油區(qū)地熱資源的開發(fā)和利用研究

劉 澍, 劉鐵敏

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

油區(qū)地熱資源的開發(fā)和利用研究

劉 澍, 劉鐵敏

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

目前油田油氣集輸系統(tǒng)和處理工藝主要是通過燃用石油或天然氣，而采用各種類型、容量不一的加熱爐對工藝進行加熱，具有熱效率低下，環(huán)境污染比較嚴重的現(xiàn)象。因此依據(jù)現(xiàn)在油田企業(yè)中集輸系統(tǒng)中所存在的高能耗現(xiàn)狀，對集輸系統(tǒng)能耗狀況進行詳細分析。有效開發(fā)利用油區(qū)所具有的儲量豐富的地熱資源。根據(jù)油田集輸流程的結(jié)構(gòu)及工藝特點，對設(shè)計方案進行了優(yōu)化分析，盡可能的提高地熱水的利用效率，增大換熱量，對原油外輸管線進行伴熱。

集輸系統(tǒng)；地熱資源；高能耗

油田企業(yè)在油氣集輸工藝中會消耗大量的石油天然氣原料用來進行加熱，其能源消耗所造成的成本占到了生產(chǎn)成本的約 30%。因為工藝的需要和特殊性，所以其能源消耗非常大，主要是集中于石油和天然氣的收集和運輸，生產(chǎn)的石油生產(chǎn)的能源消耗量占能源消費總量的 90%以上。高含水油生產(chǎn)能源消耗，熱耗和電耗耗熱量各占 50%左右，主要集中在石油和天然氣油氣集輸系統(tǒng)，熱耗占集輸系統(tǒng)中能源總消耗量的 80%～83.5%。油區(qū)集輸在系統(tǒng)稠油熱采生產(chǎn)中的能源和熱量消耗所占的份額非常高，達到 68%[1]。

在油區(qū)集輸系統(tǒng)中，因為稠油輸送溫度會降低，原油粘度會降低，影響輸送效率，因此需要對輸油管道進行伴熱，讓原油充分吸熱，保持一定的溫度，進行外輸。相關(guān)的儀表及人為導致的差錯很可能產(chǎn)生事故，當油的溫度降低到凝點以下，基本凝固的原油會使管道堵塞，甚至破裂現(xiàn)象會發(fā)生。因此，在管道中的原油的保溫是極為重要的工作。提取的原油從井口、計量站、中轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站一系列流程處理后被加工處理成所需要的成品油。其中對原油處理時因為工藝需求和原油物理特性，需要對原油進行加熱，使原油溫度升高，才能保證原油的正常運營輸送，確保油氣集輸工藝的安全輸送。

目前，油田在加熱取熱用能的途徑上主要是采用容量不同的加熱爐，通過燃用石油天然氣燃料進行置換熱量，對輸送相關(guān)工藝進行升溫。但是存在著熱效率普遍較低與熱效率提高工藝限制的矛盾問題，并且會對環(huán)境產(chǎn)生一定污染，對空氣造成污染。因此，如何改善油區(qū)集輸系統(tǒng)中的高能耗、高污染狀況對油田企業(yè)的節(jié)能效益起著非常重要的作用。中石油股份有限總公司曾于 2004年對所擁有的 4 374 臺燃用石油天然氣的加熱爐進行性能參數(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，其中分析了使用情況，結(jié)果表明熱效率在75%以上的有 1 248 臺加熱爐。此外，有3 126 臺加熱爐熱效率低于 75%。在油田集輸工藝流程中，消耗的能量是驚人的。目前，油區(qū)加熱爐設(shè)備老化，低效率的小型加熱爐導致石油天然氣燃料燃燒不完全，使石油天然氣燃料的使用量增大，浪費了大量能源，使能源利用數(shù)量增大，具有非常大的能耗狀況。而且由于工藝特點，在加熱爐內(nèi)壁會產(chǎn)生嚴重的腐蝕和結(jié)垢等問題，嚴重影響設(shè)備性能和工況穩(wěn)定性。如今，國內(nèi)外學者已在研制效率高的加熱爐，并取得一定進展，但是大范圍的更換加熱爐是非常不易的，因為工藝的需要，不可能大規(guī)模進行更換加熱爐[1]。

