CN1012191B - 开采石油的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种三次采油法，其中，热载体通过非绝缘导管(7)在地下传导，并且在注入油层(4)之前，先在一个装置(2)中加热，该装置设置在油层内或紧靠其上。在该装置中依靠由合成气催化地生成的甲烷来对该热载体进行加热。

Description

本发明涉及一种开采石油的方法，在这种方法中通过引入一种热载体来加热矿层中的石油。本发明还涉及一种实施该方法的设备。

由于石油矿层的自然条件，通过所谓的一次及二次采油法平均只能开采约35%的原始矿层含量，基于这一原因，又试验一系列所谓的三次采油法，以提高矿层的开采量。

以各种化学和物理的原理为依据的三次采油法中，至今所采用的将蒸汽喷入矿层的方法是成功的。通过提高矿层中的温度使石油的粘度下降，从而改善其向生产油井的输送。此外，喷射蒸汽有助于维持矿层中的压力。

制造喷射蒸汽大部分是在小的蒸汽发生器中进行的，蒸汽发生器尽可能靠近生产井安装。已加热了的蒸汽的绝热分配导管尽可能短，以减少投资和热损失。蒸汽在生产井中以专用的喷射导管送入矿层。喷射导管根据使用要求进行装备，费用是很高的。例如通过采用合适的套管、带有相应的绝热连接件的绝热蒸汽输入管和通过疏干在蒸汽输送管和套管之间构成的环形腔，以尽量减少已加热的蒸汽向石油矿层进一步的传送过程中的热损失。

在这种已知的蒸汽喷射装置中，其缺点在于不仅在蒸汽发生器和油井之间的支线上出现热损失，而且在喷射管道中也有热损失，并随着矿层的深度迅速增大。从蒸汽喷射管散出的热量对矿井覆盖层产生的负荷也是十分不利的。为了控制由此而产生的机械负荷，要求采用昂贵的措施，例如在套管中制造预应力。因此，以蒸汽喷射管装备钻 井筒比用简单的采油管装备钻井筒贵得多。

以蒸汽喷射作为三次采油法带来的问题，在开采海底石油矿层时也存在，在为此而建立的海上钻探平台结构上，由于平台上地方狭窄无法安装蒸汽发生器。一个特制的带有相应的平台和向矿层中输入蒸汽的绝热支管的蒸汽发生器支架费用十分昂贵。

本发明的任务在于提供一种开采石油的方法，在这种方法中，进一步避免了在传送加热石油所用的热载体时的热损失，同时简化将热载体送往矿层的喷射导管和卸去其载荷。

在本文一开始所描述的方法中，是通过引入一种热载体来加热矿层中石油的措施来实现上述目的的。热载体的加热，是在通向矿层的内部或入口区通过催化，使一种可以甲烷化的合成气体甲烷化来实现的。这样就允许在采油管道中将冷的合成气体传送至矿层，并且只有在那里才通过引导合成气通过催化剂，在合成气甲烷化的情况下产生热量。所产生的反应热传给热载体，由此使热载体就在矿层前或矿层中提高到三次采油所必需的温度。因此，在传输途径中的冷凝过程没有降低进入矿层的蒸汽质量。敷设冷导管不仅是对于合成气、而且也是对于热载体与绝热导管相比，这些导管不仅结构简单，而且易于敷设或改变其位置。合成气发生器的位置不受石油矿层位置的限制，这尤其对处于海底、并必须通过海上钻探平台支撑结构开采的矿层是特别有利的。

合成气的甲烷化及将其用于能量回收，在德国专利DE-PS    1298233中已有说明。通过蒸汽变换产生合成气，合成气在能量消耗器中甲烷化。这时产生的气体产物被送回，并重新转换为合成气。这种方法在技术上已经过检验，参考1984年、1985年3月在 尤里希，R·哈斯等人所写的“核研究设备的报告EVAⅡ/ADAMⅡ试验设备的结构和工作原理”以及H·哈姆等在1980年化学工程技术第6期504页上发表的“在能量传输过程中沼气化富一氧化碳气体”。

