稠油密閉閃蒸汽與伴生氣冷卻技術(shù)研究

王華，宋傳陽，蘇琛，張偉

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稠油密閉閃蒸汽與伴生氣冷卻技術(shù)研究

王華1，宋傳陽2，蘇琛1，張偉1

（1. 克拉瑪依市科力節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司， 新疆 克拉瑪依 834000；2. 新疆石油工程設(shè)計有限公司， 新疆 克拉瑪依 834000）

新疆油田公司稠油常規(guī)開發(fā)共建成原油接轉(zhuǎn)站100多座，集輸工藝流程均為開式，站內(nèi)設(shè)置有2×100 m3的常壓開口原油緩沖罐。由于來液為蒸汽吞吐法的采出液，溫度、壓力較高，緩沖罐每天都有大量的水蒸汽和伴生氣直接排入大氣，同時伴生氣中含有硫化氫及非甲烷總烴。這樣，油區(qū)到處都能看到大罐上部冒著白霧，造成污染環(huán)境和能源浪費(fèi)。針對上述問題，進(jìn)行對比試驗(yàn)研究，最終確定熱管空冷器與射流泵一體化裝置成功的解決了這一技術(shù)難題。

開式；水蒸氣；伴生氣；熱管空冷器；射流泵

隨著油田開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，稠油熱采已成三次采油中一項(xiàng)較成熟的采油工藝技術(shù)。常規(guī)稠油熱采工藝中一般采用三級布站集輸，新疆油田現(xiàn)有的稠油三級布站輸送均采用開式集輸流程，井場、接轉(zhuǎn)站、處理站均存在非密閉環(huán)節(jié)［1］。接轉(zhuǎn)站內(nèi)設(shè)置有2×100 m3的常壓開口原油緩沖罐，隨著原油粘度的不斷提高，采出液溫度亦隨之提高，緩沖罐每天都有大量的水蒸氣和伴生氣直接排入大氣，伴生氣中含有硫化氫及非甲烷總烴。這樣，油區(qū)到處都能看到緩沖罐上部冒著白霧，造成環(huán)境污染和能源浪費(fèi)。

為了解決現(xiàn)有問題，需要把稠油開式輸送改為密閉輸送系統(tǒng)，禁止大量的水蒸汽和伴生氣直接排入大氣，徹底消除冒白霧現(xiàn)象，解決油區(qū)的環(huán)境污染問題。與傳統(tǒng)稠油吞吐熱采方式相比，密閉集輸工藝省去了各采油站新建儲油罐及輸油泵房的生產(chǎn)流程，原油進(jìn)入處理站后也無需再進(jìn)行二次加溫，不僅簡化了工藝流程，同時還節(jié)約了相關(guān)設(shè)備設(shè)施的投資費(fèi)用，最重要的是消除了環(huán)境污染源頭，綜合各方面生產(chǎn)效果來看，其經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益非?？捎^。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

新疆油田公司原油輸送由原來的開式改為密閉輸送系統(tǒng)，在原來系統(tǒng)上進(jìn)行整改，目前大多數(shù)工藝流程是油區(qū)來液先進(jìn)入汽（氣）液分離器，閃蒸后對閃蒸汽和伴生氣的混合物進(jìn)行冷卻，再利用脫硫裝置對伴生氣和少量未冷凝的閃蒸汽進(jìn)行脫硫后燃燒或放散。冷卻采用的是表面式風(fēng)冷方式，空冷器是整個系統(tǒng)改造的關(guān)鍵設(shè)備，使冷卻后的混合物能夠滿足脫硫裝置的工作要求（脫硫劑工作溫度≤70 ℃）。現(xiàn)場常使用普通干式空冷器，另外配合獨(dú)立的射流系統(tǒng)對水蒸氣和伴生氣進(jìn)行處理。存在以下問題：

①傳熱效率低，普通空冷器采用換熱管進(jìn)行間壁式換熱，水蒸氣和伴生氣在管內(nèi)流過，空氣從管外流過，傳熱效率較低；

②極高溫下冷卻效果不佳，夏季極高溫情況下，由于空氣溫度很高，導(dǎo)致普通空冷器冷卻效果不佳，要冷卻到70 ℃以下非常困難，不能滿足脫硫裝置的要求；

③繼續(xù)冷卻設(shè)備投資大，即使冷卻到了70 ℃，由于伴生氣中含濕量始終處于飽和狀態(tài)，在微負(fù)壓情況下，70 ℃時其水蒸氣體積含量高達(dá)27%左右，依然會對后續(xù)燃燒帶來難題。而要使得混合物溫度繼續(xù)降低，在戈壁灘上夏季極高溫時無法維持合理的傳熱溫差，超出正常的設(shè)計范圍，干式空冷器換熱面積將大大增加，經(jīng)濟(jì)性極差；

