多源多元热流体发生系统及方法与流程

本发明涉及能源开采领域，尤其是一种开采稠油油藏的多源多元热流体发生系统及方法。

背景技术：

世界上稠油资源极为丰富，其地质储量远远超过常规原油。据统计，世界上已证实的常规原油地质储量约为4200亿吨，而稠油(包括沥青)油藏地质储量高达15500亿吨。以我国渤海油田为例，截止2009年12月底渤海稠油的探明储量为20.5*108m³。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。但稠油由于粘度高、流动性差，给开采、集输和加工带来很大困难。

目前主要依靠热力开采手段进行有效开发。稠油热采技术是从工程热物理的基本理论和方法出发，通过向稠油油藏内注入大量热流体达到降低稠油粘度，改善油层渗流特性的目的，提高原油流动性，从而提高采收率。现有的注蒸汽热力采油，是开发稠油油藏的有效手段。蒸汽吞吐热采技术是利用燃料(原油、柴油或天然气)的热能，把一定量的水加热成为一定压力、温度和干度的饱和湿蒸汽，将所产生的高温高压湿蒸汽注入油井，关井一段时间，湿蒸汽的热能向油层扩散并加热原油以降低稠油的粘度，待稠油流动性增加后再开井生产，从而提高稠油的采收率。然而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。

多元热流体热采技术是利用火箭发动机的高压燃烧喷射机理，将燃料(柴油或天然气)和氧化剂(一般是空气)在注入舱的燃烧室中燃烧，依靠产生的高温高压烟气再将混合掺入的水汽化以产生多元热流体，并将其注入稠油井的驱油技术。多元热流体主要组分是氮气、水蒸汽和二氧化碳，并根据技术需要添加化学剂，从而利用热能、气体和化学剂的复合驱油机理提高稠油采油速度和采收率。多元热流体(N₂+CO₂+水蒸汽)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％。

然而，传统的多元热流体发生方法具有能耗高、转化率低、热效率低、总系统能效低等问题，且对柴油、原油和天然气等燃料的依赖性很高。此外，稠油注采过程中还会产生大量的采油废水/高浓度含油污水，对环境造成负面影响。

特别地，海洋平台稠油开发使用的多元热流体技术严重依赖柴油作为燃料，柴油成本高，且运输费用大；另一方面海洋平台生产过程中会产生大量的含油生产污水，要达到排放标准需要使用复杂的水处理设备。因此如何就地取材，减少柴油的采购和运输成本也是当前需要探讨的问题。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种开采稠油油藏的多源多元热流体发生系统及方法。

本发明的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种多源多元热流体发生系统和发生方法，该系统及方法是先将燃料浆液在超临界水中气化，转化成以氢气和二氧化碳为主要组分的气化产物，再与氧气发生较充分燃烧，产生大量热量，并形成含有超临界水、二氧化碳气的超临界多源多元热流体，以供注入油井中，降低稠油粘度，进而提高采油率。本发明的系统及方法具有能耗低，热效率高、总系统能效高、且不过度依赖于柴油、原油和天然气等燃料的特点。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种多源多元热流体发生系统，所述多源多元热流体发生系统包括超临界气化反应器、超临界混合燃烧反应器；燃料浆液在有超临界水存在的条件下，在所述超临界气化反应器中发生气化反应，转化成以氢气和二氧化碳为主要组分的气化产物，所述气化产物又与溶解于所述超临界水中的含氧气体在所述超临界混合燃烧反应器中较为充分的燃烧，生成含有超临界水、二氧化碳的多源多元热流体。

根据本发明的一个方面，所述多源多元热流体发生系统还包括一个水增压泵、燃料增压泵和压缩含氧气源；所述超临界气化反应器设有超临界水入口、燃料入口、含氧气体入口和超临界混合体出口；所述水增压泵连接所述超临界水入口，所述燃料增压泵连接所述燃料入口，所述压缩含氧气源连接所述含氧气体入口；所述超临界气化反应器的超临界混合体出口连接所述超临界混合燃烧反应器，所述超临界混合燃烧反应器还设有至少一个含氧气体入口，所述压缩含氧气源连接至所述超临界混合燃烧反应器的含氧气体入口，向所述超临界混合燃烧反应器提供燃烧所需的氧气；所述超临界混合燃烧反应器设有一个多源多元热流体出口，供导出燃烧产生的多源多元热流体。