（vgl.R.Harth    et    al，“Die    Versuchsanlage    EVA    II/ADAM    II，Beschreibung    von    Aufbau    und    Funktion”，Bericht    der    Kernforschungsanlage    Jülich，Jül-1984，Maerz    1985，sowie    H.Harms    et    al，“Methanisierung    kohlenmonoxidreicher    Gase    beim    Energietransport”，Chem.-Ing.-Techn.52，1980，Nr.6，S.504    ff.）

本发明的其它结构为，将在甲烷化时产生的气体产物从矿层中抽出、并借助于蒸汽变换重新转换为合成气。封闭的循环管路应设计为：在甲烷化反应器中合成气甲烷化之后在输入热量的条件下，通过分解气体产物重新制造合成气。

以水蒸汽作为热载体是有优越性的，按照本发明的方法，水蒸汽以普通的方式在压力下进入矿层以加热石油。为防止在矿层中形成冷凝水，可以不用水蒸汽而导入惰性气体，或也可在水中添加惰性气体作为热载体。如本发明的方法所述。

下面叙述一种实施本发明方法的设备。该设备具有一个热载体加热器，热载体通过管道可送入石油矿层中去，该设备配备有一个甲烷化反应器，用于催化地使一种可甲烷化的合成气甲烷化。甲烷化反应器设置在矿层的内部或入口区域中。甲烷化反应器用于加热热载体。为了尽可能继续利用在甲烷化时产生的热量，在甲烷化反应器前最好 装设预热器和冷凝器。排出的气体产物和流入的合成气之间的热交换在预热器中进行。在冷凝器中，当气体产物冷却至气体产物中所含水蒸汽的冷凝温度、或低于其冷凝温度时，合成气和热载体均被预热。

为了导出在甲烷化反应器中形成的气体产物，最好将甲烷化反应器和蒸汽变换装置相连，在变换时形成的合成气从蒸汽变换装置流回甲烷化反应器。烧煤、烧油或烧气的能量发生器及太阳能装置，都可适用于在蒸汽变换前加热气体产物，最好是采用高温核反应堆。

下面借助实施例对本发明进一步加以描述。附图为：

图1借助安装于地下的甲烷化装置就地制造水蒸汽的原理图。

图2按图1所示的甲烷化装置的结构简图。

图2a沿催化器全长温度的定性变化曲线。

图3安装于地下的甲烷化装置和制造合成气的蒸汽变换设备布局图。

图4油田所需管道网络系统简图。

在图1中示出了一种安装在地下的用套管加固了的钻井1中的甲烷化装置2。该甲烷化装置位于钻井1的末端，钻井穿过表土层3通向石油矿层4。甲烷化装置直接装在紧挨矿层4上，用套管加固了的钻井1孔口的入口区5中。合成气导管6及热载体输入导管7通向甲烷化装置2。合成气及热载体于冷态（约为室温）在两根导管中流向甲烷化装置2。作为反应产物的合成气主要含CO和H₂，该合成气在甲烷化装置2中被催化为甲烷并转化为气体产物（甲烷和水蒸汽）。该反应所产生的热量用于加热载体，该热载体流过甲烷化装置2并从热载体出口8进入矿层4以加热石油。

在甲烷化过程所产生的气体产物从甲烷化反应器2排出。此外， 当气体产物与流入的合成气体进行热交换而被冷却到冷凝温度、或低于冷凝温度时，因热量回收产生的冷凝物应排出。因此，气体产物导管9和冷凝物导管10从甲烷化反应器2穿过钻井1通向上方。地下的甲烷化装置2的原理结构示于图2。甲烷化装置由甲烷化反应器11、预热器12和冷凝器13构成。其中甲烷化反应器11位于钻井1的最下方。为了使合成气甲烷化，甲烷化反应器设有一个充满催化剂的催化室14。合成气从合成气进口15穿过催化室流到设置于甲烷化反应器11底部的气体收集室16。通过中间隔板17将气体收集室16与催化室14分开，该中间隔板允许甲烷化时所形成的气体产物通过。气体产物的输出导管18从气体收集室16通向甲烷化装置2的预热器12。预热器12设置于钻井1中甲烷化反应器11上方。

