CN106640008A - 超临界多源多元热流体注采系统及注采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超临界多源多元热流体注采系统及方法，包括超临界多源多元热流体发生系统和一油管，所述油管设置于一开采井筒内；所述超临界多源多元热流体发生系统包括超临界气化反应器、超临界混合燃烧反应器；燃料浆液在有超临界水存在的条件下，在所述超临界气化反应器中发生气化反应，其气化产物又与溶解于所述超临界水中的含氧气体在所述超临界混合燃烧反应器中燃烧，形成了含有超临界水、二氧化碳的超临界多源多元热流体；所述超临界混合燃烧反应器连接所述油管。本发明系统的超临界多源多元热流体注采系统具有热效率高，降低稠油粘度，提高稠油流动性，增加采收率的效果。
Description
技术领域
本发明涉及能源开采领域，尤其是一种开采稠油油藏的超临界多源多元热流体注采系统及注采方法。
背景技术
世界上稠油资源极为丰富，其地质储量远远超过常规原油。据统计，世界上已证实的常规原油地质储量约为4200亿吨，而稠油(包括沥青)油藏地质储量高达15500亿吨。以我国渤海油田为例，截止2009年12月底渤海稠油的探明储量为20.5*108m3。降低成本，最大限度地把稠油、超稠油开采出来，是当今世界石油界面临的共同课题。
热力采油技术是稠油开采中普遍使用的方式，热力采油方法是指利用热能加热油藏，降低原油粘度，将原油(主要是稠油)从地下采出的一种提高采收率的方法。稠油(也称重油)具有粘度高、密度大的特点，在开采过程中流动阻力大，用常规方法进行开采见效不大，一般采用降低稠油粘度、减小油流阻力的方法进行开采。由于稠油的粘度对温度非常敏感，所以热力采油法就成了目前强化开采稠油的最行之有效的方法。稠油热采的主要方法有蒸汽吞吐、蒸汽驱、火烧油层、热水驱等。成为稠油开采的主要方法。目前面临蒸汽发生热效率低，蒸汽与稠油作用效率低等技术难题，直接影响了热力采油的效果。注蒸汽吞吐的规律是在第4、第5周期产油量达到峰值，此后伴随着吞吐周期的增加，周期产油量逐渐降低，综合含水增加，生产效果日益变差。造成注蒸汽热采多轮次吞吐后生产效果变差的主要原因是蒸汽在含油饱和度低的地带无效窜流。此外，许多油井在钻井及井下作业过程中，井底结蜡堵塞严重，造成产能降低。因此亟待发明一种发生热效率高，能在较低温度下获得较高干度的热流体，并与稠油之间具有较高作用效率的驱油方式。
超临界多源多元热流体驱油方法，是利用超临界流体的燃烧反应发生在超临界水环境中，能在较低温度下获得较高干度的热流体，且超临界水比热较大，容易控制温度。提高过热蒸汽产生的效率，降低成本。并将产生的多种组分的热流体注入地层，在油藏条件下，利用超临界水流体对稠油的溶解性能，改善稠油的扩散性能，分散原油中的重组分，降低稠油的密度，降低稠油的重度，提高油层压力，大幅度降低稠油粘度，进一步扩大注入流体波及面积，并通过降低油水间界面张力，来提高波及效率。超临界多源多元热流体主要组分是氮气、水蒸汽和二氧化碳，并根据技术需要添加化学剂，从而利用热能、气体和化学剂的复合驱油机理提高稠油采油速度和采收率。
然而，传统的超临界多源多元热流体注采系统和注采方法，由于其超临界多源多元热流体的发生系统和发生方法具有能耗高、转化率低、热效率低的问题，导致总系统能效低，且对柴油、原油和天然气等燃料的依赖性很高。例如一个授权公告号CN102678097的中国专利，其形成超临界多源多元热流体的方法是通过在一个气膜反应器11中通入超临界水、氧气和燃料的方式形成超临界多源多元热流体。在该专利中，燃料中的有机物成分的气化和燃烧是在同一个反应器中进行的，且配置有专门的预热装置来形成所需的超临界水，该方案就存在前文所描述的技术问题。
此外，稠油注采过程中还会产生大量的采油废水/高浓度含油污水，对环境造成负面影响。特别地，海洋平台稠油开发使用的超临界多源多元热流体技术严重依赖柴油作为燃料，柴油成本高，且运输费用大；另一方面海洋平台生产过程中会产生大量的含油生产污水，要达到排放标准需要使用复杂的水处理设备。因此如何就地取材，减少柴油的采购和运输成本也是当前需要探讨的问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。
