槽式太阳能集热技术用于稠油开采的实验研究

杜景龙 黄湘 宋宗坤 王佩明 王涛

（1.中国科学院工程热物理研究所；2.中国华电工程(集团)有限公司）

一 前言

随着全球经济的快速发展，能源的需求量越来越大，常规的石油资源早已不能满足人类的需求。稠油、油砂及油页岩等非常规石油资源的全球储量折合常规石油估计有9000亿t之多，主要分布在加拿大、委内瑞拉、俄罗斯、中国等国家，在石油需求强劲、油价高起、常规原油产量下降的背景下，稠油将在未来的石油工业中扮演重要角色，成为未来石油的重要来源。现在许多国家正在通过稠油开发增加产量、测试新技术、投资基础设施建设等措施，提高稠油资源的开发水平。在21世纪的未来几十年，稠油资源的开发将成为石油开采行业关注的主要方向。

稠油主要成分是烷烃、芳烃、胶质和沥青，具有高密度和高粘性的特点，常温下的流动性差，不利于采用常规方法开采。而温度对稠油粘度的影响非常大，随着温度的上升，稠油的粘度会急剧下降。目前稠油的开采通常采用蒸汽吞吐、汽驱等热采技术降低稠油的粘度，提高稠油产量。

太阳能是目前可再生能源开发利用的重要领域，具有清洁、分布广泛的特点。近年来随着太阳能热发电技术的发展，国外已经将太阳能热发电系统中的镜场集热技术用于稠油的开采过程[1,2]，美国的BrightSource公司和Glasspoint 公司分别采用塔式集热技术和槽式集热技术对美国早期部分油田增产，其中BrightSource 公司于2011年9月在美国加州的 Coalinga为雪佛龙公司建设了一座29MW的塔式蒸汽发生系统(图1)，直接产生注入油层的合格蒸汽，系统目前运行良好。我国对于稠油热采技术的开发利用虽然起步较早，但目前仍采用常规燃料锅炉蒸汽发生系统，只是对太阳能集热加热原油输送系统进行了实验性研究，目前还没有太阳能集热技术用于稠油开采的应用先例。

本文基于槽式太阳能热发电系统技术，提出了槽式太阳能集热技术用于稠油开采的系统模型，并对模型的关键技术和经济性进行分析研究；同时根据我国稠油资源和太阳能资源分布的区域性特点，对槽式太阳能集热技术应用于稠油开采中的关键问题进行探讨。

图1 太阳能集热强化稠油开采项目(美国加州科灵卡)

二 太阳能集热稠油开采技术

1 蒸汽吞吐稠油热采原理

蒸汽吞吐又叫周期性注汽或循环注蒸汽法，如图2所示，在几周(2～4周)内每天向井内注入一定量蒸汽，停注后关井数天使蒸汽凝结，对油井周围油层加热降粘增加稠油流动性，然后开井生产，待产量减至一定限度时，再重复上述过程[3]。

图2 蒸汽吞吐采油技术

2 太阳能热发电技术原理

太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能聚集起来，经中间介质和换热器产生高温高压蒸汽，驱动汽轮机并带动发电机发电，主要由集热系统、热传输系统、蓄热与热交换系统和发电系统组成，如图3所示。集热系统是指吸收太阳辐射能并将它转换为热能的装置，主要包括集热器、接收器和跟踪机构等部件。热传输系统通过热载体持续地将接收器吸收的太阳辐射能转换为自身的热能，并输送到热交换子系统传递给做功介质。蓄热与热交换系统保证了太阳能热发电系统连续平稳运行，避免受季节和天气的影响。蓄热装置主要由真空隔热或隔热材料包覆的蓄热器构成。发电系统由热动力机和发电机等主要设备组成，热动力机主要有蒸汽轮机、燃气轮机、低沸点工质汽轮机、斯特林发动机等。太阳能热发电按集热方式的不同可分为槽式、塔式、碟式和线性菲涅尔式。

