利用短路效應減低環狀摻水集輸流程能耗方法

李 棟， 吳國忠， 齊晗兵

( 東北石油大學 土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318 )

0 引言

油田進入高含水開采階段后，原油集油部分能耗約占地面集輸系統總能耗的60%～80%，其中熱能消耗占90%以上.由于油田原油集輸多采用摻水伴熱流程，而油井轉入高含水期后，大部分熱能消耗于加熱混輸摻水，造成原油生產成本較高[1-2].隨著國家節能減排力度的加大，節能降耗已成為油氣集輸與處理系統重要的研究方向.目前多側重于常溫、低溫集輸技術試驗研究[3-6]，集油工藝運行參數優化[7-8]，系統優化和運行方案研究[9-11].環狀摻水集輸流程因工藝簡單、方便管理[12]，正在油田推廣應用.分析常規的環狀摻水集輸流程能耗特點，借鑒U型地下埋管換熱器的“熱短路現象”[13-14]，提出一種新的環狀摻水集輸流程.

1 常規環狀流程

1.1 集輸流程

圖1 常規環狀摻水集輸流程

油田常規環狀摻水集輸流程見圖1.其中，聯合站有1個計量間，計量間內有3個環路，每個環路有油井若干個.熱水由聯合站經摻水管段進入計量間，由計量間分配環路摻水比例，各環與其內油井產液摻混后進入集油匯管，原油匯總經回油管道返回聯合站.

1.2 能耗分析

由于集輸流程復雜，為便于分析，假定計量間僅有1個環路和1口油井開通，該流程經過簡化后的物理模型見圖2.

集輸流程涉及油、氣、水三相流動，水力熱力計算條件紛繁，難以進行理論研究.由于系統能量損失主要

圖2 簡化物理模型

為熱能損失，為便于計算，作假設：①忽略油井產液管段和計量間內能量損失；②不考慮管道內壓降損失；③流體物性為常數，各管段靜態參數一致，油井產出液和總回油溫度固定.此時系統能耗僅為熱能消耗，其能量平衡模型為

(1)

(2)

t3c2m1+t4c3m2=t5c4(m1+m2),

(3)

(4)

(5)

t6=t7,

(6)

式(1-6)中：t0，t1，t2，t3，t4，t5，t6，t7，t8分別為管道埋深處自然地溫、聯合站摻水溫度、計量間摻水溫度、環路1摻水管段末端溫度、油井產液溫度、油井產液和熱水摻混后流體溫度、環路回油溫度、出計量間回油溫度、聯合站回油溫度；c1，c2，c3，c4，c5，c6分別為聯合站至計量間摻水管段內流體比熱容、環路1摻水管段內流體比熱容、油井產液比熱容、油井產液和熱水摻混后流體比熱容、環路1回油管段內流體比熱容、計量間至聯合站回油管道內流體比熱容；k1，k2，k3，k4，l1，l2，l3，l4，d1，d2，d3，d4分別為聯合站至計量間摻水管段、環路1摻水管段、環路1回油管段、計量間至聯合站回油管段等的傳熱系數、長度、保溫管徑；m1，m2分別為計量間摻水和油井產液流量.

管段長度為1 000 m，管段保溫外徑為0.1 mm，傳熱系數為2 W/(m2·℃)；油井產液溫度為15 ℃，流量為0.1 kg/s，含水率為100%；摻水量為0.6～2.6 kg/s，流體比熱容為4 180 J/(kg·℃)；聯合站回油溫度為28 ℃，管道埋深處自然地溫為-2 ℃.通過編程求解方程(1-6)，計算結果見圖3和圖4.

圖3 常規環路各點溫度分布曲線

圖4 系統摻水量和總能耗隨摻水溫度變化曲線

由圖3可知，當回油溫度和產液條件不變，摻水量增大，環路溫度降低，且摻水溫度越高其變化幅度越大.由圖4可以看出，隨著摻水溫度升高，系統總能耗增加，而摻水量逐漸降低，二者之間存在交叉點，說明通過調整摻水溫度降低系統總能耗的理論可行性存在.

