站外集油系統(tǒng)能耗測(cè)試與影響因素分析

李海，白曉航，李旭海，金海洋，蔡亮，胡炎興

(1. 中油國際管道公司 中緬油氣管道項(xiàng)目，北京 100029；2. 中國石油天然氣股份有限公司管道沈陽輸油氣分公司，遼寧 沈陽 113001；3. 中國石油西南管道公司，四川 成都 610000；4. 中國石油西南管道天水輸油氣分公司，甘肅 天水 741002；5. 中航油京津冀物流有限公司，天津 300300；6. 中國石油青海油田分公司 管道輸油處，青海 格爾木 816000)

隨著油田的深入開發(fā)，目前大部分陸上油田已進(jìn)入高含水期，很多區(qū)塊的綜合含水率已經(jīng)達(dá)到80%以上，原油的含水率越高，集輸原油加熱能耗越大。此外，油田的集輸工藝復(fù)雜多樣，往往采用單管摻水、環(huán)狀摻水和三管伴熱等多種集油工藝，其中三管伴熱集油工藝流程應(yīng)用廣泛，但工藝?yán)匣瑫?huì)造成較多的熱能浪費(fèi)。因此，通過對(duì)某油田三管伴熱集油流程開展系統(tǒng)、連續(xù)的能耗測(cè)試，全面統(tǒng)計(jì)和分析高能耗的原因，具有指導(dǎo)生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整，優(yōu)化工藝流程，降低集油工藝能耗，減少運(yùn)行成本的意義。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

在某區(qū)塊選取5口油井進(jìn)行集油能耗測(cè)試與分析，該5口井的伴熱方式均為三管伴熱集油工藝流程。集油管線和伴熱管線的規(guī)格、長(zhǎng)度見表1所列。

表1 實(shí)驗(yàn)油井的基礎(chǔ)參數(shù)

能耗測(cè)試前，需要測(cè)量油品的密度、黏度、比熱容等物性參數(shù)。測(cè)量了不同溫度下實(shí)驗(yàn)油品以及蒸餾水的密度；測(cè)量了不同溫度下實(shí)驗(yàn)油品的動(dòng)力黏度μ，繪制了油相黏溫曲線，其中10-3井的黏溫曲線如圖1所示。

圖1 10-3井黏溫曲線示意

2 模型建立

能耗分析常用的方法主要有能量平衡分析法和?冮分析法，這兩種方法都是建立在熱力學(xué)定律的基礎(chǔ)上，可以用來分析系統(tǒng)的用能效率和用能環(huán)節(jié)的不合理，根據(jù)實(shí)際工況，主要分析用能數(shù)量，對(duì)用能品質(zhì)不予考慮，同時(shí)分析系統(tǒng)的外部損失，因此選用能量平衡的方法建立集油管線能耗計(jì)算的模型。在集油能耗計(jì)算中，將油井集油管線視為一個(gè)能量平衡系統(tǒng)，其主要能量包括兩部分： 熱能和動(dòng)能。

能量平衡關(guān)系式如式(1)，式(2)所示：

Qrs=Qrj-Qrc

(1)

Qds=Qdj-Qdc

(2)

式中：Qrs——集油管線熱能能耗，kJ；Qrj——集油管線進(jìn)口介質(zhì)所含熱能，kJ；Qrc——集油管線出口介質(zhì)所含熱能，kJ；Qds——集油管線電力能耗，kJ；Qdj——集油管線進(jìn)口介質(zhì)所含壓能，kJ；Qdc——集油管線出口介質(zhì)所含壓能，kJ。

因此整個(gè)集油管線系統(tǒng)的能耗損失如式(3)所示：

Qs=Qrs+Qds

(3)

集油管線進(jìn)出口介質(zhì)所含的熱能、壓能計(jì)算如式(4)～式(7)所示：

Qrj=qmjcjθjt

(4)

Qrc=qmcccθct

(5)

Qdj=pjqVjt

(6)

Qdc=pcqVct

(7)

式中：qm——集油管線內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；c——集油管線內(nèi)介質(zhì)的比熱容，kJ/(kg·℃)；θ——集油管線內(nèi)介質(zhì)的溫度，℃；t——測(cè)試時(shí)間，s；p——集油管線內(nèi)介質(zhì)起點(diǎn)或終點(diǎn)壓力，kPa；qV——集油管線內(nèi)輸送介質(zhì)體積流量，m3/s；下標(biāo)j——進(jìn)口處；下標(biāo)c——出口處。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 能耗計(jì)算與分析

