一种用于稠油热采集成式的多元热流体发生系统及方法

1.本发明属于稠油热采技术领域，涉及一种用于稠油热采集成式的多元热流体发生系统及方法。


背景技术：

2.稠油因其重质组分含量高、黏度大、流动性差，开采难度极大，主要依靠热力采油方法进行开采。然而，海上存在自然环境恶劣、平台工作空间有限等因素，使得常规的热采技术，如蒸汽吞吐、蒸汽驱、热水驱、火烧油层等技术并不适用。2008年研究人员开发了一套多元热流体热采技术，并在海上平台的实际应用中取得了明显的增产效果。然而该技术存在以下局限性，依赖高品质燃料(柴油)，水处理工艺复杂，且燃烧温度高，散热严重。因此亟待开发新的技术改进。
3.超临界水具有优异的物理化学性质，当水的温度达到374.3℃，压力22.1mpa时，被称为超临界水(scw)，具有高溶解性、高扩散性和低的介电常数，是有机物的良溶剂，使得反应中相间传质阻力大大减小，显著提高了反应速率。而现有的超临界水直接氧化装置是将有机物与空气直接在超临界水中发生氧化反应，该过程将产生的大量无机酸和有机酸，并对反应器造成严重腐蚀，故而超临界水直接氧化技术不可取。超临界水气化
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氢氧化耦合技术，首先将有机物在超临界水中进行热化学转化为氢气和二氧化碳，而后气化产物氢气与空气在超临界水中进行可控的、相对温和的反应产生多元热流体，整个过程不会有酸腐蚀，而更具应用前景。
4.因此，亟需一种以超临界水气化
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氢氧化耦合技术为核心紧凑集成的超临界多元热流体发生系统用于有限的海洋平台以开发丰富的海上稠油油藏。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述现有稠油热采技术中，多元热流体发生系统所占用空间大、内部传热传质效果差、严重依赖柴油和水处理过程复杂的缺点，提供一种用于稠油热采集成式的多元热流体发生系统及方法。
6.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.用于海上稠油热采的超临界多元热流体发生系统，包括超临界多元热流体发生器主体、排盐装置、水箱、空气压缩单元和投料单元；
8.超临界多元热流体发生器主体的外壁开设有预热水入口、物料入口、产物出口、排盐出口和空气进口；超临界多元热流体发生器主体内部设有第一换热套管和第二换热套管，第一换热套管和第二换热套管构成环形空间，环形空间为氢氧化放热区，空气进口设置于环形空间中；第一换热套管的外壁缠绕有第二螺旋换热管，第二换热套管的外壁缠绕有第一螺旋换热管；
9.水箱与预热水入口连接；
10.投料单元包括储料罐，储料罐与物料入口连接；
11.空气压缩单元包括空气压缩机和与空气压缩机连接的储气瓶，储气瓶分别与第一换热套管和第二换热套管的环形空间相连接；
12.产物出口连接有气液分离器，气液分离器的从液体出口与水箱连接；
13.排盐出口与排盐装置的入口相连通；
14.超临界多元热流体发生器主体外壁上安装有加热装置。
15.优选地，超临界多元热流体发生主体的出口分为两路流向，一路与气液分离器连接，另一路连接有用于稠油热采的高温截止阀。
16.优选地，气液分离器的入口通过冷却器与超临界多元热流体发生主体的出口连接。
17.优选地，第一螺旋换热管的入口与第一换热套管相连通，出口与第二换热套管相连通，第二螺旋换热管的入口与第一换热套管相连通，出口与超临界多元热流体主体的顶部相连通。
18.优选地，水箱连接有水泵，水箱通过水泵与预热水入口连接；储料罐连接有料泵，储料罐通过料泵与物料入口连接。
19.优选地，水泵与预热水入口之间的管路上设有第二流量调节阀；料泵与物料入口的管路上设有第一流量调节阀。
20.优选地，所述加热装置设有若干个，若干个加热装置依次自上而下安装在超临界多元热流体发生主体的外壁上。
21.优选地，所述加热装置为太阳能加热装置、电磁波加热装置、工业废热加热装置的任意一种或多种的混合。
22.一种用于稠油热采集成式的多元热流体发生方法，包括如下步骤：
23.s1：检查各器件是否安装完好，确保精度满足要求、无故障，之后将制备好的物料输送至储料罐中储存；
24.s2：将水箱中的海水输送至超临界多元热流体发生反应器主体中；
25.s3：开启超临界多元热流体发生器主体外壁的加热装置，为系统启动过程提供能量；
26.s4：预热水首先流经超临界多元热流体发生反应器主体与换热套管之间进行升温，然后进入第一螺旋换热管内换热，接着进入第二换热套管内换热，而后进入第一换热套管和第二换热套管的环形空间换热，然后进入第二螺旋换热管内换热，最后离开超临界多元热流体发生器主体，进入气液分离器，经过气液分离后的液体回收进入水箱中；
