劉新宇 青海油田鉆采工藝研究院

偏遠(yuǎn)小型油田環(huán)狀集輸流程優(yōu)化運(yùn)行模型

劉新宇 青海油田鉆采工藝研究院

環(huán)狀集輸流程在小型偏遠(yuǎn)油田應(yīng)用廣泛，自2000年以來(lái)，青海油田雖然長(zhǎng)期保持穩(wěn)產(chǎn)，但每年的標(biāo)煤消耗有逐年上升的趨勢(shì)。依據(jù)能量守恒定律建立了涵蓋全熱水溫降模型、油氣水介質(zhì)溫降模型、熱水與油氣水混合介質(zhì)溫降模型、油氣水與油氣水混合介質(zhì)溫降模型的環(huán)狀集輸流程溫降模型，以求解環(huán)狀管道各處的溫降數(shù)值；同時(shí)建立能耗計(jì)算模型，根據(jù)流程系統(tǒng)溫差計(jì)算能量損耗值。該模型成功應(yīng)用于青海油田各個(gè)環(huán)狀集輸流程，適應(yīng)性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)便，有效解決了該油田環(huán)狀集輸流程長(zhǎng)期存在的高能耗問(wèn)題。

環(huán)狀集輸流程；溫降模型；能耗模型；溫度；優(yōu)化

青海偏遠(yuǎn)小型油田生產(chǎn)管理水平比較傳統(tǒng)，生產(chǎn)模式較為粗獷，在為國(guó)家源源不斷提供工業(yè)油流的同時(shí)，也消耗了大量的其他能源。自2000年以來(lái)，該油田雖然長(zhǎng)期保持穩(wěn)產(chǎn)但每年的標(biāo)煤消耗有逐年上升的趨勢(shì)[1]。

環(huán)狀集輸流程在青海小型油田應(yīng)用廣泛，單位原油處理需消耗天然氣50 m3以上，遠(yuǎn)超油田其他集輸作業(yè)平均能耗。目前環(huán)狀集輸流程的生產(chǎn)管理多依靠工人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，缺乏系統(tǒng)、準(zhǔn)確的操作規(guī)程[2]。因此，對(duì)環(huán)狀集輸流程進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行模型研究是油田節(jié)能降耗、提高單位能耗下生產(chǎn)效率的有效手段之一。

1 環(huán)狀集輸流程

環(huán)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(gè)環(huán)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(xù)各個(gè)井眼之間。各個(gè)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(qū)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(huán)狀集輸管道中以復(fù)雜的多相管流模式流動(dòng)。青海偏遠(yuǎn)小型油田環(huán)狀集輸流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1，該流程可分為以下四部分[3]：

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

（2）熱水與油氣水混合流動(dòng)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(dòng)階段，緊鄰純熱水流動(dòng)段。

（3）油氣水三相混合物與油氣水三相混合物混合流動(dòng)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(chǎn)出液的混合階段。該階段混合液溫度進(jìn)一步降低，并繼續(xù)與后續(xù)油井產(chǎn)出液混合，完成混合—降溫—再混合—再降溫的流動(dòng)過(guò)程。

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

圖1 偏遠(yuǎn)小型油田環(huán)狀集輸流程

2 模型建立

環(huán)狀集輸流程是一個(gè)集多種儀表、閥門、管道于一體的復(fù)雜輸油流程。同時(shí)，各個(gè)流動(dòng)階段由于所輸送流體性質(zhì)不同，所采用的管道材質(zhì)也有所不同。為滿足該油田節(jié)能降耗的作業(yè)要求，尋求建立環(huán)狀集輸流程運(yùn)行模型以研究流程溫降規(guī)律、計(jì)算流程能耗、優(yōu)化流程參數(shù)。依據(jù)能量守恒定律建立了介質(zhì)溫降模型。

2.1 全熱水介質(zhì)溫降模型

從計(jì)量間至第一口油井之間為全熱水介質(zhì)流動(dòng)段，該階段溫降模型為

式中L為任意一點(diǎn)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(huán)境溫度（K）；TQ為管道起始端溫度（K）；Ws為熱水質(zhì)量流量（kg/s）；c為熱水的比熱（J/(kg·K)）；K為管道傳熱系數(shù)（W/(m2·K)）；D為管道直徑（m）。

2.2 油氣水介質(zhì)溫降模型

假設(shè)流體混合均勻，進(jìn)行一維穩(wěn)定流動(dòng)，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(jì)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(jié)點(diǎn)壓差（Pa）；H為管道埋深（m）；λt為土壤導(dǎo)熱系數(shù)（W/(m·K)）；α為地表大氣間復(fù)合換熱系數(shù)（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(shù)（℃/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(shí)間（s）；τ為距大氣溫度最熱時(shí)的時(shí)間（s）；a為土壤導(dǎo)溫系數(shù)（m2/s）；W1為液體質(zhì)量流量（kg/s）；Wg為氣體質(zhì)量流量（kg/s）。

