多源多元熱流體發生系統及方法與流程
2024-02-23 21:17:15
本發明涉及能源開採領域，尤其是一種開採稠油油藏的多源多元熱流體發生系統及方法。
背景技術：
世界上稠油資源極為豐富，其地質儲量遠遠超過常規原油。據統計，世界上已證實的常規原油地質儲量約為4200億噸，而稠油(包括瀝青)油藏地質儲量高達15500億噸。以我國渤海油田為例，截止2009年12月底渤海稠油的探明儲量為20.5*108m3。降低成本，最大限度地把稠油、超稠油開採出來，是當今世界石油界面臨的共同課題。但稠油由於粘度高、流動性差，給開採、集輸和加工帶來很大困難。
目前主要依靠熱力開採手段進行有效開發。稠油熱採技術是從工程熱物理的基本理論和方法出發，通過向稠油油藏內注入大量熱流體達到降低稠油粘度，改善油層滲流特性的目的，提高原油流動性，從而提高採收率。現有的注蒸汽熱力採油，是開發稠油油藏的有效手段。蒸汽吞吐熱採技術是利用燃料(原油、柴油或天然氣)的熱能，把一定量的水加熱成為一定壓力、溫度和幹度的飽和溼蒸汽，將所產生的高溫高壓溼蒸汽注入油井，關井一段時間，溼蒸汽的熱能向油層擴散並加熱原油以降低稠油的粘度，待稠油流動性增加後再開井生產，從而提高稠油的採收率。然而注蒸汽吞吐的規律是在第4、第5周期產油量達到峰值，此後伴隨著吞吐周期的增加，周期產油量逐漸降低，綜合含水增加，生產效果日益變差。造成注蒸汽熱採多輪次吞吐後生產效果變差的主要原因是蒸汽在含油飽和度低的地帶無效竄流。此外，許多油井在鑽井及井下作業過程中，井底結蠟堵塞嚴重，造成產能降低。
多元熱流體熱採技術是利用火箭發動機的高壓燃燒噴射機理，將燃料(柴油或天然氣)和氧化劑(一般是空氣)在注入艙的燃燒室中燃燒，依靠產生的高溫高壓煙氣再將混合摻入的水汽化以產生多元熱流體，並將其注入稠油井的驅油技術。多元熱流體主要組分是氮氣、水蒸汽和二氧化碳，並根據技術需要添加化學劑，從而利用熱能、氣體和化學劑的複合驅油機理提高稠油採油速度和採收率。多元熱流體(N2+CO2+水蒸汽)兼具氮氣、二氧化碳、熱力採油等多種工藝的特點，將其直接注入油層，從而增加油層壓力，降低原油粘度，提高驅油波及面積，達到提高原油採收率的目的。一方面，採用多元熱流體採油技術能夠有效控制蒸汽竄流，提高採油率；另一方面，熱能使近井地帶結蠟和瀝青質溶解，通過注入後放壓，使注入的非凝結氣體高速流出，攜帶出近井地帶汙染物，達到增產效果。實踐證明，這一創新技術能使我國東部老油田原油採收率再提高5％至20％。
然而，傳統的多元熱流體發生方法具有能耗高、轉化率低、熱效率低、總系統能效低等問題，且對柴油、原油和天然氣等燃料的依賴性很高。此外，稠油注採過程中還會產生大量的採油廢水/高濃度含油汙水，對環境造成負面影響。
特別地，海洋平臺稠油開發使用的多元熱流體技術嚴重依賴柴油作為燃料，柴油成本高，且運輸費用大；另一方面海洋平臺生產過程中會產生大量的含油生產汙水，要達到排放標準需要使用複雜的水處理設備。因此如何就地取材，減少柴油的採購和運輸成本也是當前需要探討的問題。
在所述背景技術部分公開的上述信息僅用於加強對本發明的背景的理解，因此它可以包括不構成對本領域普通技術人員已知的現有技術的信息。
技術實現要素：
在發明內容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式部分中進一步詳細說明。