本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种超临界多源多元热流体注采系统及注采方法。
本发明的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种超临界多源多元热流体注采系统及注采方法，该系统及方法中产生超临界多源多元热流体的方法是先使燃料浆液在超临界水中气化成氢气及CO2等小分子，其中可燃的小分子继续与含氧气体发生充分燃烧反应，产生大量热量，并形成含有超临界水、二氧化碳气的超临界多源多元热流体，以供注入油井中，降低稠油粘度，进而提高采油率。本发明的系统及方法具有能耗低，热效率高、总系统能效高、且不过度依赖于柴油、原油和天然气等燃料的特点，其燃料可选择为原油、石油产品、天然气、柴油、采油污水等有机废液，具有多源性。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
根据本发明的一个实施例，提供了一种超临界多源多元热流体注采系统，其包括超临界多源多元热流体发生系统和一油管，所述油管设置于一开采井筒内；所述超临界多源多元热流体发生系统包括超临界气化反应器、超临界混合燃烧反应器；燃料浆液在有超临界水存在的条件下，在所述超临界气化反应器中发生气化反应，转化成以氢气和二氧化碳为主要组分的气化产物，所述气化产物又与溶解于所述超临界水中的含氧气体在所述超临界混合燃烧反应器中充分燃烧，形成了含有超临界水、二氧化碳的超临界多源多元热流体；所述超临界混合燃烧反应器设有一个超临界多源多元热流体出口，其连接所述油管。
根据本发明的一实施方式，其中，所述超临界多源多元热流体发生系统还包括一个水增压泵、燃料增压泵和压缩含氧气源；所述超临界气化反应器设有超临界水入口、燃料入口、含氧气体入口和超临界混合体出口；所述水增压泵连接所述超临界水入口，所述燃料增压泵连接所述燃料入口，所述压缩含氧气源连接所述含氧气体入口；所述超临界气化反应器的超临界混合体出口连接所述超临界混合燃烧反应器，所述超临界混合燃烧反应器还设有至少一个含氧气体入口，所述压缩含氧气源连接至所述超临界混合燃烧反应器的含氧气体入口，向所述超临界混合燃烧反应器提供燃烧所需的氧气；所述超临界混合燃烧反应器的超临界多源多元热流体出口供超临界多源多元热流体输出。
根据本发明的一实施方式，其中，所述水增压泵连接一个高压水输送管道，所述高压水输送管道的一端连接所述超临界水入口，其中所述高压水输送管道的部分区段设于所述超临界混合燃烧反应器内，利用所述超临界混合燃烧反应器中的热量将所述高压水加热以形成超临界水。或者，所述超临界混合燃烧反应器具有一个热量引出部，将所述超临界混合燃烧反应器中热量的一部分引出，以加热将所述高压水形成超临界水。
根据本发明的一实施方式，其中，所述压缩含氧气源被分为两路，一路连接所述超临界气化反应器，另一路连接所述超临界混合燃烧反应器。
根据本发明的一实施方式，其中，所述压缩含氧气源向所述超临界混合燃烧反应器分段送入含氧气体，即所述超临界混合燃烧反应器包括至少两个含氧气体入口，所述各含氧气体入口分别通过一个独立的气体流量调节阀连接所述压缩含氧气源。
本发明中，所述压缩含氧气源的气体压力在22.1MPa以上，可以不断向所述超临界气化反应器、和所述超临界混合燃烧反应器提供高压含氧气流。例如，如选择空气作为含氧气体时，所述压缩含氧气源可采用一种高压空气压缩机，通过抽取环境常态的空气，进行压缩到相应的压力标准后输出。
根据本发明的一实施方式，其中，所述超临界多源多元热流体出口连接一个调节装置，所述调节装置连接所述油管，从所述超临界混合燃烧反应器输出的超临界多源多元热流体经所述调节装置后，形成适于注入井筒条件的超临界多源多元热流体。
根据本发明的一实施方式，其中，所述调节装置为一个降压装置或一个换热装置。
根据本发明的一实施方式，其中，所述井筒内设有一个套管，所述套管套设于所述油管外，所述套管与所述油管之间形成一个环形空间，一个套压测量表用于测量所述环形空间的压力。
此外，本发明还提供一种超临界多源多元热流体注采方法，其包括如下步骤：
超临界多源多元热流体发生步骤和注入步骤，所述超临界多源多元热流体发生步骤又包括：气化步骤：所述燃料浆液在超临界水中气化，转化成以氢气和二氧化碳为主要组分的气化产物，所述气化产物又与溶解于所述超临界水中的压缩含氧气体发生部分燃烧，形成了含有超临界水、氢气、二氧化碳的超临界混合体；以及
