CN116006145A - 一种烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及稠油开采技术领域，具体提供了一种烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油的系统及方法，包括烟道气组分优化管路和烟道气注入管路。本发明通过采用烟道气辅助蒸汽驱，不仅有效扩大了蒸汽驱过程中形成的蒸汽腔体积，减少蒸汽用量，提高原油采收率；同时还能实现注汽锅炉发生器产生的烟道气产出即利用，减少热采过程中的碳排放，降低环境污染。此外本发明设置烟道气组分优化子系统，通过烟道气组分检测装置检测烟道气组分，并通过补充纯氧、循环燃烧调控烟道气组分，从而适应不同油藏以及同一油藏的不同采油阶段。
Description
技术领域
本发明属于稠油开采技术领域，具体涉及一种烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油的系统及方法。
背景技术
我国的普通稠油资源比较丰富，仅陆地上的普通稠油、沥青资源就占到石油资源总量的五分之一以上。目前已探明的普通稠油油藏地质储量为20.6×108t，可预测的普通稠油资源储量为198×108t,是继美国、加拿大、委内瑞拉之后的第四大普通稠油生产国。
目前，稠油开采的方式主要有蒸汽吞吐、蒸汽驱、SAGD以及火烧油层等。蒸汽吞吐是目前我国稠油开采的主要手段，但是随吞吐周期数增加，注蒸汽超覆、窜流严重，加热半径短、加热范围小，周期产量、日产量及油汽比均逐次递减等问题日益严重，而且注汽锅炉产生的大量烟道气加重环境污染。
烟道气主要成分为氮气和二氧化碳，其中氮气所占比例为80%-85%，二氧化碳所占的比例为10%-15%。国内外研究表明，油藏中注入氮气或二氧化碳均能有效提高原油采收率、改善开发效果。蒸汽驱目前被视为蒸汽吞吐的有效接替手段。所以，将锅炉产生的烟道气资源化利用，实现烟道气辅助蒸汽驱可以有效扩大蒸汽波及范围，提高洗油效率。同时，对烟道气进行有效利用，对于推动稠油的低碳绿色开发和油气生产过程中的碳中和具有重要意义。
中国专利CN106032746 A公开了一种锅炉直排烟道气地面回收注入装置用于油田热采锅炉直排烟道气回收利用，该装置通过执行烟道气回收功能的射流单元圆周阵列排布和执行增压注入功能的射流单元线性阵列集成设计，多物理场拟合技术实现锅炉烟道气回收注入双功能的目的。不用降温省去换热设备、随高压蒸汽混合注入无需动力压缩机、简化烟道气其它预处理地面流程。但是该专利缺少烟道气组分优化部分，无法实现烟道气的组分优化调节，对不同油藏适应性较差。
中国专利CN113738324 A公开了一种基于热采锅炉的蒸汽及烟道气的伴式注气采油工艺，包括注入井，所述注入井内设置有套管，所述套管用于注入烟道气，所述套管内设置有油管，所述油管用于注入蒸汽，实现烟道气热量交换及烟道气辅助采油再利用。注完后，焖井一段时间，再进行开采，热的蒸汽在地层中降低稠油粘度，烟道气含有氮气、二氧化碳等非凝气体，可以补充地层压力，增强蒸汽携热能力，控制蒸汽走向，强化蒸汽与地层原油的热交换过程，提高注入热能的利用率，从而提高吞吐采油效果。然而该工艺同样缺少烟道气组分优化模块无法达到对产出烟道气的高效资源化利用及油田高效开发。
中国专利CN113803039 A公开了一种油田无碳排放高温高压多元混相驱智能系统，蒸汽发生装置产生油田用蒸汽和烟道气，首先，通过烟气组分调节装置，保证蒸汽发生装置尾端排出的所述烟道气各组分含量在规定范围内；其次，利用烟气净化装置对所述烟道气进行净化；再利用减氮装置降低所述烟道气中的氮气含量，或通过减氮装置对所述蒸汽发生装置前端的空气系统直接进行减氮；最后，通过烟气输送装置将经过各项处理的烟道气注入注入井。上述智能系统对烟道气进行净化、减氮，虽然能将油田热采传统锅炉工作时产生的烟道气，安全、符合达标的注入地下，实现烟道气回注，从而在根本上解决了油田热采传统锅炉的排放问题。但是系统减氮成本较高，无法实现低成本、简便快速调节烟道气组分。
