蒸汽驱地面混输系统能量综合利用㶲分析

周志强，刘德俊，关 丽，梅宏林

（1. 辽宁石油化工大学 天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001; 2. 辽河油田油建二公司，辽宁 盘锦 124000）

蒸汽驱地面混输系统能量综合利用㶲分析

周志强1，刘德俊1，关 丽1，梅宏林2

（1. 辽宁石油化工大学 天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001; 2. 辽河油田油建二公司，辽宁 盘锦 124000）

辽河油田大部分稠油主力区块已进入蒸汽吞吐后期开发阶段，为了提高稠油油藏采收率，保持产量觃模的稳定，采用向地下注入大量蒸汽提高油层温度的蒸汽气驱方法来开采原油；初步预测最高温度可达到150 ℃，如何利用高温采出液所携带的能量成为蒸汽驱开采石油问题的关键所在。高温采出液可在井口、计量站和联合站三个地方换热来回收能量，如何确定那种换热方式使热能回收率最大化？通过计算在井口、计量站和联合站三种换热方式的㶲效率方法来进行比较，得出在联合站换热㶲效率最大为85%；同时，在联合站换热投资最小，为辽河油田进行蒸汽驱开发提供技术支撑。

蒸汽驱；高温采出液；效率；能量回收

近年来辽河油田大部分稠油主力区块已进入蒸汽吞吐后期开发阶段，为了提高稠油油藏采收率，保持产量觃模的稳定，采用向地下注入大量蒸汽提高油层温度的蒸汽气驱方法来开采原油，但在蒸汽驱开发不同的时期，其井口的产出液温度、流量、压力、含水量等参数都将发生变化，特别是井口的产出液温度将逐渐大幅度提高，初步预测最高温度可达到150 ℃，如此高温的井口采出液温度必将提供较大的剩余热能，如何有效的回收和利用这部分剩余的热能，降低生产运行费用，提高蒸汽驱开发整体经济效益。成为问题的关键。

热力学第一定律从能量“量” 的属性出发阐述了能量转换所必须遵循的觃律， 以热效率来评价热力系统性能。热力学第二定律从能量“质” 的属性出发阐述了能量转换的客观觃律， 指出热力系统能量传递与过程转换的方向性和不可逆性，以热力系统各点做功能力— 㶲与系统㶲效率来评价热力系统性能与热力循环的完善程度。㶲是系统向周围环境变化幵达到与环境状态( 温度和压力) 相同时能够做的最大可用功[1]。

通过对蒸汽驱集输系统进行传热和㶲分析， 幵计算系统效㶲率， 由此对在井口、计量站和联合站换热方案进行系统热力学性能评价，确定最优方案。

1 㶲分析系统确定

为了分析便于对蒸汽气驱能量的评价，首先应确定㶲分析系统，评价体系是以井口采出液到废水排放整个过程为研究对象。具体见图1。

2 蒸汽驱地面集输系统混输系统㶲损失

2.1 集输管网温降计算

图1 㶲分析系统图Fig.1 System Diagram of Energy analysis

假设计量站有n口油井，已知每口油井的日产量、油温、含水量等参数，计算出第 口油井到计量站的温降，即得到该口油井产出混合液到达计量站的对应温度 ,进而计算出此时混合液的比热 ,设计量站混合液的温度为。井口和计量站布置见图2。

图2 井口和计量站布置图Fig.2 Layout Diagram of wellhead and the metering station

根据能量守恒：井口到结点的温降按苏霍夫温降公式可以计算，由于井口到计量站距离很短，可以近似成一点计算。由于油流在结点汇合瞬间进行，几股油流必然发生热量传递，吸热和放热相等。即：计量站混合液的温度为：

同时，可以计算出计量站混合液的日产量 Qz,含水率Hslz。

对于，各个计量站到联合站出的温降计算，与井口到计量站温降计算的思路是相同的，计算时可以把各计量站看成是油井，联合站看成是计量站。各个井口到计量站距离上的温降应用苏霍夫温降公式计算[2]。

苏霍夫温降公式的具体形式为：

式中：

混合液的比热容c：

计算原油的比热容时，应用Sigma Plot软件依据实验/文献数据回归出仸意温度下原油比热容的计算公式[3]。

计算水的比热容时，同样采用Sigma Plot软件回归计算公式。

混合液的密度

计算水的密度时，采用Sigma Plot软件回归计算公式。

总传热系数K：

式中：d —管道公称直径，m。

平均温度t：

计量站到联合站之间的温降计算：

假设共有m个计量站与联合站相联系。按上述方法，计算出各个计量站的日产液量，混合液含水率，混合液温度。计量站与计量站流量汇合时，处理方法与各油井流量汇合相同，即：

按照这种方法，就可以把从各个计量站开始到联合站间的温降计算出来，得到联合站处的温度，

总的混合液流量，总的含水率。

3 换热器㶲计算

3.1 换热器出口温度确定

根据油罐总传热系数计算公式[4]：

脱水24 h后推定温度计算公式：

取环境温度为 6.3 ℃，保证一段脱水温度为79.6 ℃。这里取80 ℃。

3.2 换热器选取

根据洛阳石化设计院换热器计算软件计算结果为：联合站换热换热器REBOS1100-4.0-415-6/19-6I；计量站换热换热器REBOS800-4.0-200-6/19-6I；井口换热换热器REBOS500-4.0-55-6/25-2I。

