太阳能热利用在稠油输送及开采中的应用现状*

李石栋，叶家万，莫才颂，苏楚然

（1.广东石油化工学院机电工程学院，广东茂名525000；2.广东石油化工学院石油工程学院，广东茂名525000）

太阳能热利用在稠油输送及开采中的应用现状*

李石栋1，叶家万1，莫才颂1，苏楚然2

（1.广东石油化工学院机电工程学院，广东茂名525000；2.广东石油化工学院石油工程学院，广东茂名525000）

太阳能热利用在稠油输送及开采中能起到节省能源的作用。目前国内的太阳能低温热系统在油气田中能起到很好的节能效果。在国外，高温太阳能光热系统已经在稠油开采方面成功进行了商业应用，而我国目前还没有商业化工程应用。介绍了我国低温太阳能热利用系统和高温聚光太阳能热利用技术在稠油输送及开采中的应用情况，特别对适用在稠油开采的塔式系统、槽式系统、菲涅耳系统等高温太阳能热利用技术进行了综述。

太阳能；稠油；提高稠油采收率

目前，在我国的12个盆地发现了70多个稠油油田［1］，稠油资源约占石油总资源量的20%～30%，国内稠油年产量约占全国石油年产量的10%左右［2］。由于稠油的黏度和凝固点高，其开采主要通过降低黏度实现，因此需要利用二次采油或三次采油技术来进行开采。稠油加热降黏法主要有蒸汽吞吐采油、蒸汽驱采油、蒸汽辅助重力驱油、热水驱采油、火烧油层采油、电磁加热等，其中注蒸汽热力采油已经成为稠油的主要开采方式［3］。

我国的稠油资源储藏大部分位于太阳能资源十分丰富的区域，太阳能低温热系统在国内的油气田中已经得到广泛应用，但目前太阳能高温光热系统在国内尚没有得到商业化工程应用。如何充分利用太阳能，尤其是太阳能高温光热技术，在稠油输送及开采中节约、替代不可再生资源，已成为亟待解决的问题。本文综述了我国在稠油输送及开采中的太阳能热利用研究现状，特别是对应用于稠油开采的高温聚光太阳能热利用技术进行了介绍。

1 低温太阳能热利用在稠油输送中的辅助应用

太阳能热利用技术是通过集热器将太阳辐射能收集起来，与传热工质转换成热能并加以利用。根据工作温度的不同，太阳能光热技术可分为低温、中温和高温三类，其中低温太阳能热利用的温度一般在100℃以下，中高温太阳能热利用则需要通过聚光集热器才能实现。

我国在2000年左右才开始进行太阳能光热技术在油气田中的节能应用。贾庆仲［4］在2002年完成了对辽河油田应用低温太阳能的可行性报告、太阳能加热系统及相应管输系统的初步方案设计。王学生等［5－6］以辽河油田为实例，设计了一套间接加热的太阳能加热原油输送系统，并研究了该系统的新型换热器。2004年，辽河油田兴隆台采油厂完成了油田地面集输太阳能加热技术的工程实施，运行良好，天然气节省率达40.23%［7］。据不完全统计，辽河油田［4－7］、长庆油田［8］、淮建油田［9］、河南油田［10］、羊三木和孔店油田［11］等都有不同规模的低温太阳能热利用以辅助稠油加热输送或开采。应用在稠油输送的低温太阳能热利用系统一般由太阳能集热器、水/原油换热器、储热水箱、水路装置、输油装置和控制装置等部分组成［12］。系统主要具有两个循环回路，一个是储热箱的水在循环泵动力下，连续反复经过太阳能集热器进行加热，最终升温到集输系统所需温度；另一个是蓄热水箱的热水再次通过热水循环泵给储油罐的加热盘管和集输伴热管线加热，受热的伴热管通过热传递给原油加热和集输管线伴热［9］。徐芬［13］对太阳能集热系统中储热油罐容量实行了优化，进行了极值搜寻研究。周砚凯等［14］利用低温太阳能热利用技术，替换板76－12井的储罐电加热棒系统，改变了单井原油储存加热过程中电加热棒能耗高的现状，满足了集输管道液体加热要求，达到了液体稳定流畅集输的目的，全年可节约能源50%以上。由于不少油田的冬天处于严寒天气，太阳能集热器需要具有很好的抗冻能力，因此可以根据运行期内最低环境温度等因素来选用太阳能集热器［15］。热泵技术已经在辽河油田稠油热采中得到应用，通过提取在生产过程中含油污水中的热量来解决进站液一次加热问题，改善了余热资源的浪费［16］。随着技术的发展，越来越多低温太阳能热利用技术如太阳能热泵［17］等应用于稠油开采及输送中。

