一种用于地下矿产原位开发的井下复合加热器

1.本发明涉及一种用于地下矿产原位开发的井下复合加热器，适用于油页岩、稠油、致密油及天然气水合物等非常规油气资源的井下加热开采。


背景技术：

2.油页岩、稠油、致密油及天然气水合物等非常规油气资源是重要的战略资源，世界各国都大力开展相关研究，以期能够在非常规油气资源开采领域实现突破。通过井下原位加热的方式实现油页岩、稠油、致密油及天然气水合物等非常规油气资源的开采被认为是最有效的方法，因此研发高效率、多功能的井下加热器成为实现非常规油气资源开采的关键。
3.目前井下加热器的加热方式主要有两种，一种是电加热，首先在地表通过增压机向井底的加热器通入气体，然后加热器内的电加热棒将注入的气体加热，最后高温的气体被注入到地层中，加热地层。这种加热方式的优点是能够根据不同的工程需求，向地层中注入不同种类的气体，能够满足更广泛的工程需求。但是，由于加热棒的寿命有限最多为3000小时，因此不能保证长时间的加热，故障率高，无法满足长期加热地层的需求。另一种是燃烧加热，首先在地表通过增压机分别向井底的加热器通入燃烧气和助燃气，两种气体在加热器的燃烧室内燃烧形成高温尾气，注入到地层中，加热地层；燃烧气和助燃气的点燃方式分为三种，分别为明火点燃、高温点燃即使两种气体达到燃点使其燃烧及催化剂点燃，其中催化剂点燃是采用泡沫铝涂覆铂和铑作为催化剂，在有催化剂存在的条件下，氢气和氧气能够在常温状态下被点燃，然后降低氢气浓度使加热器温度达到450℃～500℃时通入甲烷气，燃烧形成高温尾气，注入地层，由于催化剂点燃方式简单而被普遍采用。燃烧加热的优点是能够实现长时间加热，故障率低，能够满足长期加热地层的需求。但是，由于燃烧气主要为烃类气体，助燃气主要为空气或氧气；因此，燃烧产生的高温尾气的主要成分为高温水蒸气和二氧化碳；由于非常规油气资源的物性不同，针对不同的地层性质，需要选用不同的注入气体；以油页岩为例，油页岩热采过程中需要发生化学反应，不同种类的气体会影响油页岩内部有机质的裂解行为，并且会影响产物组成，因此需要根据地层性质选择注入气体；采用燃烧加热的方式只能向地层中通入高温水蒸气和二氧化碳，不能适用于更广泛的地层；因此，应用范围较窄，无法满足不同种类非常规油气资源的开采要求。
4.综上所述，现有的两种加热器的加热方式不能完全满足非常规油气资源的开采需求；因此，如何设计一种加热器既能向地层中通入高温尾气，也能加热其他类型的注入气体，满足油页岩、稠油、致密油及天然气水合物等不同类型非常规油气资源的开采需求是目前急需解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，提供一种用于地下矿产原位开发的井下复合加热器，通过设计一种新型的井下加热器，将电加热与燃烧加热两种功能集
成到一套加热器的功能中，满足更广泛的非常规油气资源开采需求。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：一种用于地下矿产原位开发的井下复合加热器，其特征在于，包括：气体注入管、电缆、电缆仓、电加热棒、折流板、加热器上管体、加热器下管体和多孔泡沫铝；所述电缆仓、加热器上管体和加热器下管体从上到下顺次同轴设置，并通过焊接固定连接成整体；所述电缆仓由电缆仓上盖板、电缆仓管和电缆仓下盖板组成，所述电缆仓上盖板和电缆仓下盖板分别与电缆仓管上下两端连接，三者共同组成封闭腔体结构；所述气体注入管的下端依次穿过电缆仓上盖板和电缆仓下盖板延伸至加热器上管体内部，且气体注入管的底端位于折流板的下方，气体注入管的底端封闭，并在位于电缆仓下盖板和折流板之间的气体注入管的区段上开设有第一出气口；所述电缆的上端与外部电源连接，电缆的下端穿过电缆仓上盖板延伸至电缆仓内部；所述电加热棒的上部穿过位于电缆仓下盖板上的通