ПАРОГАЗОВЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ И ГАЗОВОГО КОНДЕНСАТА Российский патент 2015 года по МПК E21B36/00 E21B43/24 

Изобретение относится к области добычи нефти и газового конденсата путем вытеснения их из паровых каналов залежи парогазовой смесью с высокими параметрами температуры в интервале 300-600°C и давлением до 60-80 МПа.

Для повышения нефтеотдачи пластов в настоящее время используют воду или газ, нагнетаемые в продуктивный пласт под высоким давлением, при этом коэффициент нефтеотдачи в среднем составляет 0,5. Для повышения нефтевымывающих свойств воды в нее добавляют поверхностно-активные вещества /ПАВ/ или воду насыщают углекислым газом, что при применении ПАВ увеличивает нефтеотдачу на 10-30%. Однако для получения ПАВ требуется та же нефть, в результате энергоотдача составляет всего около 10% /см. В.В. Алексеев. "Экология и экономика энергетики", Физика, Знание, 6/90, стр. 25-26/.

Увеличение нефтеотдачи достигается также нагнетанием в пласт горячей воды или водяного пара, при этом пар обладает лучшей вытесняющей способностью. При вытеснение нефти сжиженными углеводородными газами или газами высокого давления происходит взаимосмешивание их, уменьшение капиллярных сил и увеличение нефтеотдачи пласта /см. И.В. Элияшевский. "Технология добычи нефти и газа", М.: Недра, 1985 г., стр. 165-168/.

Недостатком водного воздействия на продуктивные пласты является то, что при этом не обеспечивается полного извлечения геологических запасов нефти, в недрах остается больше половины, а на месторождениях вязких нефтей - до 85% разведанных запасов /см. В.В. Алексеев. "Экология и экономика энергетики", Физика, Знание, 6/90, стр. 25-26/.

Известен "Комплекс для добычи подземных вод и мелиорации" по патенту №2442859 от 20.02.2012 г. В этом изобретение вытеснение нефти и газового конденсата предлагается осуществлять с помощью парогазовых генераторов, генерирующих в пласт парогазовую смесь с высокими параметрами температуры и давления /см. стр. 21/.

Известный однокамерный парогазовый генератор по патенту №2442859 является ближайшим аналогом-прототипом, так как он содержит признаки, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, в частности:

- парогазовый генератор выполнен с камерой сгорания, крышкой и комбинированными форсунками, соединенной с клапанным механизмом.

Недостатком известного парогазового генератора является то, что в нем отработанные газы из камеры сгорания выпускаются в атмосферу, что существенно снижает КПД, и он выполняется открытым.

В связи с этим в предлагаемой конструкции парогазового генератора для добычи нефти и газового конденсата:

- закрытая кабина с дверцей и монтажными петлями содержит радиатор и вентилятор с электродвигателем для охлаждения охлаждающей жидкости камеры сгорания парогазового генератора, опоры с выдвижными штоками для установки на бетонное основание, баки для воды и топлива, установленные на стенках кабины, задвижку, соединенную с одной стороны с поршневым компрессором, а с другой с воздуховодом регенератора, газовую турбину, размещенную на крыше кабины,

- парогазовый генератор, содержит камеру сгорания, снабженную рубашкой для циркуляции в межстеночном пространстве охлаждающей жидкости, с размещенной на ней крышкой с впускным клапаном для впуска нагретого в регенераторе до температуры 600-700°C сжатого воздуха, выпускным клапаном для выпуска отработанных газов в эжектор и газовую турбину с выпускным патрубком, соединенным с входным патрубком регенератора, или выпускной клапан с патрубком соединен с задвижкой и входным патрубком регенератора и форсункой для впрыскивания углеводородного топлива или с комбинированной форсункой, соединенную с помощью конической части с клапанным механизмом, установленным на задвижке нагнетательной скважины,

при этом клапанный механизм включает цилиндр с поршнем-клапаном и пружиной, имеющим канал для впуска под поршень-клапан сжатого воздуха из ресивера, снабженного обратным клапаном, соединенным с поршневым компрессором,

цилиндр содержит окна для выпуска продуктов сгорания в кольцевой цилиндрический канал, с установленными в нем форсунками для впрыскивания воды и образования парогазовой смеси с температурой 300-600°C,

комбинированная форсунка содержит корпус с патрубками для подачи электропроводной жидкости, соединенные с цилиндрическими каналами, расположенными внутри корпуса в слое электроизоляционного материала, параллельно размещению топливной форсунки, с одной стороны которых установлены электроды, подключенные к генератору импульсов, а с другой выполнены сопла, направленные под углом друг к другу и сообщающиеся с взрывной камерой форсунки, имеющей сопло,

при этом регенератор для нагрева сжатого воздуха до температуры 600-700°C на отработанных газах газовой турбины выполнен с пусковой топливной форсункой, вентилятором и электродвигателем.

Изложенная выше совокупность существенных признаков при внедрении обеспечивает реализацию поставленной цели, при этом каждый из данной совокупности приведенных признаков необходим, а все вместе достаточны для получения положительного эффекта - значительного увеличения нефтеотдачи продуктивных пластов путем нагнетания в пласт парогазовой смеси с высокими параметрами температуры и давления.

Исходя из приведенных доводов совершенно правомерен вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения "изобретательский уровень".

Приведенная совокупность существенных признаков может быть реализована многократно на практике с получением одной и той же цели.

