太陽能封閉槽稠油熱采技術(shù)在新疆油田應(yīng)用的可行性分析

羅瑋瑋，趙仁保，夏曉婷，姚團軍，肖愛國

(1.中國石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249； 2.中石油新疆油田分公司 采油一廠，新疆 克拉瑪依 834000)

太陽能封閉槽稠油熱采技術(shù)在新疆油田應(yīng)用的可行性分析

羅瑋瑋1，趙仁保1，夏曉婷1，姚團軍2，肖愛國1

(1.中國石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249； 2.中石油新疆油田分公司 采油一廠，新疆 克拉瑪依 834000)

對國外示范區(qū)所用的新型太陽能封閉槽裝置在新疆油田的應(yīng)用進行了可行性分析。利用CMG模擬太陽能周期性產(chǎn)熱的特點，從傳熱學(xué)的角度分析了封閉槽裝置的集熱性能，同時結(jié)合新疆油田實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行了反射鏡場占地面積的計算，分析了5種不同蒸汽發(fā)生方式的成本。結(jié)果表明，封閉槽裝置的占地面積較傳統(tǒng)槽裝置縮減了5/6，運行30 a的總成本僅為傳統(tǒng)槽的1/3，太陽能稠油熱采技術(shù)在新疆油田的應(yīng)用具有可行性。

太陽能封閉槽；CMG模擬；占地面積；成本分析

稠油具有黏度大、流動性差、體積波及系數(shù)小、驅(qū)油效率低等特點。注蒸汽熱采技術(shù)作為開采稠油最有效的手段，在各種稠油油藏中得到了普遍應(yīng)用[1]。但生產(chǎn)蒸汽時天然氣和煤的燃燒產(chǎn)生大量CO2，嚴(yán)重污染環(huán)境。而太陽能低污染、能源充足，因此太陽能蒸汽發(fā)生技術(shù)輔助稠油熱采得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注和認(rèn)同[2]。1983年，Atlantic Richfield[3]公司在加州的Taft嘗試搭建了第一個用于稠油開采的太陽能蒸汽發(fā)生試點工程，裝機功率為1 MW，但因經(jīng)濟效益不佳，以失敗告終；2011年2月，Glass Point公司在美國加州建起的第一個商業(yè)化太陽能熱采工程獲得成功，正式進入投產(chǎn)[4]；同年10月，Bright Source公司在美國加州建立的太陽能熱采工程[5]也投入使用；2012年1月，Glass Point公司在阿曼南部Amal West油田開始搭建7 MW的太陽能輔助熱采項目，并于2013年5月以日均50 t的蒸汽注入量正式投入生產(chǎn)。

在我國，新疆日照時間最長，太陽能輻射強度(DNI)最大。位于新疆紅山嘴油田的紅淺1井區(qū)006井?dāng)鄩K克上組屬于砂礫巖超稠油Ⅰ類油藏，原油平均密度0.944 8 g/cm3，平均黏度29 755.58 mPa·s，目前在橫向連續(xù)性相對較好的局部區(qū)域立足于蒸汽驅(qū)開發(fā)，日注蒸汽量77 t。雖然太陽能光熱技術(shù)已較為成熟，但油田的特殊環(huán)境使太陽能光熱蒸汽發(fā)生技術(shù)的推廣受到了諸多限制，例如太陽能裝置前期投資大、經(jīng)濟效益低、占地面積過大等。因此，了解和評價太陽能蒸汽發(fā)生器的優(yōu)缺點和應(yīng)用可行性對太陽能運用于稠油開采有著重要的指導(dǎo)意義。本文以紅克作為目標(biāo)區(qū)塊，選用太陽能封閉槽裝置作為主要研究對象，通過數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)計算，從蒸汽注入速度、季節(jié)影響、太陽輻射強度、占地面積、成本等方面對比分析太陽能輔助稠油熱采在新疆應(yīng)用的可行性。

