“光熱+燃?xì)狻奔夹g(shù)在油田活動(dòng)洗井作業(yè)中的應(yīng)用

劉博超 （大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

能源轉(zhuǎn)型是一個(gè)全球性的問(wèn)題，早在上世紀(jì)70年代就已經(jīng)引起了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。隨著時(shí)間的推移，能源安全、環(huán)境安全、氣候變暖等問(wèn)題對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響日益加劇，這使得能源轉(zhuǎn)型變得更加迫切和必要。在這樣的國(guó)際背景下，我國(guó)先后出臺(tái)《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略（2016—2030）》等政策文件，提出了中長(zhǎng)期能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，明確將“構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系”作為能源轉(zhuǎn)型的方向，習(xí)近平主席在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上的宣布中國(guó)在“碳中和”和“碳達(dá)峰”方面的計(jì)劃也表明了中國(guó)綠色低碳方面的決心[1]。當(dāng)前中國(guó)在能源利用效率方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在一定的差距，這也凸顯了提高能源利用效率的必要性。油氣田作為傳統(tǒng)化石能源企業(yè)，既是產(chǎn)能大戶，也是耗能大戶，其中熱力消耗占油氣田總能耗的70%以上，因此利用清潔熱力替代油氣生產(chǎn)過(guò)程中的天然氣消耗是必行的方向[2-4]。

1 概況

油田生產(chǎn)中活動(dòng)洗井作業(yè)是一項(xiàng)能耗較大的油田井下日常作業(yè)?；顒?dòng)洗井作業(yè)是先在井口將水經(jīng)熱洗車加溫到80～130 ℃，再把熱水打壓注入油套內(nèi)的環(huán)形空間，使其流入井下，最后經(jīng)過(guò)泵吸入口返回井口，從而達(dá)到熱洗清蠟的目的[5]。熱洗車洗井具有靈活性高、排量大、壓力高等特點(diǎn)，一般在油井作業(yè)后或結(jié)蠟嚴(yán)重時(shí)采用，單井洗井作業(yè)用水量30～45 m3。目前，油田采用活動(dòng)熱洗方式進(jìn)行洗井作業(yè)所使用的熱水通常采用在熱水站直接燃燒天然氣提高水溫的方式獲得，這種主要采用燃?xì)忮仩t加熱，過(guò)程較為簡(jiǎn)單。由于采用單一能源形式，燃?xì)庀牧烤薮?。以?guó)內(nèi)某油田為例，2021 年活動(dòng)熱洗業(yè)務(wù)年耗氣高達(dá)3 400×104m3，熱水站的二氧化碳排放量可達(dá)7.5×104t。

目前，為解決活動(dòng)洗井作業(yè)中燃?xì)庀牧看?、碳排放高的?wèn)題，有如下幾種思路：通過(guò)優(yōu)化熱洗工藝，提高熱洗效率，例如可以采用多級(jí)熱洗、分段熱洗等方式，減少熱洗時(shí)間和用水量，從而降低能耗；采用智能化控制技術(shù)，根據(jù)油井的實(shí)際情況和需求，對(duì)熱洗液的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，調(diào)整溫度、流量、壓力等熱洗參數(shù)，以保證熱洗效果的同時(shí)降低能耗[5-6]。

以國(guó)內(nèi)某油田活動(dòng)熱洗作業(yè)為案例，探討了采用“光熱+燃?xì)狻甭?lián)合供熱技術(shù)的實(shí)踐。對(duì)該技術(shù)在活動(dòng)熱洗作業(yè)中的適應(yīng)性進(jìn)行了分析，旨在解決傳統(tǒng)供熱方式的缺陷，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。并對(duì)采用“光熱+燃?xì)狻甭?lián)合供熱技術(shù)對(duì)節(jié)能減排的效益進(jìn)行了分析，為類似領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用提供了有益參考。

2 適用性分析

2.1 活動(dòng)洗井作業(yè)對(duì)熱能的需求

目前，國(guó)內(nèi)油田中進(jìn)行活動(dòng)洗井作業(yè)所需的熱水主要由區(qū)域內(nèi)的熱水站供應(yīng)，采用汽車?yán)\(yùn)的方式將熱水送至井場(chǎng)進(jìn)行洗井作業(yè)。以國(guó)內(nèi)某油田的某個(gè)熱水站為例，該站轄有979 口井，每日供水時(shí)間為8:00 至16:00，用水量約在230～310 m3/d。其中，油井熱洗平均每天進(jìn)行4～5 口，用水量合計(jì)約在160～180 m3/d；而洗井和管道清蠟作業(yè)，每日用水量約在70～130 m3/d。