在集油過程中為了更直觀地看出單位長(zhǎng)度或輸送單位采出液所消耗的能量，可以計(jì)算集油單位產(chǎn)量能耗和單位長(zhǎng)度能耗，其計(jì)算公式如式(8)和式(9)所示。

(8)

(9)

式中：Qc—輸送單位采出液所產(chǎn)生的能耗，kJ/kg；QL—輸送單位管長(zhǎng)所產(chǎn)生的能耗，kJ/m。

分別從2018年9月11日至2018年9月25日，采集5口油井生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和計(jì)算，這些數(shù)據(jù)均來自現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)參數(shù)記錄與實(shí)際測(cè)量。除了利用計(jì)量間內(nèi)已有的儀表設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)量外，還測(cè)量了測(cè)試油井的井口壓力、溫度。井口壓力利用現(xiàn)有的壓力表讀取記錄數(shù)據(jù)，井口溫度采用熱電偶測(cè)溫儀和紅外測(cè)溫儀相結(jié)合的方式測(cè)量記錄。利用已采集的數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中工作人員的記錄，并結(jié)合各油井的物性參數(shù)以及能耗計(jì)算公式，進(jìn)行相關(guān)能耗測(cè)試結(jié)果的計(jì)算，由于這5口油井均在同一區(qū)塊，油品物性類似，測(cè)試結(jié)果基本相同，在此僅羅列10-3井測(cè)試結(jié)果，見表2所列。

表2 10-3井集油能耗測(cè)試結(jié)果

產(chǎn)液量越大的油井所產(chǎn)生的集油能耗越高，單位管長(zhǎng)能耗越高，而含水率越高管長(zhǎng)越長(zhǎng)，單位產(chǎn)量集油能耗越高。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在總集油能耗中熱力能耗占主導(dǎo)地位，電力能耗較低，熱力能耗約占總能耗的97%～99%，而電力能耗僅占1%～3%。因此要想降低集油能耗，降低熱力能耗是關(guān)鍵，電力能耗是次要因素。由于集油進(jìn)站溫度很大程度上影響著集油系統(tǒng)的總能耗及熱力能耗，因此在此繪制了10-3油井兩者之間的散點(diǎn)關(guān)系，如圖2所示。

圖2 10-3油井能耗隨溫度變化關(guān)系示意

由圖2可知，隨著進(jìn)站溫度的升高，油井熱力能耗逐漸增大，其集油總能耗也逐漸增大，且二者的變化情況大致相同，這也證明熱力能耗是影響總集油能耗變化的主導(dǎo)因素。對(duì)于同一口油井，集油熱力能耗與總集油能耗隨集油進(jìn)站溫度變化的趨勢(shì)相同，當(dāng)集油進(jìn)站溫度增加時(shí)，集油熱力能耗與總集油能耗都會(huì)隨之增大，這是由于較高的進(jìn)站溫度對(duì)應(yīng)著較多的三管伴熱水，三管伴熱所用的熱水越多，加熱伴熱水所消耗的能量就越多，集油能耗增加。為了進(jìn)一步分析集油進(jìn)站溫度對(duì)單位能耗的影響，分別繪制了10-3油井單位產(chǎn)量能耗-集油進(jìn)站溫度關(guān)系圖和單位管長(zhǎng)能耗-集油進(jìn)站溫度的散點(diǎn)關(guān)系圖，如圖3～圖4所示。

圖3 10-3井Qc隨溫度變化關(guān)系

圖4 10-3油井QL隨溫度變化關(guān)系

由圖3～圖4可知，隨著集油進(jìn)站溫度的增大，油井的單位產(chǎn)量能耗和單位管長(zhǎng)能耗均在不斷增大，因此降低集油進(jìn)站溫度是減少單位產(chǎn)量能耗和單位管長(zhǎng)能耗的有效措施，這與圖2中總能耗關(guān)系曲線得到的規(guī)律與結(jié)論相同。

綜合以上測(cè)試結(jié)果可以分析得到，降低進(jìn)站溫度是降低集油能耗的關(guān)鍵措施，也是優(yōu)化集油流程措施所應(yīng)考慮的問題。研究表明，對(duì)于高含水期的油井，由于原油含水率較高，油水兩相流管道內(nèi)的流動(dòng)條件會(huì)大幅改善，高含水原油在低于凝點(diǎn)的溫度仍能正常流動(dòng)，因此結(jié)合能耗測(cè)試的結(jié)果，對(duì)該區(qū)塊油井可以采用常溫集輸?shù)姆绞剑瑴p少或降低伴熱水的量達(dá)到降低集油進(jìn)站溫度的目的，從而實(shí)現(xiàn)集油能耗的降低。