根据本发明的一个方面，其中，所述水增压泵连接一个高压水输送管道，所述高压水输送管道的一端连接所述超临界水入口，其中所述高压水输送管道的部分区段设于所述超临界混合燃烧反应器内，利用所述超临界混合燃烧反应器的热量将所述高压水加热以形成超临界水。

根据本发明的一实施方式，其中，所述超临界混合燃烧反应器具有一个热量引出部，将所述超临界混合燃烧反应器中热量的一部分引出，以加热将所述高压水形成超临界水。

根据本发明的一实施方式，其中，所述压缩含氧气源被分为两路，一路连接所述超临界气化反应器，另一路连接所述超临界混合燃烧反应器。

根据本发明的一实施方式，其中，所述压缩含氧气源向所述超临界混合燃烧反应器分段送入含氧气体，即所述超临界混合燃烧反应器包括至少两个含氧气体入口，所述各含氧气体入口分别通过一个独立的气体流量调节阀连接所述压缩含氧气源。

根据本发明的一实施方式，其中，所述多源多元热流体出口连接一个调节装置，从所述超临界混合燃烧反应器输出的多源多元热流体经所述调节装置后，形成适于注入井筒条件的多源多元热流体。

本发明中，所述压缩含氧气源的气体压力在22.1MPa以上，可以不断向所述超临界气化反应器、和所述超临界混合燃烧反应器提供高压含氧气体含氧气流。例如，所述压缩含氧气源可选择为压缩空气源，此时可采用一种高压含氧气体压缩机，通过抽取环境常态的空气，压缩到相应的压力标准后输出。

此外，本发明还提供一种多源多元热流体发生方法，其特征包括如下步骤：

气化步骤：所述燃料浆液在超临界水中气化，转化成以氢气和二氧化碳为主要组分的气化产物，所述气化产物又与溶解于所述超临界水中的压缩含氧气体发生部分燃烧，形成了含有超临界水、氢气、二氧化碳为主要组分的超临界混合体；

燃烧步骤：所述混合热流体进一步在氧气存在的条件下，进行混合燃烧，同时释放热量，形成含有超临界水、二氧化碳气的多源多元热流体。

根据本发明的一实施方式，在气化步骤之前，还包括一个准备步骤；所述准备步骤是将常态水加压至水的临界压力，并预热至水的临界温度以获得超临界水；将增压至水的临界压力的燃料浆液、和压缩至水的临界压力的含氧气体一同混入所述超临界水中。

根据本发明的一实施方式，具体地，准备步骤中，是利用水增压泵将常温低压水加压至22.1MPa～30MPa，高压水被加热到400℃-640℃。

根据本发明的一实施方式，具体地，准备步骤中，是利用燃料增压泵将燃料浆液加压至22.1MPa～30MPa；利用气体压缩机将空气等含氧气体压缩至22.1MPa～30MPa。

燃料浆液的组成包括原油、柴油、天然气、含有污水、有机生产废水等有机废液以及高浓度的含油采出水。这些物质的共同特点是可在超临界水中快速分解气化和燃烧。

根据本发明的一实施方式，其中，所述气化步骤是在一个超临界气化反应器中进行。

根据本发明的一实施方式，具体地，气化步骤中，燃料浆液在超临界水中气化，转化成以氢气和二氧化碳为主要组分的气化产物，气化产物与通入的压缩含氧气体发生部分混合燃烧反应，形成含有超临界水、二氧化碳的混合热流体，同时部分混合燃烧反应放出的热量为超临界气化反应器提供运行能耗。

当使用原油、柴油或天然气等无水燃料作为燃料浆液时，需首先利用常态水，其被加压和预热到水的临界状态，然后通将燃料浆液在超临界水中气化，气化产物接着在有氧气供应的环境中充分燃烧得到超临界多源多元热流体。当作为燃料的燃料浆液本身已含有较多水分时，例如使用采油/含油污水作为燃料的情况时，可直接加压和预热所述采油/含油污水到水的临界状态，此时超临界水中的油等有机物发生分解气化，气化产物接着在有氧气供应的环境中充分燃烧。因此，本发明的方法更符合稠油开采平台现场的实际情况，可就地取材，且燃料浆液的取用具有多源性。