熱水站的來(lái)水溫度在32～35 ℃，而洗井作業(yè)對(duì)熱水的溫度要求為裝車時(shí)應(yīng)達(dá)到80 ℃。鑒于夜間熱水罐內(nèi)的熱量損失，需通過(guò)加熱爐進(jìn)行夜間循環(huán)補(bǔ)熱，散熱溫度損失約為2 ℃。因此，為滿足使用需求，加熱爐的出水溫度應(yīng)為82 ℃。在能耗方面，根據(jù)熱水站全年逐月的數(shù)據(jù)計(jì)算，平均每日用熱量為60.9 GJ。為滿足這一需求，2 臺(tái)1.4 MW 加熱爐的日耗氣量可達(dá)到2 356.2 m3。

2.2 光照條件分析

光熱技術(shù)應(yīng)用首先要分析所在地域的光照條件，考察所在地域太陽(yáng)光照輻射量及分布特點(diǎn)，分析該地域太陽(yáng)能可利用性。某一地域地面可接收的太陽(yáng)輻射量取決于太陽(yáng)強(qiáng)度和日照時(shí)間，一般與地域所在地理緯度、地勢(shì)條件、天氣情況以及大氣透明度等因素相關(guān)。

以上述熱水站為例，該熱水站所在地區(qū)年太陽(yáng)總輻射量在1 400 kWh/m2以上，參照《太陽(yáng)能資源評(píng)估方法》（GB/T 37526—2019） 的等級(jí)劃分，該地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富程度屬于資源“很豐富”地區(qū)；區(qū)域年法向直接輻射輻照量為1 408 kWh/m2，水平面總輻射穩(wěn)定度GHRS 為0.283 時(shí)，判定為“一般”，法向直接輻射穩(wěn)定度RWD 為0.5 時(shí)，判定為“穩(wěn)定”，全年的直射比DHRR 為0.601，參照《太陽(yáng)能資源等級(jí)直接輻射》（GB/T 33677—2017）的劃分，該區(qū)域太陽(yáng)能資源屬于“B 級(jí)、二類資源區(qū)”的等級(jí)。綜合分析，該油田所在區(qū)域擁有豐富的太陽(yáng)能資源，可為光熱技術(shù)提供充足的能源來(lái)源，且太陽(yáng)直射輻射相對(duì)穩(wěn)定，多年年平均太陽(yáng)日照小時(shí)數(shù)2 601.9 h，適合光熱技術(shù)的應(yīng)用。因此，該地區(qū)適合開(kāi)展光熱技術(shù)的應(yīng)用，可以充分利用太陽(yáng)能資源來(lái)滿足能源需求，并為油田的生產(chǎn)活動(dòng)提供可持續(xù)的能源支持[7-10]。

2.3 “光熱+燃?xì)狻奔夹g(shù)在熱水站的適用性

活動(dòng)洗井作業(yè)通常在白天進(jìn)行，并且用熱的時(shí)間段是不連續(xù)的。在這種情況下，熱水站的運(yùn)行時(shí)間要與光熱產(chǎn)生的時(shí)間相匹配，才能充分利用太陽(yáng)能光熱資源，以最大化光熱的利用率[7-8]。具體而言，就是在需要熱水的時(shí)候能夠充分利用太陽(yáng)能所供應(yīng)熱水。隨著光照條件的變化，當(dāng)光熱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量足以滿足全天的用熱的需求時(shí)，已建的熱水罐可以充當(dāng)熱能儲(chǔ)存設(shè)備，將多余的熱量存儲(chǔ)起來(lái)，以備后續(xù)需要。國(guó)內(nèi)某油田某熱水站典型日時(shí)段用熱負(fù)荷見(jiàn)圖1。而當(dāng)光照條件不足以滿足后續(xù)全天的用熱的需求時(shí)，已建設(shè)的燃?xì)饧訜釥t則可以作為輔助熱源，進(jìn)行必要的補(bǔ)熱。這種靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)使得在光熱能源不足的情況下，仍然能夠保障活動(dòng)洗井作業(yè)所需的熱水供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了能源的有效利用。結(jié)合光熱和燃?xì)鈨煞N能源，可以充分利用太陽(yáng)能的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在天氣不佳或夜晚等情況下，通過(guò)燃?xì)饧訜岽_保穩(wěn)定的供熱。

