橇裝式油井套管氣利用換熱裝置的研究與應(yīng)用

馮恩山，周魁修，王光明，李日科

(中國(guó)石化江蘇油田分公司采油三廠，安徽 天長(zhǎng) 239300)

橇裝式油井套管氣利用換熱裝置的研究與應(yīng)用

馮恩山，周魁修，王光明，李日科

(中國(guó)石化江蘇油田分公司采油三廠，安徽 天長(zhǎng) 239300)

復(fù)雜小斷塊油田油井分散，油井套管氣生產(chǎn)單井產(chǎn)氣量差別大，隨油井分布而分散，利用難度大。為了有效利用這些套管氣資源，通過對(duì)油井產(chǎn)氣量與換熱負(fù)荷的計(jì)算，確定了相應(yīng)的匹配關(guān)系，把套管氣燃?xì)夤┙o、熱能轉(zhuǎn)換、循環(huán)供熱、外置換熱器、自動(dòng)控制等部分設(shè)計(jì)成一個(gè)撬塊，研發(fā)了橇裝式油井套管氣利用換熱裝置。該裝置實(shí)現(xiàn)了橇裝化、模塊化和智能化，解決了單井點(diǎn)套管氣的利用，提高了生產(chǎn)效益。

油井套管氣 橇裝設(shè)計(jì) 自動(dòng)控制 熱能轉(zhuǎn)換 生產(chǎn)成本

隨著國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)移，氣資源越來越受到青睞，油井套管氣作為一種原油生產(chǎn)伴生資源，也越來越引起重視。油井套管氣存在單井產(chǎn)氣量差別大，隨油井分布而分散，利用難度大、效益低的特點(diǎn)，整裝區(qū)塊油井可通過集輸管線集中利用，但對(duì)于復(fù)雜小斷塊油田邊遠(yuǎn)零散生產(chǎn)點(diǎn)，采用車?yán)图敳焕诩欣?，造成資源的浪費(fèi)和環(huán)境污染；且保溫方式一般采用電加熱，需要耗費(fèi)大量的電能。為此，研發(fā)了橇裝式油井套管氣利用換熱裝置，以解決單井點(diǎn)套管氣的利用，提高生產(chǎn)效益。

1 研發(fā)目的及要求

換熱裝置能夠通過燃燒油井套管氣，產(chǎn)生恒溫恒壓的熱水來加熱原油或伴熱原油管線，達(dá)到有效利用資源，節(jié)約生產(chǎn)成本，保護(hù)環(huán)境的目的。換熱裝置具有橇裝化、模塊化和智能化的特點(diǎn)，且性能穩(wěn)定，安全可靠，管理方便，體積小、占地少，能適應(yīng)野外生產(chǎn)的要求[1]。

換熱裝置的關(guān)鍵是要解決套管產(chǎn)氣量與換熱裝置負(fù)荷匹配的問題[2]，通過測(cè)算套管產(chǎn)氣量，研究地面設(shè)施所需熱量負(fù)荷，采取可變功率和最大功率相結(jié)合的方式，解決油井產(chǎn)出伴生氣量與井站熱功率需求的矛盾。

2 設(shè)計(jì)與加工

設(shè)計(jì)的換熱裝置由套管氣燃?xì)夤┙o、熱能轉(zhuǎn)換、循環(huán)供熱、外置換熱器、自動(dòng)控制和橇裝部分組成。

2.1 熱能轉(zhuǎn)換部分設(shè)計(jì)

換熱裝置的大小由套管氣總量和加熱原油所需的熱量決定。設(shè)計(jì)以單井常用30 m3儲(chǔ)油罐計(jì)算：長(zhǎng)×寬×高=6 000 mm×2 400 mm×2 500 mm。

(1)儲(chǔ)油箱(罐)散熱損失：

傳熱方程：W=KF△T

(1)

式中，W為熱負(fù)荷，W；K為傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；F為傳熱面積，m2；△T為傳熱溫差，℃。