以上关于烟道气辅助蒸汽注入工艺的专利，需要对已有注蒸汽管路进行大规模改造或者换新，应用成本较高；缺少烟道气组分优化模块或组分优化成本较高，对不同油藏适应性差，无法实现对产出烟道气的高效资源化利用及油田高效开发。
因此，在原有热采设备基础上尽可能小的改动，降低设备升级成本，实现烟道气组分优化，降低开发成本、进一步提高蒸汽驱采收率对实现稠油绿色高效开发具有重要意义。
发明内容
针对稠油热采过程中注汽锅炉产生大量烟道气，造成环境污染，增加处理成本等问题，本发明提供了一种烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油的系统及方法。通过对锅炉产生的烟道气进行组分测量并循环燃烧进而实现组分优化，最终实现烟道气资源化利用并且实现烟道气辅助蒸汽驱油开发效果最优化，降低开发成本，提高原油采收率。
本发明的技术方案如下：
为解决上述问题，本发明提供了一种烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油的系统，包括烟道气组分优化子系统和烟道气注入子系统。
所述烟道气组分优化子系统包括：烟道气组分检测管路、烟道气组分优化管路；
所述烟道气组分检测管路包括依次连接的注汽锅炉发生器、烟道气组分检测装置、三通阀；
所述烟道气组分优化管路包括混合装置、纯氧储存装置/制氧机；所述三通阀、混合装置、注汽锅炉发生器依次连接，使烟道气组分进行优化；所述纯氧储存装置/制氧机与混合装置相连，用于提供氧气。
所述烟道气注入子系统包括：烟道气冷凝过滤装置、烟道气增压装置、注入井；所述三通阀、烟道气冷凝过滤装置、烟道气增压装置、注入井依次连接，使优化后烟道气加压后注入注入井；所述注汽锅炉发生器通过注汽管线与注入井相连，使注汽锅炉产生的蒸汽注入注入井。
优化后的烟道气通过所述烟道气注入子系统扩大蒸汽驱过程中形成的蒸汽腔体积，优化蒸汽驱开发效果，提高原油采收率。
优选的，所述烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油系统应用于原油粘度不小于500mPa·s的注蒸汽热采油藏。
所述烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油系统的工作原理为：注汽锅炉产生的烟道气主要是由二氧化碳和氮气组成。其中，氮气具有良好的压缩性，可以为驱替过程提供能量。二氧化碳与原油有很好的互溶性且具有混相效应，能显著降低原油粘度；同时二氧化碳还具有改善原油与水流度比、萃取和汽化原油中的轻烃、降低界面效应及溶解气驱的作用，可以有效提高采收率。针对不同油藏以及同一油藏的不同开采阶段，根据原油粘度的大小，调整烟道气组分检测装置中二氧化碳和氮气比例，进而改变烟道气循环燃烧次数，从而改变伴注烟道气比例。针对粘度相对大的油藏，增大二氧化碳比例，以便更好的实现降粘。针对随油藏开采的推进，原油粘度不断改变的情况，根据稠油粘度的改变对烟道气组分检测装置中二氧化碳和氮气的比例进行调整，从而适应同一油藏的不同开采阶段。
一种烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油的方法，包括如下步骤：
（1）所述注汽锅炉发生器将水加热形成高压蒸汽并伴随产生大量烟道气；所述注汽锅炉发生器所产生的烟道气进入烟道气组分检测装置；
（2）通过所述烟道气组分检测装置对步骤（1）中的烟道气组分进行检测；
