單管加熱原油集輸流程單井輸送管線能耗評價標準

楊光輝

(中國石油大學(xué)勝利學(xué)院 油氣工程學(xué)院,山東 東營 257061)

中國大部分油田均已進入高含水開發(fā)期,油井產(chǎn)液量逐漸增加,油田各生產(chǎn)系統(tǒng)的負荷率普遍下降,運行能耗升高[1]。據(jù)統(tǒng)計,油氣集輸系統(tǒng)能耗一般占原油生產(chǎn)總能耗的30%～40%,因此油氣集輸系統(tǒng)節(jié)能降耗工作成為油田開發(fā)生產(chǎn)中的核心關(guān)鍵問題[2]。魏立新等[3]以熱力和動力能耗為目標值對不加熱埋地集油管網(wǎng)參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計;張娜娜[4]以燃油單耗2.5 kg/t等作為評價指標對勝利油田某聯(lián)合站的能耗水平進行了分析評價;王琳[5]確立了中原油田集輸系統(tǒng)的能耗評價標準,指出中原油田噸油耗氣的達標指標標準值為17 m3/t。另外國際上有許多石油管道能量分析軟件,如熟悉的TGNET、TLNET、 SPS、 LIQNET等,但專門針對于油田集輸系統(tǒng)開發(fā)的軟件卻少之又少。盧禹赫[6]指出對油氣集輸系統(tǒng)的用能分析要從縱向和橫向兩個層面進行,而從目前的研究情況看,研究主要集中在縱向上,對橫向上的分析研究非常少,能耗指標評價標準研究需要進一步深入和細化。站外集輸管網(wǎng)能耗受很多因素的影響,比如開發(fā)方式、采油方式、油品性質(zhì)、周圍環(huán)境等,這些因素對不同油田來說是不同的,決定了各油田能耗水平也是不同的,橫向上研究起來非常復(fù)雜,因此理清楚各個因素對能耗值的影響程度,確立出可比的橫向上能耗評價標準,不斷規(guī)范油田項目節(jié)能評估工作,向?qū)徟块T提供決策理論支撐,推動項目前期工作順利開展[7]。

1 集輸工藝流程分類

油氣集輸系統(tǒng)是一個非常龐大、復(fù)雜的系統(tǒng),包括兩個體系,一是站外管網(wǎng)部分;二是站場部分。對油氣集輸系統(tǒng)的能耗問題的研究目前有整體系統(tǒng)的研究,也有單獨對其中一個系統(tǒng)的研究。

目前已建產(chǎn)能地面集油流程主要有以下3種:

(1) 單管加熱流程。指集輸流程在井口和(或)計量站設(shè)加熱爐,通過提高集輸起點的溫度滿足末端對原油溫度的要求(一般為高于原油凝點3～5 ℃)。

(2) 雙管摻水流程。指集輸流程通過摻水管線將熱污水摻到井口,再與原油一起通過集油管線輸?shù)铰?lián)合站或接轉(zhuǎn)站。

(3) 單管不加熱流程。原油不經(jīng)加熱和摻水,直接由井口經(jīng)計量站輸至接轉(zhuǎn)站或聯(lián)合站。

集輸管網(wǎng)包括兩部分,一部分是從井口至計量站段,另一部分是指從計量站至聯(lián)合站段。

油氣集輸能耗包括壓能和熱能消耗,其中一部分壓能和熱能是井口油氣混合物經(jīng)抽油機提供的,另一部分能量需要集輸過程中由外部的泵和加熱爐等設(shè)備提供,本研究的能耗僅指集輸過程中外部設(shè)備的能耗,不包括井流由抽油機所提供能量的消耗。本研究僅包括單井加熱集輸流程中的從井口至計量站段的單井管線部分。

2 基礎(chǔ)分析

原油從單井集輸?shù)铰?lián)合站或接轉(zhuǎn)站過程中,能耗的主要影響因素有:

