Устройство и способ импульсного сгорания

1 Предпосылки изобретения Настоящее изобретение относится к устройству импульсного сгорания и способу, использующему такое устройство. Устройства импульсного сгорания известны, например, из американских патентов 2 899 287; 2 860 484 и 5 044 930, из европейских патентов 550401 и 636229, а также из международной заявки на патент РСТ/ЕР 93/00961. Известные устройства содержат камеру сгорания, имеющую открытый конец, расположенный ниже по потоку, и конец, расположенный выше по потоку, который периодически закрывается с помощью клапана одностороннего пропускания. В европейском патенте 636229 и в международной заявке на патент РСТ/ЕР 93/00961 описаны размещаемые в скважине устройства импульсного сгорания, которые имеют цилиндрические камеры сгорания, в которые периодически вводится небольшое количество воздуха для сжигания части объема природного газа в камере с тем, чтобы улучшить поток природного газа в сторону устья скважины. Недостаток этих известных устройств состоит в том, что они требуют осуществления сложного процесса импульсного сгорания и управления им и характеризуются довольно низкой эффективностью перекачки. Устройство импульсного сгорания, описанное в американском патенте 2 860 484,может использоваться для выработки движущей и/или тепловой энергии. Это известное устройство содержит трубчатую камеру сгорания,имеющую конец, расположенный выше по потоку, который оборудован невозвратным клапаном, и открытый конец, расположенный ниже по потоку, который определяет секцию выпускной трубы, выполненный несколько уже, чем остальная часть камеры сгорания. Камера сгорания установлена коаксиально внутри трубы, в которой установлен другой невозвратный клапан выше по потоку от камеры сгорания. Этот второй невозвратный клапан периодически закрывается под действием фронтов высокого давления, которые отражаются от конца, расположенного ниже по потоку камеры сгорания,назад через кольцевое пространство, окружающее камеру. Наличие двух невозвратных клапанов, которые должны открываться и закрываться последовательно, является недостатком при использовании внутри скважины, поскольку различный износ, трение и загрязнение клапанов может легко привести к неправильному или несинфазному открыванию и/или закрыванию двух клапанов, что может, в конце концов, привести к самопроизвольной остановке устройства. В американском патенте 2 899 287 описано устройство импульсного сгорания, которое содержит либо одиночную трубчатую камеру 2 сгорания, либо две параллельные трубчатые камеры сгорания. В каждом случае каждая камера сгорания имеет открытую выпускную трубу, которая имеет несколько меньший внутренний диаметр, чем остальная часть камеры сгорания, и насос впрыска топлива, который производит впрыск точно определенных количеств топлива в каждую камеру сгорания для управления процессом сгорания. Если известное устройство имеет одиночную камеру сгорания, то она оборудована механическим невозвратным клапаном, а если она имеет две параллельные камеры сгорания, то она оборудована парой аэродинамических невозвратных клапанов. Эти аэродинамические клапаны содержат U-образные трубчатые системы регенерации, которые имеют входное отверстие, вблизи расположенного ниже по потоку конца камеры сгорания, которые передают импульсы давления газа сгорания обратно на вход и которые имеют тенденцию саморегулирования с установлением противофазного режима работы. Недостатком устройства импульсного сгорания, известного из американского патента 2 899 287, является то, что оно не подходит для использования внутри скважины, поскольку трудно установить внутри скважины насос впрыска топлива, который оставался бы стабильным в течение нескольких лет работы, и в скважине нет подходящего места для установки двух параллельных камер сгорания с соответствующими невозвратными клапанами и Uобразной трубчатой системой регенерации. Во французском патенте 1252585 описано другое устройство колебательного нагрева с осциллятором Гельмгольца и U-образной трубкой регенерации, расположенной между расположенными ниже по потоку и выше по потоку концами