WO2019056870A1

WO2019056870A1 - 一种基于最优烟气co2富集率开采稠油油藏的ccus系统及其工作方法

Info

Publication number: WO2019056870A1
Application number: PCT/CN2018/098456
Authority: WO
Inventors: 张超; 李兆敏; 刘建林; 赵东亚; 鹿腾; 武守亚; 郭龙江
Original assignee: 中国石油大学(华东)
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2018-08-03
Publication date: 2019-03-28
Also published as: US20210324716A1; EP3564478A4; US11208872B2; CN107575190B; EP3564478B1; CN107575190A; EP3564478A1

Abstract

公开了一种基于最优烟气CO₂富集率开采稠油油藏的CCUS系统，包括烟气CO₂富集单元、烟气注入单元、稠油热采井组单元和采出气回收单元；烟气CO₂富集单元包括：空气分离富集单元和锅炉注入气预混罐；空气分离富集单元包括：空气分离一级装置：用于将空气初步分离为氧气和氮气；空气分离二级装置：用于对初步分离的部分氧气进一步富集；锅炉注入气预混罐用于混合初步分离的氮气、初步分离的部分氧气和/或进一步富集的氧气。该CCUS系统与传统CCUS系统及流程相比，基于烟气CO₂富集率的实时可调，实现了锅炉烟气净化后直接注入，变CO₂捕集为烟气CO₂富集，大大降低了CCUS流程中CO₂捕集环节的能耗。

Description

一种基于最优烟气CO 2富集率开采稠油油藏的CCUS系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种基于最优烟气CO ₂富集率开采稠油油藏的CCUS系统及其工作方法，属于稠油热采和二氧化碳捕集、利用与埋存的技术领域。

背景技术

2016年4月，国家发改委、国家能源局联合下发了《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》，明确了我国能源技术革命的总体目标，其中提到了“煤炭清洁高效利用技术创新”与“二氧化碳捕集、利用与封存技术创新”两项重点任务，旨在大幅减少能源生产过程污染排放，提供更加低碳的能源技术支撑，构建绿色、低碳的能源技术体系。

我国的能源结构组成中，煤炭占到60％以上。燃煤电厂作为煤炭的使用大户，其产生的烟气是CO ₂的主要排放源，大量的CO ₂排放有碍于我国履行碳减排承诺。CCUS(Carbon Capture，Utilization and Storage)即碳捕获、利用与封存技术，在国内外能源领域已逐渐发展成重要的新兴产业，总体处于研发和示范阶段。国外CCUS项目的捕集技术呈现燃烧前、燃烧后和富氧等多样化的趋势，封存类型主要以驱油利用为主，咸水层封存为辅。国内围绕CCUS开展了基础理论研究、技术研发和工程示范。总体来看，CCUS形成了燃烧后碳捕集+驱油为主的技术路线，以减少捕集能耗、增加CO ₂经济效益为技术路径的发展方向。

中国专利ZL201510227342.1提到，占我国石油总资源约20％以上的稠油油藏，其开发主要依靠包括蒸汽吞吐、蒸汽驱、热水驱、蒸汽辅助重力泄油(SAGD)等热力采油技术，而热力开发过程中所产生的大量锅炉烟气势必会成为CCUS技术应用的主要领域。

目前国内外围绕CCUS相关研究多以高纯CO ₂为主，即实现CCUS的第一步必为如何解决CO ₂的100％捕集，如中国专利：ZL201510201327.X中提到目前CO ₂捕集纯化工艺主要以吸收塔和解吸塔为主体，吸收、解吸过程中能耗较高，该专利文献通过七个热交换以提高烟气二氧化碳捕集回收系统的能量利用率，降低解吸时对外部公用工程热量的需求，进而降低CO ₂捕集纯化能耗，但是CO ₂捕集过程依然呈现高能耗、高成本的特点，制约了CCUS的发展。

锅炉烟气中CO ₂的含量约为15％，N ₂的含量约为80％，因此烟气具有N ₂和CO ₂驱油的双重机理。如何确定最优的CO ₂和N ₂比例，即烟气CO ₂富集率，所述烟气CO ₂富集率是指烟气中CO ₂所占的比例以实现其高效驱油，进而指导烟气CO ₂富集程度，尽可能降低CO ₂捕集成本，最终协同实现CO ₂捕集能耗的降低与CO ₂驱油功效的提高是目前CCUS亟需解决的核心问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于最优烟气CO ₂富集率开采稠油油藏的CCUS系统。

本发明还提供上述CCUS系统的工作方法。

本发明进一步推动CCUS技术在稠油热采领域大规模的应用，变CO ₂捕集为富集，协同实现CO ₂捕集能耗的降低与CO ₂驱油功效的提高，进而实现CCUS全流程的降本增效。

