管式电磁感应蒸汽发生炉及蒸汽发生方法 |
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申请号 | CN202310134690.9 | 申请日 | 2023-02-17 | 公开(公告)号 | CN115949930B | 公开(公告)日 | 2024-03-05 |
申请人 | 上海飞舟博源材料科技股份有限公司; | 发明人 | 夏小军; 王祎州; 王生劳; 李敏立; 黄福和; 李聚乐; 邓永申; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种管式 电磁感应 蒸汽 发生炉,包括管式炉体,管式炉体的管壁中内置有电磁线圈;芯管穿设于所述管式炉体的内腔;芯管与管式炉体之间形成环形空间;螺旋管设置于所述芯管的外部;所述螺旋管为空心管,螺旋管的上端与补 水 接口 相连通,螺旋管的下端与所述环形空间相连通;气液分离装置设置于所述管式炉体的上端;气液分离装置的入口与所述管式炉体的环形空间相连通,气液分离装置的出口与所述芯管的内腔相连通。本发明将芯管作为发 热管 ,液态水在沿炉体向下流动的过程中,炉体的长度越长,蒸汽与芯管内腔的热交换越充分,蒸汽的 温度 越高,本发明彻底解决了高温蒸汽在从地面输送至井底的 热损失 问题。本发明还公开了一种高温蒸汽发生方法。 | ||||||
权利要求 | 1.一种管式电磁感应蒸汽发生炉,其特征在于,包括: |
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说明书全文 | 管式电磁感应蒸汽发生炉及蒸汽发生方法技术领域[0001] 本发明涉及一种蒸汽发生设备,具体涉及一种管式电磁感应蒸汽发生炉。本发明还涉及一种高温蒸汽发生方法。 背景技术[0004] 第二,从地面到油层,浅井有几百米,深井则有几千米,沿程的热损失极大,待高温蒸汽到达井底时,只有热水的温度了,很难达到热采要求的理想温度。所以,为了提高蒸汽的下注效果,只能通过减少高频次注气带来的频繁预热井筒的“线损”,以“大水漫灌”方式,每隔一段时间高强度向油层注入蒸汽,然后集中采油若干天;生产的波动性很大,难以做到按需“滴灌”式注气热采。 [0005] 第三,虽然在油层中开掘水平井可以扩大接触面,提高开发产量。但是,即使注入蒸汽到达直井井底时还有较高温度,热量也不容易沿着水平井深入末端,给水平井段整体加温降黏。 [0006] 第四,处于北极圈内和北极圈附近拥有冻土层的稠油油井,是不允许注入蒸汽的,否则油井上段周围的冻土都将被高温蒸汽融化,释放甲烷气体,使井筒失稳,导致环境灾难和油井安全事故。 [0007] 因此,业界希望采用直接在井下生成蒸汽的技术。但是,现有的井下生成蒸汽技术,不是因为系统太复杂难以实现,就是单位时间内产出量的杯水车薪而不值得推广。例如,中国实用新型专利文献CN205782800U公开的一种电热式井下蒸汽发生器,一小时只能生成70kg的蒸汽。而稠油热采,要求从地面注入蒸汽量介于每小时1~10吨之间。显然,该专利文献所公开的井下蒸汽发生器在井下电加热所生成蒸汽的数量,距离稠油热采所需的目标甚远。 [0008] 究其原因,是由于井筒的空间狭小,不可能安置足够容积的电热转换炉体。一个直径7英寸的套管内能够放置的井下蒸汽发生炉,其内径不可能超过150mm,长度不超过20m。因此可内置于井筒内的发热体和气液分离装置非常受限。只能通过提高发热体的温度来补偿空间的不足,但极高的发热体温度对蒸汽发生器中所有的密封件、绝缘材料等都提出了极高的材料和加工工艺等要求。因此,无法从根本上解决蒸汽产量小的问题。 