CN202611674U - 以氮气作保护膜的超临界水氧化流体注采系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种以氮气作保护膜的超临界水氧化流体注采系统，包括空分设备、气膜反应器、井筒和注入管道，注入管道设置于井筒中，空分设备的氧气出口通过氧气增压泵与气膜反应器上端的氧气入口相通，空分设备的氮气出口通过氮气增压泵分三路分别与气膜反应器侧面的上氮气入口、下氮气入口、井筒与注入管道之间的间隙相通，气膜反应器上端还设有分别与燃料装置、水增压预热装置相连的燃料入口和水入口；气膜反应器的下端设有与注入管道相连通的出口。本实用新型采用以氧气作为氧化剂，以氮气作为反应器和井筒的保护膜，通过超临界水氧化燃料，利用生成的多元热流体注入油井中，降低稠油粘度，提高采油率。

Description

以氮气作保护膜的超临界水氧化流体注采系统

技术领域

本实用新型涉及能源与环境领域，尤其是一种以氮气作保护膜的超临界水氧化流体注采系统。

背景技术

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。稠油由于粘度高，给开采、集输和加工带来很大困难。注蒸汽热力采油是开发稠油油藏的有效手段。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。

多元热流体（N₂+CO₂+水蒸汽）是综合提高原油采收率装置产生的混合物与泡沫剂混合形成的高效驱油体系, 兼具氮气、二氧化碳、热力采油等多种工艺的特点, 将其直接注入油层，从而增加油层压力，降低原油粘度，提高驱油波及面积, 达到提高原油采收率的目的。一方面，采用多元热流体采油技术能够有效控制蒸汽窜流，提高采油率；另一方面，热能使近井地带结蜡和沥青质溶解，通过注入后放压，使注入的非凝结气体高速流出，携带出近井地带污染物，达到增产效果。实践证明，这一创新技术能使我国东部老油田原油采收率再提高5%至20%。

目前的多元热流体是通过采用火箭动力原理的采油设备产生的。这种采油设备被称为火箭动力系统，其工作原理为：利用火箭发动机的燃烧喷射机理，将发动机固定安装在主机舱内点火燃烧，将燃烧所产生的高压水蒸汽、二氧化碳、氮气等混合气体，通过油井进口直接注入油层，增加油层压力，降低原油黏度，进而提高驱油效率。但是反应原料在燃烧室的反应温度可达约3500K，这个温度远超出喷嘴和燃烧室材料的熔点，因此必须采用冷却系统来防止材料过热。所有的冷却措施都是在室壁形成一层隔离层，但燃烧不稳定或冷却系统故障常常会导致边界层的保护中断，随后导致室壁被破坏。

超临界水氧化法是在超过水的临界温度374℃和临界压力22.05MPa的高温高压条件下，以空气或其他氧化剂，将有机物或还原性无机物在水相中“燃烧”氧化的方法。超临界水具有类似液体的密度、溶解能力和良好的流动性，同时又具有类似气体的扩散系数和低黏度。在超临界水中，气液两相的相界面消失，有机物及氧化剂空气在超临界水中完全混溶，形成均一相体系，反应速度大大加快。在很短的反应停留时间内，99.99%以上的有机物迅速燃烧氧化成二氧化碳、水，反应产物中还包括空气中未参与反应的氮气。该反应产物与上述多元热流体的组分相似，且温度压力范围可调节。此外，该技术燃料适应性广，各类有机废水、油类等均可作为燃料燃烧。

但是超临界水氧化反应条件苛刻，在高温高压且有氧的条件下，会对反应器壁产生腐蚀；此外超临界水是一种非极性溶剂，无机盐在超临界水中的溶解度会急剧下降，从而形成无机盐的沉淀，严重时引起反应器或系统管路的堵塞。因此，腐蚀和堵塞问题成为制约超临界水氧化技术发展的瓶颈。水膜反应器作为一种能同时解决超临界水氧化技术过程中面临的腐蚀和盐沉积两大难题的方法，近年来引起了国内外学者的关注，已取得一定成果，但是在油田中去离子水的难以获得及造价高等问题使其难以大规模用于超临界水氧化流体注采工艺中。

