太陽(yáng)能熱利用在稠油輸送及開采中的應(yīng)用現(xiàn)狀*

李石棟，葉家萬(wàn)，莫才頌，蘇楚然

（1.廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東茂名525000；2.廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院，廣東茂名525000）

太陽(yáng)能熱利用在稠油輸送及開采中的應(yīng)用現(xiàn)狀*

李石棟1，葉家萬(wàn)1，莫才頌1，蘇楚然2

（1.廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東茂名525000；2.廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院，廣東茂名525000）

太陽(yáng)能熱利用在稠油輸送及開采中能起到節(jié)省能源的作用。目前國(guó)內(nèi)的太陽(yáng)能低溫?zé)嵯到y(tǒng)在油氣田中能起到很好的節(jié)能效果。在國(guó)外，高溫太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)已經(jīng)在稠油開采方面成功進(jìn)行了商業(yè)應(yīng)用，而我國(guó)目前還沒有商業(yè)化工程應(yīng)用。介紹了我國(guó)低溫太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)和高溫聚光太陽(yáng)能熱利用技術(shù)在稠油輸送及開采中的應(yīng)用情況，特別對(duì)適用在稠油開采的塔式系統(tǒng)、槽式系統(tǒng)、菲涅耳系統(tǒng)等高溫太陽(yáng)能熱利用技術(shù)進(jìn)行了綜述。

太陽(yáng)能；稠油；提高稠油采收率

目前，在我國(guó)的12個(gè)盆地發(fā)現(xiàn)了70多個(gè)稠油油田［1］，稠油資源約占石油總資源量的20%～30%，國(guó)內(nèi)稠油年產(chǎn)量約占全國(guó)石油年產(chǎn)量的10%左右［2］。由于稠油的黏度和凝固點(diǎn)高，其開采主要通過降低黏度實(shí)現(xiàn)，因此需要利用二次采油或三次采油技術(shù)來(lái)進(jìn)行開采。稠油加熱降黏法主要有蒸汽吞吐采油、蒸汽驅(qū)采油、蒸汽輔助重力驅(qū)油、熱水驅(qū)采油、火燒油層采油、電磁加熱等，其中注蒸汽熱力采油已經(jīng)成為稠油的主要開采方式［3］。

我國(guó)的稠油資源儲(chǔ)藏大部分位于太陽(yáng)能資源十分豐富的區(qū)域，太陽(yáng)能低溫?zé)嵯到y(tǒng)在國(guó)內(nèi)的油氣田中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但目前太陽(yáng)能高溫光熱系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)尚沒有得到商業(yè)化工程應(yīng)用。如何充分利用太陽(yáng)能，尤其是太陽(yáng)能高溫光熱技術(shù)，在稠油輸送及開采中節(jié)約、替代不可再生資源，已成為亟待解決的問題。本文綜述了我國(guó)在稠油輸送及開采中的太陽(yáng)能熱利用研究現(xiàn)狀，特別是對(duì)應(yīng)用于稠油開采的高溫聚光太陽(yáng)能熱利用技術(shù)進(jìn)行了介紹。

1 低溫太陽(yáng)能熱利用在稠油輸送中的輔助應(yīng)用

太陽(yáng)能熱利用技術(shù)是通過集熱器將太陽(yáng)輻射能收集起來(lái)，與傳熱工質(zhì)轉(zhuǎn)換成熱能并加以利用。根據(jù)工作溫度的不同，太陽(yáng)能光熱技術(shù)可分為低溫、中溫和高溫三類，其中低溫太陽(yáng)能熱利用的溫度一般在100℃以下，中高溫太陽(yáng)能熱利用則需要通過聚光集熱器才能實(shí)現(xiàn)。

