забоя скважины и требование поддерживать температуру смеси окислителя (воздуха) и газообразного углеводорода выше температуры самовоспламенения.
[2] По причинам, указанным выше, и по другим причинам, указанным ниже, которые становятся понятны специалистам в данной области техники из настоящего описания, существует необходимость создания эффективной и высокопроизводительной системы сжигания топлива.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[3] Упомянутые выше проблемы существующих систем решаются с помощью вариантов осуществления настоящего изобретения, которые становятся понятны из приведенного ниже подробного описания изобретения. Сущность изобретения приведена в качестве примера и не служит ограничением. Сущность изобретения приведена для помощи пользователю в понимании некоторых аспектов изобретения.
[4] В одном варианте осуществления создан парогазогенератор. Парогазогенератор включает в себя корпус, корпус форсунки, теплоизоляцию, форсунку с предварительным смешиванием воздуха с топливом, калильное воспламеняющее устройство, топливную форсунку и горелку. Корпус образует основную камеру сгорания. Корпус форсунки присоединен в корпусе парогазогенератора, и корпус форсунки включает в себя камеру первоначального сгорания. Камера первоначального сгорания снабжена внутри специальной теплоизоляцией. Компоновка форсунки с предварительным смешиванием воздуха с топливом выполнена с возможностью дозирования подачи топливовоздушной смеси в камеру первоначального сгорания. Калильное воспламеняющее устройство выполнено с возможностью нагрева и воспламенения топливовоздушной смеси в камере первоначального сгорания. Топливная форсунка выполнена с возможностью дозирования подачи топлива. Горелка выполнена с возможностью дозирования подачи воздуха. Поток топлива из топливной форсунки и поток воздуха из горелки воспламеняются в основной камере сгорания с помощью воспламенения топливовоздушной смеси в камере первоначального сгорания.
[5] В другом варианте осуществления создан другой парогазогенератор. Данный парогазогенератор также включает в себя корпус, корпус форсунки, теплоизоляцию, форсунку с предварительным смешиванием воздуха с топливом, по меньшей мере одну свечу предпускового нагрева, плоскую распылительную головку топливной форсунки и горелку. Корпус образует основную камеру сгорания. Корпус форсунки присоединен в корпусе парогазогенератора. Корпус форсунки включает в себя камеру первоначального сгорания. Камера первоначального сгорания снабжена внутри теплоизоляцией. Компоновка форсунки с предварительным смешиванием воздуха с топливом выполнена с возможностью дозирования подачи топливовоздушной смеси в камеру первоначального сгорания. По меньшей мере одна свеча предпускового нагрева выполнена с возможностью нагрева и воспламенения топливовоздушной смеси в камере первоначального сгорания. Плоская распылительная головка топливной форсунки присоединена в корпусе форсунки на выбранном расстоянии от форсунки с предварительным смешиванием воздуха с топливом. Плоская распылительная головка топливной форсунки установлена отводящей часть потока топливовоздушной смеси из форсунки с предварительным смешиванием воздуха с топливом в камеру первоначального сгорания. Горелка выполнена с возможностью дозирования подачи воздуха. Поток топлива из плоской распылительной головки форсунки и поток воздуха из горелки воспламеняются в основной камере сгорания с помощью воспламенения топливовоздушной смеси в камере первоначального сгорания.
[6] В другом варианте осуществления создан еще один парогазогенератор. Парогазогенератор включает в себя корпус, корпус форсунки, теплоизоляцию, компоновку форсунки с предварительным смешиванием воздуха с топливом, по меньшей мере одну свечу предпускового нагрева, плоскую распылительную головку топливной форсунки, горелку с завихрительной пластиной и струйный удлинитель. Корпус образует основную камеру сгорания. Корпус форсунки присоединен в корпусе парогазогенератора. Корпус форсунки включает в себя камеру первоначального сгорания. Камера первоначального сгорания снабжена внутри теплоизоляцией. Компоновка форсунки с предварительным смешиванием воздуха с топливом выполнена с возможностью дозирования подачи топливовоздушной смеси в камеру первоначального сгорания. По меньшей мере одна свеча предпускового нагрева выполнена с возможностью нагрева и воспламенения топливовоздушной смеси в камере первоначального сгорания. Плоская распылительная головка топливной форсунки присоединена в корпусе форсунки на выбранном расстоянии от форсунки с предварительным смешиванием воздуха с топливом. Плоская распылительная головка топливной форсунки установлена отводящей часть потока топливовоздушной смеси из форсунки с предварительным смешиванием воздуха с топливом в камеру первоначального сгорания. Плоская распылительная головка топливной форсунки имеет центральное отверстие. Горелка с завихрительной пластиной соединена по окружности с наружной поверхностью корпуса форсунки. Горелка с завихрительной пластиной выполнена с возможностью дозирования подачи воздуха. Поток топлива из плоской распылительной головки форсунки и поток воздуха из горелки с завихрительной пластиной воспламеняются в основной камере сгорания с помощью воспламенения топливовоздушной смеси в камере первоначального сгорания. Струйный удлинитель в общем трубчатой формы проходит от центрального отверстия плоской распылительной головки форсунки в основную камеру сгорания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[7] Настоящее изобретение и его дополнительные преимущества и варианты применения можно лучше понять из приведенного ниже подробного описания с прилагаемыми чертежами, на которых показано следующее:
[8] На Фиг. 1 показано продольное сечение забойной компоновки сжигания топлива в одном варианте осуществления настоящего изобретения.