实用新型内容

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种以氮气作保护膜的超临界水氧化流体注采系统，本实用新型采用以氧气作为氧化剂，以氮气作为反应器和井筒的保护膜，通过超临界水氧化燃料，利用生成的多元热流体注入油井中，降低稠油粘度，进而提高采油率。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种以氮气作保护膜的超临界水氧化流体注采系统，包括空分设备、燃料装置、水增压预热装置、氧气增压泵、氮气增压泵、气膜反应器、井筒和注入管道，注入管道设置于井筒中，所述空分设备的氧气出口通过氧气增压泵与气膜反应器上端的氧气入口相通，所述空分设备的氮气出口通过氮气增压泵分三路分别与气膜反应器侧面的上氮气入口、下氮气入口、井筒与注入管道之间的间隙相通，所述气膜反应器上端还设有分别与燃料装置、水增压预热装置相连的燃料入口和水入口；气膜反应器的下端设有与注入管道相连通的出口。

所述空分设备的氮气出口与气膜反应器侧面的上氮气入口、下氮气入口、井筒与注入管道之间的间隙相连通的管道上分别设有第一氮气流量调节阀、第二氮气流量调节阀和第三氮气流量调节阀。

所述气膜反应器内设有与气膜反应器内腔相配合的多孔壁，多孔壁与气膜反应器内壁之间有间隙。

所述燃料装置包括燃料罐、燃料增压泵，燃料罐出口通过燃料增压泵与气膜反应器上端的燃料入口相连通。

所述水增压预热装置包括储水罐、水增压泵及水预热器，储水罐通过水增压泵、水预热器与气膜反应器上端的水入口相连通。

所述井筒的上端与注入管道之间设有与间隙相通的油井氮气入口，空分设备的氮气出口的其中一路经氮气增压泵、第三氮气流量调节阀与油井氮气入口相通。

所述注入管道上半部分穿过并焊接在连接法兰上，连接法兰与井筒上端口相连。

所述气膜反应器的下端出口与注入管道相连通的管道上设有多元热流体压力调节阀。

一种以氮气作保护膜的超临界水氧化流体注采工艺，步骤如下：

（1）空气通过空分设备分离为氮气和氧气，其中氧气经过氧气增压泵升压至22.1-30MPa，燃料经燃料增压泵升压至22.1-30MPa，水经水增压泵升压至22.1-30MPa后预热至300-600℃，三者均从气膜反应器顶部注入；

（2）从气膜反应器顶部注入的氧气、燃料、水在反应器上部进行超临界水氧化反应，产物为二氧化碳、剩余氧气、水；

（3）通过空分设备分离出的一部分氮气，经过氮气增压泵升压至22.1-30MPa后从气膜反应器侧面通过多孔壁注入，作为气膜反应器的气体保护膜，将反应器器壁与超临界水氧化反应区域分离；

（4）超临界水氧化反应产物与作为反应器的气体保护膜的氮气在气膜反应器下部混合后的混合物从气膜反应器下部出口流出，经过多元热流体压力调节阀调压后，通过焊接在连接法兰上的注入管道注入油井中；

（5）通过空分设备分离出的另一部分氮气，通过第三氮气压力调节阀调压至与经过多元热流体压力调节阀调压后的混合物压力一致，注入管道与井筒间的间隙中，作为井筒的保护膜。

步骤（1）和步骤（2）中的燃料为就地采取的原油或高浓度采油废水或其它可在超临界水氧化环境中反应放热的燃料，无需提前预热。

步骤（1）中反应器顶部注入的水为普通水，经过增压和预热后温度为300-600℃，压力为22.1-30MPa，为超临界水氧化反应提供初始能量。

步骤（4）中气膜反应器出口的混合物流体经多元热流体压力调节阀调压后，其压力为5-30MPa，温度150-350℃。

本实用新型的氧化剂为通过空分设备产生的氧气，燃料为就地采取的原油、高浓度采油废水或其它可在超临界水氧化环境中反应放热的燃料。反应器顶部注入的水为普通水，经过增压和预热后温度为300-600℃，压力为22.1-30MPa，为超临界水氧化反应提供初始能量。为避免燃料在预热阶段结焦等问题，燃料在进入反应器前不进行预热，完全依靠上述所说的水提供热源。

从气膜反应器顶部注入的氧气、燃料、预热后的水在反应器上部进行超临界水氧化反应，产物为二氧化碳、剩余氧气、水，同时放出大量热量。

通过上述工艺，可实现超临界水氧化流体用于油田注采，同时能够解决反应过程的腐蚀和盐沉积问题。通过气膜对反应器进行保护，实现设备长期安全稳定运行。采用空分设备产生的氮气作为气膜，通过多孔壁注入反应器，低温的氮气和高温的超临界水氧化产物之间会形成一个边界层，将超临界水氧化的反应区与反应器壁隔离开来；另一方面，反应器壁一直有连续的气泡产生，使无机盐无法固着于壁面，也避免了结垢问题。为避免反应器上部充入氮气过多会影响超临界水氧化反应的正常进行，氮气从反应器侧面分为上下两段通过多孔壁注入，可调节上下两段的比例来满足运行要求。最终超临界水氧化的产物与氮气完全混合后，一起从反应器下部流出。多元热流体经过压力调节阀调压至适合油田注采的流体参数，经注入管道进入油井，该管道可方便拆卸。同时，注入管道和井筒间用氮气填充，作为保护气，氮气的压力与管道内的流体压力一致，降低了对注入管道的材质要求，避免了对井筒的腐蚀，同时，注入管道损坏后还可方便更换。

