油田采集系統(tǒng)火用 效率計(jì)算及其影響因素分析

董珊珊，王為民，劉廣鑫，鐘 鳴，孫東旭， 賈馮睿，趙 桐

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2. 黑龍江省海林林業(yè)局，黑龍江 海林 157100）

模擬與計(jì)算

油田采集系統(tǒng)火用 效率計(jì)算及其影響因素分析

董珊珊1，王為民1，劉廣鑫1，鐘 鳴1，孫東旭1， 賈馮睿1，趙 桐2

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2. 黑龍江省海林林業(yè)局，黑龍江 海林 157100）

針對油田采集系統(tǒng)能源利用率低，用能不合理等問題。運(yùn)用“灰箱”模型分析方法，建立了油田采集系統(tǒng)火用 模型，對國內(nèi)某油田注采及集輸系統(tǒng)進(jìn)行火用 效率和熱效率計(jì)算。分析了注采子系統(tǒng)操作參數(shù)（注蒸汽壓力、注蒸汽干度）和集輸子系統(tǒng)操作參數(shù)（加熱爐進(jìn)風(fēng)溫度）影響其火用 效率和熱效率的因素及其變化規(guī)律。研究表明，注采子系統(tǒng)火用 效率和熱效率隨著注蒸汽干度的增大而減??；隨著注蒸汽壓力增大而升高。其中，注蒸汽干度每增大10%，注采子系統(tǒng)火用 效率約降低1.4%，熱效率降低0.4%；注汽壓力每提高0.5 MPa，注采子系統(tǒng)的熱效率提高0.3%；火用 效率基本不變。集輸系統(tǒng)火用 效率和熱效率隨著加熱爐進(jìn)風(fēng)溫度的增大而增大，進(jìn)風(fēng)溫度每增大10oC，注汽鍋爐火用 效率約增大0.23%，熱效率也約增大0.23%。

采集系統(tǒng)；灰箱模型；火用 效率；熱效率

我國的能源資源相對貧乏，能源工業(yè)生產(chǎn)造成環(huán)境破壞很大，而油田采輸系統(tǒng)更是能源消耗大戶。在稠油生產(chǎn)過程中，油田采輸系統(tǒng)各環(huán)節(jié)均存在不同程度的能量損失。因此，進(jìn)行油田采輸系統(tǒng)的熱力學(xué)分析，尤其是針對采集系統(tǒng)火用 效率的研究，可直接降低采輸系統(tǒng)能耗，對油田節(jié)能降耗提供依據(jù)。

火用 指能量、物質(zhì)系統(tǒng)在只有環(huán)境作用的條件下，經(jīng)歷可逆過程達(dá)到與周圍環(huán)境狀態(tài)平衡時(shí)能產(chǎn)生的最大可用功?；鹩?分析是根據(jù)進(jìn)出系統(tǒng)火用 的不平衡發(fā)現(xiàn)不可逆火用 損失，對系統(tǒng)的物質(zhì)、能量利用狀況給出全面評價(jià)的分析方法[1]?；鹩?分析的發(fā)展日趨成熟，它作為科學(xué)用能理論被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際。目前，美國已經(jīng)將火用 方法用于熱力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)分析當(dāng)中。針對火用 效率問題，丁云飛建立了熱泵再生的除濕轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)火用 效率模型[2]。陳立新利用火用 效率對汽輪機(jī)組給水加熱系統(tǒng)進(jìn)行了分析，給出了汽輪機(jī)組熱力系統(tǒng)通用火用 矩陣方程[3]。羅向龍建立低品位熱能發(fā)電系統(tǒng)火用 分析模型并對郎肯循環(huán)循環(huán)余熱發(fā)電機(jī)進(jìn)行了火用 效率分析[4]。陳紹凱在研究高壓天然氣壓力火用 數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，對壓力回收與利用的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析[5]。然而，鮮有針對于油田采集系統(tǒng)進(jìn)行火用 分析?；诖?，本文對油田采注子系統(tǒng)和集輸子系統(tǒng)擬建立“灰箱”分析模型，并對其分別進(jìn)行火用 分析。通過計(jì)算國內(nèi)某油田采集系統(tǒng)火用 效率，系統(tǒng)分析了油田注采、集輸系統(tǒng)火用 效率和熱效率影響因素。