1 新型封閉槽裝置

太陽能輔助稠油熱采機理是利用槽式蒸汽發(fā)生器通過集熱裝置將太陽能轉(zhuǎn)化成熱能，經(jīng)過熱交換產(chǎn)生飽和蒸汽后注入地下開采稠油。但是由于新疆低溫時間長，風(fēng)沙較大，而傳統(tǒng)槽集熱器的鏡面直接與外界環(huán)境接觸，導(dǎo)致鏡面磨損嚴(yán)重，影響鏡面反射精度，這不僅降低了設(shè)備熱效，而且增加了維護成本[6]。相比于傳統(tǒng)槽式裝置的開放系統(tǒng)，封閉槽的優(yōu)點在于反射鏡場被保護在密閉玻璃溫室中，結(jié)構(gòu)如圖1所示[7]。玻璃溫室的結(jié)構(gòu)能夠降低風(fēng)沙對鏡面的磨損，與此同時，溫室中壓力略高于外界壓力的設(shè)計有效地防止了外界塵土的進入，增加了溫室的密封性，降低了污染率，能更好地保持鏡面的光學(xué)性能[8]。此外，溫室的頂部設(shè)有自動污染檢測功能，當(dāng)監(jiān)測到室內(nèi)污染較大時，溫室將自行啟動清洗功能，并將油田廢水進行處理后用于循環(huán)清洗鏡面。此項技術(shù)有利于節(jié)約水資源，提高了太陽能封閉槽蒸汽發(fā)生器在水資源匱乏地區(qū)的適用性[9]。

圖1 封閉槽結(jié)構(gòu)示意圖

2 封閉槽裝置的可行性分析

相比于傳統(tǒng)鍋爐，太陽能蒸汽發(fā)生器的特點在于受環(huán)境影響較大， 同時季節(jié)周期和晝夜交替也會導(dǎo)致裝置產(chǎn)生熱量不穩(wěn)定，使蒸汽無法恒速注入；太陽能輻射強度低這一問題會直接影響到裝置運行的經(jīng)濟效益，所以急需集熱效率更高的設(shè)備提高裝置運行的經(jīng)濟性；井場占地面積有限，反射鏡場面積過大也成為了制約太陽能蒸汽發(fā)生裝置在新疆推廣的主要因素[10]。本文就以上幾點對封閉槽在新疆的應(yīng)用進行分析和討論。

2.1 季節(jié)周期和晝夜交替的影響

從油藏工程的角度來看，利用太陽能輔助稠油熱采最大的挑戰(zhàn)在于周期性產(chǎn)熱量對原油采收率的影響[11]。為進一步分析產(chǎn)熱量波動和采收率之間的關(guān)系，本文利用CMG軟件建立模型，模擬變速率注蒸汽下的原油累積產(chǎn)量。根據(jù)新疆太陽輻射強度月分布(如表1)，3月份到10月份太陽輻射強度大，將其歸為夏季，其余4個月太陽輻射強度均低于100，因此歸為冬季。換算后可得，紅克地區(qū)實際注入量為3.21 t/h，在保證年蒸汽注入量相同的情況下，根據(jù)太陽能的產(chǎn)熱特點，按季節(jié)周期和晝夜周期對注入量進行劃分。假設(shè)一天之中8點到16點為日照時間，剩余16個小時為夜晚；日照的8小時內(nèi)，冬季的注入速率為4.24 t/h，夏季為12.72 t/h。夜晚時，冬季和夏季注入速率分別為7.08×10-3t/h,21.2×10-3t/h。模擬結(jié)果顯示(如圖2)，相比穩(wěn)定注入，周期性的蒸汽注入對蒸汽突破時間并無太大影響，而累積產(chǎn)油量卻略有提升，由此推測熱量的周期性擾動有利于蒸汽腔的拓展。因此，在能滿足油田溫度、壓力等生產(chǎn)要求的條件下，新疆可以實施太陽能輔助稠油熱采技術(shù)。