камеры сгорания, которое не подходит для использования внутри скважины из-за недостатка пространства, необходимого для установки такой U-образной трубки регенерации. Задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа импульсного сгорания, которые пригодны для безопасной и эффективной работы в изменяющихся условиях внутри скважины и которые содержат минимальное количество компонентов, подверженных износу и, соответственно, требуют только минимального объема технического обслуживания и проверок. Краткое описание изобретения Устройство импульсного сгорания в соответствии с настоящим изобретением содержит,по существу, трубчатую камеру сгорания,имеющую конец, расположенный выше по потоку, и конец, расположенный ниже по потоку,отдельные трубопроводы подачи топлива и окислителя в камеру сгорания, причем один из указанных трубопроводов имеет выпускное отверстие для текучей среды, выходящее в камеру 3 сгорания между ее концами, расположенными выше по потоку и ниже по потоку, другой из указанных трубопроводов имеет выпускное отверстие для текучей среды, расположенное на конце камеры, расположенном выше по потоку,причем это выпускное отверстие оборудовано средствами ограничения обратного потока, которые ограничивают поток текучей среды, образующейся в камере сгорания, из камеры сгорания в трубопровод подачи текучей среды и в котором камера сгорания имеет форму резонатора Гельмгольца с выпускной трубой вблизи конца, расположенной ниже по потоку, наименьшее поперечное сечение которой составляет 0,15-0,30 средней площади поперечного сечения других частей камеры сгорания. Было обнаружено, что, благодаря приданию правильной формы камере сгорания в виде резонатора Гельмгольца, устройство импульсного сгорания становится самоподдерживающимся и формирующим выпуск без необходимости использования U-образной трубки регенерации. Предпочтительно, выпускная труба и другие части камеры сгорания имеют цилиндрическую или коническую форму. Эксперименты показали, что вышеуказанная геометрия камеры сгорания является оптимальной, так как она передает существенную часть флуктуаций давления изнутри камеры сгорания на выходное отверстие выпускной трубы без разрушения процесса импульсного сгорания. Если устройство импульсного сгорания в соответствии с настоящим изобретением используется для сжатия природного газа внутри скважины для добычи природного газа, то предпочтительно оно устанавливается внутри эксплуатационной трубы с помощью пары расширяемых пакеров, и воздух или другой окислитель, такой как кислород, подается на устройство через трубопровод подачи, расположенный в затрубном пространстве, причем этот трубопровод соединен с проходом в эксплуатационной трубе, который расположен между этими двумя пакерами. Воздух или кислород затем протекает в камеру сгорания из кольцевого пространства между пакерами через отверстие подачи окислителя, которое выходит в камеру сгорания между ее концами, расположенными ниже по потоку и выше по потоку. В этом случае предпочтительно, чтобы средство ограничения обратного потока содержало один или большее количество выпусков со створками или невозвратных клапанов. В качестве альтернативы, устройство импульсного сгорания в соответствии с настоящим изобретением используется для нагрева подземной формации, которая окружает скважину, в которой используются одно или большее количество устройств импульсного сгорания. В этом случае способ в соответствии с настоящим изобретением включает подачу топли 002434 4 ва и окислителя в каждое устройство импульсного сгорания через трубопроводы подачи топлива и окислителя, которые проходят от устья скважины внутрь скважины так, что в каждом устройстве импульсного сгорания окислитель по очереди реагирует с фракцией топлива, подаваемого в камеру сгорания, так, что при этом вырабатывается фронт волны высокого давления, который задерживается на конце, расположенном выше по потоку каждой камеры сгорания, с помощью средства ограничения обратного потока и который усиливается на конце, расположенном по потоку указанной камеры, с помощью секции выпускной трубы. На конце,расположенном ниже по