Неоднократная возможность реализации при изготовлении заявляемого технического решения с изложенной выше совокупностью существенных признаков отвечает также в полной мере другому главному критерию изобретения "промышленная применимость".

Изложенная сущность технического решения поясняется чертежами, на которых:

- на фиг. 1 показан парогазовый генератор в продольном разрезе, размещенный на устройствах, соединенных с нагнетательной скважиной, а также газовая турбина с эжектором и электрогенератором и регенератор;

- на фиг. 2 в продольном сечении показан впускной клапан-узел "H";

- на фиг. 3 приведен продольный разрез по 1-1, с показом кабины и размещенным в ней парогазовым генератором;

- на фиг. 4 приведен поперечный разрез по 2-2;

- на фиг. 5 в продольном разрезе показана комбинированная форсунка;

- на фиг. 6 показан вид по 3-3 на комбинированную форсунку и схемы генераторов импульсов, соединенных с электродами форсунки.

Парогазовый генератор для добычи нефти и газового конденсата, содержит камеру сгорания 1 с конической частью 2 и крышку /головку/ 3, в которой установлена форсунка 4 для впрыскивания жидкого углеводородного топлива-дизтоплива /солярки/, а также на ней размещены впускной клапан 5 для подачи сжатого воздуха по патрубку 6 в камеру сгорания 1 и выпускной клапан 7 для выпуска отработанных сгоревших газов /продуктов сгорания/ по патрубку 8. Камера сгорания имеет рубашку 9 для циркуляции в межстеночном пространстве охлаждающей жидкости - воды /или в некоторых случаях в качестве охлаждающей жидкости могут служить жидкие щелочные металлы/, при этом она с помощью фланца 10 соединена с клапанным механизмом 11, внутри которого расположен цилиндр 12, с размещенным в нем поршнем-клапаном 13, опирающимся на пружину 14. Заглушенная часть цилиндра 12 имеет канал 15 с патрубком 16 для подачи сжатого воздуха под поршень-клапан 13. Патрубок 16 соединен с ресивером 17 /буферной емкостью/, имеющим патрубок 18 и обратный клапан 19. Между стенками клапанного механизма 11 и цилиндром 12 образован кольцевой цилиндрический канал 20. Клапанный механизм 11 имеет фланец 21, с помощью которого он вместе с камерой сгорания 1 устанавливается на нагнетательной скважине 22 нефтяного или газоконденсатного месторождения, с размещением на ней необходимых вспомогательных устройств, в частности задвижки 23, переходника 24, трубной головки 25, переходника 26, установленного на колонной головке 27 нагнетательной скважины 22, в которой расположена насосно-компрессорная труба /нкт/ 28. Зона перфорации 29. Клапанный механизм 11 имеет форсунки 30 для впрыскивания воды и охлаждения продуктов сгорания, с образованием в кольцевом цилиндрическом канале 20 парогазовой смеси с температурой около 300-600°C, которая регулируется за счет изменения количества впрыскиваемой форсунками 30 воды. В цилиндре 12 выполнены окна 31 для выпуска раскаленных продуктов сгорания в кольцевой цилиндрический канал 20, в котором они смешиваются со струями воды, впрыскиваемыми форсунками 30 с образованием парогазовой смеси /парогаза с заданной температурой/.

Впускной клапан 5 и выпускной клапан 7, выполнены цилиндрической формы в виде плунжеров /золотников/ с центральным сквозным отверстием 32 для пропуска сжатого воздуха или отработанных продуктов сгорания. Канал 33 выполнен в крышке 3. Клапаны 5 и 7 имеют тарелку 34, на которую опирается пружина 35 с одной стороны, а с другой на скобу 36. Сверху на скобу 36 устанавливается соленоид 37, в котором цилиндрический клапан входит в центральное отверстие и служит уже якорем соленоида.

Для защиты от атмосферных осадков, ударов парогазовый генератор размещается в закрытой кабине 38, имеющей опоры 39 с выдвижными штоками 40, опирающимися на бетонное основание 41. На стенках кабины устанавливаются бак 42 для воды и бак 43 для топлива /солярки/. На самом парогазовым генераторе крепится стол 44, на котором размещаются электронный блок управления 45, насосы 46 для подачи воды в форсунки 30 с электродвигателем и редуктором 47 и топливный насос 48 с электродвигателем и редуктором 49. Сбоку кабины на кронштейнах 50 установлена задвижка 51 для сжатого воздуха, поступающего от поршневого компрессора высокого давления, до 20 МПа, производительностью до 100 м³/мин /компрессор установлен на шасси автомобиля типа КАМАЗ/.

Кабина 38 имеет дверцу 52, а на противоположной стороне установлены радиатор 53, вентилятор 54 с приводом от электродвигателя 55. Кабина снабжена монтажными петлями 56.

Парогазовый генератор имеет регенератор 57, в котором сжатый воздух из задвижки 51 с невысокой температурой нагревается до температуры 600-700°C и поступает через впускной клапан 5 в камеру сгорания 1. При этом обеспечивается испарение впрыснутого в нее топлива форсункой 4 и сгорание образующейся в камере сгорания 1 горючей смеси, с осуществлением рабочего процесса, подобного рабочему процессу, осуществляемому в двигателях с воспламенением от сжатия /дизелях/. Со стороны сжатого воздуха регенератор выполнен трехходовым, а со стороны газа - одноходовым /см. И.И. Кириллов. “Газовые турбины и газотурбинные установки”, Машгиз, М., 1956 г., стр. 107-109 /1//.