孔延伸至电缆仓内与电缆连接，并且电加热棒焊接在电缆仓下盖板上，电加热棒的下部位于加热器上管体内，电加热棒的下部穿过折流板向下延伸至折流板下方，并且电加热棒与折流板焊接连接；所述折流板设置在加热器上管体内部，折流板上开设有折流板通气孔；所述加热器上管体为顶部敞口、底部封闭的圆筒形结构，并于加热器上管体的底部开设有第二出气口；所述加热器下管体为顶部敞口、底部封闭的圆筒形结构，并于加热器下管体的底部开设有第三出气口；所述多孔泡沫铝设置在加热器下管体内部，多孔泡沫铝内孔隙表面负载有催化剂铂、催化剂铑或催化剂钯。
7.进一步，所述电缆外部的橡胶外皮与电缆仓上盖板上用于供电缆穿过的孔形成密封。
8.进一步，所述井下复合加热器还包括筋板，筋板同时与气体注入管和电缆仓上盖板通过焊接的方式固定连接。
9.进一步，所述电加热棒以所述井下复合加热器的轴线为中心呈环形均匀布置。
10.进一步，沿着所述加热器上管体轴向至少设置一层折流板。
11.进一步，所述折流板的外边缘与加热器上管体内壁焊接。
12.进一步，所述加热器下管体的内壁上凸设有用于承载多孔泡沫铝的凸台结构。
13.通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：通过将电加热和燃烧加热两种功能集成到一套加热器中，使其能够按照需求满足不同的加热需求。并且由于电加热器的使用寿命较短，当电加热功能在使用过程中发生故障时，可迅速切换成向复合加热器内通入助燃气和燃烧气的混合气启动燃烧加热功能，保证复合加热器能够持续向地层中注入热量，保证原位加热工程的正常进行。
附图说明
14.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
15.图1为用于地下矿产原位开发的井下复合加热器的结构示意图；
16.图2为用于地下矿产原位开发的井下复合加热器的俯视图；
17.图3为用于地下矿产原位开发的井下复合加热器中电缆仓下盖板的剖视图。
18.图中各标记如下：1-气体注入管，2-电缆，3-筋板，4-电缆仓上盖板，5-电缆仓管，6-电缆仓下盖板，7-第一出气口，8-电加热棒，9-折流板，10-加热器上管体，11-折流板通气
孔，12-第二出气口，13-加热器下管体，14-多孔泡沫铝，15-第三出气口。
具体实施方式
19.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
20.图1示出了用于地下矿产原位开发的井下复合加热器的结构示意图；图2示出了用于地下矿产原位开发的井下复合加热器的俯视图，也就是图1的a-a向旋转剖视图；图3示出了用于地下矿产原位开发的井下复合加热器中电缆仓下盖板的剖视图，也就是图1的c-c剖视图；如图1、图2和图3所示，一种用于地下矿产原位开发的井下复合加热器，包括：气体注入管1、电缆2、筋板3、电缆仓、电加热棒8、折流板9、加热器上管体10、加热器下管体13和多孔泡沫铝14；所述电缆仓、加热器上管体10和加热器下管体13从上到下顺次同轴设置，并通过焊接固定连接成整体；所述电缆仓由电缆仓上盖板4、电缆仓管5和电缆仓下盖板6组成，所述电缆仓上盖板4和电缆仓下盖板6分别与电缆仓管5上下两端焊接连接，三者共同组成封闭腔体结构；所述筋板3同时与气体注入管1和电缆仓上盖板4通过焊接的方式固定连接，筋板3上开设有供钢丝绳穿设的孔，筋板3主要作用是加热器下井和从井内提升过程中用来挂装钢丝绳；所述气体注入管1的下端依次穿过电缆仓上盖板4和电缆仓下盖板6延伸至加热器上管体10内部，且气体注入管1的底端位于折流板9的下方，气体注入管1的底端封闭，并在位于电缆仓下盖板6和折流板9之间的气体注入管1的区段上开设有第一出气口7，气体进入气体注入管1后从第一出气口7排出进入复合加热器内部，本发明所设计的第一出气