CN108252653B - 一种热力射流井下反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种热力射流井下反应器。该热力射流井下反应器包括反应器本体，反应器本体为圆柱状结构，由上至下依次包括注入单元、反应单元和喷嘴单元；注入单元包括用于向反应单元注入燃料的燃料注入单元、用于向反应单元注入氧气的氧气注入单元和用于向反应单元注入水的水注入单元；反应单元包括反应腔和点火器；点火器穿设于反应腔的上部腔体侧面；喷嘴单元包括渐缩段、喷嘴口、渐扩段和聚能段；反应腔的底端与渐缩段相连通，渐缩段、喷嘴口、渐扩段和聚能段沿轴向依次连通。本发明的热力射流井下反应器结构较为简单；注入单元的通道设计较为新颖，能够保证反应器的有效冷却；反应器的设计合理，能够在出口形成高速热射流，从而实现高效破岩。
Description
技术领域
本发明属于能源开采技术领域，涉及一种热力射流井下反应器。
背景技术
近年来，我国经济高速发展，对石油能源的需求量也与日俱增。随着国内油气田勘探开发的不断深入，中东部油田均已逐渐进入开发后期，剩余油气资源大部分处于深部地层中(>4500m)。例如，近几年发现的塔里木、川东北、松辽等油田均处于深部地层，因此如何高效开发深层油气资源是我国当前重要的战略之一。
深部地层岩石硬度高、可钻性差，积极研究探索深层硬地层的高效钻井新方法，对实现我国油气资源可持续发展的战略目标具有重要意义。上世纪40年代，有学者提出岩石热裂解的方法与思路，并在采矿业进行了初步应用。1995年，麻省理工学者与其合作机构流体热裂解的思路，并逐步研发了相应实验设备。
该方法主要是基于岩石热裂解思路与超临界水氧化技术。具体的讲：是燃料，氧气，水注入到井下反应器内，在井下一定温度压力条件下(温度大于374℃，压力大于22.1MPa)，井下反应器内的水处于超临界态。此时燃料与氧气可以与水实现完全混合，呈现单相，在该条件下，燃料与氧气混合更加均匀，具有更好的反应效果。从反应器出口喷出的高温热介质(主要成分是二氧化碳和水)作用于岩石表面，致使岩石内部产生非均匀的热应力，致使岩石表面产生裂缝直至裂解。该方法主要定位于地热资源的开采。
结合流体热裂解技术，课题组提出了热力射流破岩方法，即在流体热裂解技术的基础上，通过设计井下反应器结构，重新设计注入参数等，提高高温热介质的速度(>100m/s)，从而使得岩石破碎不仅有热裂解效应，还有射流的冲击作用。提高通过冲击与裂解的综合作用，可作用于更多种类的岩石，获得更快的破岩速度，从而提高深井硬地层的钻井速度。
对热力射流破岩方法来讲，核心之一在于井下反应器的结构设计，与流体热裂解技术相比，注入速度以及对出口速度的提高，对井下反应器结构设计提出了更高要求。已有的热力射流方法中，只提供了简单的井下反应装置设计思路，只停留在理论构思阶段，可用于热力射流的井下反应器结构设计亟待深入研究。
而且，反应腔结构的设计是热力射流钻井的关键问题之一。燃料混合的均匀程度、管壁冷却的效果都对工具的效率和寿命有重要影响。燃料混合越均匀，反应物反应程度越完全，工具效率越高；管壁冷却效果越好，工具可使用时间越长，寿命越长。
发明内容
为了解决上述现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种热力射流井下反应器，该热力射流井下反应器结构简单、注入通道设计新颖等，能够保证反应器结构的冷却，延长反应器的有效工作时间，而且能够在出口形成高速热射流，实现高效破岩。
