CN116658138A - 一种催化改质二次增热开发稠油的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种催化改质二次增热开发稠油的装置及方法，包括蒸汽锅炉、催化反应气体提取装置、催化改质换热反应釜、高温封隔器、增压系统、监测系统。其中地面上的催化反应气体提取装置通过气体分离膜提纯混合气体得到CO和H2，进入放置于地下井筒中的催化改质换热反应釜环空，与阶梯状倾斜催化剂盘上催化剂反应生成气液混合物以及放出大量热量；蒸汽锅炉提供蒸汽进入催化改质换热反应釜内腔阶梯状立式盘管，二次增热后，通过增压系统和单向阀注入地层进行驱油。监测系统主要对注入地层的气液混合物进行组成、组分、温度、压力等进行监测，通过电缆反馈至地面电脑，实时监控催化改质换热反应釜内反应效率，通过催化反应气体提取装置中的注气开关调整注入气量，从而保证高反应效率和二次增热效果。本发明催化改质反应替代锅炉提供大量热量给蒸汽，提升注入蒸汽温度，节约能源和减少CO2排放，且反应产物提高重油流动性，反应剩余的非凝析气有利温度扩展和增加压力，达到多维增效、原位改质稠油效果。
Description
技术领域
本发明涉及稠油油藏热力开采领域，特别是涉及一种催化改质二次增热开发稠油的装置及方法。
背景技术
稠油资源占中国石油总资源的20％以上，近年来，稠油年产量基本稳定在1500～1600×104t，约占中国石油年产量的8％，是保证原油稳产的重要组成部分。重油开采常用热力采油包括蒸汽吞吐、蒸汽驱、蒸汽辅助重力泄油(SAGD)、火烧油层、热复合开发，冷采稠油包括掺稀和加化学降粘剂。近40年来逐渐发展起催化剂和供氢剂、空化技术，甚至是利用光催化协同热蒸汽，井下原位催化改质重油。在“碳中和、碳达标”战略目标下，常规稠油开采技术如注蒸汽辅助重力泄油(SAGD)技术存在能耗大、排放温室气体多、消耗水资源大等缺点，且井下原位催化改质反应只是辅助稠油热采，同常规稠油热采技术如SAGD一样，水蒸气来源仍然是燃烧柴油、燃气或燃煤提供，同时水热裂解反应产生大量油田伴生气排放，需要进一步的碳处理投资。除此之外，井下原位催化改质方法催化剂失效后处理回收复杂。
费托合成(FTS)是一种利用催化剂实现合成气(H2/CO)直接转化制备高附加值洁净能源的绿色合成反应。合成气可以来自于煤、天然气、石油伴生气，反应释放超过70kJ/mol的热量，产物包括烷烃、稀烃及其碳氧化合物。特别是海上作业平台或者陆地具有大小限制的平台来说，平台产出的碳氧化合物和H2作为反应物进行催化改质反应，即产即用，大大降低了平台的储气量和气体的释放量。
发明内容
本发明提供一种用于复合热流体多井均质化注入的装置及方法。
本发明的技术方案如下：
一种催化改质二次增热开发稠油的装置，其特征在于，该装置包括蒸汽锅炉、催化反应气体提取装置、催化改质换热反应釜、高温封隔器、增压系统、监测系统。所述的催化改质换热反应釜由内腔和外筒构成；所述的蒸汽锅炉出口与催化改质换热反应釜内腔入口端连接，催化反应气体提取装置出口与催化改质换热反应釜外筒入口端连接；催化改质换热反应釜外筒出口端通过单向阀与催化改质换热反应釜内腔出口端一起连接增压系统，流体通过增压系统进入井筒；所述的催化改质换热反应釜置于油田生产井筒内，并通过高温封隔器阻断井筒内反应釜上下区域间流体交换；所述的监测系统包括温度传感器、气体成分分析仪、电缆和电脑，温度传感器和气体成分分析仪置于增压系统出口端，并通过电缆连接至地面电脑。
