偏遠低滲透油田集輸工藝適應性研究

任健

大慶油田第四采油廠

某油田位于偏遠地區(qū)，地表較為平緩，地面高程海拔587～702 m。區(qū)塊內大面積為草原，可依托性非常差，屬中溫帶干旱氣候，晝夜溫差大；交通較便利，但路況條件差，環(huán)保要求嚴格；冬季漫長，暴風雪多，最低氣溫達-45 ℃，無霜期僅有103 天，可施工期短[1]。

針對該油田滲透率低以及地處偏遠、零散、高寒的環(huán)境特點，地面建設根據(jù)已有的成熟工藝，結合油田滾動發(fā)展的形勢，堅持“一次規(guī)劃、分期實施”的原則，規(guī)避投資風險；不斷優(yōu)化方案、簡化工藝，引進、改造和創(chuàng)新技術，形成了適應油田發(fā)展的地面技術：站外集油系統(tǒng)主要工藝流程為環(huán)狀摻水集油流程；分布集中油井采用單管環(huán)狀摻水集油流程；零散井采用單井拉油工藝[2]。

自2020 年起，該地區(qū)受多種因素影響，耗能情況較為突出，精細化設計站外集油流程成為節(jié)能降耗的關鍵。以該油田的某產油區(qū)塊為切入點，探索該區(qū)塊的拉油、摻水、單管電加熱集油工藝的適應性，為全面推進節(jié)能降耗奠定堅實的基礎。

1 集油工藝

目前地處偏遠的油田常采用的集油工藝為拉油、環(huán)狀摻水及單管電加熱集油工藝[3]。

1.1 拉油工藝

新建油井采用集中或相對集中拉油工藝，即多井采出氣液混合物經(jīng)閥組后進高架罐或零位罐，靠自流或泵輸裝車后拉運至卸油點。對于距離已建油氣集輸系統(tǒng)較遠、規(guī)模較小的分散斷塊可采用拉油流程。其中單井拉油流程適用于遠離已開發(fā)油田的低產零散井；集中拉油流程適用于孤立、低產斷塊，雖不能形成一定的規(guī)模集油能力，但油井相對集中的油田。工藝流程如圖1 所示。

1.2 環(huán)狀摻水集油工藝

該工藝在20 世紀80 年代中后期外圍低產油田開發(fā)的形勢下，在雙管摻水集油工藝基礎上優(yōu)化簡化而成，多井串聯(lián)成一個集油環(huán)，較單井雙管摻水集油工藝降低集油管網(wǎng)建設投資30%以上，節(jié)約能耗20%左右[4]。

環(huán)狀摻水集油工藝以集油閥組間為中心，采用一條集油摻水管道串多個油井（通常不超過6 口油井）的形式形成集油環(huán)。在轉油站將分離出的含油污水進行升溫，用摻水泵升壓將帶有一定熱量的含油污水輸送至閥組間，再將其分配至各個集油環(huán)，每個環(huán)將熱水與油的產液混合后輸送回閥組間，繼而靠自身壓力輸回轉油站。該種工藝在應用過程中，對集油環(huán)轄井數(shù)、集油半徑、回油溫度、單井摻水量進行了逐步優(yōu)化，形成了“單管環(huán)狀減量摻水集油工藝”（圖2），在滿足外圍油田開發(fā)的條件下，建設投資及運行費用均處于較低水平。

圖2 環(huán)狀摻水集油工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of annular water mixing and oil collection process

1.3 單管電加熱集油工藝

管道集膚效應電伴熱（加熱）技術是最近幾年來出現(xiàn)的一種新的金屬管道加熱方法，是大型石油化工等企業(yè)熱輸管道加熱保溫的新技術、新工藝，國外簡稱SECT 法[5]。此種加熱技術具有效率高，適應所有長、中、短距離金屬輸液管道的伴熱和加熱，而且具有安全可靠、使用壽命長、安裝維修方便等優(yōu)點，因此廣泛用于各種不同性質的液態(tài)物質的管道伴熱。該技術因其研究涉及的工程規(guī)模較大，雖在我國20 世紀80 年代開始應用，但推廣應用速度較慢[6]。