我國(guó)在2000年左右才開始進(jìn)行太陽(yáng)能光熱技術(shù)在油氣田中的節(jié)能應(yīng)用。賈慶仲［4］在2002年完成了對(duì)遼河油田應(yīng)用低溫太陽(yáng)能的可行性報(bào)告、太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)及相應(yīng)管輸系統(tǒng)的初步方案設(shè)計(jì)。王學(xué)生等［5－6］以遼河油田為實(shí)例，設(shè)計(jì)了一套間接加熱的太陽(yáng)能加熱原油輸送系統(tǒng)，并研究了該系統(tǒng)的新型換熱器。2004年，遼河油田興隆臺(tái)采油廠完成了油田地面集輸太陽(yáng)能加熱技術(shù)的工程實(shí)施，運(yùn)行良好，天然氣節(jié)省率達(dá)40.23%［7］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，遼河油田［4－7］、長(zhǎng)慶油田［8］、淮建油田［9］、河南油田［10］、羊三木和孔店油田［11］等都有不同規(guī)模的低溫太陽(yáng)能熱利用以輔助稠油加熱輸送或開采。應(yīng)用在稠油輸送的低溫太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)一般由太陽(yáng)能集熱器、水/原油換熱器、儲(chǔ)熱水箱、水路裝置、輸油裝置和控制裝置等部分組成［12］。系統(tǒng)主要具有兩個(gè)循環(huán)回路，一個(gè)是儲(chǔ)熱箱的水在循環(huán)泵動(dòng)力下，連續(xù)反復(fù)經(jīng)過太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行加熱，最終升溫到集輸系統(tǒng)所需溫度；另一個(gè)是蓄熱水箱的熱水再次通過熱水循環(huán)泵給儲(chǔ)油罐的加熱盤管和集輸伴熱管線加熱，受熱的伴熱管通過熱傳遞給原油加熱和集輸管線伴熱［9］。徐芬［13］對(duì)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)中儲(chǔ)熱油罐容量實(shí)行了優(yōu)化，進(jìn)行了極值搜尋研究。周硯凱等［14］利用低溫太陽(yáng)能熱利用技術(shù)，替換板76－12井的儲(chǔ)罐電加熱棒系統(tǒng)，改變了單井原油儲(chǔ)存加熱過程中電加熱棒能耗高的現(xiàn)狀，滿足了集輸管道液體加熱要求，達(dá)到了液體穩(wěn)定流暢集輸?shù)哪康?，全年可?jié)約能源50%以上。由于不少油田的冬天處于嚴(yán)寒天氣，太陽(yáng)能集熱器需要具有很好的抗凍能力，因此可以根據(jù)運(yùn)行期內(nèi)最低環(huán)境溫度等因素來(lái)選用太陽(yáng)能集熱器［15］。熱泵技術(shù)已經(jīng)在遼河油田稠油熱采中得到應(yīng)用，通過提取在生產(chǎn)過程中含油污水中的熱量來(lái)解決進(jìn)站液一次加熱問題，改善了余熱資源的浪費(fèi)［16］。隨著技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多低溫太陽(yáng)能熱利用技術(shù)如太陽(yáng)能熱泵［17］等應(yīng)用于稠油開采及輸送中。

2 高溫太陽(yáng)能熱利用在提高稠油采收率中的應(yīng)用

高溫太陽(yáng)能熱利用的溫度范圍一般在250℃以上，聚熱場(chǎng)一般需要采用聚光方式才能達(dá)到這樣高的溫度。聚光方式一般有點(diǎn)聚焦和線聚焦兩種，點(diǎn)聚焦包括碟式系統(tǒng)和塔式系統(tǒng)，而線聚焦系統(tǒng)則包括拋物面槽式系統(tǒng)和菲涅耳式系統(tǒng)。

中國(guó)科學(xué)院電工研究所進(jìn)行了大量關(guān)于高溫太陽(yáng)能熱利用的應(yīng)用基礎(chǔ)研究工作?！鞍宋濉逼陂g，中國(guó)科學(xué)院電工研究所研制了槽式線聚焦裝置，并對(duì)拋物面槽式集熱系統(tǒng)進(jìn)行了研究［18］。從2001年起，中國(guó)科學(xué)院電工所已經(jīng)完成了1 kW碟式－特林機(jī)熱發(fā)電系統(tǒng)的研制和運(yùn)行測(cè)試。2007年，河海大學(xué)在張耀明院士的主持下建成了國(guó)內(nèi)首座塔式70 kW太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)［19］。2012年，北京延慶塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站首次發(fā)電成功，標(biāo)志著我國(guó)成為第一個(gè)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的MW級(jí)太陽(yáng)能熱發(fā)電站全線貫通的國(guó)家，掌握了大型太陽(yáng)能熱發(fā)電站集成調(diào)試和運(yùn)行技術(shù)［20］。目前，我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電站的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于西班牙、美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家。

2011年，美國(guó)Brightsource公司利用塔式集熱技術(shù)在加州科林加為雪佛龍公司建成了一座29 MW的塔式蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，直接將產(chǎn)生的高溫、高壓蒸汽注入地下儲(chǔ)油層進(jìn)行加熱，提高儲(chǔ)油層的壓力并降低油的黏性。該項(xiàng)目占地404 686m2，共有定日鏡裝置3 822套［21－22］。

