稠油蒸汽吞吐高效降溫技術研究

王 玉，張 洪，王曼依，謝正洪，張鳳紅，程小東

(1中海石油(中國)有限公司天津分公司 2西南石油大學機電工程學院)

稠油蒸汽吞吐熱采是一種降壓開采方式[1]，隨著蒸汽吞吐等熱采技術的發展，稠油高溫和高黏度已成為石油生產與運輸的阻礙。其高溫嚴重超過了輸送管道的溫度要求，同時高黏度使其在輸送管道管壁上產生極強的粘附力，給稠油生產和輸送帶來了極大的困難[2]。因此降低稠油的高溫和高黏度勢在必行。就目前海上平臺稠油降溫輸送方式來看，主要以人工泵送摻水混輸和摻水攪拌降溫混輸兩種方式，其降溫和降黏效果顯著，但其能耗較大且難以做到精準控溫，以及操作管理欠缺自動化等問題難以滿足海上稠油開采的經濟、高效、智能等生產要求,進而提出了稠油的高效降溫技術研究。

稠油高效降溫技術研究是專門針對此類問題提出的解決方案，其采用的降溫裝置由三通管和可拆卸套管換熱器組成，可隨時拆卸清洗。同時降溫裝置配套了整個自動控制系統，完成對稠油產出液的精準溫控。相比現有降溫技術，不僅可以精準控制稠油溫度使其達到管道安全溫度要求，同時滿足了海上稠油生產的安全、智能、經濟、節能環保理念。

一、稠油降溫工藝方案確定

從目前情況來看，無論是海上平臺還是陸地平臺，稠油降溫方式主要為摻水攪拌降溫的方式，這種方式主要為安裝摻液攪拌罐。鮮有平臺針對蒸汽吞吐開采的稠油采用熱交換器的降溫方式。因此國內外針對稠油蒸汽吞吐高效降溫的研究鮮有撰述，本文根據國內外調研情況將稠油降溫方式分為以下兩種：

(1)以換熱器形式為主的熱交換器裝置(圖1)，其特點為能耗低，控溫精度高，降溫效果較差。

圖1 換熱器為主的熱交換器裝置

(2)以摻液混合為主的如摻液降溫罐[3]，其特點為能耗高，降溫效果好，控溫精度較差。

綜合考慮海上鉆井平臺安裝環境、稠油及冷卻液溫差較大等因素，同時從節能降耗和精準控溫方面考慮，采用先由三通管混合再進行換熱的降溫方式，見圖2。

圖2 換熱器加油水混合的稠油摻液降溫方式

二、降溫裝置模型建立

根據降溫方式,降溫裝置選擇三通管和可拆卸式套管換熱器配套裝置，在Ansys ICEM軟件中建立的二維模型如圖3所示，利用fluent軟件對模型進行仿真分析。

圖3 二維模型示意圖

在fluent中通過監測油水混合液出口的溫度變化曲線來分析不同管徑尺寸、不同進口油水體積流量比和不同管長情況下的出口溫度變化，進而確定最優裝置結構參數。

1.計算模型

在fluent軟件中主要模擬換熱器的流動與傳熱情況，模擬計算中的控制方程包括連續性方程、動量方程及能量方程[4]。

(1)連續性方程：

(1)

(2)動量方程：

(2)

式中：ρ—密度，g/cm3；t—時間，s；ui、ui—分別為i方向、j方向上的速度，m/s；τij—黏性應力，Pa。

(3)能量方程：

(3)

式中：cp—比熱容，J/(kg·℃)；T—溫度，℃；ωsQs—形式導入的能量，J。

2.邊界條件

采用穩態計算，模型選擇mixture模型，冷卻水材料選擇水，稠油材料選擇輕質油，將輕質油密度改為850 kg/m3、比熱容改為2 500 J/kg·K、動力黏度改為0.05 Pa·s，解決方案選擇耦合傳熱[5]。

(1)所有入口邊界條件：采用速度入口條件，湍流黏度和湍流強度的方式定義入口的湍流參數。

(2)所有出口邊界條件：采用壓力出口條件，出口表壓取0，采用湍流黏度和湍流強度的方式定義入口的湍流參數。

(3)裝置內管壁面：采用耦合傳熱，即內管溫度由混合液和套管冷卻水流溫度確定，換熱管材質為銅，壁厚10 mm。

(4)其他壁面，均采用對流換熱方式。

三、降溫裝置結構參數優化分析

1.分析管徑尺寸以及流速對溫降的影響

在fluent軟件中對6～10、8～12、10～14 cm三種規格尺寸的管子進行分析，固定邊界條件為稠油體積流量100 m3/d，溫度為150℃;單管冷卻水體積流量80 m3/d，溫度為20℃;套管冷卻水體積流量80 m3/d，溫度為20℃;進口流速如表1所示。

表1 不同管子尺寸下的入口條件

結果對比分析如表2。

表2 不同管子尺寸下的混合液出口情況

從表2三種管徑尺寸下混合液出口溫度對比分析可得，當油水體積流量固定時，混合液出口溫度會隨著管徑的增加而降低，但是溫降不是很明顯。排除管徑尺寸的變化對稠油溫降的影響。從現場安裝環境考慮選用8～12 cm型管徑，并對8～12 cm型管子進一步分析。