1 油田采集系統(tǒng)模型的建立

1.1 采集系統(tǒng)火用效率模型的建立

采油蒸汽驅(qū)以及水平井和直井的蒸汽輔助重力泄油，將注采子系統(tǒng)抽象成換熱器模型，假設(shè)有兩種能量流進(jìn)行換熱，一種為從注入蒸汽到采出混合流油品的能量流，另一種為地下含油巖層。對采集系統(tǒng)當(dāng)做灰箱模型進(jìn)行能量分析。如圖1所示。

圖1 采集系統(tǒng)的灰箱模型Fig.1 Grey box model of collection system

1.2 采集系統(tǒng)火用效率及熱效率計(jì)算方程的建立注采子系統(tǒng)供給火用 為：

式中：Exf為進(jìn)入注采子系統(tǒng)的蒸汽火用 ，kJ/h；Exc1為注采子系統(tǒng)消耗的電火用 ，kJ/h。

注采子系統(tǒng)有效火用 ：

式中：Q為注采子系統(tǒng)加熱油層的熱量，kJ/h；oilT為油層的溫度，K；Tm為采出油品混合物的溫度，K。

注采子系統(tǒng)火用 損為：

式中：Exq1為注采子系統(tǒng)的火用 損，kJ/h。

注采子系統(tǒng)火用 效率為：

注采子系統(tǒng)能損系數(shù)為：

集輸子系統(tǒng)供給火用 為：

式中：Exg2為進(jìn)入集輸子系統(tǒng)的燃料火用 ，kJ/h；Exc2為集輸子系統(tǒng)消耗的電火用 ，kJ/h；ExA為進(jìn)入集輸子系統(tǒng)加熱爐空氣的物理顯火用 ，kJ/h；Exw為進(jìn)入集輸子系統(tǒng)的油品混合物物流火用 ，kJ/h。

集輸子系統(tǒng)原油提高的能量定義為有效火用 ，則：

式中：Exo為外輸稠油的火用 ，kJ/h； E'xo為采出油品混合物中稠油部分的火用 ，kJ/h。

集輸子系統(tǒng)火用 損為：

式中：Exq2為集輸子系統(tǒng)的傳熱及不可逆火用 損，kJ/h；Ext為分離出的污水帶走的火用 ，kJ/h。

集輸子系統(tǒng)的火用 效率為：

1.3 案例計(jì)算

1.3.1 注采子系統(tǒng)的案例計(jì)算

以國內(nèi)某油田為例，利用注采子系統(tǒng)要參數(shù)如表1所示，對其進(jìn)行火用 效率和熱效率計(jì)算，火用 計(jì)算結(jié)果詳見表2，熱效率計(jì)算結(jié)果如詳見表3。

表1 注采子系統(tǒng)主要參數(shù)表Table 1 The main parameters of injection production system

表2 注采子系統(tǒng)火用 效率計(jì)算結(jié)果Table 2 The calculation results of exergy efficiency of collecting system

表3 注采子系統(tǒng)熱效率計(jì)算結(jié)果Table 3 The calculation results of thermal efficiency of collecting system

1.3.2 集輸子系統(tǒng)的案例計(jì)算

以國內(nèi)某油田為例，利用集輸子系統(tǒng)主要參數(shù)如表4所示，對其進(jìn)行火用 效率和熱效率計(jì)算，火用 計(jì)算結(jié)果詳見表5，熱效率計(jì)算結(jié)果如詳見表6。

表4 集輸子系統(tǒng)主要參數(shù)表Table 4 The main parameters of gathering system

表5 集輸子系統(tǒng)火用效率計(jì)算結(jié)果Table 5 The calculation results of exergy efficiency of gathering system

表6 集輸子系統(tǒng)熱效率計(jì)算結(jié)果Table 6 The calculation results of thermal efficiency of gathering system

2 油田注采系統(tǒng)火用效率和熱效率影響因素分析

2.1 油田注采系統(tǒng)火用 效率和熱效率影響因素分析

2.1.1 注蒸汽干度對火用 效率及熱效率的影響

依據(jù)表1中注采子系統(tǒng)基本參數(shù)，分別計(jì)算注蒸汽干度在55%～100%區(qū)間變化，得出注蒸汽干度與火用 效率和熱效率的關(guān)系如圖2所示。

圖2 蒸汽干度與注采系統(tǒng)火用效率和熱效率關(guān)系圖Fig.2 The relation of steam quality with exergy and thermal efficiency of injection production