燃烧步骤：所述混合热流体进一步在氧气存在的条件下，进行混合燃烧，同时释放热量，形成含有超临界水、二氧化碳气的超临界多源多元热流体；
所述注入步骤是将超临界多源多元热流体发生步骤产生的超临界多源多元热流体，通过设于一井筒内的油管注入油井。
根据本发明的一实施方式，其中，在气化步骤之前，还包括一个准备步骤：将常态水加压至水的临界压力，并预热至水的临界温度以获得超临界水；将增压至水的临界压力的燃料浆液、和压缩至水的临界压力的含氧气体一同混入所述超临界水中。
根据本发明的一实施方式，具体地，准备步骤中，是利用水增压泵将常温低压水加压至22.1MPa～30MPa，高压水被加热到400℃-640℃。
根据本发明的一实施方式，具体地，准备步骤中，是利用燃料增压泵将燃料浆液加压至22.1MPa～30MPa；利用气体压缩机将含氧气体如空气等压缩至22.1MPa～30MPa。
根据本发明的一实施方式，其中，所述准备步骤中，所述预热水所需的热量来自所述燃烧步骤产生的热量。相较于现有技术而言，无需为了获得超临界水而专门设置一个水预热器。因此，可以超临界水燃烧反应的能量得到充分高效利用，并减少对柴油、原油、天然气的依赖。特别对海上稠油开采平台而言，可减少柴油的采购和运输成本，海上稠油开采平台可就地取材，利用高含有污水作为燃料浆液在超临界水中燃烧反应产生的热量，预热水增压泵输出的高压水，以获得超临界水。
根据本发明的一实施方式，具体地，气化步骤中，燃料浆液在超临界水中气化，转化成以氢气和二氧化碳为主要组分的气化产物，气化产物与通入的压缩含氧气体发生部分混合燃烧反应，形成的含有超临界水、氢气、二氧化碳和氧气为主要组分的混合热流体，同时部分混合燃烧反应放出的热量为超临界气化反应器提供运行能耗。
根据本发明的一实施方式，其中，所述气化步骤是在一个超临界气化反应器中进行。
根据本发明的一实施方式，其中，所述燃烧步骤中，燃烧的温度达374℃～700℃。
根据本发明的一实施方式，其中，燃烧步骤中，以超临界水、氢气、二氧化碳和氮气为主要组分的混合热流体进入超临界混合燃烧反应器中，在适量压缩空气条件下，其中的H2充分地与压缩空气中的氧气进行混合燃烧至374℃～700℃，形成混合有超临界高压水、二氧化碳气和剩余氮气和空气的超临界多源多元热流体。
根据本发明的一实施方式，其中，燃烧所需要的氧气来自压缩的含氧气体，所述压缩的含氧气体是分段供给到燃烧体系中。
根据本发明的一实施方式，其中，所述燃烧步骤中，燃烧所需要的氧气来自压缩空气，所述压缩空气是分段供给到燃烧体系中。所述分段供给是再向所述超临界燃烧反应器中通入高压压缩空气时，虽然空气的压力与超临界水压力一致，但是其温度较低，因而如果一次集中供应大量的压缩空气，势必会影响燃烧反应的进行。因此，多段式供给压缩空气，可以沿着超临界燃烧反应器的长度或高度方向沿途设置一些压缩含氧气体入口(空气入口)，且每个压缩含氧气体入口具有独立的气体流量/压力调节阀。可以根据需要调节空气入口处压缩空气的供应流量或压力。
根据本发明的一实施方式，其中，所述燃烧步骤获得的超临界多源多元热流体，再通过一个调节步骤处理，形成适于注入井筒条件的超临界多源多元热流体。所述调节步骤处理包括调节所述超临界多源多元热流体的温度或压力，或者向所述超临界多源多元热流体中加入惰性保护气体或化学添加剂。
根据本发明的一实施方式，其中，所述调节步骤处理包括通过降压或换热降低超临界多源多元热流体的温度或压力，使其适应于注入到油井中。
根据本发明的一实施方式，所述的化学添加剂可为缓蚀剂，以减少对井筒及热流体油管的腐蚀，或者所述化学添加剂是一些进一步改善稠油流动特性便于开采，集输的成分。
根据本发明一实施方式，其中，所述超临界多源多元热流体发生步骤之前，还包括措施井的选取、以及注入超临界多源多元热流体的温度和压力参数的计算步骤。
根据本发明一实施方式，其中，在注入步骤中完成超临界多源多元热流体的注入量之后，停止超临界多源多元热流体的发生，关井焖井3—15天，待套压稳定后开井采用；所述套压是油管与套管之间的环形空间的内的压力。根据本发明的一实施方式，其中，燃烧所用的燃料浆液的组成包括原油、柴油、天然气、含有污水、有机生产废水等有机废液以及高浓度的采油污水或前述各项的任意组合。这些物质的共同特点是可在超临界水中快速分解气化和燃烧。