图3 太阳能热发电系统组成

3 太阳能集开采热稠油系统

稠油热采过程及输送保温过程耗能大，将太阳能集热技术用于稠油开采代替全部或部分锅炉负荷，符合我国节能减排的能源政策和可持续经济发展模式。

槽式太阳能直接蒸汽发生系统(DSG)采用水作工质，水在真空管集热器内吸收汇聚的太阳辐射被加热成蒸汽，避免了中间换热介质。由于直接产生蒸汽槽式系统的蓄热技术目前还不十分成熟[4，5]，因此在夜间或太阳光照达不到设计要求时仍需采用辅助的燃气锅炉。

(1)槽式太阳能蒸汽发生系统原理

槽式太阳能蒸汽发生系统是目前太阳能热利用行业广为关注的方向[6，7]。工质水在真空管接收器内吸收汇聚的太阳能，在镜场出口直接形成设计参数的蒸汽，该方案根据蒸汽形成的机理，主要有三种形式，如图4所示由上至下依次为直流式、中间加注式和再循环式。

图4 槽式直接产蒸汽技术三种基本方案

直流式系统的给水在整个镜场中由镜场进口依次经过预热段、蒸发段，在镜场出口被加热成为饱和蒸汽。该系统构造简单，初期投资成本低，整个系统的关键在于系统对多相流工况的控制。

中间加注式蒸汽发生系统的给水在不同区域被注入槽式集热镜场，整个系统设备复杂程度和控制系统的难度都较大，目前采用该方案直接产生蒸汽的系统较少。

再循环系统在镜场集热器蒸发段的中间段和末端都安装有汽水分离器，注入蒸发段的多余水被中间级汽水分离器与蒸汽分离，通过泵被再次输送到镜场吸热器入口再次参与循环，由中间级汽水分离器分离出的蒸汽被输送至加热段二次加热成饱和蒸汽。该方案由于过量给水参与循环，增加了汽水分离器及循环泵等设备的耗能。

(2)DSG稠油开采系统控制原理

控制调节系统是DSG整体系统稳定运行的关键，直接影响到系统的蒸汽流量、温度和压力，也是保证DSG系统效率优于含中间换热介质系统的核心。

再循环系统的控制系统如图5所示，其由蒸发段集热器、再热段集热器以及重要的反馈系统组成[8～10]。镜场的反馈控制系统主要调节:循环水泵控制，通过调节循环水泵的功率保证循环水质量流量的稳定；给水泵控制，通过调节给水泵的转速维持给水阀门处压力降的稳定；中间级气液分离器液位控制，保证分离器水箱的液位处于额定位置；出口蒸汽压力控制，通过调节蒸汽控制阀的开度保持系统出口蒸汽压力为固定值；出口蒸汽温度控制，通过在最末端集热器入口注入适量给水来控制，注水阀控制器对温度的波动能提供快速的响应。出口蒸汽压力和温度的控制是保证蒸汽品质的主要控制点。

图5 再循环太阳能直接产蒸汽系统图

直流系统的控制系统如图6所示，系统主要通过给水泵流量、出口蒸汽压力和出口蒸汽温度三个方面调节[8～10]:给水泵控制，通过调节给水泵的转速维持给水阀门处压力降的稳定；出口蒸汽压力控制，通过调节蒸汽控制阀的开度保持系统出口蒸汽压力为固定值；出口蒸汽温度控制，直流式蒸汽发生系统通过调节镜场入口给水流量和末级镜场注水量两个方面来控制出口蒸汽的温度。直流式蒸汽温度调节对入口参数的波动较敏感，温度控制设备较复杂。

三 太阳能集热开采稠油的可行性

1 我国稠油资源开采现状

我国稠油资源已探明储量达16亿t，目前在12个盆地发现了70多个稠油油田，胜利油田地质储量约1.50亿t，中原油田约为0.32亿t，克拉玛依油田约0.67亿t，见表1。

在我国能源紧缺的今天，稠油资源无疑是我国不可忽视的能源之一。常规的热采稠油方法(注蒸汽或火烧油层)都是以消耗部分能源为代价。减少稠油开采及保温输送过程中的能量消耗，是目前稠油热采技术发展中重点发展方向。

