專利名稱：脈動式燃燒裝置與應(yīng)用此種裝置的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及脈動式燃燒裝置與應(yīng)用此種裝置的方法。
脈動式燃燒裝置例如可從下述專利中獲知美國專利NO.2899287、NO.2860484與NO.5044930；歐洲專利NO.550401與NO.636229以及國際專利申請PCT/EP93/00961。
這種已知的裝置一般包括具有敞口的下游端和由單向閥周期地關(guān)閉的上游端的燃燒室。
歐洲專利NO.636229與國際專利申請PCT/EP93/00961中公開了井下脈動式燃燒裝置，它們具有圓筒形的燃燒室，其中周期性地注入少量空氣來點燃此室內(nèi)大量天然氣的一部分，以便促進天然氣流向井口。
這類已知裝置的缺點之一是它們需用復(fù)雜的程序來起動和控制脈動式燃燒過程，而且它們的抽遠效率頗低。
美國專利NO.2860484中公開的脈動式燃燒裝置可以用來產(chǎn)生驅(qū)動能和/或熱能。這種已和裝置包括管狀燃燒室，此室的上游端裝配有止回閥而其敞口的下游端確定出一個略窄于此燃燒室的尾管部。此燃燒室同軸地設(shè)在一根管內(nèi)，其中在此燃燒室上游設(shè)有另一止回閥。這一第二止回閥由燃燒室下游端反向經(jīng)環(huán)繞此室的環(huán)形通道反射的高壓波前周期性地關(guān)閉。存在這樣兩個必須依序開關(guān)的止回閥對于井下應(yīng)用是不具有吸引力的，這是因為這兩個閥不等程度的磨損、摩擦與沾污容易造成它們不正確的與異相的開和/或關(guān)，結(jié)果可能造成裝置發(fā)生故障。
美國專利NO.2899287公開的脈動式燃燒器中包括一個單一的管狀燃燒室或兩個平行的管狀燃燒室。在任一情形中，各個燃燒室都具有內(nèi)徑略小于燃燒室其余部分的敞口尾管和一燃料注入泵，此泵將準確定量的燃料注入各燃燒室來控制燃燒過程。
要是這一已知裝置具有單一燃燒室，它就裝備一機械式止回閥，而要是它具有兩個平行的燃燒室，它就裝配一對氣動式的止回閥。這對氣動制回閥包括有U形再生管系統(tǒng)，后者具有接近燃燒下游端的入口并把燃燒廢氣壓力脈動返送回此入口，同時傾向于將其本身調(diào)節(jié)到反相。
美國專利2899287的脈動式燃燒器的缺點是它不適用井下應(yīng)用，因為安裝一能在幾年時間內(nèi)穩(wěn)定工作的燃料注入泵是不容易的，而且沒有空隙供安裝兩個具有相關(guān)止回閥和U形再生管系統(tǒng)的平行的燃燒室。
法國專利NO.1252585公開了另一種振蕩式加熱裝置，它具有Helmholz振蕩器和U形再生管在燃燒室的下游端與上游端之間，但它不適用于井中，因為缺乏可用于此種U形再生管的空間。
本發(fā)明的目的之一在于提供這樣一種脈動式燃燒裝置與方法，它們能在不同的井下條件下安全和有效地工作，而且所包括的易磨損部件數(shù)最少因而只需極少量的維修與檢查工作。
本發(fā)明的脈動式燃燒裝置包括有基本上是管形的具有上游端與下游端的燃燒室、用于給此燃燒室供應(yīng)燃料與氧化劑的分開的燃料供應(yīng)導(dǎo)管與氧化劑供應(yīng)導(dǎo)管，這些導(dǎo)管之一具有通入燃燒室的在其上游與下游端之間的流體排出口，而另一導(dǎo)管則具有位于此室上游端的流體排出口，此排出口設(shè)有回流限制裝置限制燃燒中發(fā)生的流體從燃燒室流入該流體燃料供應(yīng)導(dǎo)管，且其中的燃燒室形如Helmholz諧振器，具有一靠近下游端的尾管部分，此尾管的內(nèi)徑顯著地小于燃燒室的其他部分。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，通過使燃燒室適當?shù)厝elmholz諧振器的形狀，此脈動式燃燒裝置則成為自吸氣和排出式的而不需用U形再生管。