加熱爐通過燃用石油天然氣原料來取熱會存在一些問題，主要包括：第一，原油價格會持續(xù)上漲，近些年來，原油集輸系統(tǒng)所投入的成本增加了熱量消耗；第二，燃油鍋爐會在使用過程中存在腐蝕嚴重、結(jié)垢等情況，設(shè)備性能和運行工況都會收到嚴重影響，因此其熱能利用效率會降低。第三，所使用的加熱設(shè)備普遍不大，設(shè)備容量較小，效率不高，耗熱損失大。第四，會對環(huán)境產(chǎn)生大量的污染，會嚴重污染空氣，每年向空氣中排放的二氧化硫、粉塵顆粒、鹽類等廢氣、廢渣會嚴重破壞環(huán)境。第五，近些年來，國家鼓勵新能源、清潔能源的使用，包括地熱能、風能、太陽能等可再生資源。這些資源的使用不但安全，而且會有效的節(jié)約能源消耗，起到保護環(huán)境的目的。為此考慮利用油田污水余熱對油田輸油管道進行伴熱，降低能耗及保護環(huán)境。因此能源需求增加的趨勢不斷要求人們尋求清潔能源的開發(fā)和使用，如生物質(zhì)能源、太陽能、風能、海洋能、氫能、核能等新能源。地熱能作為新能源的發(fā)展前景廣闊，受到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注[2]。

地熱資源具有使用靈活和安全的特點。因此，對于作為清潔能源的地熱資源的開發(fā)和利用，具有非常廣闊的發(fā)展前景。對于地熱資源的有效利用，有效節(jié)約的能源消耗，已成為現(xiàn)如今競相發(fā)展的熱點[3]。

1 地熱資源概況

低熱資源是地球上現(xiàn)在存在于內(nèi)部的儲量非常豐富的可再生的能源，而且地熱資源是一種清潔的新能源，使用方便清潔，不會對環(huán)境造成污染，具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。在地球表面具有大量的大于 60oC 的泉水，其中有的泉水溫度可以達到 100～140oC。因此足可以證明地球內(nèi)部是個非常大的熱量儲存庫，具有豐富的熱量能源，蘊藏著巨大的熱能資源。這些熱能資源流露出地面就是地熱清潔資源，是一種可再生的資源，具有非常大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，開采利用前景廣闊。

地熱資源儲量比較豐富，是一種清潔的可再使用的可再生資源，具有使用清潔、清潔、富足、投資少、環(huán)保的特點。增加地熱資源的開發(fā)和利用地熱技術(shù)創(chuàng)新，完善的技術(shù)支持系統(tǒng)。盡快建立一個全國性的研發(fā)平臺，加強研究和開發(fā)工作，以提高創(chuàng)新能力，要有效地利用地熱資源，包括各級政府的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和科研計劃，加大政府投入納入財政預(yù)算企業(yè)和科研院所，以促進成果轉(zhuǎn)化，按照相關(guān)技術(shù)標準、規(guī)范開發(fā)和利用清潔的地熱資源，技術(shù)引進戰(zhàn)略合作伙伴，技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，涵蓋整個產(chǎn)業(yè)鏈的所有重大方面的創(chuàng)新。成功引進國外的先進經(jīng)驗（采礦和充電技術(shù)，發(fā)電和熱利用技術(shù)等），引進低溫地熱熱泵技術(shù)，有效地利用地熱資源，節(jié)省能源消耗，以保護生態(tài)的平衡和有效保護環(huán)境。

積極發(fā)展淺層地熱能的資源的勘探和評估。地熱能資源特別是大量的淺層地熱能資源，以何種方式可用于能源的發(fā)展，對環(huán)境的長期影響，當?shù)厮牡刭|(zhì)條件對地熱資源的開發(fā)和利用有哪些限制。研究地熱資源利用的影響因素，才可以正確的開發(fā)和有效利用地熱資源，充分利用地熱能，節(jié)約能源消耗。因此，當前應(yīng)該從部分平原地區(qū)的主要城市開始開展。在勘探及評估的基礎(chǔ)上，編制淺層地熱能開發(fā)利用的規(guī)劃，合理規(guī)劃，以確定適當?shù)拈_發(fā)和利用領(lǐng)域，劃分很多不同土地利用方式，建立一個合理的規(guī)模開發(fā)和利用有效機制。和傳統(tǒng)發(fā)電方式相對比可以發(fā)現(xiàn)地熱資源直接開發(fā)利用的幾大優(yōu)勢：一是地熱能的利用一般具有較高的利用效率，一般可高達 50%～70%，較傳統(tǒng)發(fā)電方式的 5%～20%的效率提高了很多；二是使用簡便，投資較少，設(shè)備較??；三是使用較廣泛。但是地熱資源的使用也受一些地質(zhì)條件的限制，例如：部分的確還有大量的中高溫地熱資源，部分地區(qū)還有大量的中低溫資源，而且開采的難易程度也不同。

