稠油開采太陽能熱泵節能技術的應用

李建馨 張祖峰 孫秀華 朱火軍

（大港油田公司第六采油廠 天津 300280）

1 背景

石油企業是能源主要生產企業，同時也是能源消耗大戶，面對日益緊張的能源局勢和成本壓力，探索高效節能技術、挖潛有效節能措施，對建設節約型企業意義重大。大港油田第六采油廠作為一個特高含水開發階段的老油田，自然遞減逐年增高，油田穩產上產難度大。近幾年，隨著稠油開發技術的不斷完善，采油六廠采難稠油區塊動用程度不斷加大，并取得了很好效果。稠油區塊油井舉升配套高耗能電加熱設備生產，耗電量高，使得稠油開采單耗居高不下，電費支出指標控制難度大。因此稠油區塊電加熱設備節能技術探討迫在眉睫。

2 生產現狀

近幾年，隨著稠油區塊開發規模的不斷加大，第六采油廠目前共有電熱桿井34口，單臺裝機功率為75-100KW,月耗電3-5萬度；配套使用地面管道電加熱器25臺，單臺裝機功率為30-40KW，月耗電1.5-2萬度；稠油井單井平均月耗電在4-6萬度，是普通油井月耗電的8倍以上，開采運行成本較高。探索可再生太陽能加熱技術服務于稠油開采，替代油井電加熱設備，具有很大的節能潛力。

通過研究與應用太陽能熱泵加溫技術，充分利用可再生清潔環保能源替代高耗能的電加熱設備，探求經濟的稠油開采工藝及配套技術，實現節能降耗，為進一步推動第六采油廠節能節水型企業活動深入開展，促進企業穩定、持續、高效運行具有重要意義。

3 太陽能熱泵加溫技術原理

太陽能熱泵技術是太陽能集熱裝置和熱泵合為一體的加熱裝置，以太陽能為主要能源，電能為輔助能源。在光照充足的情況下，太陽能集熱器作為主要熱能提供裝置，通過換熱裝置對管道內介質進行加熱；在光照條件差、陰雨天和夜間，太陽能集熱器為換熱裝置提供的熱源無法達到設定溫度時，熱泵及輔助加熱裝置則自動開啟，對換熱裝置中的循環介質進行加熱。

3.1 太陽能集熱裝置原理及特點

3.1.1 太陽能矩陣工作原理及特點

1)太陽能矩陣：太陽能矩陣是由太陽能集熱器、管路、水箱、電器控制等組成，通過聚集太陽熱能產生大量熱媒介質的太陽能系統。

2)太陽能集熱器原理：太陽能集熱器是由多個超導金屬芯真空玻璃管并聯組成，超導真空管集熱器通過熱管內少量工質的汽—液相變循環過程，連續不斷的吸收太陽輻射能為系統提供熱源。

3)太陽能集熱裝置特點：

a）熱傳導效率高。熱傳導效率99%以上，完全收集太陽能。

b）啟動快速。熱管單向傳熱，熱容小，傳熱速度快。

c）壽命長，免維修。導熱管系采用0.6mm無氧紫銅管制作，，使用壽命在15年以上。

d）承壓能力好，運行穩定，性能可靠。

3.2 熱泵的基本原理及特點

3.2.1 熱泵基本原理

熱泵技術是一種很好的節能型空調制冷供熱技術，是利用少量高品位的能源作為驅動能源，從低溫熱源高效吸取低品位熱能，通過讓工質不斷完成蒸發-壓縮-冷凝-節流-再蒸發的熱力循環過程，從而將低品味熱源泵送到高品位熱能，具有良好的節能與環境效益。

3.2.2 熱泵主要特點

1)高效。高溫熱泵效率是480%，熱泵機組COP可以達到5.2以上，加上水泵等系統的COP在4.8左右，即用1千瓦的電驅動熱泵后，可以制造4.8千瓦以上的熱功率。

2)污染小。由于熱效率高，其一次能源消耗量很小，由此造成的溫室氣體排放量小。

3)運行穩定可靠，自動控制程度高，運行維護費用低，壽命長。

4 太陽能熱泵節能技術在稠油開采中的應用

4.1 稠油井開采工藝及能耗

第六采油廠稠油開采配套電熱桿+管道電加熱器生產。井底采用電熱桿加熱舉升，單臺裝機功率為75-100kw，月耗電3-5萬度；地面采用管道電加熱器加熱集輸，單臺裝機功率為30-40kw，月耗電1.5-2萬度，稠油井單井平均月耗電3-4萬度。

