白 鵬

(中石化勝利石油管理局,山東 東營 257200)

特超稠油區(qū)塊油井火燒芯罐鶴管水循環(huán)加熱工藝改進

白 鵬

(中石化勝利石油管理局,山東 東營 257200)

利用水比熱容大、易流動的特點,對特超稠油油井火燒芯罐鶴管進行循環(huán)加熱,滿足了儲油罐鶴管安全卸油,保障生產的目的。通過試驗,對水套保溫效果、水循環(huán)速度、外界溫度、儲油罐煙道熱能進行量化分析,實現了鶴管水循環(huán)的本質安全加熱,并根據鶴管結構的不同,研發(fā)出不同的水循環(huán)加熱裝置,實現了特超稠油儲油罐卸油安全、節(jié)能的目的。

特超稠油;卸油溫度;水循環(huán);節(jié)本降耗

1 工藝試驗區(qū)基本情況

1.1 試驗區(qū)油藏地質特征

王莊油田鄭 411塊位于山東省利津縣明集鎮(zhèn),其西部構造上處于渤海灣盆地濟陽坳陷東營凹陷北部陡坡帶西段,北靠陳家莊凸起,西為鄭家潛山,南鄰利津油田,含油層系沙三上劃分為 1、2號 2個砂體,1號砂體含油面積為 4.7 km2,石油地質儲量為 550×104t。該塊沙三上屬特稠油油藏。沙三上 1號砂體地面脫氣原油密度平均為 1.043 3 g/cm3, 50℃時地面脫氣原油黏度為 22×104～38× 104mPa·s,屬于特 -超稠油油藏。黏度隨溫度的增加而成指數曲線明顯下降。

鄭 32塊位于鄭 411塊東鄰,為同一壓力系統(tǒng),主要含油層系為沙三上的 1、2號小層。1號小層地面原油密度平均為 0.988 g/cm3,地面脫氣原油黏度為 1.1×104～10.0×104mPa·s,含油面積為2.21 km2,石油地質儲量為 306×104t,動用石油地質儲量為 155×104t[1]。

1.2 試驗區(qū)開發(fā)現狀

表 1 2008年 12月試驗區(qū)生產情況

鄭 32塊與鄭 411塊相繼于 2005年和 2006年投入開發(fā)。初期采用蒸汽吞吐開發(fā)方式,2006年至 2007年攻關完善 HDCS特、超稠油采油工藝,實現了區(qū)塊產能突破,截至 2008年 12月,實驗區(qū)共有油井 70口,開井 47口,日產液為 578 t/d,日產油為 283.2 t/d,綜合含水率為 63.85%(表 1)。試驗區(qū)的原油生產流程主要是原油從井口流出后經火燒芯罐旁的立管上罐,在罐內進行加熱,等待拉油,在單井拉油過程中,加熱后的特稠油從罐體通過鶴管進入拉油車油罐中,如果鶴管溫度低,特稠油會在鶴管內壁凝固,形成掛壁,阻止稠油流動,短時間內就可以堵塞鶴管,影響油井的正常生產,目前解決這種生產問題的主要辦法是對鶴管進行電伴熱帶加熱,在實際生產過程中,存在伴熱帶人為開關,開關時間不能有效控制,對鶴管不能達到本質安全加熱的目的[2-6]。同時,鶴管伴熱的耗電量也直接影響了特超稠油生產的開發(fā)成本。

從表 1可以看出,按照年生產 319 d計算,每日拉油 41車,拉油前 4 h、后 3 h開伴熱帶,按照伴熱帶 4 kW·h功率計算,年耗電量約 36.6× 104kW·h。