27.当在超临界多元热流体发生反应器主体与换热套管之间的预热水升温至近临界和超临界态附近并维持稳定后，开启排盐装置，进行盐回收；
28.当在换热套管内的预热水达到目标温度和压力后，将储料罐中的物料输送至超临界多元热流体发生器主体中，进行超临界水气化反应，并在气液分离器中收集分析气体产物，观测气化情况，气液分离器分离后的液体回收进入水箱；
29.s5：当气化反应稳定后，开启空气压缩机，并将空气通入第一换热套管和第二换热套管形成的环形空间，使进入的空气与超临界气化后的气体产物发生氢氧化放热反应，释放的热量进一步促进超临界多元热流体发生器主体中的流体升温及气化，得到超临界多元热流体；
30.s6：将s得到的超临界多元热流体送入超临界多元热流体发生反应器主体进行预热水换热，在达到目标温度和压力后，离开超临界多元热流体发生反应器主体，进入气液分离器后，将分离后的液体回收进入水箱；
31.s7：观测气液分离器的成分组成，当超临界气化反应与氢氧化放热反应耦合稳定后，逐渐增加物料流量和空气流量，降低加热装置的热量供给；
32.s8：随着物料供给达到超临界多元热流体发生器主体可自热程度，维持预热水流量、物料流量和空气流量稳定，最终完全关闭加热装置，以物料的化学能供给超临界多元热流体发生系统所需的能量；
33.s9：观测超临界多元热流体发生器主体，当超临界多元热流体发生器主体出口的超临界多元热流体满足要求时，将系统产生的超临界多元热流体输送进入油井，用于稠油热采。
34.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
35.本发明公开了一种海上稠油热采超临界多元热流体发生系统，包括超临界多元热流体发生器主体、排盐装置、水箱、空气压缩单元和投料单元。超临界多元热流体发生反应器中布置了第一换热套管、第二换热套管、第一螺旋换热管和第二螺旋换热管，通过各个换热区域有机的将预热水升温区，超临界水气化区和氢氧化放热区有机的集成一体，同时，可通过第二螺旋管调节超临界多元热流体参数，使得出口的工质直接满足油井井口参数需求，避免了传统发生系统需要增加额外换热装置，通过各个区域合理的耦合匹配，不但减少了额外换热装置的投入，而且高度集成的超临界多元热流体发生主体也更适用于海洋平台的有限空间。
36.进一步地，将超临界多元热流体发生反应器最高温区域
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氢氧化放热区，设置于第一换热套管和第二换热套管环形空间，无论对于预热水升温区还是超临界水气化区，都能分别通过第一、第二换热套管以及螺旋换热管直接换热，能够大大增加各个区域传热温差，强化传热传质效果，有效减少材料投入。
37.进一步地，所设置的第一换热套管能够将氢氧化放热区热量用于海水的升温过程，当达到超临界水状态后，海水中的盐将析出，通过排盐系统可进行盐回收，附加值高。
38.进一步地，所设置的第二换热套管将氢氧化放热区热量提供给超临界水气化区进行物料的超临界水气化，从而将超临界水气化与氢氧化放热反应耦合，避免了物料在超临界水直接氧化而产生的酸腐蚀。
39.进一步地，所设置的第一螺旋换热管，能够强化氢氧化放热区与海水升温所需要的换热效果，有效减小反应器中的过热点，使得整体温度更加温和。
40.进一步地，所设置的第二螺旋换热管能够调节出口超临界多元热流体工质参数，使得出口工质直接满足井口参数，避免传统发生系统需要增加额外换热装置，更具经济性。
41.进一步地，通过各个换热区域以及各个换热管道的合理布置，有机的将超临界多元热流体发生主体高度集成一体，使得超临界多元热流体发生过程温和可控，相同处理量散热更小，并减少了电加热设备的投资与运行成本。同时系统更加紧凑，适用于寸土寸金的海洋平台。
42.进一步地，新技术能够将稠油生产水、含聚污泥等油田污染物资源化和无害化利用，实现了就地取材、变废为宝、物尽其用。
43.进一步地，本发明可以即时通过各个流量阀门调节控制流量，并进行流量的合理分配，实现超临界多元热流体的稳定发生。
44.进一步地，本发明在空气压缩机与超临界多元热流体发生器主体之间设置了储气瓶，能够稳定空气输送压差，使得空气供给流量平稳，减少空气压缩机启停频率，增强系统稳定性。
45.本发明还公开了用于稠油热采集成式的多元热流体发生方法，是基于上述超临界多元热流体发生系统进行的，该方法的物料适用性广，稠油生产水、柴油、原油、含聚污泥等作为物料，大大减少了对柴油的依赖，有效降低了运行成本；同时，本发明可实现稠油生产水的无害化处理与资源化利用。本发明方法可使用海上稠油开采平台的海水，减少了水预处理设备，并通过排盐系统进行粗盐回收，附加值高。
附图说明
46.图1为本发明的整体结构示意图。
47.其中：1
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储料罐；2
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料泵；3