本发明的技术方案如下：

一种基于最优烟气CO ₂富集率开采稠油油藏的CCUS系统，其特征在于，该系统包括烟气CO ₂富集单元、烟气注入单元、稠油热采井组单元和采出气回收单元；

所述烟气CO ₂富集单元包括：空气分离富集单元和锅炉注入气预混罐；

所述空气分离富集单元包括：

空气分离一级装置：用于将空气初步分离为氧气和氮气；

空气分离二级装置：用于对所述初步分离的部分氧气进一步富集；

所述锅炉注入气预混罐用于混合所述初步分离的氮气、初步分离的部分氧气和/或进一步富集的氧气。

根据本发明优选的，所述空气分离一级装置包括空气膜分离一级装置、富氮空气输送管路、第一富氧空气输送管路；所述富氮空气输送管路与富氮气体增压监测罐相连；所述第一富氧空气输送管路通过第二富氧空气输送管路与富氧气体增压监测罐相连。

根据本发明优选的，所述空气分离二级装置包括空气膜分离二级装置，所述第一富氧空气输送管路通过第三富氧空气输送管路、空气膜分离二级装置与富氧气体增压监测罐相连。

根据本发明优选的，所述烟气注入单元包括：通过锅炉注入气稳压器与锅炉注入气预混罐相连的锅炉、所述锅炉的烟气排出口通过锅炉烟气输送管路与烟气监测罐相连。

根据本发明优选的，在所述锅炉烟气输送管路上设置有烟气除尘器、烟气除湿器、烟气脱硫脱硝装置和烟气压缩机。

根据本发明优选的，所述稠油热采井组单元包括热采井井组，所述烟气监测罐通过热采井井口注入装置与所述热采井井组相连，所述锅炉通过蒸汽输送管路与热采井井口注入装置连接。

根据本发明优选的，所述采出气回收单元包括与所述热采井井组相连的气液分离装置，所述气液分离装置还通过采出气输送管路与采出气增压监测罐相连，所述采出气增压监测罐与所述锅炉注入气预混罐相连。

根据本发明优选的，在所述采出气输送管路上设置有采出气净化装置。

上述CCUS系统的工作方法，包括步骤如下：

1)空气分离氮气、氧气按所需比例预混：

当锅炉所需氧气浓度在21％到60％之间时，则只将空气膜分离一级装置投入使用，关闭第二电磁阀和第三电磁阀以切断第三富氧空气输送管路；利用空气膜分离一级装置将空气中氮气和氧气进行一级分离，分离后的富氮气体通过富氮空气输送管路输送至富氮气体增压监测罐，分离后的富氧气体通过第一富氧空气输送管路和第二富氧空气输送管路输送至富氧气体增压监测罐；在所述富氮气体增压监测罐设置有第一气体组分监测模块用于监测氮气比例，在所述富氧气体增压监测罐设置有第二气体组分监测模块用于监测氧气比例；按照所需的氧气浓度调整第一气体质量流量计和第二气体质量流量计分别控制氮气和氧气进入锅炉注入气预混罐的流量，并通过第三气体组分监测模块进一步核对锅炉注入气的氧气浓度是否为所需浓度；

2)氮气、氧气预混后调压、注入锅炉燃烧

利用锅炉注入气稳压器恒定锅炉注入气压力，保证锅炉炉膛内燃烧所需压力后，通过锅炉注入气输送管路输送氮气、氧气预混气至锅炉炉膛燃烧；

3)烟气的监测、浓度调整及注采

锅炉燃烧产生的烟气经锅炉烟气输送管路进入烟气除尘器、烟气除湿器、烟气脱硫脱硝装置，净化后的烟气经烟气压缩机进入烟气监测罐，烟气组分监测模块实时监测烟气监测罐中烟气CO ₂富集率：

如所述烟气CO ₂富集率满足烟气CO ₂富集率最优值，则开启第一电磁阀，经由热采井井口注入装置注入热采井井组中进行辅助采油；

如所述烟气CO ₂富集率未满足烟气CO ₂富集率最优值，则关闭第一电磁阀，开启第二电磁阀，将烟气回注至锅炉注入气预混罐中，通过烟气参与锅炉二次燃烧，进行烟气CO ₂浓度调整，再次进入烟气监测罐中以进行再次判定；其中，所述烟气CO ₂富集率最优值是指按照现有研究方法所确定的；