圖1 國(guó)內(nèi)某油田某熱水站典型日時(shí)段用熱負(fù)荷Fig.1 Typical daily heat load of hot water station in an oilfield in China

3 “ 光熱+燃?xì)狻甭?lián)合供熱方案設(shè)計(jì)

下面對(duì)已建熱水站“光熱+燃?xì)狻甭?lián)合供熱改造設(shè)計(jì)方案進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。該設(shè)計(jì)方案采用豎槽雙軸+類線型菲涅爾集熱聯(lián)合供熱的模式，在已建2臺(tái)1.4 MW 加熱爐的基礎(chǔ)上新建99 組類線性菲涅集熱器，22 組槽式集熱器，供熱規(guī)模1.28 MW。

3.1 集熱器的選擇及布置

太陽(yáng)能集熱技術(shù)是光熱利用系統(tǒng)的核心技術(shù)，其效率和投資成本會(huì)影響到整個(gè)集熱系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)性。按其是否聚光這一最基本的特征劃分，可以分為聚光和非聚光集熱技術(shù)兩大類。

非聚光太陽(yáng)集熱器的集熱器面積與吸收太陽(yáng)輻射能的吸熱面積相等。它能夠吸收利用太陽(yáng)的直接輻射和間接輻射能，不需要跟蹤裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便。由于它不具有聚光功能，因此吸熱面上的熱流密度較低，一般用在工作溫度在100 ℃以下的低溫?zé)崂孟到y(tǒng)中。由于非聚光太陽(yáng)集熱器散熱面積大，它不具有聚光功能，吸熱面上的熱流密度較低熱效率不高，其集熱面積與散熱面積相同，吸熱器和蓋板之間對(duì)流散熱嚴(yán)重，尤其冬季散熱量較大，經(jīng)過(guò)計(jì)算當(dāng)用熱溫度高于55 ℃時(shí)，其經(jīng)濟(jì)性較差。熱水站用熱溫度為80 ℃，且該熱水站地處高緯度高寒地區(qū)“故不考慮采用非聚光太陽(yáng)能集熱技術(shù)”。

中高溫聚光型太陽(yáng)能集熱器可以分為菲涅爾式太陽(yáng)能集熱器、槽式太陽(yáng)能集熱器、塔式太陽(yáng)能集熱器、蝶式太陽(yáng)能集熱器。中高溫聚光型太陽(yáng)能集熱器主要設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生高溫的熱能，適用于需要高溫?zé)崮艿墓I(yè)應(yīng)用，而且在一些特定工業(yè)過(guò)程中，這些集熱器可以提供相對(duì)經(jīng)濟(jì)的高溫?zé)崮?，降低能源成本。其中菲涅爾式太?yáng)能集熱器通過(guò)透鏡將太陽(yáng)光線聚焦到集熱管或槽上，適合大規(guī)模布置，但對(duì)場(chǎng)地要求較高。槽式太陽(yáng)能集熱器通過(guò)聚光器將太陽(yáng)光線集中到槽內(nèi)，具有較高的靈活性，可采取分布式或集中式布置，對(duì)場(chǎng)地要求相對(duì)較低。塔式太陽(yáng)能集熱器通過(guò)塔式結(jié)構(gòu)將太陽(yáng)能聚焦到集熱器頂部，適用于大規(guī)模布置，需要較大的場(chǎng)地。蝶式太陽(yáng)能集熱器利用具有反射面的蝶式結(jié)構(gòu)將太陽(yáng)光線聚焦到集熱器上，在集熱效果和布置靈活性上取得平衡。從經(jīng)濟(jì)性的角度對(duì)比分析，菲涅爾式集熱器經(jīng)濟(jì)型最佳，其次為槽式，塔式和蝶式集熱器初始投資較大。從技術(shù)可行性上看，菲涅爾式集熱器需要連續(xù)整裝用地，對(duì)場(chǎng)地要求較高；槽式集熱器現(xiàn)場(chǎng)布置應(yīng)用更為靈活。

