способ и устройство для скважинного газогенератора

Формула изобретения

1. Скважинное устройство для образования пара для введения нагретой смеси текучей среды в коллектор, содержащее секцию введения, включающую в себя кожух, множество элементов инжектора, установленных в кожухе, и плиту инжектора, соединенную с кожухом, секцию сжигания, включающую в себя корпус, соединенный с кожухом и образующий камеру сгорания, при этом элементы инжектора сообщены с камерой сгорания, и секцию парообразования, включающую в себя форсунку, соединенную с корпусом и выполненную с возможностью введения капель текучей среды в камеру сгорания.

2. Устройство по п.1, в котором корпус включает в себя множество каналов, проходящих через стенку корпуса и сообщающихся с форсункой.

3. Устройство по п.2, в котором секция парообразования дополнительно включает в себя множество труб, соединенных с форсунками и корпусом.

4. Устройство по п.3, в котором каналы сообщены с форсунками через трубы.

5. Устройство по п.1, дополнительно содержащее выходное сопло, установленное смежно с секцией парообразования и выполненное с возможностью нагнетания нагретой смеси текучих сред в коллектор.

6. Устройство по п.1, в котором кожух включает в себя окно воспламенителя, проходящее через кожух.

7. Устройство по п.1, в котором кожух включает в себя верхнюю камеру и нижнюю камеру.

8. Устройство по п.7, в котором элементы инжектора сообщены текучей средой с каждой камерой.

9. Устройство по п.1, в котором кожух включает в себя верхний участок, имеющий внутреннюю камеру, окруженную внешней камерой, и нижний участок, имеющий внутреннюю камеру, окруженную внешней камерой.

10. Устройство по п.9, в котором элементы инжектора сообщены текучей средой с внутренними камерами верхнего и нижнего участков.

11. Устройство по п.9, в котором элементы инжектора сообщены текучей средой с внешними камерами верхнего и нижнего участков.

12. Устройство по п.9, в котором секция введения дополнительно включает в себя первый манифольд, сообщенный текучей средой с внутренней камерой нижнего участка, и второй манифольд, сообщенный текучей средой с внешней камерой нижнего участка.

13. Устройство по п.12, в котором первый и второй манифольды имеют круглую форму.

14. Устройство по п.1, в котором корпус дополнительно включает в себя входной манифольд и выходной манифольд, каждый из которых сообщен текучей средой с множеством каналов, проходящих через стенку корпуса.

15. Устройство по п.1, в котором корпус выполнен из бериллиевомедного сплава.

16. Способ введения нагретой смеси текучих сред в коллектор, содержащий следующие стадии: установка устройства в ствол нагнетательной скважины, сообщенный с коллектором, при этом устройство включает в себя лейнер, имеющий камеру; подача топлива, окислителя и текучей среды в устройство; сжигание топлива и окислителя в камере с подачей текучей среды через множество каналов, проходящих через лейнер, нагрев текучей среды и охлаждение лейнера; введение капель нагретой текучей среды в камеру противотоком с введением топлива и окислителя в камеру; и превращение капель в пар посредством сжигания топлива и окислителя для получения нагретой смеси текучих сред.

17. Способ по п.16, в котором топливом является природный газ, окислителем является смесь кислорода и двуокиси углерода, и текучей средой является вода.

18. Способ по п.17, в котором смесь кислорода и двуокиси углерода включает в себя около 5 процентов азота.

19. Способ по п.16, дополнительно содержащий подачу нагретой текучей среды через множество труб, радиально проходящих в камеру.

20. Способ по п.19, дополнительно содержащий введение капель нагретой текучей среды в камеру с использованием форсунки, соединенной с трубами.

21. Способ по п.16, дополнительно содержащий введение нагретой смеси текучих сред в коллектор, при этом нагретая смесь текучих сред включает в себя двуокись углерода с концентрацией от около 10 процентов до около 30 процентов и кислород с концентрацией около 0,5 процентов или около 5 процентов.

22. Способ по п.16, в котором нагретая смесь текучих сред включает в себя пар с его массовым содержанием в диапазоне от около 90 процентов до около 95 процентов.

23. Способ по п.16, дополнительно содержащий поддержание горения с температурой пламени в камере в диапазоне от около 2500 градусов F (1371°С) до около 5500 градусов F (3038°С).

24. Способ по п.16, дополнительно содержащий нагнетание нагретой смеси текучих сред в коллектор при температуре до около 600 градусов F (316°С) и при давлении до около 1800 фунт/дюйм² (12,4 МПа).

25. Способ по п.16, в котором в стволе нагнетательной скважины внутреннее давление находится в диапазоне от около 800 фунт/дюйм ² (5,5 МПа) до около 1600 фунт/дюйм² (11 МПа).

26. Способ по п.16, в котором текучая среда включает в себя растворитель, содержащий, по меньшей мере, одно из следующего: воду, пар, кислород, природный газ, двуокись углерода, окись углерода, метан, азот, водород, углеводороды, кислородсодержащие углеводороды и их комбинации.

27. Способ по п.16, дополнительно содержащий регулирование давления в коллекторе с использованием устройства, установленного в стволе нагнетательной скважины.

28. Способ по п.16, дополнительно содержащий регулирование давления в коллекторе с использованием устройства регулирования давления, установленного в стволе эксплуатационной скважины, сообщающейся с коллектором.

29. Система скважинного парогенератора, содержащая: секцию введения, содержащую корпус, имеющий путь потока, проходящий через корпус для подачи охлаждающей текучей среды к корпусу и элемент инжектора, поддерживаемый корпусом для смешивания топлива и окислителя, причем секция введения выполнена так, чтобы вводить топливо и окислитель в камеру сгорания; секцию сгорания, содержащую лейнер, соединенный с корпусом, причем камера сгорания расположена внутри лейнера, и секцию парообразования, содержащую форсунку, выполненную с возможностью введения текучей среды в камеру сгорания.

30. Система по п.29, в которой лейнер содержит путь потока, проходящий через лейнер для подачи охлаждающей текучей среды в лейнер.

31. Система по п.30, в которой путь потока лейнера обеспечивает сообщение по текучей среде между входным манифольдом и выходным манифольдом лейнера.

32. Система по п.31, в которой секция парообразования дополнительно содержит трубу, расположенную между лейнером и форсункой.

33. Система по п.32, в который выходной манифольд лейнера сообщается по текучей среде с форсункой через трубу.

34. Система по п.29, в которой корпус содержит верхнюю камеру и нижнюю камеру, причем элемент инжектора сообщается по текучей среде с верхней и нижней камерами.

35. Система по п.34, в которой секция введения дополнительно содержит первый манифольд для подачи окислителя в верхнюю камеру и второй манифольд для подачи топлива в нижнюю камеру.

36. Система по п.29, в которой форсунка соединена с лейнером посредством трубы, которая обеспечивает сообщение по текучей среде между путем потока лейнера и путем потока форсунки.

37. Система скважинного парогенератора, содержащая секцию введения, выполненную с возможностью введения топлива и окислителя в камеру сгорания; секцию сгорания, содержащую лейнер, который образует камеру сгорания, причем лейнер содержит путь потока, проходящий через лейнер для подачи текучей среды к лейнеру; и секцию парообразования, содержащую форсунку, выполненную с возможностью введения текучей среды из пути потока лейнера к камере сгорания, причем форсунка соединена с лейнером посредством трубы, которая обеспечивает сообщение по текучей среде между путем потока лейнера и форсункой.

38. Система по п.37, в которой форсунка выполнена с возможностью введения текучей среды в направлении в противоток, параллельным потоком или радиально по отношению к потоку одного из топлива и окислителя.

39. Система по п.37, в которой путь потока лейнера обеспечивает сообщение по текучей среде между входным манифольдом и выходным манифольдом лейнера, причем выходной манифольд находится в сообщении по текучей среде с форсункой посредством трубы.

40. Система по п.37, в котором секция введения содержит корпус, имеющий путь потока, продолжающийся через корпус для подачи охлаждающей текучей среды к корпусу, и элемент инжектора, поддерживаемый корпусом для смешивания топлива с окислителем.

41. Система по п.40, в которой корпус содержит верхнюю камеру и нижнюю камеру, при этом элемент инжектора сообщается по текучей среде с верхней и нижней камерами.

42. Система по п.41, в которой секция введения дополнительно содержит первый манифольд для подачи окислителя в верхнюю камеру и второй манифольд для подачи топлива в нижнюю камеру.

43. Способ введения смеси текучих сред в камеру, предусматривающий: размещение системы в стволе нагнетательной скважины, которая сообщается по текучей среде с камерой, причем система содержит лейнер, имеющий камеру сгорания; подачу топлива, окислителя и текучей среды в систему; сжигание топлива и окислителя в камере сгорания при прохождении текучей среды через множество путей потока, проходящих через лейнер; введение капель текучей среды в камеру сгорания при сжигании топлива и окислителя в камере сгорания для получения смеси текучих сред.

44. Способ по п.43, в котором система содержит секцию введения, выполненную с возможностью введения топлива и окислителя в камеру сгорания, причем секция введения содержит корпус, имеющий путь потока, проходящий через корпус для подачи охлаждающей текучей среды к корпусу, и элемент инжектора, поддерживаемый корпусом, для смешивания топлива с окислителем.

45. Способ по п.44, дополнительно предусматривающий подачу охлаждающей текучей среды через путь потока, проходящий через корпус при сжигании топлива и окислителя.

46. Способ по п.43, в котором система содержит секцию парообразования, имеющую форсунку, выполненную с возможностью введения капель текучей среды в камеру, сгорания, причем форсунка соединена с лейнером посредством трубы.

47. Способ по п.46, в котором труба обеспечивает сообщение по текучей среде между путями потока лейнера и форсунки и дополнительно предусматривает прохождение текучей среды через трубу и к форсунке для введения капель текучей среды в камеру сгорания.

48. Способ по п.47, дополнительно предусматривающий введение капель текучей среды в камеру сгорания в направлении в противоток, параллельным потоком или радиально по отношению к потоку одного из топлива и окислителя.

Описание изобретения к патенту

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники изобретения

Варианты осуществления изобретения относятся к скважинным парогенераторам.

Описание известной техники

По всему миру существуют обширные коллекторы вязких углеводородов. Данные коллекторы содержат углеводороды высокой вязкости, часто называемые «битум», «гудрон», «тяжелая нефть» или «сверхтяжелая нефть» (вместе именуемые в данном документе «тяжелой нефтью»), которые обычно имеют вязкость в диапазоне от 3000 до более 1000000 сП. Высокая вязкость делает добычу углеводородов сложной и дорогостоящей.

