CN105650900A - 一种槽式太阳能高温集热装置及其用于稠油注汽开采的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种槽式太阳能高温集热装置，其包括抛物面槽式集热系统、储热系统、高温高压蒸汽发生系统、油田污水处理系统和自动控制系统；所述抛物面槽式集热系统用于将收集的太阳能储存在所述储热系统中，所述储热系统将热能供给所述高温高压蒸汽发生系统以产生过热蒸汽，所述油田污水处理系统用于换热后产生过热蒸汽输送给采油井，循环利用，所述自动控制系统用于系统跟踪、数据采集、报警监测。本发明采用交替循环的工艺改造方法，将槽式太阳能集热装置与蒸汽吞吐、蒸汽驱等热力采油方法结合，作为一个整体统筹规划，实现槽式太阳能装置的持续蒸汽供给，采出更多的原油。

Description

一种槽式太阳能高温集热装置及其用于稠油注汽开采的方法
技术领域
本发明涉及稠油开采工艺和槽式太阳能热利用技术领域，特别涉及稠油蒸汽驱、蒸汽吞吐等注蒸汽采油中使用的槽式太阳能高温集热装置及其用于稠油注汽开采的方法。
背景技术
槽式太阳能集热技术是近年来发展迅速的清洁能源新技术，具有良好的发展前景。槽式太阳能集热系统除了可以发电外，还可以提供工业生产所需要的蒸汽。在石油工业中，对于一些粘度大、凝固点高、流动性差的稠油，通常是依靠燃烧煤炭、渣油或天然气的方式生产稠油开采所需要的蒸汽，但这种蒸汽生产方式能耗高，污染大，成本高，不适合油田低碳绿色可持续发展。因此，开发一种可替代的清洁能源技术，产生稠油开采所需要的蒸汽参数，对于提高稠油开采效果、降低稠油开采成本具有重要的意义。
稠油开采过程中利用太阳能提供蒸汽的应用并不多见，其原因主要有两个方面，一是传统的太阳能集热技术只能被动接收太阳光，集热效率低，自动化程度不高，抗风抗打击力弱，并且只能产生低品相的蒸汽，蒸汽温度、蒸汽压力等参数达不到稠油开采的要求，造成传统的太阳能集热技术在石油领域应用受限。另外，稠油开采工艺具有周期性特点，注蒸汽与采油往往交替循环实施，当注汽井在注蒸汽一段时间后，往往需要停注进行原油的开采，转为采油井；当采油井开采一段时间后，原油产量逐步下降明显，需要重新向井底注入蒸汽，此时采油井又转变为注汽井，依次交替循环运行。这种周期性注蒸汽的特征要求太阳能集热装置具有可移动性，但太阳能集热装置系统较为复杂，配套设备多，很难实现设备的快速移动安装，种种原因造成了太阳能利用时间十分有限，单位蒸汽成本显著增大，不利于太阳能集热技术的推广和应用。
槽式太阳能高温集热系统是采用高精度抛物面反射镜将太阳光汇聚到真空集热管上，加热真空集热管内的导热介质，最高可达到400℃，高温导热介质通过蒸汽发生器换热产生高品质的过热蒸汽，可以满足稠油开采所需要的蒸汽参数。一方面，与传统太阳能集热技术相比，槽式太阳能集热系统可实现定日追踪，集热效率高，相关设备和产品使用寿命长，抗风抗打击能力强，并且在恶劣环境中仍能正常工作，适用范围大幅增加，是一种非常理想的可替代清洁能源新技术。另一方面，由于稠油注汽开采具有周期性特征，即注完蒸汽后要停注进行原油开采，开采一段时间后产量下降，又需要重新注入蒸汽采油。这种周期性循环注汽开采的特征，可能会造成槽式太阳能高温集热装置生产蒸汽的过程呈现注汽-停注-注汽的阶段性特征，大大减少了太阳能的有效注汽时间，降低了槽式太阳能技术的经济性，不利于该技术在油田领域的应用。。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的第一目的在于提供一种用于稠油注汽开采的槽式太阳能高温集热装置，该装置可以产生温度360℃，压力14MPa的过热蒸汽，以解决传统太阳能集热装置中蒸汽参数不达标、集热效率低下、自动化程度不高、抗风抗打击力不强的一系列技术问题。本发明的第二目的在于提供一种全新的槽式太阳能高温集热交替循环注蒸汽工艺改造方法，该方法可以与稠油开采周期性特点相结合，持续提供稠油开采所需的蒸汽，解决太阳能集热装置利用率较低，蒸汽生产成本高的发展瓶颈，拓展槽式太阳能集热技术在石油领域的应用范围。