分析圖2可知，注采子系統(tǒng)火用 效率、熱效率與注蒸汽干度基本呈線性關(guān)系，且火用 效率、熱效率隨注蒸汽干度的增大而降低。注蒸汽干度每增大10%，注采子系統(tǒng)火用 效率約降低1.4%，熱效率降低0.4%。因此，在注采子系統(tǒng)中安裝干度控制器，通過儀器檢測并持續(xù)調(diào)節(jié)注蒸汽干度[6]。

2.1.2 注汽壓力對火用 效率及熱效率的影響

通過改變表1中注汽壓力為17～25 MPa其他參數(shù)保持不變，計(jì)算分別得到在不同注汽壓力下注采子系統(tǒng)的火用 效率和熱效率如圖3所示。

圖3 注汽壓力與注采系統(tǒng)火用效率和熱效率關(guān)系圖Fig.3 The relation of steam injection pressure with exergy and thermal efficiency of injection production

如圖3所示曲線，將注汽壓力從17 MPa提高到21.5 MPa的情況下，注采子系統(tǒng)的熱效率從提高到，火用 效率從提高到。注采子系統(tǒng)的熱效率和火用 效率隨著注蒸汽壓力的提高而逐漸增加。注蒸汽壓力每提高0.5 MPa，注采子系統(tǒng)的熱效率提高0.3個(gè)百分點(diǎn)。而注采子系統(tǒng)的火用 效率基本不變。

2.2 油田集輸系統(tǒng)火用 效率和熱效率影響因素分析

2.2.1 加熱爐進(jìn)風(fēng)溫度對熱效率及用效率的影響

以表4中油田集輸子系統(tǒng)基本參數(shù)為基礎(chǔ)，分別計(jì)算加熱爐進(jìn)風(fēng)溫度在20～110oC區(qū)間變化時(shí)，集輸系統(tǒng)火用 效率和熱效率，得出進(jìn)風(fēng)溫度與集輸系統(tǒng)火用 效率與熱效率關(guān)系如圖所示4。

圖4 加熱爐進(jìn)風(fēng)溫度與集輸系統(tǒng)火用效率和熱效率關(guān)系圖Fig.4 The relation of inlet air temperature with exergy and thermal efficiency of gathering system

分析圖4可知，加熱爐進(jìn)風(fēng)溫度與集輸系統(tǒng)火用效率、熱效率基本呈線性關(guān)系，且集輸系統(tǒng)的火用 效率、熱效率隨進(jìn)風(fēng)溫度增大而增大。進(jìn)風(fēng)溫度每增大10oC，注汽鍋爐火用 效率約增大0.23%，熱效率也約增大 0.23%。在實(shí)際生產(chǎn)中，增大進(jìn)風(fēng)溫度，在提高了集輸系統(tǒng)火用 效率、熱效率的同時(shí)，也增大了預(yù)熱空氣成本，因此，各方面綜合考慮后，進(jìn)風(fēng)溫度通常選擇30～40 ℃。

2.2.2 分離出的污水對熱效率及火用 效率的影響

由于分離出的污水流量較大，溫度較高，攜帶的能量較高，約占集輸子系統(tǒng)的總供給能量的。一般在實(shí)際生產(chǎn)過程中，直接回注地下或者排放掉，造成了大量的能量損失，如果我們把這部分能量回收利用起來，可使現(xiàn)行的火用 效率從提高到。

綜上所述，集輸子系統(tǒng)熱效率及火用 效率隨著加熱爐進(jìn)風(fēng)溫度的提高而增大。分離出的污水?dāng)y帶的能量，若利用起來，能使集輸子系統(tǒng)的火用 效率有一定的提高。

3 結(jié) 論

本文運(yùn)用“灰箱”模型分析法，建立了油田采集系統(tǒng)的火用 效率和熱效率計(jì)算方程，并以國內(nèi)某油田的注采子系統(tǒng)和集輸子系統(tǒng)為例對其火用 效率和熱效率進(jìn)行了計(jì)算，分別探討注采子系統(tǒng)操作參數(shù)（注蒸汽壓力、注蒸汽干度）和集輸子系統(tǒng)操作參數(shù)（加熱爐進(jìn)風(fēng)溫度）影響其火用 效率和熱效率的因素及其變化規(guī)律，研究結(jié)果表明

