蒸汽驅地面混輸系統能量綜合利用?分析

周志強，劉德俊，關 麗，梅宏林

（1. 遼寧石油化工大學 天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001; 2. 遼河油田油建二公司，遼寧 盤錦 124000）

蒸汽驅地面混輸系統能量綜合利用?分析

周志強1，劉德俊1，關 麗1，梅宏林2

（1. 遼寧石油化工大學 天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001; 2. 遼河油田油建二公司，遼寧 盤錦 124000）

遼河油田大部分稠油主力區塊已進入蒸汽吞吐后期開發階段，為了提高稠油油藏采收率，保持產量觃模的穩定，采用向地下注入大量蒸汽提高油層溫度的蒸汽氣驅方法來開采原油；初步預測最高溫度可達到150 ℃，如何利用高溫采出液所攜帶的能量成為蒸汽驅開采石油問題的關鍵所在。高溫采出液可在井口、計量站和聯合站三個地方換熱來回收能量，如何確定那種換熱方式使熱能回收率最大化？通過計算在井口、計量站和聯合站三種換熱方式的?效率方法來進行比較，得出在聯合站換熱?效率最大為85%；同時，在聯合站換熱投資最小，為遼河油田進行蒸汽驅開發提供技術支撐。

蒸汽驅；高溫采出液；效率；能量回收

近年來遼河油田大部分稠油主力區塊已進入蒸汽吞吐后期開發階段，為了提高稠油油藏采收率，保持產量觃模的穩定，采用向地下注入大量蒸汽提高油層溫度的蒸汽氣驅方法來開采原油，但在蒸汽驅開發不同的時期，其井口的產出液溫度、流量、壓力、含水量等參數都將發生變化，特別是井口的產出液溫度將逐漸大幅度提高，初步預測最高溫度可達到150 ℃，如此高溫的井口采出液溫度必將提供較大的剩余熱能，如何有效的回收和利用這部分剩余的熱能，降低生產運行費用，提高蒸汽驅開發整體經濟效益。成為問題的關鍵。

熱力學第一定律從能量“量” 的屬性出發闡述了能量轉換所必須遵循的觃律， 以熱效率來評價熱力系統性能。熱力學第二定律從能量“質” 的屬性出發闡述了能量轉換的客觀觃律， 指出熱力系統能量傳遞與過程轉換的方向性和不可逆性，以熱力系統各點做功能力— ?與系統?效率來評價熱力系統性能與熱力循環的完善程度。?是系統向周圍環境變化幵達到與環境狀態( 溫度和壓力) 相同時能夠做的最大可用功[1]。

通過對蒸汽驅集輸系統進行傳熱和?分析， 幵計算系統效?率， 由此對在井口、計量站和聯合站換熱方案進行系統熱力學性能評價，確定最優方案。

1 ?分析系統確定

為了分析便于對蒸汽氣驅能量的評價，首先應確定?分析系統，評價體系是以井口采出液到廢水排放整個過程為研究對象。具體見圖1。

2 蒸汽驅地面集輸系統混輸系統?損失

2.1 集輸管網溫降計算

圖1 ?分析系統圖Fig.1 System Diagram of Energy analysis

假設計量站有n口油井，已知每口油井的日產量、油溫、含水量等參數，計算出第 口油井到計量站的溫降，即得到該口油井產出混合液到達計量站的對應溫度 ,進而計算出此時混合液的比熱 ,設計量站混合液的溫度為。井口和計量站布置見圖2。

圖2 井口和計量站布置圖Fig.2 Layout Diagram of wellhead and the metering station

根據能量守恒：井口到結點的溫降按蘇霍夫溫降公式可以計算，由于井口到計量站距離很短，可以近似成一點計算。由于油流在結點匯合瞬間進行，幾股油流必然發生熱量傳遞，吸熱和放熱相等。即：計量站混合液的溫度為：

同時，可以計算出計量站混合液的日產量 Qz,含水率Hslz。

對于，各個計量站到聯合站出的溫降計算，與井口到計量站溫降計算的思路是相同的，計算時可以把各計量站看成是油井，聯合站看成是計量站。各個井口到計量站距離上的溫降應用蘇霍夫溫降公式計算[2]。

蘇霍夫溫降公式的具體形式為：

式中：

混合液的比熱容c：

計算原油的比熱容時，應用Sigma Plot軟件依據實驗/文獻數據回歸出仸意溫度下原油比熱容的計算公式[3]。

計算水的比熱容時，同樣采用Sigma Plot軟件回歸計算公式。

混合液的密度

計算水的密度時，采用Sigma Plot軟件回歸計算公式。

總傳熱系數K：

式中：d —管道公稱直徑，m。

平均溫度t：

計量站到聯合站之間的溫降計算：

假設共有m個計量站與聯合站相聯系。按上述方法，計算出各個計量站的日產液量，混合液含水率，混合液溫度。計量站與計量站流量匯合時，處理方法與各油井流量匯合相同，即：

按照這種方法，就可以把從各個計量站開始到聯合站間的溫降計算出來，得到聯合站處的溫度，

總的混合液流量，總的含水率。

3 換熱器?計算

3.1 換熱器出口溫度確定

根據油罐總傳熱系數計算公式[4]：

脫水24 h后推定溫度計算公式：

取環境溫度為 6.3 ℃，保證一段脫水溫度為79.6 ℃。這里取80 ℃。

3.2 換熱器選取

根據洛陽石化設計院換熱器計算軟件計算結果為：聯合站換熱換熱器REBOS1100-4.0-415-6/19-6I；計量站換熱換熱器REBOS800-4.0-200-6/19-6I；井口換熱換熱器REBOS500-4.0-55-6/25-2I。

