站外集油系统能耗测试与影响因素分析

李海，白晓航，李旭海，金海洋，蔡亮，胡炎兴

(1. 中油国际管道公司 中缅油气管道项目，北京 100029；2. 中国石油天然气股份有限公司管道沈阳输油气分公司，辽宁 沈阳 113001；3. 中国石油西南管道公司，四川 成都 610000；4. 中国石油西南管道天水输油气分公司，甘肃 天水 741002；5. 中航油京津冀物流有限公司，天津 300300；6. 中国石油青海油田分公司 管道输油处，青海 格尔木 816000)

随着油田的深入开发，目前大部分陆上油田已进入高含水期，很多区块的综合含水率已经达到80%以上，原油的含水率越高，集输原油加热能耗越大。此外，油田的集输工艺复杂多样，往往采用单管掺水、环状掺水和三管伴热等多种集油工艺，其中三管伴热集油工艺流程应用广泛，但工艺老化，会造成较多的热能浪费。因此，通过对某油田三管伴热集油流程开展系统、连续的能耗测试，全面统计和分析高能耗的原因，具有指导生产参数调整，优化工艺流程，降低集油工艺能耗，减少运行成本的意义。

1 基础数据

在某区块选取5口油井进行集油能耗测试与分析，该5口井的伴热方式均为三管伴热集油工艺流程。集油管线和伴热管线的规格、长度见表1所列。

表1 实验油井的基础参数

能耗测试前，需要测量油品的密度、黏度、比热容等物性参数。测量了不同温度下实验油品以及蒸馏水的密度；测量了不同温度下实验油品的动力黏度μ，绘制了油相黏温曲线，其中10-3井的黏温曲线如图1所示。

图1 10-3井黏温曲线示意

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，这两种方法都是建立在热力学定律的基础上，可以用来分析系统的用能效率和用能环节的不合理，根据实际工况，主要分析用能数量，对用能品质不予考虑，同时分析系统的外部损失，因此选用能量平衡的方法建立集油管线能耗计算的模型。在集油能耗计算中，将油井集油管线视为一个能量平衡系统，其主要能量包括两部分： 热能和动能。

能量平衡关系式如式(1)，式(2)所示：

Qrs=Qrj-Qrc

(1)

Qds=Qdj-Qdc

(2)

式中：Qrs——集油管线热能能耗，kJ；Qrj——集油管线进口介质所含热能，kJ；Qrc——集油管线出口介质所含热能，kJ；Qds——集油管线电力能耗，kJ；Qdj——集油管线进口介质所含压能，kJ；Qdc——集油管线出口介质所含压能，kJ。

因此整个集油管线系统的能耗损失如式(3)所示：

Qs=Qrs+Qds

(3)

集油管线进出口介质所含的热能、压能计算如式(4)～式(7)所示：

Qrj=qmjcjθjt

(4)

Qrc=qmcccθct

(5)

Qdj=pjqVjt

(6)

Qdc=pcqVct

(7)

式中：qm——集油管线内介质的质量流量，kg/s；c——集油管线内介质的比热容，kJ/(kg·℃)；θ——集油管线内介质的温度，℃；t——测试时间，s；p——集油管线内介质起点或终点压力，kPa；qV——集油管线内输送介质体积流量，m3/s；下标j——进口处；下标c——出口处。

3 测试结果及分析

3.1 能耗计算与分析

在集油过程中为了更直观地看出单位长度或输送单位采出液所消耗的能量，可以计算集油单位产量能耗和单位长度能耗，其计算公式如式(8)和式(9)所示。

(8)

(9)

式中：Qc—输送单位采出液所产生的能耗，kJ/kg；QL—输送单位管长所产生的能耗，kJ/m。

分别从2018年9月11日至2018年9月25日，采集5口油井生产运行参数进行测试和计算，这些数据均来自现场生产参数记录与实际测量。除了利用计量间内已有的仪表设备进行数据采集测量外，还测量了测试油井的井口压力、温度。井口压力利用现有的压力表读取记录数据，井口温度采用热电偶测温仪和红外测温仪相结合的方式测量记录。利用已采集的数据结合实际生产运行中工作人员的记录，并结合各油井的物性参数以及能耗计算公式，进行相关能耗测试结果的计算，由于这5口油井均在同一区块，油品物性类似，测试结果基本相同，在此仅罗列10-3井测试结果，见表2所列。

表2 10-3井集油能耗测试结果

产液量越大的油井所产生的集油能耗越高，单位管长能耗越高，而含水率越高管长越长，单位产量集油能耗越高。测试结果发现，在总集油能耗中热力能耗占主导地位，电力能耗较低，热力能耗约占总能耗的97%～99%，而电力能耗仅占1%～3%。因此要想降低集油能耗，降低热力能耗是关键，电力能耗是次要因素。由于集油进站温度很大程度上影响着集油系统的总能耗及热力能耗，因此在此绘制了10-3油井两者之间的散点关系，如图2所示。