每平方保溫層外表面的散熱量計(jì)算公式為：

(2)

式中：T0為儲(chǔ)油罐內(nèi)油溫度,℃；Ta為外部環(huán)境溫度,℃；b1為儲(chǔ)油罐鋼板厚度，m；b2為儲(chǔ)油罐與外部保溫層夾層，m；b3為保溫層厚度，m；αs為表面放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；λ1為儲(chǔ)油罐鋼板導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；λ2為儲(chǔ)油罐與外部保溫層夾層平均導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；λ3為保溫層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

將上述數(shù)據(jù)代入散熱量計(jì)算公式，則

q=12.96 J/(m2·s)

油罐1 h總體散熱量

Q散=qAT=12.96×70.8×3 600÷1 000

=3 303 kJ/h

(2)原油加熱所需熱量：

原油總量按實(shí)際容量的80%(24 m3)：

Q=Cm△T

(3)

式中：Q為能量，J；C為物質(zhì)的比熱容，kJ/(kg·℃)；m為質(zhì)量，kg；△T為溫升，℃。

查表：

原油C=2.1 kJ/(kg·℃)，m=24×900=

21 600 kg，△T=(50-30)=20 ℃，則

Q加=2.1×21 600×20=907 200 kJ

若加熱12 h，則每小時(shí)所需熱量為75 600 kJ/h。

Q=Q散+Q加=3 303 +75 600=78 903 kJ/h

(4)套管氣產(chǎn)生的熱量：

套管氣產(chǎn)量：最小20 m3/d，最大50 m3/d。

套管氣熱值：套管氣主要成份為C1-C5的烷烴，即甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷的混合物，此外還有一些非烴氣體，如二氧化碳、硫化氫等。含量因區(qū)塊不同而有差別，分析套管氣中甲烷占75%以上，乙烷占5%～12%，丙烷占4%～10%，丁烷及戊烷占2%～5%。由此可見，伴生氣的熱值接近并高于天然氣，為39 710 kJ/Nm3

燃燒伴生氣每小時(shí)產(chǎn)生的熱量：

Qmin=20×39 710/24=33 091 kJ/h

Qmax=50×39 710/24=82 729 kJ/h

1.2.1.2.3清掃由副組長(zhǎng)列出值日表，落實(shí)到人，嚴(yán)格執(zhí)行治療室的清潔工作，建立衛(wèi)生規(guī)范，打掃要徹底，臟污要清除干凈，不留死角，桌面及地面每日用消毒劑擦拭兩次，同時(shí)也可要求保潔人員參與其中，共同維護(hù)工作場(chǎng)所干凈、明亮，對(duì)于醫(yī)療垃圾處理，要遵守相關(guān)規(guī)定嚴(yán)格執(zhí)行。

(5)加熱爐選型：

根據(jù)以上計(jì)算，加熱裝置選用熱功率為25 kW的壁掛式燃?xì)鉄崴訜嵫b置[3]，其技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 燃?xì)饧訜嵫b置技術(shù)參數(shù)

注:表中250GOM(+)為冷凝式壁掛爐，熱功率為25 kW。

2.2 循環(huán)供熱部分設(shè)計(jì)

壁掛爐在系統(tǒng)中為熱量制造中心，所產(chǎn)生的熱水通過循環(huán)泵供應(yīng)到儲(chǔ)油箱的盤管，盤管加熱油箱中的原油[2]。循環(huán)水在伴熱水管中循環(huán)，加熱管道中的原油。25 kW壁掛式加熱爐的循環(huán)量為2 m3/h；盤管的水力損失約為15 m；選用循環(huán)泵流量為4 m3/h，揚(yáng)程為15 m，以滿足循環(huán)需要。

2.3 燃?xì)夤┙o部分設(shè)計(jì)