根据本发明的一实施方式，具体地，燃烧步骤中，含有超临界水、氢气、二氧化碳的混合热流体进入超临界混合燃烧反应器中，在适量压缩空气条件下，其中的H₂充分地与压缩空气中的氧气进行混合燃烧至374℃～700℃，形成混合有超临界高压水、二氧化碳气、氮气以及空气的多源多元热流体。

根据本发明的一实施方式，进一步的，所述准备步骤中，所述预热水所需的热量来自所述燃烧步骤产生的热量。相较于现有技术而言，无需为了获得超临界水而专门设置一个水预热器。因此，可以超临界水燃烧反应的能量得到充分高效利用，并减少对柴油、原油、天然气的依赖。特别对海上稠油开采平台而言，可减少柴油的采购和运输成本，海上稠油开采平台可就地取材，利用高含有污水作为燃料浆液在超临界水中燃烧反应产生的热量，预热水增压泵输出的高压水，以获得超临界水。

根据本发明的一实施方式，其中，所述燃烧步骤中，燃烧所需要的氧气来自压缩的含氧气体，所述压缩的含氧气体是分段供给到燃烧体系中。所述分段供给是再向所述超临界燃烧反应器中通入高压压缩的含氧气体时，虽然压缩气体的压力与燃烧体系中超临界水压力基本一致，但是由于其温度较低，因而如果一次集中供应大量的压缩含氧气体(通常是空气或氧气)，势必会影响燃烧反应的进行。因此，多段式供给压缩含氧气体，可以沿着超临界燃烧反应器的长度或高度方向沿途设置一些含氧气体入口，且每个含氧气体入口具有独立的调节阀。可以根据需要调节含氧气体入口处压缩含氧气体的供应流量或压力。

根据本发明的一实施方式，其中，所述燃烧步骤获得的多源多元热流体，再通过一个调节步骤处理，形成适于注入井筒条件的多源多元热流体。所述调节步骤处理包括调节所述超临界多元热流体的温度或压力，或者向所述多源多元热流体中加入惰性保护气体或化学添加剂。

根据本发明的一实施方式，所述的化学添加剂可为缓蚀剂，以减少对井筒及热流体注入管道的腐蚀，或者所述化学添加剂是一些进一步改善稠油流动特性便于开采，集输的成分。

根据本发明的一实施方式，其中，所述的燃料浆液为原油、石油产品、天然气、含油污水、有机废液或前述各项的任意组合。

根据本发明的一实施方式，其中，所述含氧气体为空气、氧气，以及除空气和氧气之外含有氧气的气体。

由上述技术方案可知，本发明的多源多元热流体发生系统及方法的优点和积极效果在于：

本发明实施例提供的多源多元热流体发生系统及方法，能够摆脱传统热采方式所面临的能耗高、转化率低、热效率低等难题，可降低对柴油、天然气等燃料的依赖性。本发明的方法具有燃料适应性广(多源性)、无污染(可利用高浓度采油污水，使其无害化)、系统能效高、且多元热流体参数可调的特点，具有广阔的应用前景，可用于稠油油藏、沥青、水合物等领域的勘探开发，特别适用于海上稠油开发。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是根据一示例性实施方式示出的一种多源多元热流体发生系统的流程示意图。

其中，附图标记说明如下：

1-压缩含氧气源；2、3-气体流量调节阀；4-燃料浆液；5-燃料增压泵；6-超临界气化反应器；61-超临界水入口；62-燃料入口；63-含氧气体入口；64-超临界混合体出口；7-超临界混合气/汽；8-超临界混合燃烧反应；81-含氧气体入口；82-多源多元热流体出口；9-多源多元热流体；10-调节装置；11-经适应性调节的多源多元热流体；12-常态水；13-水增压泵；131-高压水输送管道；14-超临界水。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