④冬季易凍堵，換熱管內(nèi)流動通道狹小，水蒸氣冷卻后產(chǎn)生冷凝液，冬季容易凍堵，對設(shè)備和系統(tǒng)的安全連續(xù)運(yùn)行造成了嚴(yán)重的威脅；

⑤變工況適應(yīng)性差，在現(xiàn)有緩沖罐后加裝普通干式空冷器對溢出的高溫油汽進(jìn)行處理，因?yàn)榉磻?yīng)滯后、工況波動大等諸多問題而無法適應(yīng)，截止目前仍沒有找到一個切實(shí)可行的辦法；

⑥獨(dú)立布置缺點(diǎn)較多，空冷器和射流系統(tǒng)分開獨(dú)立布置，占地大、設(shè)備投資增加、施工量大、接口較多、系統(tǒng)復(fù)雜，對現(xiàn)場運(yùn)行人員來說不易操作，日常運(yùn)行維護(hù)工作量大。

目前，新疆油田公司存在冬季站區(qū)儲油罐油汽溢出問題的接轉(zhuǎn)站大約100余個。

2 系統(tǒng)對比

2.1 熱管空冷器與射流泵一體化

2.1.1 工藝流程

本研究流程采用的是先分離閃蒸后冷卻系統(tǒng)，即油區(qū)來液先進(jìn)入汽（氣）液分離器，閃蒸后對水蒸汽和伴生氣的混合氣進(jìn)行冷卻，冷卻系統(tǒng)采用的是熱管空冷器，配合射流泵［2］對混合氣進(jìn)行處理。

油區(qū)管匯來液先進(jìn)入汽（氣）液分離器，維持分離器處于微正壓狀態(tài)，使采出液中硫化氫和伴生氣充分釋放出來，混合氣再進(jìn)入熱管式空冷器冷卻至60 ℃，形成的冷凝水流入冷凝水箱（空冷器本體下部自帶），通過冷凝水泵加壓后排走。剩余的含濕伴生氣通過射流泵加壓后進(jìn)入射流系統(tǒng)緩沖罐中，在緩沖罐內(nèi)進(jìn)行氣水分離。分離后的伴生氣進(jìn)入脫硫劑罐，脫硫劑罐中的伴生氣在上浮過程中與脫硫劑進(jìn)行反應(yīng)，脫硫后的伴生氣經(jīng)燃燒爐/放散管進(jìn)行燃燒或放散［3］。為了防止夏季氣溫較高時冷卻能力不夠的問題，在風(fēng)機(jī)與熱管之間設(shè)置了噴霧系統(tǒng)，在夏季氣溫較高時啟動，起到蒸發(fā)式空冷器的效果，并且水源采用冷凝水，可有效防止水資源浪費(fèi)（圖1）。

圖1 熱管空冷器與射流泵一體化裝置系統(tǒng)流程

2.1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

采用熱管式空冷器，冷卻比較均勻；在熱管空冷器蒸發(fā)段出口設(shè)置溫度探頭，另外在熱管空冷器冷凝段設(shè)置噴淋裝置［4］，配合風(fēng)機(jī)變頻，對熱管空冷器蒸發(fā)段出口混合氣溫度進(jìn)行控制；當(dāng)混合氣出口溫度高于設(shè)計參數(shù)時，首先增加2臺風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率；當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到工頻時仍無法使混合氣出口溫度降至設(shè)計參數(shù)，則開啟噴淋系統(tǒng)，向冷凝段熱管外表面噴水，利用蒸發(fā)式空冷增加冷卻效果，保證混合氣出口溫度降至設(shè)計參數(shù)以下；噴淋水采用冷凝水，無額外的水資源消耗，適用于偏遠(yuǎn)無水源地區(qū)；熱管內(nèi)部充有超導(dǎo)液可有效防止冬季凍堵；負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)。在混合氣進(jìn)口管路設(shè)置有旁通管道，其上設(shè)有電動閥，當(dāng)混合氣量較大時自動旁路至接轉(zhuǎn)站原緩沖罐，進(jìn)行緊急排放，保證后續(xù)裝置的安全；與現(xiàn)場目前使用的普通干式空冷器相比，采用空冷+脫硫一體化裝置，大大簡化了系統(tǒng)，解決了投資，減少了現(xiàn)場工作量，并且系統(tǒng)簡單，容易實(shí)現(xiàn)；不會造成井口憋壓，避免影響產(chǎn)量。

