一种双向水平井热烟气密闭循环开采油砂的系统及方法与流程

本发明设计油砂开采及环保领域，尤其涉及一种双向水平井热烟气密闭循环开采油砂的系统及方法。

背景技术：

随着全球石油需求的不断增加，常规石油资源已经不能满足石油需求的快速增长，人们开始把目光转向非常规石油资源。油砂作为非常规石油资源的主要来源，近年来在全球可利用的烃类能源中所占的比例不断增大，在世界能源供给中起着举足轻重的作用，是未来油气资源的重要接替资源。油砂是指已露出或近地表的重质残余石油浸染的砂岩，系沥青基原油在运移过程中失掉轻质组分后的产物，有时也指浸渍轻馏分部分逸出后的一种天然石油的砂或砂岩，可用来提取重油或沥青。

目前，越来越多的公司、科研院所开始关注油砂的综合利用，对油砂资源的勘探和开发技术进行专门的研究工作，但是我国油砂开发利用的总体水平还是相对滞后，相关的油砂分离的技术研究也比较少，并且没有专门的油砂分离工业化装置。油砂分离技术主要有三种：热水洗法、溶剂萃取法、热解干馏法。其中，热解干馏法是指在隔绝空气或充满惰性气体的条件下，采用间接或直接加热的方法，使预处理过的油砂加热分解的复杂的反应过程，油砂在热解干馏后生成干馏气以及固体残渣，干馏气经冷却后得到气体和液体，热解干馏法通过能量回收系统，降低了总体能耗，而且基于热解吸的原理，油砂在缺氧和封闭的空间中通过间接加热，使水和碳氢化合物挥发出来，油砂中所含烃类物质都被热解实现惰性化，分离相对彻底。

现有油砂矿全覆盖坑道挖掘开采和干馏热解方法主要存在以下问题：油砂矿及其上覆盖层、盖层和夹层全部机械挖掘、运输、回填等作业量大、耗能大、成本高、安全风险高，土壤植被破坏和环境污染严重；油砂矿干馏热解炉产生的热烟气直接排放，其成分和余热没有充分资源化循环利用，不仅热效率低，而且污染环境。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对当前油砂挖掘开采和干馏裂解存在的上述问题，提供一种双向水平井热烟气密闭循环开采油砂的系统及方法，解决当前采用全覆盖坑道挖掘开采和干馏裂解过程中存在开采及回填作业量大、耗能大、效率低、安全风险高、余热无法重复利用、土壤植被破坏和环境污染严重的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种双向水平井热烟气密闭循环开采油砂的系统，包括油砂开采回填单元，所述油砂开采回填单元包括设置于地面上的旋转热解炉和主坑道下的双向水平螺旋钻机，所述旋转热解炉包括反应炉、排砂炉、产物炉和排油炉，所述双向水平螺旋钻机两侧分别还连接有开采钻头和回填钻头，所述旋转热解炉开采钻头之间设有进砂管道，与回填钻头之间设有排砂管道，所述进砂管道与反应炉进料口的连通，所述排砂管道与排砂炉出料口连通，所述反应炉用于干馏热解油砂，所述排砂炉用于排出尾砂，所述产物炉用于接收干馏热解后的热解气，所述排油炉用于排出干馏油。

根据油砂层厚度、埋深和稳定性，选取安全经济的方式进行主坑道的挖掘，旋转热解炉置于主坑道旁，双向水平螺旋钻机置于主坑道下，双向水平螺旋钻机的开采钻头钻入油砂矿，钻出油砂经过进砂管道输送至旋转热解炉干馏热解，分解成干馏油、热解气和尾砂；尾砂经排砂管道排出，双向水平螺旋钻机的回填钻头退出，及时携带尾砂回填到已采油砂废弃井，双向水平螺旋钻机完成尾矿回填后，再将主坑道全部回填完全恢复地下、洞口和底面生态环境。

