油氣集輸系統節能研究進展

朱夢影， 董彩虹，張迪，張杰

（1. 中國石油大學（北京） 城市油氣輸配技術北京市重點實驗室 油氣管道輸送安全國家工程實驗室，北京 102249;2. 中國石油天然氣股份有限公司北京油氣調控中心，北京 100007; 3. 中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司，北京 100083）

油田地面工程包括油氣集輸與油氣礦場加工（以下簡稱油氣集輸）、油田采出水處理、供排水、注水、供電等系統。地面工程約占油氣田開發總投資的30%～40%，占氣田投資的60%～70%。其核心是油氣集輸系統，擔負著油氣計量、收集、分離、凈化處理、儲存、以及外輸的重任，同時也消耗著大量的能量，是油田生產中的主要耗能環節之一[1]。隨著許多老油田進入開發后期，開發難度和油氣處理的難度急劇增加，單位產量的能耗逐年上升。而我國正處經濟迅速發展的時期，能源短缺問題日益嚴重，一定程度上影響了社會的可持續發展。因此，做好節能降耗工作，提高集輸系統的能源利用率，降低集輸系統的生產成本，從而降低油田開發系統的生產成本，增加效益，對油田的可持續化發展至關重要。

1 油氣集輸系統能耗特點[2, 3]

（1）油氣水處理能耗高，油氣蒸發損耗高。油田開采后期，原油含水量高達80%以上，使油氣處理難度加大，處理裝置的負荷加大，能耗加大。同時，一些老油田還采用傳統的工藝流程，系統密閉有待提高。

（2）熱負荷分散，產熱設備數量多、運行效率低。油田廣泛采用的加熱爐，平均運行效率低于75%。

（3）普遍采用燃燒高能質的石油燃料以獲取熱能。

（4）生產用電量大，電、熱力采用分產、分供的方式，利用率低。即動力或電力幾乎全部由電網供給，熱能則由小型鍋爐和加熱爐提供。

2 油氣集輸系統能耗現狀和原因[4, 5]

（1）油水比例變化使原來的集輸工藝和設施的不適應性，不匹配性日益嚴重。

例如，進入特高含水開發期后，產油量的減少使外輸泵“大馬拉小車”現象嚴重，電耗大。部分油田還沿用傳統的進站直接加熱升溫、沉降的工藝，造成能源浪費，系統效率降低。

（2）特殊油藏的開發和三次采油技術的推廣以及隨著油含水量、含沙量的增加，加大了油氣集輸系統油氣水分離、原油破乳和污水處理的難度。尤其是對高粘起泡重質原油，采用傳統分離處理工藝效率低、能耗大。

（3）隨著油中含水量的逐年增加和產油量的逐年遞減，油氣集輸系統存在不同程度的超負荷運行和低效現象。而且油田的各類設備，尤其是鍋爐、加熱爐、抽油機、注水泵等主要耗能設備，都普遍存在著不同程度的老化，不能按照有關的標準規定進行周期檢驗和維護，造成效率下降，系統可靠性降低，設備破裂和停產事故幾率增加。

（4）腐蝕是油田開發生產中所面臨的要害問題，管線穿孔，設備腐蝕將影響集輸系統正常運行，如不及時處理，甚至造成停工停產的重大經濟損失。

3 油氣集輸系統的節能進展

目前，國內外許多學者在集輸系統節能降耗的應用研究方面做了大量的工作，取得了良好的應用效果，但多數屬于局部的節能應用。

(1)楊德偉等[6]通過能耗統計數據分析，實地測試用能設備，運用熱力學與傳熱學的知識分析，找出了勝利油田進入高含水階段，聯合站能耗大幅度增加的原因并在此基礎上提出了改進原脫水工藝、對沉降罐進行保溫以及在油水泵上使用變頻調速裝置等節能降耗措施。

張建等[5]闡述了勝利油田圍繞節能降耗、環境保護、提高集輸工藝系統效率等方面，采用了游離水脫除、液一液旋流分離、水力旋流除砂、變頻調速等一系列新技術，高了集輸工藝技術水平，達到了節能降耗的目的，形成了油田集輸系統的一套的節能降耗技術。

以上兩項研究均為勝利油田的節能降耗工作給出了指導。

（2）胡亞范等[7],在熱泵余熱回收技術的原理基礎上，探討了應用熱泵技術的條件及其產生節能、經濟效益的計算方法。針對集輸系統余熱熱泵回收技術，詳細分析了余熱回收利用的方法，對應用中出現的關鍵性問題進行了系統的論述。

