CN111441754A - 基于小型气冷堆的核能制汽采油系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于小型气冷堆的核能制汽采油系统，包括与油井连接的采油用注汽换热器，还包括小型气冷堆蒸汽发生器、乏汽减压装置、一号中间换热器、二号中间换热器、蒸汽过热器，所述一号中间换热器、二号中间换热器串接在一起，所述小型气冷堆蒸汽发生器出汽口同时连接乏汽减压装置进汽口、采油用注汽换热器进汽口、蒸汽过热器进汽口，所述乏汽减压装置出汽口连接二号中间换热器进汽口，所述一号中间换热器出水口连接二号中间换热器进水口，二号中间换热器出水口连接蒸汽过热器进水口，蒸汽过热器出水口连接采油用注汽换热器进水口。本发明采用小型气冷堆提供高压的饱和蒸汽或过热蒸汽，直接用于采油过程中加热油层中原油。

Description

基于小型气冷堆的核能制汽采油系统

技术领域

本发明涉及油田采油技术，具体地说是基于小型气冷堆的核能制汽采油系统。

背景技术

稠油在世界油气资源中占有很大的比重，如何有效开采稠油，使其成为可动用储量，是石油工业一直面临的问题。稠油热采是目前世界上规模最大的提高原油采收率工程项目，该技术自问世以来，已经有了突飞猛进的发展，形成了以蒸汽吞吐、蒸汽驱、SAGD、热水驱等技术为代表的技术框架。然而近期随着国际油价的下跌，有效缩减开发成本成了石油行业必须考虑的问题。稠油热采注汽系统成本占稠油热采成本的65％以上。燃油燃气蒸汽锅炉需要不间断的提供燃料来满足注入蒸汽压力的要求，不但成本较高，而且燃烧后会产生二氧化碳、二氧化硫等有害气体，严重污染环境，面临着巨大的环保压力。

核能是指通过原子核的裂变或聚变而获得能量，与化石燃料相比，核能是非常清洁的能源，不会排放有害物质，污染环境。而稠油开采恰恰需要大量的高品质的蒸汽，采用核能制汽的方式，可以部分或者完全替代传统化石燃料的锅炉方式产生蒸汽，减少环境污染。通过专利查询，目前核能主要用于发电，如CN201610500080，一种基于采用核能发电的系统；用于制氢，如CN201610115011,核电站高温气冷堆发电制氢制淡水三联产系统及其方法；用于海水淡化，如CN200710099364,一种核能海水淡化耦合设备及其方法。没有查到用于油田开发需要的直接制蒸汽采用的专利，因此属于空白。

小型核能反应堆是电功率小于300MW的核反应堆动力装置，小型堆的发展有望使核能为稠油热采提供更为清洁和廉价的热能用于稠油热采。高温气冷堆发展历史最为悠久，1938年美国乏加哥大学首先建成世界上第一座可控链式核裂变装置(研究实验型反应堆)。该堆采用石墨块作慢化剂，金属天然铀作燃料，利用鼓风机压缩空气进行冷却。高温气冷堆经过了三个阶段的发展历程，即早期的(低温)气冷堆(LTGR)、中期的改进型气冷堆(AGR)及目前的高温气冷堆(HTGR)。1956年英国首先建成石墨气冷堆核电厂，采用镁铍合金包壳金属天然铀燃料，二氧化碳冷却。

本发明专利主要针对一种小型气冷堆与多级换热器方式生产油田采用用高品质蒸汽进行描述。

发明内容

本发明的目的在于提供基于小型气冷堆的核能制汽采油系统，小型气冷堆提供高压的饱和蒸汽或过热蒸汽，直接用于采油过程中加热油层中原油。采用小型气冷堆产生的主蒸汽参数较高，可以直接用于稠油热采注汽，满足绝大部分稠油油藏注汽的需要。

为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，基于小型气冷堆的核能制汽采油系统，包括与油井连接的采油用注汽换热器，还包括小型气冷堆蒸汽发生器、乏汽减压装置、一号中间换热器、二号中间换热器、蒸汽过热器，所述一号中间换热器、二号中间换热器串接在一起，所述小型气冷堆蒸汽发生器出汽口同时连接乏汽减压装置进汽口、采油用注汽换热器进汽口、蒸汽过热器进汽口，所述乏汽减压装置出汽口连接二号中间换热器进汽口，所述一号中间换热器出水口连接二号中间换热器进水口，二号中间换热器出水口连接蒸汽过热器进水口，蒸汽过热器出水口连接采油用注汽换热器进水口，采油用注汽换热器的出汽口连接油井。