进一步地，作为优选技术方案，所述的一种双向水平井热烟气密闭循环开采油砂的系统，还包括气体循环单元，所述气体循环单元包括与反应炉出气口连通的第一管道，与反应炉进气口连通的空气喷射混合器，与产物炉出口连通的冷凝分离器，所述空气喷射混合器设有第三管道，所述冷凝分离器的出水口与排砂管道通过第六管道连通，所述冷凝分离器的出气口与空气喷射混合器通过第五管道连通。

所述热烟气管道一端与旋转热解炉的反应炉出气口密闭连通，用于排出热烟气，冷凝分离器通过第二管道与旋转热解炉的产物炉出口密闭连通，用于输送热解气至冷凝分离器，分离成冷凝油、可燃气及冷凝水，所述冷凝分离器设有第六管道并与排砂管道连接，空气喷射混合器通过第五管道与冷凝分离器出气口连通，空气喷射混合器还设有第三管道，空气喷射混合器通过第四管道与反应炉进气口连通。

进一步地，作为优选技术方案，所述第一管道远离旋转热解炉的一端穿过进砂管道延伸至开采钻头钻杆内。

进一步地，作为优选技术方案，所述油砂开采回填单元还包括油砂缓存脱气罐，所述油砂缓存脱气罐顶部设有第八管道，所述油砂缓存脱气罐的出料口与反应炉的进料口连通，油砂缓存脱气罐的进料口和进砂管道连通。

进一步地，作为优选技术方案，所述双向水平螺旋钻机水平旋转角度范围在0-360°，所述开采钻头和回填钻头的倾角调节范围在0-45°。

一种双向水平井热烟气密闭循环开采油砂的方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1：挖掘主坑道；根据油砂层厚度、埋深和稳定性，选取安全经济的方式进行主坑道的挖掘；

s2：双向水平螺旋钻机置于主坑道内，双向水平螺旋钻机的开采钻头正转，采出油砂；

s3：开采钻头采出的油砂经进砂管道输送至旋转热解炉；

s4：旋转热解炉设置于地面，将油砂进行干馏热解，获得热解气和尾砂；

s5：双向水平螺旋钻机的回填钻头反转，经排砂管道将尾砂回填至地下。

进一步地，作为优选技术方案，还包括步骤s6:将热解气输送至冷凝分离器，获得冷凝水、冷凝油和可燃气。

进一步地，作为优选技术方案，还包括步骤s7:将冷凝水输送至排砂管道，和尾砂一起回填至地下。

进一步地，作为优选技术方案，还包括步骤s8:将可燃气与空气混合后输送至旋转热解炉加热形成热烟气，将热烟气输入开采钻头钻杆内。

进一步地，作为优选技术方案，还包括步骤s9：将钻落的油砂和热烟气混合物输送至油砂缓存脱气罐脱气，再输送至旋转热解炉继续加温。开采钻头周围油砂温度升高，原油粘度降低流化，油砂层的可钻性和流动性提高，钻落的油砂和热烟气经进砂管道输送至油砂缓存脱气罐脱气，油砂缓存脱气罐脱掉氮气、二氧化碳和水蒸气等，排出符合环保要求的冷烟气，油砂再经第七管道输送至旋转热解炉继续加温。

根据油砂层厚度、埋深和稳定性，选取安全经济的方式进行主坑道的挖掘，旋转热解炉置于主坑道一侧，双向水平螺旋钻置于主坑道下，双向水平螺旋钻机一向驱动开采钻头钻入油砂矿，钻出油砂经过进砂管道输送至旋转热解炉干馏热解，分解成干馏油、热解气和尾砂；热解气通过第一管道密闭输送至冷凝分离器，分离出冷凝水、冷凝油和可燃气，冷凝水经第六管道输送至排砂管道，可燃气经第五管道输送至空气喷射混合器，外供燃气经第三管道输送至空气喷射混合器，空气喷射混合器将可燃气、外供燃气和空气混合喷射至旋转热解炉加热，形成热烟气，热烟气再经第一管道密闭输送至开采钻头，尾砂经排砂管道排出，双向水平螺旋钻机另一向驱动回填钻头退出，及时携带尾砂回填到已采油砂废弃井，双向水平螺旋钻机完成尾矿回填后，再将主坑道全部回填完全恢复地下、洞口和底面生态环境。