[9] На Фиг. 2 показан вид сбоку в изометрии парогазогенератора одного варианта осуществления настоящего изобретения.
[10] На Фиг. 3A показано сечение по линии 3A-3A парогазогенератора Фиг. 2.
[11] На Фиг. 3B показано сечение по линии 3B-3B парогазогенератора Фиг. 2.
[12] На Фиг. 4 в продольном сечении парогазогенератора Фиг. 2 показан проход потока газа через парогазогенератор.
[13] Согласно обычной практике различные описанные элементы вычерчены без соблюдения масштаба для выделения конкретных признаков, релевантных для настоящего изобретения. Одинаковые позиции ссылки присвоены одинаковым элементам, показанным на чертежах и упомянутым в тексте.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[14] В следующем подробном описании с прилагаемыми чертежами даны примеры иллюстративных конкретных вариантов осуществления изобретения. Данные варианты осуществления описаны достаточно подробно, при этом специалисту в данной области техники, реализующему изобретение, понятно, что можно применять другие варианты осуществления и что изменения можно выполнять без отхода от сущности и объема настоящего изобретения. Следующее подробное описание, таким образом, нельзя считать ограничивающим, и объем настоящего изобретения определяется только формулой изобретения и его эквивалентами.
[15] В вариантах осуществления создан парогазогенератор для применения в забойной зоне скважины. В вариантах осуществления парогазогенератор 200 принимает раздельные потоки воздуха и топлива и смешивает их в одну струю предварительного смешивания воздуха с топливом. Данный поток предварительного смешивания инжектируется в парогазогенератор 200. Как описано ниже, парогазогенератор включает в себя камеру 240 первоначального воспламенения (вспомогательная камера) и основную камеру 300 сгорания. Кинетическая энергия от форсунки 214 с предварительным смешиванием дает перемешивание в камере 240 воспламенение с чрезвычайно низкими скоростями относительно суммарного потока воздуха и топлива, проходящего через парогазогенератор 200. Диффузия и смешивание, обусловленные действием перемешивания, меняют начальную смесь в камере воспламенения (окислитель и/или топливо) на предварительно смешанный воспламеняющийся поток. Данный предварительно смешанный воспламеняющийся поток затем воспламеняется с помощью калильного воспламеняющего устройства 230a или 230b, например, без ограничения этим, одной или несколькими свечами 230a и 230b предпускового нагрева. Снабженные теплоизоляцией стены 220 ограничивают теплопотери, что содействует росту температуры предварительно смешанных газов. Когда газы достигают температуры самовоспламенения, происходит их воспламенение. Данное воспламенение действует, как дефлаграционная волна, передающая импульс в основную камеру 300 сгорания парогазогенератора 200, при этом воспламеняется поле основного потока. После исполнения указанного одна или несколько свечей 230a и 230b предпускового нагрева выключаются, и камера 240 первоначального воспламенения больше не поддерживает горение. Одно преимущество данной системы состоит в том, что требуется малая мощность (около 300 ватт) для нагрева свечей предпускового нагрева в установившемся режиме. Основная камера 300 сгорания и камера 240 первоначального воспламенения выполняются такими, что когда основная камера 300 сгорания работает при стехиометрическом соотношении диапазона обедненного топлива, т.е. когда коэффициент избытка меньше 0,5, камера 240 первоначального воспламенения работает в диапазоне 'вблизи стехиометрического соотношения', т.е. когда коэффициенты избытка меняются в пределах от 0,5 до 2,0. Когда основная камера 300 сгорания работает в диапазоне 'вблизи стехиометрического соотношения', т.е. когда коэффициенты избытка меняются в пределах от 0,5 до 2,0, камера 240 первоначального воспламенения работает в диапазоне стехиометрического соотношения обогащенной топливной смеси, т.е. когда коэффициент избытка больше 2,0.