当使用原油、柴油或天然气等无水燃料作为燃料浆液时，需首先利用常态水，其被加压和预热到水的临界状态，然后通将燃料浆液在超临界水中气化，气化产物接着在有氧气供应的环境中充分燃烧得到超临界多源多元热流体。当作为燃料的燃料浆液本身已含有较多水分时，例如使用采油/含油污水作为燃料的情况时，可直接加压和预热所述采油/含油污水到水的临界状态，此时超临界水中的油等有机物发生分解气化，气化产物接着在有氧气供应的环境中充分燃烧。因此，本发明的方法更符合稠油开采平台现场的实际情况，可就地取材，且燃料浆液的取用具有多源性。
根据本发明的一实施方式，其中，所述含氧气体为空气、氧气或除空气和氧气之外含有氧气的气体。
其中，压缩含氧气体是指含有氧气分子O2的气体，如纯氧气、空气、氧气与氮气的混合物、氧气与CO2的混合物等。当所使用的含氧气体选择为空气时，最终形成的超临界多源多元热流体的主要组分是超临界水、二氧化碳、氮气和剩余的空气；当所使用的含氧气体选择为氧气时，最终形成的超临界多源多元热流体的主要组分是超临界水、二氧化碳、和剩余的氧气。因此，最终形成的超临界多源多元热流体的组分与燃料浆液的成分有关、也与所使用的含氧气体的成分有关，但相对于高压高温蒸汽吞吐热流体，本发明的超临界多源多元热流体具有多元性和更高干度，从而解决高压高温蒸汽吞吐热采技术所存在的问题。
使用超临界多源多元热流体注采驱油，具有如下机理：
(1)对稠油具有较大的溶解性能：对油类有机物和气体溶解度较高，可对稠油及石油产品起溶剂化作用，既有利于在开发过程中产生近似混相驱的效果，又可使热解产物溶解于其中，提高流动性和携带能力。
(2)能提高稠油的扩散性能：超临界水的低粘度使超临界水分子和溶质分子具有较高的分子迁移率，溶质分子很容易在超临界水中扩散，从而使超临界水成为一种很好的反应媒介或者溶解环境条件。即使在中等温度和密度条件下，超临界水的离子积也比标准状态下水的离子积高出几个数量级。
(3)由于超临界水比常规水扩散系数高一个数量级，动力粘度下降20多倍。介电常数由普通水的80下降至5，控制了溶质的热力学特性，使溶质在溶剂中更为稳定。能够明显改善原油的扩散和运动性能。
(4)可分散原油中的重组分：超临界水能够使原油中重质成分之间的氢键破坏，将稠环和叠环类物质转变成芳香烃类物质，极限状态为将其完全转变为甲烷、二氧化碳、一氧化碳和氢气。
(5)能提高油层压力：超临界水对油藏具有较好的增压作用，经实际生产验证，即使在10MPa的高压油藏条件下，也能提高2-3倍。
(6)可降低油水间界面张力：超临界条件下，水的氢键大部分破坏，可以通过以下公式计算氢键度(X，表征形成氢键的相对强度)与温度的关系式：X＝(-8.68×10-4)T/K+0.851。该式表征了氢键对温度的依赖性，适用范围为280K～800K(7℃～527℃)。在298K～773K范围内，温度和X大致呈线性减小关系。界面张力与氢键度有直接关系，导致超临界水更容易在岩石上面铺展改变油藏润湿性。同时，能够降低油水之间界面张力，提高波及效率。
(7)可降低稠油的密度，降低稠油的重度(API)：超临界水的密度可从类似于蒸汽的密度值连续地变到类似于液体的密度值，特别是在临界点附近。在超临界状态下使液态水的密度有1g/m3下降至0.326g/m3，甚至下降至0.1g/m3。能够将原油密度大幅度降低。
(8)此外，超临界水具有良好的保温性能，导热系数明显降低，提高注入流体与稠油的作用时间，提高热流体的利用率。超临界流体将水的热导率由0.598W/(m K)下降至0.418W/(m K)，具有明显的自保温性能，能够运移至油藏深部，能够在提高波及体积的同时进一步扩大注入流体波及面积，达到大幅度稠油提高采收率的目的。
由上述技术方案可知，本发明的超临界多源多元热流体注采系统及方法的优点和积极效果在于：
按照本发明，注采工艺使用本发明的超临界多源多元热流体注采系统，其热流体具有多源性和多元性，即燃料选择上具有广阔适应性，特别适应于海上稠油开采平台；形成的多元热流体又具有多元性，但相对于高压高温蒸汽吞吐热流体，本发明的超临界多源多元热流体具有多元性和更高干度，从而解决高压高温蒸汽吞吐热采技术所存在的问题。