Каждый нефтяной коллектор является уникальным и реагирует по-разному на различные способы, используемые для извлечения углеводородов из него. В общем, используют нагрев тяжелой нефти в пласте для снижения вязкости. В нормальных условиях коллекторы с вязкой нефтью должны эксплуатировать такими способами как циклическая паростимуляция, вытеснение паром и гравитационное дренирование при закачке пара, где пар нагнетают с поверхности в коллектор для нагрева нефти и достаточного уменьшения ее вязкости для добычи. Вместе с тем некоторые из данных вязких углеводородных коллекторов находятся под слоем вечной мерзлоты, который может простираться до глубины 1800 футов (550 м). Пар нельзя нагнетать через слой вечной мерзлоты, поскольку тепло может потенциально распространяться в вечной мерзлоте, вызывая проблемы устойчивости ствола скважины и значительные экологические проблемы, связанные с таянием вечной мерзлоты.

Кроме того, при современных способах эксплуатации коллекторов тяжелой нефти сталкиваются с другими ограничениями. Одной такой проблемой являются теплопотери пара в стволе скважины при перемещении пара с поверхности в коллектор. Данная проблема усугубляется с увеличением глубины коллектора. Аналогично, качество пара, имеющегося для нагнетания в коллектор, также снижается с увеличением глубины, и качество пара в скважине на месте нагнетания значительно ниже, чем на месте генерирования на поверхности. Данная ситуация снижает эффективность использования энергии в способе добычи нефти.

Для устранения недостатков нагнетания пара с поверхности используют скважинные парогенераторы. Скважинные парогенераторы создают возможность для нагрева пара в скважине перед нагнетанием в коллектор. Скважинные парогенераторы вместе с тем также создают ряд проблем, включающих в себя избыточные температуры, проблемы коррозии и нестабильности горения. Данные проблемы часто дают в результате отказы материальной части и тепловую нестабильность и неэффективность.

Поэтому остается необходимым создание скважинного парогенератора с новым и улучшенным конструктивным исполнением.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Варианты осуществления изобретения относятся к устройству скважинного парогенератора. В одном варианте осуществления устройство скважинного парогенератора для подачи нагретой смеси текучих сред в коллектор может включать в себя секцию введения, включающую в себя кожух, элемент инжектора, расположенный в кожухе, и плиту инжектора, соединенную с кожухом. Устройство может включать в себя секцию сжигания, включающую в себя корпус, соединенный с кожухом и образующий камеру сгорания, при этом корпус включает в себя унитарное кольцевое пространство, расположенное в нем. Устройство может дополнительно включать в себя секцию парообразования, включающую в себя форсунку, соединенную с корпусом и выполненную с возможностью введения капель текучей среды в камеру сгорания в направлении от секции нагнетания.

В одном варианте осуществления способ нагнетания нагретой смеси текучих сред в коллектор может включать в себя установку устройства в скважине, при этом устройство включает в себя лейнер, имеющий камеру, подачу топлива, окислителя и текучей среды в устройство, сжигание топлива и окислителя в камере с подачей текучей среды через кольцевое пространство, проходящее через лейнер, нагрев текучей среды и охлаждение лейнера, введение капель нагретой текучей среды в камеру совместно с потоком введения топлива и окислителя в камеру и превращение в пар капель с помощью сжигания топлива и окислителя для получения пара.

В одном варианте осуществления способ нагнетания нагретой смеси текучих сред в коллектор может включать в себя подачу первой текучей среды и второй текучей среды в корпус инжектора, введение первой текучей среды и второй текучей среды из корпуса инжектора в камеру сгорания для сжигания первой и второй текучих сред, при этом секция сжигания включает в себя камеру, лейнер, окружающий камеру, и унитарное кольцевое пространство, проходящее через лейнер, подачу третьей текучей среды через унитарное кольцевое пространство лейнера и охлаждение лейнера, нагрев текучей среды, подаваемой через унитарное кольцевое пространство при сжигании первой и второй текучих сред в камере сгорания, введение капель нагретой текучей среды из унитарного кольцевого пространства в камеру сгорания в направлении, параллельном потоку первой и второй текучих сред, и превращение капель в пар, нагнетание продуктов сгорания первой и второй текучих сред и превращенных в пар капель в коллектор и закачку нанокатализатора в коллектор.

В одном варианте осуществления устройство скважинного парогенератора для нагнетания нагретой смеси текучих сред в коллектор может включать в себя секцию введения, имеющую кожух, элемент инжектора, установленный в кожухе, и плиту инжектора, соединенную с кожухом. Устройство может включать в себя секцию сжигания, имеющую корпус, соединенный с кожухом и образующий камеру сгорания. Корпус может включать в себя унитарное кольцевое пространство, проходящее через него. Устройство может включать в себя секцию парообразования, имеющую форсунку, соединенную с корпусом. Форсунка выполнена с возможностью введения капель текучей среды в камеру сгорания в направлении от секции нагнетания.

Унитарное кольцевое пространство может сообщаться текучей средой с форсункой. Секция парообразования может дополнительно включать в себя трубу, соединенную с форсункой и корпусом. Унитарное кольцевое пространство может сообщаться текучей средой с форсункой через трубу. Форсунка может быть выполнена с возможностью введения капель текучей среды в камеру сгорания в направлении радиально наружу к корпусу.

В одном варианте осуществления способ нагнетания нагретой смеси текучих сред в коллектор может содержать установку устройства в скважину, при этом устройство включает в себя лейнер, имеющий камеру, подачу топлива, окислителя и текучей среды в устройство, сжигание топлива и окислителя в камере с подачей текучей среды через кольцевое пространство, проходящее через лейнер, нагрев текучей среды и охлаждение лейнера, введение капель нагретой текучей среды в камеру совместно с введением топлива и окислителя в камеру и превращение в пар капель с помощью сжигания топлива и окислителя для получения пара.

Топливо может включать в себя, по меньшей мере, одно из следующего: газ для химического синтеза и водород, и окислитель может включать в себя, по меньшей мере, одно из следующего: диоксид, чистый кислород и обогащенный воздух. Способ может дополнительно содержать подачу нагретой текучей среды через трубу, радиально проходящую в камеру. Способ может дополнительно содержать введение капель нагретой текучей среды в камеру с использованием форсунки, соединенной с трубой. Пар может включать в себя перегретый пар.

В одном варианте осуществления способ нагнетания нагретой смеси текучих сред в коллектор может содержать подачу первой текучей среды и второй текучей среды в корпус инжектора, введение первой текучей среды и второй текучей среды из корпуса инжектора в камеру сгорания для сжигания первой и второй текучих сред, при этом секция сжигания включает в себя камеру, лейнер, окружающий камеру, и унитарное кольцевое пространство, проходящее через лейнер, подачу третьей текучей среды через унитарное кольцевое пространство лейнера и охлаждение лейнера, нагрев текучей среды, подаваемой через унитарное кольцевое пространство, с помощью сжигания первой и второй текучих сред в камере сгорания, введение капель нагретой текучей среды из унитарного кольцевого пространства в камеру сгорания в направлении, параллельном потоку первой и второй текучих сред, и превращение в пар капель, нагнетание продуктов сгорания первой и второй текучих сред и превращенных в пар капель в коллектор и закачку нанокатализатора в коллектор.

Первая текучая среда может являться окислителем, содержащим, по меньшей мере, одно из следующего: диоксид, чистый кислород и обогащенный воздух. Вторая текучая среда может являться топливом, содержащим, по меньшей мере, одно из следующего: газ для химического синтеза и водород. Способ может дополнительно содержать генерирование перегретого пара с помощью превращения в пар капель. Способ может дополнительно содержать извлечение газовых гидратов из коллектора. Способ может дополнительно содержать обогащение углеводородов, находящихся в коллекторе, с использованием продуктов сгорания первой и второй текучих сред, превращенных в пар капель и нанокатализатора, нагнетаемых в коллектор. Нанокатализатор может закачиваться в коллектор одновременно с сжиганием первой и второй текучих сред и превращением в пар капель.

В одном варианте осуществления способ оптимизации горелки, установленной в скважине, может содержать подачу топлива и окислителя в горелку, сжигание топлива и окислителя с созданием при этом пламени горения и регулирование размера, формы и интенсивности пламени для оптимизации работы горелки на основе условий в стволе скважины.

В одном варианте осуществления способ выбора параметров камеры сгорания, включающих в себя без ограничения этим длину, диаметр и количество камер, может быть создан для оптимизации теплопередачи на стенки и оптимизации полного сжигания.

В одном варианте осуществления способ выбора параметров водного инжектора, включающих в себя количество, конструктивное исполнение, распределение капель по крупности и геометрию распыла, может быть создан для предотвращения тушения пламени, полного превращения в пар на расстоянии, соответствующем требованиям применения, обеспечения смачивания стенки для предотвращения перегрева и минимизации образования отложений на стенках камеры сгорания и компонентов ниже по потоку.

В одном варианте осуществления способ регулирования теплопередачи в горелке может содержать создание горелки, имеющей головку инжектора и камеру сгорания, сжигание реагентов в камере сгорания, подачу воды через один или несколько проходов охлаждения, расположенных в стенках камеры сгорания, и варьирование одного или нескольких аспектов из следующего: реагентов, подаваемых в горелку, конструктивного исполнения инжектора, геометрии камеры сгорания, расхода воды, скорости завихрения и турбулентности текучей среды, геометрии проходов охлаждения, числа проходов охлаждения, характеристик стенок, наводящих турбулентность, вставок в проходах охлаждения и направления потока в проходах охлаждения для минимизации образования, по меньшей мере, одного из пузырьков пара и газа в проходах охлаждения камеры сгорания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для обеспечения понимания деталей приведенных выше признаков изобретения ниже приведено более конкретное описание изобретения, сущность которого изложена выше, на примере вариантов осуществления, некоторые из которых показаны на прилагаемых чертежах. Следует отметить вместе с тем, что на прилагаемых чертежах показаны только типичные варианты осуществления данного изобретения, которые нельзя считать ограничивающими его объем, поскольку изобретение может допускать другие равноэффективные варианты осуществления.

На фиг.1 показан вид сбоку скважинного парогенератора согласно одному варианту осуществления изобретения.

На фиг.2 показано сечение скважинного парогенератора согласно одному варианту осуществления изобретения.

На фиг.3 показано сечение корпуса инжектора согласно одному варианту осуществления изобретения.

На фиг.4 показан вид снизу плиты инжектора согласно одному варианту осуществления изобретения.

На фиг.5 показано сечение элемента инжектора согласно одному варианту осуществления изобретения.

На фиг.5А показан вид сверху на сечение элемента инжектора согласно одному варианту осуществления изобретения.