槽式太阳能高温集热装置能否与稠油注汽开采的周期性特点紧密结合，对太阳能利用效率、单位蒸汽生产成本具有决定性的影响。传统的太阳能集热技术由于蒸汽温度低、集热效率低、使用寿命短，不适合用于稠油热采。现行的槽式太阳能高温集热装置具有集热效率高、抗风能力强、使用寿命长的优势，可以产生满足稠油开采所需的过热蒸汽。但是，仅仅解决这些问题，还不足以体现槽式太阳能高温集热装置在稠油开采应用的广阔前景，必须根据稠油注汽开采周期性特征，设计一套适合于稠油注汽开采的工艺改造方法，将槽式太阳能高温集热装置产生的蒸汽能持续被油井利用，最大限度提高太阳能利用时间，在保证可靠稳定运行的同时，又可以提高槽式太阳能高温集热装置的经济性。
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种槽式太阳能高温集热装置，包括抛物面槽式集热系统、储热系统、高温高压蒸汽发生系统、油田污水处理系统和自动控制系统；所述抛物面槽式集热系统用于将收集的太阳能储存在所述储热系统中，所述储热系统将热能供给所述高温高压蒸汽发生系统以产生过热蒸汽，所述油田污水处理系统用于换热后产生过热蒸汽输送给采油井，循环利用，所述自动控制系统用于系统跟踪、数据采集、报警监测。
根据上述一种槽式太阳能高温集热装置，其中，所述储热系统是熔盐储热系统，储热介质优选硝酸盐类混合物，贮热熔融盐都是液态，冷／热盐分别存储在独立的存储罐里。
根据上述一种槽式太阳能高温集热装置，其中，所述槽式集热系统是抛物面槽式集热系统，所述抛物面槽式集热系统包含一系列串、并联的高效槽式聚光集热器。
根据上述一种槽式太阳能高温集热装置，其中，所述高效槽式聚光集热器包括高精度抛物面反射镜、真空集热管8、定日追踪系统和钢结构支架。
根据上述一种槽式太阳能高温集热装置，其中，所述高温高压蒸汽发生系统包括给水预热器、蒸汽发生器和过热器，可以将从集热场流出的高温导热油经蒸汽发生系统换热后产出温度360℃，压力14MPa的过热蒸汽。
根据上述一种槽式太阳能高温集热装置，其中，所述油田污水处理系统是油井采出水循环回收系统，稠油注汽采油过程中会带出大量的污水，污水经过处理后再次进入给水管道，所述处理优选沉淀、分离、净化、除油、软化一系列处理，换热后产生过热蒸汽输送给采油井，循环利用。
根据上述一种槽式太阳能高温集热装置，其中，所述自动控制系统包括跟踪系统、数据采集系统、自动报警监测系统，整个自动控制系统按照无人值守的方式设计，配有总控系统；所述自动控制系统优选同时系统配置远程监控接口，提供运行、报警和故障等信息的监控和记录。
一种将槽式太阳能高温集热装置用于稠油注汽开采的方法，其包括以下步骤：
步骤一：注采平衡，注蒸汽井组与采油井组同时运行，注蒸汽周期与采油周期达到动态平衡；
步骤二：注采反转，注蒸汽井组停注转为采油井组，采油井组停采转为注蒸汽井组；
步骤三：交替循环，注采反转阶段结束后，又重新回到注采平衡阶段，依次交替循环运行。