表1 新疆太陽輻射強度月分布[12]

圖2 CMG模擬結(jié)果

2.2 太陽輻射強度的影響

為保證太陽能產(chǎn)生蒸汽開采稠油的經(jīng)濟性，太陽輻射強度(DNI)是影響槽式太陽能光熱裝置選址中最關(guān)鍵的因素[13]。由表1計算可得，新疆年均DNI值為1 539 kW·h/(m2·a)，低于現(xiàn)有太陽能輔助稠油熱采裝置經(jīng)濟運行的國際最低標(biāo)準(zhǔn)(1 700 kW·h/(m2·a))，而目前已建有試點工程的阿曼和加州[14-15]，年均日照時長均大于300 d,DNI值高達約2 010 kW·h/(m2·a)[16]。因此，為提高太陽能技術(shù)在新疆運用的經(jīng)濟效益，需要集熱效率更高的設(shè)備，以減少熱量損失[17]。

根據(jù)傳熱學(xué)分析[18]，槽式裝置集熱器的熱量損失模型如圖3所示，包括：光學(xué)損失、輻射損失、熱傳導(dǎo)損失、對流損失以及加熱介質(zhì)的吸熱損失。其中：若環(huán)形腔內(nèi)真空度較高，則對流損失可以忽略[19]；經(jīng)調(diào)研，傳統(tǒng)槽裝置與封閉槽的熱傳導(dǎo)率分別為75%和60%，其輻射損失和吸熱損失基本相當(dāng)，分別取6%和5%[20]。光學(xué)損失主要由光源的反射和透射造成，由于鏡面污染同樣會導(dǎo)致光學(xué)效率的急劇降低，因此，污染率也作為光學(xué)損失的影響因素。數(shù)據(jù)顯示，封閉槽的玻璃溫室結(jié)構(gòu)能有效地將污染率降低到2%。表2的計算結(jié)果表明，傳統(tǒng)集熱器的光學(xué)效率最高為76.70%，污染率的降低可使封閉槽的光學(xué)效率達89.98%[21]，較傳統(tǒng)集熱器提升了13.28%。

為研究封閉槽在新疆DNI值較低的情況下是否具有經(jīng)濟可行性，本文根據(jù)上述熱損失模型參數(shù)，對封閉槽裝置和傳統(tǒng)槽的集熱能力進行了對比。以國際最低經(jīng)濟極限標(biāo)準(zhǔn)的DNI值1 700 kW·h/(m2·a)進行計算，假設(shè)采光面積為1 m2，可得傳統(tǒng)槽裝置每年實際吸收的熱量為1 164kW·h。假設(shè)封閉槽裝置每年吸收的熱量同樣為1 164 kW·h，則所需外界提供DNI值僅為1 449 kW·h/(m2·a)即可達到生產(chǎn)要求。因此，雖然新疆DNI值較低，封閉槽裝置的應(yīng)用依然具有經(jīng)濟可行性。

表2 不同集熱器的光學(xué)性能對比[22]

圖3 熱損失模型

2.3 占地面積估算

由于反射鏡場所需占地面積較大，太陽能光熱發(fā)電裝置一般搭建在土地廣闊、人煙稀少的地區(qū)[23]。但對于太陽能蒸汽發(fā)生裝置而言，長距離的輸送會導(dǎo)致蒸汽的熱損失較大，所以用于油田開采的太陽能裝置必須搭建在生產(chǎn)井附近?？紤]到井場土地面積有限，減少反射鏡場的占地面積是推廣這項技術(shù)的首要目標(biāo)。在相同的土地利用率的情況下，占地面積的減少，會導(dǎo)致采光面積也隨之降低。因此，為保證達到生產(chǎn)要求，不僅需要提高裝置的集熱效率，還需要提高整個鏡場的土地利用率。表3收集了8個現(xiàn)有的傳統(tǒng)槽裝置反射鏡場的面積參數(shù)與封閉槽裝置方案Ⅸ形成對比。方案Ⅸ選用的是Glass Point公司在阿曼建立的封閉槽裝置試點工程，整個裝置裝機功率7 MW，日產(chǎn)蒸汽50 t，出口壓力10 MPa，出口溫度為312 ℃，目前證實運行較為成功。通過表3的對比可以看出，封閉槽的土地利用率約為傳統(tǒng)槽式集熱器土地利用率的3倍，能夠讓反射鏡場的占地面積得到有效縮減[21，24-25]。

