基于不同管道布置方式的油田摻水系統(tǒng)優(yōu)化研究

曲 虎，劉 靜，楊 志

中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華北分公司，河北 任丘062552

對(duì)于一些原油物性較差，產(chǎn)液量、井口溫度和含水率均較低的外圍區(qū)塊油井，采用單管集油工藝進(jìn)站比較困難，為了保證原油的正常進(jìn)站，常采用摻水工藝進(jìn)行集輸［1-3］。根據(jù)摻水集油管道的布置方式，摻水工藝可以分為雙管摻水和環(huán)狀摻水，雙管摻水集油工藝就是在站場(chǎng)（或閥組）與每口油井之間設(shè)置兩條管道，一條為站場(chǎng)至油井的摻水管道，一條為油井至站場(chǎng)的集油管道；環(huán)狀摻水集油工藝是在油田區(qū)塊設(shè)置若干個(gè)集油環(huán)，每個(gè)集油環(huán)串接5～8 口油井，通過一條管道摻水并將沿途油井串接進(jìn)站。根據(jù)摻水點(diǎn)的位置不同，又可以將環(huán)狀摻水工藝分為首端摻水、末端摻水和分支摻水［4-7］。

本文以某小區(qū)塊油田為研究對(duì)象，研究摻水溫度、摻水比以及不同摻水方式對(duì)摻水系統(tǒng)能耗和運(yùn)行費(fèi)用的影響。

1 計(jì)算依據(jù)

1.1 計(jì)算公式

摻水系統(tǒng)能耗主要為摻水泵及抽油機(jī)等的機(jī)泵電耗和站內(nèi)加熱爐的燃料消耗［8-10］。

1）機(jī)泵軸功率計(jì)算

式中：P為機(jī)泵軸功率，kW；qv為輸送溫度下機(jī)泵的排量，m3/s；H為機(jī)泵排量為qv時(shí)的揚(yáng)程，m；ρ為輸送溫度下介質(zhì)的密度，kg/m3；η為輸送溫度下泵的排量為qv時(shí)的輸油效率。

2）機(jī)泵電機(jī)功率計(jì)算

式中：N為機(jī)泵配電機(jī)額定功率，kW；P為機(jī)泵軸功率，kW；ηe為傳動(dòng)系數(shù)，取值如下：直接傳動(dòng)，ηe=1.0；齒輪傳動(dòng)，ηe=0.9～0.97；液力耦合器，ηe=0.97～0.98；k為電動(dòng)機(jī)額定功率安全系數(shù)，取值如下：3＜P≤55，k=1.15；55＜P≤75，k=1.14；P＞75，k=1.1。

3）摻水升溫負(fù)荷計(jì)算

式中：Q為加熱設(shè)備熱負(fù)荷，W；qm為介質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；C為被加熱介質(zhì)的比熱容，J/（kg·℃）；t1為加熱設(shè)備出口介質(zhì)溫度，℃；t2為加熱設(shè)備進(jìn)口介質(zhì)溫度，℃。

4）加熱爐燃料用量的計(jì)算

式中：Q為被加熱介質(zhì)所需熱負(fù)荷，kW；B為燃料用量（kg/h，液體）（m3/h，氣體）；Qj為燃料低位發(fā)熱量（kJ/kg，液體）（kJ/m3，氣體）；η為加熱爐熱效率，對(duì)于管式加熱爐η=82%～88%。

1.2 基本參數(shù)

以某小斷塊油田為研究對(duì)象，原油物性為：20 ℃時(shí)原油密度0.904 g/cm3，50 ℃黏度95.6 mPa·s，凝固點(diǎn)33 ℃，氣油比20 m3/t，原油轉(zhuǎn)相點(diǎn)為含水率60%。區(qū)塊油井產(chǎn)液量、含水率及井口溫度見表1，進(jìn)站壓力0.3 MPa，井口最高回壓1.5 MPa，凍土層深度-1.47 m，為了降低熱損失，管道埋深-1.5 m，埋地管線土壤溫度為2 ℃；根據(jù)管道熱損失及保溫層厚度計(jì)算，確定保溫層厚度為40 mm。傳熱系數(shù)根據(jù)“油田油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范”GB50350-2015附錄中取值［8］。

表1 油井摻水統(tǒng)計(jì)表Tab. 1 Statistical table of water blending in oil wells

1.3 摻水方式

雙管摻水的管道布局方式為每一口單井均設(shè)置一根摻水管線和一根集油管線，摻水管線和集油管線同溝敷設(shè)，管道布置方式見圖1（a）［9］。

首端摻水也是環(huán)狀摻水的一種，管道布局方式為將摻水管線通到最近端井，然后順序?qū)⒀赝居途舆M(jìn)站，管道布置方式見圖1（b）。

末端摻水是環(huán)狀摻水的一種，管道布局方式為將摻水管線直接通到最遠(yuǎn)端油井，然后順序?qū)⒀赝居途踊貋磉M(jìn)站，管道布置方式見圖1（c）。