根据上述一种将槽式太阳能高温集热装置用于稠油注汽开采的方法，其中，所述步骤一还包括：井组一为采油井组，井组二为注蒸汽井组，所述井组一采出的原油混合液进入油水分离器进行油水分离，分离出的原油外输，例如分离出的原油通过外输泵进入输油管道外输，分离的污水进入油田污水处理系统一系列的处理后，例如经过除油、计量、净化、软化处理，可达到符合稠油注蒸汽开采的水质要求；优选地，与此同时，槽式太阳能集热镜场对集热管内的导热油工质进行加热，导热油温度迅速升高到390℃左右，高温导热油依次经过过热器、蒸汽发生器和预加热器，与油田处理水进行对流换热，使油田处理水加热升温产生温度360℃，压力14MPa的过热蒸汽；最终，所述过热蒸汽经汽水分离器进行脱盐处理后输送至井组二中进行稠油热采。
根据上述一种将槽式太阳能高温集热装置用于稠油注汽开采的方法，其中，所述步骤一还包括：配置一定的储热量，将一部分高温导热油经导热油管线进入换热器中，经换热器换热后，熔盐冷罐中的熔盐升温加热，被泵入到熔盐热罐中将热量储存起来，晚上或光照不足时，熔盐罐中的热量将被释放出来，使导热油升温，变成高温导热油。
根据上述一种将槽式太阳能高温集热装置用于稠油注汽开采的方法，其中，所述步骤二还包括：当所述井组一开采一段时间后，原油产量急剧下降，需要注入蒸汽，所述井组一转为为注蒸汽井组，而所述井组二注入一段时间的蒸汽后，在井底附近形成蒸汽腔，可以进行原油开采，所述井组二转为采油井组。
根据上述一种将槽式太阳能高温集热装置用于稠油注汽开采的方法，其中，所述稠油注汽开采的方法还包括换热工艺流程，所述换热工艺流程优选：从给水泵到给水预热器；从给水预热器到蒸汽发生器；从蒸汽发生器到过热器；从过热器到注入井。
本发明中更为重要的是一种槽式太阳能集热装置与稠油开采相结合的工艺改造方法，其特征为：采用槽式抛物型反射镜将太阳光汇聚在焦线上，将安装在聚光轴上的集热管内部的导热流体加热，导热流体再通过换热系统将水加热成水蒸汽，蒸汽沿井筒注入地层形成蒸汽腔，增强稠油的流动性，从而使石油顺利采出。由于稠油热采具有周期性特点，当注入的蒸汽量达到设计时的蒸汽量时，注蒸汽工艺结束，这种特征有可能会造成槽式太阳能集热装置无法全年综合利用，太阳能利用率不高，因此，本发明根据稠油热采的工艺特点，将槽式太阳能集热装置生产的蒸汽与稠油开采的周期无缝衔接。其基本思路为：采用交替循环的工艺改造方法，将槽式太阳能集热装置与蒸汽吞吐、蒸汽驱等热力采油方法结合，作为一个整体统筹规划，当槽式太阳能集热装置通过管道系统向注蒸汽井组注入蒸汽时，采油生产井组进行稠油的开采，待注蒸汽结束后，原来的注蒸汽井组开采采油，原来的生产井组停止生产，开始利用槽式太阳能集热装置注入蒸汽，转变为注蒸汽井组，依次往复循环，实现槽式太阳能装置的持续蒸汽供给，采出更多的原油。
附图说明
图1槽式太阳能高温集热装置构成示意图
图2高效槽式聚光集热器结构图
图3槽式太阳能高温集热交替循环注蒸汽采油工艺流程示意图
图4槽式太阳能高温集热交替循环注蒸汽采油工艺流程示意图
图5注采平衡阶段示意图
图6注采反转阶段示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，但不作为对本发明的限定。
本发明是一种用于稠油注汽开采的槽式太阳能高温集热装置，尤其涉及到槽式太阳能高温集热装置与稠油开采技术相结合的工艺改造方法。
本发明中的槽式太阳能高温集热装置主要包括抛物面槽式集热系统1、熔盐储热系统2、高温高压蒸汽发生系统3、油田污水处理系统4，以及自动控制系统5。
本发明所述的抛物面槽式集热系统1主要包含一系列串、并联的高效槽式聚光集热器6。高效槽式聚光集热器6由高精度抛物面反射镜7、真空集热管8、定日追踪系统9、以及钢结构支架10组合而成。