2.2 分離式熱管換熱器與復(fù)合冷卻塔系統(tǒng)

2.2.1 工藝流程

針對以往普通干式空冷器存在的問題，進(jìn)行了兩點(diǎn)改進(jìn)：一是在進(jìn)入汽（氣）液分離器前對來液進(jìn)行冷卻，使其溫度低于閃蒸點(diǎn)溫度，再進(jìn)入分離器，這樣閃蒸產(chǎn)生的水蒸氣量就很少，伴生氣的含濕量就會減少很多，便于后期處理；二是冷卻系統(tǒng)采用的是分離式熱管換熱器與復(fù)合冷卻塔系統(tǒng)，在氣溫較高時采用蒸發(fā)式水冷，在氣溫較低時采用表面式風(fēng)冷（圖2）［5］。

圖2 分離式熱管換熱器與復(fù)合冷卻塔系統(tǒng)流程

油區(qū)管匯來液先進(jìn)入分離式熱管換熱器與復(fù)合冷卻塔系統(tǒng)冷卻至95 ℃，低于閃蒸點(diǎn)溫度，再進(jìn)入汽（氣）液分離器，維持分離器處于微正壓狀態(tài)，使采出液中硫化氫和伴生氣充分釋放出來?；旌蠚庠龠M(jìn)入分離式熱管換熱器冷卻至60 ℃后經(jīng)過射流泵抽出后進(jìn)入清水罐進(jìn)行緩沖及氣液分離，伴生氣進(jìn)入脫硫劑罐，而分離下來的水通過清水溢流泵打到轉(zhuǎn)油泵前與油水混合液一起提壓后外輸，脫硫劑罐中的伴生氣在上浮過程中與脫硫劑進(jìn)行反應(yīng)，脫硫后伴生氣燃燒或放散。

2.2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

①與對在汽（氣）液分離器中閃蒸后的混合氣進(jìn)行冷卻相比，此系統(tǒng)避免了大量閃蒸水蒸氣產(chǎn)生，減少了伴生氣中水蒸汽含量，改善了燃燒效果，同時為了保險起見，分離后的伴生氣再進(jìn)行冷卻。

②液冷卻采用分離式熱管換熱器+復(fù)合冷卻塔系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以對來液進(jìn)行均勻冷卻，不會形成死油區(qū)；冷卻則采用風(fēng)冷與蒸發(fā)式水冷相結(jié)合的方式。

③混合氣出口設(shè)置溫度探頭，可根據(jù)伴生氣出口溫度高低自動切換冷卻方式，當(dāng)溫度高于60 ℃時，采用蒸發(fā)式水冷方式，當(dāng)溫度低于60 ℃時，采用表面式風(fēng)冷方式，保證混合氣出口溫度降至設(shè)計參數(shù)。這樣全年使用水冷時間較少，其它時間段均是采用風(fēng)冷，最大限度縮短水冷時間，減少補(bǔ)水消耗，水冷時補(bǔ)水可采用清水或凈化污水。

④可改善分離器的工況，減少射流泵的功耗。

⑤將來集中處理時大型化擴(kuò)展比較容易。

3 試驗(yàn)研究的比較與選擇

A系統(tǒng)（熱管空冷器與射流泵一體化裝置）和B系統(tǒng)（分離式熱管換熱器與復(fù)合冷卻塔系統(tǒng)）比較如下：

①A換熱溫差大于B，所需換熱面積大大減少，可以節(jié)省設(shè)備投資。

②A在汽（氣）液分離器后直接對閃蒸混合氣進(jìn)行冷凝，利用閃蒸同樣可以達(dá)到使采出液降溫的目的，與B相比，節(jié)約了一臺換熱器，即分離式熱管換熱器，不但減少了投資，還簡化了系統(tǒng)，使得研究容易實(shí)現(xiàn)。