3.2 管效計(jì)算與分析

管效指的是介質(zhì)在集油、外輸、摻液、熱水伴隨、采暖、二段脫水、原油穩(wěn)定等各管道末端具有能量與介質(zhì)在這些管道首端具有的能量的比值，用于判斷熱油管道儲(chǔ)能能力的高低，反映能量損失的情況，對(duì)集油流程的優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)作用，其計(jì)算公式如式(10)所示：

(10)

式中：η—集油管線管道管效，%。

根據(jù)式(10)計(jì)算集油管線管效，計(jì)算結(jié)果見表3所列。

表3 集油管線平均管效

由表3可知，該區(qū)塊的測(cè)試油井管效均在85%以上，管效較高，這說明其管道的保溫效果較好，管道熱損失少，熱能儲(chǔ)存能力高；而對(duì)于生產(chǎn)狀況不同的油井，流量大含水率高的油井管效較低，而流量較小含水率較低的油井管效偏高，這是由于隨著含水率的增大，油水兩相中水含量較大，而水的比熱是油的2倍左右，因此相同體積的混合液含水較多的熱量損失多且快，而流量增大使管段內(nèi)介質(zhì)與周圍環(huán)境的換熱作用增強(qiáng)，導(dǎo)致熱損失增多，這也從另一個(gè)角度解釋了油田進(jìn)入高含水期后能耗增加的原因。因此在油井優(yōu)化集油流程時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮高含水高產(chǎn)液的油井，該情況的油井能耗高，管效低，優(yōu)化空間更大。

實(shí)際生產(chǎn)過程中，集油進(jìn)站溫度是相對(duì)容易調(diào)節(jié)的參數(shù)，通過調(diào)節(jié)進(jìn)站溫度來實(shí)現(xiàn)集油能耗的降低是簡(jiǎn)單且可行的。為了研究集油過程中集油進(jìn)站溫度對(duì)管效的影響，結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果繪制了10-3油井管效-集油進(jìn)站溫度關(guān)系圖，如圖5所示。

圖5 10-3油井η隨溫度變化關(guān)系

由圖5可知，隨著進(jìn)站溫度的增大，η會(huì)逐漸降低，能耗損失增大，這與前面總集油能耗隨集油進(jìn)站溫度的變化情況相同，同時(shí)這也說明通過降低集油的進(jìn)站溫度不僅可以降低總集油能耗，而且可以提高集油管線的管效，減少能耗的損失，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3.3 節(jié)能占比計(jì)算

可以實(shí)現(xiàn)常溫集輸或降溫集輸?shù)挠途酁橐毫看蠛矢叩挠途擃愑途畬儆诟吣芎挠途?，因此結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)分別對(duì)該區(qū)塊可能實(shí)行常溫集輸或低溫集輸?shù)挠途M(jìn)行了節(jié)能估算，實(shí)行優(yōu)化方案前后的節(jié)能占比估算結(jié)果見表4所列。

表4 常溫集輸或低溫集輸前后節(jié)能占比

采用常溫集輸或低溫集輸后節(jié)能占比最低為61.58%，最高可達(dá)76.78%，優(yōu)化后節(jié)能效果顯著。

4 結(jié)束語

結(jié)合集油能耗測(cè)試結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的特點(diǎn)，給出以下集油流程優(yōu)化建議：

1)由于高含水油井的含水率過高，導(dǎo)致熱能損失會(huì)比較低含水率的油井多，因此對(duì)于高含水油井要加強(qiáng)保溫，采用保溫效果較好的聚乙烯保溫層，對(duì)埋深較淺的管道進(jìn)行填埋浮土處理。

2)由測(cè)試結(jié)果可知，降低集油進(jìn)站溫度是節(jié)能降耗的有效方式，因此可以對(duì)不同油田區(qū)塊的油井進(jìn)行常溫集輸或低溫集輸?shù)倪m應(yīng)性研究，對(duì)于高含水率高產(chǎn)液的油井采用停止伴熱的常溫集輸或減少伴熱水的低溫集輸可有效降低集油能耗，減少流程改造造成的不便。

3)對(duì)于低產(chǎn)液低含水的油井實(shí)現(xiàn)常溫集輸或低溫集輸?shù)睦щy較大，可將原來的三管伴熱集油工藝改為摻水工藝，相對(duì)于三管伴熱集油工藝來說，摻水集油工藝所需的熱水要少很多，摻水集油所產(chǎn)生的能耗也較小。