На фиг.6 показан изометрический вид секции парообразования согласно одному варианту осуществления изобретения.

На фиг.7 показан вид сверху секции парообразования согласно одному варианту осуществления изобретения.

На фиг.8 показан вид в изометрии скважинного парогенератора согласно одному варианту осуществления изобретения.

На фиг.9 показано сечение скважинного парогенератора согласно одному варианту осуществления изобретения.

На фиг.10 и 11 показан вид сбоку и вид сечения скважинного парогенератора согласно одному варианту осуществления изобретения.

На фиг.12 показан вид в изометрии верхнего конца секции введения согласно одному варианту осуществления изобретения.

На фиг.13 показан вид в изометрии нижнего конца секции введения согласно одному варианту осуществления изобретения.

На фиг.14 показан вид сбоку секции введения согласно одному варианту осуществления изобретения.

На фиг.15, 16 и 17 показаны сечения секции нагнетания согласно одному варианту осуществления изобретения.

На фиг.18 показано сечение элемента инжектора согласно одному варианту осуществления изобретения.

На фиг.19, 20 и 21 показаны виды изометрии и сечения секции сгорания и секции парообразования согласно одному варианту осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Варианты осуществления изобретения, в общем, относятся к устройству и способу использования скважинного парогенератора (DHSG). Ниже в данном документе описаны варианты осуществления изобретения, относящиеся к скважинному парогенератору и коллекторам тяжелой нефти. Следует отметить вместе с тем, что аспекты изобретения не ограничены использованием в скважинном парогенераторе, но являются применимыми для других типов систем, таких как другие скважинные перемешивающие устройства. Следует дополнительно отметить вместе с тем, что аспекты изобретения не ограничены использованием в извлечении тяжелой нефти, но являются применимыми для извлечения других видов полезных ископаемых, таких как газовые гидраты. Для лучшего понимания новизны устройства изобретения и способов его использования в приведенном ниже описании даны ссылки на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 показан скважинный парогенератор 10 согласно одному варианту осуществления. Скважинный парогенератор 10 можно использовать с различными и многочисленными конфигурациями ствола скважины, включающими в себя вертикальные, горизонтальные стволы или их комбинации. Кроме того, скважинный парогенератор 10 может быть выполнен с возможностью применения для различных способов увеличения нефтеотдачи пласта, включающих в себя стимуляцию циклической закачкой пара, вытеснение паром, гравитационное дренирование при закачке пара, закачку двуокиси углерода (CO₂) или их комбинации. Скважинный парогенератор 10 может быть выполнен с возможностью выработки различных продуктов для оптимизации извлечения углеводородов и газовых гидратов на основе специфических характеристик ствола скважины и коллектора для одного или нескольких коллекторов. Скважинный парогенератор 10 может быть выполнен с возможностью работы в стволе скважины на глубинах от около 100 футов (31 м) до около 500 футов (152 м), от около 500 футов (152 м) до около 2500 футов (763 м), от около 2500 футов (763 м) до около 5000 футов (1520 м) и/или от около 5000 футов (1520 м) до более около 8000 футов (2440 м).

Скважинный парогенератор 10 выполнен с возможностью генерирования при эксплуатации тепла в коллекторе тяжелой нефти при сжигании топлива и окислителя, подаваемых с поверхности. Вязкость тяжелой нефти в коллекторе можно уменьшать с помощью нагнетания в коллектор одной или нескольких текучих сред и/или растворителей, включающих в себя, без ограничения этим, воду, частично или полностью насыщенный пар, перегретый пар, кислород, воздух, обогащенный воздух, природный газ, двуокись углерода, окись углерода, метан, азот, водород, углеводороды, кислородсодержащие углеводороды или их комбинации, с использованием скважинного парогенератора 10 или отдельно от скважинного парогенератора 10. В одном варианте осуществления одну или несколько данных текучих сред можно сжигать в скважинном парогенераторе 10 для получения потока нагретой воды, частично или полностью насыщенного пара или перегретого пара, который может также включать в себя двуокись углерода, окись углерода, природный газ, метан, азот, водород, углеводороды, кислородсодержащие углеводороды, воздух, обогащенный воздух и/или кислород и который должен нагнетаться в коллектор. В одном варианте осуществления нанокатализаторы можно также диспергировать в коллектор независимо от продуктов сгорания нагнетаемыми в коллектор с использованием скважинного парогенератора или в комбинации с ними для дополнительного содействия извлечению углеводородов. В одном варианте осуществления нанокатализаторы можно нагнетать в коллектор с продуктами горения с использованием скважинного парогенератора для дополнительного содействия извлечению углеводородов. Патент США № 7712528 и находящаяся на рассмотрении заявка на патент США № 12/767466, включенные в данный документ в виде ссылки, описывают варианты осуществления с использованием нанокатализаторов для извлечения углеводородов, которые можно использовать с вариантами осуществления, описанными в данном документе. Тяжелую нефть в коллекторе можно затем извлекать различными способами, известными в технике, такими как газлифт.

Для обеспечения горения скважинный парогенератор 10 может использовать природный газ в качестве топлива. В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 10 может использовать смесь кислорода и двуокиси углерода в качестве окислителя. В одном варианте осуществления поток окислителя может включать в себя небольшой процент азота, такой как около 5 процентов. В одном варианте осуществления можно использовать в качестве топлива газ для химического синтеза. В одном варианте осуществления окислитель может включать в себя диоксид. В одном варианте осуществления можно использовать в качестве окислителя смесь кислорода и азота. В одном варианте осуществления можно использовать любое газообразное или жидкое топливо, которое может включать в себя природный газ, газ для химического синтеза, низкокалорийный газ, производимый из угля или другого топлива, такого как водород, и т.д. В одном варианте осуществления окислитель может являться чистым кислородом или кислородом, растворенным в других текучих средах, таких как двуокись углерода, окись углерода, водород, азот и/или пар. В одном варианте осуществления окислитель может являться воздухом или обогащенным воздухом.

В одном варианте осуществления смесь кислорода и двуокиси углерода можно использовать для помощи в управлении горением, в частности для регулирования температуры пламени и предотвращения чрезмерно высоких температур пламени. Данную смесь можно перемешивать на поверхности и подавать по единому трубопроводу в скважинный парогенератор 10. В одном варианте осуществления топливо, окислитель и/или любые другие текучие среды, такие как вода, можно подавать по отдельным трубопроводам в скважинный парогенератор 10, как дополнительно описано ниже.

Скважинный парогенератор 10 может быть выполнен с возможностью регулирования температуры пламени с помощью изменения концентрации понизителей вязкости, подаваемых в пламя. Любые не вступающие в реакцию понизители вязкости можно использовать для осуществления регулировки температуры пламени при отдельной подаче в скважинный парогенератор 10 и/или в смеси как в потоке топлива, так и окислителя или того и другого. В одном варианте осуществления интенсивность подачи двуокиси углерода в скважинный парогенератор 10 можно регулировать для управления температурой пламени. Двуокись углерода можно смешивать с топливом, окислителем или тем и другим. В одном варианте осуществления понизитель вязкости, такой как аргон, можно подавать в скважинный парогенератор 10 отдельно и/или в смеси как в потоке топлива, так и окислителя или того и другого.

Как показано на фиг.1, скважинный парогенератор 10 включает в себя кожух 15, образующий полую втулку, окружающую секцию 20 введения на одном конце, секцию 40 парообразования на противоположном конце, секцию 30 сжигания, расположенную между секцией 20 введения и секцией 40 парообразования. В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 10 может включать в себя подпакерную трубу 50, смежную с секцией 40 парообразования (показано на фиг.2). Скважинный парогенератор 10 может иметь размеры, подходящие для установки в стандартную обсадную колонну ствола скважины. Длина 13 скважинного парогенератора 10 может находиться в диапазоне от около 72 дюймов (183 см) до около 360 дюймов (914 см) или больше. В одном варианте осуществления длина 13 скважинного парогенератора 10 составляет около 180 дюймов (457 см). Внешний диаметр 17 кожуха 15 скважинного парогенератора 10 может находиться в диапазоне от около 4 дюймов (10 см) до около 10 дюймов (25 см). В одном варианте осуществления внешний диаметр 17 кожуха 15 скважинного парогенератора 10 составляет около 6 дюймов (15 см).

Скважинный парогенератор 10 может быть выполнен из стойких к коррозии материалов, например, для предотвращения коррозии от сернистых соединений компонентов, открытых воздействию пламени и продуктов горения. Конкретные компоненты скважинного парогенератора 10 могут быть выполнены из металлов, таких как сталь, медь и кобальт, из металлических сплавов, таких как нержавеющая сталь, медноникелевый сплав и керамическая дисперсионная медь, и металлических сплавов таких марок, как Монель, Инконель и Хейнс. В одном варианте осуществления Монель 400 или 500 можно использовать для компонентов скважинного парогенератора, открытых воздействию газообразного кислорода. В одном варианте осуществления Хейнс 188, 230 и/или 556 можно использовать для компонентов скважинного парогенератора 10, подвергающихся воздействию коррозионной среды. В одном варианте осуществления открытые воздействию воды компоненты скважинного парогенератора 10 могут быть выполнены из медных сплавов марок OFHC, GlidCop, GRCop84, AMZirc, бериллиевомедного сплава, материалов высокой теплопроводности и/или дуктильных материалов. В одном варианте осуществления секции 30 сжигания и/или секции 40 парообразования скважинного парогенератора 10 могут быть выполнены из кобальтовых сплавов, Хейнс 188, Сплава 25, материалов с высоким сопротивлением ползучести, стойких к коррозии материалов, и/или материалов, сохраняющих высокую прочность при высоких температурах. Более жаропрочные металлы могут обеспечивать охлаждение скважинного парогенератора 10 и улучшение его терморегуляции и кпд, при этом уменьшая напряжения в компонентах скважинного парогенератора 10, обусловленные экстремальными температурами, и увеличивая проводящие пути от нагретых поверхностей к каналам охлаждения, как описано в данном документе.