油砂经旋转热解炉干馏热解，分解成干馏油、热解气和尾砂，热解气通过第一管道密闭输送至冷凝分离器，分离出冷凝水、冷凝油和可燃气，冷凝水经第六管道输送至排砂管道，可燃气经第五管道输送至空气喷射混合器，外供燃气经第三管道输送至空气喷射混合器，空气喷射混合器将可燃气、外供燃气和空气混合喷射至旋转热解炉加热，形成热烟气，热烟气再经第一管道密闭输送至开采钻头的钻杆内，空气喷射混合器可根据热解炉排出热烟气的压力、温度和流量自动调节喷气压力、混合比例和气体流量。

进一步地，作为优选技术方案，所述的一种双向水平井热烟气密闭循环开采油砂的方法，热烟气经第一管道输送至开采钻头后，开采钻头周围油砂温度升高，原油粘度降低流化，油砂层的可钻性和流动性提高，钻落的油砂和热烟气经进砂管道输送至油砂缓存脱气罐脱气，油砂缓存脱气罐脱掉氮气、二氧化碳和水蒸气等，排出符合环保要求的冷烟气，油砂再经第七管道输送至旋转热解炉继续加温。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果是：

(1)、热烟气密闭循环综合利用：旋转热解炉产生的热烟气经过中空螺旋钻杆密闭循环进入钻头、环空，再到油砂缓冲脱气罐净化脱气，巧妙实现了热烟气的热能、化学能、膨胀能和氮气、二氧化碳、水蒸气等成分的高效、节能、环保密闭综合利用和冷烟气净化后的清洁排放。

(2)、油砂密闭循环全原位回填：双向水平螺旋钻机一向钻出的油砂，经过旋转热解炉干馏热解，分解成干馏油、热解气和尾砂，热解气密闭进入冷凝分离器，分离成可燃气、冷凝水和冷凝油，双向水平螺旋钻机另一向退出，及时携带尾砂和冷凝水混合回填到已开采的废弃老井，巧妙的实现了干馏油、冷凝油和可燃气的高效、节能、环保开发利用，及尾砂和冷凝水的原位平衡、安全、环保、永久埋藏。

(3)、提高油砂开采效率和效益：本发明采用热烟气密闭循环和主坑道加双向水平井创新方法，将油砂矿密闭加热、软化、钻取、流化、输送、干馏热解、分离获得干馏油、冷凝油、可燃气，分离出的冷凝水和尾砂循环入井进行原位埋藏。本发明可高效解决常规油砂开采的剥采量大、耗能大、效率低、成本高、安全风险高、土壤植被破坏和环境污染严重的难题，具有良好的应用前景和经济环保价值。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的工作流程示意图。

附图中标记及相应的零部件名称：1-第一管道、2-第二管道、3-第三管道、4-第四管道、5-第五管道、6-第六管道、7-第七管道、8-第八管道、9-旋转热解炉、10-油砂缓存脱气罐、11-进砂管道、12-主坑道、13-双向水平螺旋钻机、14-开采钻头、15-排砂管道、16-冷凝分离器、17-空气喷射混合器、18-排砂炉、19-反应炉、20-排油炉、21-产物炉、22-回填钻头

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种双向水平井热烟气密闭循环开采油砂的系统，包括油砂开采回填单元，所述油砂开采回填单元包括设置于地面上的旋转热解炉9和主坑道12下的双向水平螺旋钻机13，所述旋转热解炉9内包括反应炉19、排砂炉18、产物炉21和排油炉20，所述双向水平螺旋钻机13两侧还分别连接有开采钻头14和回填钻头22，所述旋转热解炉9与开采钻头14之间设有进砂管道11，与回填钻头22之间设有排砂管道15，所述进砂管道11与反应炉19进料口的连通，所述排砂管道15与排砂炉18出料口连通。