根據(jù)油井套管氣特點(diǎn)：氣壓不穩(wěn)定，一般在0.1～0.5 MPa，特殊情況還會(huì)更高；氣的品質(zhì)差，雜質(zhì)較多，含有較多的污水、油滴，一般加熱裝置不宜直接使用，否則會(huì)影響其可靠性，降低使用壽命。設(shè)計(jì)采用減壓、分離、凈化和穩(wěn)壓處理(見圖1)[1]，以達(dá)到加熱爐燃?xì)庖蟆?/p>

圖1 燃?xì)夤┙o系統(tǒng)處理流程

壓力的高低決定著進(jìn)入裝置的氣體流量，為使套管產(chǎn)出氣穩(wěn)定進(jìn)入加熱爐，采取三級(jí)穩(wěn)壓[4]，即：一級(jí)采取定壓放氣閥，出口壓力控制在0.5 MPa，多余氣量通過流程放入生產(chǎn)罐；二級(jí)采用氣體減壓閥，壓力可減至15 000 Pa；進(jìn)入三級(jí)減壓閥，出口壓力一般為1 500 Pa。減壓閥出口壓力可以調(diào)整。

用氣量由外部熱負(fù)荷決定。若裝置采用自動(dòng)恒溫控制，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，燃?xì)饬繒?huì)減少或關(guān)閉，此時(shí)套管氣壓力上升。為避免壓力上升的影響，設(shè)計(jì)了定壓放氣閥將多余氣體排入生產(chǎn)罐內(nèi)，以保持壓力穩(wěn)定。

供氣的品質(zhì)決定著裝置燃燒的可靠性與效率。采用高效微型氣液分離凈化器和自動(dòng)排污技術(shù)，實(shí)現(xiàn)油井套管氣所攜帶液體的分離排放。套管氣經(jīng)旋風(fēng)分離器實(shí)現(xiàn)氣液初步分離后進(jìn)入二級(jí)分離裝置，完全實(shí)現(xiàn)氣液分離后的燃?xì)饬飨蛉細(xì)膺^濾器，過濾器將雜質(zhì)濾去，凈化氣體，滿足燃燒器燃燒的要求。

2.4 外置換熱器設(shè)計(jì)

為滿足管線加熱方式需求，在裝置的外側(cè)設(shè)置蛇形管換熱器，換熱器殼程與裝置的水循環(huán)相通，用來加熱原油，設(shè)計(jì)換熱器的熱功率為25 kW，原油進(jìn)出口管徑為DN50PN2.5，承壓2.5 MPa，換熱器為單回程，傳熱面積最小設(shè)計(jì)1.1 m2，允許原油的最大流量為3.76 t/h。

2.5 自動(dòng)控制部分設(shè)計(jì)

主要對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行控制：儲(chǔ)油箱油溫、循環(huán)水溫度、加熱裝置水位和燃?xì)鈮毫?，控制?duì)象為循環(huán)泵、燃燒器及燃燒器電磁閥、補(bǔ)水電磁閥[5]。

2.5.1 控制系統(tǒng)原理

根據(jù)控制參數(shù)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制圖(見圖2)。

圖2 控制系統(tǒng)原理

2.5.2 控制功能

(1)水位自動(dòng)控制：膨脹水箱上有三個(gè)水位傳感器，高水位時(shí)關(guān)，低水位開，極低水位時(shí)停止整個(gè)換熱裝置的工作。

(2)儲(chǔ)油箱恒溫控制：可設(shè)定溫度0～99 ℃，啟動(dòng)滯后值為5 ℃，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)循環(huán)泵停止。

(3)燃燒啟?？刂疲杭訜嵫b置內(nèi)設(shè)爐水溫度傳感器，啟動(dòng)滯后值為5 ℃，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)燃燒關(guān)閉。

(4)壁掛爐運(yùn)行控制：水箱水位檢測(cè)正常才能開啟；壁掛爐啟停由燃?xì)鈮毫刂?，?dāng)燃?xì)鈮毫Υ笥谠O(shè)定的壓力上限時(shí)，控制器輸出停止燃燒信號(hào)，壁掛爐進(jìn)入燃燒負(fù)荷調(diào)節(jié)關(guān)閉狀態(tài)，直至停止燃燒。