Регенератор содержит корпус 58, в котором установлены тонкие трубки 59 для прохода сжатого воздуха, с одной стороны соединенные с воздуховодом 60, через который подается для нагрева сжатый воздух, а с другой стороны они соединены с колпаком 61, из которого нагретый до заданной температуры сжатый воздух по трубопроводу направляется в камеру сгорания парогазового генератора через патрубок 6.

Нагрев сжатого воздуха в регенераторе 57 осуществляется на стадии пуска парогазового генератора с помощью пусковой топливной форсунки 62, имеющей бак для топлива и насос /не показанные на чертеже/, вентилятор 63 и электродвигатель 64.

В целях использования энергии отработанных продуктов сгорания парогазовый генератор дополнительно имеет газовую турбину 65, соединенную с электрогенератором 66, подключенным к электрощиту 67.

Для снижения температуры сгоревших газов перед газовой турбиной 65 установлен эжектор 68, содержащий рабочее сопло 69, соединенное с выпускным патрубком 8 парогазового генератора. Камера смешения 70 эжектора, патрубок 71 для входа в него атмосферного воздуха. Направляющий и спрямляющий аппараты 72 газовой турбины, имеющей выпускной патрубок 73, задвижка 74, установленная на соединительном трубопроводе выпускного патрубка газовой турбины с регенератором 57, который снабжен входным патрубком 75 для сгоревших газов и выходным патрубком 76 для выпуска отработанных газов в атмосферу.

Работает парогазовый генератор следующим образом.

От внешнего источника электроэнергии /аккумуляторная батарея или бензиновый двигатель-генератор/ запускается электродвигатель 64, вентилятор 63 и топливный насос форсунки 62, нагнетающий в нее топливо /например, солярку или мазут/, с поджиганием образующейся горючей смеси во входном патрубке 75 регенератора 57.

Одновременно запускается компрессор высокого давления P=200 кг/см², или 20 МПа, сжатый воздух из которого поступает на задвижку 51 и из нее направляется в воздуховод 60 регенератора. Нагрев сжатого воздуха в трубках 59 регенератора осуществляется сгоревшими газами за счет работы пусковой топливной форсунки 62 до температуры 600-700°C, с выходом отработанный газов в атмосферу через выходной патрубок 76, при этом нагретый в трубках 59 сжатый воздух из колпака 61 поступает через патрубок 6 в открытом впускном клапане 5, приводимом в движение соленоидом 37 с помощью системы автоматики электронного блока 45 и соответствующих датчиков /не показанных на чертеже/, в камеру сгорания 1. Включение топливной форсунки 4 с помощью системы автоматики осуществляется после поступления в камеру сгорания нагретого сжатого воздуха, что приводит к образованию в ней горючей смеси за счет испарения дизтоплива /солярки/ и к ее сгоранию. При этом впускной клапан 5 закрыт, что осуществляется отключением от источника электроэнергии соленоида 37 с помощью системы автоматики.

Сгоревшие газы в камере сгорания 1 с высокими параметрами температуры, около 100-200 К, и давлением 60-80 МПа, при давлении сжатого воздуха P=20 МПа /см. А.С. Хачиян. "Двигатели внутреннего сгорания". Высшая школа, М., 1978 г., стр. 70-83 /2//. расширяются, при этом поршень-клапан 13 сжимает пружину 14 и открывает в цилиндре 12 окна 31, с выпуском раскаленных продуктов сгорания в кольцевой цилиндрический канал 20, в который с помощью форсунок 30 впрыскивается вода, с образованием парогазовой смеси с температурой 300-600°C.

Парогазовая смесь с высокими параметрами давления P₁=60-80 МПа и температурой T=300-600°C поступает через задвижку 23 в насосно-компрессорную трубу 28 /нкт/ и нагнетательную скважину 22 и через зону перфорации 29 нагнетается в поровые каналы нефтяного пласта или продуктивного пласта газоконденсатного месторождения.

Следующие рабочие циклы осуществляются с частотой около 100 цикл/с, при этом после первого рабочего хода парогазового генератора, с помощью системы автоматики /не показанной на чертеже/ подается электроэнергия на соленоид 37 выпускного клапана 7, который втягивается в него сжимая пружину 35, а отверстие в нем 32 совмещается с каналом 33, благодаря чему отработанные газы из камеры сгорания 1 выходят в эжектор 68 через рабочее сопло 69. Вместе с тем поршень-клапан 13 возвращается в исходное положение с помощью пружины 14 и давления сжатого воздуха, поступающего в цилиндр 12 от основного компрессора через патрубок 16, ресивер 17, обратный клапан 19 и патрубок 18, и перекрывает окна 31. В этой конструкции парогазового генератора на поршень-клапан /в дальнейшем просто "клапан"/ с тыльной стороны действуют сила упругости пружины 14 и давление сжатого воздуха, поступающего от основного компрессора давлением P=20 МПа, в связи с высоким давлением сжатого воздуха в камере сгорания 1. На этом завершается первый рабочий цикл парогазового генератора.