2 鶴管水循環(huán)改進的主要內容及應用原理

2.1 油井火燒芯罐基本結構

目前在鄭 32和鄭 411區(qū)塊使用的火燒芯罐主要結構為加熱爐、儲油罐 2層結構,是利用煤燃燒所產生的熱空氣通過儲油罐中的“山”型煙道對特稠油加熱?；馃竟藜訜徇^程中,罐內年平均溫度大于 75℃,加熱爐加熱空氣通過 2道盤管后通過煙筒進入大氣中。在對wzz411-p1井的火燒芯罐加熱全過程調查中,對正常儲油罐加溫到卸油溫度需要的燃煤進行了統(tǒng)計 (約 150 kg),按照標準煤的燃燒值 (約 33.4 MJ/kg)計算,總發(fā)熱量約為 5 010 MJ,對罐內特稠原油從 75℃加熱到 85℃(罐內原油按照 3.5×104kg計算),按照該溫度原油的比熱容 0.06 MJ/kg·℃計算,約需 2 100 MJ熱量。根據經驗公式計算,燃煤一般完全燃燒后爐渣含碳量約為 2%,加熱爐正常熱輻射約為 1%,那么就有約 1 600 MJ的熱量損失,揮發(fā)到空氣中。在 2009年的 3～5月份,對鄭 411和鄭 32區(qū)塊的部分油井進行了跟蹤調查,發(fā)現在鶴管壁溫度和卸油時的氣溫沒有函數邏輯關系,初步統(tǒng)計得出,在這個時段,鶴管在卸油時,只要管壁溫度大于37℃,鶴管就可以安全正常卸油。

受目前家庭取暖水暖加熱的啟發(fā),決定利用煙道中熱能對水管加熱,通過水管中溫度差形成內循環(huán),對鶴管進行加熱。該方法可節(jié)約用電,同時可以對鶴管隨時加熱。根據物質的熱負荷原理,計算公式為:

式中:Q為燃具熱負荷,kW;W為被加熱物質質量,kg;c為被加熱物質的比熱容,kJ;t1、t2為被加熱物質的初、終溫度,℃;Τ為升溫所需要的時間,h;η為燃具熱效率,%;K為安全系數 (K=1.28～1.40);ω為固體熔融量,kg;m為固體熔解熱,kJ/kg。

主要從技術原理上解決了 3個問題:

(1)煙道的溫度及提供的熱能是不是可以滿足鶴管外水套正常循環(huán)需要的熱量。根據公式Q=cmΔt計算出,將 1 000 kg水從 4℃升溫到 80℃約需要 0.3 MJ熱量,由于 1 600 MJ遠遠大于 0.3 MJ,同時和稠油比較,水升溫迅速,易于流動。通過計算和實際測溫,煙道在加熱階段溫度為 300～500℃,在燜爐階段最低溫度大于 200℃,在不加熱階段溫度大于 80℃(表 2)。

表 2 定氣溫下煙道流程溫度

(2)鍋爐提供的熱量建立正常水循環(huán)的理論依據為:

式中:Syd為運動壓頭,Pa;ρch為供給用戶的熱水密度,kg/m3;ρ為出口立管中汽水混合物的平均密度,為 kg/m3;H為出口立管的高度,m;g為重力加速度,m/s2。

在這里重點是要計算循環(huán)壓頭,主要公式為:

式中:h為對應極小壓降的管長,m;Δp為極小壓降,Pa。

計算出第一段管長后,就可以依次計算以后各段管長,直到累計管長大于已知的高度為止,實際需要的壓頭為 20 cm水柱。

(3)對建立水循環(huán)的最佳工況進行了計算,在回水段設計一段立管就可以保證正常水循環(huán)的要求。重點解決了在停爐階段水循環(huán)最低溫度和冬季水循環(huán)出口最低溫度的計算。

3 工藝改進研制和現場運用情況

3.1 工藝研制情況

最初的試驗在孤島采油廠進行,采用鋼質水套,簡易連接,用簡易盤管分別在火爐中和水浴中加熱進行試驗,正常水溫 (15℃)水循環(huán)建立最長時間為 30 min。初步選用鋼板焊制水套,盤管簡易彎制,做成雛形。試驗在初期遭遇挫折,上述試驗共開展了 12次,水循環(huán)始終不能達到設計目標,期間報廢水套 1個,盤管 4個。