按照本发明，向油井中注入的流体为超临界多源多元热流体，超临界流体的燃烧反应发生在超临界水环境中，能在较低温度下获得较高干度的热流体，且超临界水比热较大，容易控制温度。提高过热蒸汽产生的效率，降低成本；降低稠油粘度，改善其流动性，提高采收效率。
本发明中的超临界多源多元热流体发生系统分别包括超临界气化系统和超临界混合燃烧系统，前者供燃料在超临界水存在的条件下发生气化产生氢气和二氧化碳，且部分氢气与含氧气体如空气发生燃烧，释放热量供该气化系统运行；后者使气化产物进一步在超临界水存在条件下和分段供氧的条件下高效燃烧，最终形成本发明注采工艺所需的超临界多源多元热流体。本发明的注采系统具有更高的热转化效率和热利用效率，且分开反应和分级燃烧具有更佳的可控性。其中，将常态的水形成超临界水的热量来自超临界混合燃烧系统，无需配置专门的预热装置，更可减少对燃料的依赖，进一步提高热能效率。
综合以上，本发明实施例提供的超临界多源多元热流体注采系统及方法，能够摆脱传统热采方式所面临的能耗高、转化率低、热效率低等难题，可降低对柴油、天然气等燃料的依赖性。本发明的方法具有燃料适应性广、无污染(可利用高浓度采油污水，使其无害化)、系统能效高、且超临界多源多元热流体参数可调的特点，具有广阔的应用前景，可用于稠油油藏、沥青、水合物等领域的勘探开发，由于燃料浆液和预热形成超临界水的能耗可以就地取材，避免柴油、原有高采购成本和运输成本，特别适用于海上稠油开采平台。
本发明提供的利用超临界多源多元热流体注采方法，蒸汽发生热转化率高，对稠油驱油效率高，对于稠油乃至天然水水合物等开发，具有重要的应用价值。
附图说明
通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：
图1是根据一示例性实施方式示出的一种超临界多源多元热流体发生系统的流程示意图。
其中，附图标记说明如下：
1-水增压泵、11-水一级增压泵、12-水二级增压泵、2-高压水输送管、21-预热段、3-燃料增压泵、31-燃料一级增压泵、32-高压加料泵、4-压缩含氧气源、41-低压压缩机、42-高压压缩机、43、44气体流量调节阀、6-超临界气化反应器、61-超临界水入口、62-燃料入口、63-含氧气体入口、64-超临界混合体出口、7-超临界混合体、8-超临界混合燃烧器、81-含氧气体入口、82-超临界多源多元热流体出口、9-超临界多源多元热流体、10-调节装置、13-经适应性调节的超临界多源多元热流体、14-油管、15-套管、16-套压测量表、17-井口阀门。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
图1是根据一示例性实施方式示出的一种超临界多源多元热流体注采系统示意图。
如图所示，本发明实施例提供的超临界多源多元热流体注采系统中，主要包括超临界多源多元流体发生系统和设于井筒内的一个油管14。而超临界多源多元流体发生系统主要包括超临界气化反应器6、超临界混合燃烧反应器8、燃料浆液在有超临界水存在的条件下，在所述超临界气化反应器6中发生气化反应，转化成以氢气和二氧化碳为主要组分的气化产物，气化产物又与溶解于所述超临界水中的含氧气体在所述超临界混合燃烧反应器8中燃烧，生成含有超临界水、二氧化碳的多源多元热流体。应该理解的是，本发明实施例将超临界气化与超临界燃烧两个反应，主要在两个反应器中进行，提升系统整体热效能和可控性。
具体地，如如图1所示的，除了超临界气化反应器6和超临界混合燃烧反应器8之外，本实施例的源多元热流体发生系统还设有水增压泵1、燃料增压泵3和压缩含氧气源4。水增压泵1包括水一级增压泵11和二级增压泵12，又称为高压水泵。燃料增加泵3包括燃料一级增压泵31、-高压加料泵32。压缩含氧气源4，在本实施例中优选为压缩空气源(成本低且组分多)，其包括气体低压压缩机41和高压压缩机42。不难理解的，其中水、燃料和空气分两级或更多级加压是本领域的常规手段。