2 高温太阳能热利用在提高稠油采收率中的应用

高温太阳能热利用的温度范围一般在250℃以上，聚热场一般需要采用聚光方式才能达到这样高的温度。聚光方式一般有点聚焦和线聚焦两种，点聚焦包括碟式系统和塔式系统，而线聚焦系统则包括抛物面槽式系统和菲涅耳式系统。

中国科学院电工研究所进行了大量关于高温太阳能热利用的应用基础研究工作。“八五”期间，中国科学院电工研究所研制了槽式线聚焦装置，并对抛物面槽式集热系统进行了研究［18］。从2001年起，中国科学院电工所已经完成了1 kW碟式－特林机热发电系统的研制和运行测试。2007年，河海大学在张耀明院士的主持下建成了国内首座塔式70 kW太阳能热发电系统［19］。2012年，北京延庆塔式太阳能热发电站首次发电成功，标志着我国成为第一个具有完全自主知识产权的MW级太阳能热发电站全线贯通的国家，掌握了大型太阳能热发电站集成调试和运行技术［20］。目前，我国对太阳能热发电站的研究还远远落后于西班牙、美国、德国等发达国家。

2011年，美国Brightsource公司利用塔式集热技术在加州科林加为雪佛龙公司建成了一座29 MW的塔式蒸汽发生系统，直接将产生的高温、高压蒸汽注入地下储油层进行加热，提高储油层的压力并降低油的黏性。该项目占地404 686m2，共有定日镜装置3 822套［21－22］。

Glass Point公司于2011年在美国加州建成世界第一个商业化槽式太阳能EOR（Enhanced Oil Recovery，提高稠油采收率）项目，占地面积198m2。到2013年，Glass Point公司又在中东建成一个较美国加州项目大27倍的槽式太阳能EOR项目［23－24］。该项目的核心采用封闭槽式集热技术，在96m×180m×6m的玻璃温室内建立槽式系统，生成干度为80%、压力为10 MPa、温度为312℃的蒸汽［23］。罗玮玮等［25］对Glass Point公司的封闭槽式集热技术在新疆油田的应用进行了可行性分析，结果表明封闭槽装置的占地面积较传统槽装置缩减了5/6，运行30年的总成本仅为传统槽的1/3，因此，太阳能稠油热采技术在新疆油田的应用具有可行性。我国目前还没有高温太阳能EOR项目的商业化实际应用，而国外相关项目在稠油开采方面的成功应用已经引起了国内很多同行的研究关注［21－23］。目前合适应用在稠油开采的高温太阳能热利用技术有以下三个方面。

2.1 塔式系统

塔式系统利用定日镜来跟踪太阳，将阳光聚集到固定在塔顶部的接收器（集热器）直接产生蒸汽，或间接通过加热传热介质如熔融盐、空气等来换热产生蒸汽。

早在20世纪80年代，西班牙、美国、俄罗斯等国家建立了很多塔式实验系统来验证和示范其可行性，现在已经进入商业化阶段。CESA－1、Solar One、Solar Two、Solar Tres、PA10/20是塔式电站技术的代表，此外还有接收器在地面上的二次反射塔式系统和多塔模块化塔式系统等。二次反射塔式系统的概念是由Rabl提出来的，以色列魏茨曼科学研究所据此作了进一步的深入研究［26］。日本的Hiroshi等［27］分析和设计了100 MW二次反射塔式系统，其中CPC接收器采用融盐作为传热介质。

2.2 槽式系统

槽式系统主要有间接蒸汽系统和直接蒸汽系统，是利用抛物面把平行光聚焦到抛物面聚点上的原理来聚光加热，实现间接或直接产生蒸汽。槽式系统主要由抛物面槽式聚光器、换热/蒸汽发生系统等组成，抛物面槽式聚光器由抛物面镜面、支架、真空集热管、连接等组成。槽式系统早在1870年就开始进行实践应用，并于20世纪80年代进入商业化。目前商业化项目采用的都是导热油间接系统技术。Luz公司在1984年到1990年间建了九座抛物槽SEGS电站（Solar Electric Generating Station，太阳能热发电站），共354 MW。关俊岭［28］通过对塔河油田采油一厂TK－921井场进行调研，提出了太阳能热作为水套炉补充热源的技术方案（如图1所示），由抛物面槽式聚光器获得热量，通过换热器与加热炉中水进行换热，从而达到减少天然气消耗的目的。