На фиг.2 показан вид сечения скважинного парогенератора 10. Как показано, секция 20 введения включает в себя корпус 25 инжектора, такой как кожух, дополнительно описанный ниже и показанный на фиг.3, окно 24 воспламенителя, один или несколько элементов 27 инжектора и одно или несколько окон 21 воспламенителя, размещенных в плите 29 инжектора. Топливо и окислитель подаются в корпус 25 инжектора, направляются через элементы 27 инжектора и воспламеняются воспламенителем (не показано) при выходе из плиты 29 инжектора в камеру 35 сгорания. Воспламенитель может обеспечивать воспламенение, необходимое для горения продуктов, нагнетаемых в камеру 35 сгорания через окно 24 воспламенителя. Воспламенитель может быть выполнен с возможностью воспламенения в режиме пуска и обеспечивать повторное воспламенение. В одном варианте осуществления воспламенение можно выполнять с помощью пирофорного материала. В одном варианте осуществления воспламенение можно выполнять с помощью свечи зажигания с пирофорной поддержкой. В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 10 может альтернативно включать в себя горячую поверхность для воспламенения продуктов сгорания, поданных в скважинный парогенератор 10. В одном варианте осуществления секция 20 введения может быть выполнена с возможностью работы с поддержанием адиабатической температуры пламени в диапазоне от около 3200 градусов F (1760°С) до около 3450 градусов F (1899°С). В одном варианте осуществления секция 20 введения может быть выполнена с возможностью работы с поддержанием адиабатической температуры пламени в диапазоне от около 2500 градусов F (1371°С) до около 5500 градусов F (3038°С). В одном варианте осуществления секция 20 введения может быть выполнена с возможностью работы с поддержанием адиабатической температуры пламени в диапазоне от около 3000 градусов F (1649°С) до около 6000 градусов F (3316°С). В одном варианте осуществления секция 20 введения может быть выполнена с возможностью работы с поддержанием адиабатической температуры пламени в диапазоне от около 1500 градусов F (816°С) до около 7000 градусов F (3871°С).

Корпус 25 инжектора и плита 29 инжектора окружены кожухом 15. Корпус 25 инжектора и/или плита 29 инжектора могут быть соединены с лейнером 33, таким как кожух или корпус секции 30 сжигания. Кольцевое пространство 19 может быть образовано между кожухом 15 и лейнером 33. Лейнер 33 может быть выполнен из моноблочного структурного компонента. В одном варианте осуществления лейнер 33 может включать в себя многочисленные сегменты, соединенные вместе для образования единой структуры. В одном варианте осуществления лейнер 33 может иметь внутренний диаметр около 3 дюймов (8 см). В одном варианте осуществления лейнер 33 может иметь внутренний диаметр в диапазоне от около 2 дюймов (5 см) до около 8 дюймов (20 см). На первом конце лейнер 33 снабжен фланцем, выполненным с возможностью герметичного соединения с нижним участком корпуса 25 инжектора, так что текучие среды, проходящие через элемент 27 инжектора, выходят в камеру 35 сгорания лейнера 33. На втором конце лейнер 33 может также быть снабжен фланцем и сообщаться текучей средой с секцией 40 парообразования, и может соединяться с подпакерной трубой 50. В альтернативных вариантах осуществления концы лейнера 33 могут включать в себя другое средство соединения для скрепления компонентов скважинного парогенератора 10 друг с другом и с другими скважинными компонентами для осуществления спуска в скважину. В одном варианте осуществления подпакерная труба 50 является интегральной с кожухом 15. В одном варианте осуществления подпакерная труба 50 может быть выполнена с возможностью соединения со скважинным инструментом, таким как пакер.

Лейнер 33 может дополнительно включать в себя кольцевую структуру с полым корпусом, образующую камеру 35 сгорания. Кольцевая структура может иметь одно или несколько отверстий или каналов 37, расположенных по периферии стенки кольцевой структуры, также окружающей камеру 35 сгорания. Каналы 37 проходят продольно по длине лейнера 33. В альтернативном варианте осуществления лейнер 33 может включать в себя унитарное кольцевое пространство, проходящее через корпус лейнера 33, окружающее камеру 35 сгорания и сообщающееся текучей средой с секцией 20 введения и секцией 40 парообразования, через которое можно направлять текучую среду. В альтернативном варианте осуществления лейнер 33 может включать в себя узкое кольцевое пространство, имеющее звездообразный участок или другое аналогичное устройство, помогающее направлению потока текучих сред через кольцевое пространство. Звездообразный участок может быть установлен на внутренней стенке лейнера, и затем внешняя стенка лейнера может быть установлена на собранные внутреннюю стенку и звездообразный участок с образованием одного или нескольких каналов, проходящих через лейнер. В одном варианте осуществления каналы 37 могут иметь круглую форму. Текучая среда может входить в верхний манифольд, сообщающийся текучей средой с каналами 37 вблизи первого конца лейнера 33, смежного с секцией 20 введения, и может выходить из каналов 37 вблизи второго конца лейнера 33, смежного с секцией 40 парообразования. Каналы 37 могут осуществлять перелив в нижний манифольд 39, установленный во втором конце лейнера 33 и подающий текучую среду в секцию 40 парообразования. В одном варианте осуществления нижний манифольд 39 может быть расположен в снабженном фланцем конце лейнера 33. Как указано выше, аналогичный манифольд может быть расположен в первом конце лейнера 33, подающем текучую среду в каналы 37. В одном варианте осуществления жидкая вода подается в каналы 37 лейнера 33, при этом воду очищают до уровня меньше одной части на миллион общего объема растворенных твердых частиц. Химический состав воды в жидком состоянии можно контролировать для предотвращения осаждения солей в каналах 37 лейнера 33.

При генерировании энергии или тепла и его высвобождении в результате реакций горения, проходящих в камере 35 сгорания, текучая среда, подаваемая через каналы 37 лейнера 33, может действовать как охлаждающий агент и механизм теплопередачи для регулирования и уменьшения температуры лейнера 33. Текучие среды можно вводить в каналы 37 при самой низкой их температуре наиболее близко к секции 20 введения, и энергию, генерируемую реакцией горения в камере 35 сгорания, можно использовать для нагрева текучей среды при ее перемещении через каналы 37 вдоль отрезка длины лейнера 33 от секции 20 введения. В одном варианте осуществления текучая среда, направляемая через каналы 37 лейнера 33, может нагреваться до температуры ниже температуры кипения текучей среды. В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 10 может быть выполнен для нагрева текучей среды при ее направлении через каналы 37 лейнера 33 с предотвращением генерирования пара в каналах 37. В одном варианте осуществления текучая среда может циклически проходить от точки, самой дальней от секции 20 введения, к точке, самой ближней к секции нагнетания, для поддержания температурного регулирования лейнера 33.

Каналы 37 лейнера 33 могут сообщаться с секцией 40 парообразования через нижний манифольд 39. Секция 40 парообразования может включать в себя один или несколько напорных трубопроводов 43, сообщающихся текучей средой с манифольдом 39 лейнера 33. Напорные трубопроводы 43 могут проходить радиально от лейнера 33 и пересекаться в отсеке 47, который может располагаться по центру в камере 35 сгорания. Отсек 47 может соединяться с одной или несколькими форсунками 45 (показано на фиг.6 и 7), выполненными с возможностью преобразования текучей среды, подаваемой в отсек 47 из нижнего манифольда 39, в капли текучей среды, например, и вводить данные капли текучей среды в камеру 35 сгорания в направлении противотока с потоком продуктов горения. Данные капли текучей среды могут превращаться в пар продуктами горения в камере 35 сгорания и выпускаться из скважинного парогенератора 10 вместе с продуктами горения в коллектор тяжелой нефти. В одном варианте осуществления секция 40 парообразования может быть соединена с секцией 20 введения и/или секцией 30 сжигания таким способом, чтобы вводить капли текучей среды в камеру 35 сгорания и/или ниже по потоку от нее. В одном варианте осуществления секция 40 парообразования может быть соединена с секцией 20 введения и/или секцией 30 сжигания таким способом, чтобы вводить капли текучей среды в противоток, параллельным потоком и/или радиально по отношению к потоку продуктов сгорания. В одном варианте осуществления секция 40 парообразования может быть выполнена с возможностью вводить капли текучей среды радиально наружу от центра камеры 35 сгорания к стенкам камеры 35 сгорания. Параметры введения капель, включающие в себя направление, скорость, распределение по крупности и т.д., можно оптимизировать для получения наилучшего баланса показателей работы с учетом влияния пламени горения, смачивания стенок лейнера, расстояния парообразования и охлаждения стенок лейнера.

На фиг.3 показан один вариант осуществления корпуса 25 инжектора. Корпус 25 инжектора может включать в себя кожух, сообщающийся текучей средой с одной или несколькими линиями подачи сжигаемых текучих сред на скважинный парогенератор 10, и выполнен с возможностью направления сжигаемых текучих сред в камеру 35 сгорания. Корпус 25 инжектора может также быть выполнен с возможностью размещения воспламенителя и выставления воспламенителя по оси окна 24 воспламенителя. Корпус 25 инжектора включает в себя линию 22А подачи окислителя, линию 22В подачи топлива, верхнюю крышку 23 и внутреннюю плиту 26. Окислитель можно подавать в верхнюю камеру секции 20 введения по линии 22А подачи окислителя через отверстие в верхней крышке 23. Верхняя крышка 23 может включать в себя изогнутое покрытие, по существу, с плоской верхней поверхностью, основанием, снабженным фланцем, и напорным трубопроводом, проходящим от покрытия к основанию, при этом образующим окно 24 воспламенителя. Окно 24 воспламенителя проходит через верхнюю крышку 23 и через корпус 25 инжектора. Верхняя крышка 23 может герметично соединяться с внутренней плитой 26, при этом верхняя крышка 23 соединяется с корпусом 25 инжектора, закрывая верхнюю камеру. В одном варианте осуществления внутренняя плита 26 может являться интегральной с верхней крышкой 23. В одном варианте осуществления снабженное фланцем основание верхней крышки 23 может быть соединено болтами с корпусом 25 инжектора. В одном варианте осуществления корпус 25 инжектора может охлаждаться с помощью подачи части или всей охлаждающей текучей среды, такой как жидкая вода, через проходы в корпусе 25 инжектора.

Промежуточная камера может быть выполнена в корпусе 25 инжектора для приема топлива, подаваемого по линии 22В подачи топлива. Верхняя крышка 23 и внутренняя плита 26 могут заключать в себе герметичную промежуточную камеру. Топливо можно подавать в промежуточную камеру корпуса 25 инжектора по линии 22В подачи топлива, через отверстие в корпусе 25 инжектора. В необязательном варианте осуществления нижняя камера может, если необходимо, быть выполнена в корпусе 25 инжектора для приема одной или нескольких текучих сред, таких как частично или полностью насыщенный пар, вода, двуокись углерода или их комбинации, через одно или несколько окон 28 подачи для перемешивания с топливом. В одном варианте осуществления одну или несколько текучих сред можно использовать в качестве охлаждающих текучих сред для охлаждения компонентов скважинного парогенератора 10, таких как секция 20 введения и/или секция 30 сжигания. Плита 29 инжектора может соединяться с основанием корпуса 25 инжектора, при этом герметично закрывая нижнюю камеру. В одном варианте осуществления плита 29 инжектора может быть соединена болтами с корпусом 25 инжектора, как показано на фиг.4.

