太陽能熱利用在稠油輸送及開采中的應用現狀*

李石棟，葉家萬，莫才頌，蘇楚然

（1.廣東石油化工學院機電工程學院，廣東茂名525000；2.廣東石油化工學院石油工程學院，廣東茂名525000）

太陽能熱利用在稠油輸送及開采中的應用現狀*

李石棟1，葉家萬1，莫才頌1，蘇楚然2

（1.廣東石油化工學院機電工程學院，廣東茂名525000；2.廣東石油化工學院石油工程學院，廣東茂名525000）

太陽能熱利用在稠油輸送及開采中能起到節省能源的作用。目前國內的太陽能低溫熱系統在油氣田中能起到很好的節能效果。在國外，高溫太陽能光熱系統已經在稠油開采方面成功進行了商業應用，而我國目前還沒有商業化工程應用。介紹了我國低溫太陽能熱利用系統和高溫聚光太陽能熱利用技術在稠油輸送及開采中的應用情況，特別對適用在稠油開采的塔式系統、槽式系統、菲涅耳系統等高溫太陽能熱利用技術進行了綜述。

太陽能；稠油；提高稠油采收率

目前，在我國的12個盆地發現了70多個稠油油田［1］，稠油資源約占石油總資源量的20%～30%，國內稠油年產量約占全國石油年產量的10%左右［2］。由于稠油的黏度和凝固點高，其開采主要通過降低黏度實現，因此需要利用二次采油或三次采油技術來進行開采。稠油加熱降黏法主要有蒸汽吞吐采油、蒸汽驅采油、蒸汽輔助重力驅油、熱水驅采油、火燒油層采油、電磁加熱等，其中注蒸汽熱力采油已經成為稠油的主要開采方式［3］。

我國的稠油資源儲藏大部分位于太陽能資源十分豐富的區域，太陽能低溫熱系統在國內的油氣田中已經得到廣泛應用，但目前太陽能高溫光熱系統在國內尚沒有得到商業化工程應用。如何充分利用太陽能，尤其是太陽能高溫光熱技術，在稠油輸送及開采中節約、替代不可再生資源，已成為亟待解決的問題。本文綜述了我國在稠油輸送及開采中的太陽能熱利用研究現狀，特別是對應用于稠油開采的高溫聚光太陽能熱利用技術進行了介紹。

1 低溫太陽能熱利用在稠油輸送中的輔助應用

太陽能熱利用技術是通過集熱器將太陽輻射能收集起來，與傳熱工質轉換成熱能并加以利用。根據工作溫度的不同，太陽能光熱技術可分為低溫、中溫和高溫三類，其中低溫太陽能熱利用的溫度一般在100℃以下，中高溫太陽能熱利用則需要通過聚光集熱器才能實現。

我國在2000年左右才開始進行太陽能光熱技術在油氣田中的節能應用。賈慶仲［4］在2002年完成了對遼河油田應用低溫太陽能的可行性報告、太陽能加熱系統及相應管輸系統的初步方案設計。王學生等［5－6］以遼河油田為實例，設計了一套間接加熱的太陽能加熱原油輸送系統，并研究了該系統的新型換熱器。2004年，遼河油田興隆臺采油廠完成了油田地面集輸太陽能加熱技術的工程實施，運行良好，天然氣節省率達40.23%［7］。據不完全統計，遼河油田［4－7］、長慶油田［8］、淮建油田［9］、河南油田［10］、羊三木和孔店油田［11］等都有不同規模的低溫太陽能熱利用以輔助稠油加熱輸送或開采。應用在稠油輸送的低溫太陽能熱利用系統一般由太陽能集熱器、水/原油換熱器、儲熱水箱、水路裝置、輸油裝置和控制裝置等部分組成［12］。系統主要具有兩個循環回路，一個是儲熱箱的水在循環泵動力下，連續反復經過太陽能集熱器進行加熱，最終升溫到集輸系統所需溫度；另一個是蓄熱水箱的熱水再次通過熱水循環泵給儲油罐的加熱盤管和集輸伴熱管線加熱，受熱的伴熱管通過熱傳遞給原油加熱和集輸管線伴熱［9］。徐芬［13］對太陽能集熱系統中儲熱油罐容量實行了優化，進行了極值搜尋研究。周硯凱等［14］利用低溫太陽能熱利用技術，替換板76－12井的儲罐電加熱棒系統，改變了單井原油儲存加熱過程中電加熱棒能耗高的現狀，滿足了集輸管道液體加熱要求，達到了液體穩定流暢集輸的目的，全年可節約能源50%以上。由于不少油田的冬天處于嚴寒天氣，太陽能集熱器需要具有很好的抗凍能力，因此可以根據運行期內最低環境溫度等因素來選用太陽能集熱器［15］。熱泵技術已經在遼河油田稠油熱采中得到應用，通過提取在生產過程中含油污水中的熱量來解決進站液一次加熱問題，改善了余熱資源的浪費［16］。隨著技術的發展，越來越多低溫太陽能熱利用技術如太陽能熱泵［17］等應用于稠油開采及輸送中。