所述乏汽减压装置出汽口还直接连接采油用注汽换热器进汽口。

所述乏汽减压装置出汽口还通过二号调节阀连接一号中间换热器进汽口，二号中间换热器出汽口连接一号中间换热器进汽口。

所述一号中间换热器出汽口通过凝结水泵连接除氧器进口，除氧器出口通过一号汽动给水泵连接小型气冷堆蒸汽发生器进水口。

所述乏汽减压装置出汽口通过一号调节阀连接除氧器进口。

所述一号中间换热器进水口通过二号汽动给水泵连接采油用注汽换热器给水管，一号中间换热器出水口连接二号中间换热器进水口。

所述蒸汽过热器疏水口通过三号调节阀连接疏水闪蒸箱进口，疏水闪蒸箱出口连接除氧器进口。

所述一号中间换热器或二号中间换热器包括换热壳以及设置在换热壳内腔中的弯曲换热管，换热壳上开设换热器进汽口和换热器出汽口，换热管两端分别为换热器进水口和换热器出水口。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

小型气冷堆提供高压的饱和蒸汽或过热蒸汽，直接用于采油过程中加热油层中原油。采用小型气冷堆产生的主蒸汽参数较高，可以直接用于稠油热采注汽(典型气冷堆二回路蒸汽压力最高14.1MPa，温度570℃)，可以浅层油藏2MPa到中深层14MPa以下注汽需要，如果优化换热参数，可以产生更高压的蒸汽，满足绝大部分稠油油藏注汽的需要。本发明采用小型气冷堆直接产生高温高压蒸汽的方式来满足稠油热采注汽需要，主要是利用小型气冷堆产量的大量高品质的热能通过换热系统，将常温水一步一步升温，从而将热水加热并产生高温高压蒸汽(最高26.35MPa，温度468.92℃)，用于采油过程中加热油层中原油。其中从小型气冷堆出来的蒸汽在第一回路中循环，提升常温给水的热能，并回到小型堆的蒸汽发生器中。第二回路中常温给水通过多级加热器方式进行加压升温，逐渐达到满足油田采油用蒸汽品质。

所述的在供热制汽回路与小型堆的蒸汽发生器一回路间必须设置中间回路，小型堆的蒸汽发生器产生的蒸汽限制在中间回路内进行热力循环，防止小型堆的蒸汽发生器产生可能带有污染介质水进行播。

所述第一回路：气冷堆核能蒸汽发生器出来的新蒸汽为采油蒸汽发生器提供热源蒸汽，同时通过减压分别为一号中间换热器、二号中间换热器提供热源蒸汽，以逐步提高制汽给水的温度，放热后冷凝形成的疏水经水处理进入除氧器，被新蒸汽热源加热，最终经给水泵返回蒸汽发生器，完成循环。结构见附图1。

所述第二回路：经水处理的制汽给水经给水泵、一号中间换热器、2#换热器、采油蒸汽换热器逐级升温，形成饱和蒸汽，然后经分离后的干蒸汽，可以通过主蒸汽再热，形成过热蒸汽，输送至3km以内油井，或长输送其它区块油井蒸汽网。结构见附图1。

所述系统未考虑发电，两个回路的给水泵均采用汽动泵，一方面消纳部分富余蒸汽，另外提高热力系统经济性。两台给水泵汽机均采用主蒸汽供汽，排汽都进入排汽母管与部分主蒸汽混合后为除氧器、1#与二号中间换热器提供热源蒸汽。结构见附图1。

所述的小型堆是国际原子能机构(IAEA)将电功率小于300MW的核反应堆动力装置定义为“小型核反应堆”，简称“小型堆”。所述的以HTR-PM为球床模块式高温气冷堆，采用全陶瓷包覆颗粒球形燃料元件，氦气作冷却剂，石墨作慢化剂。堆芯热功率250MW，在二回路产生最高压力温度为26.35MPa、468.92℃的过热蒸汽。