（1） 在油田注采子系統(tǒng)操作參數(shù)中，影響注采系統(tǒng)火用 效率和熱效率的主要影響因素為：注蒸汽壓力和注蒸汽干度2個(gè)影響因素。注采子系統(tǒng)火用 效率和熱效率隨著注蒸汽干度的增大而減?。浑S著注蒸汽壓力增大而升高。

（2） 其中，注蒸汽壓力對油田注采子系統(tǒng)火用效率和熱效率影響最大，注氣干度影響次之。

（3）在集輸子系統(tǒng)操作參數(shù)中，影響集輸系統(tǒng)火用 效率和熱效率的主要影響因素為：加熱爐的進(jìn)風(fēng)溫度和分離出的污水?dāng)y帶的熱量。

（4）集輸系統(tǒng)火用 效率和熱效率隨著加熱爐進(jìn)風(fēng)溫度的增大而增大，進(jìn)風(fēng)溫度每增大10oC，注汽鍋爐火用 效率約增大0.23%，熱效率也約增大0.23%。

（5）分離出的污水?dāng)y帶的能量，若利用起來，能使集輸子系統(tǒng)的火用 效率有一定的提高。

［1］ 蔣愛華，梅熾，時(shí)章明. 泛火用 分析方法及其應(yīng)用[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，42（2）:527-532.

［2］ 丁云飛，吳會軍，樂明. 基于熱泵再生的除濕轉(zhuǎn)輪火用 效率分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34：72-74.

［3］ 陳立新，李巖，田松峰，閆麗濤. 汽輪機(jī)組熱力系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性火用 分析[J].熱力發(fā)電，2011，40（2）：29-34

［4］ 羅向龍，許樂，譚立鋒，陳穎. R245fa有機(jī)朗肯循環(huán)余熱發(fā)電系統(tǒng)火用 分析[J].節(jié)能技術(shù)，2012, 30（2）：131-141.

［5］ 陳紹凱，李自力，雷思羅，王瑤.高壓天然氣壓力能的回收利用技術(shù)[J]煤氣與熱力，2008， 28（4）：1-10.

［6］ REDUSCL, SCHOENDM, CHIENSF. Kern River Field Test of a Steam Quality Measurement Technique[C] Proceedings 1988 California Regional Meeting. Richardson: Society of Petroleum Engineers, 1988: 423-430.

Calculation and Influence Factors of Exergy Efficiency of Oil Collecting System

DONG Shan-shan1,WANG Wei-min1,LIU Guang-xin1,ZHONG Ming1,SUN Dong-xv1,JIA Feng-rui1,ZHAO Tong2

（1. College of Petroleum Engineering,Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001, China; 2. Heilongjiang Hailin Forestry Bureau , Heilongjiang Hailin 157100, China)

According to the problems about the oil collecting system with low energy utilization rate and unreasonable energy use, the “grey box”analysis method was used to establish the exergy analysis model of the oil collecting system, exergy efficiency and thermal efficiency of steam injection production and gathering system of a domestic oilfield were calculated. The operation parameters of the injection production system (steam injection pressure, steam quality) were analyzed as well as the operation parameters of gathering system (inlet air temperature of heating furnace), the influence factors and change rules of exergy efficiency and thermal efficiency. The research results show that, along with the steam quality decreasing and steam injection pressure increasing, the exergy and thermal efficiency increase. Among them, when steam quality increases by 10%, the exergy efficiency of the collecting system reduces about by 1.4%,the thermal efficiency reduces about by 0.4%;when the steam injection pressure increases by 0.5 MPa, the thermal efficiency increases about by 0.3%, the exergy efficiency is the basic same. With the inlet air temperature increasing, the exergy and thermal efficiency of the gathering system increase. When the inlet air temperature increases by 10oC,the exergy efficiency and thermal efficiency of the gathering system increase about by 0.23%.

Collecting system; Grey box model; Exergy efficiency; Thermal efficiency

TK 222

： A

： 1671-0460（2015）03-0601-04

遼寧省高等學(xué)?？茖W(xué)研究一般項(xiàng)目，項(xiàng)目號：L2014146。

2014-10-21

董珊珊（1989-），女，河北秦皇島人，在讀碩士，遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，研究方向：油田稠油采集效率研究。E-mail：13898321964@163.com。