基于對(duì)該熱水站周邊土地情況、用熱需求以及負(fù)荷大小等因素的綜合考慮，土地劃分為兩片區(qū)域（1 號(hào)區(qū)域和2 號(hào)區(qū)域）。1 號(hào)區(qū)域因場(chǎng)區(qū)可利用土地零散分布，適宜采用聚光比高，集熱效率較高，能夠靈活布置的雙軸跟蹤的豎槽集熱技術(shù)，故新建布置22 組豎槽集熱器，東西向布置7 列，自西向東前5 列每列布置4 組集熱器，后2 列每列布置1 組集熱器，考慮集熱器之間的遮擋間距為7 m，單組集熱器單元為8 m×6 m，單組集熱器鏡面面積為40 m2，總計(jì)集熱面積880 m2，占地面積6 276 m2，集熱功率0.54 MW，年得熱5 740 GJ；2 號(hào)區(qū)域東西跨度較大，場(chǎng)地較為平整，適宜采用集中東西軸布置的類線性菲涅爾太陽(yáng)能集熱技術(shù)，單軸跟蹤太陽(yáng)的高度角，冬夏季用熱較為均衡，布置99 組菲涅爾集熱器，東西向布置5 條回路，其中1—4#回路每21 組為一條回路，單條回路的總長(zhǎng)為101.64 m，5#回路為15 組，單條回路的總長(zhǎng)為72.6 m，單組集熱器的長(zhǎng)寬高為4.84 m×6.9 m×5.19 m，集熱面積28.8 m2，總計(jì)集熱面積2 851.2 m2，占地面積5 726 m2，集熱功率0.74 MW，年得熱7 260 GJ。

3.2 換熱器的選擇

常見(jiàn)的換熱器包括管殼式換熱器、罐外板式換熱器、罐內(nèi)盤管換熱器等。其中“其中管殼式”換熱器是一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)固耐用、適用范圍廣泛的換熱設(shè)備。其原理為通過(guò)殼體和管束兩部分的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了兩種流體之間的熱量傳遞。換熱過(guò)程主要通過(guò)傳導(dǎo)和對(duì)流進(jìn)行，這種相對(duì)流動(dòng)的設(shè)計(jì)有助于提高熱交換效率。其高效傳熱的設(shè)計(jì)使其在化工、制藥、石油和食品加工等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其簡(jiǎn)單而靈活的結(jié)構(gòu)使得清潔和維護(hù)變得容易，適用于高壓高溫工況。管殼式換熱器可根據(jù)具體工藝需求進(jìn)行定制，同時(shí)具備方便維修和良好的熱膨脹性，為工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域提供了可靠、高效的熱交換解決方案，適合熱水站的用熱模式。而其他類型的換熱器則存在清洗難度大、容積限制大以及安裝復(fù)雜性高等缺點(diǎn)，故選擇管殼式換熱器。

3.3 熱水站運(yùn)行模式

在太陽(yáng)能與燃?xì)饧訜釥t聯(lián)合供熱設(shè)計(jì)方案中，混合供熱系統(tǒng)（并聯(lián)供熱）和分級(jí)供熱系統(tǒng)（串聯(lián)供熱）是兩個(gè)主要選擇[9-10]。并聯(lián)供熱系統(tǒng)采用太陽(yáng)能和燃?xì)饧訜釥t同時(shí)加熱來(lái)水的方式，但由于兩者的加熱溫度存在差異，這導(dǎo)致系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性較低。實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)難度較大，尤其在寒冷的冬季，可能會(huì)面臨管道凍堵的風(fēng)險(xiǎn)，從而影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。相對(duì)而言，串聯(lián)供熱系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)能系統(tǒng)先對(duì)導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行加熱，然后通過(guò)換熱器與污水進(jìn)行換熱。這種系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性和實(shí)用性。系統(tǒng)能夠根據(jù)光照條件智能地調(diào)整導(dǎo)熱介質(zhì)的流量，確保系統(tǒng)的換熱溫度在適宜范圍內(nèi)。當(dāng)太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)無(wú)法滿足用熱需求時(shí)，燃?xì)饧訜釥t會(huì)啟動(dòng)，提升介質(zhì)溫度，直至滿足加熱需求。這種設(shè)計(jì)可以有效避免混合系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的可靠性。串聯(lián)供熱的原則旨在通過(guò)靈活調(diào)控系統(tǒng)，在太陽(yáng)能充足的情況下最大限度地利用太陽(yáng)能供熱，并在光照不足時(shí)通過(guò)燃?xì)饧訜釥t進(jìn)行補(bǔ)充，以實(shí)現(xiàn)高效、可持續(xù)的供熱系統(tǒng)。因此，為了確保整個(gè)供熱系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，以及在各種氣象條件下能夠穩(wěn)定滿足熱水裝車的需求，故該熱水站改造采用串聯(lián)供熱系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。熱水站光熱改造后運(yùn)行流程見(jiàn)圖2。

圖2 熱水站光熱改造后運(yùn)行流程Fig.2 Operating flow of hot water station after photovothermal retrofit