王洪星等[8]采用高溫熱泵機組回收油田污水中的熱量用于加熱原油，充分利用了油田污水的余熱，既減少了日益緊張的燃料消耗，又減少了環境污染，具有良好的應用前景。

這兩項研究均展現了熱泵技術由于回收污水余熱的良好前景。

（3）狄小勇等[9]通過分析得出聯合站污水余熱具有很高的回收利用價值，并利用污水換熱器，對聯合站的污水的實現熱能回收再利用，對油田污水廢物利用提供了借鑒。

（4）龍鳳樂等[10]以油氣集輸系統為研究對象，建立了能量平衡模型，對集輸系統用能進行了評價計算，找到系統用能的薄弱環節，并根據結果制定了提高集輸系統能量利用率的措施，為集輸系統的節能改造提供了科學的理論依據.

（5）楊肖曦等[11]以油氣集輸系統為研究對象，通過建立系統（火用）平衡模型，對集輸系統進行(火用)平衡分析，并對用能現狀進行評價，找到系統耗能的薄弱環節，并提出了相應的節能措施，該模型為集輸系統的節能分析和改造提供理論依據。

(6)謝焜 等[12]詳細分析了大港油田集輸系統中集油、輸油、油氣處理、熱力和污水處理各個環節的生產工藝、存在問題和節能潛力點等，并針對問題提出今后節能工作的建議。應用油井單管常溫輸送技術簡化集油系統工藝流程;采用越站輸送方式減少原油進站升溫、升壓次數;應用高效的油氣和污水處理裝置，縮短脫水和污水處理工藝;試驗新型節能燃料;通過供注水系統優化實現油田產出污水零排放。為其他油田的節能研究分析提供了思路，是很好的節能案例。

（7）文獻[13]渤西油田通過改進分離，處理和回注近海的能力，大多的產生水在主生產平臺的分離器中分離處理，并通過GLCC(氣液圓柱形旋流分離器)等手段在擁擠的平臺將氣體和液體分離并重新注入系統，而且通過更新陸上和中心平臺處理系統，使產出水的處理效率大大提高，實現了生產排水減量以及減少管道能耗，做到節能環保的要求。它是渤海灣一個創新在處理系統中使用GLCC分離氣體和液體的案例，為渤海灣后期的油田的可持續發展提供了借鑒。

（8）田玉江[14]分析了華北油田利用地熱資源代替部分燃油節能降耗的可行性。針對地熱水的腐蝕問題，采用地熱間接利用系統，熱水梯級利用方式，提高地熱的利用率。對管道伴熱系統進行數值模擬，繪制地熱利用系統的能流程圖，對改造前后系統經濟效益進行分析。為其他油田利用地熱資源代替燃油加熱實現節能降耗提供了參考價值。

（9）周英明[15]以大慶地區某一低產油田作為研究對象，建立了節點能量平衡模型，并進行了現場測試找出系統中低效，高耗能的薄弱環節，針對性地提出各節點的降耗的措施，預測了改造后低產油田集輸系統能耗情況。

劉曉燕等[16]以大慶外圍低滲透油田集輸系統的生產現場作為研究對象, 建立油田集輸系統優化運行模型，并編制節能管理軟件。將該研究應用于現場后節能效果顯著。

（10）Vladimir Shumilin[17]以進入開發后期產液量不斷上升的油井的計量為研究對象，針對采用了多相流量計計量的井，提出一系列現場的節能操作使深井泵的工作更加高效，提高油氣的生產速度，減少產水率，達到節能降耗的效果。

4 油氣集輸系統的節能措施和新技術推廣

針對上述的油氣集輸系統能耗特點和原因，以及前人的研究成果，通過新技術的推廣可以達到節能降耗的目的。

4.1 原油降溫集輸技術

隨著油田進入高含水期，傳統的集油工藝技術，消耗大量熱力和電力。近年來，各大油田都在大力推廣原油降溫集輸技術。例如遼河油田的稠油集輸系統[18]，將三管伴熱輸送流程，改為井口摻液輸送雙管流程，有效降低了成本。大港油田應用單管常溫集油技術簡化原有的集油系統工藝流程，通過在單管加熱流程上取消井口加熱爐后，精減了加熱保溫系統，降低投資和管理成本，節能效果顯著。