本發明的一個主要目的在於克服上述現有技術的至少一種缺陷，提供一種開採稠油油藏的多源多元熱流體發生系統及方法。
本發明的另一個主要目的在於克服上述現有技術的至少一種缺陷，提供一種多源多元熱流體發生系統和發生方法，該系統及方法是先將燃料漿液在超臨界水中氣化，轉化成以氫氣和二氧化碳為主要組分的氣化產物，再與氧氣發生較充分燃燒，產生大量熱量，並形成含有超臨界水、二氧化碳氣的超臨界多源多元熱流體，以供注入油井中，降低稠油粘度，進而提高採油率。本發明的系統及方法具有能耗低，熱效率高、總系統能效高、且不過度依賴於柴油、原油和天然氣等燃料的特點。
為實現上述發明目的，本發明採用如下技術方案：
根據本發明的一個方面，提供了一種多源多元熱流體發生系統，所述多源多元熱流體發生系統包括超臨界氣化反應器、超臨界混合燃燒反應器；燃料漿液在有超臨界水存在的條件下，在所述超臨界氣化反應器中發生氣化反應，轉化成以氫氣和二氧化碳為主要組分的氣化產物，所述氣化產物又與溶解於所述超臨界水中的含氧氣體在所述超臨界混合燃燒反應器中較為充分的燃燒，生成含有超臨界水、二氧化碳的多源多元熱流體。
根據本發明的一個方面，所述多源多元熱流體發生系統還包括一個水增壓泵、燃料增壓泵和壓縮含氧氣源；所述超臨界氣化反應器設有超臨界水入口、燃料入口、含氧氣體入口和超臨界混合體出口；所述水增壓泵連接所述超臨界水入口，所述燃料增壓泵連接所述燃料入口，所述壓縮含氧氣源連接所述含氧氣體入口；所述超臨界氣化反應器的超臨界混合體出口連接所述超臨界混合燃燒反應器，所述超臨界混合燃燒反應器還設有至少一個含氧氣體入口，所述壓縮含氧氣源連接至所述超臨界混合燃燒反應器的含氧氣體入口，向所述超臨界混合燃燒反應器提供燃燒所需的氧氣；所述超臨界混合燃燒反應器設有一個多源多元熱流體出口，供導出燃燒產生的多源多元熱流體。
根據本發明的一個方面，其中，所述水增壓泵連接一個高壓水輸送管道，所述高壓水輸送管道的一端連接所述超臨界水入口，其中所述高壓水輸送管道的部分區段設於所述超臨界混合燃燒反應器內，利用所述超臨界混合燃燒反應器的熱量將所述高壓水加熱以形成超臨界水。
根據本發明的一實施方式，其中，所述超臨界混合燃燒反應器具有一個熱量引出部，將所述超臨界混合燃燒反應器中熱量的一部分引出，以加熱將所述高壓水形成超臨界水。
根據本發明的一實施方式，其中，所述壓縮含氧氣源被分為兩路，一路連接所述超臨界氣化反應器，另一路連接所述超臨界混合燃燒反應器。
根據本發明的一實施方式，其中，所述壓縮含氧氣源向所述超臨界混合燃燒反應器分段送入含氧氣體，即所述超臨界混合燃燒反應器包括至少兩個含氧氣體入口，所述各含氧氣體入口分別通過一個獨立的氣體流量調節閥連接所述壓縮含氧氣源。
根據本發明的一實施方式，其中，所述多源多元熱流體出口連接一個調節裝置，從所述超臨界混合燃燒反應器輸出的多源多元熱流體經所述調節裝置後，形成適於注入井筒條件的多源多元熱流體。
本發明中，所述壓縮含氧氣源的氣體壓力在22.1MPa以上，可以不斷向所述超臨界氣化反應器、和所述超臨界混合燃燒反應器提供高壓含氧氣體含氧氣流。例如，所述壓縮含氧氣源可選擇為壓縮空氣源，此時可採用一種高壓含氧氣體壓縮機，通過抽取環境常態的空氣，壓縮到相應的壓力標準後輸出。
此外，本發明還提供一種多源多元熱流體發生方法，其特徵包括如下步驟：
