太阳能稠油热采技术研究与进展

原创 暗潮  2018-07-31 14:24:08  阅读 1037 次 评论 0 条

稠油资源是非常宝贵的地下资源,由于其沥青质和胶质含量高、黏度大,所以开采难度较高。蒸汽驱是稠油和超稠油油藏开采的主要工艺方式,该方法通常采用天然气锅炉生产高温高压蒸汽,并将其注入井中,通过降低地下原油黏度、增加原油热膨胀和流动性,以达到开采和提高采收率的目的,烧掉了“气”换来了“油”。世界上多数国家采用蒸汽驱热采工艺开采地下稠油油藏,都是以天然气为燃料生产蒸汽,中东的阿曼因天然气短缺以至需要进口天然气。数据显示,蒸汽热采每桶原油的成本中,天然气成本要占到50%左右。

太阳能是目前可再生能源开发利用的重要领域,具有清洁、广泛、易得的特点,利用太阳能进行稠油开采不仅降低燃气消耗,还满足了低碳环保开发的要求,是节能、降本、环保的油田开发方法。近年来,玻点(GlassPoint)公司研发的太阳能稠油热采技术已从概念阶段快速发展到商业化项目,取得了一系列进展,代表了稠油热采技术的新方向。

玻点公司是由荷兰皇家壳牌和国家总储备基金联合支持的一家创新型企业,主要从事太阳能提高采收率(EOR)方面的应用与研究,其总部位于加利福尼亚州弗里蒙特,区域办事处分别设在马斯科特、阿曼、科威特及中国深圳。 就全球范围来看,玻点公司是太阳能蒸汽生产设备的主要供应商,项目市场主要分布于中东和加利福尼亚州,作为太阳能提高采收率技术的先导者,正引领着该领域的全球商业化进展。

玻点公司的太阳能蒸汽生产系统不仅节省了宝贵的天然气资源,降低碳排放量,还创造了大量的工作机会,积极促进了当地经济发展。2013年公司凭借该技术得到多个能源组织的认可与赞赏,例如清洁技术组织(CleantechGroup)评选其为“全球清洁技术一百强”;美国剑桥能源咨询公司(IHSCERA)评选其为“2013年能源创新先锋”等。

 1 太阳能稠油热采主体技术和装备

玻点公司太阳能稠油热采主体技术为封闭槽式(EnclosedThrough)集热系统,外形类似于一个玻璃温室,由玻璃和钢结构组成,在温室内太阳光线被反射到装有水的接收管,在100bar蒸汽压力下生成80%干度的蒸汽,符合稠油热采技术需求。整体结构单元如图1所示。

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 图1.封闭槽式集热技术的结构单元

1.1屋顶清洗系统和空气处理机组

集热温室的屋顶装有自动清洗系统,每晚自动清洗屋顶表面,清洗用水的90%可回收再利用;空气处理机组针对强沙尘气候,可过滤沙尘,提供干燥空气。这两种设备可大幅提高能效,减少沙尘和大风的不利影响。

1.2反射镜

温室中悬挂多组抛物面反射镜,为轻质铝材蜂窝状结构,反射镜和框架总重仅为4.2kg/m2,与常规太阳能聚光板相比,光学精度很高,成本大幅降低。

1.3接收器

接收器经过抛光和涂层可以最大限度地吸收太阳辐射能,管状玻璃遮挡技术减少了对流中的热量损失。接收器通过钢杆悬挂于温室内,钢杆处于拉伸状态,适应日常的热胀冷缩,保持了光学系统对准精度。

2 太阳能稠油热采项目进展

2.1 加州太阳能稠油热采项目

2011年2月,玻点公司推出世界上第一个商业化太阳能提高采收率(EOR)项目,位于美国加利福尼亚州的克恩显,Berry石油公司的21Z租赁区。该系统由玻点公司与当地公司TJCrossEngineers、PCL产业服务合伙投资建设,用了不到6周的时间,占地面积198m3,利用太阳辐射能每小时可产1MMBtu(百万英热单位)的热量。系统中的封闭槽可将水预热到190℉,被Berry石油公司用作燃气蒸汽生产设备的补给水。

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2.2 阿曼太阳能稠油热采项目

在阿曼南部沙漠的AmalWest油田由,玻点公司和阿曼石油开发公司合作的太阳能重油热采项目(SSGP)已成功运行一年,产出蒸汽近14000t,与传统方式相比,天然气消耗量降低80%以上(图3)。

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图3.阿曼太阳能蒸汽生产现场

2.2.1 试验概况

2013年3月,玻点公司和阿曼石油开发公司合作开展了中东首个太阳能重油热采项目,规模较美国加州项目扩大了27倍。核心技术采用玻点公司的封闭槽式集热技术,玻璃温室尺寸为96m×180m×6m,占地面积为17280m2,内部由12列槽式反射镜组成,单列反射镜尺寸为7.5m×178m。温室内阳光被反射到水循环管线上,生成符合热采要求、干度为80%的蒸汽。蒸汽发生系统功率高达7MW,每天可产生蒸汽50t(超过合同规定值的10%),每小时最高可产蒸汽11t,蒸汽压力达到10MPa,温度为312℃。由于阿曼沙漠中大部分区域太阳能辐射值(DNI)超过2000(kW·h)/a,该系统每年可节约燃气消耗47000MMBtu。

