致密油集輸方案篩選及能耗分析研究

楊玉婷， 呂宇玲， 史曉蒙

(中國石油大學(xué)(華東) 儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

致密油集輸方案篩選及能耗分析研究

楊玉婷， 呂宇玲， 史曉蒙

(中國石油大學(xué)(華東) 儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

由于常規(guī)油品產(chǎn)量下降，致密油等非常規(guī)原油的研究開發(fā)顯得尤為重要。致密油由于其不同層位油品性質(zhì)差異大及生產(chǎn)周期內(nèi)產(chǎn)液量變化大的特點(diǎn)，在集輸方案確定時(shí)不同于常規(guī)原油，需要結(jié)合致密油本身性質(zhì)，將整個(gè)生產(chǎn)周期分成三個(gè)階段，利用軟件分別對加熱集輸與摻熱水集輸兩套集輸方案的集輸安全距離及運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行模擬分析。通過模擬計(jì)算，摻熱水集輸工藝在兩個(gè)方面均優(yōu)于加熱集輸工藝，因此為保證集輸系統(tǒng)正常運(yùn)行，節(jié)省運(yùn)行成本，選用摻熱水集輸工藝。

集油工藝； 優(yōu)化； 致密油； 井口回壓

隨著北美致密油的持續(xù)突破和成熟致密油區(qū)的不斷建成[1-4]，結(jié)合我國常規(guī)原油產(chǎn)量降低等現(xiàn)狀[5]，致密油作為已經(jīng)獲得重大突破的非常規(guī)油氣資源類型，需加快其勘探開發(fā)和研究步伐[6]。某油田致密油自2012年發(fā)現(xiàn)以來，經(jīng)過幾年的努力，其前期勘探開發(fā)基本完成。本文主要對井口到拉油站段進(jìn)行研究，在管道參數(shù)確定的前提下，確定該部分集輸方式以及運(yùn)行參數(shù)。結(jié)合該致密油田開發(fā)概況與致密油特性，初步確定加熱與摻熱水兩種集輸方式，通過PIPESIM軟件對兩套集輸方式的集輸安全間距及能耗的模擬分析和對比，篩選出最適合該油田致密油的集輸方案，并確定相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)。PIPESIM是公認(rèn)的工程應(yīng)用軟件，是針對油藏、井筒和地面管網(wǎng)一體化的模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，為油氣生產(chǎn)系統(tǒng)提供穩(wěn)定多相流模擬計(jì)算軟件系統(tǒng)。

1 致密油集輸系統(tǒng)特點(diǎn)

常規(guī)的油田集輸系統(tǒng)所處理的原油、天然氣含水量及油品物性基本是逐漸變化的，并在開采初期會產(chǎn)生較大不同，而致密油集輸系統(tǒng)要求更加嚴(yán)格，主要原因如下：

(1)致密油不同層位原油物性差異較大。

致密油地面原油分析資料表明，上甜點(diǎn)、下甜點(diǎn)原油性質(zhì)相差較大，上甜點(diǎn)屬于中質(zhì)、較高凝固點(diǎn)的高含蠟原油，下甜點(diǎn)屬于中質(zhì)、低凝固點(diǎn)的高含蠟原油，且上下甜點(diǎn)油品的反相點(diǎn)含水率均為60%。

(2) 整個(gè)生產(chǎn)周期液量變化范圍較大。

自從致密油各井投產(chǎn)以來，從生產(chǎn)數(shù)據(jù)資料可以看出，致密油的產(chǎn)液、產(chǎn)油有較強(qiáng)的規(guī)律性。以某油田兩口致密油井為例，可以將采出液分為三個(gè)階段：第一階段不含油，日排液90～130 t，持續(xù)10～25 d；第二階段日排液30～90 t，含水率穩(wěn)定在70%左右，持續(xù)30～60 d；第三階段原油產(chǎn)量逐漸下降并最終趨于穩(wěn)定，日產(chǎn)油3～30 t，含水率50%左右。