SECT 的原理基于交流電的集膚效應和鄰近效應，由于鋼管具有極強的磁性，即使在工頻電壓下也會產生顯著的集膚效應[7]。所謂集膚效應，就是當交流電通過鋼導體的電流逐漸趨膚在導體表面的一種現(xiàn)象。而鄰近效應是雙線傳輸線的兩導體中，交流電流相互向相鄰導體接近的現(xiàn)象。當加熱管中的電纜與熱管間通過交流電流時，兩者之間產生臨近效應，同時，加熱管上電流逐漸趨膚在加熱管內壁，內壁產生的焦耳熱來滿足伴熱的需要[8]。集膚效應電伴熱系統(tǒng)產生焦耳熱主要來自于3 部分：①加熱管上通電流時，加熱管上發(fā)出的熱，此熱量是集膚電伴熱系統(tǒng)的主要熱量來源；②加熱管內部電纜產生的熱；③加熱管內磁滯損耗產生部分熱。

在集膚效應裝置中，絕緣導線穿過具有強磁性的鋼管并與鋼管尾端相連接，鋼管的首端與絕緣導線分別接電源的零線和相線，施以共頻或中頻交流電壓，電流通過導線和鋼管形成回路產生焦耳熱，這種管線稱為SECT 管。由于鋼管的尺寸、材質、交流電頻之間存在一定的關系，交流電并非均勻地流經(jīng)鋼管截面，而是集中流過自其內表面起的某一深度內，電流密度按指數(shù)規(guī)律減少，在鋼管外表面電壓電流幾乎為零。因此可以將SECT 管直接焊接在輸送管上，使之成為高效熱源。SECT 管產生的熱量通過焊縫及導熱膠泥迅速傳給輸送管，起到伴熱作用。

為了適應低產能區(qū)塊油田的發(fā)展，自1993 年起，部分油田采用該加熱工藝進行集輸，減小了集輸規(guī)模、減少了集輸設備、簡化了站內工藝。與單管環(huán)狀摻水集油工藝相比，可節(jié)省管道50%，節(jié)省投資30%，節(jié)省能耗40%[9]。但運行費用較高，平均為環(huán)狀摻水集油工藝的1.6 倍，而且存在設備故障率高、故障點確定困難、主線損壞影響面較大的問題。選擇此工藝時需結合周圍環(huán)境，并且計算產能周期內的經(jīng)濟效益進行綜合對比。

單管電加熱集油工藝流程：在油井的井口設置井口電加熱器，將產液進行升溫，通過電加熱保溫管進行保溫輸送，即點升溫、線保溫的方式[10]（圖3）。

圖3 單管電加熱集油工藝示意圖Fig.3 Schematic diagram of single-tube electric heating oil collection process

2 集油工藝方案制定

該油田研究區(qū)塊共新建水平油井4 口，均采用抽油機的舉升方式。采用CYJY10-4.2-53HB 型抽油機，配套功率為18.5/28 kW 的YCHD250-8/6 型電機、CK4-S-63 控制箱。凝固點為36℃，氣油比為30.19 m3/t，單井產液量為29.4～49.2 t/d。距離最近的集油閥組間3 km，距離最近的卸油點12 km。以下對該區(qū)塊油井進行地面不同集輸工藝的對比。

集輸工藝選擇的原則：①嚴格貫徹執(zhí)行有關的國家法律、法規(guī)及有關的國家與石油行業(yè)的標準、規(guī)范；②積極采用成熟的新工藝、新技術，簡化地面工藝，實現(xiàn)降低工程投資及生產能耗的目的，提高油田開發(fā)建設的綜合經(jīng)濟效益；③以經(jīng)濟效益為中心，充分挖潛利用已建站的剩余能力，合理控制新增規(guī)模及工程量；④為減少地面工程建設投資，相鄰區(qū)塊集輸處理能力在系統(tǒng)布局上進行統(tǒng)一考慮；⑤為保護環(huán)境、減少污染，油、氣、水集輸及處理應滿足環(huán)境保護標準，做到不排放污油、廢氣、污水。