Поступившие в эжектор /а при выполнении лопаток газовой турбины охлаждаемыми эжектор 68 не требуется, при этом отработанные продукты сгорания непосредственно из патрубка 8 направляются на турбину 65/ сгоревшие газы с высокой температурой и давлением выходят через рабочее сопло 69, и следом в патрубок 71 всасывается атмосферный воздух, который смешивается в камере 70, что приводит к снижению температуры газов перед турбиной 65 и нормальной ее работе в заданном интервале температур - 700-900°C. Отработанные газы из выпускного патрубка 73 поступают во входной патрубок 75 регенератора, отдают тепло и нагревают в трубках 59 сжатый воздух, который используется в парогазовом генераторе с температурой 600-700°C. Снова с помощью системы автоматики подается электроэнергия на соленоид 37 впускного клапана 5, с помощью которого втягивается в него клапан 5, при этом сжимается пружина 35 и совмещаются отверстие 32 в клапане с каналом 33, благодаря чему сжатый и нагретый до температуры 600-700°C воздух поступает в камеру сгорания 1, что приводит к повторению рабочих циклов парогазового генератора с частотой около 100 цикл/сек и работе регенератора 57 на отработанных газах, при этом пусковая форсунка 62, вентилятор 63 и электродвигатель 64 отключаются.

В целях упрощения конструкции парогазового генератора для нагрева сжатого воздуха в регенераторе 57 отработанные газы из патрубка 8 могут непосредственно направляться в него через задвижку 77.

Однако использование энергии отработанных газов в турбине 65 с электрогенератором 66 обеспечивает значительное снижение расхода топлива на собственные нужды нефтедобычи или добычи газового конденсата, с использованием электроэнергии от электрогенератора 66 на обслуживание парогазового генератора и производство сжатого воздуха с помощью работы дополнительного или основного компрессора.

Таким образом, работа парогазового генератора на нагнетательной скважине /скважинах/ 22 с частотой 1 около 100 цикл/сек обеспечивает нагнетание в нефтяной пласт или продуктивный пласт газоконденсатного месторождения парогазовой смеси с высокими параметрами температуры - T=300-600°C и давлением P₁=60-80 МПа, которые могут регулироваться в широком интервале температуры и давления с помощью изменения количества топлива форсункой 4 и воды форсунками 30. Парогазовая смесь через зону перфорации 29 в нагнетательной/ых/ скважине/ах/ поступает в поровые каналы продуктивных пластов с нефтью или газовым конденсатом и вытесняет ИХ в добывающие скважины, причем при большой проницаемости нефтяного пласта эти скважины могут фонтанировать, что существенно упрощает и удешевляет добычу нефти. Вместе с тем, проникая в продуктивный пласт с нефтью, парогазовая смесь с высокими параметрами температуры и давления сильно нагревает его, обеспечивая существенное увеличение жидкотекучести нефти и значительное увеличение коэффициента нефтеотдачи пластов, по сравнению, например, с вытеснением нефти водой под высоким давлением или сжатым воздухом, поступающим от компрессорной станции /см. И.В. Элияшевский. "Технология добычи нефти и газа", Недра, М., 1983 г., стр. 122-168 /3//.

Однако на этом извлечение нефти или остаточных ее запасов на отработанных месторождениях не заканчивается.

Наступает прорыв парогазовой смеси с высокой температурой и давлением в добывающие скважины, что приводит к испарению прилипшей нефти к стенкам поровых каналов залежи, смешиванию паров нефти с парогазовой смесью /парогазом/, выходу смеси в добывающие скважины, с разделением паров на фракции на поверхности путем их конденсации за счет охлаждения водой или воздухом. Таким образом, при работе парогазовых генераторов на нагнетательных скважинах /одна нагнетательная скважина на четыре добывающих скважины при площадной закачке парогазовой смеси в продуктивный пласт с нефтью или с газовым конденсатом/, см. 3, стр. 167-168/ достигается извлечение всех геологических запасов нефти и газового конденсата, что недостижимо для всех известных ныне искусственных методов воздействия на нефтяные пласты или пласты с газовым конденсатом /см. 3, стр. 165-168 и С. Хаитов. "Топливо? Сырье? - Газ: практика рационального использования", Знание, Техника, 1984/5, стр. 62, - "по сообщению фирмы "Джон Браун сабси", 1983 /4//.

Высокая температура парогазовой смеси - от 300 до 600°C обеспечивает нагрев нефти в продуктивном пласте и ее испарение, благодаря чему достигается коэффициент нефтеотдачи, приближающийся к 1, тогда как ныне он не превышает 0,5 /см. 3, стр. 122/.

Вместе с тем, высокая температура парогазовой смеси, нагнетаемой в пласт, обеспечивает осуществление под землей процесса пиролиза нефти, с выходом на поверхность на второй стадии добычи нефти, при прорыве парогазовой смеси с температурой около 600°C в добывающие скважины смеси углеводородов, с разделением их на поверхности с помощью известной в науке технологии на фракции, с получением бензина, керосина, солярки, мазута и прочих материалов, что позволит существенно снизить стоимость нефтепродуктов.

Кроме того, на извлечение нефти из продуктивного пласта с высоким коэффициентом нефтеотдачи оказывает существенное влияние прерывистый рабочий процесс парогазового генератора с частотой около 100 цикл/сек, что приводит к распространению в пласте низкочастотных упругих колебаний, с высокой интенсивностью распространяющихся на большой площади. При соответствующем расположении на залежи источника колебаний продуктивный пласт возбуждается на собственной частоте, благодаря этому в нефти возникают эффекты кавитации и акустических течений, приводящих к образованию в ней пузырьков и вскипанию, что значительно увеличивает коэффициент нефтеотдачи пласта.