其中超临界气化反应器6可主要设有超临界水入口61、燃料入口62、含氧气体入口63和超临界混合体出口64。水增压泵1可通过管路连接超临界水入口61，以向超临界气化反应器6供给经过增压和预热至临界状态后的去离子水、淡水、海水(可能存在一定程度的有无机盐沉积问题)。燃料增压泵3可通过管路连接燃料入口62，以向超临界气化反应器6供给高压燃料浆液，其压力几乎与水增压泵1输送的水压一致。压缩含氧气源4可通过管路连接含氧气体入口63，以向超临界气化反应器6供给增压后的含氧气体(含有O2具有助燃性的气体)，其压力同样几乎与水增压泵1输送的水压一致。超临界气化反应器6的超临界混合体出口64连接超临界混合燃烧反应器8。在超临界气化反应器6中利用超临界水存在的条件下，燃料浆液快速发生气化反应生成小分子氢气和CO2，气化产物与压缩含氧气源4输送到超临界气化反应器中的含氧气体发生部分燃烧反应，放出热量供超临界气化反应器6的运行。从超临界气化反应器6中出来的产物包含有超临界水、H2、CO2，以及若压缩含氧气源4是压缩空气的情况下，还包括氮气和剩余的空气等组合而成的超临界混合体7，从临界混合体出口64出来进入到超临界混合燃烧反应器8。
超临界混合燃烧反应器8还设有至少一个含氧气体入口81，压缩含氧气源4连接至超临界混合燃烧反应器8的含氧气体入口81，向超临界混合燃烧反应器8提供燃烧所需的氧气。超临界混合体7中的H2进一步在超临界水环境中，与含氧气体发生较为充分的燃烧反应器，最终H2转化成高温高压水蒸气，产生含有超临界水、CO2、氮气和过量空气的超临界多源多元热流体9。超临界混合燃烧反应器8设有一个多源多元热流体出口82，供导出燃烧产生的超临界多源多元热流体9。燃烧中，温度可达至374℃～700℃。
接着，超临界多源多元热流体9进入到一个调节装置10中，通过降压或换热形成满足地层注入条件的具有不同温度和压力的超临界水多元热流体13，然后通过井口阀门17，与一个设于套管15内的油管14连接，将超临界水多元热流体13通过油管14通入到地层稠油区，当注入的超临界多源多元热流体达到预定值后，关闭多源多元热流体发生系统，关闭井口阀门17，关井焖井3-15天，待套压稳定后，开井开采。如图1所示，位于套管15外侧的部分为地层，套管15所在的位置是开采稠油的井筒。在套管15和油管14之间形成的环形区域，与套压测量表16连通，由套压测量表16读取套压数值。在开采时，套压是稳定值。
其中燃料增加泵3输送的燃料浆液，包括原油、石油产品、柴油、天然气、含油污水、有机废液或前述各项的任意组合。
应该理解的是，本发明实施例中虽然没有具体介绍，但各供给管路或入口处可以选择设置手动或自动控制阀、单向阀等控流或安全阀件，以便于可以安全地控制各流体的供给量和输出量。另外，各反应器也可以选安装各种测压或测温设备、压力保护阀等高压反应器保护装置或机构。
应该理解的是，本发明实施例提供的系统具有多源性(多种可用燃料)、不完全依赖于柴油、原油、天然气等昂贵燃料，具有适应性广的特点。此外，海洋平台生产过程中会产生大量的含油生产污水，要达到排放标准需要使用复杂的水处理设备和较高的无害化处理成本，而应用本发明实施例的方法和系统，则能够很好地解决含油污水处理这一问题。
以下结合图1对本发明一具体应用例示例性说明如下：
如图1所示，水增压泵1将不可压缩性的常态水增压至25MPa，并以高压水输送管道2进行输送，高压水输送管道2可选择穿过超临界混合燃烧反应器8，穿过该超临界混合燃烧反应器8形成一个预热段21。高压水在该预热段21被超临界混合燃烧反应器8中的热量加热成25MPa、640℃的超临界水后，经由超临界水入口61送入超临界气化反应器6内。
可选择采用原油、石油产品、或采油污水/高浓度含油无水等有机废液作为燃料浆液，可经燃料增压泵3升压至25MPa，然后经由燃料入口62喷入超临界气化反应器6中，在超临界水存在的环境下，燃料浆液中的有机成分气化，主要转化成氢气和二氧化碳(这里的气化主要是指有机物的高度分解反应)。
同时，压缩含氧气源4的第一路压缩含氧气体40可通过含氧气体入口63向超临界气化反应器6中送入25MPa的高压含氧气体，高压含氧气体中的氧气与燃料浆液的气化产物(氢气)发生部分混合燃烧反应，生成超临界高压水蒸汽(2H2+O2→2H2O+热量)，形成含超临界水、氢气、二氧化碳和氮气(当含氧气体为空气时)为主要组分的超临界混合体7。部分混合燃烧反应放出的热量可为超临界气化反应器6提供运行能量。
超临界混合体7接着进入超临界混合燃烧反应器8。压缩含氧气源4的第二路压缩含氧气体，通过气体流量调节阀43、44经由超临界燃烧反应器8的多个含氧气体入口81分段式送入超临界混合燃烧反应器8中，与超临界混合体7发生充分的混合燃烧反应，其中超临界混合体7剩余的氢气与压缩含氧气体中的氧气再次混合燃烧生成超临界高温水蒸汽，且在超临界混合燃烧反应器8中最终形成25MPa、400℃的混合有由超临界水、二氧化碳气、氮气(当含氧气体选择为空气时)以及过量空气等组成的高温高压混合产物，即超临界多源多元热流体9。