分支摻水的管道布局方式為將摻水管線直接通到區(qū)塊最遠(yuǎn)端，并在合適位置設(shè)計(jì)分水閥組，從分水閥組分出2～3 個(gè)摻水支線，然后順序?qū)⒀赝居途舆M(jìn)站，管道布置方式見圖1（d）［10］。

圖1 不同摻水流程對(duì)比示意圖：（a）雙管摻水管道布置，（b）首端摻水管道布置，（c）末端摻水管道布置，（d）分支摻水管道布置Fig. 1 Schematic diagram of different water blending processes：（a）double pipe water blending，（b）water blending at the head，（c）water blending at the end，（d）branch water blending

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 摻水比和摻水溫度對(duì)耗電量的影響

分別對(duì)摻水比［m（熱水）∶m（產(chǎn)出液）］為0.6、0.8、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5，摻水溫度為50～85 ℃8 個(gè)溫度下的模型進(jìn)行計(jì)算，模型中管道埋深為-1.5 m，根據(jù)區(qū)塊所屬地理位置和氣相條件，經(jīng)過計(jì)算確定保溫層厚度為40 mm。通過計(jì)算結(jié)果分析摻水比、摻水溫度對(duì)摻水系統(tǒng)耗電量的影響。

從摻水效果和摻水經(jīng)濟(jì)效益方面考慮，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般區(qū)塊摻水溫度為55 ～75 ℃，油品性質(zhì)較差、摻水管道較長(zhǎng)的極端摻水溫度不會(huì)超過85 ℃；根據(jù)圖2（a）所示，雙管摻水系統(tǒng)在摻水量不變時(shí)，耗電量隨摻水溫度的上升而下降，在摻水溫度不變時(shí)，耗電量隨摻水量先上升再下降再上升。

這是由于在摻水量增大的初期，摻水后的含水原油的含水率未超過原油轉(zhuǎn)相點(diǎn)，含水原油的黏度隨著摻水量的增大而增大，因此，摻水系統(tǒng)的耗電量也隨著摻水量的增大而增大；待超過轉(zhuǎn)相點(diǎn)以后，含水原油黏度隨著摻水量的增大而顯著下降，因此，摻水系統(tǒng)的耗電量也隨著摻水量的增大而下降；在摻水量增大的一定程度，含水率的變化不再引起含水原油黏度的顯著降低，由于摻水量的增大，泵功率增大，同時(shí)，由于流速增大而引起的摩阻增加已經(jīng)超過由于黏度下降而引起的摩阻降低，因此摻水系統(tǒng)的耗電量又開始上升［11-12］。

對(duì)同一溫度和不同摻水比條件下的雙管摻水、首端摻水、末端摻水及分支摻水系統(tǒng)的耗電量進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)圖2（b）所示，在同一溫度條件下，末端摻水、首端摻水和分支摻水的摻水系統(tǒng)耗電量變化趨勢(shì)同雙管摻水基本一致。

圖2 雙管摻水的摻水比與耗電量的關(guān)系：（a）雙管摻水的摻水比與月耗電量，（b）摻水溫度60 ℃時(shí)摻水比與耗電量Fig. 2 Relationship curve between water ratio and electricity consumption：（a）relationship curve between water ratio and monthly electricity consumption of double pipe water blending，（b）relationship between water ratio and power consumption at 60 ℃

在同一溫度和同一摻水比條件下，不同摻水方式的耗電量大小為雙管摻水＞首端摻水＞末端摻水＞分支摻水。

3.2 摻水比和摻水溫度對(duì)耗氣量的影響

分別對(duì)摻水比［m（熱水）∶m（產(chǎn)出液）］為0.6、0.8、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5，摻水溫度為50～85 ℃8 個(gè)溫度下的模型進(jìn)行計(jì)算，模型中管道埋深為-1.5 m，保溫層厚度為40 mm。通過計(jì)算結(jié)果分析摻水比、摻水溫度對(duì)摻水系統(tǒng)耗氣量的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 摻水量與耗氣量的關(guān)系曲線：（a）雙管摻水的摻水比與月耗氣量關(guān)系曲線，（b）摻水溫度60 ℃時(shí)摻水比與耗氣量關(guān)系曲線Fig. 3 Relationship curves between blending ratio and gas consumption：（a）relationship curves between water blending amount and monthly gas consumption，（b）relationship curves between water blending amount and gas consumption at 60 ℃