4)监测热采井井组采出流体

锅炉产生的蒸汽经蒸汽输送管路输送至热采井井口注入装置注入热采井井组中进行稠油热采，热采井井组热采过程中采出流体经气液分离装置进行气液分离，得到的采出液进入油田管汇进行油水分离，得到的采出气经采出气输送管路进入采出气净化装置实现采出气的除湿净化，净化后的采出气进入采出气增压监测罐，通过采出气气体组分监测模块监测采出气气体组分。

根据本发明优选的，在步骤1)中，当锅炉所需氧气浓度为60％-100％时，则将空气膜分离一级装置投入使用的同时，引入空气膜分离二级装置。开启第二电磁阀和第三电磁阀以导通第三富氧空气输送管路，实现对氧气的进一步富集。

本发明的优势在于：

1.本发明所形成的CCUS系统与传统CCUS系统、流程相比，基于烟气CO ₂富集率的实时可调，实现了锅炉烟气净化后直接注入，变CO ₂捕集为烟气CO ₂富集，大大降低了CCUS流程中CO ₂捕集环节的能耗。

2.本发明采用两级空气膜分离系统，根据所需最优烟气CO ₂富集率，确定锅炉注入气的最佳含氧浓度，进而实现空气膜分离所需富氧空气氧浓度的实时可调，避免了常规富氧燃烧过程中空气膜分离制备氧气时所需要的100％富氧，进而降低了空分制氧环节能耗。

3.本发明基于两级空气膜分离系统的富氮空气、锅炉烟气、热采井组采出气的组分监测及实时计算，动态确定三种气源所需要回注锅炉的气量，进而实现锅炉烟气CO ₂富集率的实时精确控制。

4.本发明基于热采井组采出气组分监测，能够实现前期注入烟气封存滞留情况分析，并且当采出气中CO ₂比例较高时，可以通过锅炉燃烧注入气组分及流量调节，实现该部分采出气的回注锅炉，进而回注稠油油藏，降低二氧化碳排放，实现地下封存。

5.利用本发明得到的热采井组产出液的油水比例、产出气的气体组分监测，进而实现对上一阶段确定的烟气CO ₂最优富集率进行再次优化，按照现有的研究方法推算出下一阶段烟气CO ₂最优富集率，实现与稠油油藏开发现状、锅炉燃烧效率的动态匹配。

附图说明

图1为本发明CCUS系统的整体结构示意图；

在图1中：1—空气膜分离一级装置；2—空气膜分离二级装置；3-第一电磁阀；4-第二电磁阀；5-第三电磁阀；6—富氧气体增压监测罐；7—富氮气体增压监测罐；8—第一气体增压模块；9—第二气体增压模块；10—第二气体组分监测模块；11—第一气体组分监测模块；12—第三气体组分监测模块；13—第一气体质量流量计；14—第二气体质量流量计；15—锅炉注入气预混罐；16—第一排空阀；17—第二排空阀；18—安全阀；19—锅炉注入气稳压器；20—锅炉；21—烟气除尘器；22—烟气除湿器；23—烟气脱硫脱硝装置；24—烟气压缩机；25—烟气监测罐；26—烟气组分监测模块；27—安全阀；28—第一电磁阀；29—第二电磁阀；30—热采井井口注入装置；31—热采井井组；32—气液分离装置；33—采出气净化装置；34—采出气增压监测罐；35—采出气气体组分监测模块；36-气体增压模块；37-排空阀。

a—第一富氧空气输送管路；c—第二富氧空气输送管路；d—第三富氧空气输送管路；b—富氮空气输送管路；e—二级富氧空气输送管路；f—二级富氮空气输送管路；g—锅炉注入气输送管路；h—蒸汽输送管路；I—锅炉烟气输送管路；J—采出气输送管路。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

如图1所示。

实施例1、

一种基于最优烟气CO ₂富集率开采稠油油藏的CCUS系统，该系统包括烟气CO ₂富集单元、烟气注入单元、稠油热采井组单元和采出气回收单元；

所述烟气CO ₂富集单元包括：空气分离富集单元和锅炉注入气预混罐15；

所述空气分离富集单元包括：

空气分离一级装置：用于将空气初步分离为氧气和氮气；

所述锅炉注入气预混罐15用于混合所述初步分离的氮气、初步分离的部分氧气和/或进一步富集的氧气。

实施例2、

如实施例1所述的一种基于最优烟气CO ₂富集率开采稠油油藏的CCUS系统，其区别在于，所述空气分离一级装置包括空气膜分离一级装置1、富氮空气输送管路b、第一富氧空气输送管路a；所述富氮空气输送管路b与富氮气体增压监测罐7相连；所述第一富氧空气输送管路a通过第二富氧空气输送管路c与富氧气体增压监测罐6相连。