2.3 熱水與油氣水混合介質(zhì)溫降模型

當(dāng)純熱水經(jīng)過(guò)第一口油井時(shí)，與其產(chǎn)出液相混合，根據(jù)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(zhì)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(zhì)溫降模型

當(dāng)管流經(jīng)過(guò)第一口井后即變?yōu)橛蜌馑嗷旌弦?，再?jīng)過(guò)其他井口與其所產(chǎn)液體混合時(shí)即為油氣水與油氣水的混合，根據(jù)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(dāng)前井產(chǎn)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(dāng)前井產(chǎn)油氣水的質(zhì)量流量（kg/s）；cl1、cl2分別為上游油氣水、當(dāng)前井產(chǎn)油氣水的比熱（J/(kg·K)）。

2.5 能耗計(jì)算模型

由上述四個(gè)運(yùn)行模型的溫降計(jì)算模塊，即可獲得環(huán)狀集輸流程中任意一點(diǎn)的溫降，環(huán)狀集輸流程總溫度下降值為各個(gè)管段溫度下降之和。由此，可進(jìn)一步進(jìn)行能量消耗計(jì)算。環(huán)狀集輸流程能量消耗分為熱能消耗和動(dòng)能消耗兩種，但由于熱能消耗占據(jù)能量消耗的絕大部分，可達(dá)99%以上，故此處忽略動(dòng)能消耗，建立環(huán)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(zhì)量流量（kg/h）；Tj為j點(diǎn)的溫度（℃）；Ti為i點(diǎn)的溫度（℃）。

3 模型檢驗(yàn)

3.1 能耗計(jì)算

結(jié)合初始數(shù)據(jù)，通過(guò)改變熱水摻入量和熱水溫度，由環(huán)狀集輸流程優(yōu)化運(yùn)行模型計(jì)算得到青海油田某區(qū)塊不同參數(shù)下能量消耗的數(shù)值，如表1所示。

表1 某區(qū)塊環(huán)狀集輸流程能耗

3.2 能耗優(yōu)化

由表1不同參數(shù)下的能耗計(jì)算結(jié)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(yùn)營(yíng)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(duì)熱水溫度較為敏感，水溫稍有變化，能耗波動(dòng)較大；④對(duì)熱水摻入量不敏感，摻入量的增加導(dǎo)致能耗增加，但增加量很小。

因此，油田環(huán)狀集輸流程節(jié)能降耗的關(guān)鍵是在保障工程穩(wěn)定安全運(yùn)行的前提下，盡量降低熱水水溫。如果環(huán)狀集輸管道內(nèi)流體流動(dòng)受阻，可在一定范圍內(nèi)通過(guò)增加熱水摻入量，控制水溫，達(dá)到節(jié)能降耗、節(jié)約成本的目的。

4 結(jié)論

偏遠(yuǎn)小型油田環(huán)狀集輸流程是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的油氣集輸處理系統(tǒng)?；诃h(huán)狀集輸基本流程建立的集輸流程優(yōu)化運(yùn)行模型，充分考慮油、氣、水三相流的特點(diǎn)，結(jié)合地層和大氣溫度因素，能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出環(huán)狀管道各處的溫度下降數(shù)值。該模型以管道各處溫降為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進(jìn)一步計(jì)算出整個(gè)流程的能量損耗。通過(guò)比對(duì)不同參數(shù)下最終環(huán)狀集輸流程的能量損耗結(jié)果，得知該流程最優(yōu)的節(jié)能降耗方式是在保持安全、穩(wěn)定混輸?shù)臓顟B(tài)下，最大限度地降低熱水溫度，減少能量損失。該模型成功應(yīng)用于青海油田各個(gè)環(huán)狀集輸流程，適應(yīng)性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)便，有效解決了該油田環(huán)狀集輸流程長(zhǎng)期存在的高能耗問(wèn)題，為整個(gè)油田節(jié)能降耗目標(biāo)作出了重要貢獻(xiàn)，節(jié)約了油田成本，提高了油田的生產(chǎn)效率，對(duì)油田其他作業(yè)項(xiàng)目的節(jié)能降耗工作有一定的借鑒意義。

[1]毛前軍．環(huán)狀集輸流程安全混輸溫度界限及優(yōu)化運(yùn)行管理研究[D]．大慶：大慶石油學(xué)院，2009.

[2]毛前軍，劉麗君，劉曉燕，等．油田環(huán)狀集輸流程節(jié)能運(yùn)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(huán)狀集輸流程埋地管道溫降計(jì)算方法[J]．科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9（19）：5775-5777.

[4]王樹(shù)立，趙志勇．油氣集輸管線溫降計(jì)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(yáng)能學(xué)報(bào)，2007，28（5）：494-498.

（欄目主持張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.5.016