燃燒室的這種尾管和其余部分最好呈圓筒或圓錐形，且此尾管的最小橫剖面積最好是在燃燒室其他部分的平均橫剖面積。
試驗結(jié)果表明上述燃燒室的幾何結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的，因為它能將很大一部分壓力波動從燃燒室內(nèi)傳送到尾管外部而不破壞脈動燃燒過程。
要是本發(fā)明的脈動式燃燒裝置用來壓縮燃氣生產(chǎn)井中的天然氣時，則最好用一對可膨脹的密墊將其安裝到生產(chǎn)管道內(nèi)，同時將空氣和另一種氧化劑如氧氣通過套管-管材環(huán)路中的供應(yīng)導(dǎo)管供給此燃燒裝置，此導(dǎo)管連接到位于這兩個密墊之間的生產(chǎn)管道中一孔口處。然后讓此空氣或氧化劑從兩密墊間的環(huán)形空隙內(nèi)，經(jīng)通入到其上游與下游端之間燃燒室的氧化劑供應(yīng)口，而流入燃燒室內(nèi)。
在上述情形下，最好使該回流限制裝置包括一或多個舌門型的排出式止回閥。
或者，把本發(fā)明的脈動式燃燒裝置用來加熱井孔周圍的地下結(jié)構(gòu)，這時井孔中有一或多脈動燃燒室裝置在工作。
在這種情形下，本發(fā)明的方法包括通過燃料與氧化劑供應(yīng)導(dǎo)管給各個脈動式燃燒裝置供應(yīng)燃料與氧化劑，而這些導(dǎo)管則是從井口延伸到井內(nèi)，并能在各個脈動燃燒裝置內(nèi)重復(fù)地使氧化劑與供給到燃燒室內(nèi)的燃料的一部分反應(yīng)，由此而產(chǎn)生一高壓波前，此波前在各燃燒室的上游端為回流抑制裝置阻止，而在此室下游端則為尾管部增強。在尾管部下游端，此高壓波前被反射，隨接是低壓波前引致氧化劑與燃料流入燃燒室。
此燃燒裝置或加熱裝置的回流限制裝置最好包括一或多個氣動閥，這種氣動閥不包括任何可動部件或在燃燒室下游端與上游端之間延伸的再生管系統(tǒng)。
最好將一列脈動式燃燒裝置從氧化劑與燃料供應(yīng)導(dǎo)管的井口懸掛下，使它們于井內(nèi)沿軸向相分開。
這樣一串軸向分開的脈動式燃燒裝置特別適用于加熱地下頁巖或重油儲層，使得儲層溫度在井孔區(qū)中為600～800°K。
試驗結(jié)果表明，這種脈動式燃燒裝置能在穩(wěn)定方式下于這樣高的溫度下工作許多年，并能夠給先有的電子催化式無火焰燃燒井下加熱裝置提供低成本的另一種可供選擇的裝置。
下面參看附圖詳述本發(fā)明，附圖中

圖1是在天然氣生產(chǎn)井的生產(chǎn)管道中的，本發(fā)明的脈動式燃燒裝置的縱剖圖；圖2是用來加熱地下結(jié)構(gòu)的，本發(fā)明的兩個脈動式燃燒裝置的縱剖圖；圖3是曲線圖，其中示明了燃燒的甲烷的分數(shù)率相對于尾管與燃燒室其他部分的最小橫剖面積之間的比AT/Ac的關(guān)系。
現(xiàn)來參考圖1，其中示明了位于橫切地下結(jié)構(gòu)4的天然氣生產(chǎn)井3中生產(chǎn)管道2中的脈動式燃燒裝置1。
