老油田摻水工藝能耗分析及節(jié)能優(yōu)化技術(shù)研究

王巖（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠(chǎng)）

隨著我國(guó)陸上油田的深入開(kāi)發(fā)，地面工藝布局逐漸從三級(jí)布站向一級(jí)或一級(jí)半布站轉(zhuǎn)變，同時(shí)原油產(chǎn)量減少、含水率上升、油品物性變差是老油田面臨的主要問(wèn)題[1-2]。為節(jié)約能耗，摻水集油工藝成為了替代原三管伴熱工藝的有效手段。根據(jù)集油管道的布置方式，摻水工藝可分為雙管摻水工藝和環(huán)狀摻水工藝，前者是在每口單井上設(shè)置一條摻水線(xiàn)和集油線(xiàn)，通過(guò)摻水閥組和集油閥組（通常兩者合并為一個(gè)閥組）將井口產(chǎn)液送至聯(lián)合站，工藝可靠性較高，且單一井組的管線(xiàn)出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)影響整體集油工藝[3]；后者是在區(qū)塊內(nèi)設(shè)置多個(gè)集油環(huán)，除摻水閥組與第一口單井之間的管道為摻水線(xiàn)外，其余油井間均由集油線(xiàn)連接，順著環(huán)的方向液量不斷增加，可減少摻水量、降低摻水溫度[4]。影響摻水工藝能耗的影響因素較多，有摻水方式、摻水量、摻水溫度、產(chǎn)液量、含水率、油品物性和地溫等[5-7]，其中摻水方式、摻水量及摻水溫度是可變因素，其余因素在某一時(shí)間內(nèi)相對(duì)固定。綜上，以某邊遠(yuǎn)小斷塊為研究對(duì)象，通過(guò)敏感性分析，研究不同摻水方式、摻水量及摻水溫度對(duì)能耗的影響，并以總運(yùn)行費(fèi)用最低為目標(biāo)函數(shù)，在水力及熱力約束條件的影響下，求解最佳運(yùn)行參數(shù)并優(yōu)化節(jié)能措施，以期為地面儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化優(yōu)化提供實(shí)際參考。

1 計(jì)算依據(jù)

1.1 集輸管道溫降計(jì)算

采用蘇霍夫公式計(jì)算穩(wěn)態(tài)工況下管道的沿程溫降[8]。

式中：TL為距離起點(diǎn)L處的溫度，℃；T0為埋地管道處的地溫，℃；TQ為管道起點(diǎn)處的溫度，℃；K為油流到周?chē)橘|(zhì)的總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)，一般通過(guò)歷史數(shù)據(jù)利用熱阻法反算得到；D為管道外徑，m；L為管道長(zhǎng)度，m；C為油水混合物的比熱容，J/(kg·℃)；G為油水混合物的質(zhì)量流量，kg/s。

1.2 集輸管道壓降計(jì)算

對(duì)于單相流動(dòng)的摻水管道，采用達(dá)西公式計(jì)算沿程摩阻損失。

式中：hl為沿程摩阻損失，m；λ為水力摩阻損失；d為管道內(nèi)徑，m；ω為流動(dòng)截面上流體的平均流速，m/s。

對(duì)于兩相或三相流動(dòng)的集油管道，采用列賓宗公式計(jì)算沿程摩阻損失。

式中：β為待定系數(shù)，m2/s；m為待定系數(shù)，無(wú)因次；β、m的值根據(jù)不同流態(tài)（層流、水力光滑區(qū)、混合摩擦區(qū)和粗糙區(qū)）的取值有所不同；Q為流體的體積流量，m3/s；v為流體的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。

1.3 耗電量和耗氣量計(jì)算

摻水系統(tǒng)能耗主要包括站內(nèi)摻水泵的電耗和加熱爐的熱耗，機(jī)泵軸功率及摻水溫升負(fù)荷的計(jì)算公式[9-10]為：

式中：P1為機(jī)泵軸功率，kW；qv為機(jī)泵出口排量，m3/s；ρ為流體密度，kg/m3；H為機(jī)泵排量為qv時(shí)的揚(yáng)程，m；η為機(jī)泵效率，%；Q1為加熱爐熱負(fù)荷，kW；C0為水的比熱容，J/(kg·℃)；t1、t2分別為加熱爐出口和進(jìn)口溫度，℃。

根據(jù)公式（4）～（5），結(jié)合使用時(shí)間和加熱爐熱效率（管式加熱爐的效率取85%～90%），計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的耗電量和耗氣量。

2 基礎(chǔ)參數(shù)