本发明所述的熔盐储热系统是为了解决太阳能的间歇性和不稳定性，具体的储热系统规模可以根据项目要求和太阳能资源的情况来配置。储热介质采用硝酸盐类混合物，贮热熔融盐都是液态，冷／热盐分别存储在独立的存储罐里。白天太阳集热系统收集的太阳能将被储存在热能存储系统中，并在日落前后释放出来，以延长日照时数以外运行时数，并实现持续运行和提高功率输出的平稳性。
本发明所述的高温高压蒸汽发生系统3由给水预热器、蒸汽发生器和过热器组成，可以将从集热场流出的高温导热油经蒸汽发生系统换热后产出温度360℃，压力14MPa的过热蒸汽，满足稠油开采所需要的蒸汽参数。其换热工艺流程如下：从给水泵到给水预热器；从给水预热器到蒸汽发生器；从蒸汽发生器到过热器；从过热器到注入井。
本发明所述的油田污水处理系统4是一种油井采出水循环回收系统，稠油注汽采油过程中会带出大量的污水，按照重复使用和节约用水的原则，根据稠油注汽开采对水质的要求，污水经过沉淀、分离、净化、除油、软化等一系列处理后再次进入给水管道，换热后产生过热蒸汽输送给采油井，循环利用。
本发明所述的自动控制系统5包括跟踪系统、数据采集系统、自动报警监测系统等，整个自动控制系统按照无人值守的方式设计，配有1套总控系统；同时系统配置了远程监控接口，提供运行、报警和故障等信息的监控和记录。
本发明采用交替循环的工艺改造方法，将槽式太阳能集热装置与蒸汽吞吐、蒸汽驱等热力采油方法结合，作为一个整体统筹规划，当槽式太阳能集热装置通过管道系统向注蒸汽井组注入蒸汽时，采油生产井组进行稠油的开采，待注蒸汽结束后，原来的注蒸汽井组开始采油，原来的生产井组停止生产，开始利用槽式太阳能集热装置注入蒸汽，转变为注蒸汽井组，依次往复循环，实现槽式太阳能装置的持续蒸汽供给，采出更多的原油。
下面结合附图3和附图4，以具体工艺流程说明本发明。
槽式太阳能高温集热交替循环注蒸汽采油工艺流程：
附图3，井组一11中的采出水经油田污水处理系统4净化处理后，与抛物面槽式高温集热系统1中的高温导热油在高温高压蒸汽发生系统3中换热，产生温度360℃，压力14MPa的过热蒸汽，依次注入到井组二12中。
附图4：注采反转，井组二12注蒸汽结束，开始采油，而井组一停止采油，需注入蒸汽，实现注采反转。井组二中的采出水经油田污水处理系统4净化处理后，与抛物面槽式高温集热系统1中的高温导热油在高温高压蒸汽发生系统3中换热，产生温度360℃，压力14MPa的过热蒸汽，依次注入到井组一11中。
下面以附图5和附图6详细描述槽式太阳能高温集热装置用于稠油注汽开采的实施步骤，可以分为三个阶段：
注采平衡阶段：注蒸汽井组与采油井组同时运行，注蒸汽周期与采油周期达到动态平衡。具体如下：
当井组一11为采油井组，井组二12为注蒸汽井组时，关闭总阀门24、25，打开总阀门22、23。井组一11采出的原油混合液经总阀门22进入油水分离器21进行油水分离后，分离的原油通过外输泵24进入输油管道外输，分离的污水进入油田污水处理系统20经过除油、计量、净化、软化等一系列的处理后，可达到符合稠油注蒸汽开采的水质要求，即油田处理给水。与此同时，槽式太阳能集热镜场13对集热管内的导热油工质进行加热，导热油温度迅速升高到390℃左右。高温导热油依次经过过热器19、蒸汽发生器18和预加热器17中，与油田处理水进行对流换热，使油田处理水加热升温产生温度360℃，压力14MPa的过热蒸汽。过热蒸汽经过汽水分离器进行脱盐处理后，通过总阀门23输送至井组二12中进行稠油热采。另外，为防止光照不足或晚间无光照下系统仍能稳定运行，可配置一定的储热量，将一部分高温导热油经导热油管线进入换热器14中，经换热器14换热后，熔盐冷罐16中的熔盐升温加热，被泵入到熔盐热罐15中将热量储存起来，晚上或光照不足时，熔盐罐15中的热量将被释放出来，使导热油升温，变成高温导热油。同白天一样，高温导热油依次经过过热器19、蒸汽发生器18和预加热器17中，与油田处理水进行对流换热产生稠油开采所需的过热蒸汽。