2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

地熱資源是儲存量比較大的清潔性能源，現(xiàn)在可以用利用地熱資源對用戶采暖、沐浴等，是一種用途較廣的無污染的清潔能源。在油田，油氣集輸系統(tǒng)輸送工藝中的能源消耗非常嚴重，特別是石油天然氣燃料的使用，不但使儲量有限的能源大大消耗，而且對環(huán)境造成一定污染。因此，地熱資源的開采和使用，對經(jīng)濟發(fā)展和社會效益都具有非常大的效益，在國民經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)越來越重要的作用。我國也對地熱資源使用和發(fā)展的問題上對地熱資源的使用投入了科研資金和設(shè)備投入，大大的增加了我國地熱資源的快速發(fā)展和利用。近些年來，由于地熱資源的開發(fā)利用的效益非常顯著，加大了地熱市場的不斷發(fā)展，各投資商對地熱資源的投資熱度大大增加，我國西部的地區(qū)的地熱資源的開發(fā)和利用發(fā)展迅速。目前，地熱資源已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于地熱采暖、養(yǎng)殖、沐浴等方面。在油田也存在大量的可利用的地熱資源，這部分地熱資源如果能充分利用，則油區(qū)天然氣和石油燃料的消耗可以得到大大減少，集輸系統(tǒng)高能耗狀況可以等到改善。其中，國內(nèi)外對地熱資源的開發(fā)利用狀況見表1。

表1 國內(nèi)外對地熱資源直接利用情況Table 1 Direct utilization of geothermal resources at home and abroad

地熱資源利用可分為兩方面，一方面是用地熱資源來直接發(fā)電。另一方面是直接利用地熱采暖，地熱用于農(nóng)業(yè)，地熱浴，這些領(lǐng)域需要溫度低，易于使用，不需要比較復雜的工藝設(shè)備，地熱資源在這些領(lǐng)域應(yīng)用較多。不同的高溫地熱資源有不同的使用范圍：直接發(fā)電和綜合利用地熱資源的溫度范圍為200～400oC；地熱資源的制冷用于工業(yè)干燥和工業(yè)加熱的溫度范圍為 150～200oC；地熱資源用于供暖、干燥、鹽類的回收和加工、食品行業(yè)等的綜合利用的地熱資源溫度范圍在 100～150oC；簡易采暖、農(nóng)業(yè)溫室利用、沐浴等的綜合利用的地熱資源溫度范圍在 50～100oC；用于水產(chǎn)養(yǎng)殖，牧畜的飼養(yǎng)；土壤保溫措施、脫水加工工藝、洗車等綜合利用地熱溫度在 20～50oC。

地熱資源特別是在直接利用方面在國外得到了非常大的關(guān)注。由于地熱資源用來發(fā)電會收到某些限制，存在效率普遍較低、溫度要求比較高的用能狀況。熱效率的利用效率普遍比較低，是因為不同類型的地熱蒸汽輪機類別不同，熱效率一般只有6.4%～18.6%，消耗了大量的能源，造成熱量浪費嚴重的情況。對于工藝的高溫要求，應(yīng)該可以說是通過利用地熱資源用來進行發(fā)電，地下熱水資源需要滿足工藝所要求的較高的溫度，因此要求溫度通常是超過 150oC，否則，將嚴重影響經(jīng)濟效果。地熱能源的直接使用，不僅使能量損失更小，對地下熱水的溫度要求要低得多，可以使用很寬的溫度范圍為 15～180oC。然而對于大量的地熱資源 70oC以上的溫度范圍，利用效率比較低，更高的溫度所產(chǎn)生的能量不能被利用，對環(huán)境的熱污染的形成較嚴重[5]。這樣的低溫地熱資源儲存十分豐富，儲存量比高溫地熱資源大得多[6]。

