我國稠油熱采注氣鍋爐發展現狀及展望

孫嘉啟,劉志煥,李江濤

(中國船舶重工集團公司第七〇三研究所,哈爾濱 150078)

0 引言

稠油是高黏度重質原油的俗稱,具有相對較高的密度及黏度,因此開采方式區別于常規油田[1]。國外在稠油資源的利用和開發上起步較早。20世紀50年代末,美國開始了注蒸汽稠油熱采試驗,研究發現,注蒸汽可增大油藏地層的內部壓力,將稠油擠升到地面,還可升高油藏地層的溫度,降低重質稠油的黏度,提高稠油流動性,且加熱產生的熱量可將稠油內部輕質成分氣化,促使稠油更輕易地從油砂中脫離[2],不但可以提高稠油產量,加快開采速度,還能收獲良好的經濟效益及社會效益。經過幾十年的發展,稠油熱采技術已經有了跨越式的革新,目前的主要開采方式有蒸汽吞吐、蒸汽驅、蒸汽輔助重力泄油(SAGD)等。20世紀80年代,我國開始研究稠油熱采技術,并在遼河油田進行注蒸汽開采試驗,各種新型注氣鍋爐產品應運而生,這對于增加油田的稠油產量起到了至關重要的作用[3]。

1 燃油(氣)注氣鍋爐

目前,常用的稠油熱采是利用燃油(氣)注氣鍋爐,其是一種強制循環的高壓直流鍋爐,由一根連續的管束構成,由高壓泵將高壓水輸送到鍋爐各受熱面,從而產生所需的蒸汽[4]。按蒸汽品質分類,可分為濕蒸汽鍋爐、過熱蒸汽鍋爐、超(超)臨界蒸汽鍋爐。按運載方式分類,可分為車載式與撬裝式注氣鍋爐。鑒于注氣鍋爐流動性大的作業特點,體積小、重量輕、使用靈活的車載式注氣鍋爐得到了極大的發展[5]。但是傳統的車載注氣鍋爐本體受熱面受制于拖車尺寸及運輸載重的限制,其額定蒸發量一般不超過23 t/h,而撬裝式注氣鍋爐的額定蒸發量則可突破100 t/h。

濕蒸汽注氣鍋爐多見于早期利用蒸汽吞吐技術開采的油田。隨著油田開采的不斷進行,濕蒸汽注氣鍋爐已逐步被淘汰。目前,過熱注氣鍋爐被廣泛應用于油田產能建設中,在蒸汽驅、蒸汽吞吐、SAGD等熱采工程中發揮了重要的作用。特別是區塊深井,地殼壓力更大,亞臨界注氣鍋爐產生的蒸汽無法進入油井底部,故采用參數更高的超(超)臨界注氣鍋爐[6]。

1.1 濕蒸汽注氣鍋爐

濕蒸汽注氣鍋爐本體由輻射段、過渡段、對流段3部分構成。輻射段由單爐管水平往復式結構組成,筒體內壁鋪設硅酸鋁纖維毯及高純硅酸鋁作為隔熱層,能夠有效減少熱量損失。對流段采用單爐管水平往復式布置,重點覆蓋低溫煙氣區域,降低排煙溫度,使鍋爐熱效率得到提高。過渡段位于輻射段與對流段中間,為煙氣轉向提供便利[7](圖1)。

圖1 濕蒸汽注氣鍋爐結構

長沙鍋爐廠有限責任公司在傳統小容量注氣鍋爐成熟技術的基礎上研發了50 t/h燃油(氣)注氣鍋爐。針對常規油田注氣鍋爐散熱損失大、熱效率低、鍋筒內部設備易損耗、不方便維修等缺點,對傳統的油田注氣鍋爐結構進行改進,在設計上采用方形膜式水冷壁結構,使鍋爐得到了良好的密封,減小爐膛漏風量,降低鍋爐散熱損失,節能效果顯著。采用小管徑管組構成受熱面,大幅度減小受熱面壁厚,使鍋爐整體金屬耗量減少,有效節約了制造成本。去掉直觸火焰的內部構架,節省耐熱合金鋼的用量。內部增加膜式壁固定裝置,大幅度降低外壁溫度,且保溫層不受火焰直接輻射,使用壽命延長,優化水處理流程,節約給水消耗。該注氣鍋爐能夠產生干度為80%的濕飽和蒸汽,且蒸汽產物中的20%水分通過溶解方式清除各類鹽分,使注氣鍋爐能夠穩定運行[8]。