потоку секции выпускной трубы, фронт волны высокого давления отражается и сопровождается фронтом волны низкого давления, который заставляет окислитель и топливо протекать внутрь камеры сгорания. Предпочтительно, чтобы средство ограничения обратного потока нагревательного устройства содержало один или большее количество воздушных клапанов, которые не содержат каких-либо подвижных частей или систему регенерирующей трубки, проходящую между концами камеры сгорания, расположенными ниже по потоку и выше по потоку. Предпочтительно, последовательность устройств импульсного сгорания подвешивается из устья скважины на трубопроводах подачи окислителя и топлива так, что эти устройства располагаются на некотором расстоянии друг от друга в осевом направлении внутри скважины. Такая последовательность расположенных на некотором расстоянии в осевом направлении устройств импульсного сгорания является особенно предпочтительной для нагрева подземных месторождений горючих сланцев или тяжелых сортов нефти так, чтобы температура месторождения в области шахты составляла от 600 до 800 К. Эксперименты показали, что устройство импульсного сгорания способно стабильно работать при таких высоких температурах в течение нескольких лет и представляет собой эффективную с точки зрения затрат альтернативу существующим электрическим и каталитическим нагревательным устройствам беспламенного сгорания, работающим внутри скважины. Краткое описание чертежей Настоящее изобретение будет более подробно описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 изображает устройство импульсного сгорания в соответствии с настоящим изобретением, установленное в эксплуатационной трубе скважины для добычи природного газа, продольный разрез; фиг. 2 - в продольном разрезе два устройства импульсного сгорания в соответствии с 5 настоящим изобретением, которые используются для нагрева подземной формации; фиг. 3 - график, на котором показана зависимость фракции сгоревшего метана от отношения АТ/АС между минимальными площадями поперечного сечения выпускной трубы и других частей камеры сгорания. Подробное описание изобретения На фиг. 1 изображено устройство 1 импульсного сгорания, которое расположено в эксплуатационной трубе 2 внутри скважины 3 по добыче природного газа, которая пересекает подземную формацию 4. Устройство 1 импульсного сгорания закреплено с уплотнением внутри эксплуатационной трубы 2 с помощью пары расширяемых пакеров 5. Воздух или другой окислитель, представленный на чертеже как O2, подается в устройство 1 через трубу 6 подачи воздуха, которая проходит от устья скважины (не показано) через затрубное пространство к отверстию 7 в трубе 2 между пакерами 5. Воздух проходит из отверстия 7 через кольцевое пространство 8 к ряду выпускных отверстий 9 для воздуха, которые выходят внутрь камеры 10 сгорания устройства 1 в месте между концом 11, расположенным выше по потоку, и концом 12, расположенным ниже по потоку от указанной камеры 10. Ряд выпусков со створками или невозвратных клапанов 13 установлен на конце 11 камеры 10 сгорания так, что эти клапаны позволяют природному газу, который представлен на чертеже как СН 4, протекать из эксплуатационной трубы 2 снизу от устройства в камеру 10 сгорания, но которые предотвращают обратный поток природного газа и/или продуктов сгорания,представленных на чертеже как СО 2 + Н 2O из камеры 10 сгорания в эксплуатационную трубу 2 вниз от устройства 1. В соответствии с настоящим изобретением камера 10 сгорания имеет форму резонатора Гельмгольца и содержит узкую и удлиненную выходную трубу 15, которая имеет наименьший диаметр DТ, предпочтительно выбираемый равным 0,3-0,5 среднего диаметра DC цилиндрической, более низко расположенной части камеры 10 сгорания. Эксперименты и компьютерные вычисления показали,что это отношение DТ/DC является оптимальным, поскольку наибольшие флуктуации давления и наибольший поток массы природного газа через устройство 1 достигаются при наименьшем потреблении топлива, как будет более подробно поясняться со ссылкой на фиг. 3. Устройство 1 по фиг. 1 оборудовано запальной свечой 16, на которую электропитание