本实用新型通过超临界水氧化燃料，产生的多元热流体注入到油井中，降低稠油粘度，提高采油率，具有非常广阔的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型流程示意图。

图中：1-空分设备、2-氧气增压泵、3-氧气入口、4-燃料罐、5-燃料增压泵、6-燃料入口、7-储水罐、8-水增压泵、9-水预热器、10-水入口、11-气膜反应器、12-多孔壁、13-氮气增压泵、14-第一氮气流量调节阀、15-上氮气入口、16-第二氮气流量调节阀、17-下氮气入口、18-第三氮气压力调节阀、19-油井氮气入口、20-多元热流体压力调节阀、21-连接法兰、22-井筒、23-注入管道。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

实施例1：

如图1所示，燃料罐4中的原油经燃料增压泵5升压至23MPa，从燃料入口6注入气膜反应器11；经空分设备1产生的氧气经氧气增压泵2升压至23MPa，从氧气入口3注入气膜反应器11；储水罐7中的水经水增压泵8升压至23MPa，经过水预热器9预热至300-600℃，通过水入口10从上部注入气膜反应器。三者通过喷嘴混合后在气膜反应器11上部发生超临界水氧化反应，生成二氧化碳和水。空分设备1产生的一部分氮气经过氮气增压泵13增压至23MPa后分为上下两路，经第一、第二氮气流量调节阀14、16调节流量后，经气膜反应器的上、下氮气入口15、17，通过多孔壁12进入气膜反应器11，在器壁上产生一层气膜，以保护反应器免受腐蚀，同时避免无机盐在反应器壁上的结垢。

超临界水氧化反应产物二氧化碳、水、剩余氧气及作为保护膜的氮气一起从气膜反应器下部流出，通过多元热流体压力调节阀20调压至5-30MPa，通过注入管道23注入油井。空分设备1产生的另一部分氮气经氮气增压泵13增压至23MPa后，通过第三氮气压力调节阀18调压至与经过多元热流体压力调节阀20调压后的产物压力一致，经连接法兰21上的油井氮气入口19注入管道23与井筒22间的间隙中，作为井筒22的保护膜。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处，是将原油替换成高浓度采油废水，在产生多元热流体的同时，还能实现采油废水的无害化处理，具有良好的环境效应，其余流程与实施例1相同。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种以氮气作保护膜的超临界水氧化流体注采系统，其特征是，包括空分设备、燃料装置、水增压预热装置、氧气增压泵、氮气增压泵、气膜反应器、井筒和注入管道，注入管道设置于井筒中，所述空分设备的氧气出口通过氧气增压泵与气膜反应器上端的氧气入口相通，所述空分设备的氮气出口通过氮气增压泵分三路分别与气膜反应器侧面的上氮气入口、下氮气入口、井筒与注入管道之间的间隙相通，所述气膜反应器上端还设有分别与燃料装置、水增压预热装置相连的燃料入口和水入口；气膜反应器的下端设有与注入管道相连通的出口。

2.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述空分设备的氮气出口与气膜反应器侧面的上氮气入口、下氮气入口、井筒与注入管道之间的间隙相连通的管道上分别设有第一氮气流量调节阀、第二氮气流量调节阀和第三氮气流量调节阀。

3.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述气膜反应器内设有与气膜反应器内腔相配合的多孔壁，多孔壁与气膜反应器内壁之间有间隙。

4.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述气膜反应器的下端出口与注入管道相连通的管道上设有多元热流体压力调节阀。

5.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述燃料装置包括燃料罐、燃料增压泵，燃料罐出口通过燃料增压泵与气膜反应器上端的燃料入口相连通。

6.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述水增压预热装置包括储水罐、水增压泵及水预热器，储水罐通过水增压泵、水预热器与气膜反应器上端的水入口相连通。

7.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述井筒的上端与注入管道之间设有与间隙相通的油井氮气入口，空分设备的氮气出口的其中一路经氮气增压泵、第三氮气流量调节阀与油井氮气入口相通。

8. 如权利要求1所述的系统，其特征是，所述注入管道上半部分穿过并焊接在连接法兰上，连接法兰与井筒上端口相连。