以某邊遠(yuǎn)小斷塊為研究對(duì)象，原油密度875 kg/m3（20 ℃）、黏度30.5 mPa·s（50 ℃）、凝點(diǎn)30 ℃，油井產(chǎn)量和含水率見(jiàn)表1。根據(jù)水力和熱力限制，確保進(jìn)站壓力不大于0.2 MPa，井口回壓不超過(guò)1.5 MPa，進(jìn)站溫度為33 ℃。埋地管道深度1.5 m，沿線(xiàn)土壤溫度5 ℃，總傳熱系數(shù)1.5 W/(m2·℃)，管徑根據(jù)以上限制進(jìn)行選取，最小管徑為DN50 mm。防腐保溫層厚度為50 mm，根據(jù)黏溫測(cè)試曲線(xiàn)設(shè)置原油轉(zhuǎn)相點(diǎn)為60%。

表1 油井產(chǎn)量和含水率Tab.1 Production and water content ratio of oil well

根據(jù)上述信息，在Pipesim 軟件中，利用Soure、Sink、Flowline 和Heat Exchange 等模塊分別建立雙管摻水、首端環(huán)狀摻水和末端環(huán)狀摻水模型見(jiàn)圖1。

圖1 不同摻水工藝的建模流程Fig.1 Modeling flow of different water blending processes

3 結(jié)果與討論

3.1 摻水量和摻水溫度對(duì)耗電量的影響

考慮到集油閥組的進(jìn)站溫度要求及加熱爐最高熱出口溫度的限制，以雙管摻水工藝為例，考察摻水溫度50～80 ℃（步長(zhǎng)10 ℃）條件下，不同摻水比（熱水量∶油井產(chǎn)量）對(duì)耗電量的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。在摻水比一定時(shí)，隨著摻水溫度的升高，耗電量有所下降，但降幅逐漸減小，這是由于溫度升高，油水乳狀液的黏度降低，且在高溫區(qū)的黏度呈平緩趨勢(shì)，即當(dāng)摻水溫度增加到一定程度后，對(duì)介質(zhì)流速和泵輸出功率不再造成影響，耗電量不再降低。在摻水溫度一定時(shí)，隨著摻水比的增加，耗電量呈先增加后降低再增加的趨勢(shì)，這是由于摻水量增大的初期，一方面含水原油的黏度隨著綜合含水率的增加而增大，另一方摻水量與摩阻損失呈正比，流速越大，摩阻損失越大，兩者共同作用下耗電量上升；在摻水量增大的中期，綜合含水率越過(guò)轉(zhuǎn)相點(diǎn)，管內(nèi)流型從油包水乳狀液轉(zhuǎn)化為水包油乳狀液，此時(shí)黏度下降是引起摩阻損失降低的主控因素；在摻水量增大后期，井口油嘴推動(dòng)摻水介質(zhì)向管輸方向移動(dòng)的阻力增大，機(jī)泵出口壓力升高，泵消耗能量增加，此時(shí)流速增加是引起摩阻損失增加的主控因素。從上述分析可知，在摻水比1.0 附近處的能耗較低。

圖2 不同摻水比對(duì)耗電量的影響（雙管摻水工藝）Fig.2 Influence of different water blending ratios on power consumption（double-pipe water blending process）

同理，在摻水溫度70 ℃條件下，考察不同摻水方式下?lián)剿葘?duì)耗電量的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。雙管摻水工藝的耗電量最高，約為單管環(huán)狀摻水工藝耗電量的1.56～2.05 倍；三種摻水工藝的摻水比和耗電量關(guān)系相似，且以末端摻水工藝的能耗最低。這是由于末端摻水工藝將摻水管道直接通至最遠(yuǎn)油井，在保證井口回壓滿(mǎn)足要求的前提下，即可實(shí)現(xiàn)流動(dòng)保障，此時(shí)其余油井的井口回壓肯定不會(huì)超過(guò)約束條件，因此該工藝下的耗電量較低。

圖3 不同摻水方式下?lián)剿葘?duì)耗電量的影響Fig.3 Influence of water blending ratio on power consumption under different water blending modes

3.2 摻水量和摻水溫度對(duì)耗氣量的影響

以雙管摻水工藝為例，考察摻水溫度50～80 ℃條件下，不同摻水比對(duì)耗氣量的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。在摻水比一定時(shí)，耗氣量與摻水溫度呈正相關(guān)；在摻水溫度一定時(shí)，耗氣量與摻水比也呈正相關(guān)，但耗氣量增加幅度逐漸減小，在摻水比1.4 之后的耗氣量增幅不大。這是由于無(wú)論是增大摻水溫度還是摻水比，考慮油井產(chǎn)量是一定的，且與土壤之間的換熱會(huì)隨著時(shí)間延長(zhǎng)逐漸平衡（管土區(qū)域形成了穩(wěn)定溫度場(chǎng)），故耗氣量不會(huì)一直增加。