2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

在中國，地熱資源非常豐富，地熱資源利用發(fā)展的年均增長率為 12%，增量的總體規(guī)模較大。依據(jù)不完全統(tǒng)計數(shù)據(jù)，每年在地熱水資源的開采上已經(jīng)大于 3.45×108m3，對于能量的利用水平已經(jīng)達到大約 191.2×104t 標準煤的能量[7]。但是在國內(nèi)的地熱資源中，高溫地熱資源不多，所以對于地熱發(fā)電的利用發(fā)展比較少。但是對于 50～90 ℃的地熱資源儲量非常富裕，對于這些地熱資源的利用也取得了一定的進展和良好的使用效果。這些低溫地熱資源在許多省市中的使用和開采利用中已經(jīng)取得了一定的規(guī)模。

但是在地熱開發(fā)利用方面來看，與國外發(fā)達國家比起來，我國的地熱資源的開發(fā)、地下水補給、耐腐蝕、規(guī)模、地熱利用技術(shù)手段等都比較落后，發(fā)展比較遲緩。我國對地熱資源的使用缺少成熟的經(jīng)驗和技術(shù)，為能統(tǒng)一進行綜合規(guī)劃，沒有完整的地熱利用鏈條，并存在不佳的整體效率。除了用于發(fā)電的高溫地熱資源，大部分還停留在比較簡單的利用發(fā)展方式，節(jié)約的能源量非常少。許多民用設(shè)施對于中低溫地熱資源的使用往往還是依靠自然冷卻的方法進行洗澡和治療，使其地熱水的溫度降低到 50 ℃以下，使地熱水的熱量白白的浪費掉，造成清潔能源的浪費。若能將這些地熱資源充分利用起來，就賓館、洗浴等就可節(jié)約大量的能源。因此對于地熱資源的利用主要還是缺少科學規(guī)劃、技術(shù)支撐，設(shè)備比較陳舊，地熱資源的開采利用率不是很高[8-10]。

2.2 地熱資源利用發(fā)展存在的主要問題

油田具有儲量豐富的地熱資源，在過去的十年中，這些資源豐富的地熱資源，雖然得到越來越多的發(fā)展，但由于缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃，未能得到很好地利用，熱能利用效率水平整體不高，產(chǎn)業(yè)化程度低，因此地熱資源的開采和使用，普遍存在以下主要問題：

（1）我國有些地區(qū)的地熱資源儲存量非常大，溫度大多是中低溫階段，對于這部分地熱資源，沒有形成良好的使用手段，沒有對這部分地熱資源的使用進行良好的規(guī)劃，因此雖然地熱資源儲量富裕，但是沒有完整的良好的發(fā)展趨勢和利用現(xiàn)狀。

（2）地熱能為油田集輸加熱提供所需要的熱能用于加熱原油進行外輸，減少和降低能源的消費，但應(yīng)用領(lǐng)域還仍處于起步階段，還可以用來對油罐進行保溫。例如，對于油區(qū)集輸系統(tǒng)工藝中所建立的工作站、計量站、聯(lián)合站等對于原油的處理工藝都需要加熱，因此在油區(qū)集輸系統(tǒng)工藝中存在大量的容量不一的加熱爐等設(shè)備，耗能非常大，因此如何節(jié)約這部分能源消耗是油區(qū)集輸系統(tǒng)面臨的主要問題之一。而地熱資源作為一種清潔的新能源，對于石油和氣體燃料的節(jié)約具有很大的發(fā)展利用潛力。

（3）地熱可以替代加熱爐使用的石油天然氣燃料，工藝流程的簡化的過程和節(jié)能評價還缺乏較系統(tǒng)和深入的研究。

（4）缺乏成熟的技術(shù)及工藝設(shè)備。油井生產(chǎn)，開采高粘度油的混合物因溫度升高所產(chǎn)生的流體必須降低液體本身產(chǎn)生的粘度，因為粘度太大，流動性比較小，不易開采。因此，目前利用大量的高品位能的電能或者燃料進行井筒加熱保溫，造成大量的能源浪費，能源利用結(jié)構(gòu)不太合理，而且燃料使用不充分等都造成了能源的嚴重消耗。而存在大量的地熱資源卻未能得到良好的應(yīng)用。

（5）對于地熱水應(yīng)用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是加熱過程流體熱交換系統(tǒng)，油田地熱水含有石油和其他碳氫化合物，對于地熱換熱器和傳熱促進技術(shù)的過程中，在同一時間的腐蝕問題是缺乏研究。