热载体通过热载体输入导管7通向甲烷化装置并在甲烷化反应器11中被加热。在本实施例中它从甲烷化反应器上的热载体入口19首先通向中间隔板17，然后从那里在热交换导管21中，逆着甲烷化反应器11中合成气的流动方向向上流动。热载体在甲烷化反应器中被加热，并在流过甲烷化反应器的最热区域之后在中间导管22中流向热载体出口8，在那里以已知的方式通入矿层4。热载体加热矿层，使石油的温度升高以提高矿层的开采量。

热载体加热后，在气体产物中的余热用于预热流入甲烷化反应器11中的合成气及预热热载体。这里的预热器12和冷凝器13就是为此目的设置的。预热器12就装在甲烷化反应器11前。在引入输出导管18的预热器12的热交换器部分23，气体产物因为将热量基本上传递给了合成气而被冷却。然后气体产物通过上升导管24进 入冷凝器13，并在冷凝器的冷凝室25中继续被冷却至冷凝温度，在该温度下分离出冷凝物并释放出冷凝热。冷凝物被收集在冷凝池26中，并从这里通过冷凝物导管10从甲烷化装置2中泵出。在分离出冷凝物后留下的干燥气体产物通过产品导管9从冷凝室25中抽出。

合成气和热载体在各自的管道系统中流过冷凝器13和预热室12。在冷凝器13中，合成气在导管27中流动，而热载体在导管28中流动，两根导管均被在冷凝室25中的气体产物所包围，从而将气体产物的热量传递给合成气和热载体。对于热载体，连接导管29连接于导管28上，该连接导管穿过预热器通向甲烷化反应器11的热载体进口19。在本实施例中将导管27与流通导管29相连使合成气继续流通，流通导管一般通入预热室30。合成气流过预热室以加热热交换器部分23。为了在初始阶段也能预热合成气，在预热室30中设有电起动加热器31，它在起动阶段接通，将合成气加热至反应温度。当甲烷化过程开始后，有热气体产物提供使用时，关闭起动加热器。

在本实施例中，合成气约以20℃的温度及30至40巴的压力流入甲烷化装置。在冷凝器和预热器中合成气被加热至250-300℃之间的反应温度。在本实施例中以水蒸汽作为加热石油的热载体，水蒸汽约以320℃的温度和150巴的压力通入矿层。在本实施例中矿层约位于地下1500米深处。

甲烷化反应器11中合成气方面和热载体方面的温度定性变化曲线示于图2a中。从图中可看出，合成气的温度Ts开始迅速升高，并达到了最大值（局部过热区），然后由于向热载体供热，Ts沿合 成气流动方向又逐渐下降。将催化室14中的温度控制为使催化剂不超过预定的最高工作温度。至今为止所已知的甲烷化催化剂工作时不允许加热到超过约700℃的温度。

在本实施例中作为热载体的供水以20℃供入热载体导管7，而且在1500米深的矿层区中有150巴的压力。供水在冷凝器13和管段20中首先被加热到约200℃，然后在甲烷化反应器11中以与合成气流动方向相反的方向流动，并在图2a所示温度Tw_A的下一个阶段进一步被加热到汽化温度Tw_S。然后在甲烷化反应器汽化区中形成的水蒸汽在过热区过热（温度变化为Twü），并接着以约320℃的温度在150巴的压力下通入矿层。

通过排气导管18离开甲烷化反应器11的气体产物主要含有甲烷、水蒸汽、有时还有未转化的合成气部分。气体产物还具有300～320℃之间的温度。它首先在预热器12中，然后在冷凝器13中被冷却。在冷凝器13中大约冷却到40℃，即冷却到低于一同流动的水蒸汽冷凝温度。在前述的条件下每小时要制备7吨的水蒸汽，约需要12000Nm³的合成气。完成这一任务要求甲烷化反应器的催化室25具有约430毫米的直径和约8米的高度。

在图3中给出了设备总示意图，气体产物在该设备中循环，并借助于蒸汽的变换重新制造合成气。气体产物从甲烷化装置2通过气体产物导管9送入蒸汽变换装置32。气体产物在进入蒸汽变换装置之前，在热交换器33中与由变换装置32排出的合成气进行热交换而被预热。以一定量的水蒸汽供入气体产物。水蒸汽通过带有调节阀35的水蒸汽导管34流入气体产物导管9。