подается по кабелю 17 питания. Запальная свеча 16 постоянно работает во время работы устройства 1 и, как правило, не выключается, когда устройство 1 достигает своей нормальной рабочей температуры, поскольку, если устройство 1 6 используется в качестве компрессора газа, установленного в скважине, его рабочая температура поддерживается на таком низком уровне, что не возникает самостоятельного воспламенения природного газа. Во время нормальной работы устройства 1 в камере 10 сгорания происходит импульсное сгорание. Частота процесса импульсного сгорания определяется эффектом Гельмгольца и обычно находится в пределах от 10 до 50 циклов в секунду. В течение каждого цикла генерируется фронт волны высокого давления, за которым следует фронт волны низкого давления. Оба фронта волн усиливаются благодаря эффекту Гельмгольца, при этом максимальное количество природного газа засасывается в камеру 10,когда фронт волны низкого давления достигает ее конца, расположенного выше по потоку, а также максимальное количество природного газа и газов сгорания выталкивается через выходную трубу15 через конец камеры 10, расположенный ниже по потоку, в результате фронта волны высокого давления. Расходящаяся форма выходной трубы 15 дополнительно усиливает поток массы через камеру 10 сгорания. Если устройство 1 используется в качестве компрессора, установленного внутри скважины,в скважине для добычи природного газа в камеру сгорания подается только относительно небольшое количество воздуха или другого окислителя, такого как чистый кислород, так, что сжигается меньше чем 10% природного газа,проходящего через эксплуатационную трубу 2. Наличие небольшой доли газов сгорания обеспечивает незначительное загрязнение получаемого природного газа. На фиг. 2 показана скважина 20 с нагнетанием тепла, которая проходит через подземную формацию 21, несущую горючие сланцы или тяжелые сорта нефти. В скважине 20 подвешена последовательность устройств 22 импульсного сгорания в соответствии с настоящим изобретением. Устройства 22 подвешены на центральной трубе 23 нагнетания метана, которая проходит через центр каждого из устройств 22. Труба 24 нагнетания воздуха подсоединена к камере 25 ввода воздуха каждого из устройств 22 через отверстие 26. Камера 25 ввода воздуха соединена с камерой 27 сгорания через ряд воздушных клапанов 28, которые позволяют воздуху протекать из отверстия для воздуха в камеру сгорания, но которые не позволяют проходит обратно газам сгорания из камеры сгорания в камеру подачи воздуха. При нормальной работе устройств 22 метан (СН 4) или другое топливо нагнетается через трубу 23 нагнетания метана и ряд выпускных отверстий 29 для метана в камеры 27 сгорания. 7 В то же самое время воздух вводится в камеры 27 через воздушные клапаны 28, что вызывает при повышенной температуре в камерах 27 сгорания возникновение процесса импульсного сгорания. Если устройства 22 используются как нагреватели, свеча зажигания (не показана) только способствует процессу сгорания во время включения устройства, в то время как при нормальной работе в камерах сгорания происходит самостоятельное воспламенение метана благодаря избыточному давлению и температуре в камерах 27. Во время каждого цикла сгорания в камерах 27 сгорания формируются фронты волны высокого и низкого давления с частотой, которая определяется эффектом Гельмгольца, который создается благодаря наличию выпускной трубы 30 на конце 31, расположенном ниже по потоку от каждой камеры сгорания, которая является относительно узкой по сравнению с частью 32, расположенной выше по потоку от каждой камеры сгорания. В представленном примере площадь поперечного сечения выпускной трубы обозначена как АТ и площадь поперечного сечения части 32, расположенной вверх по потоку от камеры сгорания, обозначена как АC. Следует понимать, что площадь АM поперечного сечения трубы 23 нагнетания метана в центре устройств 22 не учитывается как часть площадей АТ и АC сечения выпускных труб и части 32, расположенной выше по потоку камер 22 сгорания. В представленном примере отношение АТ/АC выбирается равным от 0,15 до 0,25 на основе следующего