所述空气分离二级装置包括空气膜分离二级装置2，所述第一富氧空气输送管路a通过第三富氧空气输送管路d、空气膜分离二级装置2与富氧气体增压监测罐6相连。

实施例3、

如实施例1所述的一种基于最优烟气CO ₂富集率开采稠油油藏的CCUS系统，其区别在于，所述烟气注入单元包括：通过锅炉注入气稳压器19与锅炉注入气预混罐15相连的锅炉、所述锅炉的烟气排出口通过锅炉烟气输送管路I与烟气监测罐25相连。

在所述锅炉烟气输送管路I上设置有烟气除尘器21、烟气除湿器22、烟气脱硫脱硝装置23和烟气压缩机24。

实施例4、

如实施例1所述的一种基于最优烟气CO ₂富集率开采稠油油藏的CCUS系统，其区别在于，所述稠油热采井组单元包括热采井井组31，所述烟气监测罐25通过热采井井口注入装置30与所述热采井井组31相连，所述锅炉20通过蒸汽输送管路h与热采井井口注入装置30连接。

实施例5、

如实施例1所述的一种基于最优烟气CO ₂富集率开采稠油油藏的CCUS系统，其区别在于，所述采出气回收单元包括与所述热采井井组31相连的气液分离装置32，所述气液分离装置32还通过采出气输送管路J与采出气增压监测罐34相连，所述采出气增压监测罐34与所述锅炉注入气预混罐15相连。

在所述采出气输送管路J上设置有采出气净化装置33。

实施例6、

上述CCUS系统的工作方法，包括步骤如下：

1)空气分离氮气、氧气按所需比例预混：

当锅炉20所需氧气浓度在21％到60％之间时，则只将空气膜分离一级装置1投入使用，关闭第二电磁阀4和第三电磁阀5以切断第三富氧空气输送管路d；利用空气膜分离一级装置1将空气中氮气和氧气进行一级分离，分离后的富氮气体通过富氮空气输送管路b输送至富氮气体增压监测罐7，分离后的富氧气体通过第一富氧空气输送管路a和第二富氧空气输送管路c输送至富氧气体增压监测罐6；在所述富氮气体增压监测罐7设置有第一气体组分监测模块11用于监测氮气比例，在所述富氧气体增压监测罐6设置有第二气体组分监测模块10用于监测氧气比例；按照所需的氧气浓度调整第一气体质量流量计13和第二气体质量流量计14分别控制氮气和氧气进入锅炉注入气预混罐15的流量，并通过第三气体组分监测模块12进一步核对锅炉注入气的氧气浓度是否为所需浓度；

2)氮气、氧气预混后调压、注入锅炉燃烧

利用锅炉注入气稳压器19恒定锅炉20注入气压力，保证锅炉20炉膛内燃烧所需压力后，通过锅炉注入气输送管路g输送氮气、氧气预混气至锅炉20炉膛燃烧；

3)烟气的监测、浓度调整及注采

锅炉燃烧产生的烟气经锅炉烟气输送管路I进入烟气除尘器21、烟气除湿器22、烟气脱硫脱硝装置23，净化后的烟气经烟气压缩机24进入烟气监测罐25，烟气组分监测模块26实时监测烟气监测罐25中烟气CO ₂富集率：

如所述烟气CO ₂富集率满足烟气CO ₂富集率最优值，则开启第一电磁阀28，经由热采井井口注入装置30注入热采井井组31中进行辅助采油；

如所述烟气CO ₂富集率未满足烟气CO ₂富集率最优值，则关闭第一电磁阀28，开启第二电磁阀29，将烟气回注至锅炉注入气预混罐15中，通过烟气参与锅炉20二次燃烧，进行烟气CO ₂浓度调整，再次进入烟气监测罐25中以进行再次判定；其中，所述烟气CO ₂富集率最优值是指按照现有研究方法所确定的；在本发明的实施例中，所述烟气CO2富集率最优值可按照以下研究方法进行确定：

王学忠等，水平井、氮气及降黏剂辅助蒸汽吞吐技术——以准噶尔盆地春风油田浅薄层超稠油为例[J].石油勘探与开发，2013，40(1)：2-0。一文中提到稠油热采过程中氮气的注入能够补充地层能量，且氮气在地层中其密度较小，上浮过程中能够起到保温作用，进而提高蒸汽热效率、提高原油采收率。

陶磊等，二氧化碳辅助蒸汽吞吐开采超稠油机理——以王庄油田郑411西区为例[J].油气地质与采收率，2009(1)。一文中提到稠油热采过程中二氧化碳的注入能够降低原油粘度、补充地层能量，进而提高原油流动能力，提高原油采收率。