2 高溫太陽能熱利用在提高稠油采收率中的應用

高溫太陽能熱利用的溫度范圍一般在250℃以上，聚熱場一般需要采用聚光方式才能達到這樣高的溫度。聚光方式一般有點聚焦和線聚焦兩種，點聚焦包括碟式系統和塔式系統，而線聚焦系統則包括拋物面槽式系統和菲涅耳式系統。

中國科學院電工研究所進行了大量關于高溫太陽能熱利用的應用基礎研究工作?！鞍宋濉逼陂g，中國科學院電工研究所研制了槽式線聚焦裝置，并對拋物面槽式集熱系統進行了研究［18］。從2001年起，中國科學院電工所已經完成了1 kW碟式－特林機熱發電系統的研制和運行測試。2007年，河海大學在張耀明院士的主持下建成了國內首座塔式70 kW太陽能熱發電系統［19］。2012年，北京延慶塔式太陽能熱發電站首次發電成功，標志著我國成為第一個具有完全自主知識產權的MW級太陽能熱發電站全線貫通的國家，掌握了大型太陽能熱發電站集成調試和運行技術［20］。目前，我國對太陽能熱發電站的研究還遠遠落后于西班牙、美國、德國等發達國家。

2011年，美國Brightsource公司利用塔式集熱技術在加州科林加為雪佛龍公司建成了一座29 MW的塔式蒸汽發生系統，直接將產生的高溫、高壓蒸汽注入地下儲油層進行加熱，提高儲油層的壓力并降低油的黏性。該項目占地404 686m2，共有定日鏡裝置3 822套［21－22］。

Glass Point公司于2011年在美國加州建成世界第一個商業化槽式太陽能EOR（Enhanced Oil Recovery，提高稠油采收率）項目，占地面積198m2。到2013年，Glass Point公司又在中東建成一個較美國加州項目大27倍的槽式太陽能EOR項目［23－24］。該項目的核心采用封閉槽式集熱技術，在96m×180m×6m的玻璃溫室內建立槽式系統，生成干度為80%、壓力為10 MPa、溫度為312℃的蒸汽［23］。羅瑋瑋等［25］對Glass Point公司的封閉槽式集熱技術在新疆油田的應用進行了可行性分析，結果表明封閉槽裝置的占地面積較傳統槽裝置縮減了5/6，運行30年的總成本僅為傳統槽的1/3，因此，太陽能稠油熱采技術在新疆油田的應用具有可行性。我國目前還沒有高溫太陽能EOR項目的商業化實際應用，而國外相關項目在稠油開采方面的成功應用已經引起了國內很多同行的研究關注［21－23］。目前合適應用在稠油開采的高溫太陽能熱利用技術有以下三個方面。

2.1 塔式系統

塔式系統利用定日鏡來跟蹤太陽，將陽光聚集到固定在塔頂部的接收器（集熱器）直接產生蒸汽，或間接通過加熱傳熱介質如熔融鹽、空氣等來換熱產生蒸汽。

早在20世紀80年代，西班牙、美國、俄羅斯等國家建立了很多塔式實驗系統來驗證和示范其可行性，現在已經進入商業化階段。CESA－1、Solar One、Solar Two、Solar Tres、PA10/20是塔式電站技術的代表，此外還有接收器在地面上的二次反射塔式系統和多塔模塊化塔式系統等。二次反射塔式系統的概念是由Rabl提出來的，以色列魏茨曼科學研究所據此作了進一步的深入研究［26］。日本的Hiroshi等［27］分析和設計了100 MW二次反射塔式系統，其中CPC接收器采用融鹽作為傳熱介質。

