槽式太陽能直接蒸汽強化稠油開采技術研究

於日義，王沛迪，楊 凱

（ 東北石油大學， 黑龍江 大慶 163000）

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槽式太陽能直接蒸汽強化稠油開采技術研究

於日義，王沛迪，楊 凱

（ 東北石油大學， 黑龍江 大慶 163000）

基于稠油開采對天然氣這種高品質能源的大量消耗，將介紹一種新型的強化稠油開采方法。在太陽輻照資源豐富地區采用槽式太陽能集熱器直接產生蒸汽，然后注入稠油油井，降低稠油粘度，增加稠油的流動性從而提高稠油產量的方法。對槽式太陽能直接蒸汽強化稠油開采詳細實施步驟進行了論述，通過試驗成本預算證實該方法的可行性。并討論了太陽熱能在石油行業的應用。

稠油開采；高品質能源；太陽能集熱器

隨著世界經濟的飛速發展，人類對于能源的需求越來越大，像一些常規的石油資源已進無法滿足人類的使用。而一些非常規能源像稠油、油砂、頁巖氣等非常規石油資源非常豐富，它們將會是 21世紀能源開發的主要方向。我國稠油儲量相對豐富，已經探明和檢測到的儲量已達16×108 t，是世界四大稠油生產國之一，其中勝利、遼河、河南、新疆等油田稠油含量較高。在常規能源產量下降的背景條件下，稠油將在未來的石油行業中扮演更為重要的角色，成為世界能源的重要來源。如何最大限度、利用最低成本把稠油、超稠油開采出來，將會是世界石油行業共同需要解決的問題。

稠油是指粘度高、相對密度大的原油，由于流動性差，用常規的石油開采技術難以有效開采。稠油粘度受溫度影響很大，隨著溫度升高，稠油粘度呈指數函數增大。我國90%以上稠油開采依靠蒸汽吞吐或蒸汽驅等熱采工藝來降低稠油粘度，提高稠油產量，采收率能達到30%左右［1］。

由于太陽能屬于可再生、清潔、環保能源，人類通過各種途徑利用太陽能源。其中太陽能熱利用已經成為可再生能源技術領域應用最廣泛、最現實、最有前景、最有可能替代石油能源消耗的太陽能利用方式與技術之一。近年來隨著太陽能熱發電技術的日益成熟，國外已經利用太陽能熱發電系統中的集熱技術對稠油進行開采［2，3］。

本文通過解決現有稠油開采方法中設備復雜，需要消耗天然氣高品質能源，對產地氣源要求高，且蒸汽管線較長、注汽過程熱效率低的技術缺陷，研究一種整體設備緊湊、不消耗天然氣、經濟性能好且可充分減少油井地區地表水分蒸發，減少對環境污染的太陽能直接產生蒸汽強化稠油開采的方法。

1　槽式太陽能直接蒸汽強化稠油開采

1.1開采原理

槽式太陽能直接蒸汽強化稠油開采方法，將水直接作為吸熱工質，實現單工質的槽式太陽能直接產生蒸汽，通過輸汽管道進入地下稠油層，加熱后的稠油流動性增強，提高了稠油開采的效益。其開采原理是：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，給水經給水泵升壓后，被輸送至真空集熱管加熱。在太陽輻射滿足設計工況時，給水在真空集熱管內被逐級加熱，歷經液態、兩相流、汽態之后再鏡場的出口處轉變為符合設計要求的蒸汽，經輸汽管輸送至地下稠油層；在太陽輻射不符合設計參數要求時，通過監測太陽輻射值，來控制進入鏡場系統的給水流量的大小，來保證鏡場出口的蒸汽參數滿足注入稠油層的要求，流量不足的部分給水通過旁路引入備用的燃氣鍋爐來加熱，形成與鏡場出口相同參數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，粘度減小流動性增大，有利于稠油往地面的抽運。

1.2技術方案

將經過水泵升壓后的水直接進入槽式真空管集熱器，在真空管集熱器內吸收拋物面槽式聚光鏡反射匯聚的太陽光熱量后被加熱，經過液態、兩相流、氣態三個階段被加熱成滿足稠油開采需求的飽和蒸汽或過熱蒸汽，經過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，粘度降低流動性增加，稠油和冷卻后的水被采油管道抽運至地面，經過油水分離器將水和油分離，分離后的水經過凈化再次被輸送至槽式集熱器鏡場加熱，形成循環利用。

1.3槽式太陽能直接蒸汽系統集熱技術效果

槽式太陽能直接蒸汽系統可以將分布廣、能流密度小、品位低的太陽輻射能轉化為使用方便、高品位的熱能。本系統減小了常規稠油開發過程中的天然氣或煤炭的消耗量，降低了稠油開采成本，并且沒有煙塵及二氧化碳及其它污染物的排放，減少環境污染的同時充分利用了可再生能源，并且由于集熱鏡場的遮陽作用，減少了地表水分的蒸發，有利于采油場地表沙漠化的治理。