4 系统㶲分析

蒸汽驱系统是稳态稳流的开口系统，其㶲平衡方程是用来计算不可逆过程的㶲损失和㶲效率的。在整个系统的㶲分析中，㶲可分为4个部分：物理㶲、动能㶲、势能㶲和化学㶲。在该系统中，不存在因化学反应而引起的㶲，且忽略动能㶲和势能㶲，于是系统中仅含有物理㶲。因此，系统的㶲平衡方程[5]：

式中：ExQ—热量㶲，kJ；

Exhrqout—换热器带走有效㶲，kJ；

Exmass,in—流入系统的㶲，kJ；

Exmass,out—流出系统的㶲，kJ；

ExL—系统㶲损失，kJ；

min,mout—流入、流出系统的质量流量，kJ/s；

T0—环境温度，℃；

Tk—混合液温度，℃；

Tr—换热器冷介质出口温度，℃；

Qk—混合液温度为Tk的热源通过边界传递的热量㶲，kJ；

Qr—换热器带走热量，kJ；

ψ—单位㶲损失，kJ/kg，ψ=（h-h0）-T0（s-s0）；

h,s—某温度和压力下对应的比焓和比熵，kJ/kg；

h0,s0—在T0,P0下对应的焓和熵，kJ/kg。

（1）系统热㶲计算

根据系统㶲平衡方程：

输入系统的热量㶲：为井口的油水混合物的㶲，由公式（1）可求得：

式中：Exi,in— 各井口提供的㶲，kJ。

式中：ΔH—井口到节点的焓差，kJ；

T —节点的温度，K；

Q—井口到节点的热量损失，kJ。

（2）换热器㶲损失

质量为mg的热流体从状态1放热至状态2，质量为mc的冷流体从状态3吸热至状态4。取换热器为系统，幵假设换热器与环境大气无热量交换，且不计冷热流体的动能和位能的变化[6]。

由热力学第一定律得

式中：T0—参考环境温度，K；

S1,S2—高温混合液流入、流出换热器的熵，kJ/K；

H1,H2—混合液流入、流出换热器的焓，kJ；

H3,H4—冷流流入、流出换热器的焓，kJ；

S3,S4—冷流流入、流出换热器的熵，kJ/K。

（3）管道㶲损失Exg：

式中：gi—第i口井流量，kg/s；

hi1—第i口井井口出口温度下的比焓，kJ/K；

hj—第i口井在第j节点温度下的比焓，kJ/K；

si1—第i口井井口出口温度下的比熵，kJ/K；

sj—第i口井在第j节点温度下的比熵，kJ/K。

（4）出系统的㶲Exout：

式中：G—废水排放的质量流量，kg/s；

h1—废水排放温度下的比焓，kJ/K；

T—废水排放的温度，K，这里取T=353 K。

（5）求得有效㶲为：

（6）系统过程的㶲效率为：

以130 ℃为例进行㶲效率分析结果见表1。

Analysis on Energy Comprehensive Utilization of Ground Mixed Transportation System for Steam Flooding

ZHOU Zhi-qiang1, LIU De-jun1, GUAN Li1, MEI Hong-lin2
(1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University , Liaoning Fushun 113001，China; 2. Liaohe Oilfield Company No.2 Construction Branch, Liaoning Panjin 124000, China)

Most of the main blocks of heavy oil in Liaohe oilfield has entered the late stage of steam soaking development, in order to enhance heavy oil recovery and maintain the stability of the scale production, a large number of steam injection was used to increase underground reservoir temperature for exploitation of crude oil；Preliminary forecast of the maximum temperature can reach 150 ℃, how to use the energy carried by high temperature produced fluid has become a key to the steam driving oil recovery. The energy carried by high temperature produced fluid can be recovered at well heads, metering stations and combination stations. In order to determine the suitable energy recovery way, energy efficiencies of three kinds of heat transfer methods at the well heads, the metering stations and the combination stations were calculated and compared. The results show that the energy efficiency of the heat transfer method at the combination station is the maximum, about 85%; meanwhile, investment of the method is the lowest, and the method can provide technical support for Liaohe oil field development by steam flooding.

Steam soaking; High-temperature fluid; Energy efficiency; Energy recovery

TE 832

A

1671-0460（2014）10-2054-03

2014-04-20

周志强（1988-），男，辽宁辽阳人，辽宁石油化工大学在读研究生学位，研究方向：从事热能利用研究。E-mail：443436880@qq.com。