2.2.2 试验结果

图41天内的太阳能蒸汽生产动态情况。A线为进水量,B线为蒸汽产量,C线为蒸汽干度。初期,循环水量很小,当达到一定的温度和压力时,开始产出蒸汽。运行期间,蒸汽干度严格控制在75%±5%。其进水量、蒸汽产量及干度都可自动调控,以保证能量的最大化利用。

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图4.太阳能蒸汽试验生产动态(运行时间:2013-08-07) 

试验中所注蒸汽白天由太阳能生产,夜间由天然气生产。如果昼夜稳定注汽,天然气消耗量可降低25%;如果采用白天加大注入量,夜间减少注入量的不稳定注汽方式,天然气消耗量将降低80%。模拟研究表明,稳定和不稳定注汽方式对采收率没有影响,采收率只取决于在一定时间跨度内蒸汽累计注入量的多少,证明太阳能的周期性应用对整个生产没有任何影响。

本试验全年平均正常运行效率高达98.6%,在最后一个季度超过99.5%。试验在运行期间的前12个月产出近14000t蒸汽(图5),超出预期值2%。

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图5.太阳能蒸汽试验中测量的累计产出量

2.2.3 存在的主要问题

在沙漠环境中系统运行的主要问题是沙尘影响。研究显示,沙尘污染率与光学表面(温室屋顶)的高度有关,与高度为1.8m处的沙尘污染率相比,4.6m处的污染率就会降低55%,9.1m处降低87%。光学表面越高,磨损和污染率就越低。 由于沙尘污染,该系统每天蒸汽输出量约减少2.5%,但在进行自动清洗后,即使经历了严重的沙尘暴,其性能也会得到100%的恢复。AmalWest油田2013年4月初经历了一场严重的沙尘暴,风速超过40km/h,最大阵风超过60km/h,地面能见度不足100m。户外活动被迫关闭,但在6m高的温室屋顶仍有充足阳光,保证了设备的正常运行,在沙尘暴过程中产出蒸汽48t,但产能降低了12%。沙尘暴过后,对屋顶进行自动清洗,产能得到恢复(图6)。

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图6.沙尘暴发生前、中、后的设备性能比较

通过1年的运行证实,在中东沙漠环境下利用太阳能生产蒸汽进行重油热采经济可行。整个系统的功率达到7MW,全年运行效率达98.6%。与传统的利用天然气燃炉生产蒸汽技术相比节省了天然气消耗,一般消费量可降低80%以上,同时CO2排放也大大减少,系统使用寿命长达30年。

 2.3 拓展科威特业务

重油生产是科威特2020~2030年投资战略的重要组成部分,目前正在进行全油田注汽项目。玻点公司的太阳能EOR技术不仅能帮助科威特实现产量目标,还能降低燃料成本和对天然气进口的依赖。公司2014年3月18日宣布在科威特市设立新的办公室,并已成功启动了第一个重油生产项目,从Wafra油田Neutral层生产重油。

3 结论

玻点公司太阳能EOR技术是采用真正创新的方式来应对油气挑战,以可持续的方式提供能源,不仅满足了不断增长的需求,还达到低碳环保开发的效果,是节能、降本、环保的油田开发良策。

(1)降低燃料成本。传统的稠油项目中,用于生产蒸汽的天然气购价格占到项目成本的60%。而玻点公司的太阳能EOR解决方案不需要燃烧大量天然气来运行,在阳光充足的地区,太阳能蒸汽生产设备可减少80%的燃气消费。

(2)天然气价值最大化。通过太阳能EOR项目节省下来的天然气资源可被用于较高价值的应用,比如发电、运输、LNG出口等,会对当地经济发展产生巨大影响,尤其是在天然气供应较为稀缺的海湾地区。

(3)采出更多原油。太阳能稠油热采技术因为有较低成本的蒸汽产出,操作者可对生产井进行更好和更长时间的开采,延长油田的经济寿命,采出更多原油,进而提高最终采收率。

(4)刺激当地经济。太阳能EOR项目通常是由玻点公司、当地工程公司、项目开发商等共同合作完成,产生了长期境内价值。一般项目中有超过50%的费用分配给当地采购的材料、生产和建设环节,有效支撑了当地经济的发展。

我国稠油储量巨大,但对于其开采存在较大的资源浪费,因此太阳能EOR技术可能成为我国未来稠油开发的一种新趋势。结合我国实际情况,该技术在我国新疆地区有一定的应用推广空间。新疆位于亚洲大陆腹地,远离海洋,戈壁地表广阔,具有大气干燥、阳光通透性好、晴天多等特定的地理位置和气候条件。

(来源:《石油科技论坛》,作者:王璐、何艳青、张华珍;单位:中国石油集团经济技术研究院)

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