[发明专利]蒸汽发生器工具

说明书

本发明涉及一种蒸汽发生器工具，该蒸汽发生器工具被配置为接收燃料、氧化剂、水和电力/控制的供应，从而燃烧燃料并从水中生成蒸汽。该工具可用于井下或地面。该工具包括工具耦合组件，该工具耦合组件被配置为接收水、燃料、氧化剂和电力/控制的输入；流动转向组件，被耦合到耦合组件并且将输入引导到工具中；点火组件，被配置为点燃燃料以产生火焰。工具还包括燃烧室，被配置为容纳火焰；工具外表面上的多个水喷嘴，被配置为将水喷射到燃烧室的外表面上，在工具工作过程中水被转化为蒸汽。工具耦合组件形成第一，其可以被认为是蒸汽发生器工具的上端部，并且燃烧室位于工具的第二、相对的端部。

技术领域

本发明涉及一种蒸汽发生器工具，特别地涉及一种用于从输入的水、燃料和氧气中生成蒸汽的蒸汽发生器工具和方法。

背景技术

全世界有许多储油层含有粘稠的碳氢化合物，该粘稠的碳氢化合物通常被称为“沥青”、“焦油”、“重油”或“超重油”(本文统称为“重油”)，其中重油的粘度范围为3,000至超过1,000,000厘泊。高粘度阻碍了油的采收，因为它不能容易地从岩层流出。

为了经济采收率，(例如利用注蒸汽)加热重油以降低粘度是最常见的开采方法。通常，重油储油层会通过蒸汽吞吐(cyclic steam stimulation，CSS)、蒸汽驱(Drive)和蒸汽辅助重力泄油(steam assisted gravity drainage，SAGD)生产，其中蒸汽从地表注入储油层以加热油，从而将油粘度降低到足以高效生产。

由于地面锅炉效率低、地面管线中的能量损失和井中的能量损失，蒸汽的地面注入具有许多限制。标准油田锅炉将85％到90％的燃料能量转化为蒸汽，根据管道长度和绝缘质量，地面管道将损失5％到25％的燃料能量，并且最后，根据井深和井中的隔热方法，井筒热损失可达燃料能量的5％-15％。因此，在蒸汽到达储油层之前，能量损失的总和可能超过燃料能量的50％。在深层重油储油层中，由于热损失，地面蒸汽注入通常会导致热水而不是蒸汽到达储油层。

此外，许多重油储油层不会响应传统的蒸汽注入，因为许多储油层本身的自然驱动压力很小或没有。即使当储油层压力最初足以生产时，随着生产的进行，压力明显下降。因此，在这些情况下，传统的蒸汽技术几乎没有价值，因为产生的蒸汽处于低压，例如几个大气压。因此，连续喷射蒸汽或“蒸汽驱动”通常是不可能的。因此，在许多蒸汽注入操作中都采用了一种通常称为“蒸汽吞吐”的循环技术。在该技术中，蒸汽在预定的时间段内被注入，中断蒸汽注入并且井在预定的时间段内被关闭，这被称为“浸泡”。此后，将井泵送到预定的损耗点并重复该循环。然而，蒸汽仅穿透井筒周围岩层的很小的部分，特别是因为蒸汽是在相对较低的压力下注入的。

传统的蒸汽发生技术的另一个问题是空气污染物的产生，即CO₂、SO₂、NO_x和颗粒排放。几个行政辖区已经为这类蒸汽操作设定了最大排放量，这通常适用于存在大型重油油田并且以商业规模进行蒸汽作业的广泛区域。因此，在给定油田中的蒸汽作业数量可能会受到严重限制，在某些情况下，有必要分阶段发展以限制空气污染。

也有人建议在地面使用高压燃烧系统。在这样的系统中，水被来自燃烧器的烟气蒸发，烟气和蒸汽都被注入井筒下。这基本上消除或至少减少了解决燃烧过程造成的空气污染的需求，因为所有燃烧产物都被注入储油层，并且大部分注入的污染物仍然隔离在储油层中。注入的混合物通常具有约60％至70％的蒸汽、25％至35％的氮气、约4％至5％的二氧化碳、少于1％的氧气的组成，这取决于是否使用过量的氧气用于完全燃烧，以及SO₂和NO_x的痕迹。当然，SO₂和NO_x会产生酸性物质。然而，通过对用于产生蒸汽的水进行适当处理并通过注入的水稀释酸性化合物，可以显着降低甚至消除这些材料的潜在腐蚀效应。

这种使用蒸汽、氮气和二氧化碳的组合，而不是单独使用蒸汽的操作有公认的好处。除了通过蒸汽冷凝将储油层和油加热到位之外，二氧化碳还溶解在油中，特别是在油冷且氮气对储油层加压或再加压的蒸汽之前的储油层区域中。