高温气冷堆通常采用氦气作为冷却剂，通常采用棱柱状燃料或球床燃料，气冷却剂出口温度(850℃)可以使发电效率提高并用于制氢，可采用氦气直接循环透平发电。气冷堆冷却剂虽然不发生相变，固有安全性好，但换热效率较低，制约了堆芯功率密度的提升，需付出较大的经济代价，目前主要的技术难点在于放射性气体屏蔽与收集、燃料后处理、氦气直接透平、耐高温材料等。

本发明通过小型高温气冷堆直接生产油田采油用高品质蒸汽的方式，可以大幅减少化石能源的消耗，并大幅节能减排。以HTR-200为球床模块式高温气冷堆，采用全陶瓷包覆颗粒球形燃料元件，氦气作冷却剂，石墨作慢化剂。堆芯热功率250MW，在二回路产生压力温度为14.1MPa、570℃的过热蒸汽。根据上述方案以及HTR-200输出热功率和其他参数，计算产生三档压力分别为17.55MPa，21.35MPa,26.35MPa的起点蒸汽，并通过长距离输送到注汽区块的中心进行注汽。

附图说明

图1为本发明的基于小型气冷堆的核能制汽采油系统的结构流程图。

图中：小型气冷堆蒸汽发生器1，乏汽减压装置2，一号调节阀3，二号调节阀4，一号中间换热器5，二号中间换热器6，凝结水泵7，除氧器8，一号汽动给水泵9，蒸汽过热器10，采油用注汽换热器给水11，二号汽动给水泵12，一号中间换热器5，二号中间换热器6，采油用注汽换热器13，三号调节阀14，疏水闪蒸箱15，一号油井16,二号油井17，三号油井18。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：基于小型气冷堆的核能制汽采油系统，包括与油井注汽管网连接的采油用注汽换热器13，还包括小型气冷堆蒸汽发生器1、乏汽减压装置2、一号中间换热器5、二号中间换热器6、蒸汽过热器10，所述一号中间换热器5、二号中间换热器6串接在一起，所述小型气冷堆蒸汽发生器1出汽口同时连接乏汽减压装置2进汽口、采油用注汽换热器13进汽口、蒸汽过热器10进汽口，所述乏汽减压装置2出汽口连接二号中间换热器6进汽口，所述一号中间换热器5出水口连接二号中间换热器6进水口，二号中间换热器6出水口连接蒸汽过热器10进水口，蒸汽过热器10出水口连接采油用注汽换热器13进水口，采油用注汽换热器的出汽口连接油井。

所述乏汽减压装置2出汽口还直接连接采油用注汽换热器13进汽口。

所述乏汽减压装置2出汽口还通过二号调节阀4连接一号中间换热器5进汽口，二号中间换热器6出汽口连接一号中间换热器5进汽口。

所述一号中间换热器5出汽口通过凝结水泵7连接除氧器8进口，除氧器8出口通过一号汽动给水泵9连接小型气冷堆蒸汽发生器1进水口。

所述乏汽减压装置2出汽口通过一号调节阀3连接除氧器8进口。

所述一号中间换热器5进水口通过二号汽动给水泵12连接采油用注汽换热器给水管11，一号中间换热器5出水口连接二号中间换热器6进水口。

所述蒸汽过热器10疏水口通过三号调节阀14连接疏水闪蒸箱15进口，疏水闪蒸箱15出口连接除氧器8进口。

所述蒸汽过热器、所述疏水闪蒸箱其实就是换热器，属于本领域内的现有技术，直接使用即可。

所述一号中间换热器或二号中间换热器包括换热壳以及设置在换热壳内腔中的弯曲换热管，换热壳上开设换热器进汽口和换热器出汽口，换热管两端分别为换热器进水口和换热器出水口。小型气冷堆蒸汽发生器1、一号中间换热器、二号中间换热器、采油用注汽换热器、乏汽减压装置、除氧器均属于现有技术或公知技术，直接连接应用即可，其具体结构不再赘述。

从小型气冷堆蒸汽发生器1出来的14.1MPa、571℃的过热蒸汽通过中间换热器加热化石燃料注汽锅炉的给水升压到8-22MPa的饱和或过热蒸汽，加热后的蒸汽通过注汽管网流到注汽井中并加热油层，停注焖井放喷后，油井产液通过自喷或抽吸方式流入采油输油管道。