[16] На Фиг. 1, показано продольное сечение забойной компоновки 100 сжигания топлива одного варианта осуществления. В данном примере варианта осуществления изобретения забойная компоновка 100 сжигания топлива установлена в обсадной колонне 120 ствола скважины, пробуренного в геологической среде в нефтяной коллектор. Вариант осуществления компоновки сжигания топлива дополнительно рассмотрен в патентной заявке No. 13/745196 под названием "Downhole Combustor", зарегистрирована 22 января 2013 г., которая полностью включена в данном документе в виде ссылки. Забойная компоновка 100 сжигания топлива Фиг. 1 включает в себя корпус 102. Корпус 102 включает в себя первый корпусной участок 102a, второй корпусной участок 102b и третий корпусной участок 102c. Множество соединительных узлов 108 (только один узел показан) соединены с корпусом 102. В соединительных узлах 108 созданы окна подачи газов в корпус, например воздуха и топлива, а также соединения подачи электропитания на свечи 230a и 230b предпускового нагрева. Каналы (не показаны) в корпусе 102 подают газы и электропитание на парогазогенератор 200, который размещен в третьем корпусном участке 102c. В данном примере забойной компоновки 100 парогазогенератора первый корпусной участок 102a включает в себя впускные окна 106 нефти, выполненные с возможностью приема нефти из нефтяного коллектора. Теплообменная система 109 в данном варианте осуществления в первом корпусном участке 102a нагревает нефть, принятую во впускные окна 106. Газ и выхлоп из камеры 300 сгорания выбрасываются через выпускные окна 107 нефти и выхлопа сверху первого корпусного участка 102a. Между впускными окнами 106 нефти и выпускными окнами 107 нефти и выхлопа расположено пакерующее уплотнение 124, которое обеспечивает проход нефти из нефтяного коллектора в корпусе 102 через впускные окна 106 нефти и выпускные окна 107 нефти и выхлопа. Как рассмотрено выше, газы сжигаются в камере 300 сгорания во втором корпусном участке 102b с помощью парогазогенератора 200. Выхлоп из основной камеры 300 сгорания пропускается через теплообменную систему 109 в нефть, входящую во впускные окна 106 нефти.
[17] Парогазогенератор 200 показан на Фиг. 2-4. На Фиг. 2 показан вид сбоку в изометрии парогазогенератора 200, который включает в себя корпус 202 форсунки. Корпус 202 форсунки в общем цилиндрической формы имеет первый конец 202a и второй конец 202b. Топливопровод 206 входит в первый конец корпуса 202 форсунки для снабжения топливом парогазогенератора 200. Как также показано на Фиг. 2 и 3B, труба 204 впуска воздуха предварительного смешивания проходит через корпус 202 форсунки для создания подачи воздуха в парогазогенератор 200. Горелка (например, без ограничения этим в виде воздухозавихрительной пластины 208) присоединена вблизи второго конца корпуса 202 форсунки. Воздухозавихрительная пластина 208 включает в себя множество наклонных воздушных каналов 207, которые обеспечивают образование вихревого потока воздуха, пропущенного через воздушные каналы 207. Также на Фиг. 2 показан струйный удлинитель 210, который проходит от второго конца 202b корпуса 202 форсунки. В частности, струйный удлинитель 210 трубчатой формы проходит от центрального канала плоской головки 217 топливной форсунки мимо второго конца 202b корпуса 202 форсунки. Струйный удлинитель 210 отделяет топливовоздушный поток предварительного смешивания, применяемый для начального воспламенения, на выбранное расстояние от топливовоздушного потока, применяемого в основной камере 300 сгорания. Точное соотношение воздух/топливо требуется для начального воспламенения в камере 240 воспламенения. Струйный удлинитель 210 предотвращает проход топлива, подаваемого из плоской головки 217 топливной форсунки в камеру воспламенения, который может неприемлемо изменить соотношение воздух/топливо в камере 240 воспламенения. В данном примере струйный удлинитель 210 включает в себя множество установленных рядами каналов 211, проходящих через средний участок корпуса струйного удлинителя. Множество установленных рядами каналов 211, проходящих через средний участок корпуса 210 струйного удлинителя, служат для получения требуемого соотношения воздух/топливо между запальной камерой 240 и основной камерой 300 сгорания. Данное устройство обеспечивает пассивное управление воспламенением при нужном соотношении воздух/топливо для основной камеры 300 сгорания.