Glass Point公司于2011年在美國(guó)加州建成世界第一個(gè)商業(yè)化槽式太陽(yáng)能EOR（Enhanced Oil Recovery，提高稠油采收率）項(xiàng)目，占地面積198m2。到2013年，Glass Point公司又在中東建成一個(gè)較美國(guó)加州項(xiàng)目大27倍的槽式太陽(yáng)能EOR項(xiàng)目［23－24］。該項(xiàng)目的核心采用封閉槽式集熱技術(shù)，在96m×180m×6m的玻璃溫室內(nèi)建立槽式系統(tǒng)，生成干度為80%、壓力為10 MPa、溫度為312℃的蒸汽［23］。羅瑋瑋等［25］對(duì)Glass Point公司的封閉槽式集熱技術(shù)在新疆油田的應(yīng)用進(jìn)行了可行性分析，結(jié)果表明封閉槽裝置的占地面積較傳統(tǒng)槽裝置縮減了5/6，運(yùn)行30年的總成本僅為傳統(tǒng)槽的1/3，因此，太陽(yáng)能稠油熱采技術(shù)在新疆油田的應(yīng)用具有可行性。我國(guó)目前還沒有高溫太陽(yáng)能EOR項(xiàng)目的商業(yè)化實(shí)際應(yīng)用，而國(guó)外相關(guān)項(xiàng)目在稠油開采方面的成功應(yīng)用已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)很多同行的研究關(guān)注［21－23］。目前合適應(yīng)用在稠油開采的高溫太陽(yáng)能熱利用技術(shù)有以下三個(gè)方面。

2.1 塔式系統(tǒng)

塔式系統(tǒng)利用定日鏡來(lái)跟蹤太陽(yáng)，將陽(yáng)光聚集到固定在塔頂部的接收器（集熱器）直接產(chǎn)生蒸汽，或間接通過加熱傳熱介質(zhì)如熔融鹽、空氣等來(lái)?yè)Q熱產(chǎn)生蒸汽。

早在20世紀(jì)80年代，西班牙、美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家建立了很多塔式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)證和示范其可行性，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化階段。CESA－1、Solar One、Solar Two、Solar Tres、PA10/20是塔式電站技術(shù)的代表，此外還有接收器在地面上的二次反射塔式系統(tǒng)和多塔模塊化塔式系統(tǒng)等。二次反射塔式系統(tǒng)的概念是由Rabl提出來(lái)的，以色列魏茨曼科學(xué)研究所據(jù)此作了進(jìn)一步的深入研究［26］。日本的Hiroshi等［27］分析和設(shè)計(jì)了100 MW二次反射塔式系統(tǒng)，其中CPC接收器采用融鹽作為傳熱介質(zhì)。

2.2 槽式系統(tǒng)

槽式系統(tǒng)主要有間接蒸汽系統(tǒng)和直接蒸汽系統(tǒng)，是利用拋物面把平行光聚焦到拋物面聚點(diǎn)上的原理來(lái)聚光加熱，實(shí)現(xiàn)間接或直接產(chǎn)生蒸汽。槽式系統(tǒng)主要由拋物面槽式聚光器、換熱/蒸汽發(fā)生系統(tǒng)等組成，拋物面槽式聚光器由拋物面鏡面、支架、真空集熱管、連接等組成。槽式系統(tǒng)早在1870年就開始進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，并于20世紀(jì)80年代進(jìn)入商業(yè)化。目前商業(yè)化項(xiàng)目采用的都是導(dǎo)熱油間接系統(tǒng)技術(shù)。Luz公司在1984年到1990年間建了九座拋物槽SEGS電站（Solar Electric Generating Station，太陽(yáng)能熱發(fā)電站），共354 MW。關(guān)俊嶺［28］通過對(duì)塔河油田采油一廠TK－921井場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研，提出了太陽(yáng)能熱作為水套爐補(bǔ)充熱源的技術(shù)方案（如圖1所示），由拋物面槽式聚光器獲得熱量，通過換熱器與加熱爐中水進(jìn)行換熱，從而達(dá)到減少天然氣消耗的目的。

圖1 太陽(yáng)能加熱原油系統(tǒng)平面布置

槽式直接產(chǎn)生蒸汽技術(shù)在最早期和20世紀(jì)80年代也進(jìn)行過研究，但受到吸熱管中水的汽液兩相流動(dòng)存在不確定因素和潛在問題的制約，還沒有投入商業(yè)化應(yīng)用。相對(duì)于間接蒸汽系統(tǒng)，槽式直接產(chǎn)生蒸汽技術(shù)也有其顯著的優(yōu)點(diǎn)，例如沒油污風(fēng)險(xiǎn)，不受導(dǎo)熱油400℃溫度使用的限制，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)化等。

