A油田地面系統(tǒng)能效優(yōu)化潛力及對(duì)策研究

張勝之（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

多年來(lái)，A油田地面工程系統(tǒng)作為油田能耗大戶，一直把節(jié)能降耗作為技術(shù)管理工作中的重要一環(huán)，先后研發(fā)了系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)，引進(jìn)應(yīng)用高效設(shè)備和提效措施，并取得了理想的節(jié)能效果，但在形成規(guī)?；б娣矫嫒杂幸欢ú罹?，特別是“十三五”時(shí)期，受開(kāi)發(fā)規(guī)模擴(kuò)大、成熟性技術(shù)覆蓋率低等問(wèn)題影響，地面生產(chǎn)系統(tǒng)能耗總體仍呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，油田轉(zhuǎn)型升級(jí)與綠色發(fā)展形勢(shì)十分緊迫。

1 地面生產(chǎn)系統(tǒng)能效現(xiàn)狀

1.1 開(kāi)發(fā)規(guī)模擴(kuò)大能耗剛性增長(zhǎng)

隨著油田開(kāi)發(fā)的不斷推進(jìn)，井站規(guī)模逐年擴(kuò)大。2016—2020年A油田集輸系統(tǒng)能耗變化統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，與“十三五”初對(duì)比，A油田新增油水井2 103口，年產(chǎn)液增加329×104t，年注水增加333×104m3，總能耗增加4 744 tce[1]。受油田開(kāi)發(fā)規(guī)模不斷擴(kuò)大影響，生產(chǎn)能耗剛性增長(zhǎng)，節(jié)能管控壓力較大。

表1 2016—2020年A油田集輸系統(tǒng)能耗變化統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of energy consumption change of gathering and transportation in A oilfield from 2016 to 2020

1.2 成熟技術(shù)覆蓋率低

地面系統(tǒng)共建有各類輸油、摻水、熱洗、注水機(jī)泵469臺(tái)，主要耗能設(shè)備運(yùn)行效率與全公司對(duì)比見(jiàn)表2，A油田主要耗能設(shè)備運(yùn)行效率仍低于全公司指標(biāo)先進(jìn)值，能耗設(shè)備效率提升空間仍然較大[2]。

表2 主要耗能設(shè)備運(yùn)行效率與全公司對(duì)比情況Tab.2 Operation efficiency of main energy consuming equipment compared with the whole company %

1.3 技改回報(bào)率逐年下降

隨著油田開(kāi)發(fā)規(guī)模增大，開(kāi)采對(duì)象逐漸過(guò)渡到薄差層，油田多井低產(chǎn)等情況使得新開(kāi)發(fā)區(qū)塊能耗增大。此外，隨著節(jié)能技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，節(jié)能技改挖潛空間越來(lái)越小，投資節(jié)能量由“十一五”的3.37 tce/萬(wàn)元降低到“十三五”的1.50 tce/萬(wàn)元，下降56%，常規(guī)節(jié)能技術(shù)投資回報(bào)率整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[3]。

結(jié)合上述因素，地面系統(tǒng)節(jié)能挖潛工作應(yīng)側(cè)重于構(gòu)建不投資、少投資的優(yōu)化運(yùn)行體系，結(jié)合油田數(shù)字化和智能化建設(shè)，重點(diǎn)攻關(guān)集輸和注水兩大生產(chǎn)系統(tǒng)精準(zhǔn)控制、精細(xì)運(yùn)行配套技術(shù)；探索研究低品位含油污水余熱綜合利用技術(shù)和低能耗建設(shè)模式，為油田提質(zhì)增效、轉(zhuǎn)型升級(jí)和綠色發(fā)展提供技術(shù)支撐。

2 能效優(yōu)化技術(shù)體系發(fā)展對(duì)策

2.1 技術(shù)研究

“十四五”期間，在油田數(shù)字化建設(shè)中，地面系統(tǒng)通過(guò)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、監(jiān)測(cè)和分析預(yù)警，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)推送；為了降低油田生產(chǎn)能耗，需要在數(shù)字化油田建設(shè)基礎(chǔ)上，依托仿真技術(shù)，重點(diǎn)在集輸和注水兩大生產(chǎn)系統(tǒng)方面開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，攻克精準(zhǔn)控制技術(shù)研究及應(yīng)用技術(shù)。