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第一流量调节阀；4
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水箱；5
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水泵；6
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第二流量调节阀；7
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空气压缩机；8
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储气瓶；9
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第三流量调节阀；10
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第四流量调节阀；11
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第一加热装置；12
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第二加热装置；13
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第三加热装置；14
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第一螺旋换热管；15
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第二螺旋换热管；16
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第一换热套管；17
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第二换热套管；18
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超临界多元热流体发生器主体；19
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排盐装置；20
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气液分离器；21
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背压阀；22
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冷却器；23
‑
高温截止阀。
具体实施方式
48.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，而不是全部的实施例。
49.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
50.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
51.实施例1
52.参见图1，本发明一种适用于海上稠油热采的超临界多元热流体发生系统，包括超临界多元热流体发生器主体18、第一换热套管16、第二换热套管17、第一螺旋换热管14、第二螺旋换热管15、第一加热装置11、第二加热装置12、第三加热装置13、水泵5、水箱4、料泵2、储料罐1、储气瓶8、空气压缩机7、冷却器22、背压阀21、气液分离器20和高温截止阀23；
53.超临界多元热流体发生器主体18的物料入口穿过第一换热套管16，开凿于第一换热套管14，并与储料罐1的出口相连通，超临界多元热流体发生器主体18的空气进口位于第一换热套管16与第一换热套管14之间，并通过储气瓶8出口与空气压缩机7相连通，超临界
多元热流体发生器主体18的排盐出口与排盐系统19的入口相连通，超临界多元热流体发生器主体18的外壁分布有第一加热装置11、第二加热装置12和第三加热装置13；超临界多元热流体发生器主体18内设置有第二换热套管15和第二换热套管17；第一换热套管16上缠绕第二螺旋换热管15，第二换热套管17上缠绕第一螺旋换热管14；第一螺旋换热管14入口开凿于第一换热套管16，出口开凿于第二换热套管17，第二螺旋换热管15入口开凿于第一换热套管16，出口开凿于超临界多元热流体主体18的顶部，超临界多元热流体分为两路，一路通过冷却器22与气液分离器20相连通，另一路与高温截止阀23相连通，用于稠油热采。
54.实施例2