根据油砂层厚度、埋深和稳定性，选取盾构机地下挖掘或挖掘机露天挖掘等安全经济的方式进行主坑道12的挖掘，厚度大、埋藏深和稳定性差的油砂层，选取盾构机地下挖掘主坑道12；厚度薄、埋藏浅和稳定性好的油砂层，选取挖掘机露天挖掘主坑道，主坑道12挖掘好后，将旋转热解炉9安置在主坑道12旁，将双向水平螺旋钻机13安放在主坑道内，在双向水平螺旋钻13机两侧分别连接好开采钻头14和回填钻头22，进砂管道11一端与旋转热解炉9连接，另一端与用开采钻头14尾部连接，排砂管道15一端与旋转热解炉9连接，另一端回填钻头22尾部连接，双向水平螺旋钻机13驱动开采钻头14钻入油砂矿，钻出的油砂经进砂管道11输送至旋转热解炉9干馏热解，分解成干馏油、热解气和尾砂；干馏油经排油炉20的出口直接排放在主坑道12中，尾砂经排砂管道15排出，双向水平旋转钻机13驱动回填钻头22退出，及时携带尾砂回填到已采油砂废弃井；双向水平螺旋钻机13完成尾矿回填后，将主坑道12全部回填完全恢复地下、洞口和底面生态环境，安全、环保、永久回填埋藏。

实施例2

在实施例1的基础上，所述的一种双向水平井热烟气密闭循环开采油砂的系统，还包括气体循环单元，所述气体循环单元包括与反应炉19出气口连通的第一管道1，与反应炉19进气口连通的空气喷射混合器17，与产物炉21出口连通的冷凝分离器16，所述空气喷射混合器17设有第三管道3，所述冷凝分离器16的出水口与排砂管道15连通，所述冷凝分离器16的出气口与空气喷射混合器17连通。

所述第一管道1一端与反应炉19的出气口密闭连通，用于排出热烟气，冷凝分离器16通过第二管道2与产物炉21的出口密闭连通，用于输送热解气至冷凝分离器16进行分离，分离成冷凝油、可燃气及冷凝水，冷凝分离器设有第六管道6与排砂管道15连接，用于将冷凝水混合尾砂一起排出，回填至废弃井，空气喷射混合器17通过第五管道5与冷凝分离器16的出气口连通，用于将可燃气输送至空气喷射混合器17，空气喷射混合器17还设有第三管道3，用于外供燃气的输送，空气喷射混合器17通过第四管道4与反应炉19进气口连通，外供燃气、可燃气及空气经第四管道4输送至反应炉19继续加热，巧妙的实现了可燃气的高效、节能、环保开发利用，减少外供燃气的供应量及尾砂和冷凝水的原位平衡。

实施例3

在实施例2的基础上，所述第一管道1远离旋转热解炉9的一端穿过进砂管道11延伸至开采钻头14钻杆内，热烟气经第一管道1输送至开采钻头14内，使得周围油砂温度升高，原油粘度降低流化，油砂层的可钻性和流动性提高，更有利于油砂的开采，有效的循环利用热烟气的热能，提高了开采效率。

实施例4

在实施例3的基础上，所述油砂开采回填单元还包括油砂缓存脱气罐10，所述油砂缓存脱气罐顶部设有第八管道，所述油砂缓存脱气罐10的出料口与反应炉19的进料口连通，油砂缓存脱气罐10的进料口和进砂管道11连通。