С помощью системы автоматики парогазового генератора можно изменять частоту рабочих процессов - от нескольких до 100 цикл/сек и добиваться совпадения частоты парогазового генератора с собственной частотой колебаний нефтяного пласта, что приведет к резонансу жидкой фазы в пласте, кавитации и увеличению нефтеотдачи. Еще одним дополнительным преимуществом использования парогазовых генераторов для добычи нефти и газового конденсата является то, что продукты сгорания содержат углекислый газ - CO₂, который смешивается с нефтью в продуктивном пласте, что приводит к уменьшению ее вязкости и способствует увеличению нефтеотдачи залежи.

Отметим, что с уменьшением частоты рабочих процессов парогазового генератора уменьшается температура нагрева сжатого воздуха в регенераторе 57. Для поддержания ее на заданном уровне - 600-700°C /см. 2, стр. 38, табл. 11.2, и стр. 83, табл. 11,3/ включается пусковая топливная форсунка 62, вентилятор 63 и электродвигатель 64.

Монтаж парогазового генератора

Парогазовый генератор размещен в закрытой кабине 38 и ставится на задвижку 23 нагнетательной скважины 22 и бетонное основание 41 с помощью опор 39 с выдвижными штоками 40, обеспечивающими при их вращении точность /горизонтальность/ установки парогазового генератора. Охлаждающая вода камеры сгорания парогазового генератора проходит через радиатор 53, в котором ее температура понижается до нормальной, чему способствует работа вентилятора 54. Наладка парогазового генератора на нагнетательной скважине происходит оператором при открытой дверце 52.

Газовая турбина 65 с электрогенератором 66 и эжектором 68 установлена на крыше закрытой кабины 38 /не показана на чертеже/.

Особенности конструкции и работы парогазового генератора

Выше отмечено, что на поршень-клапан 13 действуют две силы - сила упругости пружины 14 и давление сжатого воздуха, поступающего от основного компрессора давлением P=20 МПа. При этом для предохранения компрессора от колебаний давления в магистрали сжатого воздуха в ресивере 17 установлен обратный клапан 19.

Регенератор 57 снаружи утепляется теплоизоляционным материалом-асбестом и минеральной ватой и защищается обшивкой из стальных листов, что особенно важно при работе парогазовых генераторов в осенне-зимний период.

Применение регенератора для работы парогазового генератора обеспечивает переход от одного вида топлива - солярки к другому, например бензину. Иными словами, парогазовый генератор становится многотопливным, вплоть до применения мазута или очищенной нефти самого месторождения. Это достигается за счет регулирования температуры нагрева сжатого воздуха с помощью тепла отработанных газов газовой турбины 65, с температурой 600-700°C и до температуры 300-350°C. При этом парогазовый генератор может работать как на солярке, так и на бензине, с дополнительной установкой при работе на бензине искрового зажигания, применяемого на двигателях внутреннего сгорания /ДВС/. Регулирование температуры отработанных газов газовой турбины осуществляется путем замены задвижки 74 на пробковый 3-ходовой кран, с помощью которого часть отработанных газов с высокой температурой направляется во входной патрубок 75 регенератора, а остальная часть - в атмосферу. При сжигании мазута с высокой температурой воспламенения, дополнительно включается пусковая форсунка 62.

В целях упрощения конструкции и обслуживания работы парогазового генератора, вместо обычной топливной форсунки 4 устанавливается комбинированная форсунка по фиг. 5, 6 /см. патент №2442859 от 20.02.2012 г./, в которой осуществляются электрические взрывы струй электропроводной жидкости при температуре, превышающей 2500°C, благодаря чему впрыснутое в взрывную камеру форсунки топливо мгновенно испаряется и термически разлагается на молекулы и атомы с образованием газообразной смеси углеводородного топлива и электропроводной жидкости струй, участвующих в электрическом взрыве. При этом осуществляется термическая диссоциация любого вида топлива, независимо от его вязкости и температуры испарения, что позволяет использовать для работы парогазового генератора практически все известные виды топлив и, таким образом, существенно снижать затраты на добычу нефти или газового конденсата. Вместе с тем, использование энергии отработанных газов на газовой турбине 65 и регенераторе 57, так же как и при применении обычной топливной форсунки, позволяет значительно увеличить КПД парогазового генератора.

Комбинированная форсунка содержит корпус 78, внутри которого в слое электроизоляционного материала 79 размещены цилиндрические каналы 80 и 81, имеющие с одной стороны сопла 82 и 83, направленные под углом друг к другу, а с другой электроды 84 и 85. В центре установлена топливная форсунка 86. Патрубки 87 и 88 соединены с цилиндрическими каналами 80 и 81 и с насосами для подачи электропроводной жидкости /не показаны/. Взрывная камера 89, имеющая сопло 90. Фланец для крепления форсунки 91.

Электроды 84 и 85 подключены к генератору импульсов /ГИ/, принципиальная схема которого включает конденсатор 92, резистор 93, выпрямитель 94 переменного тока в постоянный /см. Б.А. Артамонов. "Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов", Высшая школа. Т. 2, М., 1983 г., стр. 100-103 и стр. 91-100 /5/, а также Б.А. Артамонов. "Размерная электрическая обработка металлов", Высшая школа, М., 1978 г., стр. 50 /6//. В комбинированной форсунке электродов 84, 85, как и цилиндрических каналов 80 и 81 может быть одна, две, три пары и более. Электроды 95 и 96, размещенные в цилиндрических каналах /не показанных на чертеже/ перпендикулярно первым, служат для осуществления электрических взрывов струй и воспламенения горючей смеси. Они подключены к генератору импульсов /ГИ/, содержащему конденсатор 97, резистор 98, выпрямитель 99.

