邊遠沙漠小型油田原油外輸方式優化研究*

范開峰 李思 黃雪松 李偉 馬雯

1中國石化中原油田分公司石油工程技術研究院

2中國石化中原油田分公司內蒙采油廠

隨著石油天然氣資源開發向深海、沙漠等惡劣環境拓展，油氣安全輸送技術的重要性日益突顯，如何保障原油流動安全逐漸成為國內外學者研究的熱點[1-2]。寒冷地區的易凝高黏原油在管道輸送過程中，通常會采取提高出站溫度、沿線設置熱泵站、增加保溫層厚度等措施來保證原油順利流動，這些技術在提高運行安全性的同時也會導致能耗高、成本高，因此還必須兼顧經濟性[3]。

拐子湖油區目前處于開發初期，其完鉆油井13 口，目前采取罐車拉運方式外運原油。該地區具有冬寒夏熱、晝夜溫差大的特點，冬季寒冷漫長[4-5]，極端低溫達-36.4 ℃，其所產原油為含蠟原油，凝點較高，最高測試凝點32 ℃。因此，需考慮冬季極寒環境下的水熱力參數，確定管輸原油的最小安全輸量和熱泵站布置方式等，保證原油順利外運。該油區地處沙漠腹地，距離沙漠邊緣約70 km，屬于邊遠沙漠小型油田[6]，取水極為困難，可排除原油摻水輸送的方案。同時，拐子湖油區所產原油具有高氣油比特性，最高初始氣油比可達650 m3/t，目前的混輸泵難以滿足如此高氣油比的泵送條件，且氣油比隨著油田開發處于不斷變化狀態，采用油氣混輸工藝會導致設備投資高、運行不穩定等問題，因此排除氣液混輸方案。綜合拐子湖油區特點，管輸原油適合采用單相輸送方式。但單相輸油水熱力參數如何、熱泵站如何設置、管輸方式的經濟性如何等問題都不明確。因此，需對不同工況下的管輸單相原油水熱力參數進行優化研究，進一步明確原油外輸方式。

1 物性參數

目前，現場所產原油不含水，井口產物首先在站場進行油氣分離，分離出的伴生氣用于站場發電、加熱爐供氣等，多余伴生氣采用橇裝設備進行液化處理并由LNG 罐車外運。現場脫氣原油物性參數如表1 所示，密度為20 ℃時的標準密度，黏度為50 ℃黏度值。

表1 原油物性參數Tab.1 Physical property parameter of crude oil

2 模型設置

2.1 管道幾何模型

拐子湖油區距離最近的溫圖高勒鎮70 km，從油區至溫圖高勒密布沙丘，沙丘高度多在100～200 m。因此，建立管道幾何模型時重點考慮地形起伏的影響，沙丘高度取150 m，每1 500 m中間出現一個沙丘，兩側的水平距離分別為750 m，管道傾斜角度約11°。同時，考慮管道路由彎曲因素，設置管道長度為75 km。管道幾何模型如圖1所示。

圖1 管道幾何模型Fig.1 Geometric model of pipeline

2.2 管徑初選

根據油田遠期50×104t/a的產能規劃，選取四個階段對原油外運方式進行優化研究，對應的產能分 別 為10×104t/a、20×104t/a、30×104t/a 和50×104t/a。隨著油田開發深入，原油的氣油比將逐漸下降，結合目前13 口井的氣油比情況，上述四個階段的平均氣油比分別取400、300、200、100 m3/t（表2），計算得到原油流量，長輸管道經濟流速一般為1.0～2.0 m/s，因拐子湖油田為邊遠沙漠小型油田，產能有限，輸油管道管徑較小，流速提高會使得管道沿程摩阻顯著增大，因此在管徑初選時經濟流速取0.8 m/s。

表2 管徑初選Tab.2 Primary selection of pipe diameter

表2中的管道內徑為根據不同產能計算的初選管徑值，在此基礎上進行管徑優化計算。當產能為10×104t/a 時選取管徑50、60、70、80、90 mm；當產能為20×104t/a 時選取管徑80、90、100、110、120 mm；當產能為30×104t/a 時選取管徑105、115、125、135、145 mm；當產能為50×104t/a時選取管徑150、160、170、180、190 mm。對每一產能階段不同管徑工況下的水熱力參數進行計算，優選合適參數。

2.3 基本熱力參數

為了確定管輸條件時的最小安全輸量，以冬季極寒環境為背景選取相關熱力參數。管道敷設方式為埋地，埋深1.5 m，管道周圍環境溫度取0 ℃。管道采取硬質聚氨酯泡沫塑料保溫，保溫層厚度取40 mm。拐子湖油田地處北方沙漠，干旱少雨，土壤較為干燥，因此管線K值偏小，同時，管徑越大，則管線K值越小。根據《GB 50350—2015 油田油氣集輸設計規范》可知，保溫層厚度為40 mm的埋地硬質聚氨酯泡沫塑料保溫集輸管道在稍濕土壤中的總傳熱系數K值范圍為0.84～1.36 W/(m2·℃)，按產能由小到大分別取管道總傳熱系數為1.4、1.3、1.2、1.1 W/(m2·℃)。根據我國多數油田的原油最高出站溫度范圍，選取最高出站溫度為70 ℃，而最低進站溫度一般高于凝點3 ℃，取35 ℃[7-10]。