槽式太陽能直接蒸汽強化稠油開采系統的效率不受系統所在地海拔高度的影響，且對當地資源的消耗和環境影響都比較小。因此，采用可以解決目前其他強化稠油開采方法的能源消耗量大、系統設備復雜、系統存在多次傳熱效率低、對環境有污染、經濟效益低的困難現狀，一次投入可低成本提高系統的整體利用效率，提高稠油開采過程中的油氣比，用被視為低品位的太陽能開采出相對高品位的稠油，減緩生產過程中的化石能源消耗速度，節約能源。

2　槽式太陽能直接蒸汽強化稠油開采具體實施方式

2.1實施方式

實施例 1：在太陽輻射滿足設計參數要求時，將給水通過給水泵升壓后輸送至槽式太陽能集熱鏡場，給水在槽式太陽能集熱鏡場中的真空集熱管內逐級被加熱，在槽式太陽能集熱鏡場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，經輸汽管道注入地下稠油層，加熱后的稠油粘度降低、流動性變大通過采油管道抽運到地面。

實施例 2：在有太陽輻射但不滿足設計參數要求時，將給水通過給水泵升壓后輸送至槽式太陽能集熱鏡場，給水在槽式太陽能集熱鏡場內的真空集熱管和燃氣鍋爐中被分別加熱，根據鏡場出口處測得的蒸汽的壓力、溫度參數控制鏡場的給水流量，其余部分由旁路引入燃氣鍋爐加熱，產生的蒸汽與鏡場部分產生的蒸汽混合形成滿足設計要求的蒸汽，經輸汽管道輸送至地下稠油層。

實施例 3：在夜晚沒有太陽輻射時，給水經水泵升壓后，直接由旁路進入燃氣鍋爐，根據測定的溫度、壓力參數控制給水的流速，給水在燃氣鍋爐內被加熱成滿足設計參數要求的蒸汽，經輸汽管輸送至地下稠油層。

槽式太陽能直接蒸汽系統換熱過程圖和強化稠油開采系統原理圖見圖1-2。

圖1　槽式太陽能直接蒸汽系統換熱過程圖Fig.1 Solar trough directly heat steam system process diagram

圖2　槽式太陽能直接蒸汽強化稠油開采系統原理圖Fig.2 Solar trough direct steam to enhance heavy oil recovery system diagram

3　經濟評估

2010年初，我國已經在新疆部分油田實施該項強化稠油開采方案，新疆地區具有豐富的太陽能源，年太陽能輻射量達到6 490 MJ/m2，而且具有豐富的稠油資源，目前稠油年生產能力可達到400 萬 t，具備試驗最有利條件。根據現場數據顯示，該項目使用的是傳統槽式集熱器，熱傳導率在75%左右，反射鏡場的總面積大約為4 000 m2，日注蒸汽總量80 t/d，蒸汽出口的平均溫度為305 ℃，假設入口水溫為24 ℃，根據熱能公式Q=cmΔT，水從 24 ℃變為 100 ℃的蒸汽全年需要吸收的總熱量為 9.32×109kJ，100 ℃的蒸汽變為 305 ℃的蒸汽需吸收的熱量通過不同溫度下蒸汽熱焓值計算出總熱量為1.2×1010kJ，因此整個過程全年需要的熱量為2.132×1010kJ［4］。該項目使用的燃氣鍋爐為一般國內品牌，熱效率一般在85%左右。根據理論計算結合現場實際數據可知，加熱所需要的天然氣總量為6.9×105m3，根據2015年天然氣平均價格2.11元/ m3得出全年所需天然氣成本為140萬元。經市場調研，4 000 m2的槽式太陽能集熱系統總費用。通過現場數據可知該地區全年日照充足時間為290 d左右，白天可使用單獨太陽能加熱，夜間可使用燃氣鍋爐加熱，介于新疆地理條件較為特殊，根據資料顯示，白天日照充足時間為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60萬元。其中詳情見下表1。

4　結束語

本文通過由太陽輻射能到熱能的轉換，實現了經濟性好、不受場地條件限制、有利于保護環境的稠油強化開采方法。隨著石油采收效率下降，低成本地稠油開采技術將越來越受到重視，利用太陽熱能開采稠油技術將會成為未來幾十年的發展方向。目前太陽能在石油行業應用很多，利用太陽能煉油、太陽能污水處理技術等已經得到應用，但應用范圍有限。隨著對太陽能源的繼續開發，預計未來這些技術將得到推廣使用［5］。

表1　成本估算Table 1 Cost estimation

［1］ 王學忠.稠油管道技術進展［J］. 當代石油石化，2010（2）：26-27.

［2］ 何梓年.太陽能熱利用［J］. 中國科學技術大學學報，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.開發太陽能在石油工業上的使用價值［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：油氣儲運，原油流變研究。E-mail：1139781641@qq.com。

TE 357

A

1671-0460（2016）05-1062-03

2016-04-01