上述的一种催化改质二次增热开发稠油的装置，其特征在于，所述催化反应气体提取装置用于收集石油炼化工厂产生的废气，通过气体分离膜得到纯度达90％的CO和H2混合气体，两者体积比例为0.5～1.0。
上述的一种催化改质二次增热开发稠油的装置，其特征在于，所述的气体分离膜为高分子材料复合膜，要求参数：分离SO2、NO2、CH4、CO2、CO、H2混合气时，H2和CO渗透系数10-4～10-1cm3(STP)/(cm2·s·atm)，分离系数α(H2/SO2，CO/SO2，H2/NO2，CO/NO2)>3.0,α(H2/CH4，CO/CH4，H2/CO2，CO/CO2)>3.5，气体分离膜膜厚10-3～0.5cm，孔径小于5～30mm，耐温能力高于150℃，耐压能力大于1.6MPa，耐酸碱PH范围3～9。
上述的一种催化改质二次增热开发稠油的装置，其特征在于，所述催化改质换热反应釜材质为碳素钢，耐温350℃，内腔结构为立式盘管，立管横向长度从上往下递减，保证出口蒸汽速度；外筒内壁等距离分布阶梯状倾斜25°～45°的催化剂盘，催化剂盘上80％靠外分布催化剂，且纵向长度递增分布，促进反应后生成液体运移和防止液体覆盖催化剂催化面积；催化改质反应釜最大外径200mm，间隙范围10～20mm，便于反应后气液混合物通过。阶梯状内腔盘管和外筒内壁催化剂盘结构有利于增大反应面积和换热体积。
上述的一种催化改质二次增热开发稠油的装置，其特征在于，所述的催化改质换热反应釜也可以置于注入井口，此时不需要封隔器。
上述的一种催化改质二次增热开发稠油的装置，其特征在于，可应用于蒸汽驱和蒸汽吞吐开发稠油。
上述的一种催化改质二次增热开发稠油的装置，其特征在于，所述的催化剂为Fe基、Co基。对于蒸汽温度在240～280℃，选择Co基催化剂用于低温催化改质反应合成；对于温度在280～350℃，选择Fe基催化剂用于高温催化改质反应合成。反应效率要求90％，生热量大于70kJ/molC。
一种利用如权利要求1所述装置进行催化改质二次增热开发稠油的方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：
(1)催化改质换热反应釜内催化剂填充；
(2)连接各装置，并置于井筒内；
(3)通过锅炉注入蒸汽，通过监测系统监测注入蒸汽温度、压力稳定后，打开注气开关；
(4)监测注入气液混合物温度、压力、反应效率参数达到所需条件后，保持稳定，此处给定根据注入气速度和产出气成分分析结果计算反应效率的公式，保证反应效率在90％以上；
(5)当温度、压力低于所需条件后，提高注入速度；
(6)反应效率低于90％后，更换催化剂；
(7)将二次加热后的蒸汽注入地层进行驱油。
上述的一种催化改质二次增热开发稠油的方法，其特征在于，所述监测系统通过温度传感器记录蒸汽温度T，地面电脑根据比热容定义公式计算吸热量；气体成分分析仪监控反应后生成物组分组成及未反应完全的CO、H2体积流量VCO、
上述的一种催化改质二次增热开发稠油的方法，其特征在于，所述反应效率计算化学方程式：
反应所需压力为1.6MPa，温度高于270℃，催化剂用Fe基、Co基，轻烃是C1～C4。
上述的一种催化改质二次增热开发稠油的方法，其特征在于，设定注入蒸汽温度为Td和注入压力Pd，当T<Td或P<Pd时，若每6小时调整注气开关增加20％注气量，直至/>若/>每6小时调整注气开关降低25％的注气量，直至/>达到设定温度Td、压力Pd目标后，停止注气量调整，若增加或降低至100％，仍未达到目标，则更换气体分离膜。