注采反转阶段：注蒸汽井组停注转为采油井组，采油井组停采转为注蒸汽井组。具体如下：
当井组一11开采一段时间后，原油产量急剧下降，需要注入蒸汽，井组一11转为为注蒸汽井组，而井组二12注入一段时间的蒸汽后，在井底附近形成蒸汽腔，稠油粘度大幅降低，流动性变强，可以进行原油开采，井组二12转为采油井组。此时，需关闭总阀门22、23，打开总阀门24、25。井组二12采出的原油混合液经总阀门25进入油水分离器21进行油水分离后，分离的原油通过外输泵24进入输油管道外输，分离的污水进入油田污水处理系统20经过除油、计量、净化、软化等一系列的处理后，可达到符合稠油注蒸汽开采的水质要求，即油田处理给水。与此同时，槽式太阳能集热镜场13对集热管内的导热油工质进行加热，导热油温度迅速升高到390℃左右。高温导热油依次经过过热器19、蒸汽发生器18和预加热器17中，与油田处理水进行对流换热，使油田处理水加热升温产生温度360℃，压力14MPa的过热蒸汽。过热蒸汽经过汽水分离器进行脱盐处理后，通过总阀门24输送至井组一11中进行稠油热采。另外，为防止光照不足或晚间无光照下系统仍能稳定运行，可配置一定的储热量，将一部分高温导热油经导热油管线进入换热器14中，经换热器14换热后，熔盐冷罐16中的熔盐升温加热，被泵入到熔盐热罐15中将热量储存起来，晚上或光照不足时，熔盐罐15中的热量将被释放出来，使导热油升温，变成高温导热油。同白天一样，高温导热油依次经过过热器19、蒸汽发生器18和预加热器17中，与油田处理水进行对流换热产生稠油开采所需的过热蒸汽。
交替循环阶段：注采反转阶段结束后，又重新回到注采平衡阶段，依次交替循环运行。
本发明是一种用于稠油开采的槽式太阳能集热装置，并结合稠油开采周期性的特点，创造性地提出注汽与采油交替循环的工艺改造方法，既可以持续提供稠油开采所需要的高品质过热蒸汽，提高槽式太阳能集热装置的利用率，又可以优化原有的稠油生产工艺，采出更多的原油。本发明专利采用的是清洁无污染的太阳能技术，对传统油气行业进行节能改造，降低稠油开采的能耗水平和生产成本，具有良好的节能减排效益和经济效益。

Claims (12)

1.一种槽式太阳能高温集热装置，其特征在于：所述槽式太阳能高温集热装置包括抛物面槽式集热系统、储热系统、高温高压蒸汽发生系统、油田污水处理系统和自动控制系统；所述抛物面槽式集热系统用于将收集的太阳能储存在所述储热系统中，所述储热系统将热能供给所述高温高压蒸汽发生系统以产生过热蒸汽，所述油田污水处理系统用于换热后产生过热蒸汽输送给采油井，循环利用，所述自动控制系统用于系统跟踪、数据采集、报警监测。
2.根据权利要求1所述的一种槽式太阳能高温集热装置，其特征在于：所述储热系统是熔盐储热系统，储热介质优选硝酸盐类混合物，贮热熔融盐都是液态，冷／热盐分别存储在独立的存储罐里。
3.根据权利要求1所述的一种槽式太阳能高温集热装置，其特征在于：所述槽式集热系统是抛物面槽式集热系统，所述抛物面槽式集热系统包含一系列串、并联的高效槽式聚光集热器。