3 發(fā)展趨勢

我國地熱資源現(xiàn)在的利用主要是解決居民采暖、生活供熱，主要利用中低溫地熱資源。將來的發(fā)展是要使地熱資源廣泛用于采暖、制冷、生活供水、地熱養(yǎng)殖、沐浴等方面，使地熱資源達到高效利用，增大地熱資源的使用效率。若能將地熱資源充分用于工業(yè)，則可節(jié)約大量的資源，并能充分保護環(huán)境，減少工業(yè)因消耗資源制熱而造成的環(huán)境污染。

由圖1 可知，世界上地熱資源開發(fā)利用，只是傳統(tǒng)的專注于低效率的高低熱（火）建筑供熱采暖、養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)溫室發(fā)展、沐浴、熱水和衛(wèi)生保健。這些方面對地熱資源使用要求比較低，因為直接利用合適的溫度通常是在較低的溫度范圍內(nèi)，約 40～ 65oC 范圍內(nèi)，所需的技術(shù)要求一般不會太高。使用比較方便，技術(shù)利用手段要求低，所以地熱資源在這些方面應(yīng)用的比較廣泛。

圖1 世界中低溫地熱資源利用結(jié)構(gòu)比例圖Fig.1 The proportion of the low temperature geothermal resource utilization

對于沐浴、養(yǎng)殖、民用等，因為所需設(shè)備使用簡單，非常容易達到地熱的使用要求，安全環(huán)保。然而針對于大量的 70oC 以上溫度的范圍的地熱資源來說，低熱利用未能得到普及，大部分較高溫度地熱資源沒有得到有效利用而浪費掉，造成能源浪費。使用非清潔能源會對環(huán)境形成熱污染，對環(huán)境污染較大。因此在地熱資源的今后發(fā)展利用方面，應(yīng)該重點開發(fā)中高溫地熱資源并使地熱資源這樣的清潔能源運用于工業(yè)生產(chǎn)，提高這部分中高溫地熱資源的利用效率，加強對生態(tài)環(huán)境的保護[11]。

［1］熊宇，朱東志．長輸管道原油加熱爐現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．油氣儲運，2006，7(2)：40-42．

［2］姜軍，孔憲文．低溫地熱的開發(fā)前景[J]．東北電力技術(shù)，2002，9(3)：14-16．

［3］廖忠禮，張予杰，等．地熱資源的特點與可持續(xù)開發(fā)利用[J]．2006，中國礦業(yè)，2006，15(10)：8-11．

［4］朱家玲．地熱能開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2006．

［5］Manfred P.Hochstein．History of geothermal exploration in Indonesia from 1970 to 2000[J]．Geothermics，2008，12(37)：220-266.

［6］Thorkell Edingsson．Comprehensive use of geothermal energy for largesportscomplexes：the Icelandic approach[C]．Proceedings of 2002 Beijinglntematlonal Geothermal Symposium，2002：345-353．

［7］司士榮．國內(nèi)外地熱能開發(fā)利用綜述[C].維普資訊：6-7.

［8］徐軍祥．我國地熱資源與可持續(xù)開發(fā)利用[J]．中國人口·資源與環(huán)境，2005，15(2)：139-141．

［9］何滿潮，李啟民．地熱資源梯級開發(fā)可持續(xù)應(yīng)用研究[J]．礦業(yè)研究與開發(fā)，2005，25(3)：37-40．

［10］馬立新，田舍．我國地熱能開發(fā)利用現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．資源產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟，2006，12(6)：19-21．

［11］梁金國，王照亮．地熱資源綜合利用技術(shù)研究[D]．青島：中國石油大學（華東），2006．

Development and Utilization of Geothermal Resources in Oil Regions

LIU Shu, LIU Tie-min
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

The current oil and gas gathering system and processing technology usually obtain heat energy through burning oil or gas in heating furnace, which has heat efficiency to cause serious environmental pollution. In this paper, based on the status quo of high energy consumption in the field gathering system, energy consumption condition of the gathering and transportation system was analyzed. It’s pointed out that abundant geothermal resources in oil region should be effectively developed and utilized. According to the structure and process characteristics of oilfield gathering process, the design has been optimized to improve hot water use efficiency and increase the heat transfer for improving crude oil heat tracing of external transmission pipelines.

gathering system; geothermal resources; high energy consumption

TE 832

A

1671-0460（2014）11-2370-04

2014-04-04

劉澍（1990-），男，遼寧撫順人，碩士研究生學位，2014年畢業(yè)于遼寧石油化工大學企業(yè)管理專業(yè)，研究方向：企業(yè)關(guān)鍵客戶研究。