2.分析直管段層數對稠油溫降的影響

初始條件：管子尺寸固定在8～12 cm；稠油體積流量40 m3/d(流速0.092 m/s)，溫度為150℃；單管冷卻水體積流量80 m3/d(流速0.184 m/s)，溫度為20℃；套管冷卻水流速0.1474 m/s，溫度為20℃。結果對比分析見表3。

表3 不同直管段層數混合液出口數據

從表3對比分析可以得出：通過增加直管段層數，對稠油溫降效果不明顯，出口混合液溫度有略微的變化，符合經驗規律的[6]，通過查看換熱器設計文獻[7]發現高黏度稠油和冷卻水的換熱效率很低，同時換熱管本身傳熱面積較小，造成稠油溫降效果不是很明顯。從表3看出直管段層數對稠油溫降效果影響不大，可以忽略不計。綜合考慮降溫設備選用6層直管段。

3.套管冷卻水體積流量對溫降的影響分析

進一步分析8～12 cm型管徑、直管層數為6的降溫裝置。初始條件：稠油體積流量40 m3/d，溫度為150℃；單管冷卻水體積流量80 m3/d，溫度為20℃。

分別針對套管冷卻水流速為40 m3/d、60 m3/d、80 m3/d三種情況下在fluent軟件中做數值分析，結果如表4所示。

表4 不同套管冷卻水流速下混合液出口溫度對比

從表4可以看出出口溫度隨著仿真時間步長的增加基本穩定在44℃左右，隨著冷卻水流速的增加，出口混合液溫度基本保持不變,即套管冷卻水流速對降溫效果的影響可忽略不計。

4.分析油水體積流量比對溫降的影響

分別針對套管油水體積流量比為1∶2、1∶1、2∶1三種情況進行分析，固定條件為管子尺寸8～12 cm套管，冷卻水體積流量為80 m3/d。其他入口條件見表5。

表5 不同油水體積流量比下進口流速情況

結果對比分析見表6。

表6 不同水油體積流量比下的出口溫度情況

隨著油水體積流量比的增大即流速比的增大，混合液出口溫度逐漸變小。說明入口油水體積流量比對混合液的溫降效果影響顯著。現場可根據仿真結論對入口油水體積流量比進行調節。

5.稠油降溫裝置最優結構

通過以上4種情況下的fluent數值模擬分析得出稠油降溫裝置的最優結構及參數見圖4和表7所示。結構主要包括可拆卸式套管換熱器主體、支架以及地腳螺栓。

圖4 稠油降溫裝置的最優結構

表7 稠油降溫裝置的最優結構參數

四、稠油降溫自動控制系統控制策略研究

為保障產出液輸出溫度恒定并提高稠油在油管中的流動性，在換熱器降溫基礎上，設計以溫度監測為閉環的流量控制系統，根據換熱器輸出油樣的溫度來調節用于混合的過濾水流量，一方面提高整體設備的降溫效果，另一方面通過提高稠油含水率增加產出液在管道內的流動性，以便稠油遠距離輸送。換熱器的整體控制系統結構如圖5所示。

圖5 稠油摻液降溫控制系統結構示意圖

基于溫度及流量反饋的雙閉環控制算法流程如圖6所示。

設計中考慮以換熱器出口側溫度反饋調節入口流量時存在時滯性，控制效果差且難以穩定，因此在流量控制環節中，主要根據入口稠油溫度及流量來計算所需混入的過濾水流量大小，式(4)為根據大量仿真推算出的經驗公式：

y=0.000717473×x1.5387

(4)

式中：y—進口水油體積流量比；x—稠油進口溫度。

根據該流量目標值由PLC完成對流量控制器的PID閉環流量控制。出口側溫度反饋用于進行流量運算規則的修正，避免因仿真建立的流量混合規則與實際情況存在偏差而導致控制精度下降。

五、結語

(1)本文針對海上稠油蒸汽吞吐降溫分析，提供了一套高效節能的降溫技術方法，確定了降溫裝置的最優結構，結構主體為可拆卸式套管換熱器，方便隨時拆卸清洗，防止稠油降溫過程中發生堵塞，此外為三通管和支架以及地腳螺栓等結構。為稠油降溫的精準控溫和節能降耗提供了技術支撐，合理地滿足了海上稠油生產的安全節能環保理念。

(2)整個降溫裝置配套了自動控制系統，控制系統主要由PLC完成對流量控制器的PID的閉環流量控制，使稠油降溫更加的智能化，精準化。

(3)稠油蒸汽吞吐高效降溫技術研究具有重要的實用價值，對海上稠油蒸汽吞吐開采具有非常重要的研究意義。符合海上稠油高效、經濟、智能的安全生產理念,為油田事業的發展提供了科學的技術支撐、拓展了新的研究技術領域，這不僅具有重要的學術價值，而且具有良好的市場推廣應用前景。