偏远小型油田环状集输流程优化运行模型

刘新宇 青海油田钻采工艺研究院

偏远小型油田环状集输流程优化运行模型

刘新宇 青海油田钻采工艺研究院

环状集输流程在小型偏远油田应用广泛，自2000年以来，青海油田虽然长期保持稳产，但每年的标煤消耗有逐年上升的趋势。依据能量守恒定律建立了涵盖全热水温降模型、油气水介质温降模型、热水与油气水混合介质温降模型、油气水与油气水混合介质温降模型的环状集输流程温降模型，以求解环状管道各处的温降数值；同时建立能耗计算模型，根据流程系统温差计算能量损耗值。该模型成功应用于青海油田各个环状集输流程，适应性强，操作简便，有效解决了该油田环状集输流程长期存在的高能耗问题。

环状集输流程；温降模型；能耗模型；温度；优化

青海偏远小型油田生产管理水平比较传统，生产模式较为粗犷，在为国家源源不断提供工业油流的同时，也消耗了大量的其他能源。自2000年以来，该油田虽然长期保持稳产但每年的标煤消耗有逐年上升的趋势[1]。

环状集输流程在青海小型油田应用广泛，单位原油处理需消耗天然气50 m3以上，远超油田其他集输作业平均能耗。目前环状集输流程的生产管理多依靠工人的经验进行，缺乏系统、准确的操作规程[2]。因此，对环状集输流程进行优化运行模型研究是油田节能降耗、提高单位能耗下生产效率的有效手段之一。

1 环状集输流程

环状集输管道由热水管道和油气水混输管道组成，其中热水管道居于整个环状集输管道起始位置，油气水三相混输管道分布在热水管道后续各个井眼之间。各个油井井眼采出油流一般为油气水三相混合物，尤其是处于中老区块含水上升阶段的油井，采出液中含水量更高，三相混合物在环状集输管道中以复杂的多相管流模式流动。青海偏远小型油田环状集输流程简图见图1，该流程可分为以下四部分[3]：

（1）纯热水流动段。纯热水流动段是指热水从计量站流出到第一口油井产出液相互混合前的流动阶段，此管段中只有纯热水一相流体流动。

（2）热水与油气水混合流动段。该阶段是指纯热水初遇第一口油井油气水混合物后的流动阶段，紧邻纯热水流动段。

（3）油气水三相混合物与油气水三相混合物混合流动段。该阶段是指上一阶段热水与第一口油井混合物混合降温后的混合液与下一口油井产出液的混合阶段。该阶段混合液温度进一步降低，并继续与后续油井产出液混合，完成混合—降温—再混合—再降温的流动过程。

（4）回流段。该阶段中环状管道收集的各个油井产出液相互混合最终回流计量间，完成整个集输流程。

图1 偏远小型油田环状集输流程

2 模型建立

环状集输流程是一个集多种仪表、阀门、管道于一体的复杂输油流程。同时，各个流动阶段由于所输送流体性质不同，所采用的管道材质也有所不同。为满足该油田节能降耗的作业要求，寻求建立环状集输流程运行模型以研究流程温降规律、计算流程能耗、优化流程参数。依据能量守恒定律建立了介质温降模型。

2.1 全热水介质温降模型

从计量间至第一口油井之间为全热水介质流动段，该阶段温降模型为

式中L为任意一点至管道起始端的距离（m）；TL为距管道起始端L处的温度（K）；T0为管道外环境温度（K）；TQ为管道起始端温度（K）；Ws为热水质量流量（kg/s）；c为热水的比热（J/(kg·K)）；K为管道传热系数（W/(m2·K)）；D为管道直径（m）。

2.2 油气水介质温降模型

假设流体混合均匀，进行一维稳定流动，油气水三相管流温降模型采用刘晓燕提出的考虑土壤周期性温度变化的温度计算公式为[4-5]

式中T为任意位置流体温度（℃）；Ti为起始端温度（℃）；Tam为大气温度均值（℃）；Tmax为大气温度最大值（℃）；θ为管道与地面夹角（rad）；Δp为起始端与目的节点压差（Pa）；H为管道埋深（m）；λt为土壤导热系数（W/(m·K)）；α为地表大气间复合换热系数（W/(m2·K)）；-cp为油气水混合物折合比热（J/(kg·K)）；η为汤姆逊系数（℃/Pa）；cpl为液体的比热（J/(kg·K)）；cpg为气体比热（J/(kg·K)）；τ0为年周期时间（s）；τ为距大气温度最热时的时间（s）；a为土壤导温系数（m2/s）；W1为液体质量流量（kg/s）；Wg为气体质量流量（kg/s）。