（3）当步骤（2）中的烟道气组分未达到最优比例N时，烟道气通过三通阀进入所述混合装置；同时，所述纯氧储存装置/制氧机中的纯氧进入所述混合装置与烟道气进行混合；混合后的烟道气再次进入所述注汽锅炉发生器进行燃烧再次产生烟道气；
（4）步骤（3）中产生的烟道气通过烟道气组分检测管路进入所述烟道气组分检测装置进行组分检测，当组分未达到最优比例时重复步骤（3）；
（5）当经过多次循环的烟道气组分达到最优目标比例N后，将所述烟道气通过三通阀储存到烟道气冷凝过滤装置；
（6）步骤（5）中经过冷凝净化后的烟道气进入所述烟道气增压装置进行增压，当烟道气达到目标压力后，同所述注汽锅炉发生器产生的高压蒸汽一同注入所述注入井。
通过循环燃烧实现烟道气组分优化的原理为：针对某一油藏确定最优比例后，将烟道气组分检测装置设定为最优比例。当锅炉产生烟道气后，通过烟道气组分检测装置判断比例是否为最优比例，若不是最优比例，烟道气则通过三通阀进入烟道气组分优化管路，通过向烟道气中加入纯氧返回锅炉再次燃烧，其中原有的氮气和二氧化碳不燃烧，而新引入的氧气进行燃烧，产生二氧化碳，从而提高了烟道气中的二氧化碳的比例。新产生的烟道气再次通过烟道气组分检测装置判断，若不符合最优比例，再次循环，直至烟道气比例符合所需比例。
步骤（3）中，所述混合后的烟道气中，氧气体积分数始终低于21%。当氧气占比高于21%时达到富氧燃烧条件，燃烧温度较高，需要对锅炉进行升级，从而提高成本。
步骤（5）中，所述烟道气冷凝过滤装置用于净化除去水蒸气、杂质及二氧化硫和一氧化氮等气体。
所述烟道气组分的最优比例N为二氧化碳在烟道气中的体积分数，根据油藏中原油粘度V进行调整；
当油藏中500mPa·s≤V≤2000mPa·s时，15%≤N＜40%；
当油藏中2000mPa·s＜V≤5000mPa·s时，40%≤N＜60%；
当油藏中5000mPa·s＜V≤7000mPa·s时，60%≤N＜80%。
优选的，
当油藏中500mPa·s≤V≤1500mPa·s时，15%≤N＜25%；
当油藏中1500mPa·s＜V≤2000mPa·s时，25%≤N＜40%；
当油藏中2000mPa·s＜V≤5000mPa·s时，40%≤N＜60%；
当油藏中5000mPa·s＜V≤7000mPa·s时，60%≤N＜80%。
步骤（6）中，所述目标压力根据油藏的情况进行调整。
本发明的优势在于：
1、本发明通过采用烟道气辅助蒸汽驱，不仅有效扩大了蒸汽驱过程中形成的蒸汽腔体积，减少蒸汽用量，提高原油采收率；同时还能实现注汽锅炉发生器产生的烟道气产出即利用，减少热采过程中的碳排放，降低环境污染。
2、本发明设置烟道气组分优化子系统，通过烟道气组分检测装置检测烟道气组分，并通过补充纯氧、循环燃烧调控烟道气组分，从而适应不同油藏以及同一油藏的不同采油阶段。
3、本发明始终保持烟道气组分中氧气的体积分数低于21%，既能补充氧气调控烟道气组分；又不会因氧气含量过多产生富氧燃烧，因而无需对已有锅炉进行改造或更换，降低应用成本。
附图说明
图1为本发明所述一种烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油的系统的整体结构示意图；
其中，1—注汽锅炉发生器；2—烟道气组分检测装置；3—三通阀；4—烟道气冷凝过滤装置；5—烟道气增压装置；6—注入井；7—混合装置；8—纯氧储存装置/制氧机；9-注汽管线。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图进一步说明本发明，但不限于此。
实施例1
W1井、M1分别为W油田蒸汽驱注入井6与采出井，所在W油藏为稠油油藏，原油地下粘度为1000mPa·s；