2 我国的太阳能资源分布

我国拥有丰富的太阳能资源，全国有2/3以上地区的太阳能资源超过5000MJ/m2，年日照小时数在2200h以上。按照年总辐照量作为分级指标，我国太阳能资源可分为[11]:极丰富(A)、很丰富(B)、丰富(C)以及一般(D)四个等级[11]。如图7所示，我国的稠油资源储藏大部分位于太阳能资源可利用区域，太阳能集热稠油开采技术有着良好的先天条件。

表1 我国稠油资源分布

3 太阳能集热开采稠油可行性及示范工程

图7 中国太阳能资源及稠油分布图

我国新疆油田目前稠油年生产能力约400万t，主要采用蒸汽吞吐和汽驱两种开采方式。新疆油田地处亚欧大陆腹地，大部分稠油井区的地势平坦，属于典型温带大陆性干旱气候，具有丰富的光热资源，降水稀少，蒸发量大，年均日照2600～3400h，年太阳能总辐射量5000～6490MJ/m2，具备太阳能利用的极佳条件。鉴于丰富的太阳能资源，新疆油田目前开展了太阳能集热技术预热锅炉给水项目，如图8所示，为下一步DSG稠油开采做技术准备。

图8 太阳能集热技术预热锅炉给水

该项目采用槽式镜场集热技术，使4.5t/h的锅炉给水流经槽式集热镜场预热后，与另一部分18.5t/h的锅炉给水混合后进入天然气锅炉被加热成饱和蒸汽注入油井。示范项目的技术参数如下:镜场设计东西向布置镜场集热器面积3950m2，槽式反射镜面的反射率93%，真空管集热器的透射率和吸收率分别为93%和95%，镜场集热器进出口水温分别为60℃和330.6℃，镜场全年提供的加热量为1.8×1010kJ，新疆油田天然气热值35000kJ/m3，燃气锅炉效率85%，每年理论上可节省天然气约60万m3，按照1.5元/m3的天然气价格计算，年节约天然气费用90.7万元，系统年节省电费6万元。

由于国内太阳能热发电系统的核心部件如集热器，反射镜等批量化生产的程度还不十分成熟，该项目的建设投资成本如下:反射镜总价116.5万元，集热器部分总造价126.8万元，镜场支撑钢构造价90万元，液压控制及跟踪系统总价48.3万元，钢结构土建价格约84.5万元，保温及泵路系统约80万元，而整个系统每年可节约天然气60.5万m3，按照当地1.5元/ m3的天然气价格计算，整个工程的投资回收周期约5.6年。

太阳能集热稠油开采技术不仅符合温度对口梯级利用的用能原则，而且将开采过程中节约的天然气输送到我国东部经济发达地区，可更有效地推动经济发展。集热器、反射镜等核心部件实现国产化后，系统造价还有很大的下降空间，随着常规石油资源日益紧缺，槽式太阳能集热稠油开采技术将会拥有广阔的市场空间。

四 结论

太阳能集热稠油开采技术的研究不仅具有重要的理论意义和科学价值，并且耗能少、环境友好的太阳能集热开采稠油的技术对我国节能减排也具有重要意义。

(1)我国稠油资源的分布区域拥有丰富的太阳能资源，尤其是新疆油田，油田井区不仅太阳能资源丰富，并且井区为地势平坦的戈壁滩，建设太阳能集热镜场在利用太阳能的同时减少了地表水分蒸发，减缓土地的沙化速度，有利于生态环境的保护。

(2)将太阳能DSG技术应用于稠油开采，减少了常规热采技术中的天然气消耗，在降低成本的同时，可使高品质的天然气运输到东部能源紧缺地区，符合温度对口，梯级利用的能源利用原则。

(3)随着石油资源的日益减少，低成本地开采稠油技术将越来越受到重视，太阳能集热开采稠油技术是目前石油行业重点关注的方向掌握该领域的关键技术将对我国石油行业具有重要的意义。

(4)太阳能集热稠油开采技术的发展，将会推动太阳能集热技术行业的发展，对我国太阳能热发电行业的发展起到促进作用。

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