如附图1所示，包括第一回路，第二回路。第一回路：小型气冷堆蒸汽发生器1，乏汽减压装置2，一号调节阀3，二号调节阀4，一号中间换热器5，二号中间换热器6，凝结水泵7，除氧器8，一号汽动给水泵9。第二回路：蒸汽过热器10，采油用注汽换热器给水11，二号汽动给水泵12，一号中间换热器5，二号中间换热器6，采油用注汽换热器13，三号调节阀14，疏水闪蒸箱15，一号油井16,二号油井17，三号油井18。

第一回路中小型气冷堆蒸汽发生器1产生的蒸汽按一定比例分层三部分，分别给乏汽减压装置2，蒸汽过热器10，采油用注汽换热器13提供不同温度、压力蒸汽，用来提升采油用注汽换热器给水的温度，达到注汽用蒸汽要求。

其中，一部分14.1MPa、571℃的高温高压蒸汽用来提升蒸汽温度，通过过热器10达到过热状态后，流到乏汽减压装置2中去。另一部分蒸汽直接流到乏汽减压装置2中，分别流到二号中间换热器6中和调节阀4、一号中间换热器5中，从二号中间换热器6中流体也流回一号中间换热器5中，共同流到凝结水泵7中，打压输送到除氧器8中进行除氧，消除氧腐蚀。然后在通过一号汽动给水泵9输送回小型气冷堆蒸汽发生器1中。从乏汽减压装置2中的流出的部分蒸汽，通过调节阀3为除氧器8提供热源蒸汽，保证其正常工作。二部分蒸汽乏汽最后都混合流回到小型气冷堆蒸汽发生器1中，形成闭合循环。

第二回路中采油用注汽换热器给水管11的水流到二号汽动给水泵12中进行增压，然后流到一号中间换热器5升温，接着流到二号中间换热器6中继续升温，然后流到采油用注汽换热器13中，最后流到蒸汽过热器10继续加热，达到满足注汽要求的高品质的蒸汽，然后根据各井设计的不同排量流入到像一号油井16，二号油井17，三号油井18等井中进行原油的加热。

小型气冷堆提供高压的饱和蒸汽或过热蒸汽，直接用于采油过程中加热油层中原油。采用小型气冷堆产生的主蒸汽参数较高，可以直接用于稠油热采注汽(典型气冷堆二回路蒸汽压力最高14.1MPa，温度570℃)，可以浅层油藏2MPa到中深层14MPa以下注汽需要，如果优化换热参数，可以产生更高压的蒸汽，满足绝大部分稠油油藏注汽的需要。本发明采用小型气冷堆直接产生高温高压蒸汽的方式来满足稠油热采注汽需要，主要是利用小型气冷堆产量的大量高品质的热能通过换热系统，将常温水一步一步升温，从而将热水加热并产生高温高压蒸汽(最高26.35MPa，温度468.92℃)，用于采油过程中加热油层中原油。其中从小型气冷堆出来的蒸汽在第一回路中循环，提升常温给水的热能，并回到小型堆的蒸汽发生器中。第二回路中常温给水通过多级加热器方式进行加压升温，逐渐达到满足油田采油用蒸汽品质。

所述的在供热制汽回路与小型堆的蒸汽发生器一回路间必须设置中间回路，小型堆的蒸汽发生器产生的蒸汽限制在中间回路内进行热力循环，防止小型堆的蒸汽发生器产生可能带有污染介质水进行播。

所述第一回路：气冷堆核能蒸汽发生器出来的新蒸汽为采油蒸汽发生器提供热源蒸汽，同时通过减压分别为一号中间换热器、二号中间换热器提供热源蒸汽，以逐步提高制汽给水的温度，放热后冷凝形成的疏水经水处理进入除氧器，被新蒸汽热源加热，最终经给水泵返回蒸汽发生器，完成循环。结构见附图1。

所述第二回路：经水处理的制汽给水经给水泵、一号中间换热器、2#换热器、采油蒸汽换热器逐级升温，形成饱和蒸汽，然后经分离后的干蒸汽，可以通过主蒸汽再热，形成过热蒸汽，输送至3km以内油井，或长输送其它区块油井蒸汽网。结构见附图1。

