油田節能技術研究綜述

酆春博

摘 要：針對油田開發過程中能耗不斷增加的問題，圍繞油田中的機械采油、集輸、熱力和電力等主要能耗系統進行論述。介紹了各個系統中所采用的節能降耗技術，分析了各項技術的利用情況與優缺點，論述了各項技術在降低能耗、提高能源利用率和提高生產效益等方面產生的效果，展望了未來油田節能降耗技術的發展方向。

關 鍵 詞：油田；能耗系統；節能技術；發展方向

中圖分類號：TE 357 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-2006-05

Abstract： Aiming at the problem of increasing energy consumption in the exploitation process of oil field， main energy consumption systems were discussed， including the mechanical recovery system， gathering and transportation system， thermal system， electric power system. These energy-saving technologies for each system were introduced. The utilization situation of the various technologies was analyzed as well as their advantages and disadvantages. The effect of these technologies was discussed from the aspects of reducing energy consumption， improving energy efficiency， increasing production efficiency. The development direction of the energy-saving technology in the future was prospected.

Key words： oil field； energy consumption systems； energy-saving technology； development direction

隨著能源需求的不斷加大，油氣開發與供應面臨著巨大挑戰。老油田設備老化嚴重和生產工藝的適應性下降，造成了油田生產效率低下、能耗升高[1]；新增油田勘探和開采難度大，石油儲量品位降低[2]。因此，在油田各個主要用能系統中采用高效的節能技術，將有助于油田的節能減排、提高油田的生產效益和能源利用率。

1 機械采油系統節能技術

隨著油田自噴井的能量降低，機械采油已成為主要的采油方式，機采井所占比例達到了98%以上，抽油機能耗達到了油田總能耗的三分之一，成為油田的主要耗能設備[3]。因此，提高機械采油技術是降低油田能耗的有效途徑。

1.1 機械采油系統優化設計

機械采油系統效率主要受到地面和井下等多因素共同影響，主要影響參數包括油井產液量、有效揚程和電機輸出功率等[4]，因此，從地面到井下，應將機械采油系統作為整體，以節能為目標，對各個影響參數進行優化匹配，提高整個系統的能源利用率。目前，由華北油田研發的抽油機優化軟件將機械采油系統統一為整體，確定了合理的優化組合參數[5]。該軟件的應用取得了良好的節能效果，并在各個采油廠得到了推廣應用。

眾學者通過對機械采油系統的大量研究，提出了多種提高機械采油系統效率的優化設計方法。李根[6]采用雙層綜合模糊評價法，將最高效率作為設計目標，建立了機械采油系統有桿泵抽汲參數優化設計模型，該方法在大慶油田的實驗中取得了良好的增油效果。回歸方程法是通過分析大量的機械采油系統效率數據，獲得多個方程，以效率為目標函數，將優選出的參數與實際生產對比分析，最終提高機采系統效率[7]。張勝利等采用系統工程學方法對機械采油系統的優化設計中，在合理且全面確定影響系統效率因素的基礎上，建立了以系統參數敏感性為基礎的數學模型，在華北油田的應用中將措施井的系統效率提高了5.07%[8]。在此基礎上，王芳等[9]將系統效率潛力評價與以參數敏感性為基礎的仿真優化設計相結合，提出潛力評價優化模型，該模型在華北和冀東油田應用中獲得了很好的節能效果。

對比上述優化設計方法，雙層綜合模糊評價法的應用能夠有效的提高產量，更適用于需要提高油井產量的情況；回歸方程法過于局限在數據的來源，存在較大誤差；系統工程學方法中極具代表性的兩種模型在現場應用中體現了很好的節能效果，為機械采油系統的優化提供了方向。