上述的一种催化改质二次增热开发稠油的方法，其特征在于，气体成分分析仪和温度传感器通过电缆反馈地面电脑，未反应气体应保持在10～15％以内，C1-C15碳氢化合物中C1-C5占比75％以上，反应后生成物组分组成中C1～C4占比大于45％，所述放出热量满足放热量大于70kJ/molC。否则先调整注入气量，无法满足上述条件则更换催化剂。
上述的一种催化改质二次增热开发稠油的方法，其特征在于，催化剂适用年限A与反应温度Tr、反应压力p、混合气体PH值ph、催化剂类型x、稠油驱替介质类型m有关，一般采用物理实验进行经验公式拟合，其中A与x具有强相关性。
本发明的技术方案具有如下的有益效果：
本发明的一种催化改质二次增热开发稠油的装置及方法，通过催化改质反应提供大量热量给蒸汽，提升温度，节减了供热锅炉燃烧消耗，使得温室气体的释放量减少；采油平台产出的CO和H2作为反应物进行催化改质反应，即产即用，大大降低了平台储气量和气体的释放量；催化改质反应产出的轻烃、液体，可改质重油改善重油流动性；反应剩余的非凝析气增加地层弹性能量，有利热采温度腔均匀扩展。多维增效、原位改质稠油。同时，催化改质换热反应釜的阶梯状内腔盘管和外筒内壁催化剂盘结构有利于增大反应面积和换热体积。协同监测系统动态调整注入气量体积比，保证充分反应向注入蒸汽供热，达到蒸汽二次增热提升注蒸汽热采稠油效果。
附图说明
图1为催化改质二次增热开发稠油装置示意图
图2为催化反应气体提取装置示意图
图3为催化改质换热反应釜内腔和外筒剖面示意图
图4为催化改质换热反应釜在1-1剪切面俯视图
附图标记：1—炼厂供气、2—催化反应气体提取装置、3—蒸汽锅炉、4—高温封隔器、5—水平井直井段、6—催化改质换热反应釜、7—单向阀、8—监测系统地下部分包括温度传感器和气体成分分析仪、9—增压系统、10—电缆、11—稠油油藏、12—地面电脑和信息处理站、13—气体分离膜、14—注气开关、15—立式盘管、16—催化剂盘、17—催化改质换热反应釜外筒入口端、18—催化改质换热反应釜内腔入口端、19—催化改质换热反应釜外筒出口端、20—催化改质换热反应釜内腔出口端、21—催化剂、22—固定螺丝、23—圆形顶盖。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。
图1显示了催化改质二次增热开发稠油装置示意图。如图1所示，该装置包括催化反应气体提取装置2、蒸汽锅炉3、高温封隔器4、催化改质换热反应釜6、增压系统9、监测系统。所述的催化改质换热反应釜6由内腔立式盘管15和外筒构成，外筒内部镶嵌催化剂盘16；所述的蒸汽锅炉出口与催化改质换热反应釜内腔入口端18连接，催化反应气体提取装置出口与催化改质换热反应釜外筒入口端17连接；催化改质换热反应釜外筒出口端19通过单向阀7与催化改质换热反应釜内腔出口端20一起连接增压系统9，流体通过增压系统9进入井筒；所述的催化改质换热反应釜6置于油田生产井筒水平井直井段5内，并通过高温封隔器4阻断井筒内反应釜上下区域间流体交换；所述的监测系统地下部分8包括温度传感器、气体成分分析仪，其余部分为电缆10和电脑12，温度传感器和气体成分分析仪置于增压系统9出口端，并通过电缆10连接至地面电脑12。
本发明工作时，首先向催化改质换热反应釜6内填充催化剂21；连接各装置，并置于井筒内；通过蒸汽锅炉3注入蒸汽，通过监测系统监测温度、压力稳定后，打开注气开关14。
