於日義，王沛迪，楊 凱

（ 東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163000）

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槽式太陽(yáng)能直接蒸汽強(qiáng)化稠油開(kāi)采技術(shù)研究

於日義，王沛迪，楊 凱

（ 東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163000）

基于稠油開(kāi)采對(duì)天然氣這種高品質(zhì)能源的大量消耗，將介紹一種新型的強(qiáng)化稠油開(kāi)采方法。在太陽(yáng)輻照資源豐富地區(qū)采用槽式太陽(yáng)能集熱器直接產(chǎn)生蒸汽，然后注入稠油油井，降低稠油粘度，增加稠油的流動(dòng)性從而提高稠油產(chǎn)量的方法。對(duì)槽式太陽(yáng)能直接蒸汽強(qiáng)化稠油開(kāi)采詳細(xì)實(shí)施步驟進(jìn)行了論述，通過(guò)試驗(yàn)成本預(yù)算證實(shí)該方法的可行性。并討論了太陽(yáng)熱能在石油行業(yè)的應(yīng)用。

稠油開(kāi)采；高品質(zhì)能源；太陽(yáng)能集熱器

隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人類對(duì)于能源的需求越來(lái)越大，像一些常規(guī)的石油資源已進(jìn)無(wú)法滿足人類的使用。而一些非常規(guī)能源像稠油、油砂、頁(yè)巖氣等非常規(guī)石油資源非常豐富，它們將會(huì)是 21世紀(jì)能源開(kāi)發(fā)的主要方向。我國(guó)稠油儲(chǔ)量相對(duì)豐富，已經(jīng)探明和檢測(cè)到的儲(chǔ)量已達(dá)16×108 t，是世界四大稠油生產(chǎn)國(guó)之一，其中勝利、遼河、河南、新疆等油田稠油含量較高。在常規(guī)能源產(chǎn)量下降的背景條件下，稠油將在未來(lái)的石油行業(yè)中扮演更為重要的角色，成為世界能源的重要來(lái)源。如何最大限度、利用最低成本把稠油、超稠油開(kāi)采出來(lái)，將會(huì)是世界石油行業(yè)共同需要解決的問(wèn)題。

稠油是指粘度高、相對(duì)密度大的原油，由于流動(dòng)性差，用常規(guī)的石油開(kāi)采技術(shù)難以有效開(kāi)采。稠油粘度受溫度影響很大，隨著溫度升高，稠油粘度呈指數(shù)函數(shù)增大。我國(guó)90%以上稠油開(kāi)采依靠蒸汽吞吐或蒸汽驅(qū)等熱采工藝來(lái)降低稠油粘度，提高稠油產(chǎn)量，采收率能達(dá)到30%左右［1］。

由于太陽(yáng)能屬于可再生、清潔、環(huán)保能源，人類通過(guò)各種途徑利用太陽(yáng)能源。其中太陽(yáng)能熱利用已經(jīng)成為可再生能源技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛、最現(xiàn)實(shí)、最有前景、最有可能替代石油能源消耗的太陽(yáng)能利用方式與技術(shù)之一。近年來(lái)隨著太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的日益成熟，國(guó)外已經(jīng)利用太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中的集熱技術(shù)對(duì)稠油進(jìn)行開(kāi)采［2，3］。

本文通過(guò)解決現(xiàn)有稠油開(kāi)采方法中設(shè)備復(fù)雜，需要消耗天然氣高品質(zhì)能源，對(duì)產(chǎn)地氣源要求高，且蒸汽管線較長(zhǎng)、注汽過(guò)程熱效率低的技術(shù)缺陷，研究一種整體設(shè)備緊湊、不消耗天然氣、經(jīng)濟(jì)性能好且可充分減少油井地區(qū)地表水分蒸發(fā)，減少對(duì)環(huán)境污染的太陽(yáng)能直接產(chǎn)生蒸汽強(qiáng)化稠油開(kāi)采的方法。

1　槽式太陽(yáng)能直接蒸汽強(qiáng)化稠油開(kāi)采

1.1開(kāi)采原理

槽式太陽(yáng)能直接蒸汽強(qiáng)化稠油開(kāi)采方法，將水直接作為吸熱工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)單工質(zhì)的槽式太陽(yáng)能直接產(chǎn)生蒸汽，通過(guò)輸汽管道進(jìn)入地下稠油層，加熱后的稠油流動(dòng)性增強(qiáng)，提高了稠油開(kāi)采的效益。其開(kāi)采原理是：真空集熱管位于槽式聚光鏡的焦線位置，真空集熱管的中心線與槽式聚光鏡的焦線重合，給水經(jīng)給水泵升壓后，被輸送至真空集熱管加熱。在太陽(yáng)輻射滿足設(shè)計(jì)工況時(shí)，給水在真空集熱管內(nèi)被逐級(jí)加熱，歷經(jīng)液態(tài)、兩相流、汽態(tài)之后再鏡場(chǎng)的出口處轉(zhuǎn)變?yōu)榉显O(shè)計(jì)要求的蒸汽，經(jīng)輸汽管輸送至地下稠油層；在太陽(yáng)輻射不符合設(shè)計(jì)參數(shù)要求時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)輻射值，來(lái)控制進(jìn)入鏡場(chǎng)系統(tǒng)的給水流量的大小，來(lái)保證鏡場(chǎng)出口的蒸汽參數(shù)滿足注入稠油層的要求，流量不足的部分給水通過(guò)旁路引入備用的燃?xì)忮仩t來(lái)加熱，形成與鏡場(chǎng)出口相同參數(shù)的蒸汽并且合流到輸汽管被輸送至稠油層，稠油在蒸汽的高溫高壓作用下，粘度減小流動(dòng)性增大，有利于稠油往地面的抽運(yùn)。