(5)多臺(tái)聯(lián)動(dòng)控制：聯(lián)控系統(tǒng)具有單控/聯(lián)控運(yùn)行模式，可根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)控制多臺(tái)壁掛爐的啟停，完成多爐、多機(jī)組的安全運(yùn)行、科學(xué)管理和平衡；單控運(yùn)行時(shí)各機(jī)組能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)工況檢測(cè)和全自動(dòng)運(yùn)行。

(6)安全保護(hù)：系統(tǒng)能直觀顯示和報(bào)警(聲光)處理以下內(nèi)容：

a.燃燒熄火故障與保護(hù)；

b.燃?xì)鈮毫Ω摺⒌惋@示；

c.鍋爐水位極低故障與保護(hù)；

d.系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)與傳感器故障保護(hù)；

e.系統(tǒng)斷電監(jiān)測(cè)與保護(hù)；

f.系統(tǒng)出現(xiàn)溫度超溫、水箱水位極低、壁掛爐過熱、燃?xì)鈮毫Ξ惓?高或低)等故障時(shí)緊急停爐，需人工復(fù)位才能再次運(yùn)行。

2.5.3 其他功能

(1)設(shè)置運(yùn)行參數(shù)：設(shè)置壁掛爐全自動(dòng)運(yùn)行所需壓力、溫度等參數(shù)。

(2)信息處理：將現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)進(jìn)行智能數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，完成故障預(yù)測(cè)和處理、系統(tǒng)防凍控制和智能模糊控制。

(3)自動(dòng)故障識(shí)別：發(fā)生故障時(shí)，軟件自動(dòng)識(shí)別，保護(hù)鍋爐及附屬設(shè)備安全。

(4)通訊功能：可預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口及MODBUS協(xié)議，實(shí)現(xiàn)行程監(jiān)控。

(5)軟手動(dòng)功能：在此狀態(tài)下，可直接對(duì)燃燒器等負(fù)載進(jìn)行操作。操作時(shí)要嚴(yán)格遵循燃燒爐負(fù)荷的工作時(shí)序及燃燒爐與循環(huán)泵連鎖、超溫、超壓連鎖關(guān)系。

(6)系統(tǒng)密碼保護(hù)：系統(tǒng)設(shè)置二級(jí)密碼保護(hù)功能，有用戶操作級(jí)和管理級(jí)。

2.5.4 控制器硬件組成

(1)核心控制器

作為單、多臺(tái)燃?xì)鉅t的控制平臺(tái)，根據(jù)燃?xì)鉅t的數(shù)據(jù)點(diǎn)位，結(jié)合控制算法的復(fù)雜程度與控制模塊的數(shù)據(jù)空間，采用S7-200系列中的CPU-224XP作為核心CPU。主要特點(diǎn)如下：

a.CPU帶兩個(gè)RS232/485通訊口；

b.各種功能模塊(AI/AO/DI/DO)可以非常好地滿足和適應(yīng)自動(dòng)控制任務(wù)；

c.由于簡(jiǎn)單實(shí)用的分散式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，使得應(yīng)用十分靈活；

d.當(dāng)控制任務(wù)增加時(shí)，可自由擴(kuò)展。

(2)單機(jī)顯示界面

圖3 顯示界面

采用177.8 mm彩色觸摸屏顯示(見圖3)，中文操作界面，文本翻頁、友好的人機(jī)對(duì)話及先進(jìn)的控制方式，內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)的燃?xì)鉅t優(yōu)化控制程序，燃?xì)鉅t運(yùn)行狀況文本實(shí)時(shí)顯示，彈出式報(bào)警方式，受控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)界面實(shí)時(shí)顯示，故障自動(dòng)識(shí)別、直觀指示與處理，虛擬按鍵。

2.6 撬裝設(shè)計(jì)