圖4 不同摻水比對(duì)耗氣量的影響（雙管摻水工藝）Fig.4 Influence of different water blending ratios on gas consumption（double-pipe water blending process）

同理，在摻水溫度70 ℃條件下，考察不同摻水方式下?lián)剿葘?duì)耗氣量的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。雙管摻水工藝的耗氣量最高，約為單管環(huán)狀摻水工藝耗氣量的1.07～1.09 倍；三種摻水工藝的摻水比和耗氣量關(guān)系相似，且以首端摻水工藝的能耗最低。首端摻水工藝從最近油井開(kāi)始，管內(nèi)流量不斷增加，在符合集輸半徑熱力條件的前提下，即可實(shí)現(xiàn)流動(dòng)保障，因此該工藝下的耗氣量較低。

圖5 不同摻水方式下?lián)剿葘?duì)耗氣量的影響Fig.5 Influence of water blending ratio on gas consumption under different water blending modes

3.3 摻水系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用影響因素分析

按照電價(jià)0.6 元/kWh，伴生氣價(jià)格1.5 元/m3核算，考察摻水溫度50～80 ℃條件下，不同摻水比對(duì)運(yùn)行費(fèi)用的影響，結(jié)果見(jiàn)圖6。在摻水比一定時(shí)，運(yùn)行費(fèi)用隨著摻水溫度的上升而增加。這是由于摻水溫度上升，加熱爐的熱負(fù)荷變大引起運(yùn)行費(fèi)用增加，雖然介質(zhì)黏度減小，表觀流速變快，耗電量變小引起的運(yùn)行費(fèi)用減小，但前者的增速遠(yuǎn)大于后者的降速，綜合結(jié)果顯示運(yùn)行費(fèi)用增加。在摻水溫度一定時(shí)，運(yùn)行費(fèi)用隨著摻水比的上升先增大后減小再增加，在綜合含水率未越過(guò)轉(zhuǎn)相點(diǎn)時(shí)，介質(zhì)黏度增大是引起運(yùn)行費(fèi)用上升的主要因素；越過(guò)轉(zhuǎn)相點(diǎn)后，介質(zhì)黏度減小是引起運(yùn)行費(fèi)用下降的主要因素；在高含水期，管內(nèi)滿(mǎn)流輸送是引起運(yùn)行費(fèi)用再次上升的主要因素。

圖6 不同摻水比對(duì)運(yùn)行費(fèi)用的影響（雙管摻水工藝）Fig.6 Influence of different water blending ratios on operating costs（double-pipe water blending process）

同理，在摻水溫度70 ℃條件下，考察不同摻水方式下?lián)剿葘?duì)運(yùn)行費(fèi)用的影響，結(jié)果見(jiàn)圖7。其中，環(huán)狀摻水工藝的運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)低于雙管摻水工藝，首端摻水和末端摻水工藝的運(yùn)行費(fèi)用幾乎一致，末端摻水工藝略?xún)?yōu)，在摻水比為1.0 附近處的節(jié)能潛力最大。此外，通過(guò)考察不同摻水溫度對(duì)運(yùn)行費(fèi)用的影響，得到該區(qū)塊在摻水溫度65～75 ℃的運(yùn)行費(fèi)用最低。

圖7 不同摻水方式下?lián)剿葘?duì)運(yùn)行費(fèi)用的影響Fig.7 Influence of water blending ratio on operating cost under different water blending modes

3.4 能耗優(yōu)化模型的建立

上述分析雖然從定量的角度反映了不同因素對(duì)能耗及運(yùn)行費(fèi)用的影響，并得到了末端環(huán)狀摻水工藝最優(yōu)的初步結(jié)論，但給出的只是某一固定工況下參數(shù)調(diào)節(jié)范圍。為實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控，采用前端Intouch 軟件+后端Matlab 軟件的形式實(shí)現(xiàn)能耗優(yōu)化，前端用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)展示和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取，后端用于能耗優(yōu)化求解和優(yōu)化結(jié)果寫(xiě)入，遵循“一環(huán)一法”、“一工況一法”的原則對(duì)能耗進(jìn)行智能調(diào)控。目標(biāo)函數(shù)為總運(yùn)行費(fèi)用最低，公式為：