图1是根据一示例性实施方式示出的一种多源多元热流体发生系统的流程示意图。

如图所示，本发明实施例提供的多源多元热流体发生系统中，主要包括超临界气化反应器6、超临界混合燃烧反应器8、燃料浆液在有超临界水存在的条件下，在所述超临界气化反应器6中发生气化反应，转化成以氢气和二氧化碳为主要组分的气化产物，气化产物又与溶解于所述超临界水中的含氧气体在所述超临界混合燃烧反应器8中燃烧，生成含有超临界水、二氧化碳的多源多元热流体。

具体地，如如图1所示的，除超临界气化反应器6、超临界混合燃烧反应器8之外，本实施例的源多元热流体发生系统还设有水增压泵13、燃料增压泵5和压缩含氧气源1。应该理解的是，本发明实施例将超临界气化与超临界燃烧两个反应，主要在两个反应器中进行，提升系统整体热效能和可控性。

其中超临界气化反应器6可主要设有超临界水入口61、燃料入口62、含氧气体入口63和超临界混合体出口64。水增压泵13可通过管路连接超临界水入口61，以向超临界气化反应器6供给增压和预热至临界状态后的去离子水、淡水、海水。燃料增压泵5可通过管路连接燃料入口62，以向超临界气化反应器6供给燃料浆液。压缩含氧气源1可通过管路连接含氧气体入口63，以向超临界气化反应器6供给增压后的含氧气体。超临界气化反应器6的超临界混合体出口64连接超临界混合燃烧反应器8。利用超临界水，以超临界气化反应可以将含燃料液体中燃料气化，适当控制含氧气体的输入比例便可以有效控制超临界气化反应器6的压力与温度。

超临界混合燃烧反应器8还设有至少一个含氧气体入口81，压缩含氧气源1连接至超临界混合燃烧反应器8的含氧气体入口81，向超临界混合燃烧反应器8提供燃烧所需的气体。超临界混合燃烧反应器8设有一个多源多元热流体出口82，供导出燃烧产生的超临界多源多元热流体。

应该理解的是，本发明实施例中虽然没有具体介绍，但各供给管路或入口处可以选择设置手动或自动控制阀、单向阀等控流或安全阀件，以便于可以安全地控制各流体的供给量和输出量。另外，各反应器也可以选安装各种测压或测温设备、压力保护阀等高压反应器保护装置或机构。

其中燃料增压泵5输送的燃料浆液，包括原油、石油产品、天然气、含油污水、有机废液或前述各项的任意组合。

应该理解的是，本发明实施例提供的系统具有多源性(多种可用燃料)、不完全依赖于柴油、原油、天然气等昂贵燃料，具有适应性广的特点。此外，海洋平台生产过程中会产生大量的含油生产污水，要达到排放标准需要使用复杂的水处理设备和较高的无害化处理成本，而应用本发明实施例的方法和系统，则能够很好地解决含油污水处理这一问题。

所谓超临界水，是指当水气压和温度达到一定值时，因高温而膨胀的水的密度和因高压而被压缩的水蒸气的密度正好相同时的水。水的临界温度T＝374℃，临界压力P＝22.1MPa。此时，水的液体和气体便没有区别，完全交融在一起，成为一种新的呈现高压高温状态的液体。超临界水具有两个显著的特性。一是具有极强的氧化能力，将需要处理的物质放入超临界水中，充入氧/过氧化氢，这种物质就会被氧化和水解。有的还能够发生自燃，在水中冒出火焰。另一个特性是可以与油等物质混合，具有较广泛的融合能力。这一特点使近几年被应用到稠油油藏的开采技术中。

以下结合图1对本发明一具体应用例示例性说明如下：

如图1所示，水增压泵13将不可压缩性的常态水12增压至25MPa，并以高压水输送管道131进行输送，高压水输送管道131可选择穿过超临界混合燃烧反应器8，被超临界混合燃烧反应器8中的热量加热成25MPa、640℃的超临界水14后，经由超临界水入口61送入超临界气化反应器6内。

可选择采用原油、石油产品、或采油污水/高浓度含油无水等有机废液作为燃料浆液4，可经燃料增压泵5升压至25MPa，然后经由燃料入口62喷入超临界气化反应器6中，在超临界水14存在的环境下，燃料浆液中的有机成分气化，主要转化成氢气和二氧化碳(这里的气化主要是指有机物的高度分解反应)。

