槽式太阳能直接蒸汽强化稠油开采技术研究

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摘 要：基于稠油开采对天然气这种高品质能源的大量消耗，将介绍一种新型的强化稠油开采方法。在太阳辐照资源丰富地区采用槽式太阳能集热器直接产生蒸汽，然后注入稠油油井，降低稠油粘度，增加稠油的流动性从而提高稠油产量的方法。对槽式太阳能直接蒸汽强化稠油开采详细实施步骤进行了论述，通过试验成本预算证实该方法的可行性。并讨论了太阳热能在石油行业的应用。

关 键 词：稠油开采；高品质能源；太阳能集热器

中图分类号：TE 357 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）05-1062-03

Research on Heavy Oil Recovery Technology With Trough Solar Direct Steam

YU Ri-yi，WANG Pei-di，YANG Kai

（Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing163000，China）

Abstract： A large amount of nature gas which is a high quality energy resource is always consumed in the recovery of heavy oil. In this paper， a new method of strengthening the heavy oil recovery was introduced. In the region with abundant solar radiation resource， the steam can be generated directly by the parabolic trough collector， then the steam can be injected into the wells in order to decrease the viscosity of heavy oil， thus the production of heavy oil will be increased by improving the fluidity of heavy oil. Detailed implementation steps of the method of strengthening the heavy oil recovery were discussed， its feasibility was analyzed， and application of solar energy in the petroleum industry was prospected.

Key words： heavy oil exploitation； high quality energy； solar collector

随着世界经济的飞速发展，人类对于能源的需求越来越大，像一些常规的石油资源已进无法满足人类的使用。而一些非常规能源像稠油、油砂、页岩气等非常规石油资源非常丰富，它们将会是21世纪能源开发的主要方向。我国稠油储量相对丰富，已经探明和检测到的储量已达16×10¬8 t，是世界四大稠油生产国之一，其中胜利、辽河、河南、新疆等油田稠油含量较高。在常规能源产量下降的背景条件下，稠油将在未来的石油行业中扮演更为重要的角色，成为世界能源的重要来源。如何最大限度、利用最低成本把稠油、超稠油开采出来，将会是世界石油行业共同需要解决的问题。

稠油是指粘度高、相对密度大的原油，由于流动性差，用常规的石油开采技术难以有效开采。稠油粘度受温度影响很大，随着温度升高，稠油粘度呈指数函数增大。我国90%以上稠油开采依靠蒸汽吞吐或蒸汽驱等热采工艺来降低稠油粘度，提高稠油产量，采收率能达到30%左右[1]。

由于太阳能属于可再生、清洁、环保能源，人类通过各种途径利用太阳能源。其中太阳能热利用已经成为可再生能源技术领域应用最广泛、最现实、最有前景、最有可能替代石油能源消耗的太阳能利用方式与技术之一。近年来随着太阳能热发电技术的日益成熟，国外已经利用太阳能热发电系统中的集热技术对稠油进行开采[2，3]。

本文通过解决现有稠油开采方法中设备复杂，需要消耗天然气高品质能源，对产地气源要求高，且蒸汽管线较长、注汽过程热效率低的技术缺陷，研究一种整体设备紧凑、不消耗天然气、经济性能好且可充分减少油井地区地表水分蒸发，减少对环境污染的太阳能直接产生蒸汽强化稠油开采的方法。

1 槽式太阳能直接蒸汽强化稠油开采

1.1 开采原理

槽式太阳能直接蒸汽强化稠油开采方法，将水直接作为吸热工质，实现单工质的槽式太阳能直接产生蒸汽，通过输汽管道进入地下稠油层，加热后的稠油流动性增强，提高了稠油开采的效益。其开采原理是：真空集热管位于槽式聚光镜的焦线位置，真空集热管的中心线与槽式聚光镜的焦线重合，给水经给水泵升压后，被输送至真空集热管加热。在太阳辐射满足设计工况时，给水在真空集热管内被逐级加热，历经液态、两相流、汽态之后再镜场的出口处转变为符合设计要求的蒸汽，经输汽管输送至地下稠油层；在太阳辐射不符合设计参数要求时，通过监测太阳辐射值，来控制进入镜场系统的给水流量的大小，来保证镜场出口的蒸汽参数满足注入稠油层的要求，流量不足的部分给水通过旁路引入备用的燃气锅炉来加热，形成与镜场出口相同参数的蒸汽并且合流到输汽管被输送至稠油层，稠油在蒸汽的高温高压作用下，粘度减小流动性增大，有利于稠油往地面的抽运。

1.2 技术方案

将经过水泵升压后的水直接进入槽式真空管集热器，在真空管集热器内吸收抛物面槽式聚光镜反射汇聚的太阳光热量后被加热，经过液态、两相流、气态三个阶段被加热成满足稠油开采需求的饱和蒸汽或过热蒸汽，经过蒸汽输送管道被输送至地下稠油层，稠油在高温高压蒸汽的加热加压作用下，粘度降低流动性增加，稠油和冷却后的水被采油管道抽运至地面，经过油水分离器将水和油分离，分离后的水经过净化再次被输送至槽式集热器镜场加热，形成循环利用。