口7位于气体注入管1的上部侧壁(也就是只设置在位于电缆仓下盖板6和折流板9之间的气体注入管1的区段上)的目的是，使从第一出气口7排出的气体能够经过电加热棒8的全部长度和通过所有的折流板9，确保注入的气体能够与电加热棒8充分换热，提高换热效率；所述电缆2的上端与外部电源连接，电缆2的下端穿过电缆仓上盖板4延伸至电缆仓内部，电缆2外部的橡胶外皮与电缆仓上盖板4上用于供电缆2穿过的孔形成密封；所述电加热棒8以所述井下复合加热器的轴线为中心呈环形均匀布置，电加热棒8的上部穿过位于电缆仓下盖板6上的通孔延伸至电缆仓内与电缆2连接，从而通过电缆2向电加热棒8供电，并且电加热棒8焊接在电缆仓下盖板6上，电加热棒8的下部位于加热器上管体10内，电加热棒8的下部穿过折流板9向下延伸至折流板9下方，并且电加热棒8与折流板9焊接在一起；所述折流板9设置在加热器上管体10内部，沿着所述加热器上管体10轴向至少设置一层折流板9，折流板9的外边缘与加热器上管体10内壁焊接，折流板9上开设有折流板通气孔11；所述加热器上管体10与电缆仓下盖板6通过焊接的方式连接，加热器上管体10为顶部敞口、底部封闭的圆筒形结构，并于加热器上管体10的底部开设有第二出气口12；所述加热器下管体13为顶部敞口、底部封闭的圆筒形结构，并于加热器下管体13的底部开设有第三出气口15；所述多孔泡沫铝14设置在加热器下管体13内部，多孔泡沫铝14内孔隙表面负载有催化剂铂、催化剂铑或催化剂钯。
21.其中：第一出气口7、电加热棒8、折流板9、上加热器管体10、折流板通气孔11及第二出气口12共同组成电加热部分。
22.由气体注入管1注入的气体首先通过第一出气口7进入电加热部分的内部，然后经
由折流板9上的折流板通气孔11，最后经由加热器上管体10底部的第二出气口12排出电加热部分。折流板9的作用是为注入的气体提供阻力使气体能够与电加热棒8充分接触，提高换热效率。
23.其中：加热器下管体13、负载有催化剂铂、铑或钯的多孔泡沫铝14以及第三出气口15构成燃烧加热部分，加热器下管体13与加热器上管体10通过焊接连接。
24.所述加热器下管体13的内壁上凸设有用于承载多孔泡沫铝14的凸台结构。
25.所述用于地下矿产原位开发井的下复合加热器的工作过程包括如下步骤：
26.步骤一、采用钢丝绳吊装筋板3上的孔，将所述井下复合加热器整体下入井中；
27.步骤二、当需要采用电加热功能时，首先通过气体注入管1向所述井下复合加热器中注入氮气、二氧化碳等惰性气体，流量稳定后，电缆2通电，电加热棒8通电加热气体，产生的350℃～800℃高温气体通过第二出气口12进入燃烧加热部分，由于此时高温气体中无助然的氧气，因此不会发生反应，高温气体直接从第三出气口15排出，进入地层，在此过程中同时伴随加热负载有催化剂铂、铑或钯的多孔泡沫铝14；
28.步骤三、当需要使用燃烧加热功能时，通过气体注入管1向所述井下复合加热器中注入助燃气与燃烧气的混合气，助燃气包括空气、氧气以及其他含氧气的混合气，燃烧气包括甲烷、乙烷、丙烷等烃类气体；电缆2断电，此时负载有催化剂铂、铑或钯的多孔泡沫铝14仍处于高温状态，混合气在催化剂铂作用下发生燃烧反应，产生高温尾气，高温尾气通过第三出气口15排出，进入地层，同时燃烧产生的高温尾气会加热负载有催化剂铂、铑或钯的多孔泡沫铝14，使其保持高温，保证催化燃烧反应能够持续进行；
29.步骤四、当加热器只需要使用燃烧加热功能时，可先向气体注入管1向所述复合加热器中注入助燃气与燃烧气的混合气，电缆2通电，电加热棒8通电加热气体，产生的高温气体通过第二出气口12进入燃烧加热部分，加热负载催化剂铂的多孔泡沫铝14，待混合气发生催化燃烧反应后，停止通电。
30.步骤四中，电缆2通电，电加热棒8通电加热气体的目的是加热催化剂，因为催化剂在高温条件下才能起到催化作用。