实施过程中，利用催化反应气体提取装置2收集石油炼化工厂产生的废气1，通过气体分离膜13得到纯度达90％的CO和H2混合气体，两者体积比例为0.5～1.0；高纯度混合气体通过催化改质换热反应釜外筒入口端17进入催化改质换热反应釜6的环空中，与催化剂盘16上的催化剂21接触，发生反应并放热。与此同时，蒸汽通过催化改质换热反应釜内腔入口端18进入催化改质换热反应釜6的立式盘管15中，二次增热。反应后气液和蒸汽分别通过催化改质换热反应釜外筒出口端19和催化改质换热反应釜内腔出口端20进入增压装置9。
实施过程中，监测系统通过温度传感器记录蒸汽温度T，地面电脑根据比热容定义公式计算吸热量；气体成分分析仪监控反应后生成物组分组成及未反应完全的CO、H2体积流量监测温度、压力、反应效率参数达到所需条件后，保持稳定，设定注入蒸汽温度为Td和注入压力Pd，当T<Td或P<Pd时，若/>每6小时调整注气开关增加20％注气量，直至/>若/>每6小时调整注气开关14降低25％的注气量，直至/>达到设定温度Td、压力Pd目标后，停止注气量调整，若增加或降低至100％，仍未达到目标，则更换气体分离膜13。此处给定根据注入气速度和产出气成分分析结果计算反应效率的公式，保证反应效率在90％以上；监测系统地下部分8包括气体成分分析仪和温度传感器通过电缆10反馈地面电脑12，未反应气体应保持在10～15％以内，C1-C15碳氢化合物中C1-C5占比75％以上，反应后生成物组分组成中C1～C4占比大于45％，所述放出热量满足放热量大于70kJ/molC。否则先调整注入气量，无法满足上述条件则更换催化剂21。更换失效催化剂时，打开固定螺丝22和圆形顶盖23，更新催化剂盘16上的催化剂21。最后将二次加热后的蒸汽注入稠油油藏11进行驱油。
特别地，本发明中的催化改质换热反应釜也可以置于注入井口，此时不需要封隔器。
特别地，本发明中的一种催化改质二次增热开发稠油的装置，可应用于蒸汽驱和蒸汽吞吐开发稠油。
具体地，气体分离膜为高分子材料复合膜，要求参数：分离SO2、NO2、CH4、CO2、CO、H2混合气时，H2和CO渗透系数10-4～10-1cm3(STP)/(cm2·s·atm)，分离系数α(H2/SO2，CO/SO2，H2/NO2，CO/NO2)>3.0,α(H2/CH4，CO/CH4，H2/CO2，CO/CO2)>3.5，气体分离膜膜厚10-3～0.5cm，孔径小于5～30mm，耐温能力高于150℃，耐压能力大于1.6MPa，耐酸碱PH范围3～9。
具体地，催化改质换热反应釜材质为碳素钢，耐温350℃，内腔结构为立式盘管，立管横向长度从上往下递减，保证出口蒸汽速度；外筒内壁等距离分布阶梯状倾斜25°～45°的催化剂盘，催化剂盘上80％靠外分布催化剂，且纵向长度递增分布，促进反应后生成液体运移和防止液体覆盖催化剂催化面积；催化改质反应釜最大外径200mm，间隙范围10～20mm，便于反应后气液混合物通过。阶梯状内腔盘管和外筒内壁催化剂盘结构有利于增大反应面积和换热体积。
具体地，所述的催化剂为Fe基和Co基。对于蒸汽温度在240～280℃，选择Co基催化剂用于低温催化改质反应合成；对于温度在280～350℃，选择Fe基催化剂用于高温催化改质反应合成。反应效率要求90％，生热量大于70kJ/molC。
具体地，反应效率计算化学方程式：
反应所需压力为1.6MPa，温度高于270℃，催化剂用Fe基、Co基，轻烃是C1～C4。
具体地，催化剂适用年限A与反应温度Tr、反应压力p、混合气体PH值ph、催化剂类型x、载体类型y、助剂类型z、稠油驱替介质类型m有关，一般采用物理实验进行经验公式拟合，其中A与x，y，z具有强相关性。