③A將空冷和射流合二為一，成為一個橇座，同樣大大簡化了系統(tǒng)，減少了現(xiàn)場操作和維護(hù)工作量，減少了投資。

④A采用在熱管空冷器中冷凝下來的閃蒸氣的冷凝水作為噴淋水，避免了額外的補(bǔ)水，而B只能采用清水或凈化污水作為噴淋水，一旦接轉(zhuǎn)站無鍋爐，沒有水源，則補(bǔ)水成本將大幅度增加。因此A更適用于水資源匱乏的地區(qū)，使用成本更低。

⑤B采出液經(jīng)過分離式熱管換熱器的換熱管內(nèi)與冷卻水進(jìn)行換熱，阻力大。加之溫度降低，采出液動力粘度上升極快，導(dǎo)致采出液阻力快速增加，有可能會使井口憋壓，影響產(chǎn)量。

而研究一采出液直接進(jìn)入汽（氣）液分離器，與開式輸送的采出液進(jìn)入接轉(zhuǎn)站原緩沖罐相比，采出液阻力一樣，并不額外增加阻力，對原輸送系統(tǒng)無任何不利影響，保證了系統(tǒng)的平穩(wěn)和安全運(yùn)行，保證了產(chǎn)量。

綜上所述，本項(xiàng)目選擇A，即熱管空冷器與射流泵一體化裝置作為目前現(xiàn)場采用的普通干式空冷器的替代解決方案。

4 結(jié)論

稠油密閉閃蒸汽與伴生氣冷卻技術(shù)采用熱管空冷器與射流泵一體化研究方案，解決了普通干式空冷器的缺點(diǎn)，達(dá)到了本項(xiàng)目要求的技術(shù)指標(biāo)，無外部水資源消耗，工藝簡單，成本低，減少了原油輸送產(chǎn)生的伴生氣污染和熱污染，完全可以代替目前采用的普通干式空冷器，作為密閉集輸系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)工藝，極具推廣和應(yīng)用價值。

［1］ 王華，張偉, 武建飛，馬樹杰，陳杰. 油田注氣鍋爐煙氣冷凝節(jié)能技術(shù)[J]. 當(dāng)代化工，2014, 43（11）：2316-2318.

［2］ 田灃. 射流冷卻技術(shù)研究[J]. 航空計算技術(shù)，2006，36 (3)：4-7．

［3］ 劉東明. 風(fēng)城油田超稠油SAGD采出液高溫密閉脫水技術(shù)[J]. 東北石油大學(xué)學(xué)報，2014，38 (3)：87-93．

［4］ 顧國彪，阮琳. 蒸發(fā)冷卻技術(shù)在水輪發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2014，34 (29)：5112-5119.

［5］ 黃翔，劉鳴. 我國新疆地區(qū)蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)況分析[J]. 制冷與空調(diào)，2001，1 (6)：33-38.

Cooling Technology for Enclosed Flash Steam and Associated Gas of Heavy Oil

1,2,1,1

（1. Karamay Keli Energy Conservation and Environmental Protection Technology Co.,Ltd., Xinjiang Karamay 834000, China； 2. Xinjiang Petroleum Engineering Co.,Ltd., Xinjiang Karamay 834000, China）

Xinjiang oilfield company has built more than 100 crude oil transfer stations for conventional heavy oil development, the gathering and transferring process flow is open type, every station has 2×100 m3 atmospheric pressure buffer tank of crude oil. Because received liquid is the liquid produced by steam stimulation method, its temperature and pressure are higher, so the buffer tank directly discharges a lot of water vapor and associated gas into the atmosphere every day, and associated gas contains hydrogen sulfide and non-methane total hydrocarbons. In this way, white smoke over the tank can be seen everywhere, causing environmental pollution and energy waste. Aiming at above problems, comparative test and research were carried out, it's pointed out that the heat pipe air cooler and jet pump device can be used together to solve the technical problem.

Open; Water vapor; Associated gas; Heat pipe air cooler; Jet pump

TE 355

A

1671-0460（2017）08-1684-03

國家科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目，項(xiàng)目號：14C26216503728。

2016-12-15

王華（1988-），女，遼寧東港人，助理工程師，2011年畢業(yè)于大連工業(yè)大學(xué)自動化專業(yè)，研究方向：從事油田地面建設(shè)節(jié)能技術(shù)研究。E-mail：651305745@qq.com。