為進一步對比和評價傳統(tǒng)槽和封閉槽的占地面積，本文以紅克區(qū)塊的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為例進行計算。紅克日注入蒸汽量為77 t/d，蒸汽出口溫度為312 ℃。假設(shè)入口水溫20 ℃，根據(jù)熱能計算公式(Q=cmΔT)，水從20 ℃變成100 ℃蒸汽需要吸收的熱量為7 167 kW·h，利用不同溫度下的蒸汽熱焓值，計算可得蒸汽從100 ℃加熱到312 ℃需要吸收的熱量為9 528 kW·h，整個過程每日需要的熱量共計16 695 kW·h。若整個過程的熱量全部由封閉槽式裝置產(chǎn)生，根據(jù)上文吸熱器的熱量損失模型參數(shù)，封閉槽的光學(xué)效率為89.98%，熱傳導(dǎo)率為75%，輻射損失為6%，吸熱損失為5%，由于封閉槽裝置的鏡面能長期維持較高的光學(xué)效率，熱傳導(dǎo)損失較低，整個反射鏡場需要吸收的太陽能輻射量為3.7×104kW·h，根據(jù)參考文獻[8]和[24]，計算可得需要的采光面積為1.84×104m2，取土地利用率為92.5%，整個封閉槽裝置的占地面積為1.99×104m2。若在相同的生產(chǎn)制度下，利用傳統(tǒng)槽裝置提供熱量，除利用其熱損失參數(shù)計算外，還需考慮后期風(fēng)沙對鏡面嚴(yán)重磨損導(dǎo)致光學(xué)效率的降低，經(jīng)估算，裝置每日需要吸收的太陽能輻射量為7.3×104kW·h，占地面積為12.6×104m2。比較可得在產(chǎn)生相同熱量的情況下，封閉槽式裝置平均每日需要吸收的太陽能輻射量為傳統(tǒng)槽的1/2，且占地面積僅為其1/6。

若占地面積還需進一步減小，可采用封閉槽裝置結(jié)合傳統(tǒng)鍋爐進行生產(chǎn)。利用封閉槽將水從20 ℃加熱為100 ℃的蒸汽后，傳送給鍋爐加熱成312 ℃的飽和蒸汽并輸送到地下。此方法中，封閉槽每日提供的熱量僅需7 167 kW·h，經(jīng)計算，其每日需要太陽能輻射量1.16×104kW·h，則采光面積為9 245 m2，占地面積為9 994.6 m2，是單獨使用封閉槽占地面積的1/2；同理，在相同生產(chǎn)制度下，利用傳統(tǒng)槽和鍋爐聯(lián)合提供熱量時計算所得的占地面積為5.4×104m2，是封閉槽結(jié)合鍋爐所占面積的5倍。

表3 傳統(tǒng)槽式和封閉槽式土地利用率對比

3 成本分析

為了解太陽能技術(shù)的環(huán)保性，將太陽能蒸汽發(fā)生器相對于傳統(tǒng)蒸汽發(fā)生器減少的CO2排放量和燃?xì)馐褂昧窟M行了比較。成本分析中加入鍋爐這一項，代表整個過程的熱量全部由鍋爐產(chǎn)生。經(jīng)調(diào)研，目前新疆地區(qū)商業(yè)用水價格為2.70元/m3,天然氣價格為2.11元/m3，燃?xì)鉄嶂?.77 kW·h/m3，估算時假設(shè)整個太陽能裝置一年的運行時間為6 000 h，反射鏡場壽命為30 a[26]。成本分析如表4[27-30]所示，30 a后封閉槽裝置可節(jié)約的燃?xì)馐褂觅M達10 805萬元，減少的CO2排放量達1.00×108t。