脈動式燃燒裝置1由一對可膨脹密墊5密封地固定于生產(chǎn)管道2內(nèi)。
空氣或另外的氧化劑在圖1中由O2表示，經(jīng)從井口(未圖示)通過管材/套管環(huán)路延伸到兩密墊5之間的生產(chǎn)管道2中的孔口7，供給裝置1。
空氣從上述孔口7經(jīng)環(huán)形空隙8到達一列空氣排出口9，后者在此裝置1的燃燒室10的上游端11與下游端12之間的一處進到室10之內(nèi)。
在燃燒室10的上游端11設(shè)有一列舌門型的排出或止回閥13，這些閥可讓圖中例如以CH4表示的天然氣從裝置1下方的生產(chǎn)管道2流入燃燒室10，但卻可以阻止天然氣和/或例如圖中以CO2＋H2O表示的燃射廢氣從室10回流到裝置1下方的生產(chǎn)管道2內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，燃燒室10形成Helmholz諧振器的形式，其中此室10設(shè)有狹長的具有最小直徑DT的尾管15，此DT最好是燃燒室圓筒形下部的平均直徑Dc的0.3～0.5倍。試驗與計算機計算的結(jié)果都指出這樣的DT/Dc比是最優(yōu)的，因為通過裝置1能在最低燃料消耗下實現(xiàn)天然氣的最高壓力波動和最大的質(zhì)量流，這在后面將參看圖3作更詳細的說明。
圖1中的裝置1設(shè)有電熱塞16，可經(jīng)電力電纜17給它供給電功率。電熱塞16在裝置1工作中連續(xù)地接通，且一般在裝置1已達到其正常工作溫度時不斷開，這是由于若是裝置1用作井下天然氣壓縮機時，它的工作溫度則保持在此天然氣無自然的水平。
在裝置1的正常作業(yè)中，在燃燒室10中發(fā)生脈動燃燒。
脈動過程的頻率由Helmoholz效應(yīng)確定，通常為10～50Hz。
在各個周期中產(chǎn)生一高壓波前，隨后是低壓波前。這兩種波前為Helmholz效應(yīng)增強，使得當?shù)蛪翰ㄇ暗竭_室10的上游端時有最大量的天然氣吸入室10之中，同時由于高壓波前的結(jié)果也有大量天然氣和燃燒廢氣受壓經(jīng)尾管15通過室10的下游端。尾管15的發(fā)散形狀還提高了通過燃燒室的質(zhì)量流。
要是裝置1用作天然氣生產(chǎn)中的井下壓縮機，則只將較少量的空氣或其他氧化劑如純氧供給燃燒室，使得流過生產(chǎn)管道2被燃燒的天然氣體不到天然氣的10％。小比例的燃燒廢氣的存在對所生產(chǎn)出的天然氣只會帶來極少的污染。
參看圖1，其中示明了橫切地下頁巖或重油載承結(jié)構(gòu)21的注熱井20。
井20中設(shè)有一列本發(fā)明的脈動式燃燒裝置22。
這列裝置22從通過它們各個中心的中央甲烷注入管23懸下。各個裝置22的空氣進入室25經(jīng)孔口26連接空氣注入管24。
空氣進入室25通過多個氣動閥28與燃燒室27連接，這些氣動閥允許空氣從空氣進入室25向上流入燃燒室27，但阻止燃燒廢氣從燃燒室回流到此空氣進入室。
在裝置22的正常工作期間，甲烷(CH4)或另一種燃料通過甲烷注入管23和一列甲烷排出口29注入燃燒室27。于此同時，經(jīng)氣動閥28將空氣注入室27內(nèi)，導(dǎo)致在燃燒室27的高溫下發(fā)生脈動燃燒過程。
要是把裝置22用作加熱器，則在起動時，此燃燒過程只借助電熱塞(未圖示)，而在正常作業(yè)期間，由于室27中占優(yōu)勢的壓力與溫度的結(jié)果，在室27內(nèi)會發(fā)生甲烷的自燃。