2.1.1 集輸系統(tǒng)精準(zhǔn)控制技術(shù)

一是開(kāi)展集輸參數(shù)與數(shù)字化油田融合技術(shù)研究。建立系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合系統(tǒng)特點(diǎn)確定目標(biāo)函數(shù)的約束條件及約束模型，通過(guò)流程模擬及最優(yōu)化求解，研究系統(tǒng)用能優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及求解技術(shù)，建立適用于集輸系統(tǒng)的優(yōu)化方法體系[4]。

二是開(kāi)展單井摻水精細(xì)控制方式優(yōu)化研究。目前井口摻水閥的開(kāi)度調(diào)控存在粗放調(diào)節(jié)，摻水量控制不精確等問(wèn)題?！笆奈濉逼陂g應(yīng)開(kāi)展單井摻水精細(xì)控制方式優(yōu)化研究，優(yōu)選摻水控制參數(shù)及自動(dòng)控制方式，應(yīng)用定量摻水閥等技術(shù)[5]，采用自動(dòng)控制系統(tǒng)替代員工現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量間單井摻水的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、高效控制，降低系統(tǒng)能耗[6]。

三是開(kāi)發(fā)在線精準(zhǔn)調(diào)控平臺(tái)。以轉(zhuǎn)油站為單位對(duì)所轄井間開(kāi)展摻水自動(dòng)控制應(yīng)用，研發(fā)在線精準(zhǔn)調(diào)控平臺(tái)，依托數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線制定運(yùn)行參數(shù)、時(shí)時(shí)調(diào)整集輸方案，確保原油集輸系統(tǒng)運(yùn)行能耗最低。

2.1.2 注水系統(tǒng)精準(zhǔn)控制技術(shù)

1）開(kāi)展GIS注入系統(tǒng)仿真優(yōu)化技術(shù)深度研究[7]。建立實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)的快捷導(dǎo)入、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和屬性信息批量處理、擴(kuò)建或新建管網(wǎng)編輯等功能，建立注入泵、注入站工作特性模型，通過(guò)與注入管網(wǎng)仿真計(jì)算模型耦合，形成注入系統(tǒng)管-站耦合仿真計(jì)算模型，通過(guò)仿真，分析診斷系統(tǒng)存在的薄弱環(huán)節(jié)，為管網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)整改造提供合理依據(jù)。

2）研究不同井網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化方法。利用仿真優(yōu)化軟件，開(kāi)展注水系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方法技術(shù)研究，通過(guò)給定注水站供水量、注水泵最大、最小排量、注水井壓力等約束條件，應(yīng)用研究確定的優(yōu)化方法，在滿足不同管網(wǎng)水量及壓力需求基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)注水泵啟停布局優(yōu)化，找出滿足系統(tǒng)壓力要求和單耗最小的最優(yōu)開(kāi)泵方案，最大幅度減少注水泵運(yùn)行數(shù)量，實(shí)現(xiàn)示范區(qū)節(jié)能降耗。

2.2 開(kāi)展綜合提效技術(shù)研究

2.2.1 優(yōu)化正壓精準(zhǔn)配風(fēng)本體結(jié)構(gòu)

經(jīng)調(diào)研，正壓燃燒方式具有熱交換效果好、加熱爐運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)帶來(lái)高背壓、高換熱量等問(wèn)題，經(jīng)計(jì)算，通過(guò)優(yōu)化煙管尺寸、根數(shù)以及排列方式，可以有效提升煙管換熱量、提升煙管部分煙風(fēng)阻力，以適應(yīng)正壓燃燒方式帶來(lái)的若干問(wèn)題。同時(shí)在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，還要考慮煙管與火管、與煙箱的連接方式，避免出現(xiàn)熱疲勞現(xiàn)象，造成焊縫開(kāi)裂等問(wèn)題[8]。不同類型加熱爐燃燒方式熱效率對(duì)比情況見(jiàn)表3，用火筒式加熱爐改造后，設(shè)計(jì)熱效率和運(yùn)行熱效率得到雙提升，根據(jù)各生產(chǎn)單位改造需要實(shí)現(xiàn)示范應(yīng)用。