[18] Как рассмотрено выше, струйный удлинитель 210 проходит от центрального канала плоской головки 217 топливной форсунки. Как показано на Фиг. 3A и 3B, плоская головка 217 форсунки в общем имеет форму диска с выбранной высотой и с центральным каналом. Наружная поверхность плоской головки 217 форсунки соединяется с примыкающей внутренней поверхностью корпуса 202 форсунки и расположена на выбранном расстоянии от второго конца 202b корпуса 202 форсунки. В частности, боковой участок плоской головки 217 форсунки упирается во внутренний уступ 202c корпуса 202 форсунки для установки плоской головки 217 форсунки в нужном месте относительно второго конца 202b корпуса 202 форсунки. Плоская головка 217 форсунки включает в себя внутренние каналы 217a и 217b, ведущие к выходным каналам 215 топлива. Штуцеры 221 и 223 установлены в соответствующих отверстиях 219a и 219b во внутренних каналах 217a и 217b плоской головки 217 форсунки. Штуцеры 221 и 223 дросселируют поток топлива и распределяют поток топлива для прохода через соответствующие штуцерные каналы 221a и 223a выпуска топлива из плоской головки 217 форсунки, а также прохода во внутренние каналы 217a и 217b плоской головки 217 форсунки через множество отверстий 221b и 223b. Топливо, пропущенное во внутренние каналы 217a и 217b, выходит наружу из плоской головки 217 форсунки через каналы 215 форсунки.
[19] Топливопровод 206 подводит топливо к парогазогенератору 200. В частности, как показано на Фиг. 3A, в конце топливопровода 206 размещена часть элемента 209 предварительного смешивания топлива. Элемент 209 предварительного смешивания топлива включает в себя внутреннюю полость 209a, которая открывается в камеру 212 предварительного смешивания. В частности, элемент 209 предварительного смешивания топлива включает в себя первую часть 209b, которая установлена внутри топливопровода 206. Первая часть 209b элемента 209 предварительного смешивания топлива включает в себя впускные окна 210a и 210b прохода топлива предварительного смешивания во внутреннюю полость 209a. Топливо из топливопровода 206 пропускается через впускные окна 210a и 210b прохода топлива предварительного смешивания и затем во внутреннюю полость 209a к камере 212 предварительного смешивания. Элемент 209 предварительного смешивания топлива дополнительно включает в себя вторую часть 209c, установленную за пределами топливопровода 206. Вторая часть 209c элемента 209 предварительного смешивания топлива соединяется с камерой 212 предварительного смешивания. Вторая часть 209c дополнительно включает в себя соединительный фланец 209d, который выступает от поверхности топливопровода 206. Соединительный фланец 209d соединяется с концом топливопровода 206. В одном варианте осуществления установлено уплотнение между соединительным фланцем 209d и концом топливопровода 206. Хотя это не показано, другой конец топливопровода 206 соединен с внутренним каналом в корпусе забойного парогазогенератора 100 для приема топлива. Как также показано на Фиг. 3A, ответвляющиеся топливопроводы 205a и 205b, соединенные с топливопроводом 206, подают топливо на соответствующие штуцеры 221 и 223 в плоской головке 217 топливной форсунки. Как показано на Фиг. 3B, воздух через впуск 204 воздуха предварительного смешивания подается в камеру 212 предварительного смешивания. Топливовоздушная смесь затем пропускается в форсунку 214 с предварительным смешиванием топлива и воздуха, которая распределяет топливовоздушную смесь в камере 240 первоначального воспламенения. Камера 240 первоначального воспламенения имеет внутреннее теплоизоляционное покрытие 220 для минимизации потери тепла. Топливовоздушная смесь из форсунки 214 с предварительным смешиванием компонентов воспламеняется одной или несколькими свечами 230a и 230b предпускового нагрева.