1.3 存在問題

向系統摻熱水的目的是保證回油壓力和溫度.當回油溫度和產液條件不變，對于熱水的流量和溫度存在一定的關系，溫度高所需熱水量少，溫度低所需熱水量多.目前高含水油田聯合站回油溫度在凝固點左右[15-17]，為保證聯合站回油溫度，常規環狀摻水集輸流程要求計量間回油溫度必須高于聯合站回油溫度.

由圖3可知，聯合站摻水溫度分別為85.80，70.55，63.14，53.95，43.57 ℃時，計量間回油溫度分別比聯合站高8.95，7.51，6.46，5.04，3.25 ℃.計量間回油溫度高，造成其環路能耗大.由圖4可知，聯合站維持低溫摻水(43.57 ℃)，計量間環路能耗為3 903 MJ/d，占總能耗的49%，計量間環路能耗較大.不改變各環管路集輸條件，要降低計量間各環路能耗，需要降低各環回油溫度，但考慮保證聯合站回油溫度時，需使計量間回油溫度高于聯合站回油溫度，從而使各環回油溫度不低于聯合站溫度，成為常規環狀摻水集輸流程的節能“瓶頸”.借鑒U型地下埋管換熱器的“熱短路”現象，提出 “人為制造”計量間內摻水管段和回油管段進出口的“短路效應”，即控制計量間和聯合站回油溫度一致，通過短管連接計量間內摻水管段和回油管段使部分熱水直接輸入回油管段，從而提升計量間出口回油溫度，滿足聯合站回油溫度的要求.采用新環狀流程方法后計量間環路回油溫度降低，使環路能耗減小，減低計量間環路能耗，從而解決常規的環狀摻水集輸流程的節能“瓶頸”.改造圖2流程的結果見圖5.

圖5 新環狀摻水集輸流程

2 新環狀流程能耗

不考慮計量間內短管油水摻混損失，其余模型假設同前，則系統能耗僅為熱能消耗，新的環狀流程能量平衡模型為

(7)

(8)

t3c2m3+t4c3m2=t5c4(m3+m2),

(9)

(10)

t2c7m4+t6c5(m2+m3)=t7c6(m1+m3+m2),

(11)

(12)

式(7-12)中：c7為計量間摻水管段和回油管段混合流體比熱容；m3為環路1摻水流量，其余參數同前.

圖6 新環路各點溫度分布曲線

計量間回油溫度為28 ℃，其余計算參數同前.計算結果見圖6-8.由圖6可知，環路內各點溫度變化趨勢同圖3基本一致，但計量間回油溫度降低，導致環路內t3、t5和t7溫度明顯偏低.由圖7可知，在相同的摻水溫度下，新環狀流程滿足系統運行的能耗減小，聯合站摻水溫度43.57 ℃時，同常規流程相比系統總能耗減小721 MJ/d，而其計量間環路能耗為1 429 MJ/d，僅占總能耗的20%，說明采用新流程后，計量間環路能耗明顯減小.由圖8可知，采用新的流程后，由于系統能耗降低，在相同的摻水溫度下，新環狀流程滿足系統運行的摻水量減小，聯合站摻水溫度43.57 ℃時同常規流程相比摻水量減小11.08 m3/d.

圖7 常規和新環狀流程能耗隨摻水溫度變化曲線

圖8 常規和新環狀流程摻水量隨摻水溫度變化曲線

3 結論

(1)回油溫度和油井產液條件不變，摻水量增加，環路溫度降低.聯合站摻水溫度越高，環內溫度波動越大；摻水溫度高，系統能耗大，摻水量低，摻水量和系統能耗隨溫度變化曲線存在交叉點，說明通過調整摻水溫度降低系統總能耗的理論可行性存在.

(2)為降低計量間各環路能耗，需要降低各環回油溫度，考慮保證聯合站回油溫度時，需要使計量間回油溫度高于聯合站回油溫度，且各環回油溫度不低于聯合站回油溫度.

(3)提出一種新的環狀摻水集輸環路.降低計量間環路回油溫度，考慮 “人為制造”計量間內摻水管段和回油管段進出口的“短路效應”，使部分熱水直接輸入回油管段，從而提升計量間回油溫度，滿足聯合站回油溫度的要求.

(4)新的環狀摻水集輸環路滿足系統運行的摻水量和系統能耗大幅度減小.計量間內環路回油溫度降低，計量間環路能耗約減小20%.