氣化步驟：所述燃料漿液在超臨界水中氣化，轉化成以氫氣和二氧化碳為主要組分的氣化產物，所述氣化產物又與溶解於所述超臨界水中的壓縮含氧氣體發生部分燃燒，形成了含有超臨界水、氫氣、二氧化碳為主要組分的超臨界混合體；
燃燒步驟：所述混合熱流體進一步在氧氣存在的條件下，進行混合燃燒，同時釋放熱量，形成含有超臨界水、二氧化碳氣的多源多元熱流體。
根據本發明的一實施方式，在氣化步驟之前，還包括一個準備步驟；所述準備步驟是將常態水加壓至水的臨界壓力，並預熱至水的臨界溫度以獲得超臨界水；將增壓至水的臨界壓力的燃料漿液、和壓縮至水的臨界壓力的含氧氣體一同混入所述超臨界水中。
根據本發明的一實施方式，具體地，準備步驟中，是利用水增壓泵將常溫低壓水加壓至22.1MPa～30MPa，高壓水被加熱到400℃-640℃。
根據本發明的一實施方式，具體地，準備步驟中，是利用燃料增壓泵將燃料漿液加壓至22.1MPa～30MPa；利用氣體壓縮機將空氣等含氧氣體壓縮至22.1MPa～30MPa。
燃料漿液的組成包括原油、柴油、天然氣、含有汙水、有機生產廢水等有機廢液以及高濃度的含油採出水。這些物質的共同特點是可在超臨界水中快速分解氣化和燃燒。
根據本發明的一實施方式，其中，所述氣化步驟是在一個超臨界氣化反應器中進行。
根據本發明的一實施方式，具體地，氣化步驟中，燃料漿液在超臨界水中氣化，轉化成以氫氣和二氧化碳為主要組分的氣化產物，氣化產物與通入的壓縮含氧氣體發生部分混合燃燒反應，形成含有超臨界水、二氧化碳的混合熱流體，同時部分混合燃燒反應放出的熱量為超臨界氣化反應器提供運行能耗。
當使用原油、柴油或天然氣等無水燃料作為燃料漿液時，需首先利用常態水，其被加壓和預熱到水的臨界狀態，然後通將燃料漿液在超臨界水中氣化，氣化產物接著在有氧氣供應的環境中充分燃燒得到超臨界多源多元熱流體。當作為燃料的燃料漿液本身已含有較多水分時，例如使用採油/含油汙水作為燃料的情況時，可直接加壓和預熱所述採油/含油汙水到水的臨界狀態，此時超臨界水中的油等有機物發生分解氣化，氣化產物接著在有氧氣供應的環境中充分燃燒。因此，本發明的方法更符合稠油開採平臺現場的實際情況，可就地取材，且燃料漿液的取用具有多源性。
根據本發明的一實施方式，具體地，燃燒步驟中，含有超臨界水、氫氣、二氧化碳的混合熱流體進入超臨界混合燃燒反應器中，在適量壓縮空氣條件下，其中的H2充分地與壓縮空氣中的氧氣進行混合燃燒至374℃～700℃，形成混合有超臨界高壓水、二氧化碳氣、氮氣以及空氣的多源多元熱流體。
根據本發明的一實施方式，進一步的，所述準備步驟中，所述預熱水所需的熱量來自所述燃燒步驟產生的熱量。相較於現有技術而言，無需為了獲得超臨界水而專門設置一個水預熱器。因此，可以超臨界水燃燒反應的能量得到充分高效利用，並減少對柴油、原油、天然氣的依賴。特別對海上稠油開採平臺而言，可減少柴油的採購和運輸成本，海上稠油開採平臺可就地取材，利用高含有汙水作為燃料漿液在超臨界水中燃燒反應產生的熱量，預熱水增壓泵輸出的高壓水，以獲得超臨界水。
根據本發明的一實施方式，其中，所述燃燒步驟中，燃燒所需要的氧氣來自壓縮的含氧氣體，所述壓縮的含氧氣體是分段供給到燃燒體系中。所述分段供給是再向所述超臨界燃燒反應器中通入高壓壓縮的含氧氣體時，雖然壓縮氣體的壓力與燃燒體系中超臨界水壓力基本一致，但是由於其溫度較低，因而如果一次集中供應大量的壓縮含氧氣體(通常是空氣或氧氣)，勢必會影響燃燒反應的進行。因此，多段式供給壓縮含氧氣體，可以沿著超臨界燃燒反應器的長度或高度方向沿途設置一些含氧氣體入口，且每個含氧氣體入口具有獨立的調節閥。可以根據需要調節含氧氣體入口處壓縮含氧氣體的供應流量或壓力。