W1、M1井采用一种烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油的系统，如图1所示，包括烟道气组分优化子系统和烟道气注入子系统；
所述烟道气组分优化子系统包括对注汽锅炉发生器1产生的烟道气组分进行检测的烟道气组分检测管路，还包括对烟道气组分进行优化的烟道气组分优化管路；
所述烟道气组分检测管路包括依次连接的注汽锅炉发生器1、烟道气组分检测装置2以及三通阀3；
所述烟道气组分优化管路包括与所述烟道气组分检测管路中三通阀3相连的混合装置7，以及与所述混合装置7相连的纯氧储存装置/制氧机8，所述混合装置7与所述注汽锅炉发生器1相连；
所述烟道气注入子系统包括与三通阀3依次相连的烟道气冷凝过滤装置4和烟道气增压装置5；所述烟道气增压装置5将组分优化后的烟道气加压后注入注入井6；所述注汽锅炉发生器1通过注汽管线9将产生的蒸汽注入所述注入井6。
本实施例中，烟道气中二氧化碳的体积分数为20%，已达到W油藏所需的最优比例N（二氧化碳与烟道气总体积之比为N，15%≤N＜25%）。烟道气组分优化管路关闭，注汽锅炉发生器1产生的烟道气通过烟道气组分检测装置2和三通阀3直接进入烟道气注入管线。
冷凝过滤除去水蒸气及其他杂质和气体。
烟道气增压装置5将烟道气增压至12MPa。
注汽锅炉发生器1中产生的高压蒸汽以15t/h的注入速度进行注入W1井，烟道气注入管路中的烟道气以20t/h注入速度同时注入W1井。蒸汽注入总量为2100吨，伴注烟道气总量为2800吨。
实施例2
A1，A2井分别为M油田的蒸汽驱注入井6和采出井，开发油层为稠油油层，粘度为5000mPa·s，采用烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油。
本实施例所采用的烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油的系统同实施例1，具体步骤如下
（1）所述注汽锅炉发生器1将水加热形成高压蒸汽并伴随产生大量烟道气（所述烟道气中二氧化碳的体积分数为15%），烟道气进入所述烟道气组分检测装置2；
（2）通过烟道气组分检测装置2对步骤（1）中的烟道气组分进行检测；
（3）步骤（2）中的烟道气组分未达到最优比例N（二氧化碳与烟道气总体积之比为N，40%≤N＜60%）时，烟道气通过三通阀3进入混合装置7；同时纯氧储存装置/制氧机8向混合装置7注入纯氧与烟道气进行混合，混合后的烟道气中，氧气的体积分数为20%；混合后的烟道气再次进入注汽锅炉发生器1进行燃烧再次产生烟道气；
（4）步骤（3）中产生的烟道气进入烟道气组分检测装置2进行组分检测，当组分未达到最优比例N时重复步骤（3）；
（5）当进行15轮次燃烧后烟道气组分达到最优目标比例N，所述组分优化后的烟道气通过三通阀3及烟道气冷凝过滤装置4，得到冷凝过滤后的烟道气；
（6）步骤（5）中冷凝过滤后的烟道气进入所述烟道气增压装置5进行增压；
冷凝过滤除去水蒸气及其他杂质和气体；
烟道气增压装置5将烟道气增压至15MPa；
（7）注汽锅炉发生器1产生的高压蒸汽以180t/d的注入速度注入A1井，步骤（6）中烟道气以200t/d的注入速度同时注入A1井。蒸汽注入总量为1800吨，伴注烟道气总量为2000吨。
实施例3
B1，B2井为Q油田的蒸汽驱注入井6和采出井，开发油层为稠油油层，采用烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油。
本实施例所采用的烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油的系统同实施例1，具体步骤如下：
（1）所述注汽锅炉发生器1将水加热形成高压蒸汽并伴随产生大量烟道气（烟道气组分中二氧化碳的体积分数为15%），烟道气进入所述烟道气组分检测装置2；
