油田采集系統火用 效率計算及其影響因素分析

董珊珊，王為民，劉廣鑫，鐘 鳴，孫東旭， 賈馮睿，趙 桐

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001； 2. 黑龍江省海林林業局，黑龍江 海林 157100）

模擬與計算

油田采集系統火用 效率計算及其影響因素分析

董珊珊1，王為民1，劉廣鑫1，鐘 鳴1，孫東旭1， 賈馮睿1，趙 桐2

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001； 2. 黑龍江省海林林業局，黑龍江 海林 157100）

針對油田采集系統能源利用率低，用能不合理等問題。運用“灰箱”模型分析方法，建立了油田采集系統火用 模型，對國內某油田注采及集輸系統進行火用 效率和熱效率計算。分析了注采子系統操作參數（注蒸汽壓力、注蒸汽干度）和集輸子系統操作參數（加熱爐進風溫度）影響其火用 效率和熱效率的因素及其變化規律。研究表明，注采子系統火用 效率和熱效率隨著注蒸汽干度的增大而減小；隨著注蒸汽壓力增大而升高。其中，注蒸汽干度每增大10%，注采子系統火用 效率約降低1.4%，熱效率降低0.4%；注汽壓力每提高0.5 MPa，注采子系統的熱效率提高0.3%；火用 效率基本不變。集輸系統火用 效率和熱效率隨著加熱爐進風溫度的增大而增大，進風溫度每增大10oC，注汽鍋爐火用 效率約增大0.23%，熱效率也約增大0.23%。

采集系統；灰箱模型；火用 效率；熱效率

我國的能源資源相對貧乏，能源工業生產造成環境破壞很大，而油田采輸系統更是能源消耗大戶。在稠油生產過程中，油田采輸系統各環節均存在不同程度的能量損失。因此，進行油田采輸系統的熱力學分析，尤其是針對采集系統火用 效率的研究，可直接降低采輸系統能耗，對油田節能降耗提供依據。

火用 指能量、物質系統在只有環境作用的條件下，經歷可逆過程達到與周圍環境狀態平衡時能產生的最大可用功。火用 分析是根據進出系統火用 的不平衡發現不可逆火用 損失，對系統的物質、能量利用狀況給出全面評價的分析方法[1]。火用 分析的發展日趨成熟，它作為科學用能理論被廣泛應用于工程實際。目前，美國已經將火用 方法用于熱力系統的經濟分析當中。針對火用 效率問題，丁云飛建立了熱泵再生的除濕轉輪系統火用 效率模型[2]。陳立新利用火用 效率對汽輪機組給水加熱系統進行了分析，給出了汽輪機組熱力系統通用火用 矩陣方程[3]。羅向龍建立低品位熱能發電系統火用 分析模型并對郎肯循環循環余熱發電機進行了火用 效率分析[4]。陳紹凱在研究高壓天然氣壓力火用 數學模型基礎上，對壓力回收與利用的經濟性進行了分析[5]。然而，鮮有針對于油田采集系統進行火用 分析。基于此，本文對油田采注子系統和集輸子系統擬建立“灰箱”分析模型，并對其分別進行火用 分析。通過計算國內某油田采集系統火用 效率，系統分析了油田注采、集輸系統火用 效率和熱效率影響因素。

1 油田采集系統模型的建立

1.1 采集系統火用效率模型的建立

采油蒸汽驅以及水平井和直井的蒸汽輔助重力泄油，將注采子系統抽象成換熱器模型，假設有兩種能量流進行換熱，一種為從注入蒸汽到采出混合流油品的能量流，另一種為地下含油巖層。對采集系統當做灰箱模型進行能量分析。如圖1所示。

圖1 采集系統的灰箱模型Fig.1 Grey box model of collection system

1.2 采集系統火用效率及熱效率計算方程的建立注采子系統供給火用 為：

式中：Exf為進入注采子系統的蒸汽火用 ，kJ/h；Exc1為注采子系統消耗的電火用 ，kJ/h。

注采子系統有效火用 ：

式中：Q為注采子系統加熱油層的熱量，kJ/h；oilT為油層的溫度，K；Tm為采出油品混合物的溫度，K。

注采子系統火用 損為：

式中：Exq1為注采子系統的火用 損，kJ/h。

注采子系統火用 效率為：

注采子系統能損系數為：

集輸子系統供給火用 為：

式中：Exg2為進入集輸子系統的燃料火用 ，kJ/h；Exc2為集輸子系統消耗的電火用 ，kJ/h；ExA為進入集輸子系統加熱爐空氣的物理顯火用 ，kJ/h；Exw為進入集輸子系統的油品混合物物流火用 ，kJ/h。