发明内容[0009] 本发明所要解决的技术问题是提供一种管式电磁感应蒸汽发生炉,它可以在井下使用,在接近稠油油层处直接产生高温蒸汽。 [0010] 为解决上述技术问题,本发明管式电磁感应蒸汽发生炉的技术解决方案为: [0011] 包括管式炉体1,管式炉体1的管壁中内置有电磁线圈5;芯管2穿设于所述管式炉体1的内腔;芯管2与管式炉体1之间形成环形空间I;螺旋管3设置于所述芯管2的外部;所述螺旋管3为空心管,螺旋管3的上端3‑1与补水接口相连通,螺旋管3的下端与所述环形空间I相连通;气液分离装置4设置于所述管式炉体1的上端;气液分离装置4的入口与所述管式炉体1的环形空间I相连通,气液分离装置4的出口与所述芯管2的内腔II相连通。 [0012] 在另一实施例中,所述芯管2与管式炉体1同心设置。 [0013] 在另一实施例中,所述螺旋管3的内径D3与所述芯管2的外径D2相配合;螺旋管3的外径d3小于所述管式炉体1的内径d1。 [0015] 在另一实施例中,所述管式炉体1为复合材料多层连续管,包括由内向外依次设置的结构层11、电磁屏蔽层12、内衬层13、纤维增强层14和外包覆层15;结构层11内置有所述电磁线圈5;所述内衬层13内置有电缆6;电缆6与所述电磁线圈5电连接。 [0016] 在另一实施例中,所述电磁屏蔽层12采用具有电磁屏蔽性能的材料;所述纤维增强层14采用树脂浸润纤维形成的复合材料;所述结构层11、内衬层13和外包覆层15采用一种或多种耐高温高分子材料。 [0017] 在另一实施例中,所述螺旋管3为毛细管;所述毛细管采用耐高温且无电磁感应的材料制成。 [0018] 在另一实施例中,所述芯管2包括电磁感应管体21,电磁感应管体21的内壁固定设置有导热翅片22,电磁感应管体21的外壁敷设有减热涂层23。 [0020] 在另一实施例中,所述导热翅片22的凸起向芯管2的中心延伸;相邻凸起之间形成流道。 [0021] 在另一实施例中,所述芯管2内孔的截面积不小于芯管2与管式炉体1之间环形空间I的截面积。 [0022] 本发明还提供一种高温蒸汽发生方法,其技术解决方案为,包括以下步骤: [0023] 第一步,将液态水注入螺旋管3,水沿螺旋管3向下流动,从螺旋管3的内腔流入环形空间I; [0024] 第二步,对电磁线圈5通电;通电后的电磁线圈5与芯管2发生电磁感应,使芯管2产生热量; [0025] 第三步,芯管2外表面的减热涂层23使得芯管2所产生热量中的小部分传导至环形空间I,其余的大部分热量传导至芯管2的内腔II;芯管2所产生热量将水加热成为饱和蒸汽,进而成为高温蒸汽。 [0026] 在另一实施例中,所述产生高温蒸汽的方法如下: [0027] 芯管2所产生的小部分热量对环形空间I中的水进行加热,使环形空间I中的液态水汽化为饱和蒸汽;饱和蒸汽沿环形空间I向上流动;当饱和蒸汽流动至蒸汽发生炉的顶部时,饱和蒸汽进入气液分离装置4;气液分离装置4将饱和蒸汽中的液态水与水蒸汽分离,液态水在环形空间I内的热量作用下继续被汽化;水蒸汽通过气液分离装置4后进入芯管2的内腔II;随着后续水蒸汽的不断产生,水蒸汽在自身压力作用下沿芯管2的内腔II向下流动;在水蒸汽沿芯管2的内腔II向下流动的过程中,芯管2所产生的大部分热量对芯管2内腔II中的水蒸汽进行加热,成为高温过热蒸汽。 [0028] 本发明可以达到的技术效果是: [0029] 本发明将芯管作为发热管,液态水在沿炉体向下流动的过程中,炉体的长度越长,蒸汽与芯管内腔的热交换越充分,蒸汽的温度越高。因此本发明彻底解决了高温蒸汽在从地面输送至井底的热损失问题。 [0030] 本发明所产生的蒸汽量由电流功率、炉体的直径和长度决定,通过向井下输送如2000千伏安电流,每小时可产生1~3吨的高热焓值蒸汽或饱和蒸汽,这相当于每小时在地面生产和下注6吨蒸汽的效率。