所述系统未考虑发电，两个回路的给水泵均采用汽动泵，一方面消纳部分富余蒸汽，另外提高热力系统经济性。两台给水泵汽机均采用主蒸汽供汽，排汽都进入排汽母管与部分主蒸汽混合后为除氧器、1#与二号中间换热器提供热源蒸汽。结构见附图1。

所述的小型堆是国际原子能机构(IAEA)将电功率小于300MW的核反应堆动力装置定义为“小型核反应堆”，简称“小型堆”。所述的以HTR-PM为球床模块式高温气冷堆，采用全陶瓷包覆颗粒球形燃料元件，氦气作冷却剂，石墨作慢化剂。堆芯热功率250MW，在二回路产生最高压力温度为26.35MPa、468.92℃的过热蒸汽。

高温气冷堆通常采用氦气作为冷却剂，通常采用棱柱状燃料或球床燃料，气冷却剂出口温度(850℃)可以使发电效率提高并用于制氢，可采用氦气直接循环透平发电。气冷堆冷却剂虽然不发生相变，固有安全性好，但换热效率较低，制约了堆芯功率密度的提升，需付出较大的经济代价，目前主要的技术难点在于放射性气体屏蔽与收集、燃料后处理、氦气直接透平、耐高温材料等。

本发明通过小型高温气冷堆直接生产油田采油用高品质蒸汽的方式，可以大幅减少化石能源的消耗，并大幅节能减排。以HTR-200为球床模块式高温气冷堆，采用全陶瓷包覆颗粒球形燃料元件，氦气作冷却剂，石墨作慢化剂。堆芯热功率250MW，在二回路产生压力温度为14.1MPa、570℃的过热蒸汽。根据上述方案以及HTR-200输出热功率和其他参数，计算产生三档压力分别为17.55MPa，21.35MPa,26.35MPa的起点蒸汽，并通过长距离输送到注汽区块的中心进行注汽。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位指示或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.基于小型气冷堆的核能制汽采油系统，包括与油井连接的采油用注汽换热器，其特征在于，还包括小型气冷堆蒸汽发生器、乏汽减压装置、一号中间换热器、二号中间换热器、蒸汽过热器，所述一号中间换热器、二号中间换热器串接在一起，所述小型气冷堆蒸汽发生器出汽口同时连接乏汽减压装置进汽口、采油用注汽换热器进汽口、蒸汽过热器进汽口，所述乏汽减压装置出汽口连接二号中间换热器进汽口，所述一号中间换热器出水口连接二号中间换热器进水口，二号中间换热器出水口连接蒸汽过热器进水口，蒸汽过热器出水口连接采油用注汽换热器进水口，采油用注汽换热器的出汽口连接油井。

2.根据权利要求1所述的基于小型气冷堆的核能制汽采油系统，其特征在于，所述乏汽减压装置出汽口还直接连接采油用注汽换热器进汽口。

3.根据权利要求1或2所述的基于小型气冷堆的核能制汽采油系统，其特征在于，所述乏汽减压装置出汽口还通过二号调节阀连接一号中间换热器进汽口，二号中间换热器出汽口连接一号中间换热器进汽口。

4.根据权利要求1或2所述的基于小型气冷堆的核能制汽采油系统，其特征在于，所述一号中间换热器出汽口通过凝结水泵连接除氧器进口，除氧器出口通过一号汽动给水泵连接小型气冷堆蒸汽发生器进水口。

5.根据权利要求4所述的基于小型气冷堆的核能制汽采油系统，其特征在于，所述乏汽减压装置出汽口通过一号调节阀连接除氧器进口。

6.根据权利要求2或5所述的基于小型气冷堆的核能制汽采油系统，其特征在于，所述一号中间换热器进水口通过二号汽动给水泵连接采油用注汽换热器给水管，一号中间换热器出水口连接二号中间换热器进水口。

7.根据权利要求2或5所述的基于小型气冷堆的核能制汽采油系统，其特征在于，所述蒸汽过热器疏水口通过三号调节阀连接疏水闪蒸箱进口，疏水闪蒸箱出口连接除氧器进口。

8.根据权利要求1或2所述的基于小型气冷堆的核能制汽采油系统，其特征在于，所述一号中间换热器或二号中间换热器包括换热壳以及设置在换热壳内腔中的弯曲换热管，换热壳上开设换热器进汽口和换热器出汽口，换热管两端分别为换热器进水口和换热器出水口。

Images