偏遠小型油田環狀集輸流程優化運行模型

劉新宇 青海油田鉆采工藝研究院

偏遠小型油田環狀集輸流程優化運行模型

劉新宇 青海油田鉆采工藝研究院

環狀集輸流程在小型偏遠油田應用廣泛，自2000年以來，青海油田雖然長期保持穩產，但每年的標煤消耗有逐年上升的趨勢。依據能量守恒定律建立了涵蓋全熱水溫降模型、油氣水介質溫降模型、熱水與油氣水混合介質溫降模型、油氣水與油氣水混合介質溫降模型的環狀集輸流程溫降模型，以求解環狀管道各處的溫降數值；同時建立能耗計算模型，根據流程系統溫差計算能量損耗值。該模型成功應用于青海油田各個環狀集輸流程，適應性強，操作簡便，有效解決了該油田環狀集輸流程長期存在的高能耗問題。

環狀集輸流程；溫降模型；能耗模型；溫度；優化

青海偏遠小型油田生產管理水平比較傳統，生產模式較為粗獷，在為國家源源不斷提供工業油流的同時，也消耗了大量的其他能源。自2000年以來，該油田雖然長期保持穩產但每年的標煤消耗有逐年上升的趨勢[1]。

環狀集輸流程在青海小型油田應用廣泛，單位原油處理需消耗天然氣50 m3以上，遠超油田其他集輸作業平均能耗。目前環狀集輸流程的生產管理多依靠工人的經驗進行，缺乏系統、準確的操作規程[2]。因此，對環狀集輸流程進行優化運行模型研究是油田節能降耗、提高單位能耗下生產效率的有效手段之一。

1 環狀集輸流程

環狀集輸管道由熱水管道和油氣水混輸管道組成，其中熱水管道居于整個環狀集輸管道起始位置，油氣水三相混輸管道分布在熱水管道后續各個井眼之間。各個油井井眼采出油流一般為油氣水三相混合物，尤其是處于中老區塊含水上升階段的油井，采出液中含水量更高，三相混合物在環狀集輸管道中以復雜的多相管流模式流動。青海偏遠小型油田環狀集輸流程簡圖見圖1，該流程可分為以下四部分[3]：

（1）純熱水流動段。純熱水流動段是指熱水從計量站流出到第一口油井產出液相互混合前的流動階段，此管段中只有純熱水一相流體流動。

（2）熱水與油氣水混合流動段。該階段是指純熱水初遇第一口油井油氣水混合物后的流動階段，緊鄰純熱水流動段。

（3）油氣水三相混合物與油氣水三相混合物混合流動段。該階段是指上一階段熱水與第一口油井混合物混合降溫后的混合液與下一口油井產出液的混合階段。該階段混合液溫度進一步降低，并繼續與后續油井產出液混合，完成混合—降溫—再混合—再降溫的流動過程。

（4）回流段。該階段中環狀管道收集的各個油井產出液相互混合最終回流計量間，完成整個集輸流程。

圖1 偏遠小型油田環狀集輸流程

2 模型建立

環狀集輸流程是一個集多種儀表、閥門、管道于一體的復雜輸油流程。同時，各個流動階段由于所輸送流體性質不同，所采用的管道材質也有所不同。為滿足該油田節能降耗的作業要求，尋求建立環狀集輸流程運行模型以研究流程溫降規律、計算流程能耗、優化流程參數。依據能量守恒定律建立了介質溫降模型。

2.1 全熱水介質溫降模型

從計量間至第一口油井之間為全熱水介質流動段，該階段溫降模型為

式中L為任意一點至管道起始端的距離（m）；TL為距管道起始端L處的溫度（K）；T0為管道外環境溫度（K）；TQ為管道起始端溫度（K）；Ws為熱水質量流量（kg/s）；c為熱水的比熱（J/(kg·K)）；K為管道傳熱系數（W/(m2·K)）；D為管道直徑（m）。

2.2 油氣水介質溫降模型

假設流體混合均勻，進行一維穩定流動，油氣水三相管流溫降模型采用劉曉燕提出的考慮土壤周期性溫度變化的溫度計算公式為[4-5]

式中T為任意位置流體溫度（℃）；Ti為起始端溫度（℃）；Tam為大氣溫度均值（℃）；Tmax為大氣溫度最大值（℃）；θ為管道與地面夾角（rad）；Δp為起始端與目的節點壓差（Pa）；H為管道埋深（m）；λt為土壤導熱系數（W/(m·K)）；α為地表大氣間復合換熱系數（W/(m2·K)）；-cp為油氣水混合物折合比熱（J/(kg·K)）；η為湯姆遜系數（℃/Pa）；cpl為液體的比熱（J/(kg·K)）；cpg為氣體比熱（J/(kg·K)）；τ0為年周期時間（s）；τ為距大氣溫度最熱時的時間（s）；a為土壤導溫系數（m2/s）；W1為液體質量流量（kg/s）；Wg為氣體質量流量（kg/s）。