单位水蒸汽携带的热焓值越高,达到同样降黏效果的采出稠油含水率越低,还意味着稠油举升过程耗能和出地面后的油水分离耗能,都可以实现大幅节约。 [0032] 本领域的技术人员应理解,以下说明仅是示意性地说明本发明的原理,所述原理可按多种方式应用,以实现许多不同的可替代实施方式。这些说明仅用于示出本发明的教导内容的一般原理,不意味着限制在此所公开的发明构思。 [0034] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明: [0035] 图1是本发明管式电磁感应蒸汽发生炉的示意图; [0036] 图2是本发明管式电磁感应蒸汽发生炉的截面示意图,图中未示出螺旋管; [0037] 图3是本发明的管式炉体的示意图; [0038] 图4是本发明的管式炉体的截面示意图;管式炉体的内径为d1,外径为D1; [0039] 图5是本发明的芯管的示意图; [0040] 图6是本发明的芯管的截面示意图;芯管的内径为d2,外径为D2; [0041] 图7是本发明的芯管的另一实施例的截面示意图;芯管的内径为d2,外径为D2; [0042] 图8是本发明的螺旋管的示意图; [0043] 图9是本发明的毛细管的示意图; [0044] 图10是本发明的毛细管的截面示意图;毛细管的内径为d4,外径为D4; [0045] 图11是本发明的工作原理示意图。 [0046] 图中附图标记说明: [0047] 3为螺旋管,4为气液分离装置, [0048] 5为电磁线圈, 6为电缆 [0049] 11为结构层, 12为电磁屏蔽层, [0050] 13为内衬层, 14为纤维增强层, [0051] 15为外包覆层, [0052] 21为电磁感应管体,22为导热翅片, [0053] 23为减热涂层, [0054] I为环形空间,II为芯管内腔。 具体实施方式[0055] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例的附图,对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例,本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。除非另外定义,此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同,而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接,而是可以包括电性的连接,不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系,当被描述对象的绝对位置改变后,则该相对位置关系也可能相应地改变。 [0056] 如图1、图2所示,本发明管式电磁感应蒸汽发生炉,包括管式炉体1,管式炉体1的内腔穿设有一芯管2,芯管2与管式炉体1之间形成环形空间I;芯管2的外部设置有螺旋管3; [0057] 管式炉体1与芯管2之间的环形空间I作为气液相变区; [0058] 芯管2的内腔II作为过热蒸汽区; [0059] 管式炉体1的上端连接气液分离装置4;管式炉体1的环形空间I与气液分离装置4的入口相连通,气液分离装置4的出口与芯管2的内腔II相连通;气液分离装置4将湿蒸汽中的液态水与水蒸汽分离,从而拦截蒸汽中的液体;液态水返回环形空间I,水蒸汽通过气液分离装置4后进入芯管2的内腔II。 [0060] 本发明的气液分离装置4可以采用任何能够实现气体与液体分离的现有技术,在此不做赘述。 [0061] 作为一优选实施例,芯管2与管式炉体1同心设置,即芯管2与管式炉体1组成同心圆结构,以使环形空间I各处的宽度H基本相等。 [0062] 为使蒸汽发生炉内能够均匀地产生蒸汽,应保证芯管2与管式炉体1之间所形成的环形空间I各处的宽度H基本相等。但是由于芯管2和管式炉体1均为细长管件,这使得二者之间沿轴向延伸的环形空间I的周向间距H难以保持一致,即在炉体的不同高度处,任意一处的周向间距H1≠另一处的周向间距H2。 [0063] 为解决该技术问题,本发明在芯管2与管式炉体1之间设置有螺旋管3,且螺旋管3的内径D3与芯管2的外径D2相配合,螺旋管3的外径d3小于管式炉体1的内径d1,如图8所示;以使螺旋管3的内圈与芯管2的外壁相接触,而螺旋管3的外圈与管式炉体1的内壁之间形成间隙,以避免芯管2与管式炉体1之间经由螺旋管3发生直接的热传递。 [0064] 作为一优选实施例,螺旋管3的外圈直径d3比管式炉体1的内径d1小1~2mm,以使螺旋管3的外圈与管式炉体1的内壁之间形成有间隙,以便于芯管2与管式炉体1之间的相对定位。 [0065] 本发明的螺旋管3能够对设置于管式炉体1内的芯管2起到扶正作用,从而使得芯管2与管式炉体1的内壁之间基本保持等距离,以使环形空间I的周向间距H保持一致。 [0066] 作为一优选实施例,螺旋管3为一根缠绕于芯管2外壁的连续毛细管,如图9、图10所示。螺旋管3的内孔可以作为蒸汽发生炉的补水通道。螺旋管3从环形空间I的上部延伸至下部,螺旋管3的上端3‑1与补水接口相连通,螺旋管3的下端与环形空间I相连通。 [0067] 作为一优选实施例,毛细管采用耐高温且无电磁感应的材料制成。 [0068] 如图3、图4所示,管式炉体1为复合材料制成的多层式连续管,管体包括由内向外依次设置的结构层11、电磁屏蔽层12、内衬层13、纤维增强层14和外包覆层15; [0069] 结构层11内置有电磁线圈5;电磁线圈5将芯管2环绕于其内,从而能够形成电磁感应; [0070] 内衬层13内置有电缆6;电缆6与电磁线圈5电连接,从而能够为电磁线圈5供电;电缆6可以采用能够输送高压电流的电缆; [0073] 结构层11、内衬层13和外包覆层15采用能够在150℃以上的高温环境里长期工作的耐高温高分子材料,如PDFE(四氟聚乙烯)、PPS(聚苯硫醚)、PEEK(聚醚醚酮)等。 [0074] 作为一优选实施例,管式炉体1的长度为10~300m。 [0075] 本发明的管式炉体1由高分子材料和纤维复合而成,能够作为承压容器,在不大于25MPa的压力下长期工作。 [0076] 本发明将电磁线圈5设置于管式炉体1的管壁中;根据发热温度要求的不同,可以在炉体的不同位置设置稀疏不同的线圈匝数,以达到对不同区段有区别地加温要求。 [0077] 如图5、图6所示,芯管2包括电磁感应管体21,电磁感应管体21的内壁固定设置有导热翅片22,电磁感应管体21的外壁敷设有减热涂层23; [0078] 作为一优选实施例,导热翅片22的外壁与电磁感应管体21的内壁相配合,导热翅片22的内壁沿周向分布有多个凸起,以增加导热翅片22内壁的表面积,如图6所示。 [0079] 作为另一优选实施例,凸起形成花瓣状;各凸起向芯管2的中心延伸,并交汇于芯管2的中心,以使热量能够经翅片向芯管2的中心传导,如图7所示。相邻凸起之间形成流道,使得芯管2具有多个流道。 [0080] 本发明的电磁感应管体21采用铁基材料,能够作为电磁感应体,与管式炉体1内的电磁线圈5发生电磁感应,从而使电磁感应管体21产生热量,使芯管2成为发热管。 [0081] 作为一优选实施例,电磁感应管体21可以是铁基金属连续管,也可以是多个铁基金属管连接而成的续接金属管。 [0082] 本发明的芯管2外表面具有减热涂层23,减热涂层23用于芯管2的非等效散热,能够减低芯管2外表面的导热性,以使芯管2内腔的温度大于芯管2外部的温度,从而使得环形空间I的温度低于芯管2内腔II的温度。