超临界多源多元热流体9经由多源多元热流体出口82导出，连接一个调节装置10。不过，多源多元热流体9既可直接注入井筒，也可以通过调节装置10适当调节温度/压力参数(根据井筒结构和材料允许的条件)之后，形成适用于注入井筒条件的经适应性调节的多源多元热流体13。通常情况下，根据井筒套管15的结构耐受力，在调节装置10中多源多元热流体9经降压或换热处理之后的，经适应性调节的多源多元热流体13通过油井井口阀门17及油管14通入地层的稠油区，通过溶解稠油，降低稠油粘度，改善流动性，提高采收效率。
此外，在调节的同时，还可以根据油藏开发条件，添加氮气N2(降低对井筒的腐蚀性)作为保护膜或化学添加剂(如缓蚀剂)到多源多元热流体9中，最终形成经适应性调节的多源多元热流体13。其中，压缩含氧气源4通过多个含氧气体入口81分段式送入超临界混合燃烧反应器8中，可避免因集中供应大量的低温压缩含氧气体，影响燃烧反应的进行。多段式供给压缩含氧气体，可沿着超临界燃烧反应器的长度或高度方向沿途分散设置一些/几个含氧气体入口81，且每个含氧气体入口具有独立的气流调节阀。如此，便可根据需要调节含氧气体入口处含氧气体的供应流量或压力。
其中，高压水输送管道2的预热段21位于超临界混合燃烧反应器8中，可同时利用混合燃烧反应放出热量加热高压水，获得超临界水，无需专门配备预热装置。
其中，压缩含氧气体是指含有氧气分子O2的气体，如纯氧气、空气、氧气与氮气的混合物、氧气与CO2的混合物等。当所使用的含氧气体选择为空气时，最终形成的多源多元热流体的主要组分是超临界水、二氧化碳、氮气和剩余的空气；当所使用的含氧气体选择为氧气时，最终形成的多源多元热流体的主要组分是超临界水、二氧化碳、和剩余的氧气。因此，最终形成的多源多元热流体的组分与燃料浆液的成分有关、也与所使用的含氧气体的成分有关，但相对于高温高压蒸汽吞吐热流体，本发明的多源多元热流体具有多元性和更高干度，从而解决高压高温蒸汽吞吐热采技术所存在的问题。
在利用本发明的多源多元热流体注采系统时，具有操作步骤如下：
具体实施步骤如下：
(1)措施井选取：根据油田地质资料和生产动态资料分析，优选平均油层厚度大于5米，显示良好潜力的直井、水平井或定向井。
(2)参数设计：注入压力和温度根据实际埋藏深度和破裂压力及井况确定，一般推荐注汽强度20t/m；注汽速度250m3/d；
(3)注入：利用超临界气化反应器6中燃料浆液在超临界水中气化，转化成以氢气和二氧化碳为主的气化产物，气化产物与通入的压缩含氧气体(实践中用压缩空气)，形成的以超临界水、氢气、二氧化碳和氮气为主的混合热流体进入超临界混合燃烧反应器8中，在适量过氧和压缩空气条件下再进行混合燃烧至374℃～700℃，形成混合有超临界高压水蒸气、二氧化碳气、氮气以及空气的多源超临界水多元热流体9，通过调节装置9降压或换热形成满足地层注入条件的具有不同温度和压力的超临界多元热流体13，其经油管14注入地层；
(4)关井开井：完成超临界多源多元热流体预定注入量后，停止超临界多源多元热流体发生(关闭各个增压泵)，关井焖井3-15天，观察套压测量表16的压力数值，待套压趋于稳定后即可开井生产。
当开采产量再次递减至经济产量时，重新开始上述注入、关井和开井开启的循环过程。
本发明实施例提供的多源多元热流体发生系统及方法，能够摆脱传统热采方式所面临的能耗高、转化率低、热效率低等难题，可降低对柴油、天然气等燃料的依赖性。本发明的方法具有燃料适应性广、无污染(可使用高浓度采油污水，使其无害化)、系统能效高、且多元热流体参数可调的特点，具有广阔的应用前景，可用于稠油油藏、沥青、水合物等领域的勘探开发，特别适用于海上稠油开发。
尽管已经参照某些实施例公开了本发明，但是在不背离本发明的范围和范畴的前提下，可以对所述的实施例进行多种变型和修改。因此，应该理解本发明并不局限于所阐述的实施例，其保护范围应当由所附权利要求的内容及其等价的结构和方案限定。
尽管已经参照某些实施例公开了本发明，但是在不背离本发明的范围和范畴的前提下，可以对所述的实施例进行多种变型和修改。因此，应该理解本发明并不局限于所阐述的实施例，其保护范围应当由所附权利要求的内容及其等价的结构和方案限定。