（2）通过烟道气组分检测装置2对步骤（1）中的烟道气组分进行检测，所述烟道气组分检测装置2设定二氧化碳体积分数为40%≤N1＜60%；
（3）步骤（2）中的烟道气组分未达到最优比例N1（开采第一阶段，原油粘度为2000~2500mPa·s，40%≤N1＜60%）时，烟道气通过三通阀3进入混合装置7；同时纯氧储存装置/制氧机8向混合装置7注入纯氧与烟道气进行混合，混合后的烟道气中，氧气的体积分数为20%；混合后的烟道气再次进入注汽锅炉发生器1进行燃烧再次产生烟道气；
（4）步骤（3）中产生的烟道气进入烟道气组分检测装置2进行组分检测，当组分未达到最优比例N1时重复上述过程；
（5）当进行15轮次燃烧后烟道气组分达到最优目标比例N1，所述组分优化后的烟道气通过三通阀3及烟道气冷凝过滤装置4，得到冷凝过滤后的烟道气；
（6）步骤（5）中冷凝过滤后的烟道气进入所述烟道气增压装置5进行增压；
冷凝过滤除去水蒸气及其他杂质和气体；
烟道气增压装置5将烟道气增压至12MPa；
（7）注汽锅炉发生器1产生的高压蒸汽以150t/d的注入速度注入B1井，步骤（6）中烟道气以180t/d的注入速度同时注入B1井，第一阶段蒸汽注入总量为1500吨，伴注烟道气总量为1800吨；
（8）第一阶段开采10天后，进行第二阶段的开采，原油粘度变为1800mPa·s,将烟道气组分检测装置2设定二氧化碳体积分数为25%≤N2＜40%；
（9）步骤（8）中的烟道气组分未达到最优比例N2（开采第二阶段，原油粘度为1500~2000mPa·s，25%≤N2＜40%）时，烟道气通过三通阀3进入混合装置7；同时纯氧储存装置/制氧机8向混合装置7注入纯氧与烟道气进行混合，混合后的烟道气中，氧气的体积分数为20%；混合后的烟道气再次进入注汽锅炉发生器1进行燃烧再次产生烟道气；
（10）步骤（9）中产生的烟道气进入烟道气组分检测装置2进行组分检测，当组分未达到最优比例N2时重复上述过程；
（11）当进行10轮次燃烧后烟道气组分达到最优目标比例N2，所述组分优化后的烟道气通过三通阀3及烟道气冷凝过滤装置4，得到冷凝过滤后的烟道气；
（12）步骤（11）中冷凝过滤后的烟道气进入所述烟道气增压装置5进行增压；
冷凝过滤除去水蒸气及其他杂质和气体；
烟道气增压装置5将烟道气增压至10MPa；
（13）注汽锅炉发生器1产生的高压蒸汽以180t/d的注入速度注入B1井，步骤（6）中烟道气以220t/d的注入速度同时注入B1井，第二阶段蒸汽注入总量为1800吨，伴注烟道气总量为2200吨。
对比例1
A1，A2井为M油田的蒸汽驱注入井6和采出井，开发油层为稠油油层，粘度为5000mPa·s，采用烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油。
本对比例所采用的系统不设置烟道气优化子系统，注汽锅炉发生器1直接与烟道气冷凝过滤装置4相连，其余均同实施例2。
具体步骤如下：
（1）所述注汽锅炉发生器1将水加热形成高压蒸汽并伴随产生大量烟道气（其中二氧化碳体积分数为15%），烟道气进入所述烟道气冷凝过滤装置4，得到冷凝过滤后的烟道气；
（2）步骤（1）中冷凝过滤后的烟道气进入所述烟道气增压装置5进行增压；
冷凝过滤除去水蒸气及其他杂质和气体；
烟道气增压装置5将烟道气增压至17MPa；
（3）注汽锅炉发生器1产生的高压蒸汽以220t/d的注入速度注入A1井，步骤（6）中烟道气以250t/d的注入速度同时注入A1井，蒸汽注入总量为2200吨，伴注烟道气总量2500吨。
Claims (7)
1.一种烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油的系统，其特征在于，包括烟道气组分优化子系统和烟道气注入子系统；