表4 成本估算

注：①轉(zhuǎn)化熱量：指以紅淺目前77 t/d的注入量生產(chǎn)6 000 h情況下，水從20 ℃變成312 ℃的水蒸氣需要吸收的總熱量 ;②消耗熱量：指在對應(yīng)轉(zhuǎn)化熱量下，不同熱源組合所消耗的熱量。

4 結(jié) 論

(1)經(jīng)數(shù)模驗證和占地面積計算，利用封閉槽式技術(shù)能充分有效地解決新疆太陽能輻射低、反射鏡場面積過大等問題，且周期性的熱量注入有利于最終采收率的提升，因此太陽能輔助稠油熱采技術(shù)在新疆具有可行性；

(2)將太陽能集熱裝置和鍋爐聯(lián)合使用，可進一步減少占地面積。相比于單獨使用太陽能裝置，占地面積縮減1/2，但鍋爐的使用會導(dǎo)致總投資的增加；

(3)雖然封閉槽裝置前期投資相對更大，但在接下來的整個運行過程中，裝置無污染，零排放，且其后期的維護和更換費用相對較低，運行30 a后其總投資僅為單獨使用傳統(tǒng)槽裝置的1/3。綜上所述，若以總投資和環(huán)保性作為篩選條件，則推薦單獨使用封閉槽裝置進行生產(chǎn)。

[1] 王學(xué)忠.太陽能輔助采油技術(shù)及其可行性[J].中外能源，2009,14(1)：104-107. WANG Xue-zhong.Solar assist oil recovery technique and its feasibility[J].Sino-global Energy,2009,14(1):104-107.

[2] Adewale Dosunmu.Africa and the global energy scene:a legal,economic and political analysis[C].South Africa:18thWorld Petroleum Congress,2005.

[3] Daniel Palmer,John O’Donnel.Construction,operations and performance of the first enclosed trough solar steam generation pilot for EOR applications[C].SPE EOR Conference at Oil & Gas West Asia,Muscat in Oman,2014.

[4] Mark Gregory,David Omon,Pierr-Alxande Greil. Solar Enhanced Oil Recovery:An In-country Value Assessment for Oman[R].UK,Ernst & Young LLP,2014.

[5] Anshul Agarwal,Anthony R.Solar-generated steam for heavy-oil recovery:acoupled geomechanical and reservoir modeling analysis[C].Monterey:Western Regional & AAPG Pacific Section Meeting,2013.

[6] Ricardo Vasquez Padilla,Armando Fontalvo,Gokmen De- mirkaya.Exergyanalysis of parabolictrough solar receiver[J].Applied Thermal Engineering,2014,67:579-586.

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

[8] Bierman B,O’donnell J.Construction of an enclosed trough EOR System in South Oman[J].Energy Procedia,2014,49:1756-1765.

[9] Antonio Colmenar-Santos,David Borge-Diez,Clara Perez Molina,et al.Water consumption insolar parabolic trough plants:review and analysis of the southern Spain case[J].Renewable and Sustainable Energy Review,2014,34:565-577.

[10] Burkhardt J J,Heath G A,Turchi C S.Life cycle assessment of a parabolic trough concentrating solar power plant and the impacts of key design alternatives[J].Environmental Science & Technology,2011,45(6):2457-2464.

[11] van Heel A P G,van Wunnik J N M.The impact of daily and seasonal cycles in solar-generatedsteam on oil recovery[C].SPE EOR Conference at Oil & Gas West Asia,Muscat in Oman,2010.