Элемент 27 инжектора может проходить от верхней камеры через промежуточную и нижнюю камеры и через плиту 29 инжектора, так что камеры сообщаются текучей средой с камерой 35 сгорания. Элемент 27 инжектора может соединяться с внутренней плитой 26, корпусом 25 инжектора и плитой 29 инжектора. Элементы 27 инжектора могут быть выполнены с возможностью управления перемешиванием топлива, окислителя и/или любой другой текучей среды, подаваемой через элементы 27 инжектора для контроля формы пламени с достижением, по существу, полного сгорания. Скорости перемешивания текучей среды можно регулировать для регулирования размера пламени горения.

На фиг.4 показан вид снизу плиты 29 инжектора. Элементы 27 инжектора расположены концентрически вокруг окна 24 воспламенителя и проходят через окна 21 инжектора плиты 29 инжектора. Элементы 27 инжектора могут быть установлены в диаметре 25a, показанном пунктирным кругом, который может образовывать внутренний диаметр корпуса 25 инжектора. В одном варианте осуществления диаметр 25а может находиться в диапазоне от около 2 дюймов (5 см) до около 5 дюймов (13 см). В одном варианте осуществления диаметр 25а может составлять около 3 дюймов (8 см). В одном варианте осуществления только один элемент 27 инжектора может быть выполнен для использования со скважинным парогенератором 10.

На фиг.5 показано сечение элемента 27 инжектора. Элемент 27 инжектора включает в себя корпус 27a и втулку 27c. Корпус 27а включает в себя верхнюю секцию, соединенную с внутренней плитой 26 (как показано на фиг.3), и канал 27b, продольно проходящий через корпус 27a, выходящий на плиту 29 инжектора и сообщающийся текучей средой с камерой 35 сгорания. Корпус 27a соединен с внутренней плитой 26 так, что канал 27b сообщается текучей средой с верхней камерой корпуса 25 инжектора. Втулка 27c соединена с корпусом 27a и окружает его участок, образуя кольцевое пространство между втулкой 27c и корпусом 27a, выходящее на плиту 29 инжектора и сообщающееся текучей средой с камерой 35 сгорания. Втулка 27c дополнительно включает в себя одно или несколько первых окон 27d и, если необходимо, одно или несколько вторых окон 27e, если используют нижнюю камеру. Обе группы окон 27d и 27e проходят через втулку 27c и сообщаются с кольцевым пространством, образованным между втулкой 27c и корпусом 27a элемента 27 инжектора. Первые окна 27d снабжены входом, проходящим под углом относительно продольной оси элемента 27 инжектора в кольцевое пространство. Вторые окна 27e снабжены входом, проходящим по касательной относительно стенки втулки 27c (как показано на фиг.5A), для создания эффекта завихрения входящих текучих сред для осуществления эффективного перемешивания реагентов. Втулка 27c соединена с корпусом 25 инжектора так, что первые окна 27d напрямую сообщаются текучей средой с промежуточной камерой, и вторые окна 27e напрямую сообщаются текучей средой с третьей камерой (как показано на фиг.3).

На фиг.6 показан изометрический вид секции 40 парообразования, и на фиг.7 показан вид сверху секции 40 парообразования. Как показано, трубы 43 соединены с лейнером 33 так, что каналы 37 сообщаются текучей средой с трубами 43 через манифольд 39. Трубы 43 могут включать в себя цилиндрические кожухи, имеющие каналы, проходящие через кожухи. Трубы 43 могут соединяться на противоположном конце с отсеком 47. Отсек 47 может представлять собой сферический кожух с полостью, расположенной в кожухе. Полость отсека 47 может сообщаться текучей средой с каналами труб 43 и может дополнительно соединяться с форсункой 45. Форсунка 45 может быть выполнена с возможностью введения капель текучей среды, например, из текучей среды, передаваемой в отсек 47 в камеру 35 сгорания. Данные капли текучей среды можно вводить в продукты горения, генерируемые в камере 35 сгорания, превращать в пар нагретыми продуктами горения и выпускать вместе с продуктами горения из скважинного парогенератора 10 через подпакерную трубу 50, например, и в нефтяной коллектор. В одном варианте осуществления тепло, генерируемое горением, используют для превращения в пар текучей среды, вводимой в виде капель вблизи конца камеры 35 сгорания. Текучая среда может предварительно нагреваться, когда проходит через лейнер 33. Введение капель выполняют с возможностью охлаждения компонентов ниже по потоку от камеры 35 сгорания, превращения в пар капель ниже по потоку от камеры 35 сгорания на расстоянии, соответствующем конкретному варианту применения, исключающему вредные воздействия на пламя горения, такие как тушение, исключающему блокирование форсунки (форсунок) 45 и исключающему осаждение твердых частиц на стенки лейнера. В одном варианте осуществления форсунка 45 может быть выполнена с возможностью генерирования многочисленных капель текучей среды множества размеров в диапазоне от около 10 мкм до около 150 мкм. В одном варианте осуществления капли текучей среды могут сталкиваться с подпакерной трубой 50, установленной ниже по потоку от секции 20 введения. В одном варианте осуществления капли текучей среды можно вводить в камеру 35 сгорания и/или ниже по потоку от нее, превращать в пар продуктами горения и нагнетать в виде пара в коллектор тяжелой нефти.

В одном варианте осуществления напорные трубопроводы могут включать в себя восемь труб 43, радиально установленных вокруг отсека 47. В одном варианте осуществления жидкая вода может нагреваться теплом, генерируемым пламенем горения, при прохождении через каналы 37 и может выходить из каналов 37 лейнера 33 в трубы 43. В одном варианте осуществления жидкую воду можно вводить с высокой скоростью в нагретый выпуск из камеры сгорания и выпаривать с превращением капель в газ с созданием при этом частично или полностью насыщенного пара или перегретого пара. В одном варианте осуществления жидкая вода может превращаться в пар с диапазоном от около 90 процентов до 95 процентов паросодержания к моменту нагнетания в нефтяной коллектор. В одном варианте осуществления жидкая вода может превращаться в пар с диапазоном от около 80 процентов до 100 процентов массового паросодержания к моменту нагнетания в нефтяной коллектор. В одном варианте осуществления жидкая вода может превращаться в пар с диапазоном от около 95 процентов до около 99 процентов массового паросодержания к моменту нагнетания в коллектор тяжелой нефти.

В одном варианте осуществления число капельных инжекторов, тип капельных инжекторов, форма распыла и направление распыла секции парообразования можно регулировать для создания быстрого превращения капель в пар и охлаждения продукта горения. Секция парообразования поддерживает равновесное массовое паросодержание продуктов сгорания. В одном варианте осуществления секция парообразования может содействовать тому, что капли текучей среды, сталкивающиеся со стенками секции сгорания ниже по потоку от секции нагнетания, обеспечивают сохранение температуры стенки секции сгорания, близкой к температуре капель текучей среды.

В альтернативном варианте осуществления скважинный парогенератор 10 может включать в себя секции нагнетания, подающие топливо и окислитель таким способом, что текучие среды смешиваются в камере сгорания и создают стабильное пламя горения, имеющее форму, соответствующую объему камеры сгорания, во время запуска и выключения скважинного парогенератора 10, а также во всем рабочем диапазоне давлений и стехиометрии. Скважинный парогенератор 10 может включать в себя ряд меняющихся секций нагнетания, создающих диффузионное пламя, диффузионное пламя частично предварительно перемешанной смеси и пламя предварительно перемешанной смеси. Каждый из данных типов пламени можно использовать в скважинном парогенераторе 10, в том числе устойчивое пламя адекватного размера, во время работы скважинного парогенератора 10.

В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 10 может включать в себя секцию введения для диффузионного пламени. Топливо и окислитель вводятся в камеру сгорания отдельными струями текучей среды. Секция введения для диффузионного пламени включает в себя элементы инжектора, функционально выполненные с возможностью создания управляемого перемешивания текучих сред в камере сгорания с созданием при этом горючей смеси. Секция введения для диффузионного пламени создает пламя горения, стабилизированное с помощью регулирования скоростей введения текучих сред в камеру сгорания, такого как с поддержанием низких скоростей введения текучих сред относительно скорости пламени, и/или с помощью рециркуляции горячих продуктов горения обратно в основание пламени, такой как при введении топлива и/или окислителя с вихревым движением, что создает аксисимметричную зону рециркуляции, или создавая зону рециркуляции в спутной струе за телом необтекаемой формы или стенками самих инжекторов. Форму пламени горения можно регулировать, управляя скоростью перемешивания топлива/окислителя. В общем, быстрое перемешивание обеспечивает компактное, высокоинтенсивное пламя горения с высокой теплопередачей излучением в отличие от медленного перемешивания, которое обеспечивает большее, низкоинтенсивное пламя горения с низкой теплопередачей излучением. Изменяя завихрение и скорости введения, форму горения пламени можно регулировать, делая подходящей для камеры сгорания. В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 10 может включать в себя одну или несколько секций/элементов введения для создания дополнительной гибкости в придании формы пламени горения, такого как действием не всех секций/элементов введения в диапазоне рабочих режимов пониженной мощности или в режимах уменьшенной скорости горения для каждой индивидуальной секции/элемента введения для создания улучшенной устойчивости и управления пламенем горения.