анализа. Эксперименты показали, что набегание волны термоакустических пульсаций в устройстве импульсного сгорания может быть определено с помощью линейного анализа одномерных уравнений сохранения для массы, момента и энергии. Было определено, что пульсации демпфируются тем больше,a) чем больше скорость газа через камеру 27 сгорания;b) чем короче часть 32 камеры сгорания,расположенная выше по потоку, по отношению к длине выпускной трубы 30;c) чем меньше диаметр выпускной трубы 30 по отношению к части 32 камеры сгорания,расположенной выше по потоку. С другой стороны, было определено, что нарастание давления в камере 27 сгорания будет тем больше, чем в большей степени закрыта камера 27 сгорания. Поэтому необходимо выбирать оптимальный диаметр выпускной трубы,при котором достигаются наибольшие флуктуации давления. Стандартное отношение геометрии между площадями поперечного сечения выпускной трубы и других частей камеры сгорания отличается от обычных размеров устройств импульс 002434 8 ного сгорания, применяемых в промышленности и в научных целях. Для исследования того,может ли изменение отношения АТ/АC площадей поперечного сечения улучшить эффективность устройства импульсного сгорания, был выполнен целый ряд расчетов на компьютерных моделях. Минимальный диаметр выпускной трубы являлся единственным параметром, который изменялся при вычислениях по этим моделям. Результаты этого компьютерного моделирования и экспериментов представлены на фиг. 3. На фиг. 3 представлено, что для данной степени сжатия в действительности существует оптимальная площадь поперечного сечения выпускной трубы, при которой сжигаемая фракция метана является минимальной. Минимальное сгорание метана при заданной степени сжатия представляет собой явный признак того, что процесс импульсного сгорания выполняется в оптимальном режиме. На фиг. 3 показано, что оптимальное отношение АТ/АC находится в пределах от 0,15 до 0,25. Если выпускная труба и другие части камеры сгорания выполнены трубчатыми и будут иметь открытый центр, как показано на фиг. 1, то отношение их диаметровDТ/DC должно быть равным от 0,3 до 0,5. Выбранный диаметр для стандартной геометрии в обоих случаях является определенно близким к оптимальному диаметру. Тем не менее, для степени сжатия 1,15 поток массы может быть увеличен на 20% при выборе несколько более широкой выпускной трубы. Кроме того, для сборки нагревателей, изображенной на фиг. 2, является важным обеспечить оптимальную степень сжатия, так как это обеспечивает стабильную работу устройства 22. Последовательность устройств 22 может проходить вдоль всей глубины формации сланцевой нефти. Если необходимо, скважина 20 с нагнетанием тепла может быть выполнена наклонной или горизонтальной и может представлять собой не обсаженный ствол скважины или обсаженный ствол скважины. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство (1, 22) импульсного сгорания, предназначенное для использования в подземных скважинах (3, 20), содержащее, по существу, трубчатую камеру (10, 27) сгорания,имеющую расположенные выше по потоку конец (11) и ниже по потоку конец (12), отдельные трубопроводы (2, 23, 6, 24) подачи топлива и окислителя в камеру сгорания, причем один из указанных трубопроводов имеет выпускное отверстие (9, 29) для текучей среды, выходящее в камеру сгорания между ее концами (11, 12),расположенными выше по потоку и ниже по потоку, и другой из трубопроводов (2, 24) имеет выпускное отверстие для текучей среды на кон 9 це (11), расположенном выше по потоку камеры(10, 27), и это выпускное отверстие оборудовано средством (13, 28) ограничения обратного потока газообразных продуктов сгорания из камеры(10, 27) сгорания в трубопровод (2, 24) для подачи текучей среды, причем камера сгорания имеет форму резонатора Гельмгольца, и содержит секцию (15, 30) выпускной трубы вблизи конца (12), расположенного ниже по потоку,наименьшая площадь поперечного сечения которой выбрана в пределах от 0,15 до 0,30 средней площади поперечного сечения других частей камеры (10, 27) сгорания. 