油砂缓存脱气罐10置于旋转热解炉9一侧，并通过第七管道7与反应炉9的进料口连通，进砂管道11一端与油砂缓存脱气罐10的进料口连通，油砂缓存脱气罐10还设有用于排出冷烟气的第八管道8，钻落掉的油砂和热烟气混合在中空螺旋钻杆14和气体的推动举升下，经进砂管道11流动到缓存脱气罐10净化脱气，脱掉氮气、二氧化碳和水蒸气，排出符合环保要求的冷烟气，脱气的油砂经第七管道7输送至反应炉19继续干馏热解。

实施例5

在实施例4的基础上，所述的一种双向水平井热烟气密闭循环开采油砂的系统，双向水平螺旋钻13机水平3旋转角度范围在0-360°，所述开采钻头14和回填钻头22的倾角调节范围在0-45°，增大开采、回填的覆盖面积，减少外部设备的移动频率，提高工作效率。

实施例6

一种双向水平井热烟气密闭循环开采油砂的方法，包括以下步骤：

s1：挖掘主坑道(12)；

s2：双向水平螺旋钻机(13)置于主坑道(12)内，双向水平螺旋钻机(12)的开采钻头(14)正转，采出油砂；

s3：开采钻头(14)采出的油砂经进砂管道(11)输送至旋转热解炉(9)；

s4：旋转热解炉(9)设置于地面，将油砂进行干馏热解，获得热解气和尾砂；

s5：双向水平螺旋钻机(13)的回填钻头(22)反转，经排砂管道(15)将尾砂回填至地下。

优选的，还包括步骤s6:将热解气输送至冷凝分离器(16)，获得冷凝水、冷凝油和可燃气。

优选的，还包括步骤s7:将冷凝水输送至排砂管道(15)，和尾砂一起回填至地下。

优选的，还包括步骤s8:将可燃气与空气混合后输送至旋转热解炉(9)加热形成热烟气，将热烟气输入开采钻头(14)钻杆内。

优选的，还包括步骤s9：将钻落的油砂和热烟气混合物输送至油砂缓存脱气罐(10)脱气，再输送至旋转热解炉(9)继续加温。

根据油砂层厚度、埋深和稳定性，选取盾构机地下挖掘或挖掘机露天挖掘等安全经济的方式进行主坑道的挖掘，厚度大、埋藏深和稳定性差的油砂层，选取盾构机地下挖掘主坑道12；厚度薄、埋藏浅和稳定性好的油砂层，选取挖掘机露天挖掘主坑道12，主坑道12挖掘好后，旋转热解炉9安置于主坑道12一侧，双向水平螺旋钻机13置于主坑道12下，挖掘主坑道12的油砂进入反应炉19进行干馏热解，分解成干馏油、热解气和尾砂；干馏油经排油炉20直接排放至主坑道12中，尾砂经排砂管道15排出，热解气通过第二管道(2)密闭流动到冷凝分离器16，分离出冷凝油、冷凝水和可燃气；冷凝水经第六管道6输送至排砂管道，可燃气、外供燃气和空气混合进入空气喷射混合器17，然后经第四管道4喷入反应炉19加热，空气喷射混合器17根据排出热烟气的压力、温度、流量等自动调节喷气压力、混合比例和气体流量，旋转热解炉9根据需要自动调节产生压力大于1mpa和温度高于100℃的高压热烟气，高压热烟气经第一管道1密闭循环进入开采钻头14钻杆内，周围的油砂温度升高，原油粘度降低流化，油砂层的可钻性和流动性提高，双向水平螺旋钻机13驱动开采钻头14钻入高温油砂矿，钻出油砂输送至油砂缓存脱气罐10净化脱气，再经第七管道7输送至反应炉19干馏热解；双向水平旋转钻机13驱动回填钻头22退出，及时携带尾砂和冷凝水混合回填到已采油砂废弃水平井；双向水平螺旋钻机13完成尾矿回填后，将主坑道12全部回填完全恢复地下、洞口和底面生态环境，实现干馏油、冷凝油和可燃气的高效、节能、环保开发利用，及尾砂和冷凝水的原位平衡、安全、环保、永久埋藏。

如上所述，可较好的实现本发明。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。