Способ использования скважинного парогенератора 10 может включать в себя подачу природного газа и смеси кислорода и двуокиси углерода в корпус инжектора скважинного парогенератора 10. Смесь можно перемешивать на поверхности и подавать в скважинный парогенератор 10 по одному напорному трубопроводу, и текучие среды можно перемешивать в корпусе инжектора. Скважинный парогенератор 10 может быть установлен в первой скважине, использующейся в качестве нагнетательной скважины. Способ может дополнительно включать в себя направление текучих сред через один или несколько элементов инжектора, сообщающихся текучей средой с камерой сгорания. Элементы инжектора могут соединяться с корпусом инжектора и размещаться по окружности. Элементы инжектора могут включать в себя корпус и втулку, окружающую корпус. Способ может дополнительно включать в себя направление смеси из первой камеры корпуса инжектора через канал корпуса элемента инжектора и введение смеси в камеру сгорания. Способ может дополнительно включать в себя направление природного газа из второй камеры корпуса инжектора и, если необходимо, направление уменьшающей вязкость или охлаждающей текучей среды, такой как вода, частично или полностью насыщенный пар, кислород, воздух, обогащенный воздух, азот, водород и/или двуокись углерода, из не являющейся обязательной третьей камеры корпуса инжектора через втулку элемента инжектора так, что текучие среды образуют завихрение при направлении через втулку. Способ может дополнительно включать в себя введение текучих сред в камеру сгорания со смесью. Способ может дополнительно включать в себя подачу воспламеняющего пламени из воспламенителя через окно воспламенителя, проходящее через корпус инжектора, для поджигания смеси текучих сред, впрыснутой в камеру сгорания. Способ может дополнительно включать в себя воспламенение смеси текучих сред в камере сгорания с генерированием при этом пламени горения и продуктов горения. Завихрение может помогать поддерживать стабилизированное пламя горения в камере сгорания. Текучие среды, проходящие через секцию сжигания, могут создавать охлаждение скважинного парогенератора 10, и температуру скважинного парогенератора 10 можно регулировать разбавлением двуокисью углерода. В одном варианте осуществления могут быть созданы дополнительные проходы охлаждения в секции сжигания. Способ может дополнительно включать в себя подачу текучей среды, такой как вода, через один или несколько каналов лейнера, при этом лейнер окружает камеру сгорания. Способ может дополнительно включать в себя нагрев текучей среды при ее прохождении через каналы действием реакций горения в камере сгорания, при этом текучая среда охлаждает лейнер. Пламя горения может передавать тепло на стенки лейнера теплопередачей излучением и конвективной теплопередачей. Способ может дополнительно включать в себя введение нагретой текучей среды из каналов в камеру сгорания в капельной форме через один или несколько напорных трубопроводов, сообщающихся текучей средой с каналами, и кипение нагретой текучей среды при парообразовании из капель, при этом пламя горения и продукты горения превращают в пар капли нагретой текучей среды, введенной в камеру сгорания. Текучая среда может охлаждать продукты сгорания. Способ может дополнительно включать в себя нагнетание продуктов сгорания и превращенных в пар капель текучей среды в нефтяной коллектор для улучшения свойств и/или уменьшения вязкости углеводородов в нефтяном коллекторе. Способ может дополнительно включать в себя извлечение, по меньшей мере, с улучшенными свойствами и/или менее вязких углеводородов из второй скважины, располагающейся смежно с первой скважиной, в которой установлен скважинный парогенератор. Вторую скважину можно использовать в качестве эксплуатационной скважины. Эксплуатационная скважина может включать в себя одно или несколько устройств регулирования давления, установленных на поверхности, для регулирования противодавления на нефтяной коллектор. В одном варианте осуществления фонтанный штуцер можно использовать для поддержания и/или регулирования давления и/или притока текучих сред, извлекаемых из нефтяного коллектора с помощью эксплуатационной скважины.

Скважинный парогенератор 10 может быть выполнен с возможностью работы в условиях давления в диапазоне от около 800 фунт/дюйм² (5,5 МПа) до около 1600 фунт/дюйм² (11 МПа). Скважинный парогенератор 10 может быть выполнен с возможностью работы в условиях давления в диапазоне от около 500 фунт/дюйм² (3,4 МПа) до около 2000 фунт/дюйм² (13,8 МПа). В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 10 выполнен с возможностью работы в условиях давления в диапазоне от около 800 фунт/дюйм² (5,5 МПа) до около 2000 фунт/дюйм² (13,6 МПа). В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 10 может быть выполнен с возможностью работы в условиях давления в диапазоне от около 100 фунт/дюйм² (690 КПа) до около 4000 фунт/дюйм ² (27,2 МПа). В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 10 может быть выполнен с возможностью работы в условиях давления до около 10000 фунт/дюйм² (69 МПа). В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 10 может также быть выполнен с возможностью работы в условиях номинальной температуры пламени в диапазоне от около 3200 градусов F (1760°С) до около 3450 градусов F (1899°С). В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 10 может также быть выполнен с возможностью работы в условиях номинальной температуры пламени в диапазоне от около 2500 градусов F (1371°С) до около 5500 градусов F (3038°С). В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 10 выполнен с возможностью работы в условиях номинальной температуры пламени в диапазоне от около 3000 градусов F (1649°С) до около 3500 градусов F (1927°С). В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 10 может быть выполнен с возможностью работы при внутреннем давлении до 1800 фунт/дюйм² (12,4 МПа) и выпуска нагретой смеси текучих сред при температуре до 600 градусов F (316°С). В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 10 может быть выполнен с возможностью выпуска нагретой смеси текучих сред при температуре в диапазоне от около 500 градусов F (260°С) до около 800 градусов F (427°С). В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 10 может быть выполнен с возможностью выпуска нагретой смеси текучих сред с температурой в диапазоне от около 250 градусов F (121°С) до около 800 градусов F (427°С). В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 10 может быть выполнен с возможностью выпуска нагретой смеси текучих сред с температурой около 600 градусов F (316°С). В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 10 может быть выполнен с возможностью ограничения температуры металла до значения ниже 1000 градусов F (538°С).

Скважинный парогенератор 10 может быть выполнен с возможностью генерирования текучей среды, имеющей массовое паросодержание в диапазоне от около 75 процентов до около 100 процентов. В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 10 может быть выполнен с возможностью генерирования текучей среды, имеющей массовое паросодержание от около 90 процентов до около 95. Скважинный парогенератор 10 может также быть выполнен с возможностью создания массового расхода текучей среды, такой как частично насыщенный, полностью насыщенный или перегретый пар, в диапазоне от около 400 барр/день (64 м³/день) до около 1500 барр/день (239 м³/день). В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 10 может быть выполнен с возможностью создания массового расхода текучей среды, такой как частично насыщенный, полностью насыщенный или перегретый пар, около 1500 барр/день (239 м³/день) при давлении около 1600 фунт/дюйм² (11 МПа). Наконец, скважинный парогенератор 10 может быть выполнен с возможностью иметь минимальный срок службы около 3 лет.

Скважинный парогенератор 10 может быть выполнен с возможностью нагнетания смеси текучих сред в пласт для его нагрева и осуществления извлечения углеводородов из пласта, такого как с уменьшением вязкости тяжелой нефти, размещенной в пласте. В одном варианте осуществления смесь может содержать от около 18 процентов до около 29 процентов двуокиси углерода по объему. В одном варианте осуществления смесь может содержать от около 10 процентов до около 30 процентов двуокиси углерода по объему. В одном варианте осуществления смесь может содержать от около 1 процента до около 40 процентов двуокиси углерода по объему. В одном варианте осуществления смесь может содержать около 0,5 процентов или около 5 процентов кислорода по объему. В одном варианте осуществления смесь может содержать от около 0,5 процентов до около 5 процентов кислорода по объему. Смесь можно нагнетать в пласт под давлением около 900 фунт/дюйм ² (6,2 МПа), 1200 фунт/дюйм² (8,3 МПа) или 1600 фунт/дюйм² (11 МПа). Смесь можно нагнетать в пласт с массовым расходом около 400 барр/день (64 м³/день), 800 барр/день (128 м³/день), 1200 барр/день (192 м ³/день) или 1500 барр/день (239 м³/день).

На фиг.8 показан вид в изометрии скважинного парогенератора 100 согласно одному варианту осуществления изобретения. Скважинный парогенератор 100 включает в себя секцию 110 введения, секцию 120 сжигания и секцию 130 парообразования, которые могут действовать аналогично секции 20 введения, секции 30 сжигания и секции 40 парообразования скважинного парогенератора 10, описанного выше, с некоторыми дополнительными модификациями, описанными ниже. Варианты осуществления, аналогичные описанным выше в данном документе для скважинного парогенератора 10, можно использовать для скважинного парогенератора 100 и наоборот. Кроме того, скважинный парогенератор 100 может также быть выполнен с возможностью работы в условиях эксплуатации, аналогичных описанным выше для скважинного парогенератора 10. Как показано, секция 110 введения сообщается текучей средой с трубками 140 питания одной или нескольких текучих сред в секцию 110 введения, некоторые из которых подаются в манифольды введения (дополнительно описано ниже) секции 110 введения для сжигания и нагнетания в несущий углеводороды пласт, такой как коллектор тяжелой нефти. Секция 120 сжигания может соединяться верхним концом с секцией 110 введения болтовым соединением. Секция 120 сжигания может включать в себя множество окон сброса давления для осуществления работы скважинного парогенератора 100. Секция 130 парообразования может располагаться на нижнем конце секции 120 сжигания для введения охлаждающей текучей среды, такой как H₂O, в секцию 120 сжигания.

На фиг.9 показан вид сечения скважинного парогенератора 100. Скважинный парогенератор 100 заключен в кожух 150, такой как обсадная труба. Кожух 150 может представлять собой металлический цилиндрический корпус с пустотелой внутренней камерой для опоры секции 110 введения, секции 120 сжигания, секции 130 парообразования и трубок 140 питания. Трубки 140 питания могут быть выполнены для подачи текучих сред в секцию 110 введения и могут включать в себя один или несколько сильфонов 141 для компенсации расширения, сокращения и/или перемещения трубок 140 питания вследствие теплового, вызванного давлением или механического напряжения, испытываемого трубками 140 питания. В одном варианте осуществления четыре или пять трубок 140 питания включены в состав скважинного парогенератора 100. Одну или несколько текучих сред, подаваемых в секцию 110 введения, можно затем перемешивать и вводить в камеру 121 сгорания секции 120 сжигания для сжигания. Текучую среду можно также вводить в камеру 121 сгорания и/или ниже по потоку от камеры 121 сгорания инжектором 131 секции 130 парообразования и в комбинации с продуктами горения. Инжектор 131 может быть выполнен с возможностью введения капель жидкой воды, например, в камеру 121 сгорания и/или ниже по потоку от камеры 121 сгорания, которые превращаются в пар при объединении с продуктами горения, при этом образуется частично насыщенный, полностью насыщенный или перегретый пар. Нижний конец кожуха 150 может иметь форсунку 151 для выпуска продуктов сгорания и пара из скважинного парогенератора 100 и нагнетания их в несущий углеводороды пласт.