表3 不同類型加熱爐燃燒方式熱效率對(duì)比情況Tab.3 Comparison of combustion modes and thermal efficiency of different types of heating furnaces

2.2.2 節(jié)能技術(shù)措施效果評(píng)價(jià)

“十三五”期間根據(jù)在用機(jī)泵及加熱爐節(jié)能技術(shù)調(diào)查結(jié)果，選擇典型節(jié)能技術(shù)，從技術(shù)原理、應(yīng)用效果以及智能化運(yùn)維程度等方面入手，結(jié)合油田摻水加熱爐、熱洗加熱爐、脫水爐、外輸爐以及摻水泵、熱洗泵、輸油泵、注水泵等生產(chǎn)用能環(huán)節(jié)在用節(jié)能技術(shù)開(kāi)展評(píng)價(jià)，明確各單項(xiàng)節(jié)能技術(shù)的節(jié)能效果和適用范圍等。

2.3 低品位含油污水余熱綜合利用

熱泵技術(shù)從應(yīng)用形式可分為空氣源熱泵、地源熱泵、水源熱泵三種[9]，常見(jiàn)的水源熱泵最高能提取10℃的余熱，而油田回注水溫為30℃左右，具有很大節(jié)能潛力。常見(jiàn)的水源熱泵有電動(dòng)壓縮式熱泵和燃?xì)馕帐綗岜?，A油田已建油田回注水余熱利用熱泵站情況見(jiàn)表4。結(jié)合降本提效形勢(shì)需求，需要對(duì)低溫?zé)岜眉夹g(shù)進(jìn)行深入研究，調(diào)研尋求工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上盡量更優(yōu)化余熱利用技術(shù)。

表4 A油田已建油田回注水余熱利用熱泵站情況Tab.4 The utilization of waste heat pump station for water injection in A oilfield

2.3.1 油田含油污水余熱利用

A油田含油污水余熱量估算統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5，日產(chǎn)含油污水量32.20×104m3/d，平均溫度在30～35℃，有很大的余熱利用潛力，取溫10℃的熱量折算16.74×104tce/a，相當(dāng)于2019年油田生產(chǎn)能耗的40%，潛力巨大。為此重點(diǎn)調(diào)查統(tǒng)計(jì)各區(qū)塊、采油礦含油污水的分布、水量、溫度及水質(zhì)。但由于含油污水余熱品位較低，需要進(jìn)一步開(kāi)展應(yīng)用場(chǎng)所、工藝和運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化，降低工程投資和運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)低品位含油污水余熱的有效利用。

表5 A油田含油污水余熱量估算統(tǒng)計(jì)Tab.5 Estimation and statistics of residual heat of oily sewage in A oilfield

“十四五”期間，結(jié)合A油田場(chǎng)站的用熱情況，制定余熱利用規(guī)劃，結(jié)合各場(chǎng)站的供熱熱源規(guī)模、運(yùn)行狀況、供熱介質(zhì)、供熱參數(shù)，選擇具有代表性的油田站場(chǎng)，利用余熱回收技術(shù)，替代加熱爐為油田生產(chǎn)或采暖、供熱的示范應(yīng)用。遵循先實(shí)施建筑供暖，后替代加熱爐供熱的原則，制定實(shí)施計(jì)劃。示范區(qū)建成后，跟蹤評(píng)價(jià)含油污水余熱利用技術(shù)節(jié)能效果、運(yùn)行穩(wěn)定性等，為后續(xù)推廣提供技術(shù)支持。