4 系統?分析

蒸汽驅系統是穩態穩流的開口系統，其?平衡方程是用來計算不可逆過程的?損失和?效率的。在整個系統的?分析中，?可分為4個部分：物理?、動能?、勢能?和化學?。在該系統中，不存在因化學反應而引起的?，且忽略動能?和勢能?，于是系統中僅含有物理?。因此，系統的?平衡方程[5]：

式中：ExQ—熱量?，kJ；

Exhrqout—換熱器帶走有效?，kJ；

Exmass,in—流入系統的?，kJ；

Exmass,out—流出系統的?，kJ；

ExL—系統?損失，kJ；

min,mout—流入、流出系統的質量流量，kJ/s；

T0—環境溫度，℃；

Tk—混合液溫度，℃；

Tr—換熱器冷介質出口溫度，℃；

Qk—混合液溫度為Tk的熱源通過邊界傳遞的熱量?，kJ；

Qr—換熱器帶走熱量，kJ；

ψ—單位?損失，kJ/kg，ψ=（h-h0）-T0（s-s0）；

h,s—某溫度和壓力下對應的比焓和比熵，kJ/kg；

h0,s0—在T0,P0下對應的焓和熵，kJ/kg。

（1）系統熱?計算

根據系統?平衡方程：

輸入系統的熱量?：為井口的油水混合物的?，由公式（1）可求得：

式中：Exi,in— 各井口提供的?，kJ。

式中：ΔH—井口到節點的焓差，kJ；

T —節點的溫度，K；

Q—井口到節點的熱量損失，kJ。

（2）換熱器?損失

質量為mg的熱流體從狀態1放熱至狀態2，質量為mc的冷流體從狀態3吸熱至狀態4。取換熱器為系統，幵假設換熱器與環境大氣無熱量交換，且不計冷熱流體的動能和位能的變化[6]。

由熱力學第一定律得

式中：T0—參考環境溫度，K；

S1,S2—高溫混合液流入、流出換熱器的熵，kJ/K；

H1,H2—混合液流入、流出換熱器的焓，kJ；

H3,H4—冷流流入、流出換熱器的焓，kJ；

S3,S4—冷流流入、流出換熱器的熵，kJ/K。

（3）管道?損失Exg：

式中：gi—第i口井流量，kg/s；

hi1—第i口井井口出口溫度下的比焓，kJ/K；

hj—第i口井在第j節點溫度下的比焓，kJ/K；

si1—第i口井井口出口溫度下的比熵，kJ/K；

sj—第i口井在第j節點溫度下的比熵，kJ/K。

（4）出系統的?Exout：

式中：G—廢水排放的質量流量，kg/s；

h1—廢水排放溫度下的比焓，kJ/K；

T—廢水排放的溫度，K，這里取T=353 K。

（5）求得有效?為：

（6）系統過程的?效率為：

以130 ℃為例進行?效率分析結果見表1。

Analysis on Energy Comprehensive Utilization of Ground Mixed Transportation System for Steam Flooding

ZHOU Zhi-qiang1, LIU De-jun1, GUAN Li1, MEI Hong-lin2
(1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University , Liaoning Fushun 113001，China; 2. Liaohe Oilfield Company No.2 Construction Branch, Liaoning Panjin 124000, China)

Most of the main blocks of heavy oil in Liaohe oilfield has entered the late stage of steam soaking development, in order to enhance heavy oil recovery and maintain the stability of the scale production, a large number of steam injection was used to increase underground reservoir temperature for exploitation of crude oil；Preliminary forecast of the maximum temperature can reach 150 ℃, how to use the energy carried by high temperature produced fluid has become a key to the steam driving oil recovery. The energy carried by high temperature produced fluid can be recovered at well heads, metering stations and combination stations. In order to determine the suitable energy recovery way, energy efficiencies of three kinds of heat transfer methods at the well heads, the metering stations and the combination stations were calculated and compared. The results show that the energy efficiency of the heat transfer method at the combination station is the maximum, about 85%; meanwhile, investment of the method is the lowest, and the method can provide technical support for Liaohe oil field development by steam flooding.

Steam soaking; High-temperature fluid; Energy efficiency; Energy recovery

TE 832

A

1671-0460（2014）10-2054-03

2014-04-20

周志強（1988-），男，遼寧遼陽人，遼寧石油化工大學在讀研究生學位，研究方向：從事熱能利用研究。E-mail：443436880@qq.com。