歐洲對(duì)槽式直接產(chǎn)生蒸汽技術(shù)在20世紀(jì)80年代進(jìn)行了第一階段的論證研究，90年代初進(jìn)行了第二階段的實(shí)驗(yàn)室級(jí)研究，90年代后期20世紀(jì)初比較有代表性的是DISS項(xiàng)目和INDITEP項(xiàng)目，并進(jìn)行了第三階段的大型現(xiàn)場(chǎng)條件下運(yùn)行研究。目前處于第四階段，就是槽式直接產(chǎn)生蒸汽電站的設(shè)計(jì)、建設(shè)和示范階段。圖2所示是DISS項(xiàng)目的三種槽式直接產(chǎn)生蒸汽的基本模型［29］。

2.3 菲涅耳系統(tǒng)

圖2 DISS項(xiàng)目三種直接產(chǎn)生蒸汽模式

菲涅耳系統(tǒng)是一種十分適合在稠油開采中應(yīng)用的技術(shù)，是由悉尼大學(xué)于1993年提出的［30］，通過多面反射鏡組成菲涅耳發(fā)射系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)線聚光并產(chǎn)生蒸汽。菲涅耳系統(tǒng)的反射聚光器是平板鏡子，造價(jià)比較便宜，排列比較緊密，占地面積小，風(fēng)荷載也比較小，吸熱管不需要真空技術(shù)和金屬玻璃接頭。2008年西班牙建成了世界上第一個(gè)熱功率為1.4 MW的真正意義上的菲涅耳系統(tǒng)，2009年又建成了一個(gè)30 MW菲涅耳系統(tǒng)。

3 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能光熱技術(shù)在稠油輸送及開采的應(yīng)用越來(lái)越受到人們的重視。低溫太陽(yáng)能熱利用在國(guó)內(nèi)外稠油輸送應(yīng)用上已經(jīng)比較普遍。在國(guó)外，塔式和槽式等太陽(yáng)能高溫?zé)崂眉夹g(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到稠油熱采上。到目前為止，我國(guó)還沒有高溫太陽(yáng)能EOR項(xiàng)目的商業(yè)化實(shí)際應(yīng)用，但已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)很多同行的研究關(guān)注。本文對(duì)合適應(yīng)用在稠油開采的塔式系統(tǒng)、槽式系統(tǒng)、菲涅耳系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，希望促進(jìn)我國(guó)把高溫太陽(yáng)能熱利用技術(shù)投入到稠油開采的商業(yè)化應(yīng)用中。

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The State－of－art of Solar Thermal Application to Heavy Oil Transportation and Mining

LI Shidong1，YE Jiawan1，MO Caisong1，SU Churan2
（1.College of Machinery and Electronic Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China；2.College of Petroleum Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China）

Solar energy thermal utilization in heavy oil transportation and itsmining can play a role in saving energy.the current domestic low－temperature solar thermal system applied in the oil and gas fields also does well in energy saving.At abroad，high－temperature solar thermal system has been commercially applied，but not yet in our country.In this paper，The State of art of low－temperature solar thermal system and high temperature solar thermal utilization technology in heavy oil transportation andmining are reviewed，especially the hightemperature concentrated solar heat utilization technology，such as recovery tower，trough system，fresnel system.

Solar energy；Heavy oil；Enhanced Oil Recovery

TK513

A

2095－2562（2016）01－0048－04

（責(zé)任編輯：駱磊）

2015－12－06；

2016－01－05

廣東省自然科學(xué)基金博士啟動(dòng)項(xiàng)目（2014A030310376）；廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才項(xiàng)目（631051）；廣東省公益研究與能力建設(shè)專項(xiàng)（2015A030401102）；廣東石油化工學(xué)院人才引進(jìn)項(xiàng)目（513090）；2015年廣東石油化工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)校級(jí)培育計(jì)劃項(xiàng)目（2015pyC033）；廣東省本科高校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程立項(xiàng)建設(shè)項(xiàng)目（粵教高函［2015］133號(hào)）

李石棟（1983—），男，廣東廉江人，博士后，講師，內(nèi)聘副教授，主要從事太陽(yáng)能熱利用及儲(chǔ)熱研究。