张超等，烟道气在风城稠油油藏中的溶解特性研究[J].西安石油大学学报：自然科学版，2013，28(6)：90-94。一文中提到模拟烟气中二氧化碳比例为20％，氮气比例为80％，注入超稠油后能够降低原油粘度比例最大可达54.14％。

鉴于以上已有研究可发现，烟气兼具氮气、二氧化碳两种气体提高原油采收率的机理，但是烟气中二氧化碳的比例，也就是烟气CO ₂富集率与提高稠油开采效率存在一定的关系，为便于描述此处定义公式：

其中，y为稠油油藏经济采收率，函数

为单位体积氮气注入后增产原油所得经济效益，函数

为单位体积二氧化碳注入后增产原油所得经济效益，函数f _烟气为单位体积烟气注入后增产原油所得经济效益；基于室内氮气、二氧化碳、烟气与目标稠油油藏原油的溶解降粘实验，以及数值模拟技术，利用公式(1)优化得到稠油油藏经济采收率与纯氮气、纯二氧化碳气体以及含有不同氮气和二氧化碳浓度比例烟气的关系曲线，即与烟气CO ₂富集率的关系曲线；

任国平等，富氧燃烧技术在150t/h循环流化床锅炉中的应用探析[J].煤炭加工与综合利用，2013(5):61-64。一文中提到富氧燃烧技术能够提高锅炉效率，节能环保。然而提高锅炉效率、降低锅炉能耗，与空气膜分离制备氧气所需的能量消耗需要进行优化，为了便于描述此处定义公式：

其中，Z为锅炉经济燃烧效率，函数

为空气膜分离制备不同浓度氧气所消耗的能量，函数f _锅炉为锅炉充入不同浓度氧气所对应的锅炉效率；基于该公式(2)优化得到锅炉经济燃烧效率与不同氧气浓度之间关系，然而不同氧气浓度又对应着锅炉燃烧所产生的烟气中不同的氮气和二氧化碳的比例，即烟气CO2富集率，因而通过公式(2)计算得到锅炉经济燃烧效率与锅炉燃烧所产生的烟气中CO ₂富集率之间的关系曲线；

通过稠油油藏经济采收率与烟气CO ₂富集率的关系曲线与锅炉经济燃烧效率与锅炉燃烧所产生的烟气中CO ₂富集率之间的关系曲线，基于稠油油藏经济采收率与锅炉经济燃烧效率双目标最优，且全流程能耗最低进行优化得到能够满足锅炉经济燃烧效率与稠油油藏经济采收率同时最优的烟气CO ₂富集率，该富集率即为一种基于最优烟气CO ₂富集率开采稠油油藏的CCUS系统中所需要优化出的烟气CO ₂富集率。

需注意的是，根据稠油油藏热采所采用的不同开发方式，如蒸汽吞吐、蒸汽驱等，以及各开发方式不同的开发阶段，如蒸汽吞吐第一轮次、第二轮次等，所需要优化得到的烟气CO ₂富集率是各不相同的，因此本发明中基于公式(1)进行稠油油藏经济采收率与烟气CO2富集率优化时，所用到的室内氮气、二氧化碳、烟气与目标稠油油藏原油的溶解降粘实验、以及数值模拟技术是根据稠油油藏热采不同开发阶段所取得的稠油油藏地层原油油样，结合各阶段监测井监测得到的油藏实时地质参数开展优化得到的，以实现基于上述优化方法实时优化出各阶段所需注入的烟气CO ₂富集率最优值，以指导本发明所提到的CCUS系统的整体运行。

本发明实施例中，实时控制烟气CO ₂富集率的方法如下：

在油田现场进行烟气注入时，一般烟气注入的量较大，而进行烟气CO2富集率调节时，一般经过锅炉的两到三次循环即可将烟气CO ₂富集率调节至所需范围，因为烟气CO2最优富集率一般为某一数值上下浮动5％，因此调节起来还是比较容易实现，并且该过程能够较快实现(相对于整体注入时间来说)。另外，在烟气注入过程中需要进行烟气CO2富集率调节时，调节过程所需要的时间可以对油井进行短时间停注，以实现二者时间匹配。并且，稠油油藏开采还是以注蒸汽为主，因此在注蒸汽的过程中，烟气CO2富集率是实时调整的，因而有足够时间调整烟气CO2的富集率。