方案一：采用單井拉油的方式進行集油。采用單井拉油集油工藝拉運至塔二聯(lián)卸油點，拉運距離為12 km，塔二聯(lián)已建卸油點規(guī)模為350 t/d，目前卸油量約為150 t/d，本次產能最高卸油量為150 t/d，卸油量合計約為300 t/d，已建卸油點能力滿足需求。每口井設50 m3儲罐2 座，共8 座，全部利舊（需新建儲油罐基礎并進行大修，大修內容包括清淤、更換罐內電熱棒、重做儲罐外防腐保溫等）。存儲時間在2～3 天，滿足GB 50350—2015《油田油氣集輸設計規(guī)范》4.2.2 中連續(xù)生產油井的拉油采油井井場應設儲油罐存儲時間2～7 天的要求。單井罐的配置情況見表1。

表1 單井罐配置統(tǒng)計Tab.1 Statistics of single well tank configuration

主要工程內容為敷設DN65 單井集油管道0.28 km，新建30 W/m 的電伴熱帶0.84 km，新建容量為125 kVA 的10 kV 柱上變電站4 座，8 座50 m3儲罐利舊，工程費用為220.99 萬元。主要運行能耗包括年耗電量59.2×104kWh 和每臺拉運車油耗200 $/d，合計運行費用共75.8 萬元/a。

方案二：采用環(huán)狀摻水的方式進行集油。4 口水平井距離3#集油閥組間約3 km，單獨成環(huán)進入3#集油閥組間（圖4）。環(huán)狀摻水流程采用不同的管徑，對應著不同的單井摻水量及最大井口回壓和進間溫度。更改管徑后水力、熱力的計算結果見表2。

表2 3#集油間更改管徑后計算對比Tab.2 Comparison of calculations after changing the pipe diameter in the 3# oil gathering room

圖4 環(huán)狀摻水集油工藝方案Fig.4 Annular water mixing and oil collection process scheme

4 口水平井獨立成環(huán)需新建集油摻水管道7 310 m。通過計算對比，集油環(huán)應全程選用DN100 的鋼管，井口最大回壓為0.75 MPa，單井摻水量為1.3 m3/h。

主要工程內容：敷設DN100 單井集油管道7.31 km，擴建集油摻水閥組1 套，新建容量為80 kVA 和63 kVA 的10 kV 柱上變電站各2 座，工程費用313.70 萬元。主要運行能耗包括年耗電量4.4×104kWh 和耗氣量561.6 m3/d，合計年運行費用共2.2 萬元。

方案三：采用單管電加熱集輸?shù)姆绞竭M行集油（圖5）。4 口水平井距離3#集油閥組間約3 km。單井井口配備電加熱器，端點井Φ60 mm 的集輸管道配備集膚效應加熱裝置，DN100 和DN65 的主匯管不配備集膚效應加熱裝置，但需選用40 mm 的保溫層。最終混輸進入3#集油閥組間，通過pipephase計算，井口產液加熱到45 ℃的時候，匯管液進入閥組間的溫度為32.37 ℃，可滿足生產需求。此集油工藝計算結果見表3。

表3 井口加熱溫度變化對回壓和進間溫度的影響Tab.3 Influence of wellhead heating temperature change on back pressure and inlet temperature

圖5 單管電加熱集油工藝方案Fig.5 Single-tube electric heating oil collection process scheme

主要工程內容：敷設DN100、DN65、DN50 單井集油管道2.63、0.38 和1.05 km，新建管道集膚效應加熱裝置1.05 km，擴建集油摻水閥組1 套，新建容量為80 kVA 和63 kVA 的10 kV 柱上變電站各2 座，新建井口電加熱器4 臺。主要運行能耗包括年耗電量80.08×104kWh，年運行費用共41.93 萬元。