勝利油田勝利發電廠針對注氣鍋爐壓力低、能耗高、熱效率低等問題,為滿足稠油熱采需要,研發了超臨界濕蒸汽注氣鍋爐,設計壓力26 MPa,蒸發量13.5 t/h,能夠產生干度為75%的濕飽和蒸汽。其輻射段采用蛇形單管往復布置,采用性能優越的柱塞泵作為鍋爐給水,可有效減輕流量脈動強度不均勻的問題。給水水質可兼容亞臨界注氣鍋爐的給水指標,并能沿用原有的除氧軟化設備,有效減少了投資及運行成本[9]。

1.2 過熱蒸汽注氣鍋爐

過熱蒸汽注氣鍋爐與濕蒸汽注氣鍋爐相比,新增過熱段、汽水分離器及噴水減溫器等結構。過熱段位于對流段與過渡段中間,可進一步加熱干飽和蒸汽,使之變為過熱蒸汽。過熱段管束采用高強度合金鋼,以蛇形管形式錯列布置,可承受較大的熱負荷[5](圖2)。

圖2 過熱蒸汽注氣鍋爐結構

汽水分離器采用臥式結構,內部裝有旋風分離器,可有效分離蒸汽中99%的微小水分,滿足現場對高品質蒸汽的需求。通過增設汽水分離器,既能實現汽包鍋爐的功能,又無需對鍋爐給水進行深度除鹽處理,可有效節約鍋爐運行成本[10]。

噴水減溫器為筒形結構,汽水分離器分離出的減溫水通過噴嘴與過熱蒸汽充分混合,控制噴出的減溫水量,使蒸汽溫度降低,進而保證鍋爐出口的蒸汽參數滿足要求[10]。

1.3 超(超)臨界注氣鍋爐

超(超)臨界注氣鍋爐有過熱段設計,在熱負荷較低的過熱段內完成工質的相變換熱,避免管束內部發生傳熱惡化,與過熱蒸汽注氣鍋爐的過熱段結構一致[11](圖3)。超(超)臨界注氣鍋爐的工作壓力橫跨亞臨界與超臨界甚至超超臨界,工質的汽化潛熱趨近于零,汽液兩相區沒有明顯分界,再加上常規直流鍋爐受熱面受熱不均的特點,在鍋爐內部會產生極端的熱力特性。

圖3 超(超)臨界注氣鍋爐結構

輻射段受熱區流量脈動。注氣鍋爐在正常使用過程中時常伴有工況變動(如熱負荷升降、壓力大小、給水多少及水溫高低等),此類變動往往會導致鍋爐受熱管內工質流動出現脈動現象。為了防止流量脈動現象的產生,有效方法是增加管內工質的質量流速,令其大于臨界質量流速[9]。

輻射段受熱區傳熱惡化。盡管超臨界壓力狀態的工質能夠保持單相流體,但在最大比熱區附近,工質的比容、比熱、比焓、黏度等物性會有劇烈變化,而這些物性的變化會大幅度改變傳熱狀態,從而導致傳熱惡化。為防止此類傳熱惡化現象的發生,需提升管內工質的質量流速,受熱面管束采用內螺紋管。內螺紋管具有優越的流動導熱特性,管束內工質受到內螺紋的作用產生自旋,使工質緊貼管束內壁流動,增強管束內壁附近的流體擾動,向上流動的工質會帶走管束內壁生成的氣泡,使氣泡在管束內壁難以聚集,基于連續流動的工質對管束的持續冷卻,可有效控制管束溫度升高,避免傳熱惡化的發生[12]。