在初期遭遇挫折后,對循環(huán)水路進行檢查,重新對水套水量及煙道內盤管熱水熱能進行計算,一次改進有了成果,并在循環(huán)水路中建立儲熱箱,增加水循環(huán)勢能,但是投入生產還是有差距的,僅鍍鋅 19 mm鋼管就用了近 120 m,又進行了 4次相應試驗,確定了水套循環(huán)的局限性(表 3)。

表 3 儲油罐鶴管水循環(huán)加熱裝置初步實驗數據(一次改進)

對于試驗裝置而言,水循環(huán)建立的時間和回水溫度是對鶴管進行安全加熱的關鍵數據,提高盲板出口溫度和進口 (回水)溫度,保證合理的水循環(huán)速度是工藝改進的關鍵。受水暖氣片加熱思路引導,決定更改設計,將水套改成直盤管和水柵加熱,希望有進一步突破。二次改進首先進行試驗直管建立循環(huán),進展較好,在試驗過程中,設計了 2套盤管對立在鶴管兩側,對卸油的閘門也進行了同樣的設計,在水循環(huán)速度計算中,出水管對應的水套截面縮小了 75%,相應的水動壓強阻力下降了 42%。為快速建立水循環(huán)鋪平了道路,在對鶴管建立循環(huán)的同時,設計對閘門的保溫,也取得了很好的效果。2009年 9月 8日晚對鶴管管壁實測溫度為 45℃,對閘門壁實測溫度為 40℃。陸續(xù)加溫進油后,水循環(huán)的效果得到了保持,2009年 9月 10日正常卸油后,測得鶴管管壁溫度為 70℃,閘門壁溫度為60℃,完全滿足了當前季節(jié)下鶴管生產條件。

3.2 現場推廣情況

2009年 10月開始在石油開發(fā)中心勝凱管理區(qū)管轄的鄭 411區(qū)塊油井進行安裝,目前已經安裝5口井,在安裝過程中,根據鶴管的實際結構分別選用了水套和盤管 2種循環(huán)方式,對循環(huán)水路做好保溫,從現場卸油統(tǒng)計情況看,該裝置具有安全、簡易、降低工人勞動強度的優(yōu)點。

3.3 經濟效益評價

目前王莊油田的鄭 411和鄭 32區(qū)塊已經裝伴熱帶火燒芯罐 110個,電伴熱帶初裝費用為 4000元,年維修費用約 40×104元,按照 3 a 1個生產周期初步統(tǒng)計投入年維修費用約 164×104元,電費消耗約 60×104～90×104kW·h,總投入為 203× 104元。如果換用水套循環(huán)加熱,一次投入 2000元,總投入 2 000×110=22×104元。按照年維修費用一個 500元計算,3 a維修費用約為 16.5×104元?？晒?jié)約成本支出 164.5×104元。

4 結 論

對特超稠油區(qū)塊油井安裝鶴管水循環(huán)加熱裝置具有大幅度節(jié)約電費和降低工人勞動強度的特點,而且對環(huán)境溫度要求低,在使用儲油罐拉油生產的稠油區(qū)塊均具有推廣價值。

[1]才汝成,李陽,孫煥泉 .油氣藏工程方法與應用[M].東營:石油大學出版社,2002:123-125.

[2]趙福麟 .采油用劑 [M].東營:石油大學出版社, 1996:19-20.

[3]朱恩靈,王國清 .國外采油工藝技術新進展[J].世界石油工業(yè),1996,3(9):38-42.

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[5]張繼國,李安廈 .超稠油油藏 HDCS強化采油技術[M].東營:中國石油大學出版社,2009:6-29,30-45.

[6]波倫 H K,等 .提高采收率原理[M].北京:石油工業(yè)出版社,1983:7-14.

編輯 林樹龍

TE355

A

1006-6535(2010)05-0125-03

20091102;改回日期:20100223

專利項目:該裝置目前已成功申請國家專利 (200920226784.4/200920226782.5)

白鵬 (1971-),男,高級工程師,1994年畢業(yè)于西北大學地質系,現主要從事油田開發(fā)工作。