На фиг.10 и 11 показан вид сбоку и вид сечения скважинного парогенератора 100. Показанный скважинный парогенератор 100 может иметь общую длину меньше около 30 футов (9 м), может работать в стволе скважины в условиях давления в диапазоне от около 800 фунт/дюйм² (5,5 МПа) до около 1600 фунт/дюйм² (11 МПа), может быть выполнен с возможностью приема сжигаемых текучих сред при максимальном давлении около 3000 фунт/дюйм² (22 МПа) и при температуре в диапазоне от около 75 градусов F (24°С) до около 180 градусов F (82°С). В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 100 может быть выполнен с возможностью приема сжигаемых текучих сред при температуре в диапазоне от около 32 градусов F (0°С) до около 210 градусов F (99°С). Секция 120 сжигания может иметь внутренний диаметр около 3 дюймов (8 см), и скважинный парогенератор 100 может иметь максимальный внешний диаметр около 6 дюймов (15 см). Скважинный парогенератор 100 может быть выполнен с возможностью введения сжигаемых текучих сред под давлением около 1800 фунт/дюйм ² (12,4 МПа) и при температуре около 600 градусов F (316°С) в несущий углеводороды пласт. В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 100 может включать в себя динамический диапазон регулирования около 4:1 с расходом около 1500 барр/день (239 м³/день). В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 100 может включать в себя динамический диапазон регулирования давления около 2:1 при давлении среды в стволе скважины около 1600 фунт/дюйм² (11 МПа). В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 100 может быть выполнен с динамическим диапазоном регулирования массового расхода около 4:1. В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 100 может быть выполнен с динамическим диапазоном регулирования внутреннего расхода текучей среды около 8:1.

На фиг.12 показан вид в изометрии верхнего конца секции 110 введения, соединенной с трубками 140 питания. Секция 110 введения включает в себя кожух, имеющий конец 111, снабженный фланцем для соединения с секцией 120 сжигания. Секция 110 введения также включает в себя верхний манифольд 112 и нижний манифольд 113, проходящие по периметру кожуха секции 110 введения для подачи текучей среды, такой как топливо, такое как метан, в секцию 110 введения. Манифольды 112 и 113 могут представлять собой цилиндрические напорные трубопроводы, окружающие кожух секции 110 введения и имеющие круглую, такую как кольцо или тор, форму. Первая трубка 142 питания соединена с верхним манифольдом 112 для подачи текучей среды с наземного оборудования ствола скважины на скважинный парогенератор 100. В одном варианте осуществления трубка 142 питания может также соединяться с нижним манифольдом 113. В одном варианте осуществления отдельная трубка питания может соединяться с нижним манифольдом 113 для подачи текучей среды в секцию 110 введения, так что текучая среда может быть одной или различными текучими средами, подаваемыми в верхний манифольд. Также показаны трубки 143 и 144 питания, соединенные с секцией 110 введения (дополнительно описано ниже).

На фиг.13 показан вид в изометрии нижнего конца секции 110 введения. Кожух секции 110 введения включает в себя верхнюю секцию 117 и нижнюю секцию 116, каждая из которых содержит цилиндрические корпуса, имеющие каналы подачи, проходящие через них. Верхняя секция 117 может иметь куполообразную или полусферическую форму верхнего конца. Манифольды 112 и 113, каждый, включают в себя одну или несколько трубок 114 и 115 подачи соответственно, проходящих от манифольдов в нижнюю секцию 116 кожуха. Трубки 114 и 115 подачи могут соединяться с низом манифольдов и боковой стенкой кожуха, устанавливая сообщение текучей средой между ними. Трубки 114 и 115 подачи могут быть разнесены с равными интервалами по окружности манифольдов и/или кожуха секции 110 введения.

Также показана плита 118 инжектора, герметично соединенная со снабженным фланцем концом 111 кожуха для направления сжигаемых текучих сред в секцию 120 сжигания скважинного парогенератора 100. Плита 118 инжектора может также быть выполнена с возможностью опоры одного или нескольких элементов инжектора и воспламенителя (дополнительно описано ниже). Плита 118 инжектора может включать в себя первые окна 161 элемента инжектора, вторые окна 162 элемента инжектора и окно 171 воспламенителя. Первые окна 161 элемента инжектора могут быть разнесены с равными интервалами по окружности, проходящей смежно с внешним диаметром плиты 118 инжектора. Вторые окна 162 элемента инжектора могут также быть разнесены с равными интервалами по окружности, проходящей вблизи с центра плиты 118 инжектора, окруженные первыми окнами 161 элемента инжектора. Окно 171 воспламенителя может располагаться в центре плиты 118 инжектора и окружено первыми и вторыми окнами 161 и 162 элемента инжектора.

На фиг.14 показан вид сбоку секции 110 введения. Трубки 114 и 115 подачи могут соединяться с манифольдами 112 и 113 крепежом, таким как крепеж стандарта JIC, и могут соединяться с нижней секцией 116 кожуха сваркой, такой как с наплавкой твердого припоя, или электронно-лучевой сваркой. Диэлектрическое покрытие может наноситься на низ снабженного фланцем конца 111 для снижения коррозии кожуха и соединения с секцией 120 сжигания.

На фиг.15 показан вид сечения секции 110 введения. Секция 110 введения дополнительно включает в себя кожух 170 воспламенителя для несения воспламенителя, описанного выше. Верхняя секция 117 может соединяться с нижней секцией 116 сваркой или болтовым соединением. Плита 119 кожуха может быть установлена с герметичным уплотнением между верхней и нижней секциями 117 и 116. В одном варианте осуществления плита 119 кожуха может располагаться на внутренней кромке нижней секции 116. Верхняя секция 117 кожуха дополнительно включает в себя внутреннюю камеру 181, с проходом через которую установлен кожух 170 воспламенителя, и внешнюю камеру 182, окружающую внутреннюю камеру 181 и герметично изолированную от нее. Внешняя камера 182 может включать в себя один или несколько напорных трубопроводов, образующих круглые пути потока, расположенные вокруг внутренней камеры 181. Нижняя секция 116 кожуха, аналогично, включает в себя внутреннюю камеру 183, с проходом через которую установлен кожух 170 воспламенителя, и внешнюю камеру 184, окружающую внутреннюю камеру 183 и герметично изолированную от нее. Внешняя камера 184 несет элементы 160 инжектора, и внутренняя камера 183 несет элементы 165 инжектора, верхние концы которых проходят во внешнюю и внутреннюю камеры 182 и 181, соответственно, верхней секции 117. Элементы 160 и 165 инжектора могут работать способом, аналогичным способу работы элемента 27 инжектора, описанному выше для скважинного парогенератора 10.

На фиг.15 и 16 показана вторая трубка 143 питания, сообщающаяся текучей средой с внутренней камерой 181 верхней секции 117. Вторая трубка 143 питания может содержать один или несколько путей потока для подачи текучей среды, такой как окислитель, например смесь кислорода и двуокиси углерода или смесь кислорода и двуокиси углерода, имеющая небольшой процент азота, в увеличенном количестве во внутреннюю камеру 181. Текучая среда направляется из внутренней камеры 181 к элементам 165 инжектора. Текучая среда может затем перемешиваться в элементах 165 инжектора с другой текучей средой, такой как топливо, подаваемой в элементы 165 инжектора через нижний манифольд 113. Трубки 115 подачи проходят от нижнего манифольда 113 во внутреннюю камеру 183 нижней секции 116 и в элементы 165 инжектора. Комбинированные текучие среды затем вводят в секцию 120 сжигания и воспламеняют воспламенителем.

На фиг.15 и 17 показана третья трубка 144 питания, сообщающаяся текучей средой с внешней камерой 182 верхней секции 117 кожуха. Третья трубка 144 питания может содержать один или несколько путей потока для подачи текучей среды, такой как окислитель, например смесь кислорода и двуокиси углерода или смесь кислорода и двуокиси углерода, имеющая небольшой процент азота, в увеличенном количестве во внешнюю камеру 182. Текучая среда направляется из внешней камеры 182 в элементы 160 инжектора. Текучая среда может затем перемешиваться в элементах 160 инжектора с другой текучей средой, такой как топливо, подаваемое в элементы 160 инжектора через верхний манифольд 112. Трубки 114 подачи проходят от верхнего манифольда 112 во внешнюю камеру 184 нижней секции 116 и в элементы 160 инжектора. Объединенный продукт для горения затем вводится в секцию 120 сжигания и воспламеняется воспламенителем.

В одном варианте осуществления трубки 140 питания и/или кожух 170 воспламенителя могут быть выполнены из металлического материала, такого как медноникелевый сплав, такой как Монель. В одном варианте осуществления манифольды 112 и 113 могут быть выполнены из металлического материала, такого как никелькобальтовый сплав, такой как Хейнс 188. В одном варианте осуществления верхняя секция 117 кожуха может быть выполнена из металлического материала, такого как медноникелевый сплав, такой как Монель. В одном варианте осуществления нижняя секция 116 кожуха может быть выполнена из металлического материала, такого как никелькобальтовый сплав, такой как Хейнс 188. В одном варианте осуществления элементы 160 и 165 инжектора могут быть выполнены из металлического материала, такого как медноникелевый сплав, такой как Монель.

На фиг.18 показано сечение элемента инжектора 160. Элемент 160 инжектора может быть одинаковым с элементом 165 инжектора, описанным выше. Элемент 160 инжектора имеет верхний конец, сообщающийся текучей средой с камерой верхней секции 117 через внутренний канал 166 потока, проходящий через корпус 167 элемента инжектора. Внутренний канал 166 потока направляет текучую среду в секцию 120 сжигания. Элемент инжектора имеет среднюю или нижнюю секцию, сообщающуюся текучей средой с камерой нижней секции 116 через внешний канал 168 потока, проходящий через втулку 164, окружающую корпус 167, и внутренний канал 166 потока элемента инжектора. Внешний канал 168 потока направляет текучую среду в секцию 120 сжигания. Втулка 164 может включать в себя одно или несколько окон 169, расположенных под углом относительно внешнего канала 168 потока для ввода завихрения в текучую среду, проходящую через него. Эффект завихрения способствует перемешиванию текучей среды с другими текучими средами, вводимыми в камеру 120 сжигания.

На фиг.19, 20 и 21 показаны изометрические виды и виды сечения секции 120 сжигания и секции 130 парообразования. Секция 120 сжигания включает в себя лейнер 121, образующий камеру сгорания и имеющий пару концов 122 и 123 с фланцами, каждый конец, имеющий манифольд 126 и 127, установленный в нем. Секция 120 сжигания и секция 130 парообразования выполнены и работают в режиме, аналогичном секции 30 сжигания и секции 40 парообразования, описанным выше для скважинного парогенератора 10, который не следует повторно описывать для краткости. Также показана трубка 145 питания, соединенная с концом 122 с фланцем лейнера 121 для подачи текучей среды, такой как охлаждающая текучая среда, такая как жидкая вода, в манифольд 126, затем в один или несколько охлаждающих каналов 125, расположенных продольно по длине стенок лейнера 121, затем в манифольд 127 (сообщающийся текучей средой с секцией парообразования) для осуществления терморегуляции скважинного парогенератора 100 и получения частично насыщенного, полностью насыщенного или перегретого пара через инжектор 131 секции 130 парообразования. В одном варианте осуществления трубка 145 питания может быть выполнена из металлического материала, такого как никелькобальтовый сплав, такой как Хейнс 230. В одном варианте осуществления компоненты секции 110 введения, секции 120 сжигания и секции 130 парообразования могут быть выполнены из металлического материала, такого как бериллиевомедный сплав. В одном варианте осуществления инжектор 131 может быть выполнен из металлического материала, такого как никелькобальтовый сплав, такой как Хейнс 230.