不同階段所對應(yīng)的最佳集輸方案不同，需要分段進(jìn)行理論及模擬研究。

2 安全間距的確定

集輸安全間距是指在指定的井口回壓和進(jìn)站壓力下，原油乳狀液能夠保持流動性的最遠(yuǎn)集輸距離[7]。根據(jù)油田致密油開發(fā)概況，初步確定加熱與摻熱水兩種集輸方式。利用軟件模擬計(jì)算油田致密油加熱集輸?shù)募訜釡囟扰c摻熱水集輸?shù)膿剿?。由油品反相點(diǎn)含水率60%分析可得，生產(chǎn)周期第一、第二階段井口產(chǎn)液含水率較高，不需要采用加熱、摻熱水等特殊集輸方式，因此只需要對第三階段進(jìn)行研究即可。根據(jù)現(xiàn)場已知情況，管網(wǎng)建設(shè)方式是單管系統(tǒng)，單井管道采用非金屬管道(柔性復(fù)合管)，內(nèi)徑58.5 mm，壁厚3 mm，絕對粗糙度0.005 3 mm，無防腐層，保溫層為10 mm的XPE復(fù)合鋁鉑，保溫層導(dǎo)熱系數(shù)為0.03 W/(m·K)，管中心埋深-1.8 m，平均地溫6.18 ℃，井口產(chǎn)出液溫度25 ℃，摻入熱水溫度60 ℃。

2.1 加熱集輸工藝

加熱集輸工藝是指油井產(chǎn)出液通過加熱改變油品性質(zhì)，使油品在集輸過程中避免凝管結(jié)蠟等事故[8]。油井若采用加熱集輸工藝，需要滿足以下條件：井口回壓不超過1 MPa，拉油站入口壓力0.2～0.3 MPa，加熱溫度不超過95 ℃以及終點(diǎn)流體溫度大于凝點(diǎn)5 ℃。

首先利用PIPESIM軟件，對上甜點(diǎn)井加熱集輸?shù)募訜釡囟冗M(jìn)行計(jì)算。不同上甜點(diǎn)井井口到拉油站距離不同，在不同管道長度下計(jì)算滿足以上要求的最低加熱溫度時(shí)，由于生產(chǎn)周期第三階段井口產(chǎn)液量變化范圍在3～30 t/d，變化幅度大，需要綜合考慮整個(gè)生產(chǎn)階段，以滿足正常的運(yùn)行條件。根據(jù)不同距離井模擬得到的最低加熱溫度，做出變化曲線，并將得到的曲線分階段擬合，得到不同管長下上甜點(diǎn)井最低加熱溫度的方程T上，如圖1所示。下甜點(diǎn)井的井口產(chǎn)出液中的油品性質(zhì)與上甜點(diǎn)井差距較大，其他條件相同，同理對加熱集輸工藝在下甜點(diǎn)井中的應(yīng)用進(jìn)行模擬研究，得到不同管長下下甜點(diǎn)井最低加熱溫度T下的方程。由圖1可知，要使加熱溫度不超過95 ℃，上甜點(diǎn)井的集輸安全間距為292 m，下甜點(diǎn)井的集輸安全間距為542 m。

圖1 油井加熱溫度

Fig.1 Well heating temperature

2.2 摻熱水集輸工藝

摻熱水集輸工藝是指在集油管道井口處摻入熱水，以提高介質(zhì)溫度，降低介質(zhì)黏度，潤濕管壁，防止結(jié)蠟和凝管，減小摩阻的輸送工藝[9]。現(xiàn)場采用多井集成自動摻液系統(tǒng)對油井進(jìn)行摻水[10]，摻入水的溫度為60 ℃，油井若采用摻熱水集輸工藝，需要滿足以下條件：井口回壓不超過1 MPa，拉油站入口壓力0.2～0.3 MPa，摻水管道到達(dá)井口的壓力超過井口回壓0.2～0.4 MPa以及終點(diǎn)流體溫度大于凝點(diǎn)5 ℃。

結(jié)合加熱集輸工藝的模擬方法，考慮摻水以后由于含水率變化造成的反相問題，得到不同管長下上甜點(diǎn)井最低摻水比例的方程n上，如圖2所示。

圖2 油井摻熱水量

Fig.2 The amount of injecting hot water

同理對摻熱水集輸工藝在下甜點(diǎn)井中的應(yīng)用進(jìn)行研究，得到拉油站到井口管道不同長度下允許的最低摻水比n下。

上述模擬計(jì)算得到的加熱溫度T、摻水比例n均是極限值，由于反相點(diǎn)的特性以及現(xiàn)場的因素的多變，在現(xiàn)場應(yīng)用中加熱溫度應(yīng)在此基礎(chǔ)上加2～5 ℃的余量，摻水比例應(yīng)在此基礎(chǔ)上加0.02～0.05的余量。