根據本發明的一實施方式，其中，所述燃燒步驟獲得的多源多元熱流體，再通過一個調節步驟處理，形成適於注入井筒條件的多源多元熱流體。所述調節步驟處理包括調節所述超臨界多元熱流體的溫度或壓力，或者向所述多源多元熱流體中加入惰性保護氣體或化學添加劑。
根據本發明的一實施方式，所述的化學添加劑可為緩蝕劑，以減少對井筒及熱流體注入管道的腐蝕，或者所述化學添加劑是一些進一步改善稠油流動特性便於開採，集輸的成分。
根據本發明的一實施方式，其中，所述的燃料漿液為原油、石油產品、天然氣、含油汙水、有機廢液或前述各項的任意組合。
根據本發明的一實施方式，其中，所述含氧氣體為空氣、氧氣，以及除空氣和氧氣之外含有氧氣的氣體。
由上述技術方案可知，本發明的多源多元熱流體發生系統及方法的優點和積極效果在於：
本發明實施例提供的多源多元熱流體發生系統及方法，能夠擺脫傳統熱採方式所面臨的能耗高、轉化率低、熱效率低等難題，可降低對柴油、天然氣等燃料的依賴性。本發明的方法具有燃料適應性廣(多源性)、無汙染(可利用高濃度採油汙水，使其無害化)、系統能效高、且多元熱流體參數可調的特點，具有廣闊的應用前景，可用於稠油油藏、瀝青、水合物等領域的勘探開發，特別適用於海上稠油開發。
附圖說明
通過結合附圖考慮以下對本發明的優選實施例的詳細說明，本發明的各種目標、特徵和優點將變得更加顯而易見。附圖僅為本發明的示範性圖解，並非一定是按比例繪製。在附圖中，同樣的附圖標記始終表示相同或類似的部件。其中：
圖1是根據一示例性實施方式示出的一種多源多元熱流體發生系統的流程示意圖。
其中，附圖標記說明如下：
1-壓縮含氧氣源；2、3-氣體流量調節閥；4-燃料漿液；5-燃料增壓泵；6-超臨界氣化反應器；61-超臨界水入口；62-燃料入口；63-含氧氣體入口；64-超臨界混合體出口；7-超臨界混合氣/汽；8-超臨界混合燃燒反應；81-含氧氣體入口；82-多源多元熱流體出口；9-多源多元熱流體；10-調節裝置；11-經適應性調節的多源多元熱流體；12-常態水；13-水增壓泵；131-高壓水輸送管道；14-超臨界水。
具體實施方式
現在將參考附圖更全面地描述示例實施方式。然而，示例實施方式能夠以多種形式實施，且不應被理解為限於在此闡述的實施方式；相反，提供這些實施方式使得本發明將全面和完整，並將示例實施方式的構思全面地傳達給本領域的技術人員。圖中相同的附圖標記表示相同或類似的結構，因而將省略它們的詳細描述。
圖1是根據一示例性實施方式示出的一種多源多元熱流體發生系統的流程示意圖。
如圖所示，本發明實施例提供的多源多元熱流體發生系統中，主要包括超臨界氣化反應器6、超臨界混合燃燒反應器8、燃料漿液在有超臨界水存在的條件下，在所述超臨界氣化反應器6中發生氣化反應，轉化成以氫氣和二氧化碳為主要組分的氣化產物，氣化產物又與溶解於所述超臨界水中的含氧氣體在所述超臨界混合燃燒反應器8中燃燒，生成含有超臨界水、二氧化碳的多源多元熱流體。