輻射段受熱區鹽分沉積。超臨界工質在比熱極值點處的比容會急劇改變,使得鹽分在工質中的溶解度呈斷崖式下降,導致鹽分集中在管束內壁沉積。為防止管束內壁形成鹽分沉積,稍微降低工質的臨界參數,比容數值趨于穩定,能夠維持工質中鹽分的高溶解度。水處理設備沿用二級鈉離子交換器,既能保證設備平穩運行,又能節約投資成本及運行費用[9]。

2 燃煤注氣鍋爐

隨著我國石油開采工業的不斷發展,傳統小容量注氣鍋爐已經達不到先進稠油熱采技術的要求。特別是自從油田實施SAGD技術開采稠油以來,要求連續大排量注入高干度蒸汽,現有的常規注氣鍋爐已經不能滿足稠油熱采的需要,繼續開發大容量高參數燃油(氣)注氣鍋爐會大幅度提高開采成本,而原煤價格僅為原油價格的25%左右,實際一年可節省30%左右的運行成本,因此改變注氣鍋爐的燃料結構,將燃油(氣)注氣鍋爐改成燃煤注氣鍋爐帶來的經濟效益頗為顯著[13]。燃煤注氣鍋爐按燃燒方式可分為層燃注氣鍋爐、煤粉注氣鍋爐及循環流化床注氣鍋爐。

2.1 層燃注氣鍋爐

層燃注氣鍋爐是燃煤注氣鍋爐的主流類型(圖4)。層燃注氣鍋爐具有運行簡單、操作方便、節省投資等優點,不足之處是設計限制蒸發量無法高于90 t/h,實際應用中出于環保考慮,對于原煤質量有著嚴格的要求,且燃燒產物需嚴格控制排放,環境成本較高。

圖4 燃煤注氣鍋爐結構

遼河油田總機械廠研制亞臨界直流濕蒸汽燃煤注氣鍋爐,設計蒸發量48 t/h、蒸汽壓力17.2 MPa。該型注氣鍋爐使用鏈條爐排輸送燃料,選用膜式水冷壁作為爐膛受熱面,并在輻射段后部設計對流段及空氣預熱器。燃煤在爐排上充分燃燒后所產生的煙氣依次通過爐膛輻射段、各級對流段、空氣預熱器,從鍋爐尾部的除塵裝置排出[5]。該型燃煤注氣鍋爐自從應用以來,運行穩定安全,熱效率高,適應煤種廣泛,能夠滿足油田注汽的生產需要。

2.2 煤粉注氣鍋爐

煤粉燃燒技術是將原煤粉碎制成顆粒狀煤粉,極細的煤粉顆粒在高溫火焰及煙氣的持續作用下,煤粉中的揮發分氣化分離并開始燃燒,直到煤粉顆粒轉化為高溫炭粒,最后燃燒殆盡。由于煤粉能夠與空氣充分接觸,燃燒反應迅速,燃燒效率極高。煤粉注氣鍋爐的燃料適應性廣,自動化程度高,但整體系統復雜,建設投資大,對操作人員的要求高,運行方式不夠靈活,且低負荷工況下的穩定性及經濟性不佳,需對燃燒產物凈化處理,設備投資及運行成本較高[14]。

四川鍋爐廠根據井樓油田注汽量、井口壓力及蒸汽溫度需求,結合國內燃煤鍋爐參數系列,于2008年設計制造了CG-75/9.79-MZQ高壓過熱自然循環汽包煤粉鍋爐。75 t/h煤粉爐注氣鍋爐采用煤粉燃燒方式,鍋爐為自然循環,集中下降管,Π型布置的全懸吊固態排渣高壓低過熱度蒸汽煤粉爐,在國內外首次完成了額定蒸發量75 t/h、額定壓力9.8 MPa、蒸汽溫度380 ℃的燃煤過熱蒸汽注氣鍋爐研制,實現了注氣鍋爐“煤代油”的燃料變革,降低了稠油熱采注汽系統的運行成本,經濟效益與應用前景十分可觀[15]。