綜合以上研究，在最高加熱溫度為95 ℃的前提下，現(xiàn)有的18口上甜點(diǎn)井與20口下甜點(diǎn)井中，根據(jù)其井口到拉油站的距離，對比圖1可知只有9口下甜點(diǎn)井可以采用加熱集輸工藝，其余油井均超過了相應(yīng)的集輸安全距離；而38口井均可以采用摻熱水集輸工藝。由此可見，在相同壓力與溫度的要求下?lián)剿敼に嚨募敯踩嚯x明顯高于加熱集輸工藝，因此從集輸安全間距上講，摻熱水集輸工藝優(yōu)于加熱集輸。

3 集輸費(fèi)用對比優(yōu)化

對一個(gè)待建管網(wǎng)，安全是第一要素，只有技術(shù)上可行才能保證所建設(shè)的管道安全、可靠。經(jīng)濟(jì)因素是除安全因素以外的另一個(gè)重要因素[11]，因此集輸系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用也是確定集輸方案時(shí)需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。在井口到拉油站管道長度不同的情況下，利用圖1、圖2中擬合公式，計(jì)算得出相應(yīng)的加熱溫度與摻水比例，分別計(jì)算兩套集輸方案應(yīng)用于該油田致密油區(qū)時(shí)各自的單位產(chǎn)液量運(yùn)行費(fèi)用。

管網(wǎng)的研究范圍為井口到聯(lián)合站，整個(gè)過程中沒有泵站，因此在加熱集輸工藝中，所有的費(fèi)用均來源于油田產(chǎn)出液的加熱能耗，加熱爐的熱力費(fèi)用計(jì)算如式(1)所示。

(1)

式中，ηr為加熱爐的效率，%；C為輸送平均溫度下混合物的比熱容，kJ/(kg·℃)；TR為加熱爐出口流體溫度，℃；TZ為加熱爐進(jìn)口流體溫度，℃；er為電費(fèi)的價(jià)格，元/(kW·h)；Sr為單位產(chǎn)液量熱力爐費(fèi)用，元/t。

而摻熱水集輸?shù)倪\(yùn)行費(fèi)用主要包括熱力費(fèi)用和動力費(fèi)用兩部分，熱力費(fèi)用計(jì)算方法與加熱集輸相同，動力費(fèi)用計(jì)算如式(2)所示，每臺泵所匹配的原動機(jī)的功率應(yīng)不小于輸水時(shí)泵的軸功率N，如式(3)所示。

(2)

式中，Sd為單位產(chǎn)液量動力費(fèi)用，元/t；er為電費(fèi)的價(jià)格，元(kw·h);ND為原動機(jī)功率，ND=(1.10～1.15)N，kW；G為單位時(shí)間摻水量，t/h。

(3)

式中，N為輸水泵的軸功率，kW；Q為輸水泵排量，m3/s；H為輸水泵排量為Q時(shí)的揚(yáng)程，m；ρ為液體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；η為效率，%。

根據(jù)現(xiàn)場情況，電費(fèi)0.56元/(kW·h)，加熱爐效率取一級能效，結(jié)果如圖3所示。上甜點(diǎn)井加熱集輸?shù)倪\(yùn)行費(fèi)用與加熱爐進(jìn)出口溫度差成正比，隨著管道長度的增大，單位產(chǎn)液量運(yùn)行費(fèi)用呈遞增趨勢；下甜點(diǎn)井由于產(chǎn)出液中油品性質(zhì)不同，凝點(diǎn)僅有8.7 ℃，遠(yuǎn)低于上甜點(diǎn)井產(chǎn)出液中的油品，所以整個(gè)趨勢分為三部分：不加熱、井口回壓決定加熱溫度、流體終點(diǎn)溫度決定加熱溫度。