Струи электропроводной жидкости 100 и 101, зона их контакта 102, струи топлива 103.

В качестве электропроводных жидкостей струй 100, 101 служат концентрированные водные растворы сильных электролитов, с высокой концентрацией на основе кислот, оснований и солей, а также суспензии порошков или пудры металлов, графита в растворе электролита и в некоторых случаях жидкие металлы.

Работает комбинированная форсунка следующим образом.

От насосов /не показанных на чертеже/ под давлением подается электропроводная жидкость в патрубки 87 и 88, цилиндрические каналы 80 и 81, которая вытекает в взрывную камеру 89 в виде струй 100 и 101. Одновременно подается электроэнергия от внешнего источника на генератор импульсов 92-94 и впрыскивается топливо, например солярка, из форсунки 86 в виде струй 103. При контакте струй 100 и 101 в зоне 102 замыкается разрядная цепь генератора импульсов и конденсатор 92 /или батарея конденсаторов/ разряжается на струи. При этом разрядный ток, протекающий по цепи, электроды 84 и 85, электропроводную жидкость в цилиндрических каналах 80 и 81, соплах 82 и 83 мгновенно нагревает струи, с образованием электрического взрыва при температуре, которая может изменяться в интервале /2-5/×10⁴ K /см. 5, стр. 72/. Энергия, запасенная в конденсаторе, зависит от емкости и напряжения: - A=CU²/2 /см. 6, стр. 50/. Диаметр струй около 0,1-0,2 мм, диаметр цилиндрических каналов 10-12 мм и более. Электрический взрыв струй 100 и 101 приводит к образованию плазмы /см. 5, стр. 101/, нагреву и мгновенному испарению струй топлива 103 при температуре, превышающей 2500°C. При этой температуре электропроводная жидкость, например суспензия пудры алюминия или графита в водном растворе электролита, термически диссоциирует с разложением на -2H₂O→2H₂+O₂ /см. Н.Л. Глинка, "Общая химия", из-во Химия, Л., 1980 г., стр. 211 /7// и осколки электролита, с образованием водорода и кислорода /гремучего газа/, а топливо - солярка - за счет высокой температуры электрического взрыва струй 100, 101 разлагается на углерод, водород и кислород, что приводит к образованию в взрывной камере 89 комбинированной форсунки газообразной горючей смеси с высоким давлением и температурой, которая выбрасывается из сопла 90 в виде струи в камеру сгорания 1 парогазового генератора и смешивается с сжатым воздухом, нагретым до температуры 600-700°C в регенераторе 57 с образованием горючей смеси и ее сгоранием.

Повторные электрические взрывы струй 100, 101, а также испарение и термическая диссоциация струй топлива 103 осуществляются за счет повторных рабочих циклов насосов для впрыскивания электропроводной жидкости и топлива /не показанных на чертеже/.

Для работы парогазового генератора на бензине и низким давлением сжатого воздуха, воспламенение горючей смеси в камере сгорания 1 осуществляется за счет электрического взрыва струй, расположенных перпендикулярно основным струям 100 и 101 /не показанных на чертеже/, вытекающих из сопел цилиндрических каналов, имеющих электроды 95 и 96, подключенные к генератору импульсов - конденсатор 97, резистор 98, выпрямитель 99. Повторные электрические взрывы этих струй с воспламенением горючей смеси также осуществляются за счет давления насоса, нагнетающего электропроводную жидкость в комбинированную форсунку.

Отметим, что независимо от применения на парогазовом генераторе обычной форсунки 4 или комбинированной с электрическими взрывами струй электропроводной жидкости использование энергии отработанных газов на газовой турбине 65 и регенераторе 57 обеспечивает высокий КПД.

Вместе с тем, при работе на бензине в обеих конструкциях парогазового генератора с обычной или с комбинированной форсункой давление сжатого воздуха, поступающего от поршневого компрессора, должно быть значительно ниже, чем при работе на солярке /дизтопливе/ или мазуте.

Особенности работы парогазового генератора с комбинированной форсункой.

1. За счет работы комбинированной форсунки с электрическими взрывами струй 100-101, в взрывной камере 89 генерируется газообразное топливо из любого вида впрыснутого в виде струи 103 углеводородного топлива при температуре, превышающей 2500°C, при этом продукты термической диссоциации электропроводной жидкости струй 100-101 в виде водорода, кислорода и осколков электролита и порошка или пудры суспензии из металлов или графита также являются химически активным топливом. В результате смесь газообразных топлив под большим давлением "выстреливается" из сопла 90 комбинированной форсунки в камеру сгорания 1 и полностью смешивается с зарядом сжатого воздуха /оба являются газами/, образуя химически активную горючую смесь. В результате парогазовый генератор становится многотопливным, а температуру нагрева сжатого воздуха в регенераторе 57 можно снизить до 350-500°C, что зависит от вида применяемого топлива: солярки, керосина, бензина, всевозможных смесей углеводородов и мазута.

2. Применение комбинированной форсунки с осуществлением дополнительных электрических взрывов струй с помощью электродов 95 и 96, генератора импульсов 97-99 обеспечивает воспламенение любой горючей смеси за счет образования мощного факела, выходящего из сопла форсунки при электрических взрывах этих струй электропроводной жидкости.