为了从掺有水蒸汽的气体产物中制造合成气，要求向蒸汽变换装 置中供入热量。在本实施例中由一个高温核反应堆36供给变换所需的热量，反应堆的冷却气体通过蒸汽变换装置。应用氦气作为冷却气体，氦气从高温核反应堆36经冷却气循环管路37以约950℃的温度进入蒸汽变换装置32。冷却气流过蒸汽变换装置之后的余热，用来在蒸汽发生器38中制造送入气体产物中的水蒸汽。水蒸汽导管34与蒸汽发生器38的出口相连接。在循环管路中的冷却气体由鼓风机输送，并以300℃的温度重新进入高温核反应堆36。

在本实施例中，在蒸汽变换后所得到的合成气所携带的热量不仅仅用于预热换热器33中的气体产物。它的余热还进一步排入热交换器38中并可以用来例如发电和给水净化。合成气在这里从约600℃冷却至200℃，在能回收低温热量的条件下则可冷却到室温。

压力机40保证了合成气和气体产物在甲烷化装置2和蒸汽变换装置32之间的气体循环。合成气/气体产物的循环流动要求30至40巴的压力。在本实施例甲烷化装置的冷凝器13中所含有的冷凝水用于制备蒸汽变换所需要的蒸汽。冷凝物导管10连接于水泵41的低压侧，水泵将冷凝水从甲烷化装置抽出，并送至水蒸汽发生器34。在图3所示的本实施例中，由供水泵43在地面将给水经水管42供至钻井架。

只要所有在导管中输送的介质具有室温，则对合成气导管6、气体产物导管9、冷凝物导管10和水管42的长度没有限制。因此导管也可以不要隔热。

在图4中示意给出了敷设在蒸汽变换装置32和钻井架之间的管道系统。在图4中以实线表示的传输路径45，代表原则上铺设于地面上的通向每一个钻井井口专用设备44的管道，以虚线表示的传输 路径46代表回输管道。

由于能量载体可以远距离传送，所以使用地下的甲烷化装置用于三次采油有很大的优点。在产生合成气的设备和要开采的矿层之间能量传输很远的区段，甚至超过100公里或更远，从技术的方面看可以毫无困难地连接起来。不必考虑热损失而可敷设的导管特别对于开采海底下的矿层很有利。如果一个甲烷化反应器产生的蒸汽还不够的话，也可以在一个钻井中装设多个甲烷化反应器。

Claims (6)

1、一种开采石油的方法，该方法是往矿层中通入一种热载体，通过直接在矿层区中对一直通入到矿层中含可加以甲烷化的一氧化碳和水蒸汽的合成气体进行催化甲烷化对该热载体进行加热，从而加热矿层中的石油，其中甲烷化过程中所产生的气体生成物送回到合成气体生产工段，该方法的特征在于，合成气体是通过水蒸汽转化工序形成的，气体生成物则与流向矿层有待甲烷化的合成气体进行热交换，被冷却到包含在气体生成物中的水蒸汽的冷凝点或以下的温度。

2、一种实施权利要求1所述的方法的装置，该装置包括：一合成气体发生器，用以产生含可加以甲烷化的一氧化碳和水蒸汽的合成气体;一合成气管道，用以将合成气通到矿层的石油中;甲烷化设备，安置在矿层区中，作为加热用管道可通到矿层区的热载体的热源;以及气体生成物管道，用以将气体生成物从甲烷化反应器送回到合成气发生器中，该装置的特征在于，以蒸汽变转装置（32）作为合成气发生器，且在气体生成物流动的方向上在甲烷化反应器（11）上连接有一冷凝器（13），气体生成物即在冷凝器（13）中与流向甲烷化反应器的合成气进行热交换，被冷却到包含在气体生成物中的水蒸汽的冷凝点或以下的温度。

3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，气体生成物在冷凝器（13）中还与流向矿层的热载体进行热交换而被冷却。

4、根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，为在蒸汽变转装置（32）中加热气体生成物，采用了核反应堆的冷却气。

5、根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，热载体采用水蒸汽。

6、根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，热载体采用惰性气体。