2.3 熱水與油氣水混合介質溫降模型

當純熱水經過第一口油井時，與其產出液相混合，根據能量守恒定律可求得其混合后溫度

式中Ts、Tl、T分別為熱水、油氣水混合物、熱水與油氣水混合后混合液的溫度（℃）；Ws、Wl分別為熱水、油氣水混合物的質量流量（kg/s）；cs、cl分別為熱水、油氣水混合物的比熱（J/(kg·K)）。

2.4 油氣水與油氣水混合介質溫降模型

當管流經過第一口井后即變為油氣水三相混合液，再經過其他井口與其所產液體混合時即為油氣水與油氣水的混合，根據能量守恒定律可求得其混合后溫度為

式中Tl1、Tl2、T分別為上游油氣水、當前井產油氣水、前兩者混合后的混合液溫度（℃）；Wl1、Wl2分別為上游油氣水、當前井產油氣水的質量流量（kg/s）；cl1、cl2分別為上游油氣水、當前井產油氣水的比熱（J/(kg·K)）。

2.5 能耗計算模型

由上述四個運行模型的溫降計算模塊，即可獲得環狀集輸流程中任意一點的溫降，環狀集輸流程總溫度下降值為各個管段溫度下降之和。由此，可進一步進行能量消耗計算。環狀集輸流程能量消耗分為熱能消耗和動能消耗兩種，但由于熱能消耗占據能量消耗的絕大部分，可達99%以上，故此處忽略動能消耗，建立環狀集輸流程能量消耗模型。能量消耗求解公式為

式中Q為能量消耗（kW）；cs、ch分別為熱水、混合物的比熱（kJ/(kg·K)）；Ws、Wh分別為熱水、混合物的質量流量（kg/h）；Tj為j點的溫度（℃）；Ti為i點的溫度（℃）。

3 模型檢驗

3.1 能耗計算

結合初始數據，通過改變熱水摻入量和熱水溫度，由環狀集輸流程優化運行模型計算得到青海油田某區塊不同參數下能量消耗的數值，如表1所示。

表1 某區塊環狀集輸流程能耗

3.2 能耗優化

由表1不同參數下的能耗計算結果可以看出：①相同熱水摻入量下，熱水溫度越高，能量消耗越大，油田運營成本越高；②相同熱水溫度下，熱水摻入量越多，能量消耗越大；③能耗對熱水溫度較為敏感，水溫稍有變化，能耗波動較大；④對熱水摻入量不敏感，摻入量的增加導致能耗增加，但增加量很小。

因此，油田環狀集輸流程節能降耗的關鍵是在保障工程穩定安全運行的前提下，盡量降低熱水水溫。如果環狀集輸管道內流體流動受阻，可在一定范圍內通過增加熱水摻入量，控制水溫，達到節能降耗、節約成本的目的。

4 結論

偏遠小型油田環狀集輸流程是一個結構復雜的油氣集輸處理系統。基于環狀集輸基本流程建立的集輸流程優化運行模型，充分考慮油、氣、水三相流的特點，結合地層和大氣溫度因素，能夠準確地計算出環狀管道各處的溫度下降數值。該模型以管道各處溫降為數據基礎，進一步計算出整個流程的能量損耗。通過比對不同參數下最終環狀集輸流程的能量損耗結果，得知該流程最優的節能降耗方式是在保持安全、穩定混輸的狀態下，最大限度地降低熱水溫度，減少能量損失。該模型成功應用于青海油田各個環狀集輸流程，適應性強，操作簡便，有效解決了該油田環狀集輸流程長期存在的高能耗問題，為整個油田節能降耗目標作出了重要貢獻，節約了油田成本，提高了油田的生產效率，對油田其他作業項目的節能降耗工作有一定的借鑒意義。

[1]毛前軍．環狀集輸流程安全混輸溫度界限及優化運行管理研究[D]．大慶：大慶石油學院，2009.

[2]毛前軍，劉麗君，劉曉燕，等．油田環狀集輸流程節能運行研究[J]．油氣田地面工程，2009，28（1）：18-19.

[3]劉麗君，劉曉燕，毛前軍．油田環狀集輸流程埋地管道溫降計算方法[J]．科學技術與工程，2009，9（19）：5775-5777.

[4]王樹立，趙志勇．油氣集輸管線溫降計算方法[J]．油氣田地面工程，1999，18（3）：22-25.

[5]劉曉燕，趙軍，石成，等．土壤恒溫層溫度及深度研究[J]．太陽能學報，2007，28（5）：494-498.

（欄目主持張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.5.016