本发明的目的主要通过以下技术方案得以实现：
本发明提供一种热力射流井下反应器，该热力射流井下反应器包括反应器本体，所述反应器本体为圆柱状结构，由上至下依次包括注入单元、反应单元和喷嘴单元；
所述注入单元包括用于向反应单元注入燃料的燃料注入单元、用于向反应单元注入氧气的氧气注入单元和用于向反应单元注入水的水注入单元；
所述反应单元包括反应腔和点火器；所述点火器穿设于所述反应腔的上部腔体侧面；
所述喷嘴单元包括渐缩段、喷嘴口、渐扩段和聚能段；所述反应腔的底端与所述渐缩段相连通，所述渐缩段、所述喷嘴口、所述渐扩段和所述聚能段沿轴向依次连通。
上述的热力射流井下反应器中，优选地，所述反应腔的顶端的轴心位置处设置有燃料喷嘴；所述反应腔的顶端紧邻反应腔体的内侧壁设置有一圈多个均匀分布的通水小孔；所述反应腔的顶端紧邻所述燃料喷嘴设置有一圈多个均匀分布的通气小孔；
所述燃料注入单元通过所述燃料喷嘴向所述反应腔内注入燃料；所述水注入单元通过所述通水小孔向所述反应腔内注入水；所述氧气注入单元通过所述通气小孔向所述反应腔内注入氧气。
上述的热力射流井下反应器中，优选地，所述通气小孔的直径为所述燃料喷嘴的直径的1.5倍以上；所述燃料喷嘴的直径小于所述反应腔的内径的1/10，含义为：燃料喷嘴的直径比反应腔的内径的1/10还要小；所述通水小孔的直径小于所述反应腔的内径的1/5，含义为：通水小孔的直径比反应腔的内径的1/5还要小。
上述的热力射流井下反应器中，优选地，所述通气小孔的数量为6个。
上述的热力射流井下反应器中，优选地，所述通水小孔的数量为6个。
上述的热力射流井下反应器中，优选地，所述燃料注入单元包括燃料注入头和燃料缓冲通道；所述燃料注入头、所述燃料缓冲通道和所述燃料喷嘴依次相连通；
所述燃料注入头位于所述反应器本体的顶端的中心位置，用于连通外部燃料并输送燃料至所述燃料缓冲通道中；所述燃料缓冲通道位于所述燃料注入头的下部，所述燃料缓冲通道为与轴线平行的柱形腔室，用于将燃料通过所述燃料喷嘴注入到所述反应腔内。
上述的热力射流井下反应器中，优选地，所述氧气注入单元包括氧气注入头和氧气缓冲通道；所述氧气注入头、所述氧气缓冲通道和所述通气小孔依次相连通；
所述氧气注入头位于所述反应器本体的侧面的上端并垂直所述反应器本体的侧面，用于连通外部氧气并输送氧气至所述氧气缓冲通道中；所述氧气缓冲通道为围绕轴线设置的一圈环形腔室，用于将氧气通过所述通气小孔注入到所述反应腔内。
上述的热力射流井下反应器中，优选地，所述水注入单元包括水注入头和水缓冲通道；所述水注入头、所述水缓冲通道和所述通水小孔依次相连通；
所述水注入头位于所述反应器本体的侧面的上端并垂直所述反应器本体的侧面，用于连通外部水并输送水至所述水缓冲通道中；所述水缓冲通道为围绕轴线设置的一圈环形腔室，用于将水通过所述通水小孔注入到所述反应腔内。
上述的热力射流井下反应器中，优选地，所述点火器采用斜***的螺纹连接方式穿设于所述反应腔的上部腔体侧面；通过外接电打火设备用于控制点火的强度和频率。
上述的热力射流井下反应器中，优选地，所述渐缩段呈内径逐渐减小的圆锥形腔道，其最大的内径与所述反应腔的内径相同，其最小的内径与所述喷嘴口的直径相同；
所述渐扩段呈内径逐渐扩大的圆锥形腔道，其最小的内径与所述喷嘴口的直径相同，其最大的内径与所述聚能段的直径相同；
