站外集油系統能耗測試與影響因素分析

李海，白曉航，李旭海，金海洋，蔡亮，胡炎興

(1. 中油國際管道公司 中緬油氣管道項目，北京 100029；2. 中國石油天然氣股份有限公司管道沈陽輸油氣分公司，遼寧 沈陽 113001；3. 中國石油西南管道公司，四川 成都 610000；4. 中國石油西南管道天水輸油氣分公司，甘肅 天水 741002；5. 中航油京津冀物流有限公司，天津 300300；6. 中國石油青海油田分公司 管道輸油處，青海 格爾木 816000)

隨著油田的深入開發，目前大部分陸上油田已進入高含水期，很多區塊的綜合含水率已經達到80%以上，原油的含水率越高，集輸原油加熱能耗越大。此外，油田的集輸工藝復雜多樣，往往采用單管摻水、環狀摻水和三管伴熱等多種集油工藝，其中三管伴熱集油工藝流程應用廣泛，但工藝老化，會造成較多的熱能浪費。因此，通過對某油田三管伴熱集油流程開展系統、連續的能耗測試，全面統計和分析高能耗的原因，具有指導生產參數調整，優化工藝流程，降低集油工藝能耗，減少運行成本的意義。

1 基礎數據

在某區塊選取5口油井進行集油能耗測試與分析，該5口井的伴熱方式均為三管伴熱集油工藝流程。集油管線和伴熱管線的規格、長度見表1所列。

表1 實驗油井的基礎參數

能耗測試前，需要測量油品的密度、黏度、比熱容等物性參數。測量了不同溫度下實驗油品以及蒸餾水的密度；測量了不同溫度下實驗油品的動力黏度μ，繪制了油相黏溫曲線，其中10-3井的黏溫曲線如圖1所示。

圖1 10-3井黏溫曲線示意

2 模型建立

能耗分析常用的方法主要有能量平衡分析法和?冮分析法，這兩種方法都是建立在熱力學定律的基礎上，可以用來分析系統的用能效率和用能環節的不合理，根據實際工況，主要分析用能數量，對用能品質不予考慮，同時分析系統的外部損失，因此選用能量平衡的方法建立集油管線能耗計算的模型。在集油能耗計算中，將油井集油管線視為一個能量平衡系統，其主要能量包括兩部分： 熱能和動能。

能量平衡關系式如式(1)，式(2)所示：

Qrs=Qrj-Qrc

(1)

Qds=Qdj-Qdc

(2)

式中：Qrs——集油管線熱能能耗，kJ；Qrj——集油管線進口介質所含熱能，kJ；Qrc——集油管線出口介質所含熱能，kJ；Qds——集油管線電力能耗，kJ；Qdj——集油管線進口介質所含壓能，kJ；Qdc——集油管線出口介質所含壓能，kJ。

因此整個集油管線系統的能耗損失如式(3)所示：

Qs=Qrs+Qds

(3)

集油管線進出口介質所含的熱能、壓能計算如式(4)～式(7)所示：

Qrj=qmjcjθjt

(4)

Qrc=qmcccθct

(5)

Qdj=pjqVjt

(6)

Qdc=pcqVct

(7)

式中：qm——集油管線內介質的質量流量，kg/s；c——集油管線內介質的比熱容，kJ/(kg·℃)；θ——集油管線內介質的溫度，℃；t——測試時間，s；p——集油管線內介質起點或終點壓力，kPa；qV——集油管線內輸送介質體積流量，m3/s；下標j——進口處；下標c——出口處。

3 測試結果及分析

3.1 能耗計算與分析

在集油過程中為了更直觀地看出單位長度或輸送單位采出液所消耗的能量，可以計算集油單位產量能耗和單位長度能耗，其計算公式如式(8)和式(9)所示。

(8)

(9)

式中：Qc—輸送單位采出液所產生的能耗，kJ/kg；QL—輸送單位管長所產生的能耗，kJ/m。

分別從2018年9月11日至2018年9月25日，采集5口油井生產運行參數進行測試和計算，這些數據均來自現場生產參數記錄與實際測量。除了利用計量間內已有的儀表設備進行數據采集測量外，還測量了測試油井的井口壓力、溫度。井口壓力利用現有的壓力表讀取記錄數據，井口溫度采用熱電偶測溫儀和紅外測溫儀相結合的方式測量記錄。利用已采集的數據結合實際生產運行中工作人員的記錄，并結合各油井的物性參數以及能耗計算公式，進行相關能耗測試結果的計算，由于這5口油井均在同一區塊，油品物性類似，測試結果基本相同，在此僅羅列10-3井測試結果，見表2所列。

表2 10-3井集油能耗測試結果

產液量越大的油井所產生的集油能耗越高，單位管長能耗越高，而含水率越高管長越長，單位產量集油能耗越高。測試結果發現，在總集油能耗中熱力能耗占主導地位，電力能耗較低，熱力能耗約占總能耗的97%～99%，而電力能耗僅占1%～3%。因此要想降低集油能耗，降低熱力能耗是關鍵，電力能耗是次要因素。由于集油進站溫度很大程度上影響著集油系統的總能耗及熱力能耗，因此在此繪制了10-3油井兩者之間的散點關系，如圖2所示。