4.根据权利要求3所述的一种槽式太阳能高温集热装置，其特征在于：所述高效槽式聚光集热器包括高精度抛物面反射镜、真空集热管、定日追踪系统和钢结构支架。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种槽式太阳能高温集热装置，其特征在于：所述高温高压蒸汽发生系统包括给水预热器、蒸汽发生器和过热器，可以将从集热场流出的高温导热油经蒸汽发生系统换热后产出温度360℃，压力14MPa的过热蒸汽。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一种槽式太阳能高温集热装置，其特征在于：所述油田污水处理系统是油井采出水循环回收系统，稠油注汽采油过程中会带出大量的污水，污水经过处理后再次进入给水管道，所述处理优选沉淀、分离、净化、除油、软化一系列处理，换热后产生过热蒸汽输送给采油井，循环利用。
7.根据权利要求1-4任一项所述的一种槽式太阳能高温集热装置，其特征在于：所述自动控制系统包括跟踪系统、数据采集系统、自动报警监测系统，整个自动控制系统按照无人值守的方式设计，配有总控系统；所述自动控制系统优选同时系统配置远程监控接口，提供运行、报警和故障等信息的监控和记录。
8.一种将槽式太阳能高温集热装置用于稠油注汽开采的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：注采平衡，注蒸汽井组与采油井组同时运行，注蒸汽周期与采油周期达到动态平衡；
步骤二：注采反转，注蒸汽井组停注转为采油井组，采油井组停采转为注蒸汽井组；
步骤三：交替循环，注采反转阶段结束后，又重新回到注采平衡阶段，依次交替循环运行。
9.根据权利要求8所述的一种将槽式太阳能高温集热装置用于稠油注汽开采的方法，其特征在于：所述步骤一还包括：井组一为采油井组，井组二为注蒸汽井组，所述井组一采出的原油混合液进入油水分离器进行油水分离，分离出的原油外输，例如分离出的原油通过外输泵进入输油管道外输，分离的污水进入油田污水处理系统一系列的处理后，例如经过除油、计量、净化、软化处理，可达到符合稠油注蒸汽开采的水质要求；优选地，与此同时，槽式太阳能集热镜场对集热管内的导热油工质进行加热，导热油温度迅速升高到390℃左右，高温导热油依次经过过热器、蒸汽发生器和预加热器，与油田处理水进行对流换热，使油田处理水加热升温产生温度360℃，压力14MPa的过热蒸汽；最终，所述过热蒸汽经汽水分离器进行脱盐处理后输送至井组二中进行稠油热采。
10.根据权利要求9所述的一种将槽式太阳能高温集热装置用于稠油注汽开采的方法，其特征在于：所述步骤一还包括：配置一定的储热量，将一部分高温导热油经导热油管线进入换热器中，经换热器换热后，熔盐冷罐中的熔盐升温加热，被泵入到熔盐热罐中将热量储存起来，晚上或光照不足时，熔盐罐中的热量将被释放出来，使导热油升温，变成高温导热油。
11.根据权利要求8所述的一种将槽式太阳能高温集热装置用于稠油注汽开采的方法，其特征在于：所述步骤二还包括：当所述井组一开采一段时间后，原油产量急剧下降，需要注入蒸汽，所述井组一转为为注蒸汽井组，而所述井组二注入一段时间的蒸汽后，在井底附近形成蒸汽腔，可以进行原油开采，所述井组二转为采油井组。
12.根据权利要求8-11任一项所述的一种将槽式太阳能高温集热装置用于稠油注汽开采的方法，其特征在于：所述稠油注汽开采的方法还包括换热工艺流程，所述换热工艺流程优选：从给水泵到给水预热器；从给水预热器到蒸汽发生器；从蒸汽发生器到过热器；从过热器到注入井。
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