При этом достигается воспламенение обедненных горючих смесей, что позволяет снизить расход топлива на 20-30%. В настоящее время факельное зажигание горючей смеси применяется в легковых автомобилях на бензиновых ДВС, с существенным снижением расхода топлива.

Отметим также, что энергия, затрачиваемая на электрические взрывы струй электропроводной жидкости в парогазовом генераторе, не теряется, так как за счет расширения и последующего сгорания продуктов термической диссоциации в виде водорода и кислорода совершается дополнительная работа.

Технико-экономическая часть

В настоящее время при разработке нефтяных месторождений, в большинстве случаев добыча нефти осуществляется только с помощью пластового давления, что позволяет извлекать из залежи до 25-28% нефти от всех ее геологических запасов. При разработке же вязкой нефти извлекается всего около 15% /см. В.В. Алексеев. "Экология и экономика энергетики", Знание. Физика, М., 6/90, стр. 25-26 /5//.

Для повышения нефтеотдачи залежи применяют искусственные методы воздействия на нефтяные пласты с помощью закачки в пласт воды или газа, при этом коэффициент нефтеотдачи в среднем составляет 0,5 /см. 3, стр. 122, 165-168/. Дополнительными методами, применяемыми для вытеснения нефти из залежи, являются: 1) улучшающие нефтевымывающие свойства закачиваемой в пласт воды, 2) тепловые, 3) вытеснение нефти из пласта смешивающимися с ней жидкостями или газами.

Кроме того, в последнее время стали применять новые технологии и методы воздействия на нефтяные пласты, например, вибрационные, сейсмоакустические, разбуривание горизонтальными скважинами залежи, благодаря чему нефтеотдача увеличивается, однако незначительно.

Новый искусственный метод воздействия на нефтяные пласты с помощью работы на нагнетательных скважинах парогазовых генераторов, обеспечивающих нагнетание в залежь парогазовой смеси с давлением до 60-80 МПа и температурой 300-600°С, позволяет почти полностью извлекать все геологические запасы нефти с помощью воздействия на нефтяной/ые/ пласт/ы/:

1. Высокого давления парогазовой смеси, обеспечивающего проникание ее в поровые каналы залежи с низкопористыми породами, подобно "поршням".

2. Высокой температуры парогазовой смеси, что приводит к сильному нагреву залежи с нефтью, ее разжижению и вскипанию, а в дальнейшем при прорыве парогазовой смеси в добывающие скважины испарению прилипшей нефти к стенкам поровых каналов. В результате извлекаются почти все геологические запасы нефти.

3. Прерывистый рабочий процесс парогазового генератора с частотой около 100 цикл/сек с нагнетанием в залежь парогазовой смеси с высокими параметрами температуры и давления, обеспечивает распространение в нефтяном пласте сейсмоакустических волн с высокой интенсивностью, способствующих возникновению в нефти кавитации и акустических течений, что приводит к вскипанию жидкости и увеличению нефтеотдачи.

4. Наличие углекислого газа в продуктах сгорания парогазового генератора обеспечивает снижение вязкости нефти и увеличивает нефтеотдачу залежи.

Таким образом, совместное воздействие на залежь этих четырех сил позволяет почти полностью извлекать все геологические запасы нефти или газового конденсата, что недоступно для всех известных ныне искусственных методов воздействия на нефтяные пласты.

При этом за счет высокого давления и высокой температуры парогазовой смеси обеспечивается извлечение нефти и газового конденсата на месторождениях:

1) с низкопроницаемыми пластами;

2) с низкопористыми пластами;

3) с пластами с низким пластовым давлением;

4) с пластами с вязкой, парафинистой и смолистой нефтью;

5) со "старыми" низкодебитными скважинами, которых насчитывается в стране до 250000 шт.

Кроме того, парогазовые генераторы могут применяться для увеличения дебита как на вновь пробуренных скважинах, так и для восстановления дебита "старых" скважин. Закачка в продуктивный пласт с нефтью или газовым конденсатом парогазовой смеси с частотой около 100 цикл/сек, имеющей высокое давление и температуру, обеспечивает увеличение числа и размеров дренажных каналов и увеличение трещиноватости пород. При осуществлении работ по увеличению дебита скважин периодически производится сброс в атмосферу или в специальную емкость через парогазовой смеси с частицами породы, окружающей призабойную зону пласта /ПЗП/, через задвижки трубной головки 25.

Иными словами, на стадии работы парогазового генератора по увеличению дебита скважин его эффективность значительно больше, чем известных методов, осуществляемых с помощью вибровоздействия на прискважинную часть продуктивного пласта с помощью: а/ гидровибраторов; б/ ультразвуковых вибраторов; в/ электрических вибраторов, например, работающих по принципу "взрыва проволоки"; г/ гидродинамических вибраторов, в которых используется электрический разряд с движением навстречу друг к другу 2-х поршней /см. 3, стр. 168-179/.

Увеличение эффективности воздействия парогазового генератора на ПЗП с увеличением дебита скважин обеспечивается за счет высокого давления и температуры парогазовой смеси, а также высокой проникающей способности "парогаза" в поровые каналы залежи по сравнению, например, с жидкостью.

Вместе с тем, парогазовые генераторы могут применяться: 1. Для увеличения дебита низкодебитных артезианских скважин. 2. Для увеличения коэффициента водоотдачи при добыче пресной воды с глубин до 300-500 м и под руслами рек и озер, как действующих, так и высохших. 3. Для очистки от налипшей грязи и ржавчины стальных и чугунных водопроводных труб, а также их дезинфекции при температуре парогазовой смеси ~200°C.