同时，压缩含氧气源1的第一路压缩含氧气体可通过含氧气体入口63向超临界气化反应器6中送入25MPa的高压含氧气体，高压含氧气体中的氧气与燃料浆液的气化产物(氢气)发生部分混合燃烧反应，生成超临界高压水蒸汽(2H₂+O₂→2H₂O+热量)，形成以超临界水、氢气、二氧化碳和氮气(当含氧气体为空气时)为主要组分的超临界混合气/汽7。部分混合燃烧反应放出的热量可为超临界气化反应器6提供运行能量。

超临界混合气/汽7可接着进入超临界混合燃烧反应器8。压缩含氧气源1的第二路压缩含氧气体，通过气体流量调节阀2、3经由超临界燃烧反应器8的多个含氧气体入口81分段式送入超临界混合燃烧反应器8中，与超临界混合气/汽7发生充分的混合燃烧反应，其中超临界混合气/汽7剩余的氢气与压缩含氧气体中的氧气再次混合燃烧生成超临界高温水蒸汽，且在超临界混合燃烧反应器8中最终形成25MPa、400℃的混合有由超临界水、二氧化碳气、氮气(当含氧气体选择为空气时)以及过量氧气等组成的高温高压混合产物，即超临界多源多元热流体9。

超临界多源多元热流体9经由多源多元热流体出口82导出，连接一个调节装置10。不过，多源多元热流体9既可直接注入井筒，也可以通过调节装置10适当调节温度/压力参数(根据井筒结构和材料允许的条件)之后，形成适用于注入井筒条件的经适应性调节的多源多元热流体11。

此外，在调节的同时，还可以根据油藏开发条件，添加氮气N₂(降低对井筒的腐蚀性)作为保护膜或化学添加剂到多源多元热流体9中，最终形成经适应性调节的多源多元热流体11。

其中，压缩含氧气体通过多个含氧气体入口81分段式送入超临界混合燃烧反应器8中，可避免因集中供应大量的低温压缩含氧气体，影响燃烧反应的进行。多段式供给压缩含氧气体，可沿着超临界燃烧反应器的长度或高度方向沿途分散设置一些/几个含氧气体入口，且每个含氧气体入口具有独立的调节阀。如此，便可根据需要调节含氧气体入口处含氧气体的供应流量或压力。

其中，高压水输送管道131的部分位于超临界混合燃烧反应器8中，可同时利用混合燃烧反应放出热量加热高压水，获得超临界水14，无需专门配备预热装置。

其中，压缩含氧气体是指含有氧气分子O₂的气体，如纯氧气、空气、氧气与氮气的混合物、氧气与CO₂的混合物等。当所使用的含氧气体选择为空气时，最终形成的多源多元热流体的主要组分是超临界水、二氧化碳、氮气和剩余的空气；当所使用的含氧气体选择为氧气时，最终形成的多源多元热流体的主要组分是超临界水、二氧化碳、和剩余的氧气。因此，最终形成的多源多元热流体的组分与燃料浆液的成分有关、也与所使用的含氧气体的成分有关，但相对于高压高温蒸汽吞吐热流体，本发明的多源多元热流体具有多元性和更高干度，从而解决高压高温蒸汽吞吐热采技术所存在的问题。本发明实施例提供的多源多元热流体发生系统及方法，能够摆脱传统热采方式所面临的能耗高、转化率低、热效率低等难题，可降低对柴油、天然气等燃料的依赖性。本发明的方法具有燃料适应性广、无污染(可使用高浓度采油污水，使其无害化)、系统能效高、且多元热流体参数可调的特点，具有广阔的应用前景，可用于稠油油藏、沥青、水合物等领域的勘探开发，特别适用于海上稠油开发。

尽管已经参照某些实施例公开了本发明，但是在不背离本发明的范围和范畴的前提下，可以对所述的实施例进行多种变型和修改。因此，应该理解本发明并不局限于所阐述的实施例，其保护范围应当由所附权利要求的内容及其等价的结构和方案限定。