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件。
在本发明实施例中，开展关于催化改质二次增热开发稠油方法油藏数值模拟的应用研究。
某海上稠油油田油藏埋深220m，油层厚度47m，油藏温度8℃，油藏压力21MPa，油藏条件下原油粘度约170000mPa·s。采用SAGD方式进行稠油热采开发，水平采油井距离油藏底部10m，水平注入井在水平采油井同垂直面，上方5m处，双水平井长度为800m。地面蒸汽锅炉注入水蒸气干度为0.5，温度为300℃，注汽速度为450m3/d。海上平台稳定提供混合气，催化反应物提取装置提供CO和H2总量为8517.5m3/d。
采用如图1所示催化改质二次增热开发稠油装置示意图，催化改质换热反应釜放置于水平井直径段井筒内。采用Fe基催化剂2.2m3，室内物理实验发现再在该温压、PH、稠油驱替介质类型、改质模式条件下，Fe基催化剂工作175天后失效。催化反应效率按90％计算，催化反应后未反应气体为526m3/d，C1-C15占生成物比例45％，其中C1-C5占比75％以上。
数值模拟计算预测项目实施10年，对比纯SAGD开发稠油的方式，该方式与催化改质二次增热开发稠油方法主要不同是，没有催化反应气体提取装置和催化改质换热反应釜，仅蒸汽锅炉注入水蒸气干度为0.5，温度为270℃，注汽速度为450m3/d。
形成的蒸汽腔在同位置参数对比如下：在催化改质二次增热开发稠油方法下，反应可提升水蒸气干度0.16，海上平台减少储气量2.4×107m3，减少7％柴油消耗量，减少CO2排放量4.64×106kg，对比温度提升10℃，对比压力提升162kPa，采收率增加7.7％，累产油46.31×104m3。
Claims (13)
1.一种催化改质二次增热开发稠油的装置，其特征在于，该装置包括蒸汽锅炉、催化反应气体提取装置、催化改质换热反应釜、高温封隔器、增压系统、监测系统。所述的催化改质换热反应釜由内腔和外筒构成；所述的蒸汽锅炉出口与催化改质换热反应釜内腔入口端连接，催化反应气体提取装置出口与催化改质换热反应釜外筒入口端连接；催化改质换热反应釜外筒出口端通过单向阀与催化改质换热反应釜内腔出口端一起连接增压系统，流体通过增压系统进入井筒；所述的催化改质换热反应釜置于油田生产井筒内，并通过高温封隔器阻断井筒内反应釜上下区域间流体交换；所述的监测系统包括温度传感器、气体成分分析仪、电缆和电脑，温度传感器和气体成分分析仪置于增压系统出口端，并通过电缆连接至地面电脑。
2.根据权利要求1所述的一种催化改质二次增热开发稠油的装置，其特征在于，所述催化反应气体提取装置用于收集石油炼化工厂产生的废气，通过气体分离膜得到纯度达90％的CO和H2混合气体，两者体积比例为0.5～1.0。
3.根据权利要求1所述的一种催化改质二次增热开发稠油的装置，其特征在于，所述的气体分离膜为高分子材料复合膜，要求参数：分离SO2、NO2、CH4、CO2、CO、H2混合气时，H2和CO渗透系数10-4～10-1cm3(STP)/(cm2·s·atm)，分离系数α(H2/SO2，CO/SO2，H2/NO2，CO/NO2)>3.0,α(H2/CH4，CO/CH4，H2/CO2，CO/CO2)>3.5，气体分离膜膜厚10-3～0.5cm，孔径小于5～30mm，耐温能力高于150℃，耐压能力大于1.6MPa，耐酸碱PH范围3～9。