該熱水站已建200 m3熱水罐用于拉運(yùn)裝車，為滿足白天光照條件良好時(shí)盡可能利用光熱進(jìn)行加熱，故新建1 座200 m3熱水罐用于來(lái)緩存液體，增加儲(chǔ)能規(guī)模同時(shí)提高光熱系統(tǒng)使用率。熱水站光熱改造后的運(yùn)行模式：

1）早8:00 拉運(yùn)前：利用太陽(yáng)能或太陽(yáng)能+加熱爐將裝車罐裝滿80 ℃熱水200 m3，200 m3緩存罐熱水溫度55 ℃。

2）早8:00—16:00 拉運(yùn)過(guò)程：供水管線流量約為25 m3/h，8 h 從污水站補(bǔ)充200 m3污水。先從200 m3熱水罐取水滿足上午拉運(yùn)需求，利用太陽(yáng)能或太陽(yáng)能+加熱爐將緩存罐已有的200 m3的55 ℃熱水加熱升溫至80 ℃后，同時(shí)將從污水站補(bǔ)充的200 m3的32 ℃污水加熱升溫至80 ℃。其中100 m3滿足下午拉運(yùn)需求，其余300 m3的80 ℃熱水存入熱水罐200 m3，存入緩存罐100 m3。

3） 16:00 至次日早8:00：緩存罐補(bǔ)水100 m3，內(nèi)部已有100 m3的80 ℃熱水與補(bǔ)充的100 m3的32 ℃污水混合后，緩存罐內(nèi)200 m3熱水溫度為55 ℃。熱水站光熱改造后儲(chǔ)放熱規(guī)模為400 m3，可實(shí)現(xiàn)熱水站每日閉環(huán)運(yùn)行。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

4.1 聯(lián)合供熱運(yùn)行穩(wěn)定性分析

熱水站改造后采用串聯(lián)供熱系統(tǒng)在運(yùn)行穩(wěn)定性方面表現(xiàn)良好。由于采用了太陽(yáng)能系統(tǒng)先加熱導(dǎo)熱介質(zhì)，再通過(guò)換熱器與污水進(jìn)行換熱的方式，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的熱能輸出。這種設(shè)計(jì)使系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境變化的適應(yīng)能力更強(qiáng)，例如氣溫波動(dòng)或天氣變化。同時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)導(dǎo)熱介質(zhì)的流量和燃?xì)饧訜釥t的啟停，能夠確保系統(tǒng)在不同條件下能夠保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。因此，“光熱+燃?xì)狻甭?lián)合供熱方案在穩(wěn)定性方面是可靠的，能夠滿足活動(dòng)熱洗作業(yè)的需要。

4.2 節(jié)能減排效果分析

年省天然氣=光熱系統(tǒng)年供熱量/燃?xì)鉄嶂?天然氣鍋爐燃燒效率，上述熱水站通過(guò)光熱技術(shù)改造后，光熱系統(tǒng)年供熱量為13 000 GJ，按照燃?xì)鉄嶂?2.29 MJ/m3、天然氣鍋爐燃燒效率按0.80 計(jì)算，光熱供熱系統(tǒng)替代天然氣鍋爐年節(jié)省天然氣51.10×104m3。依據(jù)《中國(guó)石油天然氣生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南》，天然氣CO2的排放系數(shù)為21.62t/104m3，計(jì)算得年減排二氧化碳1 107.3 t。

5 結(jié)論

“光熱+燃?xì)狻甭?lián)合供熱方式作為一項(xiàng)創(chuàng)新的能源利用技術(shù)，在活動(dòng)洗井作業(yè)中展現(xiàn)了顯著的節(jié)能減排效果。傳統(tǒng)的燃?xì)夤崮Ｊ酱嬖诰薮蟮奶烊粴庀暮拖鄳?yīng)的碳排放問(wèn)題。通過(guò)引入太陽(yáng)能光熱技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有的燃?xì)庠鰷丶夹g(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)油田站場(chǎng)能源利用的雙重提升。這種方法對(duì)光照條件相似、供熱模式單一的站場(chǎng)同樣具有借鑒意義綜合而言，國(guó)內(nèi)某油田的46 座熱水站若全部采用“光熱+燃?xì)狻奔夹g(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)天然氣鍋爐系統(tǒng)，則年節(jié)省天然氣約為1 903.48×104m3， 年減排CO2約為4.12×104t。這表明該技術(shù)在能源利用和環(huán)保方面具有顯著的效益。