具體地，如如圖1所示的，除超臨界氣化反應器6、超臨界混合燃燒反應器8之外，本實施例的源多元熱流體發生系統還設有水增壓泵13、燃料增壓泵5和壓縮含氧氣源1。應該理解的是，本發明實施例將超臨界氣化與超臨界燃燒兩個反應，主要在兩個反應器中進行，提升系統整體熱效能和可控性。
其中超臨界氣化反應器6可主要設有超臨界水入口61、燃料入口62、含氧氣體入口63和超臨界混合體出口64。水增壓泵13可通過管路連接超臨界水入口61，以向超臨界氣化反應器6供給增壓和預熱至臨界狀態後的去離子水、淡水、海水。燃料增壓泵5可通過管路連接燃料入口62，以向超臨界氣化反應器6供給燃料漿液。壓縮含氧氣源1可通過管路連接含氧氣體入口63，以向超臨界氣化反應器6供給增壓後的含氧氣體。超臨界氣化反應器6的超臨界混合體出口64連接超臨界混合燃燒反應器8。利用超臨界水，以超臨界氣化反應可以將含燃料液體中燃料氣化，適當控制含氧氣體的輸入比例便可以有效控制超臨界氣化反應器6的壓力與溫度。
超臨界混合燃燒反應器8還設有至少一個含氧氣體入口81，壓縮含氧氣源1連接至超臨界混合燃燒反應器8的含氧氣體入口81，向超臨界混合燃燒反應器8提供燃燒所需的氣體。超臨界混合燃燒反應器8設有一個多源多元熱流體出口82，供導出燃燒產生的超臨界多源多元熱流體。
應該理解的是，本發明實施例中雖然沒有具體介紹，但各供給管路或入口處可以選擇設置手動或自動控制閥、單向閥等控流或安全閥件，以便於可以安全地控制各流體的供給量和輸出量。另外，各反應器也可以選安裝各種測壓或測溫設備、壓力保護閥等高壓反應器保護裝置或機構。
其中燃料增壓泵5輸送的燃料漿液，包括原油、石油產品、天然氣、含油汙水、有機廢液或前述各項的任意組合。
應該理解的是，本發明實施例提供的系統具有多源性(多種可用燃料)、不完全依賴於柴油、原油、天然氣等昂貴燃料，具有適應性廣的特點。此外，海洋平臺生產過程中會產生大量的含油生產汙水，要達到排放標準需要使用複雜的水處理設備和較高的無害化處理成本，而應用本發明實施例的方法和系統，則能夠很好地解決含油汙水處理這一問題。
所謂超臨界水，是指當水氣壓和溫度達到一定值時，因高溫而膨脹的水的密度和因高壓而被壓縮的水蒸氣的密度正好相同時的水。水的臨界溫度T＝374℃，臨界壓力P＝22.1MPa。此時，水的液體和氣體便沒有區別，完全交融在一起，成為一種新的呈現高壓高溫狀態的液體。超臨界水具有兩個顯著的特性。一是具有極強的氧化能力，將需要處理的物質放入超臨界水中，充入氧/過氧化氫，這種物質就會被氧化和水解。有的還能夠發生自燃，在水中冒出火焰。另一個特性是可以與油等物質混合，具有較廣泛的融合能力。這一特點使近幾年被應用到稠油油藏的開採技術中。
以下結合圖1對本發明一具體應用例示例性說明如下：
如圖1所示，水增壓泵13將不可壓縮性的常態水12增壓至25MPa，並以高壓水輸送管道131進行輸送，高壓水輸送管道131可選擇穿過超臨界混合燃燒反應器8，被超臨界混合燃燒反應器8中的熱量加熱成25MPa、640℃的超臨界水14後，經由超臨界水入口61送入超臨界氣化反應器6內。
可選擇採用原油、石油產品、或採油汙水/高濃度含油無水等有機廢液作為燃料漿液4，可經燃料增壓泵5升壓至25MPa，然後經由燃料入口62噴入超臨界氣化反應器6中，在超臨界水14存在的環境下，燃料漿液中的有機成分氣化，主要轉化成氫氣和二氧化碳(這裡的氣化主要是指有機物的高度分解反應)。