摻水集輸時(shí)運(yùn)行費(fèi)用由熱力費(fèi)用與動力費(fèi)用兩部分構(gòu)成。如圖3(a)中所示，上甜點(diǎn)井摻熱水集輸運(yùn)行費(fèi)用主要分為三段，依次為終點(diǎn)流體溫度決定摻水量遞增階段；反相以后摻水比例不變階段；井口回壓決定的摻水比例遞增階段。第三階段中隨著摻水比例的增大，繼續(xù)增大摻水量對乳狀液黏度的影響越來越小，因此隨著管道長度的增大，摻水量逐漸增大且趨于平穩(wěn)。對于下甜點(diǎn)井摻熱水集輸，由于井口產(chǎn)出液中油品凝點(diǎn)較低，導(dǎo)致與上甜點(diǎn)井相比沒有終點(diǎn)流體溫度決定摻熱水量遞增階段，且前期摻水比例為0。

針對現(xiàn)有38口井距離拉油站的管道長度，從節(jié)能降耗來說，摻熱水集輸優(yōu)于加熱集輸。

圖3 上、下甜點(diǎn)井運(yùn)行費(fèi)用

Fig.3 Operating costs of upper-cookie wellsand lower-cookie wells

4 井口回壓計(jì)算

綜合以上兩種集輸方案在集輸安全間距與集輸運(yùn)行費(fèi)用兩方面的對比，該油田上下甜點(diǎn)井均應(yīng)選用摻熱水集輸工藝。根據(jù)現(xiàn)有38口井的實(shí)際情況，結(jié)合不同油井摻熱水量計(jì)算公式，分別計(jì)算每口井摻水比例，結(jié)果如表1所示。

表1 不同油井摻水比例計(jì)算數(shù)據(jù)

結(jié)合致密油隨著生產(chǎn)周期的變化，井口產(chǎn)液量與含水率均發(fā)生變化的特點(diǎn)，對不同生產(chǎn)階段的井口回壓進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，生產(chǎn)周期第一、二階段井口產(chǎn)出液含水率高，不需要進(jìn)行摻水，隨著產(chǎn)液量的增加，井口回壓略有增大；第三階段摻水比例相同，隨著產(chǎn)液量的增加，井口回壓逐漸增加，且第二、三階段的分界處，由于是是否摻水的分界處和含水率50%與70%的分界處，因此井口回壓發(fā)生突變。

圖4 上、下甜點(diǎn)井井口回壓

Fig.4 Wellhead back pressure of upper-cookie wellsand lower-cookie wells

5 結(jié)論

(1) 加熱集輸工藝對上甜點(diǎn)井的集輸安全距離僅有292 m，下甜點(diǎn)井僅有542 m，兩者均遠(yuǎn)低于摻熱水集輸工藝。

(2) 井口到拉油站距離不同，加熱集輸工藝與摻熱水集輸工藝的能耗也不同，針對現(xiàn)場38口井來說，摻熱水集輸工藝的運(yùn)行費(fèi)用更低，節(jié)能效果顯著。

(3) 摻熱水集輸能滿足該致密油油田的集輸要求，整個(gè)生產(chǎn)周期井口回壓隨著產(chǎn)液量及其性質(zhì)的變化而變化。

(4) 根據(jù)對模擬集輸安全間距與能耗情況的總結(jié)，可以對該油田將來開發(fā)的致密油井在確定集輸方案方面進(jìn)行指導(dǎo)。

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(編輯 王亞新)

The Plans Contrast and the Energy Consumption Analysis onGathering and Transportation System of Tight-Oil

Yang Yuting， Lyu Yuling， Shi Xiaomeng

(CollegeofPipelineandCivilEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，QingdaoShandong266580，China)

Since the decline in conventional oil production, the research and development of unconventional oil are very important. Tight oil has the following characteristics. First, the property of different layers of tight oil is different, and the second is the amount of fluid in the production cycle is variational. To determine the tight oil gathering and transportation scheme, the entire production cycle is divided into three stages. The two schemes of heating and water injection are analyzed by simulating and comparing their Gathering safe distance and energy-consumption. The results show that water injection is better than heat gathering and transportation technology in these two aspects. So as to ensure the normal operation of gathering system and save operating costs, we choose water injection gathering and transportation technology.

Oil gathering process; Optimization; Tight oil; Wellhead back pressure

2016-10-27

2016-12-07

楊玉婷(1991-)，女，碩士研究生，從事多相管流及油氣田集輸技術(shù)方面研究；E-mail：1543828314@qq.com。

呂宇玲(1971-)，女，博士，教授，從事多相管流及油氣田集輸技術(shù)方面研究；E-mail：lyl8391811@163.com。

1006-396X(2017)02-0082-04

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

TE319

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.02.015