根據(jù)圖3（a）所示，雙管摻水系統(tǒng)在摻水量不變時(shí)，耗氣量隨摻水溫度的上升而上升，在摻水溫度不變時(shí)，耗氣量隨摻水量上升而上升。這是由于在摻水量不變、提高摻水溫度和在摻水溫度不變、增大摻水量均會(huì)增加摻水系統(tǒng)熱負(fù)荷，造成加熱爐耗氣量增加［13-14］。

對(duì)同一溫度和不同摻水比條件下的雙管摻水、末端摻水、首端摻水及分支摻水系統(tǒng)的耗氣量進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)圖3（a）所示，在同一溫度條件下，末端摻水、首端摻水和分支摻水的摻水系統(tǒng)耗電量變化趨勢(shì)同雙管摻水基本一致。

在同一溫度和同一摻水比條件下，不同摻水方式的耗電量大小為雙管摻水＞末端摻水＞首端摻水＞分支摻水。

2.3 摻水比和摻水溫度對(duì)運(yùn)行費(fèi)用的影響

根據(jù)前述摻水比和摻水溫度對(duì)摻水系統(tǒng)耗電量和耗氣量的影響結(jié)果，按電費(fèi)0.75 yuan/（kW·h）、伴生氣1.2 yuan/m3的價(jià)格分別對(duì)不同摻水比和摻水溫度下?lián)剿到y(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見圖4。

圖4 （a）雙管摻水溫度和摻水比與運(yùn)行費(fèi)用關(guān)系曲線，（b）摻水溫度60 ℃時(shí)摻水比與運(yùn)行費(fèi)用曲線Fig. 4 （a）Relationship curves between water blending amount temperature and operation cost for double pipe water blending ，（b）relationship curves between water blending amount and operation cost for different pipeline layout at 60 ℃

根據(jù)圖4（a）所示，雙管摻水系統(tǒng)在摻水量不變時(shí)，運(yùn)行費(fèi)用隨摻水溫度的上升而上升，這是由于在摻水量不變的情況下，提高摻水溫度會(huì)增大摻水系統(tǒng)熱負(fù)荷，造成加熱爐耗氣量增加，雖然增加溫度可以在一定程度上減小原油輸送壓降，降低部分電耗，但和溫度升高引起的耗氣費(fèi)用增大相比，壓降減少引起的電費(fèi)減少幅度較小。

在摻水溫度不變時(shí)，運(yùn)行費(fèi)用隨摻水量上升先上升再下降，而后再上升，這是由于在摻水量增大的初期，摻水后的含水原油的含水率未超過轉(zhuǎn)相點(diǎn)（含水率60%），含水原油的黏度隨著摻水量的增大而增大，因此，摻水系統(tǒng)的耗電量和耗氣量均隨著摻水量的增大而增大；超過轉(zhuǎn)相點(diǎn)以后，含水原油黏度隨著摻水量的增大而顯著下降，因此，摻水系統(tǒng)的耗電量也隨著摻水量的增大而下降，此時(shí)的運(yùn)行費(fèi)用有所下降；在摻水量增大到一定程度，含水率的變化不再引起含水原油黏度的顯著降低，這時(shí)由于摻水量增大引起的耗氣費(fèi)用超過由于黏度下降而減少的耗電費(fèi)用，同時(shí)由于摻水量的增大，流速增大，由于流速增大而引起的摩阻增加已經(jīng)超過由于黏度下降而引起的摩阻降低，摻水系統(tǒng)的耗電量也開始上升，因此，摻水系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用又開始上升［15-16］。

對(duì)同一溫度和不同摻水比條件下的雙管摻水、末端摻水、首端摻水及分支摻水系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)圖4（b）所示，在同一溫度條件下，末端摻水、首端摻水和分支摻水的運(yùn)行費(fèi)用變化趨勢(shì)同雙管摻水基本一致。

在同一溫度和同一摻水比條件下，不同摻水方式的運(yùn)行費(fèi)用大小為：雙管摻水＞首端摻水＞末端摻水＞分支摻水。

3 結(jié) 論

通過文中分析可知，耗電量和耗氣量是摻水系統(tǒng)的主要能耗指標(biāo)，摻水比和摻水溫度是影響摻水系統(tǒng)能耗和運(yùn)行費(fèi)用的重要因素。摻水系統(tǒng)耗電量隨摻水溫度的上升而下降、隨摻水量先上升后下降再上升；摻水系統(tǒng)耗氣量隨摻水溫度和摻水量的上升而上升；摻水系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用隨摻水溫度的上升而上升、隨摻水量上升先上升后下降，再上升。雙管摻水、首端摻水、末端摻水和分支摻水相比，雙管摻水方式運(yùn)行費(fèi)用最高，分支摻水方式運(yùn)行費(fèi)用最低。建議在選擇原油集輸摻水方式時(shí)，優(yōu)先選擇分支摻水。