[12] 馮剛，李衛(wèi)華，韓宇，等.新疆太陽能資源及區(qū)劃[J].可再生能源，2010,28(3)：133-139. FENG Gang,LI Wei-hua,HAN Yu,et al.The solar energy resources of Xinjiang and its distribution[J].Renewable Energy,2010,28(3):133-139.

[13] 曲航，于曉，趙軍.槽型拋物面太陽能電站選址要素：太陽輻射的研究和模擬分析[J].魯東大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009,25(1)：78-84. QU Hang,YU Xiao,ZHAO Jun.Study and simulation of siting factor of solar radiation for the parabolic trough solar thermal power plant[J].Ludong University Journal:Natural Science Edition,2009,25(1):78-84.

[14] Charabi Y,Gastli A.GIS assessment of large CSP plant in Duqum,Oman[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2010,14(2):835-841.

[15] Al-Hinai H A,Al-Alawi S M.Typical solar radiation data for Oman[J].Applied Energy,1995,52:153-163.

[16] Mohammed S Al-soud,Eyad S Hrayshat.A 50 MW concentrating solar power plant for Jordan[J].Journal of Cleaner Production,2009,27:625-635.

[17] LI Jun.Scaling up concentrating solar thermal technology in China[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2009,13(8):2051-2060.

[18] Tian Y,Zhao C Y.A review of solar collectors and thermal energy storage in solar thermal applications[J].Applied Energy,2013,104:538-553.

[19] Fu X D,Wang Z F,Xu E S,et al.Parabolic mirrors for a 100 m-long parabolic trough in Beijing Badaling solar power test plant[J].Energy Procedia,2014,49:91-97.

[20] Hank Price,EckhardLu¨pfert.Advances in parabolic trough solar power technology[J].Solar Energy Engineering,2005,124:109-125.

[21] Kazem H A.Renewable energy in Oman:Status and future prospects[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2011,15(8):3465-3469.

[22] Soteris Kalogirou,Stephen Lloyd,John Ward.Modeling,optimization and performance evaluation of aparabolic trough solar collector steam generation system[J].Solar Energy,1997,60:49-59.

[23] Tsoutsos T,Gekas V,Marketaki K.Technical and economical evaluation of solar thermal power generation[J].Renewable Energy,2003,28(6):873-886.

[24] Ferna′ndez-Garc' A,Zarza E,Valenzuela L.Parabolic-trough solar collectors and their application[J].Renewable and Sustainable Energy,2010,14(7):1695-1721.

[25] Kalogirou S A.Solar thermal collectors and applications[J].Progress in Energy and Combustion Science,2004,30(3):231-295.

[26] Andreas Poullikkas.Economic analysis of power generation from parabolic trough solar thermal plants for the Mediterranean region-acase study for the island of Cyprus[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2009,13(9):2474-2484.

[27] Henry Price,David Kearney.Reducing the cost of energy from parabolic trough solar powerplants[C]. Hawaii:International Solar Energy Conference,2003.

[28] Al-Badi A H,Aldadi M H.Domestic solar water heating system in Oman:current status and future prospects[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2012,16(8):5227-5731.

[29] Fulvio Ardente,Giorgio Beccali,Maurizio Cellura,et al.Life cycle assessment of a solar thermal collector[J].Renewable Energy,2005,30(7):1031-1054.

[30] Volker Quachning.Technical and economical system comparison of photovoltaic and concentrating solar thermal power systems depending on annual global irradiation[J].Solar Energy,2004,77(2):171-178.

責(zé)任編輯：董 瑾

2015-03-23

國家科技重大專項“稠油/超稠油經(jīng)濟有效開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究”(編號：2016ZDZX05012-003)

羅瑋瑋(1991-)，女，碩士，主要從事提高采收率方面的研究。E-mail:495549622@qq.com

1673-064X(2015)05-0064-05

TE355.9

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