所述喷嘴口和所述聚能段均为圆柱形腔道。
上述的热力射流井下反应器中，优选地，所述喷嘴口的直径小于所述反应腔的内径的1/5，含义为：喷嘴口直径比反应腔的内径的1/5还要小。
上述的热力射流井下反应器中，优选地，所述燃料与所述氧气的体积流量比为1:4。
上述的热力射流井下反应器中，优选地，所述氧气缓冲通道位于所述水缓冲通道的上部，所述燃料缓冲通道位于所述氧气缓冲通道和所述水缓冲通道环形腔室的套环中部，所述氧气注入头和所述水注入头分布于所述反应器本体的两侧，便于安装方便和拆卸方便。
上述的热力射流井下反应器中，所述燃料喷嘴的设计主要用于控制注入反应腔内的燃料量，防止燃料一次性注入过多，反应过于剧烈烧毁反应器；氧气的通气小孔紧邻燃料喷嘴，便于使燃料与氧气充分掺混，让燃烧主要发生在反应腔的中心；水的通水小孔紧邻贴近反应腔体的内侧壁，分布于壁面与燃烧中心之间，起到较好的降温作用，从而保护反应腔体的壁面不会因温度过高而烧毁。
本发明的热力射流井下反应器在进行使用时：首先将该热力射流井下反应器安装至井下油管的末端，分别将燃料管道、水管道和氧气管道由地面连接至燃料注入头、水注入头和氧气注入头；然后先通氧气10秒左右，在反应腔内营造一个富氧的环境，然后再通入燃料；燃料与氧气的体积流量比为1:4。在燃料与氧气均打开约15s左右时，控制电打火开始点火，从点火开始约10s后，可以形成稳定燃烧；此时，开始给反应腔内通入水，通过井口回压和液柱压力调节井底压力在20MPa以上，此时，反应腔体中的水在点火反应时处于超临界状态，燃料与氧气在超临界水的环境中充分混合，发生剧烈反应，产生高温高压热介质(主要是二氧化碳和水)，热介质通过渐缩段收缩，从而减少热冲击过程中的局部阻力损失和阻止热介质的立即发散，热介质经过喷嘴口形成高速射流，通过渐扩段释放出去，并通过聚能段起到聚能保能的作用，形成的高速热射流冲击岩层，实现高效破岩。
本发明的热力射流井下反应器具备以下优点：
(1)结构较为简单，尤其在复杂的井下条件下能够保证反应器的可靠性；
(2)注入单元的通道设计较为新颖，能够保证反应器的有效冷却，从而延长反应器的有效工作时间；
(3)反应器的设计合理，能够在出口形成高速热射流，从而实现高效破岩。
参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
图1为本发明实施例中热力射流井下反应器本体结构的剖视图；
图2为图1中A-A剖视图；
图3为图1中B-B剖视图；
图4为图1中局部C的放大示意图；
附图符号说明：
1燃料注入头，2氧气注入头，3水注入头，4点火器，5反应腔，6渐缩段，7燃料缓冲通道，8氧气缓冲通道，9水缓冲通道，10通气小孔，11通水小孔，12燃料喷嘴，13喷嘴口，14渐扩段，15聚能段。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例
本实施提供一种热力射流井下反应器，如图1所示，该热力射流井下反应器包括反应器本体，所述反应器本体为圆柱状结构，由上至下依次包括注入单元、反应单元和喷嘴单元。
注入单元包括用于向反应单元注入燃料的燃料注入单元、用于向反应单元注入氧气的氧气注入单元和用于向反应单元注入水的水注入单元；燃料与氧气的体积流量比为1:4。反应单元包括反应腔5和点火器4。喷嘴单元包括渐缩段6、喷嘴口13、渐扩段14和聚能段15；反应腔5的底端与渐缩段6相连通，渐缩段6、喷嘴口13、渐扩段14和聚能段15沿轴向依次连通。