1.2技術(shù)方案

將經(jīng)過(guò)水泵升壓后的水直接進(jìn)入槽式真空管集熱器，在真空管集熱器內(nèi)吸收拋物面槽式聚光鏡反射匯聚的太陽(yáng)光熱量后被加熱，經(jīng)過(guò)液態(tài)、兩相流、氣態(tài)三個(gè)階段被加熱成滿足稠油開(kāi)采需求的飽和蒸汽或過(guò)熱蒸汽，經(jīng)過(guò)蒸汽輸送管道被輸送至地下稠油層，稠油在高溫高壓蒸汽的加熱加壓作用下，粘度降低流動(dòng)性增加，稠油和冷卻后的水被采油管道抽運(yùn)至地面，經(jīng)過(guò)油水分離器將水和油分離，分離后的水經(jīng)過(guò)凈化再次被輸送至槽式集熱器鏡場(chǎng)加熱，形成循環(huán)利用。

1.3槽式太陽(yáng)能直接蒸汽系統(tǒng)集熱技術(shù)效果

槽式太陽(yáng)能直接蒸汽系統(tǒng)可以將分布廣、能流密度小、品位低的太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為使用方便、高品位的熱能。本系統(tǒng)減小了常規(guī)稠油開(kāi)發(fā)過(guò)程中的天然氣或煤炭的消耗量，降低了稠油開(kāi)采成本，并且沒(méi)有煙塵及二氧化碳及其它污染物的排放，減少環(huán)境污染的同時(shí)充分利用了可再生能源，并且由于集熱鏡場(chǎng)的遮陽(yáng)作用，減少了地表水分的蒸發(fā)，有利于采油場(chǎng)地表沙漠化的治理。

槽式太陽(yáng)能直接蒸汽強(qiáng)化稠油開(kāi)采系統(tǒng)的效率不受系統(tǒng)所在地海拔高度的影響，且對(duì)當(dāng)?shù)刭Y源的消耗和環(huán)境影響都比較小。因此，采用可以解決目前其他強(qiáng)化稠油開(kāi)采方法的能源消耗量大、系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜、系統(tǒng)存在多次傳熱效率低、對(duì)環(huán)境有污染、經(jīng)濟(jì)效益低的困難現(xiàn)狀，一次投入可低成本提高系統(tǒng)的整體利用效率，提高稠油開(kāi)采過(guò)程中的油氣比，用被視為低品位的太陽(yáng)能開(kāi)采出相對(duì)高品位的稠油，減緩生產(chǎn)過(guò)程中的化石能源消耗速度，節(jié)約能源。

2　槽式太陽(yáng)能直接蒸汽強(qiáng)化稠油開(kāi)采具體實(shí)施方式

2.1實(shí)施方式

實(shí)施例 1：在太陽(yáng)輻射滿足設(shè)計(jì)參數(shù)要求時(shí)，將給水通過(guò)給水泵升壓后輸送至槽式太陽(yáng)能集熱鏡場(chǎng)，給水在槽式太陽(yáng)能集熱鏡場(chǎng)中的真空集熱管內(nèi)逐級(jí)被加熱，在槽式太陽(yáng)能集熱鏡場(chǎng)的出口處被加熱成干壓力、干度、溫度滿足直接注入地下油井的蒸汽，經(jīng)輸汽管道注入地下稠油層，加熱后的稠油粘度降低、流動(dòng)性變大通過(guò)采油管道抽運(yùn)到地面。

實(shí)施例 2：在有太陽(yáng)輻射但不滿足設(shè)計(jì)參數(shù)要求時(shí)，將給水通過(guò)給水泵升壓后輸送至槽式太陽(yáng)能集熱鏡場(chǎng)，給水在槽式太陽(yáng)能集熱鏡場(chǎng)內(nèi)的真空集熱管和燃?xì)忮仩t中被分別加熱，根據(jù)鏡場(chǎng)出口處測(cè)得的蒸汽的壓力、溫度參數(shù)控制鏡場(chǎng)的給水流量，其余部分由旁路引入燃?xì)忮仩t加熱，產(chǎn)生的蒸汽與鏡場(chǎng)部分產(chǎn)生的蒸汽混合形成滿足設(shè)計(jì)要求的蒸汽，經(jīng)輸汽管道輸送至地下稠油層。