圖2 10-3油井能耗隨溫度變化關系示意

由圖2可知，隨著進站溫度的升高，油井熱力能耗逐漸增大，其集油總能耗也逐漸增大，且二者的變化情況大致相同，這也證明熱力能耗是影響總集油能耗變化的主導因素。對于同一口油井，集油熱力能耗與總集油能耗隨集油進站溫度變化的趨勢相同，當集油進站溫度增加時，集油熱力能耗與總集油能耗都會隨之增大，這是由于較高的進站溫度對應著較多的三管伴熱水，三管伴熱所用的熱水越多，加熱伴熱水所消耗的能量就越多，集油能耗增加。為了進一步分析集油進站溫度對單位能耗的影響，分別繪制了10-3油井單位產量能耗-集油進站溫度關系圖和單位管長能耗-集油進站溫度的散點關系圖，如圖3～圖4所示。

圖3 10-3井Qc隨溫度變化關系

圖4 10-3油井QL隨溫度變化關系

由圖3～圖4可知，隨著集油進站溫度的增大，油井的單位產量能耗和單位管長能耗均在不斷增大，因此降低集油進站溫度是減少單位產量能耗和單位管長能耗的有效措施，這與圖2中總能耗關系曲線得到的規律與結論相同。

綜合以上測試結果可以分析得到，降低進站溫度是降低集油能耗的關鍵措施，也是優化集油流程措施所應考慮的問題。研究表明，對于高含水期的油井，由于原油含水率較高，油水兩相流管道內的流動條件會大幅改善，高含水原油在低于凝點的溫度仍能正常流動，因此結合能耗測試的結果，對該區塊油井可以采用常溫集輸的方式，減少或降低伴熱水的量達到降低集油進站溫度的目的，從而實現集油能耗的降低。

3.2 管效計算與分析

管效指的是介質在集油、外輸、摻液、熱水伴隨、采暖、二段脫水、原油穩定等各管道末端具有能量與介質在這些管道首端具有的能量的比值，用于判斷熱油管道儲能能力的高低，反映能量損失的情況，對集油流程的優化具有一定的指導作用，其計算公式如式(10)所示：

(10)

式中：η—集油管線管道管效，%。

根據式(10)計算集油管線管效，計算結果見表3所列。

表3 集油管線平均管效

由表3可知，該區塊的測試油井管效均在85%以上，管效較高，這說明其管道的保溫效果較好，管道熱損失少，熱能儲存能力高；而對于生產狀況不同的油井，流量大含水率高的油井管效較低，而流量較小含水率較低的油井管效偏高，這是由于隨著含水率的增大，油水兩相中水含量較大，而水的比熱是油的2倍左右，因此相同體積的混合液含水較多的熱量損失多且快，而流量增大使管段內介質與周圍環境的換熱作用增強，導致熱損失增多，這也從另一個角度解釋了油田進入高含水期后能耗增加的原因。因此在油井優化集油流程時，應優先考慮高含水高產液的油井，該情況的油井能耗高，管效低，優化空間更大。

實際生產過程中，集油進站溫度是相對容易調節的參數，通過調節進站溫度來實現集油能耗的降低是簡單且可行的。為了研究集油過程中集油進站溫度對管效的影響，結合上述計算結果繪制了10-3油井管效-集油進站溫度關系圖，如圖5所示。

圖5 10-3油井η隨溫度變化關系

由圖5可知，隨著進站溫度的增大，η會逐漸降低，能耗損失增大，這與前面總集油能耗隨集油進站溫度的變化情況相同，同時這也說明通過降低集油的進站溫度不僅可以降低總集油能耗，而且可以提高集油管線的管效，減少能耗的損失，從而達到節能降耗的目的。

3.3 節能占比計算

可以實現常溫集輸或降溫集輸的油井多為液量大含水率高的油井，而該類油井屬于高能耗油井，因此結合實際生產運行參數分別對該區塊可能實行常溫集輸或低溫集輸的油井進行了節能估算，實行優化方案前后的節能占比估算結果見表4所列。

表4 常溫集輸或低溫集輸前后節能占比

采用常溫集輸或低溫集輸后節能占比最低為61.58%，最高可達76.78%，優化后節能效果顯著。

4 結束語

結合集油能耗測試結果與實際生產經驗的特點，給出以下集油流程優化建議：

1)由于高含水油井的含水率過高，導致熱能損失會比較低含水率的油井多，因此對于高含水油井要加強保溫，采用保溫效果較好的聚乙烯保溫層，對埋深較淺的管道進行填埋浮土處理。

2)由測試結果可知，降低集油進站溫度是節能降耗的有效方式，因此可以對不同油田區塊的油井進行常溫集輸或低溫集輸的適應性研究，對于高含水率高產液的油井采用停止伴熱的常溫集輸或減少伴熱水的低溫集輸可有效降低集油能耗，減少流程改造造成的不便。

3)對于低產液低含水的油井實現常溫集輸或低溫集輸的困難較大，可將原來的三管伴熱集油工藝改為摻水工藝，相對于三管伴熱集油工藝來說，摻水集油工藝所需的熱水要少很多，摻水集油所產生的能耗也較小。