图1 太阳能加热原油系统平面布置

槽式直接产生蒸汽技术在最早期和20世纪80年代也进行过研究，但受到吸热管中水的汽液两相流动存在不确定因素和潜在问题的制约，还没有投入商业化应用。相对于间接蒸汽系统，槽式直接产生蒸汽技术也有其显著的优点，例如没油污风险，不受导热油400℃温度使用的限制，系统相对简化等。

欧洲对槽式直接产生蒸汽技术在20世纪80年代进行了第一阶段的论证研究，90年代初进行了第二阶段的实验室级研究，90年代后期20世纪初比较有代表性的是DISS项目和INDITEP项目，并进行了第三阶段的大型现场条件下运行研究。目前处于第四阶段，就是槽式直接产生蒸汽电站的设计、建设和示范阶段。图2所示是DISS项目的三种槽式直接产生蒸汽的基本模型［29］。

2.3 菲涅耳系统

图2 DISS项目三种直接产生蒸汽模式

菲涅耳系统是一种十分适合在稠油开采中应用的技术，是由悉尼大学于1993年提出的［30］，通过多面反射镜组成菲涅耳发射系统，实现线聚光并产生蒸汽。菲涅耳系统的反射聚光器是平板镜子，造价比较便宜，排列比较紧密，占地面积小，风荷载也比较小，吸热管不需要真空技术和金属玻璃接头。2008年西班牙建成了世界上第一个热功率为1.4 MW的真正意义上的菲涅耳系统，2009年又建成了一个30 MW菲涅耳系统。

3 结语

太阳能光热技术在稠油输送及开采的应用越来越受到人们的重视。低温太阳能热利用在国内外稠油输送应用上已经比较普遍。在国外，塔式和槽式等太阳能高温热利用技术已经广泛应用到稠油热采上。到目前为止，我国还没有高温太阳能EOR项目的商业化实际应用，但已经引起国内很多同行的研究关注。本文对合适应用在稠油开采的塔式系统、槽式系统、菲涅耳系统进行了介绍，希望促进我国把高温太阳能热利用技术投入到稠油开采的商业化应用中。

［1］杜景龙，黄湘，宋宗坤，等.槽式太阳能集热技术用于稠油开采的实验研究［J］.太阳能，2013（1）：27－32.

［2］吴鸣.太阳能光热EOR技术在石油开采领域的应用研究［J］.节能与环保，2015（2）：58－60.

［3］杜殿发，王学忠，崔景云，等.稠油注蒸汽热采的替代技术探讨［J］.油气田地面工程，2010，29（10）：54－56.

［4］贾庆仲.太阳能在石油输送中的应用研究［J］.太阳能学报，2004，4（25）：483－487.

［5］王学生，王如竹，吴静怡，等.太阳能加热原油输送系统应用研究［C］.21世纪太阳能新技术——2003年中国太阳能学会学术年会论文集.上海：上海交通大学出版社，2003.

［6］王学生，王如竹，吴静怡，等.太阳能加热输送原油系统中新型换热器的设计研究［C］.21世纪太阳能新技术——2003年中国太阳能学会学术年会论文集.上海：上海交通大学出版社，2003.

［7］范玉平.太阳能节能技术在油田的应用［J］.石油天然气学报（江汉石油学院学报），2005，3（27）：568－569.

［8］杨会丰，常振武，王林平，等.太阳能集热技术在油田井组集输系统的现场试验分析［J］.石油石化节能，2012（2）：45－49.

［9］曹进仁，周建荣.太阳能加热油气集输工艺技术在淮建油田应用［J］.内蒙古石油化工，2011（1）：109－111.

［10］袁秀丽，宋萍萍，李萍，等.太阳能在线加热技术在稠油集输中的应用［J］.油气田地面工程，2014，33（5）：54－55.

［11］李建馨，刘大勇，李登金.太阳能加温技术在原油生产中的应用［J］.资源节约与环保，2008，3（24）：42－43.