撬裝設(shè)計(jì)長(zhǎng)1 200 mm，寬800 mm，高1 850 mm，撬座用槽鋼加工。側(cè)板上、下部留防雨百頁窗式通風(fēng)口。側(cè)板背板采用卡槽式固定，檢修時(shí)可以直接拉開，正面上部為鉸鏈連接旋啟式對(duì)開門。頂部預(yù)留吊耳。外部接管4個(gè)：熱水出水、熱水回水、燃?xì)夂团盼?見圖4)。

圖4 撬裝換熱裝置示意

3 規(guī)格和參數(shù)

換熱裝置目前設(shè)計(jì)有4種規(guī)格，型號(hào)主要根據(jù)有無外置換熱器和功率不同而確定，具體分類見表2。

(1)使用范圍：?jiǎn)尉畠?chǔ)油罐原油加熱或管線原油加熱；

(2)額定熱功率：見表2；

(3)額定出水溫度：80 ℃；

(4)額定耗氣量：見表2；

(5)外置換熱裝置型式：蛇形管；

(6)裝置尺寸(長(zhǎng)×寬×高)：1 200 mm×800 mm×1 850 mm；

(7)進(jìn)出水口徑：DN32；

(8)耗電量：0.9 kW；

(9)工作電源：220 V/380 V，50 Hz；

(10)控制方式：自動(dòng)控制；

(11)氣源壓力要求：≥0.1 MPa；

(12)壁掛爐工作方式：開放式(無壓)。

表2 規(guī)格分類

注：HB為壁掛式；16為功率，kW；S為單體；EX為外置換熱器。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該套管氣燃?xì)庋b置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用5臺(tái)次，其中管線原油加熱1臺(tái)次，單井儲(chǔ)油罐原油加熱4臺(tái)次，總裝機(jī)功率達(dá)到146 kW，總投入費(fèi)用68萬元，年節(jié)約電費(fèi)39.8萬元，減少電加熱裝置投入20萬元，年有效利用套管氣4.2×104m3。

4.1 單井儲(chǔ)油罐原油加熱

G7井為一單井生產(chǎn)點(diǎn)，油罐30 m3，日產(chǎn)液6.2 t，日產(chǎn)油3.7 t，含水41%，套壓1.2 MPa，液面深度為2 196 m。井口出油溫度26 ℃，根據(jù)生產(chǎn)情況，設(shè)計(jì)選用HB-25-S型橇裝式油井套管氣利用換熱裝置，2015年8月12日投用。裝置投運(yùn)以來，停用了油罐的20 kW電加熱，裝置設(shè)置溫度70 ℃，3 d加熱罐內(nèi)液體一次，罐內(nèi)液體溫度達(dá)到50 ℃時(shí)開始向外拉油，運(yùn)行正常，滿足了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求。

4.2 油管線加熱

T95區(qū)塊的T95-4，5，6三口井，通過一條管線進(jìn)站生產(chǎn)，保溫采用電加熱方式，日產(chǎn)液15.6 t，日產(chǎn)油15.0 t，含水3.8%。根據(jù)生產(chǎn)情況，設(shè)計(jì)選用HB-32-EX型橇裝式油井套管氣利用換熱裝置，安裝在三口井的匯合管線上，2015年8月14日投用，24 h連續(xù)運(yùn)行，停用電加熱器，進(jìn)液溫度34 ℃，出液溫度44 ℃，滿足了正常原油集輸要求。

5 結(jié)論

(1)裝置直接利用油井套管氣資源，適用于單井、多井油水管線儲(chǔ)油罐的加熱和保溫。有效利用了天然氣資源，節(jié)能環(huán)保，降低了生產(chǎn)成本。

(2)采用模塊化、撬裝式設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)精巧，占地面積小，便于安裝、拆卸和運(yùn)輸。

(3)采用多功率組合，可根據(jù)油井氣量和液量調(diào)整功率，滿足供熱需求，有較廣的應(yīng)用范圍。

(4)具有單控、聯(lián)控功能，實(shí)現(xiàn)單機(jī)、多機(jī)組合運(yùn)行，最大限度提高換熱時(shí)效。

(5)安全可靠，采取顯示和聲光報(bào)警，具有熄火、壓力高低、溫度高低、斷電、漏氣等多項(xiàng)保護(hù)。

(6)管理方便，可用于野外環(huán)境，設(shè)有PLC寸彩觸屏顯示，無須專人值守。

[1] 王欣如，李海.采暖橇在新疆油田站場(chǎng)供暖的研發(fā)設(shè)計(jì)[J].節(jié)能，2012，361(10)：64-67.