并且,本发明的环形空间I中的饱和蒸汽能够形成动态隔热带,将芯管2内腔II中的高温蒸汽与复合材料制成的管式炉体1分隔开,以保护炉体1免受发热体数百度高温的威胁。 [0083] 本发明的芯管2内表面嵌设有导热翅片22,导热翅片22能够提高热传导性能,使流经芯管2内腔II的蒸汽获得更多的热量,从而有效提高到达炉底的高温蒸汽的温度。 [0084] 作为一优选实施例,芯管2内孔的截面积不小于芯管2与管式炉体1之间环形空间I的截面积。 [0085] 本发明的管式炉体1可以展开以垂直、斜线或弧线等线型状态工作;也可以以盘卷状态工作。 [0086] 当管式炉体1以线型状态展开使用时,特别适用于井下,从而解决井下空间狭窄的问题。 [0088] 当管式炉体1在地面使用时,无论以展开方式还是以盘卷状态使用,都可以将管式炉体1设置于一充满水的容器内(池中或管体中),以使炉体1浸没于水中;炉体1的对外辐射散热能够被水吸收,一方面有助于炉体1的散热,从而延长炉体1的使用寿命;另一方面,容器内的水可做为蒸气炉补水水源,吸收炉体辐射散热量恰好是对补给水进行的预热,从而提高热能的利用效率。 [0089] 本发明在地面使用时,螺旋管3的补水功能可以被取消,螺旋管3的扶正功能也可以被更简单的构件取代。 [0090] 本发明采用管式电磁感应蒸汽发生炉的蒸汽发生方法,包括以下步骤: [0091] 第一步,将常温水注入螺旋管3的上端3‑1,水沿螺旋管3向下流动,从螺旋管3的下端流入环形空间I; [0092] 第二步,通过电缆6对电磁线圈5通电;通电后的电磁线圈5与芯管2发生电磁感应,使芯管2产生热量; [0093] 第三步,芯管2外表面的减热涂层23使得芯管2所产生热量中的小部分传导至环形空间I,其余的大部分热量传导至芯管2的内腔II;芯管2所产生热量将水加热成为饱和蒸汽,进而成为高温蒸汽; [0094] 芯管将水加热成为高温蒸汽的方法如下: [0095] 如图11所示,芯管2所产生的小部分热量对环形空间I中的水进行加热,使环形空间I中的液态水汽化为饱和蒸汽(一般为120℃~150℃,具体与炉体内腔压力大小有关);饱和蒸汽沿环形空间I向气液分离装置方向流动;当饱和蒸汽流动至气液分离装置时,饱和蒸汽进入气液分离装置4;气液分离装置4将饱和蒸汽中的液态水与水蒸汽分离,液态水在环形空间I内的热量作用下继续被汽化;水蒸汽通过气液分离装置4后进入芯管2的内腔II;随着后续水蒸汽的不断产生,水蒸汽在自身压力作用下沿芯管2的内腔II向下流动;在水蒸汽沿芯管2内腔II的多个流道向下流动的过程中,芯管2内腔II的导热翅片22与水蒸汽充分接触,芯管2所产生的大部分热量对芯管2内腔II中的水蒸汽进行加热,当水蒸汽到达炉底时,成为高温过热蒸汽(温度可达300℃以上);该高温蒸汽比井口下注的蒸汽具有更高的热焓值。 [0096] 本发明利用芯管2与内置于炉体管壁内的电磁线圈5之间的电磁感应,使芯管2成为发热体;并且,本发明通过在芯管2的外表面设置减热涂层23,使得传导至芯管2内腔II的热量大于传导至环形空间I的热量,从而使芯管2内腔II的流体与位于芯管2外部的环形空间I的流体发生非等效的热能交换。位于炉底环腔的液态水,在环形空间I的热量作用下汽化为蒸汽并由下向上流动;蒸汽进入芯管2内腔II后,在芯管2内腔II的热量作用下继续升温并由上向下流动,成为高温过热蒸汽。 [0097] 本发明的管式炉体1为复合材料制成的多层式连续管体,炉体具备柔韧性,因此可以实现盘卷,以便于运输。 [0098] 本发明的管式炉体1采用复合材料连续管,能够通过延长炉体长度来解决井下空间狭小的困境,从而保证流体具有足够的受热时间。 |