實(shí)施例 3：在夜晚沒(méi)有太陽(yáng)輻射時(shí)，給水經(jīng)水泵升壓后，直接由旁路進(jìn)入燃?xì)忮仩t，根據(jù)測(cè)定的溫度、壓力參數(shù)控制給水的流速，給水在燃?xì)忮仩t內(nèi)被加熱成滿足設(shè)計(jì)參數(shù)要求的蒸汽，經(jīng)輸汽管輸送至地下稠油層。

槽式太陽(yáng)能直接蒸汽系統(tǒng)換熱過(guò)程圖和強(qiáng)化稠油開(kāi)采系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1-2。

圖1　槽式太陽(yáng)能直接蒸汽系統(tǒng)換熱過(guò)程圖Fig.1 Solar trough directly heat steam system process diagram

圖2　槽式太陽(yáng)能直接蒸汽強(qiáng)化稠油開(kāi)采系統(tǒng)原理圖Fig.2 Solar trough direct steam to enhance heavy oil recovery system diagram

3　經(jīng)濟(jì)評(píng)估

2010年初，我國(guó)已經(jīng)在新疆部分油田實(shí)施該項(xiàng)強(qiáng)化稠油開(kāi)采方案，新疆地區(qū)具有豐富的太陽(yáng)能源，年太陽(yáng)能輻射量達(dá)到6 490 MJ/m2，而且具有豐富的稠油資源，目前稠油年生產(chǎn)能力可達(dá)到400 萬(wàn) t，具備試驗(yàn)最有利條件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示，該項(xiàng)目使用的是傳統(tǒng)槽式集熱器，熱傳導(dǎo)率在75%左右，反射鏡場(chǎng)的總面積大約為4 000 m2，日注蒸汽總量80 t/d，蒸汽出口的平均溫度為305 ℃，假設(shè)入口水溫為24 ℃，根據(jù)熱能公式Q=cmΔT，水從 24 ℃變?yōu)?100 ℃的蒸汽全年需要吸收的總熱量為 9.32×109kJ，100 ℃的蒸汽變?yōu)?305 ℃的蒸汽需吸收的熱量通過(guò)不同溫度下蒸汽熱焓值計(jì)算出總熱量為1.2×1010kJ，因此整個(gè)過(guò)程全年需要的熱量為2.132×1010kJ［4］。該項(xiàng)目使用的燃?xì)忮仩t為一般國(guó)內(nèi)品牌，熱效率一般在85%左右。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)可知，加熱所需要的天然氣總量為6.9×105m3，根據(jù)2015年天然氣平均價(jià)格2.11元/ m3得出全年所需天然氣成本為140萬(wàn)元。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，4 000 m2的槽式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)總費(fèi)用。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可知該地區(qū)全年日照充足時(shí)間為290 d左右，白天可使用單獨(dú)太陽(yáng)能加熱，夜間可使用燃?xì)忮仩t加熱，介于新疆地理?xiàng)l件較為特殊，根據(jù)資料顯示，白天日照充足時(shí)間為14 h，夜間為10 h，該方案全年所需天然氣總量為 2.875×105m3，成本約為60萬(wàn)元。其中詳情見(jiàn)下表1。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)由太陽(yáng)輻射能到熱能的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)性好、不受場(chǎng)地條件限制、有利于保護(hù)環(huán)境的稠油強(qiáng)化開(kāi)采方法。隨著石油采收效率下降，低成本地稠油開(kāi)采技術(shù)將越來(lái)越受到重視，利用太陽(yáng)熱能開(kāi)采稠油技術(shù)將會(huì)成為未來(lái)幾十年的發(fā)展方向。目前太陽(yáng)能在石油行業(yè)應(yīng)用很多，利用太陽(yáng)能煉油、太陽(yáng)能污水處理技術(shù)等已經(jīng)得到應(yīng)用，但應(yīng)用范圍有限。隨著對(duì)太陽(yáng)能源的繼續(xù)開(kāi)發(fā)，預(yù)計(jì)未來(lái)這些技術(shù)將得到推廣使用［5］。

表1　成本估算Table 1 Cost estimation

［1］ 王學(xué)忠.稠油管道技術(shù)進(jìn)展［J］. 當(dāng)代石油石化，2010（2）：26-27.

［2］ 何梓年.太陽(yáng)能熱利用［J］. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，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］ 謝青青.開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能在石油工業(yè)上的使用價(jià)值［J］. 中外能源，2015，22（4）：42-43.

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）

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.

heavy oil exploitation; high quality energy; solar collector

於日義（1992-），男，湖北省武漢市人，碩士研究生，研究方向：油氣儲(chǔ)運(yùn)，原油流變研究。E-mail：1139781641@qq.com。

TE 357

A

1671-0460（2016）05-1062-03

2016-04-01