梁釗[4]提出當含水率超過轉相點而產液量低于100 t/d或者處于轉相點周圍的油井可以采用降溫集油方法，不同情況相應的措施有：不加劑摻常溫水、加流動改進劑、降低摻水溫度。

目前，單管常溫集油、雙管不加熱集油、摻低溫水環狀不加熱集油、低溫采出液游離水脫除、離心泵輸送低溫含水原油等技術在大慶等多個油田得到推廣并取得良好效果[2,18]。

4.2 加熱爐節能措施

加熱爐是油氣集輸系統中的重要供熱設備，影響其效率的因素有：爐型結構、燃燒器、爐膛熱損失、空氣系數、排煙溫度、余熱回收等。

目前，加熱爐節能技術應用[20]有：1）高效燃燒器；2）真空加熱爐；3）加熱爐優化運行監控系統；4）加熱爐安裝物理清洗裝置；5）加熱爐引射式輻射管；6）加熱爐涂層。

降低加熱爐耗能可從以下幾個方面入手[2,4]：

1）首先，要選擇高效加熱爐，如高效的燃燒器、真空加熱爐等。2）其次，加強管理，控制加熱爐的工作參數，合理調整空氣系數，減少不必要的熱損失。例如，采用無機傳熱余熱利用裝置、高溫節能涂料和自動比例式轉杯燃燒裝置等節能技術。3）定期維護，除垢，緩解加熱爐的腐蝕、損壞狀況。此外，節能還可以采用新技術：多井式加熱爐。多井式加熱爐是一臺加熱爐可以同時對 2～4口氣井進行加熱和節流，可以同時滿足高壓氣井節流加熱的需求。

4.3 油氣混輸技術

油氣混輸技術是海洋石油工業的一門新興技術，是將井口流出物中的油、氣、水三相介質，在未經分離的情況下，直接用混輸泵經海底管道泵送到油氣水處理終端進行綜合處理的工藝流程。傳統的海洋油氣集輸工藝，需要分離器、外輸泵、壓縮機以及獨立的油、氣、水海底管道，不僅設備眾多，投資大，而且管理成本高。隨著油氣混輸技術的推廣，僅需混輸泵和混輸管道即可實現外輸，減少了設備的投資和海洋平臺的占地，增加了單井采收率，直接增加了海上油氣田的效益，因此混輸技術具有很好的應用前景。錦州 20-2凝析氣田是我國第一條應用了油氣混輸管輸的海上氣田。

4.4 節能降耗配套技術

（1）采用大罐氣體回收設備。在聯合站的油罐上安裝大罐氣體回收裝置，并逐步取消一批單井拉油罐，更換為密閉輸送，減少油田油氣損耗。

（2）采用節能異型抽油機，提高單井節能。例如，大慶油田[21]開發了包括兩項創新梁式泵機組，三節能電機，以及兩個創新的控制設計。游梁式抽油機系統的效率在使用了這些創新的節能技術后大大提高。以及針對大慶的衛星油田[22]的特點，近年來應用電潛往復泵送系統（ESRP）代替游梁式抽油機，取得明顯節能效果

（3）污水處理采用高效的除油技術，簡化為一級除油和一級過濾流程；對部分水質要求較低的污水站采用高效多功能處理技術。熱泵回收含油污水余熱技術，利用熱泵能將低品位熱能轉換成高品位熱能，從而提高能源的有效利用率。例如，大慶油田采用壓縮式熱泵方案，勝利油田采用吸收式熱泵方案，回收含油污水低品位余熱，節能效果十分顯著[2]。

4.5 其他節能技術和措施

（1）尋找燃油的替代品。目前，國內已經開發和應用水焦漿、水煤漿和油焦漿等新型燃油替代品。

（2）為解決外輸泵“大馬拉小車”現象，用高效泵代替低效泵，大泵代替小泵，加強輸油泵的維護，使輸油泵的運行將更加平穩，提高泵效。以往通過節流調節泵的排量，經濟性差。采用變頻調速技術，則可通過改變變頻器的輸出頻率來改變同步轉速，實現電機的凋速，從而改變泵的排量、揚程，實現經濟運行。

（3）ZGM超導節能加熱器推廣應用；用（LACT）撬裝式計量車裝置實現無人值守；智能溫壓控制裝置應用等。

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