式中：E為運(yùn)行費(fèi)用，萬(wàn)元；ET、EP分別為燃?xì)赓M(fèi)用和電費(fèi)，萬(wàn)元。

約束條件為進(jìn)站壓力不大于0.2 MPa，井口回壓不超過(guò)1.5 MPa，進(jìn)站溫度高于凝點(diǎn)以上3～5 ℃（根據(jù)不同的產(chǎn)液量和季節(jié)設(shè)置），決策變量為摻水溫度和摻水量。同時(shí)，在系統(tǒng)中內(nèi)置模糊控制器實(shí)現(xiàn)控制量的非線(xiàn)性滯后優(yōu)化。在采集環(huán)流量、各井口溫度、各井口壓力的前提下，通過(guò)Matlab 軟件在公式（6）的基礎(chǔ)上進(jìn)行能耗優(yōu)化；將優(yōu)化后摻水溫度傳至加熱爐溫控器用于站內(nèi)維溫、原油外輸和單井摻水，將優(yōu)化后的摻水量用于各環(huán)摻水；實(shí)時(shí)對(duì)比兩者與最優(yōu)結(jié)果之間的差異，當(dāng)差異達(dá)到最小化時(shí)，完成能耗優(yōu)化。通過(guò)上述優(yōu)化求解，可以確定不同季節(jié)、不同產(chǎn)液量、不同地溫、不同含水率和不同油品物性下的最佳集輸運(yùn)行參數(shù)，保證環(huán)狀摻水工藝在水力和熱力的平衡條件下運(yùn)行。摻水工藝優(yōu)化前后對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 摻水工藝優(yōu)化前后的對(duì)比Tab.2 Comparison before and after the optimization of water blending process

從優(yōu)化結(jié)果分析，不同月份下的末端環(huán)狀摻水工藝的摻水量較三管伴熱工藝的伴熱水量減少了47.1%～58.9%，同時(shí)摻水溫度也所有降低，兩者均會(huì)影響耗氣量和耗電量，進(jìn)而影響運(yùn)行費(fèi)用。優(yōu)化后運(yùn)行費(fèi)用降低了63.3%～68.8%，年運(yùn)行費(fèi)用可降低37.31 萬(wàn)元。同時(shí)對(duì)比了不同月份下地溫、摻水溫度和摻水量之間的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖8。隨著地溫的升高，管壁與土壤間的熱交換逐漸減少，總傳熱系數(shù)降低，摻水溫度降低；在達(dá)到同樣約束條件的前提下，摻水溫度與摻水量呈反比，摻水量有所上升，但升高的幅度較小。此外，當(dāng)環(huán)境溫度變化或集油環(huán)中有啟停井操作時(shí)，該優(yōu)化方式也能及時(shí)對(duì)摻水量進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)進(jìn)站溫度和產(chǎn)液量增加至一定程度時(shí)，也可適當(dāng)減少摻水量或停止摻水，實(shí)現(xiàn)季節(jié)性常溫輸送。

圖8 地溫、摻水溫度和摻水量之間的關(guān)系Fig.8 Relation between ground temperature and water blending temperature and water blending amount

4 結(jié)論

將耗電量和耗氣量作為主要技術(shù)指標(biāo)，利用敏感性分析衡量不同摻水方式、摻水量及摻水溫度對(duì)摻水工藝的能耗影響，并以總運(yùn)行費(fèi)用最低為目標(biāo)函數(shù)，在水力及熱力約束條件的影響下，求解最佳運(yùn)行參數(shù)和優(yōu)化節(jié)能措施，得到如下結(jié)論：

1）在摻水比一定時(shí)，隨著摻水溫度的升高，摻水系統(tǒng)的耗電量有所下降；在摻水溫度一定時(shí)，隨著摻水比的增加，耗電量呈先增加后降低再增加的趨勢(shì)。

2）在摻水比一定時(shí)，耗氣量與摻水溫度呈正相關(guān)；在摻水溫度一定時(shí)，耗氣量與摻水比也呈正相關(guān)，但增加幅度逐漸減小，在摻水比1.4 之后的耗氣量增幅不大。

3）通過(guò)將Intouch 和Matlab 軟件互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了不同月份最優(yōu)摻水溫度和摻水量的求解，將三管伴熱工藝優(yōu)化為末端環(huán)狀摻水工藝后，運(yùn)行費(fèi)用降低了63.3%～68.8%，年運(yùn)行費(fèi)用可降低37.31 萬(wàn)元，節(jié)能潛力巨大。