在各個燃燒周期內(nèi)，于Helmholz效應(yīng)確定的頻率下，燃燒室27中發(fā)展出高壓與低壓波前，這是由于在各個燃燒室的下游端31處存在有較其上游部32相對較窄的尾管30所致。
在所示的例子中，尾管的橫剖面積表示為AT，而燃燒室上游部32的橫剖面積表示為Ac。
應(yīng)知甲烷注入管23在裝置22中心處的橫剖面積AM并不計算作燃燒室22的尾管與上游部分32的橫剖面積AT與Ac的一部分的。在所示例子中，根據(jù)下述分析將比率AT/Ac選為0.15～0.25。
試驗結(jié)果表明，脈動燃燒器中熱聲脈動的開始是可以由質(zhì)量、動量與能量的一維守恒方程的線性分析研究的。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，這種脈動是逐漸減弱的，a)通過燃燒室27的燃氣速度較大；b)燃燒室的上游部分32比尾管30的長度較短；c)尾管30的直徑與燃燒室上游部32的直徑相比較小。
另一方面發(fā)現(xiàn)，燃燒室27中積聚的壓力越大，則燃燒室27的啟閉也越多。從而必須有得以實現(xiàn)最高壓力波動的最優(yōu)尾管直徑。
這里的尾管的橫剖面積與燃燒室其他部分橫剖面積之間的標準幾何比，不同于工業(yè)與科學(xué)應(yīng)用中脈動燃燒器的一般尺寸。已進行了一組計算機模擬試驗來研究橫剖面積比AT/Ac的改變是否能改進此種脈動燃燒裝置的性能。最小的尾管直徑是在這些模擬試驗中所改變的唯一參數(shù)。
計算機的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果示明于圖3中。
圖3表明最佳尾管橫剖面積在使甲烷燃燒分數(shù)率為最小的一定壓縮比之下是確實存在的。在給定壓縮率下的最小甲烷燃燒分數(shù)率乃是此脈動燃燒過程在最佳方式下進行的一個清晰表征。圖3說明最佳AT/Ac比是0.15～0.25。要是燃燒室的尾管和其他部分是管形的且具有敞開的中心如圖1所示，則它們的直徑比DT/Dc應(yīng)為0.3～0.5。為標準幾何構(gòu)型所選擇的直徑在兩種情形下都合理地接近最佳直徑。但是對于1.15的壓縮比，通過選擇略寬的尾管可使質(zhì)量流增加20％。
對于圖2所示的加熱器組件重要的是要有最佳壓縮比，因為這樣能確保裝置22穩(wěn)定的作業(yè)。
這列裝置22可以沿頁巖油結(jié)構(gòu)的整個深度延伸。注入井20可以根據(jù)需要取傾斜或水平形式，或可以是裸露孔段或套管孔。
權(quán)利要求
1.用于地下井筒的脈動式燃燒裝置，此裝置包括具有上游端與下游端的基本為管狀的燃燒室以及用于將燃料與氧化劑供給于此燃燒室的相分開的燃料與氧化劑供應(yīng)導(dǎo)管，所述的導(dǎo)管之一具有在燃燒室上游端與下游端之間通入此室內(nèi)的流體排出口，所述導(dǎo)管的另一則具有位于室上游端的流體排出口，此排出口設(shè)有回流限制裝置，限制燃燒廢氣從燃燒室流入流體供應(yīng)導(dǎo)管，同時其中所述燃燒室形成Helmholz諧振器形式，具有靠近此燃燒室下游端附近的尾管部，而尾管部的內(nèi)徑顯著地小于燃燒室的其余部分。
2.權(quán)利要求1所述的脈動式燃燒裝置，其中燃燒室的尾管和其余部分具有圓筒形或圓錐形。
3.權(quán)利要求2所述的脈動式燃燒裝置，其中的尾管具有逐漸發(fā)散的錐形而燃燒室的其余部分具有大致的圓筒形。