2. Устройство импульсного сгорания по п.1, отличающееся тем, что выпускная труба(15, 30) и другие части камеры (10, 27) сгорания имеют цилиндрическую или коническую форму. 3. Устройство импульсного сгорания по п.2, отличающееся тем, что выпускная труба(15, 30) имеет расходящуюся коническую форму и другие части камеры (10, 27) сгорания имеют,по существу, цилиндрическую форму. 4. Устройство импульсного сгорания по п.1, отличающееся тем, что средство ограничения обратного потока содержит один или большее количество выпусков со створками или невозвратных клапанов (13). 5. Устройство импульсного сгорания по п.1, отличающееся тем, что средство ограничения обратного потока содержит один или большее количество воздушных клапанов (28), не имеющих подвижных частей. 6. Способ усиления потока текучей среды в скважине (3) по добыче природного газа,включающий установку устройства (1) импульсного сгорания по п. 4 в эксплуатационной трубе (2) скважины с обеспечением между внешней поверхностью камеры (10) сгорания и внутренней поверхностью эксплуатационной трубы (2) уплотнения (5), нагнетание окислителя через трубопровод (6) подачи, который имеет выпускное отверстие (9) для текучей среды, которое выходит внутрь камеры (10) сгорания между ее концами (11, 12), расположенными выше по потоку и ниже по потоку, для обеспечения вступления окислителя в реакцию с фракцией природного газа, имеющегося внутри камеры(10) сгорания, благодаря чему генерируется фронт волны высокого давления, который задерживают на конце камеры сгорания, расположенном выше по потоку, с помощью средства(13) ограничения обратного потока, и который усиливают на конце (12), расположенном ниже по потоку камеры сгорания, с помощью секции(15) выпускной трубы, благодаря чему создается поток смеси газов сгорания через эксплуатаци 002434 10 онную трубу (2), фронт волны высокого давления которого сопровождается фронтом волны низкого давления, который заставляет природный газ протекать в камеру сгорания через средство (13) ограничения обратного потока. 7. Способ нагрева подземной формации,включающий спуск в скважину (30), проходящую через формацию (21), по меньшей мере,одного устройства (22) импульсного сгорания по п.1, подачу топлива и окислителя в каждое устройство импульсного сгорания через трубопроводы (23, 24) подачи топлива и окислителя от устья скважины внутрь скважины и обеспечение возможности периодического вступления в реакцию в каждом устройстве (23, 24) импульсного сгорания окислителя с фракцией топлива, подаваемой в камеру (27) сгорания, благодаря чему генерируется фронт волны высокого давления, который задерживают на конце, расположенном выше по потоку, каждой камеры сгорания с помощью средства (28) ограничения обратного потока и который усиливают на конце, расположенном ниже по потоку указанной камеры, с помощью секции (30) выпускной трубы, причем за фронтом волны высокого давления следует фронт волны низкого давления, который заставляет окислитель и топливо поступать в камеру (27) сгорания. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что последовательность устройств (22) импульсного сгорания подвешивают от устья скважины на трубопроводах (23, 24) подачи окислителя и топлива так, что устройства (22) расположены на некотором расстоянии друг от друга вдоль оси внутри скважины (20). 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что топливо в виде метана подают на каждое из устройств через трубопровод (23) подачи метана,который проходит через центр камеры (27) сгорания и выпускной трубы (30), по меньшей мере, одного устройства (22) импульсного сгорания, и метан нагнетают в камеру сгорания каждого устройства через выпускное отверстие (29) для метана, расположенное между концами камеры (27), расположенными выше по потоку и ниже по потоку, в то время как окислитель подают через выпускное отверстие (26) для окислителя на конце камеры (27) сгорания, расположенном выше по потоку. 10. Способ по п.7, отличающийся тем, что в подземной формации (21), содержащей сланцевую нефть, с помощью устройства (22) импульсного сгорания обеспечивают нагрев формации (21), содержащей сланцевую нефть в области скважины (20) до температуры от 600 до 800 К.