55.除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。
56.水箱4通过水泵5与超临界多元热流体发生器主体18相连接，中间设置第二流量调节阀6，进行调节流量。储料罐1通过料泵2与超临界多元热流体发生器主体18相连接，中间设置第一流量调节阀3调节流量。空气压缩机7通过储气瓶8与超临界多元热流体发生器主体18相连通，中间设置第三流量调节阀9和第四流量调节阀10调节流量。冷却器22和高温截止阀23与超临界多元热流体发生主体1出口相连接。
57.本发明中超临界多元热流体发生主体高度集成，且出口的超临界多元热流体参数可直接满足油田井口参数要求。
58.一种用于稠油热采集成式的多元热流体发生方法，具体包括以下步骤：
59.1)检查水泵6、料泵3、空气压缩机7等设备，确保清洁完好、无渗漏，无故障，油质、油位、电机温升绝缘等符合要求，检查各阀门、管道及其连接处，确保密封性完好，无破损、无渗漏，检查压力、温度等传感器，信号处理及自动反馈调节系统等，确保精度满足要求、无故障；
60.2)关闭第一流量调节阀3、第二流量调节阀6、第三流量调节阀9、第四流量调节阀10和高温截止阀23；
61.3)将制备好的物料输送进入储料罐中1储存；
62.4)开启水泵5，打开第二流量调节阀6，将水箱4中的海水经过流量调节后输送进入超临界多元热流体发生反应器主体18中，通过背压阀21调节系统压力，将系统压力稳定在超临界压力以上；
63.5)开启超临界多元热流体发生器主体18外壁的第一加热装置11、第二加热装置12和第三加热装置13，为系统启动过程提供能量；
64.6)预热水首先流经超临界多元热流体发生反应器主体18与第一换热套管16的环形空间升温，然后进入第一螺旋换热管14换热，接着进入第二换热套管17的圆柱形空间换热，而后进入第一换热套管16和第二换热套管17的环形空间换热，然后进入第二螺旋换热管15换热后，接着离开超临界多元热流体发生器主体18，依次进入冷却器22、背压阀21和气液分离器20，经过气液分离器20后，液体回收进入水箱4；
65.7)当预热水在超临界多元热流体发生反应器主体18与第一换热套管16的环形空间升温至近临界和超临界态附近并维持稳定后，开启排盐装置，进行盐回收；
66.8)当预热水在第二换热套管17的圆柱形空间达到目标温度和压力后，开启料泵2，并通过第一流量调节阀3将储料罐1中的物料，先以小流量输送进入超临界多元热流体发生器主体18进行超临界水气化反应，并在气液分离器20收集分析产气，观测气化情况，液体回
收进入水箱4；
67.9)当气化反应稳定后，开启空气压缩机，根据物料完全氧化所需空气供给量，调节第三流量调节阀9和第四流量调节阀10调控空气流量，并通过多路空气供给分路输送入第一换热套管16和第二换热套管17的环形空间，与进入的超临界气化后的气体产物发生氢氧化放热反应，所释放的热量用来匹配超临界多元热流体发生主体18中流体升温以及气化所需的热量，并最终转化生成超临界多元热流体；
68.10)产生的超临界多元热流体经过第二螺旋换热管15与进入的超临界多元热流体发生反应器主体18的预热水换热，在达到目标温度和压力后离开超临界多元热流体发生反应器主体18，依次进入冷区器22、背压阀21和气液分离器20，液体回收进入水箱4；
69.11)通过观测气液分离器成分组成，当超临界气化反应与氢氧化放热反应耦合稳定后，逐渐增加物料流量和同比例增加空气流量，降低第一加热装置11、第二加热装置12和第三加热装置13的热量供给；
70.12)随着物料供给达到一定程度，并维持预热水流量、物料流量和空气流量稳定，最终完全关闭第一加热装置11、第二加热装置12和第三加热装置13，以物料的化学能供给超临界多元热流体发生系统所需的能量；
71.13)观测超临界多元热流体发生系统，稳定一段时间后，关闭背压阀21，打开高温截止阀23，将系统产生的目标超临界多元热流体输送进入油井，用于稠油热采。
72.综上所述，基于现有技术，本发明提出了以稠油生产水、柴油、原油、含聚污泥等物料为物质与能量来源，以海水替代原先水处理的复杂工艺，并以超临界水气化与氢氧化放热耦合技术为核心的海上稠油超临界水气化多元热流体热采新技术。新技术采用超临界气化
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氢氧化放热耦合的方式，过程不会产生酸，且温度温和可控。同时，新技术能够将稠油生产水、含聚污泥等油田污染物资源化和无害化利用，实现了就地取材、变废为宝、物尽其用，并通过物质流与能量流在系统中的高度匹配，实现超临界多元热流体的稳定发生。本发明通过超临界水气化吸热区与氢氧放热区合理的能量耦合布置以及各个换热单元的合理设计，使得超临界多元热流体发生温度低，相同处理量散热更小，并减少了电加热设备的投资与运行成本。
73.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。