2.2 槽式系統

槽式系統主要有間接蒸汽系統和直接蒸汽系統，是利用拋物面把平行光聚焦到拋物面聚點上的原理來聚光加熱，實現間接或直接產生蒸汽。槽式系統主要由拋物面槽式聚光器、換熱/蒸汽發生系統等組成，拋物面槽式聚光器由拋物面鏡面、支架、真空集熱管、連接等組成。槽式系統早在1870年就開始進行實踐應用，并于20世紀80年代進入商業化。目前商業化項目采用的都是導熱油間接系統技術。Luz公司在1984年到1990年間建了九座拋物槽SEGS電站（Solar Electric Generating Station，太陽能熱發電站），共354 MW。關俊嶺［28］通過對塔河油田采油一廠TK－921井場進行調研，提出了太陽能熱作為水套爐補充熱源的技術方案（如圖1所示），由拋物面槽式聚光器獲得熱量，通過換熱器與加熱爐中水進行換熱，從而達到減少天然氣消耗的目的。

圖1 太陽能加熱原油系統平面布置

槽式直接產生蒸汽技術在最早期和20世紀80年代也進行過研究，但受到吸熱管中水的汽液兩相流動存在不確定因素和潛在問題的制約，還沒有投入商業化應用。相對于間接蒸汽系統，槽式直接產生蒸汽技術也有其顯著的優點，例如沒油污風險，不受導熱油400℃溫度使用的限制，系統相對簡化等。

歐洲對槽式直接產生蒸汽技術在20世紀80年代進行了第一階段的論證研究，90年代初進行了第二階段的實驗室級研究，90年代后期20世紀初比較有代表性的是DISS項目和INDITEP項目，并進行了第三階段的大型現場條件下運行研究。目前處于第四階段，就是槽式直接產生蒸汽電站的設計、建設和示范階段。圖2所示是DISS項目的三種槽式直接產生蒸汽的基本模型［29］。

2.3 菲涅耳系統

圖2 DISS項目三種直接產生蒸汽模式

菲涅耳系統是一種十分適合在稠油開采中應用的技術，是由悉尼大學于1993年提出的［30］，通過多面反射鏡組成菲涅耳發射系統，實現線聚光并產生蒸汽。菲涅耳系統的反射聚光器是平板鏡子，造價比較便宜，排列比較緊密，占地面積小，風荷載也比較小，吸熱管不需要真空技術和金屬玻璃接頭。2008年西班牙建成了世界上第一個熱功率為1.4 MW的真正意義上的菲涅耳系統，2009年又建成了一個30 MW菲涅耳系統。

3 結語

太陽能光熱技術在稠油輸送及開采的應用越來越受到人們的重視。低溫太陽能熱利用在國內外稠油輸送應用上已經比較普遍。在國外，塔式和槽式等太陽能高溫熱利用技術已經廣泛應用到稠油熱采上。到目前為止，我國還沒有高溫太陽能EOR項目的商業化實際應用，但已經引起國內很多同行的研究關注。本文對合適應用在稠油開采的塔式系統、槽式系統、菲涅耳系統進行了介紹，希望促進我國把高溫太陽能熱利用技術投入到稠油開采的商業化應用中。

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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

（責任編輯：駱磊）

2015－12－06；

2016－01－05

廣東省自然科學基金博士啟動項目（2014A030310376）；廣東省普通高校青年創新人才項目（631051）；廣東省公益研究與能力建設專項（2015A030401102）；廣東石油化工學院人才引進項目（513090）；2015年廣東石油化工學院大學生創新創業校級培育計劃項目（2015pyC033）；廣東省本科高校教學質量與教學改革工程立項建設項目（粵教高函［2015］133號）

李石棟（1983—），男，廣東廉江人，博士后，講師，內聘副教授，主要從事太陽能熱利用及儲熱研究。