2.3.2 供熱模式及參數(shù)精細(xì)優(yōu)化

由于泵房、操作間等生產(chǎn)場(chǎng)所內(nèi)設(shè)置大量工藝管線、機(jī)泵等具備一定散熱量的設(shè)施，其室內(nèi)采暖完全可以利用此部分余熱。結(jié)合“十四五”期間集中監(jiān)控、無(wú)人值守站場(chǎng)推廣，節(jié)能潛力更大，因此，需要界定考慮。形成兼顧生產(chǎn)設(shè)施散熱量條件下的采暖設(shè)計(jì)技術(shù)，針對(duì)不同生產(chǎn)場(chǎng)所、操作人員因素等情況，細(xì)分不同采暖模式與采暖參數(shù)，跟蹤監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)實(shí)施效果，總結(jié)并制定推廣應(yīng)用方案，降低生產(chǎn)場(chǎng)所采暖需熱量。

2.4 新能源有效利用模式研究

鑒于高凝點(diǎn)、高黏度、高含蠟“三高”油田特性，油氣集輸過(guò)程需要加熱以維持流動(dòng)性，導(dǎo)致運(yùn)行成本較高，尤其是近幾年扶余油層開(kāi)采，近40℃的高凝固點(diǎn)原油造成集輸與處理難度顯著增加。比如：大港油田利用太陽(yáng)能直接給邊遠(yuǎn)拉油井儲(chǔ)罐維溫；長(zhǎng)慶油田利用太陽(yáng)能在井口對(duì)原油進(jìn)行輔助加熱；塔里木油田建設(shè)太陽(yáng)能分布式光伏發(fā)電。實(shí)現(xiàn)了自發(fā)自用、多余并網(wǎng)[10]，綜合認(rèn)為，A油田需要圍繞如何合理有效利用清潔能源開(kāi)展探索研究。

2.4.1 利用規(guī)劃及能效評(píng)價(jià)

調(diào)研國(guó)內(nèi)其它油田風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、多能互補(bǔ)、太陽(yáng)能供熱等新能源應(yīng)用模式，結(jié)合A油田開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)用能現(xiàn)狀，分析新能源利用有利和不利條件，編制新能源利用規(guī)劃部署，研究建設(shè)方案、建設(shè)典型工程，起到引領(lǐng)示范作用。研究完善新能源利用模式，客觀評(píng)價(jià)實(shí)施效果，形成適用于A油田的評(píng)價(jià)技術(shù)，支撐新能源應(yīng)用評(píng)價(jià)，促進(jìn)新能源應(yīng)用技術(shù)完善推廣。

2.4.2 規(guī)模利用配套溫室氣體減排

跟蹤油田新能源和工業(yè)余熱等利用規(guī)劃制定與實(shí)施情況，篩選適宜的系列方法學(xué)，對(duì)具備碳減排核查規(guī)模的工程及時(shí)在生態(tài)環(huán)境部門(mén)等機(jī)構(gòu)注冊(cè)備案，定期開(kāi)展減排量核查工作，實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)節(jié)能降碳。

3 結(jié)論

1）油田進(jìn)入高含水開(kāi)發(fā)后期，節(jié)能潛力已得到較大程度挖掘，單純依靠增加技改投資，提高節(jié)能設(shè)備覆蓋率無(wú)法滿足現(xiàn)階段節(jié)能管理需求，需要研究不投資、少投資的模式，從地面系統(tǒng)角度進(jìn)行生產(chǎn)能效優(yōu)化。

2）通過(guò)利用數(shù)字化在線采集技術(shù)，可根據(jù)進(jìn)站溫度、井口回壓、注入壓力等生產(chǎn)運(yùn)行界限，適時(shí)調(diào)節(jié)摻水量、摻水溫度及單井注水量，為形成規(guī)模效益，尤其是在精準(zhǔn)節(jié)能管理方面具有重大意義。

3）油田在用耗能設(shè)備及其配套節(jié)能技術(shù)措施應(yīng)用參差不齊，缺少系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系，部分耗能設(shè)備運(yùn)行效率不高，需要結(jié)合應(yīng)用效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。