Claims (10)
1.一种超临界多源多元热流体注采系统，其特征在于：包括超临界多源多元热流体发生系统和一油管，所述油管设置于一开采井筒内；
所述超临界多源多元热流体发生系统包括超临界气化反应器、超临界混合燃烧反应器；燃料浆液在有超临界水存在的条件下，在所述超临界气化反应器中发生气化反应，转化成以氢气和二氧化碳为主要组分的气化产物，所述气化产物又与溶解于所述超临界水中的含氧气体在所述超临界混合燃烧反应器中充分燃烧，形成了含有超临界水、二氧化碳的超临界多源多元热流体；
所述超临界混合燃烧反应器设有一个超临界多源多元热流体出口，其连接所述油管。
2.根据权利要求1所述的一种超临界多源多元热流体注采系统，其特征在于：
所述超临界多源多元热流体发生系统还包括一个水增压泵、燃料增压泵和压缩含氧气源；所述超临界气化反应器设有超临界水入口、燃料入口、含氧气体入口和超临界混合体出口；
所述水增压泵连接所述超临界水入口，所述燃料增压泵连接所述燃料入口，所述压缩含氧气源连接所述含氧气体入口；所述超临界气化反应器的超临界混合体出口连接所述超临界混合燃烧反应器，所述超临界混合燃烧反应器还设有至少一个含氧气体入口，所述压缩含氧气源连接至所述超临界混合燃烧反应器的含氧气体入口，向所述超临界混合燃烧反应器提供燃烧所需的氧气；所述超临界混合燃烧反应器的超临界多源多元热流体出口供超临界多源多元热流体输出。
3.根据权利要求2所述的一种超临界多源多元热流体注采系统，其特征在于，所述水增压泵连接一个高压水输送管道，所述高压水输送管道的一端连接所述超临界水入口，其中所述高压水输送管道的部分区段设于所述超临界混合燃烧反应器内，利用所述超临界混合燃烧反应器中的热量将所述高压水加热以形成超临界水；或者所述超临界混合燃烧反应器具有一个热量引出部，将所述超临界混合燃烧反应器中热量的一部分引出，以加热将所述高压水形成超临界水。
4.根据权利要求2或3所述的一种超临界多源多元热流体注采系统，其特征在于，所述压缩含氧气源被分为两路，一路连接所述超临界气化反应器，另一路连接所述超临界混合燃烧反应器。
5.根据权利要求2所述的一种超临界多源多元热流体注采系统，其特征在于，所述压缩含氧气源向所述超临界混合燃烧反应器分段送入含氧气体，即所述超临界混合燃烧反应器包括至少两个含氧气体入口，所述各含氧气体入口分别通过一个独立的气体流量调节阀连接所述压缩含氧气源。
6.根据权利要求2所述的一种超临界多源多元热流体注采系统，其特征在于，所述超临界多源多元热流体出口连接一个调节装置，所述调节装置连接所述油管，从所述超临界混合燃烧反应器输出的超临界多源多元热流体经所述调节装置后，形成适于注入井筒条件的超临界多源多元热流体。
7.根据权利要求6所述的一种超临界多源多元热流体注采系统，其特征在于，所述调节装置为一个降压装置或一个换热装置。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种超临界多源多元热流体注采系统，其特征在于，所述井筒内设有一个套管，所述套管套设于所述油管外，所述套管与所述油管之间形成一个环形空间，一个套压测量表用于测量所述环形空间的压力。
9.一种超临界多源多元热流体注采方法，其特征包括如下步骤：
超临界多源多元热流体发生步骤和注入步骤，所述超临界多源多元热流体发生步骤又包括：
气化步骤：所述燃料浆液在超临界水中气化，转化成以氢气和二氧化碳为主要组分的气化产物，所述气化产物又与溶解于所述超临界水中的压缩含氧气体发生部分燃烧，形成了含有超临界水、氢气、二氧化碳的超临界混合体；
燃烧步骤：所述混合热流体进一步在氧气存在的条件下，进行混合燃烧，同时释放热量，形成含有超临界水、二氧化碳气的超临界多源多元热流体；
所述注入步骤是将超临界多源多元热流体发生步骤产生的超临界多源多元热流体，通过设于一井筒内的油管注入油井。
10.根据权利要求9所述的一种超临界多源多元热流体注采方法，其特征在于，在气化步骤之前，还包括一个准备步骤：将常态水加压至水的临界压力，并预热至水的临界温度以获得超临界水；将增压至水的临界压力的燃料浆液、和压缩至水的临界压力的含氧气体一同混入所述超临界水中。
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