集輸子系統原油提高的能量定義為有效火用 ，則：

式中：Exo為外輸稠油的火用 ，kJ/h； E'xo為采出油品混合物中稠油部分的火用 ，kJ/h。

集輸子系統火用 損為：

式中：Exq2為集輸子系統的傳熱及不可逆火用 損，kJ/h；Ext為分離出的污水帶走的火用 ，kJ/h。

集輸子系統的火用 效率為：

1.3 案例計算

1.3.1 注采子系統的案例計算

以國內某油田為例，利用注采子系統要參數如表1所示，對其進行火用 效率和熱效率計算，火用 計算結果詳見表2，熱效率計算結果如詳見表3。

表1 注采子系統主要參數表Table 1 The main parameters of injection production system

表2 注采子系統火用 效率計算結果Table 2 The calculation results of exergy efficiency of collecting system

表3 注采子系統熱效率計算結果Table 3 The calculation results of thermal efficiency of collecting system

1.3.2 集輸子系統的案例計算

以國內某油田為例，利用集輸子系統主要參數如表4所示，對其進行火用 效率和熱效率計算，火用 計算結果詳見表5，熱效率計算結果如詳見表6。

表4 集輸子系統主要參數表Table 4 The main parameters of gathering system

表5 集輸子系統火用效率計算結果Table 5 The calculation results of exergy efficiency of gathering system

表6 集輸子系統熱效率計算結果Table 6 The calculation results of thermal efficiency of gathering system

2 油田注采系統火用效率和熱效率影響因素分析

2.1 油田注采系統火用 效率和熱效率影響因素分析

2.1.1 注蒸汽干度對火用 效率及熱效率的影響

依據表1中注采子系統基本參數，分別計算注蒸汽干度在55%～100%區間變化，得出注蒸汽干度與火用 效率和熱效率的關系如圖2所示。

圖2 蒸汽干度與注采系統火用效率和熱效率關系圖Fig.2 The relation of steam quality with exergy and thermal efficiency of injection production

分析圖2可知，注采子系統火用 效率、熱效率與注蒸汽干度基本呈線性關系，且火用 效率、熱效率隨注蒸汽干度的增大而降低。注蒸汽干度每增大10%，注采子系統火用 效率約降低1.4%，熱效率降低0.4%。因此，在注采子系統中安裝干度控制器，通過儀器檢測并持續調節注蒸汽干度[6]。

2.1.2 注汽壓力對火用 效率及熱效率的影響

通過改變表1中注汽壓力為17～25 MPa其他參數保持不變，計算分別得到在不同注汽壓力下注采子系統的火用 效率和熱效率如圖3所示。

圖3 注汽壓力與注采系統火用效率和熱效率關系圖Fig.3 The relation of steam injection pressure with exergy and thermal efficiency of injection production

如圖3所示曲線，將注汽壓力從17 MPa提高到21.5 MPa的情況下，注采子系統的熱效率從提高到，火用 效率從提高到。注采子系統的熱效率和火用 效率隨著注蒸汽壓力的提高而逐漸增加。注蒸汽壓力每提高0.5 MPa，注采子系統的熱效率提高0.3個百分點。而注采子系統的火用 效率基本不變。

2.2 油田集輸系統火用 效率和熱效率影響因素分析

2.2.1 加熱爐進風溫度對熱效率及用效率的影響

以表4中油田集輸子系統基本參數為基礎，分別計算加熱爐進風溫度在20～110oC區間變化時，集輸系統火用 效率和熱效率，得出進風溫度與集輸系統火用 效率與熱效率關系如圖所示4。

圖4 加熱爐進風溫度與集輸系統火用效率和熱效率關系圖Fig.4 The relation of inlet air temperature with exergy and thermal efficiency of gathering system

分析圖4可知，加熱爐進風溫度與集輸系統火用效率、熱效率基本呈線性關系，且集輸系統的火用 效率、熱效率隨進風溫度增大而增大。進風溫度每增大10oC，注汽鍋爐火用 效率約增大0.23%，熱效率也約增大 0.23%。在實際生產中，增大進風溫度，在提高了集輸系統火用 效率、熱效率的同時，也增大了預熱空氣成本，因此，各方面綜合考慮后，進風溫度通常選擇30～40 ℃。

2.2.2 分離出的污水對熱效率及火用 效率的影響

由于分離出的污水流量較大，溫度較高，攜帶的能量較高，約占集輸子系統的總供給能量的。一般在實際生產過程中，直接回注地下或者排放掉，造成了大量的能量損失，如果我們把這部分能量回收利用起來，可使現行的火用 效率從提高到。