4)监测热采井井组采出流体

锅炉20产生的蒸汽经蒸汽输送管路h输送至热采井井口注入装置30注入热采井井组31中进行稠油热采，热采井井组31热采过程中采出流体经气液分离装置32进行气液分离，得到的采出液进入油田管汇进行油水分离，得到的采出气经采出气输送管路J进入采出气净化装置33实现采出气的除湿净化，净化后的采出气进入采出气增压监测罐34，通过采出气气体组分监测模块35监测采出气气体组分。

根据采出液中油水比例可以推算地层稠油油藏剩余油分布情况，进而指导该阶段的数值模拟，调整油藏实时含油饱和度进行后续计算，以实现烟气注入阶段烟气CO ₂富集率最优值的实时优化，确定下一阶段烟气CO ₂富集率的最优值；根据采出气气体组分监测模块35监测得到的采出气气体组分，可以确定前期所注入烟气在地层稠油油藏的波及情况，进而指导后续烟气注入阶段烟气CO ₂富集率最优值的实时优化，以确定下一阶段烟气CO ₂富集率的最优值，并且当采出气中二氧化碳比例升高时，可以实时控制气体增压模块36和排空阀37的开启，将含有高浓度二氧化碳气体的采出气进行回注至锅炉注入气预混罐15，参与锅炉注入气氧气浓度的调节，以实现全流程二氧化碳气体的较低排放，使得二氧化碳尽可能多地在地层稠油油藏中封存增油。

实施例7、

如实施例6所述的CCUS系统的工作方法，其区别在于，在步骤1)中，当锅炉20所需氧气浓度为60％-100％时，则将空气膜分离一级装置1投入使用的同时，引入空气膜分离二级装置2。开启第二电磁阀4和第三电磁阀5以导通第三富氧空气输送管路d，实现对氧气的进一步富集。

应用例1、

如实施例6、7所述的CCUS系统的工作方法应用于胜利油田某稠油蒸汽吞吐井组开采初期时：

(1)地层剩余油饱和度较高，由于是蒸汽吞吐前期，烟气注入以补充地层能量为主，且此时希望所注入地层的烟气能够在重力超覆作用下产生上浮，在油层上部形成烟气盖层以实现油层保温，在此思想的指导下，结合室内不同烟气CO ₂富集率的烟气与地层原油的溶解降粘增能实验、烟气辅助蒸汽吞吐的数值模拟优化，并考虑锅炉燃烧效率，优化得到该阶段烟气CO ₂富集率最优值在40％～55％之间；

(2)鉴于所需烟气CO ₂富集率最优值为40％～55％，因此只需利用空气膜分离一级装置1制备富氧空气，通过控制空气膜分离一级装置1制备富氧浓度在45％～60％的富氧空气，输送至富氧气体增压监测罐6，并通过第二气体组分监测模块10实时监测富氧气体增压监测罐6中氧气和氮气比例，实时反馈调整空气膜分离一级装置1以稳定氧气浓度恒定在45％～60％；

(3)设置第二气体质量流量计14，以一定流量，基于第一气体增压模块8将富氧气体增压监测罐6中的富氧气体输送至锅炉注入气预混罐15，并参考第二气体组分监测模块10实时监测得到的富氧气体增压监测罐6中氧气和氮气比例，按照一定流量开启第一气体质量流量计13，基于第二气体增压模块9向锅炉注入气预混罐15输送特定比例的富氮气体以进一步修正锅炉注入气预混罐15中氧气和氮气比例，使其控制在45％～60％范围之内；

(4)通过锅炉注入气稳压器19恒定锅炉注入气压力以保证锅炉20炉膛内燃烧所需压力后，通过锅炉注入气输送管路g至锅炉20炉膛进行燃烧，锅炉20产生的蒸汽通过井口注入装置30按照蒸汽吞吐注入工艺参数注入热采井井组31，锅炉20产生的烟气经由锅炉烟气输送管路I进入烟气除尘器21、烟气除湿器22、烟气脱硫脱硝装置23进行净化处理，然后经由烟气压缩机24增压进入烟气监测罐25，此时烟气组分监测模块26开始工作实时监测烟气监测罐25中烟气CO2富集率，如若满足所需烟气CO ₂富集率最优值在40％～55％之间，则开启第一电磁阀28，通过井口注入装置30按照注入工艺参数注入热采井井组31，如若不满足烟气CO ₂富集率最优值在40％～55％之间，则开启第二电磁阀29，将烟气回注至锅炉注入气预混罐15，并基于第三气体组分监测模块12实时反馈的锅炉20注入气氧气和氮气比例，进行实时修正，同步调整第一气体质量流量计13、第二气体质量流量计14，以保证再次循环燃烧后所产生的锅炉烟气能够达到烟气CO ₂富集率最优的范围；