(1)井口產(chǎn)液量。在其他條件一定的情況下,井口產(chǎn)液量越大,其到達目的站場所需的熱能和壓能越大,能耗越高。

(2)井口產(chǎn)液含水量。在其他條件一定的情況下,井口產(chǎn)液含水影響有兩方面:一方面含水越高,溫降越小;另一方面,含水越高,需要消耗的能量越高。

(3)井口產(chǎn)液溫度。在其他條件一定的情況下,井口產(chǎn)液溫度越高,需要外部提供的熱能越少,外部能耗越低。

(4)原油黏度。在其他條件一定的情況下,原油黏度越高,其到達目的站場所需的壓能越大,能耗越高。

(5)原油的凝點。在其他條件一定的情況下,原油的凝點越高,在集輸起點處需要的原油溫度越高,沿程散熱損失越大,熱能消耗越高。

(6)集輸半徑。在其他條件一定的情況下,集輸半徑越大,沿程損失的壓能和熱能越多,為使其滿足進聯(lián)合站的溫度和壓力要求,需要外部提供的熱能和壓能也越多。

(7)管線所在的環(huán)境溫度。環(huán)境溫度越高,沿程熱力損失越小,熱能消耗越小;另一方面,環(huán)境溫度越高,在其他條件一定的情況下,混合液的沿程平均黏度越小,因而消耗的壓能也越小。

(8)集輸工藝。相同條件下,采用不同的集輸工藝流程,如單管加熱或雙管摻水,集輸能耗不同,適用的集輸工藝有利于降低集輸過程中的能耗。

(9)管線管徑。在其他條件一定的情況下,一定范圍內(nèi)管徑越大,油水混合物集輸?shù)难爻虊毫p失越小,熱力損失越大。

(10)管線采取的保溫措施。良好的保溫措施能降低沿程熱力損失,減少熱能消耗,且使原油黏度降低,從而也減少壓能損失。

(11)所選設(shè)備。所選設(shè)備的效率也會影響到能耗的水平。

以上能耗影響因素中:①井口產(chǎn)液量、②井口產(chǎn)液含水量、③井口產(chǎn)液溫度、④原油黏度、⑤原油凝點是由開發(fā)方案確定的,以及⑥集輸半徑、⑦管線所在的環(huán)境溫度等都是地面工程設(shè)計的依據(jù),在這幾種因素一定的情況下,通過采用合理的⑧集輸工藝、⑨管線管徑、⑩管線采取的保溫措施、所選設(shè)備等可以降低能耗,

后4種因素受到前7種因素的限制,而①～⑤種因素是由開發(fā)方案確定的,可以作為基礎(chǔ)因素進行分析,管線所在的環(huán)境溫度這一影響因素基本變化不大,因此集輸半徑是影響集輸能耗的一項主要因素,在評價指標值的建立過程中以噸液每公里能耗作為主要評價指標,即1 km管線輸送1 t液體用了多少能量,這符合單井輸送管線的物理意義。

3 敏感性分析

分析調(diào)研了90個產(chǎn)能建設(shè)方案,確定能耗評價標準時井口溫度按28 ℃計算,管線所在的環(huán)境按中等濕度計算。

研究單井日產(chǎn)液、單井產(chǎn)液綜合含水、集輸半徑、原油凝點、原油黏度與噸液每公里能耗的敏感性,見圖1～5。單井產(chǎn)液量在15～30 t/d時,產(chǎn)液量的變化會引起能耗較大變化,當單井產(chǎn)液量大于30 t/d時,這種影響變緩;集輸半徑在600 m之前時,其變化對評價指標的影響較大,而當集輸半徑超過600 m之后時,其變化對評價指標的影響較小;能耗隨原油凝點基本呈線性關(guān)系變化;而能耗隨單井產(chǎn)液綜合含水率、原油黏度變化非常小。