反应腔5的顶端的轴心位置处设置有燃料喷嘴12；反应腔5的顶端紧邻反应腔体的内侧壁设置有一圈6个均匀分布的通水小孔11；反应腔5的顶端紧邻燃料喷嘴12设置有一圈6个均匀分布的通气小孔10(如图2和图3所示)；
燃料注入单元包括燃料注入头1和燃料缓冲通道7；燃料注入头1、燃料缓冲通道7和燃料喷嘴12依次相连通；燃料注入头1位于反应器本体的顶端的中心位置，用于连通外部燃料并输送燃料至燃料缓冲通道7中；燃料缓冲通道7位于燃料注入头1的下部，燃料缓冲通道7为与轴线平行的柱形腔室，用于将燃料通过燃料喷嘴12注入到反应腔5内。
氧气注入单元包括氧气注入头2和氧气缓冲通道8；氧气注入头2、氧气缓冲通道8和通气小孔10依次相连通；氧气注入头2位于反应器本体的侧面的上端并垂直反应器本体的侧面，用于连通外部氧气并输送氧气至氧气缓冲通道8中；氧气缓冲通道8为围绕轴线设置的一圈环形腔室，用于将氧气通过通气小孔10注入到反应腔5内。
水注入单元包括水注入头3和水缓冲通道9；水注入头3、水缓冲通道9和通水小孔11依次相连通；水注入头3位于反应器本体的侧面的上端并垂直反应器本体的侧面，用于连通外部水并输送水至水缓冲通道9中；水缓冲通道9为围绕轴线设置的一圈环形腔室，用于将水通过通水小孔11注入到反应腔5内。
点火器4采用斜***的螺纹连接方式穿设于反应腔5的上部腔体侧面；通过外接电打火设备用于控制点火的强度和频率(如图4所示的点火器局部放大图)。
渐缩段6呈内径逐渐减小的圆锥形腔道，其最大的内径与反应腔5的内径相同，其最小的内径与喷嘴口13的直径相同；渐扩段14呈内径逐渐扩大的圆锥形腔道，其最小的内径与喷嘴口13的直径相同，其最大的内径与聚能段15的直径相同；喷嘴口13和聚能15均为圆柱形腔道。喷嘴口13的直径小于反应腔5内径的1/5；通气小孔10的直径为燃料喷嘴12的直径的1.5倍以上；燃料喷嘴12的直径小于反应腔5的内径的1/10；通水小孔11的直径小于反应腔5的内径的1/5。
本实施例的热力射流井下反应器在进行使用时：
首先将该热力射流井下反应器安装至井下油管的末端，分别将燃料管道、水管道和氧气管道由地面连接至燃料注入头1、水注入头3和氧气注入头2；然后先通氧气10秒左右，在反应腔5内营造一个富氧的环境，然后再通入燃料；燃料与氧气的体积流量比为1:4。在燃料与氧气均打开约15s左右时，控制电打火开始点火，从点火开始约10s后，可以形成稳定燃烧；此时，开始给反应腔5内通入水，通过井口回压和液柱压力调节井底压力在20MPa以上，此时，反应腔体中的水在点火反应时处于超临界状态，燃料与氧气在超临界水的环境中充分混合，发生剧烈反应，产生高温高压热介质(主要是二氧化碳和水)，热介质通过渐缩段6收缩，从而减少热冲击过程中的局部阻力损失和阻止热介质的立即发散，热介质经过喷嘴口13形成高速射流，通过渐扩段14释放出去，并通过聚能段15起到聚能保能的作用，形成的高速热射流冲击岩层，实现高效破岩。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种热力射流井下反应器，其特征在于：该热力射流井下反应器包括反应器本体，所述反应器本体为圆柱状结构，由上至下依次包括注入单元、反应单元和喷嘴单元；