綜上所述，集輸子系統熱效率及火用 效率隨著加熱爐進風溫度的提高而增大。分離出的污水攜帶的能量，若利用起來，能使集輸子系統的火用 效率有一定的提高。

3 結 論

本文運用“灰箱”模型分析法，建立了油田采集系統的火用 效率和熱效率計算方程，并以國內某油田的注采子系統和集輸子系統為例對其火用 效率和熱效率進行了計算，分別探討注采子系統操作參數（注蒸汽壓力、注蒸汽干度）和集輸子系統操作參數（加熱爐進風溫度）影響其火用 效率和熱效率的因素及其變化規律，研究結果表明

（1） 在油田注采子系統操作參數中，影響注采系統火用 效率和熱效率的主要影響因素為：注蒸汽壓力和注蒸汽干度2個影響因素。注采子系統火用 效率和熱效率隨著注蒸汽干度的增大而減小；隨著注蒸汽壓力增大而升高。

（2） 其中，注蒸汽壓力對油田注采子系統火用效率和熱效率影響最大，注氣干度影響次之。

（3）在集輸子系統操作參數中，影響集輸系統火用 效率和熱效率的主要影響因素為：加熱爐的進風溫度和分離出的污水攜帶的熱量。

（4）集輸系統火用 效率和熱效率隨著加熱爐進風溫度的增大而增大，進風溫度每增大10oC，注汽鍋爐火用 效率約增大0.23%，熱效率也約增大0.23%。

（5）分離出的污水攜帶的能量，若利用起來，能使集輸子系統的火用 效率有一定的提高。

［1］ 蔣愛華，梅熾，時章明. 泛火用 分析方法及其應用[J]. 中南大學學報（自然科學版），2011，42（2）:527-532.

［2］ 丁云飛，吳會軍，樂明. 基于熱泵再生的除濕轉輪火用 效率分析[J].重慶大學學報，2011，34：72-74.

［3］ 陳立新，李巖，田松峰，閆麗濤. 汽輪機組熱力系統熱經濟性火用 分析[J].熱力發電，2011，40（2）：29-34

［4］ 羅向龍，許樂，譚立鋒，陳穎. R245fa有機朗肯循環余熱發電系統火用 分析[J].節能技術，2012, 30（2）：131-141.

［5］ 陳紹凱，李自力，雷思羅，王瑤.高壓天然氣壓力能的回收利用技術[J]煤氣與熱力，2008， 28（4）：1-10.

［6］ REDUSCL, SCHOENDM, CHIENSF. Kern River Field Test of a Steam Quality Measurement Technique[C] Proceedings 1988 California Regional Meeting. Richardson: Society of Petroleum Engineers, 1988: 423-430.

Calculation and Influence Factors of Exergy Efficiency of Oil Collecting System

DONG Shan-shan1,WANG Wei-min1,LIU Guang-xin1,ZHONG Ming1,SUN Dong-xv1,JIA Feng-rui1,ZHAO Tong2

（1. College of Petroleum Engineering,Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001, China; 2. Heilongjiang Hailin Forestry Bureau , Heilongjiang Hailin 157100, China)

According to the problems about the oil collecting system with low energy utilization rate and unreasonable energy use, the “grey box”analysis method was used to establish the exergy analysis model of the oil collecting system, exergy efficiency and thermal efficiency of steam injection production and gathering system of a domestic oilfield were calculated. The operation parameters of the injection production system (steam injection pressure, steam quality) were analyzed as well as the operation parameters of gathering system (inlet air temperature of heating furnace), the influence factors and change rules of exergy efficiency and thermal efficiency. The research results show that, along with the steam quality decreasing and steam injection pressure increasing, the exergy and thermal efficiency increase. Among them, when steam quality increases by 10%, the exergy efficiency of the collecting system reduces about by 1.4%,the thermal efficiency reduces about by 0.4%;when the steam injection pressure increases by 0.5 MPa, the thermal efficiency increases about by 0.3%, the exergy efficiency is the basic same. With the inlet air temperature increasing, the exergy and thermal efficiency of the gathering system increase. When the inlet air temperature increases by 10oC,the exergy efficiency and thermal efficiency of the gathering system increase about by 0.23%.

Collecting system; Grey box model; Exergy efficiency; Thermal efficiency

TK 222

： A

： 1671-0460（2015）03-0601-04

遼寧省高等學校科學研究一般項目，項目號：L2014146。

2014-10-21

董珊珊（1989-），女，河北秦皇島人，在讀碩士，遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，研究方向：油田稠油采集效率研究。E-mail：13898321964@163.com。