利用短路效應(yīng)減低環(huán)狀摻水集輸流程能耗方法

李 棟， 吳國忠， 齊晗兵

( 東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318 )

0 引言

油田進(jìn)入高含水開采階段后，原油集油部分能耗約占地面集輸系統(tǒng)總能耗的60%～80%，其中熱能消耗占90%以上.由于油田原油集輸多采用摻水伴熱流程，而油井轉(zhuǎn)入高含水期后，大部分熱能消耗于加熱混輸摻水，造成原油生產(chǎn)成本較高[1-2].隨著國家節(jié)能減排力度的加大，節(jié)能降耗已成為油氣集輸與處理系統(tǒng)重要的研究方向.目前多側(cè)重于常溫、低溫集輸技術(shù)試驗(yàn)研究[3-6]，集油工藝運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化[7-8]，系統(tǒng)優(yōu)化和運(yùn)行方案研究[9-11].環(huán)狀摻水集輸流程因工藝簡單、方便管理[12]，正在油田推廣應(yīng)用.分析常規(guī)的環(huán)狀摻水集輸流程能耗特點(diǎn)，借鑒U型地下埋管換熱器的“熱短路現(xiàn)象”[13-14]，提出一種新的環(huán)狀摻水集輸流程.

1 常規(guī)環(huán)狀流程

1.1 集輸流程

圖1 常規(guī)環(huán)狀摻水集輸流程

油田常規(guī)環(huán)狀摻水集輸流程見圖1.其中，聯(lián)合站有1個(gè)計(jì)量間，計(jì)量間內(nèi)有3個(gè)環(huán)路，每個(gè)環(huán)路有油井若干個(gè).熱水由聯(lián)合站經(jīng)摻水管段進(jìn)入計(jì)量間，由計(jì)量間分配環(huán)路摻水比例，各環(huán)與其內(nèi)油井產(chǎn)液摻混后進(jìn)入集油匯管，原油匯總經(jīng)回油管道返回聯(lián)合站.

1.2 能耗分析

由于集輸流程復(fù)雜，為便于分析，假定計(jì)量間僅有1個(gè)環(huán)路和1口油井開通，該流程經(jīng)過簡化后的物理模型見圖2.

集輸流程涉及油、氣、水三相流動(dòng)，水力熱力計(jì)算條件紛繁，難以進(jìn)行理論研究.由于系統(tǒng)能量損失主要

圖2 簡化物理模型

為熱能損失，為便于計(jì)算，作假設(shè)：①忽略油井產(chǎn)液管段和計(jì)量間內(nèi)能量損失；②不考慮管道內(nèi)壓降損失；③流體物性為常數(shù)，各管段靜態(tài)參數(shù)一致，油井產(chǎn)出液和總回油溫度固定.此時(shí)系統(tǒng)能耗僅為熱能消耗，其能量平衡模型為

(1)

(2)

t3c2m1+t4c3m2=t5c4(m1+m2),

(3)

(4)

(5)

t6=t7,

(6)

式(1-6)中：t0，t1，t2，t3，t4，t5，t6，t7，t8分別為管道埋深處自然地溫、聯(lián)合站摻水溫度、計(jì)量間摻水溫度、環(huán)路1摻水管段末端溫度、油井產(chǎn)液溫度、油井產(chǎn)液和熱水摻混后流體溫度、環(huán)路回油溫度、出計(jì)量間回油溫度、聯(lián)合站回油溫度；c1，c2，c3，c4，c5，c6分別為聯(lián)合站至計(jì)量間摻水管段內(nèi)流體比熱容、環(huán)路1摻水管段內(nèi)流體比熱容、油井產(chǎn)液比熱容、油井產(chǎn)液和熱水摻混后流體比熱容、環(huán)路1回油管段內(nèi)流體比熱容、計(jì)量間至聯(lián)合站回油管道內(nèi)流體比熱容；k1，k2，k3，k4，l1，l2，l3，l4，d1，d2，d3，d4分別為聯(lián)合站至計(jì)量間摻水管段、環(huán)路1摻水管段、環(huán)路1回油管段、計(jì)量間至聯(lián)合站回油管段等的傳熱系數(shù)、長度、保溫管徑；m1，m2分別為計(jì)量間摻水和油井產(chǎn)液流量.

管段長度為1 000 m，管段保溫外徑為0.1 mm，傳熱系數(shù)為2 W/(m2·℃)；油井產(chǎn)液溫度為15 ℃，流量為0.1 kg/s，含水率為100%；摻水量為0.6～2.6 kg/s，流體比熱容為4 180 J/(kg·℃)；聯(lián)合站回油溫度為28 ℃，管道埋深處自然地溫為-2 ℃.通過編程求解方程(1-6)，計(jì)算結(jié)果見圖3和圖4.

圖3 常規(guī)環(huán)路各點(diǎn)溫度分布曲線

圖4 系統(tǒng)摻水量和總能耗隨摻水溫度變化曲線

由圖3可知，當(dāng)回油溫度和產(chǎn)液條件不變，摻水量增大，環(huán)路溫度降低，且摻水溫度越高其變化幅度越大.由圖4可以看出，隨著摻水溫度升高，系統(tǒng)總能耗增加，而摻水量逐漸降低，二者之間存在交叉點(diǎn)，說明通過調(diào)整摻水溫度降低系統(tǒng)總能耗的理論可行性存在.

1.3 存在問題

向系統(tǒng)摻熱水的目的是保證回油壓力和溫度.當(dāng)回油溫度和產(chǎn)液條件不變，對于熱水的流量和溫度存在一定的關(guān)系，溫度高所需熱水量少，溫度低所需熱水量多.目前高含水油田聯(lián)合站回油溫度在凝固點(diǎn)左右[15-17]，為保證聯(lián)合站回油溫度，常規(guī)環(huán)狀摻水集輸流程要求計(jì)量間回油溫度必須高于聯(lián)合站回油溫度.