1.2 節能抽油機

隨著油田節能要求的不斷提高，節能型抽油機的研發不斷進步，目前節能型抽油機基本具備了結構簡單、耐用和能耗低等優點。

（1）國外節能抽油機

法國Mape公司研制的長沖程液壓驅動塔架長沖程抽油機[10]，具有結構簡單、不需外加配重的特點，裝機功率較低，節能效率很高。美國Rotaflex長沖程抽油機屬于高性能有桿抽油機[11]，該類型抽油機沖程長、沖次低，使用的減速箱小、電動機功率小，減少了能量消耗，具有很好的節能效果。在適用范圍方面，前者能夠很好的適用于山區等惡劣環境，后者在高含水油井的大排量情況下具有獨特節能優勢。目前國外的抽油機發展已進入自動化和智能化階段。

（2）國內的節能抽油機

雙驢頭抽油機屬于游梁式抽油機類中節能效果較好的一種機型，該機型的沖程長、沖次低，不僅具備了常規游梁抽油機的優點，在提高系統效率和降低能耗方面更具優勢。在孤島采油廠的對比測試中，節能幅度達到了31%[12]；在孤東采油廠中累計使用的90臺雙驢頭抽油機取得了良好的節能效果，并在采油四礦的測試對比實驗中，節能幅度為20%[13]。

偏輪游梁抽油機屬于六連桿機構，現場實驗中，在異形機和非異形機上分別改造為偏輪游梁抽油機，與常規抽油機相比較，節電率分別達到了29.68%和18.09%[14]。偏輪游梁抽油機較大的游梁擺角、較小的扭矩因數和較好的氣動性能，使得該機型在節能方面取得了顯著的效果，但相對于雙驢頭抽油機，該機型在現場應用時，實際工況對桿件尺寸較為敏感，增加了影響節能效果的因素。

彎游梁抽油機是在常規游梁抽油機的基礎上，改變其形狀和安裝位置，在保持常規游梁式抽油機優點的同時，兼備了雙驢頭抽油機的節能優勢[15]。該機型適用范圍廣泛，但在實際應用中會由于平衡狀況的變化，導致實際的節能效果與理想存在差異，因此仍需要在實際應用中尋找合理的節能途徑。

2 集輸系統節能技術

2.1 高效保溫隔熱技術

在高凝點、高含蠟原油以及稠油的開采中，熱力開采技術雖然有助于原油開采，但同時增加了能量消耗，為了有效控制熱力開采中的能量損失，高效保溫隔熱技術得到了廣泛應用[16，17]。目前，國外的高效保溫隔熱技術較為成熟，美國克恩河油田采用的高效隔熱管將井筒的能量損失降低了5%左右；真空隔熱油管技術在英國Troika油田的應用使井筒內的液體保持了較高溫度，降低了能耗[18]。武俊憲[19]在沈陽油田的室內與現場試驗中，采用了真空隔熱管保溫，不僅驗證了其保溫性能，也為高凝油的冷采技術提出了理論依據。

我國所產的原油多為易凝高粘原油，減少熱力采油中的能量損失，對提高油田整體節能效果有著十分重要影響，對保溫層材料層數及真空度等參數的選取和隔熱管結構優化等方面進行深入研究，將有助于提高國內熱力開采油田的節能能力。

2.2 常溫集輸處理技術

在油田開發進入中后期的高含水階段，傳統集輸工藝能耗增加，同時，采出液性質更加適宜采用常溫集輸。冀東油田推廣常溫密閉集輸工藝，在高含水油井減少甚至季節性停止摻水加熱，使日均節氣量超過2.0×104m3 [20]；大慶油田采用的不加熱集輸處理技術，使長恒老區年節氣量1.25×108 m3，節能效果明顯[21]。但是，常溫集輸處理技術的采用必須全面考慮含水率、溫度、剪切率等多種影響因素，同時必須加強集油管路的保溫措施，確保工藝的正常運行，這樣才能達到節能降耗的目的。

2.3 高效的分離技術

油田中氣液分離效果的優劣對于脫水等流程有著重大影響，目前，國內外各個油田不斷地研發適用于各自油田的高效分離器，從而簡化流程，節能減排。

在國外，高效、緊湊型分離設備已成為一個重要的研究方向，挪威石油公司設計的管式氣液旋流分離器在采油平臺上試驗成功并投產使用[22]，該類分離器具有效率高、撬裝化、可移動以及小型化等優點。在深海油氣水分離中，通過減小多管多旋流分離器內每個單管管徑、加長管長，用于設置增加渦流的機械設備，從而提高氣液分離效率[23-25]。