4.2 太陽能熱泵節能技術替代井底電熱桿加熱

4.2.1 油井生產及能耗情況

通過對采油六廠稠油井生產及能耗情況分析，在羊H1、孔1079H、孔1036-1三口井上應用太陽能熱泵技術替代井底電加熱桿生產。這三口井全部采用電熱桿舉升工藝生產，其中有2口井配套管道電加熱器及地面摻水工藝生產，平均日產液10.84m3，單井平均月耗電3.3萬度。三口井生產及能耗情況見表1。

表1 實施井生產及能耗統計

4.2.2實施方案

結合油田稠油井加熱生產特點及需求，單井均采用8組太陽能矩陣，太陽能熱泵裝置采用直膨式系統，太陽集熱器與熱泵蒸發器合二為一，即制冷工質直接在太陽集熱器中吸收太陽輻射能而得到蒸發，如圖1所示。

圖1 太陽能熱泵裝置結構示意圖

應用太陽能熱泵裝置對油井摻水加熱，加熱后的摻水通過套管回摻到井下，給油井井筒伴熱，實現井底產出液升溫降粘，同時，因為套管回摻水稀釋作用，提高了產出液含水，也可以實現稀釋降粘作用，滿足油井舉升，停運油井電熱桿管工藝。（詳見圖2）

圖2 工藝流程圖

4.2.3 實施后油井生產及能耗情況

實施后，三口油井全部停運電熱桿加熱設備，在保持原產液水平及摻水量的情況下，油井摻水溫度提高了40℃，回摻到井底與產出液混合舉升到地面后，產出液出口溫度基本保持在45℃，井口回壓穩定，能夠滿足油井生產需求。同時結合油井運行電流、回壓情況，逐步下調羊H1、孔1036-1井地面管道電加熱器加熱溫度，進一步降低了運行能耗，單井平均月節電2.18萬度。

表2 實施前后生產及能耗統計

4.2.4 經濟效益分析

單套太陽能熱泵裝置投資費用為21萬元，三套裝置投資費用共計63萬元。項目實施后，實現年節電能力79萬度，按電價0.72元/度計算，年節約電費56.88萬元，投資回收期為1.11年，經濟效益顯著。

4.3 太陽能熱泵節能技術替代地面管道加熱器加熱

4.3.1 油井生產及能耗情況

通過對采油六廠稠油井生產及能耗情況分析，在羊2-17、羊3H2、孔58-3H三口井上應用太陽能熱泵技術替代地面管道電加熱器生產。這三口井全部采用電熱桿舉升+地面管道加熱器集輸工藝生產，平均日產液15.65m3，單井平均月耗電3.3萬度。三口井生產及能耗情況見表3。

表3 實施井生產及能耗統計

4.3.2 實施方案

應用太陽能熱泵裝置對油井產出液進行加熱降粘后，經單井集油管道直接輸送至采油計量站，關停原有地面管道加熱器加熱工藝。（詳見圖3）

圖3 工藝流程圖

4.3.3 實施后生產及能耗情況

實施后，三口油井全部停運地面管道加熱器設備，在保持原產液水平及摻水量的情況下，產出液出口溫度基本保持在45℃，井口回壓穩定，能夠滿足油井生產需求，平均單井月節電12.8萬度。三口井生產及能耗情況見表4。

表4 實施前后生產及能耗統計

4.3.4 經濟效益分析

應用太陽能加溫裝置3套，投資費用共計50萬元。項目實施后，實現年節電能力46.16萬度，按電價0.72元/度計算，年節約電費32.24萬元，投資回收期為1.55年，經濟效益顯著。

5 結論與認識

1）太陽能作為一種新型、清潔環保能源，通過應用節能新工藝、新設備服務于油田生產供熱，具有廣闊的發展前景。

2）隨著太陽能熱泵技術的不斷成熟，應用太陽能加熱應替代稠油井電加熱設備生產，具有顯著的社會效益及經濟效益。

3）太陽能加熱裝置替代稠油井電加熱設備現場成功應用，解決了稠油區塊開發高能耗難題，開辟了油田節能技術向綠色環保能源轉變的新途徑。