2.3 热水与油气水混合介质温降模型

当纯热水经过第一口油井时，与其产出液相混合，根据能量守恒定律可求得其混合后温度

式中Ts、Tl、T分别为热水、油气水混合物、热水与油气水混合后混合液的温度（℃）；Ws、Wl分别为热水、油气水混合物的质量流量（kg/s）；cs、cl分别为热水、油气水混合物的比热（J/(kg·K)）。

2.4 油气水与油气水混合介质温降模型

当管流经过第一口井后即变为油气水三相混合液，再经过其他井口与其所产液体混合时即为油气水与油气水的混合，根据能量守恒定律可求得其混合后温度为

式中Tl1、Tl2、T分别为上游油气水、当前井产油气水、前两者混合后的混合液温度（℃）；Wl1、Wl2分别为上游油气水、当前井产油气水的质量流量（kg/s）；cl1、cl2分别为上游油气水、当前井产油气水的比热（J/(kg·K)）。

2.5 能耗计算模型

由上述四个运行模型的温降计算模块，即可获得环状集输流程中任意一点的温降，环状集输流程总温度下降值为各个管段温度下降之和。由此，可进一步进行能量消耗计算。环状集输流程能量消耗分为热能消耗和动能消耗两种，但由于热能消耗占据能量消耗的绝大部分，可达99%以上，故此处忽略动能消耗，建立环状集输流程能量消耗模型。能量消耗求解公式为

式中Q为能量消耗（kW）；cs、ch分别为热水、混合物的比热（kJ/(kg·K)）；Ws、Wh分别为热水、混合物的质量流量（kg/h）；Tj为j点的温度（℃）；Ti为i点的温度（℃）。

3 模型检验

3.1 能耗计算

结合初始数据，通过改变热水掺入量和热水温度，由环状集输流程优化运行模型计算得到青海油田某区块不同参数下能量消耗的数值，如表1所示。

表1 某区块环状集输流程能耗

3.2 能耗优化

由表1不同参数下的能耗计算结果可以看出：①相同热水掺入量下，热水温度越高，能量消耗越大，油田运营成本越高；②相同热水温度下，热水掺入量越多，能量消耗越大；③能耗对热水温度较为敏感，水温稍有变化，能耗波动较大；④对热水掺入量不敏感，掺入量的增加导致能耗增加，但增加量很小。

因此，油田环状集输流程节能降耗的关键是在保障工程稳定安全运行的前提下，尽量降低热水水温。如果环状集输管道内流体流动受阻，可在一定范围内通过增加热水掺入量，控制水温，达到节能降耗、节约成本的目的。

4 结论

偏远小型油田环状集输流程是一个结构复杂的油气集输处理系统。基于环状集输基本流程建立的集输流程优化运行模型，充分考虑油、气、水三相流的特点，结合地层和大气温度因素，能够准确地计算出环状管道各处的温度下降数值。该模型以管道各处温降为数据基础，进一步计算出整个流程的能量损耗。通过比对不同参数下最终环状集输流程的能量损耗结果，得知该流程最优的节能降耗方式是在保持安全、稳定混输的状态下，最大限度地降低热水温度，减少能量损失。该模型成功应用于青海油田各个环状集输流程，适应性强，操作简便，有效解决了该油田环状集输流程长期存在的高能耗问题，为整个油田节能降耗目标作出了重要贡献，节约了油田成本，提高了油田的生产效率，对油田其他作业项目的节能降耗工作有一定的借鉴意义。

[1]毛前军．环状集输流程安全混输温度界限及优化运行管理研究[D]．大庆：大庆石油学院，2009.

[2]毛前军，刘丽君，刘晓燕，等．油田环状集输流程节能运行研究[J]．油气田地面工程，2009，28（1）：18-19.

[3]刘丽君，刘晓燕，毛前军．油田环状集输流程埋地管道温降计算方法[J]．科学技术与工程，2009，9（19）：5775-5777.

[4]王树立，赵志勇．油气集输管线温降计算方法[J]．油气田地面工程，1999，18（3）：22-25.

[5]刘晓燕，赵军，石成，等．土壤恒温层温度及深度研究[J]．太阳能学报，2007，28（5）：494-498.

（栏目主持张秀丽）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.5.016