2.3 循環流化床注氣鍋爐

循環流化床燃燒技術是一種新型潔凈煤燃燒技術,原理是將寬篩分粒度的燃料與石灰石脫硫劑混合在爐膛內部循環流動,分散的高溫顆粒經過分離后再返回爐膛,循環燃料、物料與爐膛內氧氣接觸并燃燒。由于爐膛內部燃料與物料顆粒的燃燒、傳質及傳熱活動十分活躍,使得爐膛內部的溫度場趨于穩定。循環流化床鍋爐有著熱慣性大、負荷調節方便、燃料適應廣泛、高效環保等諸多優點,故而受到了大力推廣[16]。

清華大學與太原鍋爐集團有限公司、中石油新疆設計院等單位合作研發了使用含鹽污水的循環流化床注氣鍋爐。該鍋爐額定壓力9.8 MPa,蒸發量高達130 t/h,產生的干度大于95%飽和蒸汽,充分發揮了循環流化床燃燒技術低熱流密度的特點,把含鹽量高的鹽段受熱面放在鍋爐尾部,從根本上杜絕了高含鹽鍋爐水段出現鹽沉積的現象,保障了鍋爐鹽段受熱面的正常運行[17]。

新型分段蒸發自然循環技術的誕生成功克服了使用高鹽爐水的不利因素,其原理如圖5所示:位于鍋筒中的隔板分隔凈段與鹽段的汽、水空間,分別構成凈段與鹽段兩套自然循環體系。給水直接從凈段下降管引入鍋筒,在凈段鍋筒蒸發后,其余爐水通過凈段排污進入鹽段鍋筒,流入鹽段下降管及鹽段受熱面,在鹽段鍋筒蒸發后,高鹽爐水經鹽段的汽水分離器分離后排出[17]。

圖5 高含鹽給水條件下的分段蒸發水動力技術原理

該型燃煤注氣鍋爐于2012年3月投入運行,成功使用60%采油污水配40%清水實現了穩定運行,能夠穩定產生干度高于99%的過熱蒸汽。通過嚴格控制爐水水質并不斷改進排污設備,排污率可進一步降低,最終穩定在5.5%左右。為了加強該型燃煤注氣鍋爐稠油熱采的能力,對其中一臺注氣鍋爐增設過熱器,可產出過熱度為20 ℃的過熱蒸汽。經過多年的實際運行,該型燃煤過熱蒸汽注氣鍋爐運行穩定,產出蒸汽品質可支持稠油熱采的新工藝及新要求[18]。

3 結束語

燃油(氣)注氣鍋爐作為小容量高參數鍋爐的代表,其前期較低的成本投入及機動靈活的使用方式,對于中小油田淺層稠油的開發具有十分重要的意義,但產量不足的缺陷及較高的燃料成本制約了其發展。

燃煤注氣鍋爐在設計上不必拘泥于含鹽爐水對蒸汽干度的要求與車載及撬裝對鍋爐受熱面面積的限制,可直接采用工業鍋爐上的成熟技術。根據現場條件及相關要求,設計出形式多種多樣、蒸汽質量高、產量大的汽鍋鍋爐,具有較為廣闊的發展前景。

研發應用具有更高參數、更低排放、更佳經濟性的注氣鍋爐是行業發展的大勢所趨。而超(超)臨界循環流化床燃燒技術可以實現低成本、高效率的清潔煤燃燒,是循環流化床燃燒技術的未來技術路線。目前,循環流化床技術應用在注氣鍋爐領域尚處于起步階段,超(超)臨界循環流化床注氣鍋爐的研制必將促使我國稠油熱采行業進一步發展。