(5)热采井井组31闷井一定时间后，进行生产时，基于气液分离装置32将热采井井组31产出液进行气液分离，将分离得到的采出气通过采出气输送管路J输送至采出气净化装置33进行采出气除湿净化，然后进入采出气增压监测罐34，气体组分监测模块35开始工作，监测采出气组分，并通过气体增压模块36对采出气进行增压，可回注至锅炉注入气预混罐15进行采出气再利用，进行再次循环辅助燃烧。

应用例2、

如实施例6、7所述的CCUS系统的工作方法应用于胜利油田某稠油蒸汽吞吐井组进入蒸汽吞吐中期时：

(1)此时地层剩余油饱和度进一步降低，前期注入的烟气在重力超覆作用下已经上浮形成盖层，并且前期注入的蒸汽降粘幅度以维持在一定水平，此时希望注入烟气中CO ₂比例提高，以实现CO ₂在原油中的溶解降粘，并进一步增加地层能量，因此结合室内不同烟气CO ₂富集率的烟气与地层原油的溶解降粘增能实验、烟气辅助蒸汽吞吐的数值模拟优化，并考虑锅炉燃烧效率，优化得到该阶段烟气CO ₂富集率最优值在70％～80％之间；

(2)此时需要开启空气膜分离二级装置2，并控制其膜组件，制备二级富氧空气，使得其氧气浓度控制在80％～85％，然后将两级空气膜分离装置所制备的富氧空气通过控制其注入比例，混合输送至富氧气体增压监测罐6，并开启第二气体组分监测模块10，实时监测富氧气体增压监测罐6中氧气浓度，并反馈至空气膜分离二级装置2，以进一步调整二级富氧空气中氧气浓度；

(3)结合第三气体组分监测模块12实时测得的锅炉注入气预混罐15中的氧气浓度，控制第一气体质量流量计13、第二气体质量流量计14，进一步调整锅炉注入气预混罐15中的氧气浓度，通过锅炉注入气稳压器19恒定锅炉注入气压力以保证锅炉20炉膛内燃烧所需压力后，通过锅炉注入气输送管路g输送至锅炉20炉膛进行燃烧，锅炉20产生的蒸汽通过井口注入装置30按照蒸汽吞吐注入工艺参数注入热采井井组31，锅炉20产生的烟气经由锅炉烟气输送管路I进入烟气除尘器21、烟气除湿器22、烟气脱硫脱硝装置23进行净化处理，然后经由烟气压缩机24增压进入烟气监测罐25，此时烟气组分监测模块26开始工作实时监测烟气监测罐25中烟气CO2富集率，如若满足所需烟气CO ₂富集率最优值在70％～80％之间，则开启第一电磁阀28，通过井口注入装置30按照注入工艺参数注入热采井井组31，如若不满足烟气CO ₂富集率最优值在70％～80％之间，则开启第二电磁阀29，将烟气回注至锅炉注入气预混罐15，并基于第三气体组分监测模块12实时反馈的锅炉注入气氧气和氮气比例，进行实时修正，同步调整第一气体质量流量计13、第二气体质量流量计14，以保证再次循环燃烧后所产生的锅炉烟气能够达到烟气CO ₂富集率最优的范围；

(4)热采井井组31闷井一定时间后，进行生产时，基于气液分离装置32将热采井井组31产出液进行气液分离，将分离得到的采出气通过采出气输送管路J输送至采出气净化装置33进行采出气除湿净化，然后进入采出气增压监测罐34，采出气气体组分监测模块35开始工作，监测采出气组分，并通过气体增压模块36对采出气进行增压，可回注至锅炉注入气预混罐15进行采出气再利用，进行再次循环辅助燃烧。