1.3 槽式太阳能直接蒸汽系统集热技术效果

槽式太阳能直接蒸汽系统可以将分布广、能流密度小、品位低的太阳辐射能转化为使用方便、高品位的热能。本系统减小了常规稠油开发过程中的天然气或煤炭的消耗量，降低了稠油开采成本，并且没有烟尘及二氧化碳及其它污染物的排放，减少环境污染的同时充分利用了可再生能源，并且由于集热镜场的遮阳作用，减少了地表水分的蒸发，有利于采油场地表沙漠化的治理。

槽式太阳能直接蒸汽强化稠油开采系统的效率不受系统所在地海拔高度的影响，且对当地资源的消耗和环境影响都比较小。因此，采用可以解决目前其他强化稠油开采方法的能源消耗量大、系统设备复杂、系统存在多次传热效率低、对环境有污染、经济效益低的困难现状，一次投入可低成本提高系统的整体利用效率，提高稠油开采过程中的油气比，用被视为低品位的太阳能开采出相对高品位的稠油，减缓生产过程中的化石能源消耗速度，节约能源。

2 槽式太阳能直接蒸汽强化稠油开采具体实施方式

2.1 实施方式

实施例1：在太阳辐射满足设计参数要求时，将给水通过给水泵升压后输送至槽式太阳能集热镜场，给水在槽式太阳能集热镜场中的真空集热管内逐级被加热，在槽式太阳能集热镜场的出口处被加热成干压力、干度、温度满足直接注入地下油井的蒸汽，经输汽管道注入地下稠油层，加热后的稠油粘度降低、流动性变大通过采油管道抽运到地面。

实施例2：在有太阳辐射但不满足设计参数要求时，将给水通过给水泵升压后输送至槽式太阳能集热镜场，给水在槽式太阳能集热镜场内的真空集热管和燃气锅炉中被分别加热，根据镜场出口处测得的蒸汽的压力、温度参数控制镜场的给水流量，其余部分由旁路引入燃气锅炉加热，产生的蒸汽与镜场部分产生的蒸汽混合形成满足设计要求的蒸汽，经输汽管道输送至地下稠油层。

实施例3：在夜晚没有太阳辐射时，给水经水泵升压后，直接由旁路进入燃气锅炉，根据测定的温度、压力参数控制给水的流速，给水在燃气锅炉内被加热成满足设计参数要求的蒸汽，经输汽管输送至地下稠油层。

槽式太阳能直接蒸汽系统换热过程图和强化稠油开采系统原理图见图1-2。

3 经济评估

2010年初，我国已经在新疆部分油田实施该项强化稠油开采方案，新疆地区具有丰富的太阳能源，年太阳能辐射量达到6 490 MJ/m2，而且具有丰富的稠油资源，目前稠油年生产能力可达到400万t，具备试验最有利条件。根据现场数据显示，该项目使用的是传统槽式集热器，热传导率在75%左右，反射镜场的总面积大约为4 000 m2，日注蒸汽总量80 t/d，蒸汽出口的平均温度为305 ℃，假设入口水温为24 ℃，根据热能公式Q=cmΔT，水从24 ℃变为100 ℃的蒸汽全年需要吸收的总热量为9.32×109 kJ，100 ℃的蒸汽变为305 ℃的蒸汽需吸收的热量通过不同温度下蒸汽热焓值计算出总热量为1.2×1010 kJ，因此整个过程全年需要的热量为2.132×1010 kJ[4]。该项目使用的燃气锅炉为一般国内品牌，热效率一般在85%左右。根据理论计算结合现场实际数据可知，加热所需要的天然气总量为6.9×105 m3，根据2015年天然气平均价格2.11元/ m3得出全年所需天然气成本为140万元。经市场调研，4 000 m2的槽式太阳能集热系统总费用。通过现场数据可知该地区全年日照充足时间为290 d左右，白天可使用单独太阳能加热，夜间可使用燃气锅炉加热，介于新疆地理条件较为特殊，根据资料显示，白天日照充足时间为14 h，夜间为10 h，该方案全年所需天然气总量为2.875×105 m3，成本约为60万元。其中详情见下表1。

4 结束语

本文通过由太阳辐射能到热能的转换，实现了经济性好、不受场地条件限制、有利于保护环境的稠油强化开采方法。随着石油采收效率下降，低成本地稠油开采技术将越来越受到重视，利用太阳热能开采稠油技术将会成为未来几十年的发展方向。目前太阳能在石油行业应用很多，利用太阳能炼油、太阳能污水处理技术等已经得到应用，但应用范围有限。随着对太阳能源的继续开发，预计未来这些技术将得到推广使用[5]。

参考文献：

[1] 王学忠.稠油管道技术进展[J]. 当代石油石化，2010（2）：26-27.

[2] 何梓年.太阳能热利用[J]. 中国科学技术大学学报，2009，31（6）：435-468.

[3] Eck M，Sterinmann W D.Modelling and design of parabolic trough direct steam generation collectorfields [J]. Journal of Solar Energy Engineering，2005，127（3）：371-380.

[4]Bierman B，Treynor C，O" donnell J，et al. Performance of an enclosed trough EOR syetem in south Oman [J]. Energy Procedia，2014，49（6）：1269-1278.

[5] 谢青青.开发太阳能在石油工业上的使用价值[J]. 中外能源，2015，22（4）：42-43.

推荐访问:开采 蒸汽 技术研究 太阳能 强化