3 方案對比

平均每天拉運液量為150 t、拉運車拉運能力為40 t，需要拉運4 次，運距為12 km，來回共計24 km，拉運加裝卸車最低用時2 h，每天最低需要租用1 臺拉運車。方案二和方案三均需擴建1 套閥組，3#閥組間為橇裝式閥組間，間內沒有擴建位置，規(guī)劃在間外擴建1 套閥組，搭接在5#閥組（轄3 口油井）上。3 個方案工程量及10 年費用現(xiàn)值的對比見表4。

表4 方案對比Tab.4 Scheme comparison

3 個方案的優(yōu)缺點對比如下：

（1）單井拉油。優(yōu)點：投資費用最低，且初期產量存在不穩(wěn)定因素，拉油運行降低風險。缺點：運行成本最高。利舊油罐不能滿足VOCs（揮發(fā)性有機物）治理要求（參照標準GB 39728—2020《陸上石油天然氣開采工業(yè)大氣污染物排放標準》5.7.3 對油田放空天然氣應給予回收，不能回收或難回收的，應經(jīng)燃燒后放空；不能燃燒直接放空的，應報生態(tài)環(huán)境主管部門備案），需建設單位向生態(tài)主管部門備案。

（2）單管環(huán)狀摻水集油。優(yōu)點：摻水工藝10年費用現(xiàn)值最低；運行安全平穩(wěn)、維護費用低，且工藝成熟，生產管理經(jīng)驗豐富。缺點：新建DN100的集油環(huán)7.31 km，投資費用較高；若初期產量高于預測產量，存在井口回壓過高的風險。

（3）電加熱集輸。優(yōu)點：投資費用低于單管環(huán)狀摻水集油工藝。缺點：該油田現(xiàn)場技術力量有限，備品備件采購較慢，對井口電加熱器和集膚效應加熱裝置的維修維護存在困難。電加熱流程耗電量最高，而該區(qū)塊實際供電量常年短缺，經(jīng)常性限電、停電，將導致加熱設備不能始終保持理想狀態(tài)運行。

結合投資、10 年費用現(xiàn)值、方案優(yōu)缺點對比及生產單位的建議，綜合分析，推薦選用方案二，采用環(huán)狀摻水集油工藝。

4 節(jié)能效果分析

對于研究區(qū)塊的4 口水平井來說，單井拉油、環(huán)狀摻水和單管電加熱集油工藝的節(jié)能效果分析如下：單井拉油集油工藝的一次性投資費用最低，但是由于地理位置較為偏遠，拉運費用較高，單井罐升溫維溫的耗電量也較高，年用電量為59.2×104kWh；環(huán)狀摻水集油工藝的一次性投資費用最高，但是建成后其運行費用最低，年用電量為4.4×104kWh；單管電加熱集油工藝的一次性投資費用處于單井拉油和環(huán)狀摻水集油工藝之間，為229.13 萬元，但建成后的能耗消耗是最高的，年用電量為80.08×104kWh。

5 結論

（1）目前地處偏遠的油田常采用的集油工藝為拉油、環(huán)狀摻水及單管電加熱集油工藝。

（2）拉油工藝為油井采出氣液混合物經(jīng)閥組后進高架罐或零位罐，靠自流或泵輸裝車后拉運至卸油；環(huán)狀摻水工藝以集油閥組間為中心，采用一條集油摻水管道串多個油井的形式形成集油環(huán)；單管電加熱工藝在油井的井口設置井口電加熱器，通過電加熱保溫管進行保溫輸送。

（3）從降低能耗的角度來說，宜采用環(huán)狀摻水集油工藝；從降低一次性投資的角度來說，宜采用拉油工藝；從降低產能周期內的10 年費用限值的角度來說，需綜合進行對比；對于研究區(qū)塊的油井，綜合分析后，環(huán)狀摻水集油工藝更為適合。