在國內，采用了旋流預脫氣、活性水洗滌加速脫水和機械破乳強化脫水等先進技術的HNS高效分離器，達到了國際先進水平。河南油田采用的HNS-Ⅲ型高效油氣水三相分離，改變了油氣處理三段脫水工藝模式，簡化了脫水流程、降低了運行能耗，提高了原油處理站的技術水平，使原油含水率低于1%[26，27]；勝利油田引進的HNS型三相分離器單位體積的處理能力達到了傳統設備的6至8倍[28]。

CO2驅采油技術作為提高原油采收率中最具潛力的技術之一，受到了國內油田越來越多的關注，但CO2相比于常規伴生氣（如甲烷），其在采出液中的溶解度和解吸特性差異較大，同時氣液分離過程中CO2對采出液發泡情況影響很大，這造成了采出液進入聯合處理站之前CO2氣體不能有效分離，使集輸管線及設備腐蝕加劇，提高了生產運行及維護成本，不利于油田的節能降耗。因此，采用合理高效的氣體解吸技術，對于CO2驅油田集輸系統的節能降耗有著重要影響。本課題組在CO2驅采出液氣體解吸研究中，提出采用超聲波技術提高解吸速率與解吸率，在搭建的超聲波促進二氧化碳驅采出液氣體解吸實驗裝置中，通過實驗驗證了超聲波具有顯著的促進氣體解吸的作用。超聲波解吸技術的低能耗，高效率等優勢，在CO2驅油田集輸系統的節能降耗中將有著很高的應用價值與廣闊的應用前景。

3 熱力系統節能技術

3.1 加熱爐節能技術

作為油田生產中廣泛使用的加熱設備，加熱爐效率的高低直接影響著油田的節能效果。針對影響加熱爐效率的主要因素，如加熱爐類型、燃燒器類型、空氣系數大小、排煙溫度高低和爐體的散熱損失等[29]，降低加熱爐能耗可以采取的措施包括選擇高效加熱爐、配套節能型高效燃燒器、配套輻射定向吸熱和余熱回收節能技術以及加熱盤管清垢防垢技術等。

目前，國內的高效加熱爐有真空加熱爐、相變加熱爐和熱媒爐等。冀東油田高一聯采用了設計效率超過88%的相變加熱爐和真空加熱爐[30]，現場使用中運行穩定、安全可靠、節能節水。真空相變高效加熱爐憑借其較高的熱效率、節能環保、低故障率、適用范圍廣等諸多優點，在全國各大油田得到了廣泛應用[31]。王崇仁[32]針對大慶油田第七采油廠的各類加熱爐，研究了燃燒器的精細調節，進行電子除垢和空穴射流等試驗研究，探究了各類加熱爐的適用條件。但是，該研究只是針對第七采油廠的加熱爐，不具有普遍性。

3.2 熱電聯產技術

作為具有良好的環保性和經濟性的熱電聯產技術，越來越受到人們的青睞。國外一些國家已經通過法律的方式推動熱電聯產技術的發展，因此，熱電聯產技術得到了較快發展[33-38]。

與熱電分產相比較，熱電聯產技術成為了提高油田能源綜合利用的有效方式，在國外熱采稠油區塊中應用非常成功。美國Midway-Sunset稠油油田應用的熱電聯供廠、克恩河油田熱采工程中的熱電聯產裝置等均體現出熱電聯產技術顯著的經濟效應與節能效果[39]。因此，在國內油田研究和發展熱電聯產技術將有助于提高油田的能源利用率，實現油田的高效節能生產。

4 電系統節能技術

電力系統作為油田的基礎設施和能源供應系統，其建設質量會直接影響油田整體的經濟效益與節能能力。因此，提高油田電力系統的經濟效益和節能水平是決定油田電力系統發展的關鍵問題。