圖1 評價指標隨單井日產(chǎn)液變化

圖2 評價指標隨集輸半徑的變化

圖3 評價指標隨原油凝點變化

圖4 評價指標隨單井產(chǎn)液綜合含水率變化

圖5 評價指標隨原油黏度變化

根據(jù)圖1～5,單井日產(chǎn)液、集輸半徑、原油凝點對評價指標是比較敏感的,稱之為敏感因素,以敏感因素的不同范圍來建立評價標準。

4 敏感因素范圍確定

4.1 單井日產(chǎn)液

分析部分產(chǎn)能建設(shè)方案,做出產(chǎn)能建設(shè)方案單井日產(chǎn)液的散點分布(圖6)。從圖6可以看出,加熱集輸工藝中單井產(chǎn)液分布在9～35 t/d之間,主要數(shù)據(jù)集中在10～30 t/d,結(jié)合圖1,從中選取15、20、30 t/d作為典型數(shù)據(jù)進行計算。

圖6 單井日產(chǎn)液散點分布圖

4.2 集輸半徑

在《油田地面工程建設(shè)規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》中建議計量站回壓在0.6～0.8 MPa,井口回壓不大于1.5 MPa,單井管線長度不宜大于1 km,所以本次研究集輸半徑不超過1 km。

4.3 原油凝點

計算集輸最不利工況下采用單管加熱流程的最小集輸流量, 凝點范圍確定為20～32 ℃,選取20、24、28、32 ℃為典型數(shù)據(jù)進行計算。

5 計算參數(shù)

根據(jù)產(chǎn)能建設(shè)報告,統(tǒng)計需要的計算參數(shù)結(jié)果如下:

(1)滿足井口回壓小于1.0 MPa;

(2)原油進站溫度不低于凝點以上5 ℃;

(3)管線所在環(huán)境中等濕度;

(4)井口產(chǎn)液溫度25 ℃。

6 集輸能耗評價標準

根據(jù)前面部分的分析,結(jié)合影響因素的敏感性及變化規(guī)律,從單井日產(chǎn)液、集輸半徑、原油凝點方面對單井集輸管網(wǎng)進行分類,選取其中典型數(shù)據(jù)分別計算不同情況下評價指標值,得到不同凝點下單井輸送管線的評價標準(圖7～10)。

圖7 原油凝點20 ℃集輸半徑與噸液每公里能耗的關(guān)系

圖8 原油凝點24 ℃集輸半徑與噸液每公里能耗的關(guān)系

圖9 原油凝點28 ℃集輸半徑與噸液每公里能耗的關(guān)系

圖10 原油凝點32 ℃集輸半徑與噸液每公里能耗的關(guān)系

從圖7～10可以看出,單井產(chǎn)液10～15 t/d之間的能耗值的范圍比較大,驗證了圖1的結(jié)論,單井產(chǎn)液量比較小時,產(chǎn)液量的變化會引起能耗較大變化。

在實際使用過程中,可以根據(jù)單井產(chǎn)液、原油凝點和集輸半徑的數(shù)值,在兩條數(shù)值比較接近的曲線之間近似進行線性插值計算,實例計算使用結(jié)果見表1。

表1 區(qū)塊1和區(qū)塊2對比結(jié)果

7 結(jié)果分析

表1顯示雖然區(qū)塊1的實際噸液每公里能耗高于區(qū)塊2,但與標準值的差距要小,能耗水平要優(yōu)于區(qū)塊2,另外可以看出兩個區(qū)塊在能耗水平上都有提高空間。 通過實例分析得出,不能依據(jù)以前的方法單純根據(jù)數(shù)據(jù)的大小判斷不同區(qū)塊或者油田的能耗情況。

研究結(jié)果可以用于不同油田或者不同區(qū)塊的單井集輸管網(wǎng)的橫向?qū)Ρ?也可以對同一油田或者同一區(qū)塊進行縱向上的對比,找出目前的能耗水平與標準值之間的差距。通過對比分析及時采取措施,實現(xiàn)油田的可持續(xù)性發(fā)展,為油田節(jié)能降耗工作的研究提供思路。