4.權(quán)利要求1所述的脈動式燃燒裝置，其中所述回流限制裝置包括一或多個排出閥或止回閥。
5.權(quán)利要求1所述的脈動式燃燒裝置，其中所述回流限制裝置包括一或多個不具有可動部件的氣動閥。
6.權(quán)利要求5所述的脈動式燃燒裝置，其中此裝置不具有任何可動的井下的易磨損部件或在所述燃燒室上游與下游端間的U形再生管。
7.增強天然氣生產(chǎn)井中的流體流的方法，此方法包括將權(quán)利要求4所述的脈動式燃燒裝置這樣地安裝到井生產(chǎn)管道內(nèi)，使得在燃燒室的外表面與生產(chǎn)管道的內(nèi)表面之間形成密封墊，通過具有在燃燒室的上游端與下游端之間通入室內(nèi)的流體排出口的供給導(dǎo)管注入氧化劑，允許此氧化劑與燃燒室中存在的天然氣的一部分起反應(yīng)，由此產(chǎn)生為上述回流限制裝置阻止于此燃燒室上游端處的高壓波前，而此高壓波前則在此燃燒室下游端處為尾管部增強，從而導(dǎo)致氧化劑與天然氣的混合物以及燃燒廢氣向上流過生產(chǎn)管道，此高壓波前之后便繼續(xù)有低壓波前，而此低壓波前則促使天然氣通過回流限制裝置流入燃燒室。
8.加熱地下結(jié)構(gòu)的方法，此方法包括將權(quán)利要求1所述的至少一個脈動燃燒裝置向下放到橫切地下結(jié)構(gòu)的井內(nèi)、通過從井口延伸到井內(nèi)的燃料與氧化劑供應(yīng)導(dǎo)管將燃料與氧化劑供給各個脈動燃燒裝置，同時在各個脈動室燃燒裝置內(nèi)讓氧化劑重復(fù)地與供給到燃燒室內(nèi)的燃料的一部分起反應(yīng)，由此產(chǎn)生為所述回流限制裝置阻止于各燃燒室上游端處的高壓波前，而此高壓波前則在所述室的下游端處為尾管部增強，此高壓波前之后便繼以促致氧化劑與燃料流入燃燒室內(nèi)的低壓波前。
9.權(quán)利要求8所述的方法，其中將一列脈動燃燒裝置由井口從氧化劑與燃料供應(yīng)導(dǎo)管懸掛下，使得這些裝置沿軸向相互分開。
10.權(quán)利要求8所述的方法，其中將甲烷形式的燃料經(jīng)通過至少一個脈動燃燒裝置的燃燒室中心與尾管的甲烷供應(yīng)導(dǎo)管供給各燃燒裝置，同時甲烷是通過位于燃燒室的上游與下游端之間的甲烷排出口注入各燃燒裝置的燃燒室內(nèi)的，而氧化劑則是經(jīng)過在室上游端處的氧化劑排出口供給的。
11.權(quán)利要求7所述的方法，其中地下結(jié)構(gòu)包括頁巖油，而脈動燃燒裝置在工作中使得此在井區(qū)域中含頁巖油結(jié)構(gòu)的溫度范圍為600～800K。
全文摘要
用于地下井筒的脈動式燃燒裝置(1),它包括基本上是管狀的燃燒室(10)和用來將燃料與氧化劑供給于此燃燒室的相分開的燃料與氧化劑供給導(dǎo)管(2,6)。所述導(dǎo)管之一具有流體排出口而此口裝備有位于此燃燒室上游端的回流限制裝置(13),同時此燃燒室形成Helmholz諧振器的形式,具有一尾管部(15)其內(nèi)徑顯著小于燃燒室的其他部分。
文檔編號F23C15/00GK1332836SQ99815280
公開日2002年1月23日 申請日期1999年12月29日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月30日
發(fā)明者威廉默斯·P·H·德布爾, 馬里納斯·C·A·M·彼得斯 申請人:國際殼牌研究有限公司