3 熱力最小安全輸量界限

不考慮摩擦熱，根據管道軸向溫降計算公式推導熱力最小安全輸量Gmin，如式（1）所示[11-12]。此時所得最小安全輸量是在管道沿線不設置熱泵站的工況下，僅依靠出站溫度和壓力輸送油品的最小輸量界限。

式中：K為管道總傳熱系數，W/(m2·℃)；D為管道計算直徑，m；L為管道長度，m；T0為管道周圍環境溫度，℃；c為原油比熱容，J/(kg·℃)；TRmax為允許的最高出站溫度，℃；Tzmin為允許的最低進站溫度，℃。

根據公式（1）計算可得到管道的熱力允許最小安全輸量，如表3所示。

表3 中的管線壁厚采用公式（2）進行計算[13-15]，管線設計壓力p=6 MPa，焊縫系數φ=1，σs取235 MPa，腐蝕余量C=1 mm。

表3 管道熱力允許最小安全輸量計算值Tab.3 Calculated value of thermal allowable minimum safe throughput of pipeline

式中：δ為管線壁厚，mm；p為管線設計壓力，MPa；d為管線內徑，mm；σs為鋼材屈服極限，MPa；F為強度設計系數，取0.72；φ為焊縫系數；C為腐蝕余量。

由計算結果可知，四個產能階段的熱力允許最小安全輸量都高于對應的規劃產能，說明熱油管線沿線溫降較大，僅依靠管道出站溫度不足以將原油順利輸送至末端。

4 數值計算與結果分析

為進一步確定管道沿線溫降及壓降情況，確定熱泵站設置數量及位置，對不同產能階段不同管徑下的水熱力工況進行計算。以產能30×104t/a為例進行詳細分析，原油流速、管道壓降及溫降曲線分別如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 不同管徑下的原油流速Fig.2 Velocity of crude oil with different pipe diameters

由圖2～圖4可知，對于管徑為105 mm及145 mm的流動工況下，原油流速隨著管徑增加而逐漸減小，管徑為135 mm及145 mm工況下，原油流速已經超出經濟流速范圍。由于管道沿線經過起伏的沙丘，因此管道沿線壓力出現一定波動，管道起點壓力隨著管徑減小而增大，當管徑為105、115 mm時，管道起點壓力過高，一般原油管道的設計壓力很難滿足。而對于管道沿線溫降，則隨著管徑增大而增大，這主要是因為管徑增大原油流速減小，因此沿線熱損失加大。由管道溫降曲線可知，原油油溫在輸送過程中即降至凝點，因此需要在管道沿線設置加熱站。綜合上述三方面因素，對于產能當量為30×104t/a 的開發階段，可以考慮管道內徑在125 mm工況下進行管輸，沿線需要設置加熱站2～3座，同時設置泵站2座，技術上雖然可行，但經濟性較差，并且后期維護成本較高。

圖3 管道壓降Fig.3 Pressure drop of pipeline

圖4 管道溫降曲線Fig.4 Temperature drop curve of pipeline

與上述思路相同，對產能為10×104t/a、20×104t/a 和50×104t/a 的水熱力參數進行計算，得到四個產能階段不同管徑工況下的水熱力計算結果，并結合各工況下管輸原油的主要問題對工藝、經濟適用性進行了評價，如表4所示。

由表4可知，當產能為10×104t/a及20×104t/a時不適合管道輸送，因為此時管道壓降及溫降都很大，為保證原油安全輸送，必須在沿線設置多座熱泵站。因拐子湖油田處于沙漠腹地，屬于無人區，缺少公路、電力等公用設施，沿線設置熱泵站建設成本很高，同時也為后期維護帶來了一定難度并增加了運行成本。而對于產能30×104t/a的階段，在管道內徑為125 mm 的運行工況下，可考慮修建管道，但此時仍需要沿線設置2～3 座加熱站及2 座泵站，建設及運行成本仍較高，需謹慎選擇。當產能增加至50×104t/a階段時，管線水熱力狀況明顯好轉，綜合考慮壓力、溫度及流速情況，可選擇管徑為160 mm 和170 mm兩種工況輸送原油，只需在沿線增壓和加熱一次即可保證原油順利外輸，經濟性較好。

表4 不同工況下的水熱力計算結果Tab.4 Hydraulic and thermodynamic calculation results under different working conditions

5 結論

（1）在管道沿線不設置熱泵站的工況下，利用溫降公式計算了熱力允許的最小安全輸量，發現四個產能階段的規劃產能遠低于熱力允許的最小安全輸量，即只依靠管道出站溫度和壓力無法順利將原油輸送至75 km外的終點。

（2）根據最低經濟流速對四個產能階段進行管徑初選，并在此基礎上計算了不同階段不同管徑管道輸油的水熱力參數，發現產能為10×104t/a、20×104t/a 兩個階段不適合采用管道輸油，應考慮建立原油中轉庫并使用汽車罐車外運原油；當產能為30×104t/a 工況時，管道輸油需要在沿線設置2～3座加熱站及2座泵站，因投資大和后期維護困難，應謹慎選擇；當產能增加至50×104t/a 時，管線水熱力狀況明顯好轉，可采用管道輸油。