4.1 無功補償技術

國內油田電力系統中無功補償裝置配置較少，配置不合理，因此，需要對油田電力系統中的無功補償進行優化。勝利油田孤東油區采用的智能無功補償裝置，既能夠提高電力系統的運行穩定性，也能夠降低能量損耗，使無功補償效果達到最佳，實現了系統的智能化運行，在新灘線和六干二線的應用中，線損率分別降低了3.84%和6.52%，節能效果明顯[40]。中原油田在油田抽油機井實施了無功就地補償后，平均線損率的降低率達到59.7%，達到了節能目的[41]。

目前，無功補償技術研究由傳統的并聯電容器補償等方式，轉向了動態無功補償，實現連續性補償，同時，應該根據油田的實際情況，對油田電力系統及其無功補償進行優化，真正實現系統的節能降耗。

4.2 變頻技術

隨著變頻技術的發展，調速變頻技術在油田抽油機、螺桿泵和輸油泵等設備中獲得了廣泛應用，通過變頻器實現降低電力消耗的目標。在華北油田采油廠采用抽油機井變頻控制技術后，節電率達到了21.3%，體現出良好的節能效果[42]；勝利油田孤東采油廠的潛油電泵完成中壓變頻調速改造后，平均系統效率比改造前提高了10.54%，節約了能源，提高了油田的經濟效益[43]。

目前的變頻器多為通用變頻器，適應性和可靠性較差，在現場應用中故障率較高，同時，變頻器智能性較低，現有控制裝置價格較高，這些因素很大程度上影響了變頻技術在油田的推廣，但變頻技術在油田電力系統中的節能效果是毋庸置疑的。因此，開發適用于油田的專用智能變頻器，將成為今后油田變頻技術發展的一個方向。

5 其他節能技術

5.1 直驅螺桿泵技術

通過永磁電機對螺桿泵直接驅動，減少了機械和皮帶減速器，使抽油系統能耗降低，操作簡單。美國Amoco公司的螺桿泵采油實驗顯示，螺桿泵系統效率為63.4%，而游梁式抽油機系統效率為50.4%[44]。勝利油田孤島采油廠引進的直驅螺桿泵，在3口井的應用中達到了33.28%的平均綜合節電率[45]。因此，直驅螺桿泵技術憑借其顯著的節能優勢，在國內外油田中得到了廣泛的應用。

5.2 油田的數字化

數字油田作為解決油田管理智能化的最佳途徑，其關鍵技術之一是地理信息系統（Geographic Information System，GIS），在該系統中通過網格計算形成網格系統，實現資源共享，借此整合網絡上的分散資源為數字油田服務[46，47]。

隨著油田開發的不斷深入，開發難度加劇，數字油田建設為提高油田開發水平提供了支持，指導生產經營的優化運行，促進油田取得更高的經濟效益和能源利用率。

5.3 太陽能的利用

國內油田在太陽能利用方面的研究逐漸被重視，遼河油田的原油集輸太陽能加熱節能系統已經投產使用，該系統中采用太陽能集熱器對原油加熱，原油溫度最高可升高至83℃[48]。太陽能技術在國外油田的應用較早，阿塞拜疆的Mammadov F. F.在原油處理中利用太陽能槽式聚光集熱，實現原油化學破乳[49]。

目前，太陽能技術在油田的節能運行中尚處于起步階段，太陽能在油田中的轉換效率低以及成本高是亟待解決的問題，但利用太陽能實現油田的節能減排有著廣闊的應用前景。

6 結 語

通過分析對比國內外油田在機采系統、集輸系統、熱力系統和電力系統中所采用的節能技術，可以發現各類新技術在節能方面均有獨特的節能優勢，同時，由于每項節能技術多數是針對特定油田研究設計，使技術的推廣受到限制。因此，節能技術的普適性和節能設備的通用性是今后油田節能技術的發展方向，同時，隨著油田開發難度的加大和節能減排標準的提高，節能設備智能化和自動化以及新能源在油田的高效利用將成為今后油田節能發展的趨勢。

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