所述烟道气组分优化子系统包括：烟道气组分检测管路、烟道气组分优化管路；
所述烟道气组分检测管路包括依次连接的注汽锅炉发生器、烟道气组分检测装置、三通阀；
所述烟道气组分优化管路包括混合装置、纯氧储存装置/制氧机；所述三通阀、混合装置、注汽锅炉发生器依次连接，使烟道气组分进行优化；所述纯氧储存装置/制氧机与混合装置相连，用于提供氧气；
所述烟道气注入子系统包括：烟道气冷凝过滤装置、烟道气增压装置、注入井；所述三通阀、烟道气冷凝过滤装置、烟道气增压装置、注入井依次连接，使优化后烟道气加压后注入注入井；所述注汽锅炉发生器通过注汽管线与注入井相连，使注汽锅炉产生的蒸汽注入注入井。
2.根据权利要求1所述的烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油的系统，其特征在于，
所述烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油系统应用于原油粘度不小于500mPa·s的注蒸汽热采油藏。
3.一种烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油的方法，其特征在于，
包括如下步骤：
（1）所述注汽锅炉发生器将水加热形成高压蒸汽并伴随产生烟道气；所述注汽锅炉发生器所产生的烟道气进入烟道气组分检测装置；
（2）通过所述烟道气组分检测装置对步骤（1）中的烟道气组分进行检测；
（3）当步骤（2）中的烟道气组分未达到最优比例N时，烟道气通过所述三通阀进入所述混合装置；同时，所述纯氧储存装置/制氧机中的纯氧进入所述混合装置与烟道气进行混合；混合后的烟道气再次进入所述注汽锅炉发生器进行燃烧再次产生烟道气；
（4）步骤（3）中产生的烟道气通过烟道气组分检测管路进入所述烟道气组分检测装置进行组分检测，当组分未达到最优比例时重复步骤（3）；
（5）当进行多次循环的烟道气组分达到最优目标比例N时，所述烟道气通过三通阀储存到所述烟道气冷凝过滤装置；
（6）步骤（5）中经过冷凝净化后的烟道气进入所述烟道气增压装置进行增压，当烟道气达到目标压力后，同所述注汽锅炉发生器产生的高压蒸汽一同注入所述注入井。
4.根据权利要求3所述烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油的方法，其特征在于，
步骤（3）中，所述混合后的烟道气中，氧气体积分数始终低于21%。
5.根据权利要求3所述烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油的方法，其特征在于，
所述烟道气组分的最优比例N为二氧化碳在烟道气中的体积分数，根据油藏中原油粘度V进行调整。
6.根据权利要求5所述烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油的方法，其特征在于，
当油藏中500mPa·s≤V≤2000mPa·s时，15%≤N＜40%；
当油藏中2000mPa·s＜V≤5000mPa·s时，40%≤N＜60%；
当油藏中5000mPa·s＜V≤7000mPa·s时，60%≤N＜80%。
7.根据权利要求6所述烟道气多次循环组分优化注蒸汽采油的方法，其特征在于，
当油藏中500mPa·s≤V≤1500mPa·s时，15%≤N＜25%；
当油藏中1500mPa·s＜V≤2000mPa·s时，25%≤N＜40%；
当油藏中2000mPa·s＜V≤5000mPa·s时，40%≤N＜60%；
当油藏中5000mPa·s＜V≤7000mPa·s时，60%≤N＜80%。
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