4.根据权利要求1所述的一种催化改质二次增热开发稠油的装置，其特征在于，所述催化改质换热反应釜材质为碳素钢，耐温350℃，内腔结构为立式盘管，立管横向长度从上往下递减，保证出口蒸汽速度；外筒内壁等距离分布阶梯状倾斜25°～45°的催化剂盘，催化剂盘上80％靠外分布催化剂，且纵向长度递增分布，促进反应后生成液体运移和防止液体覆盖催化剂催化面积；催化改质反应釜最大外径200mm，间隙范围10～20mm，便于反应后气液混合物通过。阶梯状内腔盘管和外筒内壁催化剂盘结构有利于增大反应面积和换热体积。
5.根据权利要求1所述的一种催化改质二次增热开发稠油的装置，其特征在于，所述的催化改质换热反应釜也可以置于注入井口，此时不需要封隔器。
6.根据权利要求1所述的一种催化改质二次增热开发稠油的装置，其特征在于，可应用于蒸汽驱和蒸汽吞吐开发稠油。
7.根据权利要求1所述的一种催化改质二次增热开发稠油的装置，其特征在于，所述的催化剂为Fe基、Co基。对于蒸汽温度在240～280℃，选择Co基催化剂用于低温催化改质反应合成；对于温度在280～350℃，选择Fe基催化剂用于高温催化改质反应合成。催化反应效率要求90％以上，生热量大于70kJ/molC。
8.一种利用如权利要求1所述装置进行催化改质二次增热开发稠油的方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：
(1)催化改质换热反应釜内催化剂填充；
(2)连接各装置，并置于井筒内；
(3)通过锅炉注入蒸汽，通过监测系统监测注入蒸汽温度、压力稳定后，打开注气开关；
(4)监测注入气液混合物温度、压力、反应效率参数达到所需条件后，保持稳定，此处给定根据注入气速度和产出气成分分析结果计算反应效率的公式，保证反应效率在90％以上；
(5)当温度、压力低于油田矿场要求的数值后，提高注入气体的速度；
(6)反应效率低于90％后，更换催化剂；
(7)将二次加热后的蒸汽注入地层进行驱油。
9.根据权利要求8所述的一种催化改质二次增热开发稠油的方法，其特征在于，所述监测系统通过温度传感器记录蒸汽温度T，地面电脑根据比热容定义公式计算吸热量；气体成分分析仪监控反应后生成物组分组成及未反应完全的CO、H2体积流量VCO、
10.根据权利要求8所述的一种催化改质二次增热开发稠油的方法，其特征在于，所述反应效率计算化学方程式：
反应所需压力为1.6MPa，温度高于270℃，催化剂为Fe基催化剂、Co基催化剂，轻烃是C1～C4。
11.根据权利要求8所述的一种催化改质二次增热开发稠油的方法，其特征在于，设定注入蒸汽温度为Td和注入压力Pd，当T<Td或P<Pd时，若每6小时调整注气开关增加20％注气量，直至/>若/>每6小时调整注气开关降低25％的注气量，直至达到设定温度Td、压力Pd目标后，停止注气量调整，若增加或降低至100％，仍未达到目标，则更换气体分离膜。
12.根据权利要求8所述的一种催化改质二次增热开发稠油的方法，其特征在于，气体成分分析仪和温度传感器通过电缆反馈地面电脑，未反应气体应保持在10～15％以内，C1-C15碳氢化合物中C1-C5占比75％以上，反应后生成物组分组成中C1～C4占比大于45％，所述放出热量满足放热量大于70kJ/molC。否则先调整注入气量，无法满足上述条件则更换催化剂。
13.根据权利要求8所述的一种催化改质二次增热开发稠油的方法，其特征在于，催化剂适用年限A与反应温度Tr、反应压力p、混合气体PH值ph、催化剂类型x、稠油驱替介质类型m有关，一般采用物理实验进行经验公式拟合,其中A与x具有强相关性。
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