[20] На Фиг. 4 показана работа парогазогенератора 200, описанная ниже. Топливо, например, без ограничения этим, метан, под давлением подается через каналы в корпусе 102 в топливопровод 206. Как показано, топливо проходит через топливопровод 206 в множество ответвляющихся топливопроводов 205a и 205b и во впуски 210a и 210b предварительного смешивания топлива впускного элемента 209 предварительного смешивания топлива. Хотя показаны только два ответвляющихся топливопровода 205a и 205b и два впуска 210a и 210b предварительного смешивания топлива во впускной элемент 109 предварительного смешивания топлива, любое нужное число топливопроводов и впусков предварительного смешивания топлива можно применять, и их числом настоящее изобретение не ограничено. Топливо, входящее во впуски 210a и 210b предварительного смешивания топлива впускного элемента 209 предварительного смешивания топлива, подается в камеру 212 предварительного смешивания, где смешивается с воздухом из впуска 204 воздуха предварительного смешивания, как рассмотрено ниже. Топливо, проходящее через ответвляющиеся топливопроводы 205a и 205b, подается в штуцеры 221 и 223 и на выход из топливных форсунок 216a и 216b и топливных каналов 215 в плоской головке 217 топливной форсунки, обеспечивающих снабжение топливом основной камеры 300 сгорания.
[21] Воздух под давлением также подается в парогазогенератор 200 через каналы в корпусе 102. В данном варианте осуществления воздух под давлением находится между корпусом 202 форсунки и корпусом 102. Воздух дополнительно проходит через воздушные каналы 207 в завихрительной пластине 208, при этом обеспечивается снабжение воздухом основной камеры 300 сгорания. Как показано, некоторая часть воздуха входит во впуск 204 воздуха предварительного смешивания и подается в камеру 212 предварительного смешивания. Воздух и топливо, смешанные в камере 212 предварительного смешивания, пропускаются далее в форсунку 214 с предварительным смешиванием топлива и воздуха, выполненную с возможностью подачи топливовоздушной смеси так, что топливовоздушная смесь из форсунки 214 с предварительным смешиванием топлива и воздуха совершает вихревое движение в камере 240 первоначального воспламенения при относительно малой скорости. Одна или несколько свечей 230a и 230b предпускового нагрева нагревают данный относительно низкоскоростной поток топливовоздушной смеси до температуры самовоспламенения, при которой происходит воспламенение. Сгорание в камере 240 первоначального воспламенения, проходящее через струйный удлинитель 210, воспламеняет топливовоздушный поток, проходящий из плоской головки 217 топливной форсунки и завихрительной пластины 208 в основной камере 300 сгорания. Когда получено горение в основной камере 300 сгорания, электропитание свечей 230a и 230b предпускового нагрева отключается. Таким образом, сгорание в камере 240 первоначального воспламенения является переходным процессом, при котором вырабатываемое тепло не должно расплавлять компоненты. Период времени работы свечей 230a и 230b предпускового нагрева для воспламенения топливовоздушной смеси в камере 240 первоначального воспламенения может являться коротким. В одном варианте осуществления такой период составляет около 8-10 секунд.
[22] В варианте осуществления получают коэффициент избытка воздух/топливо в диапазоне 0,5-2,0 в камере 240 первоначального воспламенения с помощью форсунки 214 с предварительным смешиванием топлива и воздуха во время начального воспламенения. Одновременно, коэффициент избытка воздух/топливо в основной камере 300 сгорания в диапазоне 0,04-0,25 получается с помощью завихрительной пластины 208 и плоской головки 217 топливной форсунки. После воспламенения потока в камере 240 первоначального сгорания и основной камере 300 сгорания свечи 230a и 230b предпускового нагрева отключаются. Коэффициент избытка воздух/топливо в диапазоне 5,0-25,0 затем получают в камере 240 первоначального воспламенения, и одновременно получают коэффициент избытка воздух/топливо в диапазоне 0,1-3,0 в основной камере 300 сгорания с помощью завихрительной пластины 208 и плоской головки 217 топливной форсунки. Данное устройство обеспечивает переходный выброс из камеры 240 первоначального воспламенения для зажигания воздуха/топлива в основной камере 300, после чего горение в камере 240 первоначального воспламенения гасится с получением коэффициента избытка воздух/топливо, соответствующего слишком высокому обогащению топливом, не поддерживающему непрерывного горения. Для прекращения горения в основной камере 300 сгорания прекращается подача одного из или обоих, воздуха и топлива в парогазогенератор 200.
[23] Хотя в данном документе показаны и описаны конкретные варианты осуществления изобретения, специалисту в данной области техники понятно, что любое показанное устройство в таком варианте осуществления можно заменить другим устройством аналогичной функциональности. Данная заявка не описывает все возможные адаптации или вариации настоящего изобретения. Таким образом, устанавливается, что данное изобретение ограничено только формулой изобретения и ее эквивалентами.