图2 10-3油井能耗随温度变化关系示意

由图2可知，随着进站温度的升高，油井热力能耗逐渐增大，其集油总能耗也逐渐增大，且二者的变化情况大致相同，这也证明热力能耗是影响总集油能耗变化的主导因素。对于同一口油井，集油热力能耗与总集油能耗随集油进站温度变化的趋势相同，当集油进站温度增加时，集油热力能耗与总集油能耗都会随之增大，这是由于较高的进站温度对应着较多的三管伴热水，三管伴热所用的热水越多，加热伴热水所消耗的能量就越多，集油能耗增加。为了进一步分析集油进站温度对单位能耗的影响，分别绘制了10-3油井单位产量能耗-集油进站温度关系图和单位管长能耗-集油进站温度的散点关系图，如图3～图4所示。

图3 10-3井Qc随温度变化关系

图4 10-3油井QL随温度变化关系

由图3～图4可知，随着集油进站温度的增大，油井的单位产量能耗和单位管长能耗均在不断增大，因此降低集油进站温度是减少单位产量能耗和单位管长能耗的有效措施，这与图2中总能耗关系曲线得到的规律与结论相同。

综合以上测试结果可以分析得到，降低进站温度是降低集油能耗的关键措施，也是优化集油流程措施所应考虑的问题。研究表明，对于高含水期的油井，由于原油含水率较高，油水两相流管道内的流动条件会大幅改善，高含水原油在低于凝点的温度仍能正常流动，因此结合能耗测试的结果，对该区块油井可以采用常温集输的方式，减少或降低伴热水的量达到降低集油进站温度的目的，从而实现集油能耗的降低。

3.2 管效计算与分析

管效指的是介质在集油、外输、掺液、热水伴随、采暖、二段脱水、原油稳定等各管道末端具有能量与介质在这些管道首端具有的能量的比值，用于判断热油管道储能能力的高低，反映能量损失的情况，对集油流程的优化具有一定的指导作用，其计算公式如式(10)所示：

(10)

式中：η—集油管线管道管效，%。

根据式(10)计算集油管线管效，计算结果见表3所列。

表3 集油管线平均管效

由表3可知，该区块的测试油井管效均在85%以上，管效较高，这说明其管道的保温效果较好，管道热损失少，热能储存能力高；而对于生产状况不同的油井，流量大含水率高的油井管效较低，而流量较小含水率较低的油井管效偏高，这是由于随着含水率的增大，油水两相中水含量较大，而水的比热是油的2倍左右，因此相同体积的混合液含水较多的热量损失多且快，而流量增大使管段内介质与周围环境的换热作用增强，导致热损失增多，这也从另一个角度解释了油田进入高含水期后能耗增加的原因。因此在油井优化集油流程时，应优先考虑高含水高产液的油井，该情况的油井能耗高，管效低，优化空间更大。

实际生产过程中，集油进站温度是相对容易调节的参数，通过调节进站温度来实现集油能耗的降低是简单且可行的。为了研究集油过程中集油进站温度对管效的影响，结合上述计算结果绘制了10-3油井管效-集油进站温度关系图，如图5所示。

图5 10-3油井η随温度变化关系

由图5可知，随着进站温度的增大，η会逐渐降低，能耗损失增大，这与前面总集油能耗随集油进站温度的变化情况相同，同时这也说明通过降低集油的进站温度不仅可以降低总集油能耗，而且可以提高集油管线的管效，减少能耗的损失，从而达到节能降耗的目的。

3.3 节能占比计算

可以实现常温集输或降温集输的油井多为液量大含水率高的油井，而该类油井属于高能耗油井，因此结合实际生产运行参数分别对该区块可能实行常温集输或低温集输的油井进行了节能估算，实行优化方案前后的节能占比估算结果见表4所列。

表4 常温集输或低温集输前后节能占比

采用常温集输或低温集输后节能占比最低为61.58%，最高可达76.78%，优化后节能效果显著。

4 结束语

结合集油能耗测试结果与实际生产经验的特点，给出以下集油流程优化建议：

1)由于高含水油井的含水率过高，导致热能损失会比较低含水率的油井多，因此对于高含水油井要加强保温，采用保温效果较好的聚乙烯保温层，对埋深较浅的管道进行填埋浮土处理。

2)由测试结果可知，降低集油进站温度是节能降耗的有效方式，因此可以对不同油田区块的油井进行常温集输或低温集输的适应性研究，对于高含水率高产液的油井采用停止伴热的常温集输或减少伴热水的低温集输可有效降低集油能耗，减少流程改造造成的不便。

3)对于低产液低含水的油井实现常温集输或低温集输的困难较大，可将原来的三管伴热集油工艺改为掺水工艺，相对于三管伴热集油工艺来说，掺水集油工艺所需的热水要少很多，掺水集油所产生的能耗也较小。