所述注入单元包括用于向反应单元注入燃料的燃料注入单元、用于向反应单元注入氧气的氧气注入单元和用于向反应单元注入水的水注入单元；
所述反应单元包括反应腔和点火器；所述点火器穿设于所述反应腔的上部腔体侧面；
所述喷嘴单元包括渐缩段、喷嘴口、渐扩段和聚能段；所述反应腔的底端与所述渐缩段相连通，所述渐缩段、所述喷嘴口、所述渐扩段和所述聚能段沿轴向依次连通；
所述反应腔的顶端的轴心位置处设置有燃料喷嘴；所述反应腔的顶端紧邻反应腔体的内侧壁设置有一圈多个均匀分布的通水小孔；所述反应腔的顶端紧邻所述燃料喷嘴设置有一圈多个均匀分布的通气小孔；
所述燃料注入单元通过所述燃料喷嘴向所述反应腔内注入燃料；所述水注入单元通过所述通水小孔向所述反应腔内注入水；所述氧气注入单元通过所述通气小孔向所述反应腔内注入氧气；
所述通气小孔的直径为所述燃料喷嘴的直径的1.5倍以上；所述燃料喷嘴的直径小于所述反应腔的内径的1/10；所述通水小孔的直径小于所述反应腔的内径的1/5。
2.根据权利要求1所述的热力射流井下反应器，其特征在于：所述通气小孔的数量为6个。
3.根据权利要求2所述的热力射流井下反应器，其特征在于：所述通水小孔的数量为6个。
4.根据权利要求1所述的热力射流井下反应器，其特征在于：所述燃料注入单元包括燃料注入头和燃料缓冲通道；所述燃料注入头、所述燃料缓冲通道和所述燃料喷嘴依次相连通；
所述燃料注入头位于所述反应器本体的顶端的中心位置，用于连通外部燃料并输送燃料至所述燃料缓冲通道中；所述燃料缓冲通道位于所述燃料注入头的下部，所述燃料缓冲通道为与轴线平行的柱形腔室，用于将燃料通过所述燃料喷嘴注入到所述反应腔内。
5.根据权利要求1所述的热力射流井下反应器，其特征在于：所述氧气注入单元包括氧气注入头和氧气缓冲通道；所述氧气注入头、所述氧气缓冲通道和所述通气小孔依次相连通；
所述氧气注入头位于所述反应器本体的侧面的上端并垂直所述反应器本体的侧面，用于连通外部氧气并输送氧气至所述氧气缓冲通道中；所述氧气缓冲通道为围绕轴线设置的一圈环形腔室，用于将氧气通过所述通气小孔注入到所述反应腔内。
6.根据权利要求1所述的热力射流井下反应器，其特征在于：所述水注入单元包括水注入头和水缓冲通道；所述水注入头、所述水缓冲通道和所述通水小孔依次相连通；
所述水注入头位于所述反应器本体的侧面的上端并垂直所述反应器本体的侧面，用于连通外部水并输送水至所述水缓冲通道中；所述水缓冲通道为围绕轴线设置的一圈环形腔室，用于将水通过所述通水小孔注入到所述反应腔内。
7.根据权利要求1所述的热力射流井下反应器，其特征在于：所述点火器采用斜***的螺纹连接方式穿设于所述反应腔的上部腔体侧面；通过外接电打火设备用于控制点火的强度和频率。
8.根据权利要求1所述的热力射流井下反应器，其特征在于：所述渐缩段呈内径逐渐减小的圆锥形腔道，其最大的内径与所述反应腔的内径相同，其最小的内径与所述喷嘴口的直径相同；
所述渐扩段呈内径逐渐扩大的圆锥形腔道，其最小的内径与所述喷嘴口的直径相同，其最大的内径与所述聚能段的直径相同；
所述喷嘴口和所述聚能段均为圆柱形腔道。
9.根据权利要求1或8所述的热力射流井下反应器，其特征在于：所述喷嘴口的直径小于所述反应腔的内径的1/5。
10.根据权利要求1所述的热力射流井下反应器，其特征在于：所述燃料与所述氧气的体积流量比为1:4。
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