[2] 周超.住宅兩用燃?xì)獗趻鞝t設(shè)備配置與計(jì)算[J].給水排水.2012，38(5)：81-83.

[3] 楊月斐，劉寶俠.燃?xì)獗趻焓藉仩t[J].油氣田地面工程.2006，25(9)：60.

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[5] 吳永橋，施光林.新型恒溫即熱式電熱水器控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào).2004(4):683-687.

(編輯 謝 葵)

低油價(jià)等因素影響世界大油氣田開發(fā)項(xiàng)目

近日，Rystad咨詢公司的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，由于2014年國(guó)際油價(jià)下跌，全球共有43個(gè)大型油氣田開發(fā)項(xiàng)目被推遲或暫停；同時(shí)由于政局不穩(wěn)或技術(shù)原因，全球共有19個(gè)大型油氣田開發(fā)項(xiàng)目被推遲或暫停。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，受油價(jià)下跌影響的大型開發(fā)項(xiàng)目遍及全球23個(gè)國(guó)家，其中美洲地區(qū)受影響項(xiàng)目的數(shù)量最多，達(dá)到15個(gè)，亞太地區(qū)次之，達(dá)到10個(gè)，非洲第三，達(dá)到8個(gè)，歐洲第四，達(dá)到6個(gè)，中東地區(qū)3個(gè)，中亞俄羅斯地區(qū)僅有1個(gè)。其中:深水、油砂、LNG項(xiàng)目所占投資比例最大;受影響的主要是非常規(guī)項(xiàng)目。

在因政治和技術(shù)因素被推遲或延期的19個(gè)項(xiàng)目中，亞洲和非洲的受影響項(xiàng)目數(shù)量最多，分別占5個(gè)和4個(gè)，占總數(shù)量的26%和21%，合計(jì)占總數(shù)量的47%；歐洲和中亞俄羅斯次之，分別占3個(gè)；中東和美洲最少，各占2個(gè)。其中:陸上、深水和LNG項(xiàng)目投資比例較大;受影響的主要是陸上項(xiàng)目、LNG項(xiàng)目和深水項(xiàng)目;各類項(xiàng)目推遲投產(chǎn)年份不一，稠油項(xiàng)目推遲年份最長(zhǎng)。

(石情)

A skid-mounted heat transfer device using casing head gas

Feng Enshan，Zhou Kuixiu，Wang Guangming，Li Rike

(No.3OilProductionPlantofJiangsuOilfieldCompany，SINOPEC，Tianchang239300，China)

In small block complex oilfield，it is difficult to utilize the production of the oil well casing head gas due to the various gas production rates and scattered well point.In order to efficiently use the casing head gas resources，based on calculating gas production rate and heat exchange load，it was determined the corresponding matching relationship.And then a skid-mounted heat transfer device using casing heat gas was developed，which has functions of casing head gas supply，heat conversion，circulation heating，external heat exchanger，automatic control，etc.The device has realized the skid mounting，modularization and intelligentization，which can resolve the utilization of single well casing head gas and improve production efficiency.

casing head gas；skid-mounted design；automatic control；heat conversion；production cost.

2016-10-15；改回日期：2016-01-08。

馮恩山(1967—)，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事采油工程技術(shù)工作。電話：13813151339，E-mail：fenges.jsyt@sinopec.com。

10.16181/j.cnki.fzyqc.2016.01.017

TE866

A