［12］王向宏，叶朝曦.太阳能光热技术在油气田中的节能应用［J］.石油石化节能，2013（7）：22－25.

［13］徐芬.太阳能集热系统中储热油罐容量的极值搜寻研究［D］.杭州：杭州电子科技大学，2013.

［14］周砚凯，孟德钢，王滔，等.应用太阳能加热装置节能降耗［J］.资源节约与环保，2013，12：28.

［15］郭敬红.大庆油田利用太阳能加热输送原油应用分析［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2010，22（5）：33－35.

［16］张传友.热泵技术在稠油热采工艺中的应用［J］.中国设备工程，2014（5）：12－13.

［17］李建馨，张祖峰，孙秀华，等.稠油开采太阳能热泵节能技术的应用［J］.资源节约与环保，2013（10）：30－31.

［18］李斌，李安定.太阳能热发电技术［J］.电力设备，2004，5（4）：80－82.

［19］张耀明，刘德有，张文进，等.70kW塔式太阳能热发电系统研究与开发（上）［J］.太阳能，2007（10）：19－23.

［20］王志峰.兆瓦级塔式太阳能热发电实验电站［J］.现代物理知识，2013，25（2）：18－23.

［21］杜景龙，黄湘，宋宗坤，等.槽式太阳能集热技术用于稠油开采的实验研究［J］.太阳能，2013（1）：27－32.

［22］姚志豪.利用聚光太阳能产生蒸汽注入采油的技术研究［J］.石油石化节能与减排，2013，3（2）：1－6.

［23］王璐，何艳青，张华珍.太阳能稠油热采技术研究与进展［J］.石油科技论坛，2015（4）：68－71.

［24］Bierman B，Treynor C，O’Donnell J，et al.Performance of an enclosed trough EOR system in South Oman［J］.Energy Procedia，2014，49（6）：1269－1278.

［25］罗玮玮，赵仁保，夏晓婷，等.太阳能封闭槽稠油热采技术在新疆油田应用的可行性分析［J］.西安石油大学学报（自然科学版），2015，30（5）：64－68.

［26］Akiba Segal，Michael Epstein.The Optics of the solar tower reflector［J］.Solar Energy，2000，69（1－6）：229－241.

［27］Hiroshi Hasuike，Yoshio Yoshizawa，Akio Suzuki，et al.Study on design ofmolten salt solar receivers for beam－down solar concentrator［J］.Solar Energy，2006，80（10）：1255－1262.

［28］关俊岭.太阳能高温热在西北油田单井应用的可行性分析［J］.石油石化节能与减排，2013，3（5）：36－41.

［29］Zarza，Eduardo Valenzuela，LoretoLeón，et al.Direct steam generation in parabolic troughs：Final results and conclusions of the DISS project［J］.Energy，2004，29（5－6）：635－644.

［30］Mills D R，Morrison G L.Compact Linear Fresnel Reflector solar thermal powerplants［J］.Solar Energy，2000，68（3）：263－283.

The State－of－art of Solar Thermal Application to Heavy Oil Transportation and Mining

LI Shidong1，YE Jiawan1，MO Caisong1，SU Churan2
（1.College of Machinery and Electronic Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China；2.College of Petroleum Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China）

Solar energy thermal utilization in heavy oil transportation and itsmining can play a role in saving energy.the current domestic low－temperature solar thermal system applied in the oil and gas fields also does well in energy saving.At abroad，high－temperature solar thermal system has been commercially applied，but not yet in our country.In this paper，The State of art of low－temperature solar thermal system and high temperature solar thermal utilization technology in heavy oil transportation andmining are reviewed，especially the hightemperature concentrated solar heat utilization technology，such as recovery tower，trough system，fresnel system.

Solar energy；Heavy oil；Enhanced Oil Recovery

TK513

A

2095－2562（2016）01－0048－04

（责任编辑：骆磊）

2015－12－06；

2016－01－05

广东省自然科学基金博士启动项目（2014A030310376）；广东省普通高校青年创新人才项目（631051）；广东省公益研究与能力建设专项（2015A030401102）；广东石油化工学院人才引进项目（513090）；2015年广东石油化工学院大学生创新创业校级培育计划项目（2015pyC033）；广东省本科高校教学质量与教学改革工程立项建设项目（粤教高函［2015］133号）

李石栋（1983—），男，广东廉江人，博士后，讲师，内聘副教授，主要从事太阳能热利用及储热研究。