由圖3可知，聯(lián)合站摻水溫度分別為85.80，70.55，63.14，53.95，43.57 ℃時(shí)，計(jì)量間回油溫度分別比聯(lián)合站高8.95，7.51，6.46，5.04，3.25 ℃.計(jì)量間回油溫度高，造成其環(huán)路能耗大.由圖4可知，聯(lián)合站維持低溫?fù)剿?43.57 ℃)，計(jì)量間環(huán)路能耗為3 903 MJ/d，占總能耗的49%，計(jì)量間環(huán)路能耗較大.不改變各環(huán)管路集輸條件，要降低計(jì)量間各環(huán)路能耗，需要降低各環(huán)回油溫度，但考慮保證聯(lián)合站回油溫度時(shí)，需使計(jì)量間回油溫度高于聯(lián)合站回油溫度，從而使各環(huán)回油溫度不低于聯(lián)合站溫度，成為常規(guī)環(huán)狀摻水集輸流程的節(jié)能“瓶頸”.借鑒U型地下埋管換熱器的“熱短路”現(xiàn)象，提出 “人為制造”計(jì)量間內(nèi)摻水管段和回油管段進(jìn)出口的“短路效應(yīng)”，即控制計(jì)量間和聯(lián)合站回油溫度一致，通過短管連接計(jì)量間內(nèi)摻水管段和回油管段使部分熱水直接輸入回油管段，從而提升計(jì)量間出口回油溫度，滿足聯(lián)合站回油溫度的要求.采用新環(huán)狀流程方法后計(jì)量間環(huán)路回油溫度降低，使環(huán)路能耗減小，減低計(jì)量間環(huán)路能耗，從而解決常規(guī)的環(huán)狀摻水集輸流程的節(jié)能“瓶頸”.改造圖2流程的結(jié)果見圖5.

圖5 新環(huán)狀摻水集輸流程

2 新環(huán)狀流程能耗

不考慮計(jì)量間內(nèi)短管油水摻混損失，其余模型假設(shè)同前，則系統(tǒng)能耗僅為熱能消耗，新的環(huán)狀流程能量平衡模型為

(7)

(8)

t3c2m3+t4c3m2=t5c4(m3+m2),

(9)

(10)

t2c7m4+t6c5(m2+m3)=t7c6(m1+m3+m2),

(11)

(12)

式(7-12)中：c7為計(jì)量間摻水管段和回油管段混合流體比熱容；m3為環(huán)路1摻水流量，其余參數(shù)同前.

圖6 新環(huán)路各點(diǎn)溫度分布曲線

計(jì)量間回油溫度為28 ℃，其余計(jì)算參數(shù)同前.計(jì)算結(jié)果見圖6-8.由圖6可知，環(huán)路內(nèi)各點(diǎn)溫度變化趨勢同圖3基本一致，但計(jì)量間回油溫度降低，導(dǎo)致環(huán)路內(nèi)t3、t5和t7溫度明顯偏低.由圖7可知，在相同的摻水溫度下，新環(huán)狀流程滿足系統(tǒng)運(yùn)行的能耗減小，聯(lián)合站摻水溫度43.57 ℃時(shí)，同常規(guī)流程相比系統(tǒng)總能耗減小721 MJ/d，而其計(jì)量間環(huán)路能耗為1 429 MJ/d，僅占總能耗的20%，說明采用新流程后，計(jì)量間環(huán)路能耗明顯減小.由圖8可知，采用新的流程后，由于系統(tǒng)能耗降低，在相同的摻水溫度下，新環(huán)狀流程滿足系統(tǒng)運(yùn)行的摻水量減小，聯(lián)合站摻水溫度43.57 ℃時(shí)同常規(guī)流程相比摻水量減小11.08 m3/d.

圖7 常規(guī)和新環(huán)狀流程能耗隨摻水溫度變化曲線

圖8 常規(guī)和新環(huán)狀流程摻水量隨摻水溫度變化曲線

3 結(jié)論

(1)回油溫度和油井產(chǎn)液條件不變，摻水量增加，環(huán)路溫度降低.聯(lián)合站摻水溫度越高，環(huán)內(nèi)溫度波動(dòng)越大；摻水溫度高，系統(tǒng)能耗大，摻水量低，摻水量和系統(tǒng)能耗隨溫度變化曲線存在交叉點(diǎn)，說明通過調(diào)整摻水溫度降低系統(tǒng)總能耗的理論可行性存在.

(2)為降低計(jì)量間各環(huán)路能耗，需要降低各環(huán)回油溫度，考慮保證聯(lián)合站回油溫度時(shí)，需要使計(jì)量間回油溫度高于聯(lián)合站回油溫度，且各環(huán)回油溫度不低于聯(lián)合站回油溫度.

(3)提出一種新的環(huán)狀摻水集輸環(huán)路.降低計(jì)量間環(huán)路回油溫度，考慮 “人為制造”計(jì)量間內(nèi)摻水管段和回油管段進(jìn)出口的“短路效應(yīng)”，使部分熱水直接輸入回油管段，從而提升計(jì)量間回油溫度，滿足聯(lián)合站回油溫度的要求.

(4)新的環(huán)狀摻水集輸環(huán)路滿足系統(tǒng)運(yùn)行的摻水量和系統(tǒng)能耗大幅度減小.計(jì)量間內(nèi)環(huán)路回油溫度降低，計(jì)量間環(huán)路能耗約減小20%.