Изобретение относится к области добычи нефти и газового конденсата путем вытеснения юс из поровых каналов залежи парогазовой смесью с высокими параметрами температуры в интервале 300-600°C и давлением до 60-80 МПа. Парогазовый генератор для добычи нефти и газового конденсата содержит закрытую кабину с установленным в ней парогазовым генератором, размещенным на задвижке, последовательно соединенной с переходником, трубной головкой, переходником и колонной головкой нагнетательной скважины залежи. Кроме того генератор содержит газовую турбину с эжектором и регенератором, поршневой компрессор, электрощит и электрогенератор, соединенный с газовой турбиной. При этом закрытая кабина с дверцей и монтажными петлями содержит радиатор и вентилятор с электродвигателем для охлаждения охлаждающей жидкости камеры сгорания парогазового генератора, опоры с выдвижными штоками для установки на бетонное основание, баки для воды и топлива, расположенные на стенках кабины, задвижку, соединенную с одной стороны с поршневым компрессором, а с другой с воздуховодом регенератора, газовую турбину, размещенную на крыше кабины. Парогазовый генератор содержит камеру сгорания, снабженную рубашкой для циркуляции в межстеночном пространстве охлаждающей жидкости, с размещенной на ней крышкой с впускным клапаном для впуска нагретого в регенераторе до температуры 600-700°C сжатого воздуха, выпускным клапаном для выпуска отработанных газов в эжектор и газовую турбину с выпускным патрубком, соединенным с входным патрубком регенератора, или выпускной клапан с патрубком. При этом клапанный механизм включает цилиндр с поршнем-клапаном и пружиной, имеющим канал для впуска под поршень-клапан сжатого воздуха из ресивера, снабженного обратным клапаном, соединенным с поршневым компрессором. Цилиндр содержит окна для выпуска продуктов сгорания в кольцевой цилиндрический канал с установленными в нем форсунками для впрыскивания воды и образования парогазовой смеси. Комбинированная форсунка содержит корпус с патрубками для подачи электропроводной жидкости, соединенные с цилиндрическими каналами, расположенными внутри корпуса в слое электроизоляционного материала, параллельно размещению топливной форсунки, с одной стороны которых установлены электроды, подключенные к генератору импульсов, а с другой выполнены сопла, направленные под углом друг к другу и сообщающиеся с взрывной камерой форсунки, имеющей сопло. При этом регенератор для нагрева сжатого воздуха выполнен с пусковой топливной форсункой, вентилятором и электродвигателем. Техническим результатом является увеличение нефтеотдачи пластов залежи. 6 ил.

Парогазовый генератор для добычи нефти и газового конденсата содержит закрытую кабину с установленным в ней парогазовым генератором, размещенным на задвижке, последовательно соединенной с переходником, трубной головкой, переходником и колонной головкой нагнетательной скважины залежи, газовую турбину с эжектором и регенератором для нагрева сжатого воздуха до температуры 600-700°C, поршневой компрессор давлением до 20 МПа и производительностью до 100 м³/мин, электрощит и электрогенератор, соединенный с газовой турбиной,
при этом закрытая кабина с дверцей и монтажными петлями содержит радиатор и вентилятор с электродвигателем для охлаждения охлаждающей жидкости камеры сгорания парогазового генератора, опоры с выдвижными штоками для установки на бетонное основание, баки для воды и топлива, расположенные на стенках кабины, задвижку, соединенную с одной стороны с поршневым компрессором, а с другой с воздуховодом регенератора, газовую турбину, размещенную на крыше кабины,
парогазовый генератор содержит камеру сгорания, снабженную рубашкой для циркуляции в межстеночном пространстве охлаждающей жидкости, с размещенной на ней крышкой с впускным клапаном для впуска нагретого в регенераторе до температуры 600-700°C сжатого воздуха, выпускным клапаном для выпуска отработанных газов в эжектор и газовую турбину с выпускным патрубком, соединенным с входным патрубком регенератора, или выпускной клапан с патрубком соединен с задвижкой и входным патрубком регенератора и форсункой для впрыскивания углеводородного топлива или с комбинированной форсункой, соединенную с помощью конической части с клапанным механизмом, установленным на задвижке нагнетательной скважины,
при этом клапанный механизм включает цилиндр с поршнем-клапаном и пружиной, имеющим канал для впуска под поршень-клапан сжатого воздуха из ресивера, снабженного обратным клапаном, соединенным с поршневым компрессором,
цилиндр содержит окна для выпуска продуктов сгорания в кольцевой цилиндрический канал, с установленными в нем форсунками для впрыскивания воды и образования парогазовой смеси с температурой 300-600°C,
комбинированная форсунка содержит корпус с патрубками для подачи электропроводной жидкости, соединенные с цилиндрическими каналами, расположенными внутри корпуса в слое электроизоляционного материала, параллельно размещению топливной форсунки, с одной стороны которых установлены электроды, подключенные к генератору импульсов, а с другой выполнены сопла, направленные под углом друг к другу и сообщающиеся с взрывной камерой форсунки, имеющей сопло, при этом регенератор для нагрева сжатого воздуха до температуры 600-700°C на отработанных газах газовой турбины выполнен с пусковой топливной форсункой, вентилятором и электродвигателем.