Claims

一种基于最优烟气CO ₂富集率开采稠油油藏的CCUS系统，其特征在于，该系统包括烟气CO ₂富集单元、烟气注入单元、稠油热采井组单元和采出气回收单元；

所述烟气CO ₂富集单元包括：空气分离富集单元和锅炉注入气预混罐；

所述空气分离富集单元包括：

空气分离一级装置：用于将空气初步分离为氧气和氮气；

空气分离二级装置：用于对所述初步分离的部分氧气进一步富集；

所述锅炉注入气预混罐用于混合所述初步分离的氮气、初步分离的部分氧气和/或进一步富集的氧气。
根据权利要求1所述的一种基于最优烟气CO ₂富集率开采稠油油藏的CCUS系统，其特征在于，所述空气分离一级装置包括空气膜分离一级装置、富氮空气输送管路、第一富氧空气输送管路；所述富氮空气输送管路与富氮气体增压监测罐相连；所述第一富氧空气输送管路通过第二富氧空气输送管路与富氧气体增压监测罐相连。
根据权利要求1所述的一种基于最优烟气CO ₂富集率开采稠油油藏的CCUS系统，其特征在于，所述空气分离二级装置包括空气膜分离二级装置，所述第一富氧空气输送管路通过第三富氧空气输送管路、空气膜分离二级装置与富氧气体增压监测罐相连。
根据权利要求1所述的一种基于最优烟气CO ₂富集率开采稠油油藏的CCUS系统，其特征在于，所述烟气注入单元包括：通过锅炉注入气稳压器与锅炉注入气预混罐相连的锅炉、所述锅炉的烟气排出口通过锅炉烟气输送管路与烟气监测罐相连。
根据权利要求4所述的一种基于最优烟气CO ₂富集率开采稠油油藏的CCUS系统，其特征在于，在所述锅炉烟气输送管路上设置有烟气除尘器、烟气除湿器、烟气脱硫脱硝装置和烟气压缩机。
根据权利要求1所述的一种基于最优烟气CO ₂富集率开采稠油油藏的CCUS系统，其特征在于，所述稠油热采井组单元包括热采井井组，所述烟气监测罐通过热采井井口注入装置与所述热采井井组相连，所述锅炉通过蒸汽输送管路与热采井井口注入装置连接。
根据权利要求1所述的一种基于最优烟气CO ₂富集率开采稠油油藏的CCUS系统，其特征在于，所述采出气回收单元包括与所述热采井井组相连的气液分离装置，所述气液分离装置还通过采出气输送管路与采出气增压监测罐相连，所述采出气增压监测罐与所述锅炉注入气预混罐相连。
根据权利要求7所述的一种基于最优烟气CO ₂富集率开采稠油油藏的CCUS系统，其特征在于，在所述采出气输送管路上设置有采出气净化装置。
如权利要求1-8任意一项所述CCUS系统的工作方法，其特征在于，该工作方法包括步骤如下：

1)空气分离氮气、氧气按所需比例预混：

当锅炉所需氧气浓度在21％到60％之间时，则只将空气膜分离一级装置投入使用；利用空气膜分离一级装置将空气中氮气和氧气进行一级分离，分离后的富氮气体通过富氮空气输送管路输送至富氮气体增压监测罐，分离后的富氧气体通过第一富氧空气输送管路和第二富氧空气输送管路输送至富氧气体增压监测罐；在所述富氮气体增压监测罐设置有第一气体组分监测模块用于监测氮气比例，在所述富氧气体增压监测罐设置有第二气体组分监测模块用于监测氧气比例；按照所需的氧气浓度调整第一气体质量流量计和第二气体质量流量计分别控制氮气和氧气进入锅炉注入气预混罐的流量，并通过第三气体组分监测模块进一步核对锅炉注入气的氧气浓度是否为所需浓度；

2)氮气、氧气预混后调压、注入锅炉燃烧

利用锅炉注入气稳压器恒定锅炉注入气压力，保证锅炉炉膛内燃烧所需压力后，通过锅炉注入气输送管路输送氮气、氧气预混气至锅炉炉膛燃烧；

3)烟气的监测、浓度调整及注采

锅炉燃烧产生的烟气经锅炉烟气输送管路进入烟气除尘器、烟气除湿器、烟气脱硫脱硝装置，净化后的烟气经烟气压缩机进入烟气监测罐，烟气组分监测模块实时监测烟气监测罐中烟气CO ₂富集率：

如所述烟气CO ₂富集率满足烟气CO ₂富集率最优值，则开启第一电磁阀，经由热采井井口注入装置注入热采井井组中进行辅助采油；

如所述烟气CO ₂富集率未满足烟气CO ₂富集率最优值，则关闭第一电磁阀，开启第二电磁阀，将烟气回注至锅炉注入气预混罐中，通过烟气参与锅炉二次燃烧，进行烟气CO ₂浓度调整，再次进入烟气监测罐中以进行再次判定；

4)监测热采井井组采出流体

锅炉产生的蒸汽经蒸汽输送管路输送至热采井井口注入装置注入热采井井组中进行稠油热采，热采井井组热采过程中采出流体经气液分离装置进行气液分离，得到的采出液进入油田管汇进行油水分离，得到的采出气经采出气输送管路进入采出气净化装置实现采出气的除湿净化，净化后的采出气进入采出气增压监测罐，通过采出气气体组分监测模块监测采出气气体组分。
如权利要求9所述CCUS系统的工作方法，其特征在于，在步骤1)中，当锅炉所需氧气浓度为60％-100％时，则将空气膜分离一级装置投入使用的同时，引入空气膜分离二级装置。