Скважинный парогенератор 10 и 100, описанный выше, может включать в себя многочисленные камеры сгорания. В одном варианте осуществления многочисленные камеры сгорания могут быть установлены в последовательной или в параллельной конфигурации. Каждая камера сгорания может иметь общий лейнер с одной или несколькими другими камерами сгорания и/или может включать в себя один лейнер. В одном варианте осуществления скважинный парогенератор 10 и 100 может включать в себя различные многочисленные секции введения, сгорания и парообразования конфигураций, описанных выше.

В одном варианте осуществления одну или несколько текучих сред, включающих в себя, без ограничения этим, воду, природный газ, кислород, воздух, обогащенный воздух, двуокись углерода, азот, водород, инертные газы, углеводороды, кислородсодержащие углеводороды и их комбинации, можно подавать с поверхности в скважинный парогенератор через один или несколько трубчатых элементов, таких как шлангокабели. Одну или несколько текучих сред можно подавать в скважинный парогенератор одновременно и/или в ступенчатом режиме в зависимости от необходимой работы. В одном варианте осуществления одну или несколько текучих сред, включающих в себя, без ограничения этим, двуокись углерода, азот, водород и/или инертные газы, можно использовать для регулирования (снижения) температуры скважинного парогенератора или лейнера/камеры сгорания скважинного парогенератора, передачи дополнительного тепла от скважинного парогенератора в нефтяной коллектор и нефть для улучшения нефтеотдачи, при этом улучшая свойства нефти и уменьшая ее вязкость. В одном варианте осуществления двуокись углерода, азот и/или другие инертные газы можно нагнетать одновременно с паром с использованием скважинного парогенератора. В одном варианте осуществления можно нагнетать водород одновременно с паром с использованием скважинного парогенератора. В одном варианте осуществления скважинный парогенератор может быть выполнен с возможностью нагнетания других материалов (жидкостей, газов, твердых частиц), дополняющих пар и обеспечивающих улучшение свойств на месте работы в пласте. В одном варианте осуществления другие материалы могут включать в себя нанокатализаторы, поверхностно-активные вещества, растворители и т.д. В одном варианте осуществления скважинный парогенератор может быть выполнен с возможностью поддержания и/или регулирования давления и расходов текучих сред/материалов, проходящих через скважинный парогенератор в режиме реального времени для оптимизации эксплуатации коллектора и улучшения экономики технологического процесса.

В одном варианте осуществления пар, избыточный кислород (включающий в себя воздух или обогащенный воздух), двуокись углерода, азот и/или водород можно одновременно нагнетать в нефтяной коллектор через скважинный парогенератор для генерирования дополнительного тепла и регулируемого независимого фронта паронасыщения. Реакция окисления (сжигания) в условиях пласта отведенной остаточной нефти коллектора может генерировать больше тепла и больше пара в скважине. Скважинный парогенератор может быть выполнен с возможностью генерирования в условиях пласта стабильной реакции окисления и управления реакцией с помощью добавления избыточного кислорода и внешнего пара высокого давления. Большой стабильный добавленный фронт паронасыщения может давать больше тепла для большего сжигания нефти. В одном варианте осуществления избыточный сжатый кислород и пар с высоким массовым паросодержанием можно нагнетать напрямую в нефтяной коллектор с использованием скважинного парогенератора. Остаточная нефть, которая может оставаться за начальным фронтом паронасыщения, может поддерживать и ускорять горение избыточного кислорода, при этом создавая фронт горения. Фронт горения может увеличивать температуру фронта паронасыщения и может нагревать и/или превращать в пар воду, находящуюся в коллекторе, для создания другого большого стабильного фронта паронасыщения, который может ускорять добычу нефти. В одном варианте осуществления начальный фронт паронасыщения может нагревать нефть перед началом горения в условиях пласта для обеспечения вступления в реакцию всего избыточного кислорода в коллекторе и предотвращения прорыва не сгоревшего кислорода в эксплуатационные скважины, что повышает безопасность и уменьшает возможное воздействие коррозии на инфраструктуру.

В одном варианте осуществления скважинный парогенератор можно использовать для сжигания природного газа и получения двуокиси углерода, которая нагнетается в нефтяной коллектор и остается в нем (секвестрация). В одном варианте осуществления двуокись углерода, получаемую из эксплуатационной скважины, можно собирать и повторно использовать для охлаждения скважинного парогенератора и/или увеличения темпа добычи в коллекторе. В одном варианте осуществления двуокись углерода, полученную из эксплуатационной скважины, можно продавать и/или использовать для работ других типов.

В одном варианте осуществления давление в коллекторе можно поддерживать и регулировать в эксплуатационных скважинах с использованием устройства регулирования давления, «дросселирующего» поток добываемой текучей среды для поддержания «противодавления». Давление в коллекторе можно также поддерживать и регулировать с использованием скважинного парогенератора, нагнетая текучие среды в нагнетательных скважинах. Использование двух точек регулирования давления может создавать лучшее управление разработкой коллектора, поддерживать растворимость газа в нефти для меньшей вязкости нефти и ускорения темпа добычи, улучшать газовый фактор, что, в свою очередь, уменьшает вязкость нефти перед фронтом паронасыщения и ускоряет добычу, предотвращая преждевременное поступление газа, которое уменьшает добычу нефти и может увеличивать эксплуатационные расходы, если не регулируется. Кроме того, нагнетание газа уменьшает парциальное давление пара и обуславливает его конденсацию на большей глубине в нефтяном коллекторе, при этом теплопередача улучшается и добыча нефти увеличивается. В одном варианте осуществления отбор текучих сред в эксплуатационной скважине можно регулировать (например, ограничивать) так, что давление нагнетания максимизируют в пласте нефтяного коллектора. Поддержание высокого давления в коллекторе может создавать высокое противодавление отбора на эксплуатационной скважине, высокую растворимость двуокиси углерода в ненагретой нефти перед фронтом паронасыщения и высокую температуру конденсации пара, которая, в свою очередь, гарантирует высокую растворимость воды в горячей нефти. Данная комбинация действий уменьшает вязкость нефти, ограничивает или предотвращает прорыв кислорода и увеличивает пиролиз нефти в коллекторе, при этом увеличивая ее относительную плотность стандарта АНИ и уменьшая в ней содержание серы.

В одном варианте осуществления один или несколько трубчатых элементов или соединенных труб, таких как шлангокабели, можно использовать для передачи электроэнергии, текучих сред, газов и/или сигналов связи с оборудования на поверхности на один или несколько компонентов скважинного парогенератора. В одном варианте осуществления трубчатые элементы могут включать в себя провода и/или трубы, объединенные в шлейф в более крупном армированном кожухе, включающем в себя теплоизоляцию. В одном варианте осуществления один или несколько шлангокабелей можно использовать для подачи воды, кислорода, азота, двуокиси углерода, топлива и/или других газов и текучих сред с оборудования на поверхности на скважинный парогенератор. В одном варианте осуществления шлангокабели могут включать в себя линии управления, проходящие от оборудования на поверхности на скважинный парогенератор.

В одном варианте осуществления одну или несколько (автоматизированных) систем управления и/или датчиков можно использовать для создания управления/мониторинга скважинного парогенератора и эксплуатации коллектора в режиме реального времени. Система управления может быть выполнена с возможностью уменьшения эффекта запаздывания и мониторинга и управления работой скважинного парогенератора на глубине в несколько сотен и/или тысяч футов от находящихся на поверхности элементов управления. Система управления может включать в себя все аспекты безопасной, надежной работы в диапазоне всех возможных условий работы и аномалий, включающие в себя автоматическое отключение скважинного парогенератора, если требуется. В одном варианте осуществления один или несколько компонентов, включающих в себя расходомеры, волоконно-оптические устройства мониторинга при высокой температуре (для мониторинга распределения пара в режиме реального времени), высокотемпературные измерительные приборы и клапаны для скважинного мониторинга и датчики, работающие при высоком давлении и температуре, термопары и измерительные преобразователи можно использовать со скважинным парогенератором для измерения и мониторинга одного или нескольких параметров работы.

В одном варианте осуществления одно или несколько несущих устройств, таких как пакеры, можно использовать для несения оборудования скважинного парогенератора на определенных местах установки в скважинной обсадной колонне или трубном изделии и создания изоляции давления. Пакеры могут иметь шпиндель, такой, что насосно-компрессорную трубу можно спускать в отрезке длины пакера. В одном варианте осуществления один или несколько пакеров можно использовать для несения веса скважинного парогенератора, трубных изделий и подпакерной трубы. Выпуск подпакерной трубы скважинного парогенератора может проходить через шпиндель в пакере для нагнетания в нефтяной коллектор. В одном варианте осуществления пакер может быть выполнен с возможностью работы при высоких температурах до 680 градусов F (350°С).

В одном варианте осуществления одну или несколько систем механизированной добычи можно использовать с системой скважинного парогенератора для создания дополнительной мощности закачки для подъема текучих сред из коллектора, включающих в себя нефть, воду, песок и т.д., на поверхность для сепарирования. Систему механизированной добычи можно использовать с подачей понизителя вязкости из легкой нефти (который закачивают в эксплуатационную скважину, получая в результате пониженную вязкость нефтяной смеси) для улучшения условий перекачки. Системы механизированной добычи могут включать в себя винтовые насосы и электроцентробежные погружные насосы.

В одном варианте осуществления другое специализированное оборудование и дополнительные материалы можно использовать с системой скважинного парогенератора, включающие в себя, без ограничения этим, специальные буровые растворы (буровые растворы гравитационного дренирования при закачке пара), устройства проводки скважины (инструменты инклинометрии и гамма-каротажа, высокотемпературного каротажа, измерений во время бурения, каротажа во время бурения, песчаные фильтры (для улучшения надежности насосов ЭЦН)) и стабилизирующую технологию для более эффективного вытеснения в пласте нагнетаемым паром, высокотемпературные клапаны и системы с высокотемпературными термопарами.

Хотя выше описаны варианты осуществления изобретения, другие и дополнительные варианты осуществления изобретения можно разрабатывать без отхода от его базового объема, определяемого следующей формулой изобретения.