同時，壓縮含氧氣源1的第一路壓縮含氧氣體可通過含氧氣體入口63向超臨界氣化反應器6中送入25MPa的高壓含氧氣體，高壓含氧氣體中的氧氣與燃料漿液的氣化產物(氫氣)發生部分混合燃燒反應，生成超臨界高壓水蒸汽(2H2+O2→2H2O+熱量)，形成以超臨界水、氫氣、二氧化碳和氮氣(當含氧氣體為空氣時)為主要組分的超臨界混合氣/汽7。部分混合燃燒反應放出的熱量可為超臨界氣化反應器6提供運行能量。
超臨界混合氣/汽7可接著進入超臨界混合燃燒反應器8。壓縮含氧氣源1的第二路壓縮含氧氣體，通過氣體流量調節閥2、3經由超臨界燃燒反應器8的多個含氧氣體入口81分段式送入超臨界混合燃燒反應器8中，與超臨界混合氣/汽7發生充分的混合燃燒反應，其中超臨界混合氣/汽7剩餘的氫氣與壓縮含氧氣體中的氧氣再次混合燃燒生成超臨界高溫水蒸汽，且在超臨界混合燃燒反應器8中最終形成25MPa、400℃的混合有由超臨界水、二氧化碳氣、氮氣(當含氧氣體選擇為空氣時)以及過量氧氣等組成的高溫高壓混合產物，即超臨界多源多元熱流體9。
超臨界多源多元熱流體9經由多源多元熱流體出口82導出，連接一個調節裝置10。不過，多源多元熱流體9既可直接注入井筒，也可以通過調節裝置10適當調節溫度/壓力參數(根據井筒結構和材料允許的條件)之後，形成適用於注入井筒條件的經適應性調節的多源多元熱流體11。
此外，在調節的同時，還可以根據油藏開發條件，添加氮氣N2(降低對井筒的腐蝕性)作為保護膜或化學添加劑到多源多元熱流體9中，最終形成經適應性調節的多源多元熱流體11。
其中，壓縮含氧氣體通過多個含氧氣體入口81分段式送入超臨界混合燃燒反應器8中，可避免因集中供應大量的低溫壓縮含氧氣體，影響燃燒反應的進行。多段式供給壓縮含氧氣體，可沿著超臨界燃燒反應器的長度或高度方向沿途分散設置一些/幾個含氧氣體入口，且每個含氧氣體入口具有獨立的調節閥。如此，便可根據需要調節含氧氣體入口處含氧氣體的供應流量或壓力。
其中，高壓水輸送管道131的部分位於超臨界混合燃燒反應器8中，可同時利用混合燃燒反應放出熱量加熱高壓水，獲得超臨界水14，無需專門配備預熱裝置。
其中，壓縮含氧氣體是指含有氧氣分子O2的氣體，如純氧氣、空氣、氧氣與氮氣的混合物、氧氣與CO2的混合物等。當所使用的含氧氣體選擇為空氣時，最終形成的多源多元熱流體的主要組分是超臨界水、二氧化碳、氮氣和剩餘的空氣；當所使用的含氧氣體選擇為氧氣時，最終形成的多源多元熱流體的主要組分是超臨界水、二氧化碳、和剩餘的氧氣。因此，最終形成的多源多元熱流體的組分與燃料漿液的成分有關、也與所使用的含氧氣體的成分有關，但相對於高壓高溫蒸汽吞吐熱流體，本發明的多源多元熱流體具有多元性和更高幹度，從而解決高壓高溫蒸汽吞吐熱採技術所存在的問題。本發明實施例提供的多源多元熱流體發生系統及方法，能夠擺脫傳統熱採方式所面臨的能耗高、轉化率低、熱效率低等難題，可降低對柴油、天然氣等燃料的依賴性。本發明的方法具有燃料適應性廣、無汙染(可使用高濃度採油汙水，使其無害化)、系統能效高、且多元熱流體參數可調的特點，具有廣闊的應用前景，可用於稠油油藏、瀝青、水合物等領域的勘探開發，特別適用於海上稠油開發。
儘管已經參照某些實施例公開了本發明，但是在不背離本發明的範圍和範疇的前提下，可以對所述的實施例進行多種變型和修改。因此，應該理解本發明並不局限於所闡述的實施例，其保護範圍應當由所附權利要求的內容及其等價的結構和方案限定。