基于不同管道布置方式的油田摻水系統優化研究

曲 虎，劉 靜，楊 志

中國石油工程建設有限公司華北分公司，河北 任丘062552

對于一些原油物性較差，產液量、井口溫度和含水率均較低的外圍區塊油井，采用單管集油工藝進站比較困難，為了保證原油的正常進站，常采用摻水工藝進行集輸［1-3］。根據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狀摻水，雙管摻水集油工藝就是在站場（或閥組）與每口油井之間設置兩條管道，一條為站場至油井的摻水管道，一條為油井至站場的集油管道；環狀摻水集油工藝是在油田區塊設置若干個集油環，每個集油環串接5～8 口油井，通過一條管道摻水并將沿途油井串接進站。根據摻水點的位置不同，又可以將環狀摻水工藝分為首端摻水、末端摻水和分支摻水［4-7］。

本文以某小區塊油田為研究對象，研究摻水溫度、摻水比以及不同摻水方式對摻水系統能耗和運行費用的影響。

1 計算依據

1.1 計算公式

摻水系統能耗主要為摻水泵及抽油機等的機泵電耗和站內加熱爐的燃料消耗［8-10］。

1）機泵軸功率計算

式中：P為機泵軸功率，kW；qv為輸送溫度下機泵的排量，m3/s；H為機泵排量為qv時的揚程，m；ρ為輸送溫度下介質的密度，kg/m3；η為輸送溫度下泵的排量為qv時的輸油效率。

2）機泵電機功率計算

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

3）摻水升溫負荷計算

式中：Q為加熱設備熱負荷，W；qm為介質質量流量，kg/s；C為被加熱介質的比熱容，J/（kg·℃）；t1為加熱設備出口介質溫度，℃；t2為加熱設備進口介質溫度，℃。

4）加熱爐燃料用量的計算

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

1.2 基本參數

以某小斷塊油田為研究對象，原油物性為：20 ℃時原油密度0.904 g/cm3，50 ℃黏度95.6 mPa·s，凝固點33 ℃，氣油比20 m3/t，原油轉相點為含水率60%。區塊油井產液量、含水率及井口溫度見表1，進站壓力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 ℃；根據管道熱損失及保溫層厚度計算，確定保溫層厚度為40 mm。傳熱系數根據“油田油氣集輸設計規范”GB50350-2015附錄中取值［8］。

表1 油井摻水統計表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，管道布置方式見圖1（a）［9］。

首端摻水也是環狀摻水的一種，管道布局方式為將摻水管線通到最近端井，然后順序將沿途油井串接進站，管道布置方式見圖1（b）。

末端摻水是環狀摻水的一種，管道布局方式為將摻水管線直接通到最遠端油井，然后順序將沿途油井串接回來進站，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塊最遠端，并在合適位置設計分水閥組，從分水閥組分出2～3 個摻水支線，然后順序將沿途油井串接進站，管道布置方式見圖1（d）［10］。

圖1 不同摻水流程對比示意圖：（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 計算結果及分析

2.1 摻水比和摻水溫度對耗電量的影響

分別對摻水比［m（熱水）∶m（產出液）］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 個溫度下的模型進行計算，模型中管道埋深為-1.5 m，根據區塊所屬地理位置和氣相條件，經過計算確定保溫層厚度為40 mm。通過計算結果分析摻水比、摻水溫度對摻水系統耗電量的影響。

從摻水效果和摻水經濟效益方面考慮，根據工程經驗，一般區塊摻水溫度為55 ～75 ℃，油品性質較差、摻水管道較長的極端摻水溫度不會超過85 ℃；根據圖2（a）所示，雙管摻水系統在摻水量不變時，耗電量隨摻水溫度的上升而下降，在摻水溫度不變時，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相點，含水原油的黏度隨著摻水量的增大而增大，因此，摻水系統的耗電量也隨著摻水量的增大而增大；待超過轉相點以后，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，由于流速增大而引起的摩阻增加已經超過由于黏度下降而引起的摩阻降低，因此摻水系統的耗電量又開始上升［11-12］。

對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的耗電量進行計算，根據圖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耗電量變化趨勢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系：（a）雙管摻水的摻水比與月耗電量，（b）摻水溫度60 ℃時摻水比與耗電量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耗氣量的影響

分別對摻水比［m（熱水）∶m（產出液）］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 個溫度下的模型進行計算，模型中管道埋深為-1.5 m，保溫層厚度為40 mm。通過計算結果分析摻水比、摻水溫度對摻水系統耗氣量的影響，結果見圖3。

圖3 摻水量與耗氣量的關系曲線：（a）雙管摻水的摻水比與月耗氣量關系曲線，（b）摻水溫度60 ℃時摻水比與耗氣量關系曲線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 ℃

根據圖3（a）所示，雙管摻水系統在摻水量不變時，耗氣量隨摻水溫度的上升而上升，在摻水溫度不變時，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、增大摻水量均會增加摻水系統熱負荷，造成加熱爐耗氣量增加［13-14］。

對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的耗氣量進行計算，根據圖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耗電量變化趨勢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運行費用的影響

根據前述摻水比和摻水溫度對摻水系統耗電量和耗氣量的影響結果，按電費0.75 yuan/（kW·h）、伴生氣1.2 yuan/m3的價格分別對不同摻水比和摻水溫度下摻水系統總運行費用進行計算，結果見圖4。

圖4 （a）雙管摻水溫度和摻水比與運行費用關系曲線，（b）摻水溫度60 ℃時摻水比與運行費用曲線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 ℃

根據圖4（a）所示，雙管摻水系統在摻水量不變時，運行費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，提高摻水溫度會增大摻水系統熱負荷，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用增大相比，壓降減少引起的電費減少幅度較小。

在摻水溫度不變時，運行費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相點（含水率60%），含水原油的黏度隨著摻水量的增大而增大，因此，摻水系統的耗電量和耗氣量均隨著摻水量的增大而增大；超過轉相點以后，含水原油黏度隨著摻水量的增大而顯著下降，因此，摻水系統的耗電量也隨著摻水量的增大而下降，此時的運行費用有所下降；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，這時由于摻水量增大引起的耗氣費用超過由于黏度下降而減少的耗電費用，同時由于摻水量的增大，流速增大，由于流速增大而引起的摩阻增加已經超過由于黏度下降而引起的摩阻降低，摻水系統的耗電量也開始上升，因此，摻水系統總運行費用又開始上升［15-16］。

對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的運行費用進行計算，根據圖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行費用變化趨勢同雙管摻水基本一致。

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

3 結 論

通過文中分析可知，耗電量和耗氣量是摻水系統的主要能耗指標，摻水比和摻水溫度是影響摻水系統能耗和運行費用的重要因素。摻水系統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；摻水系統耗氣量隨摻水溫度和摻水量的上升而上升；摻水系統運行費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，雙管摻水方式運行費用最高，分支摻水方式運行費用最低。建議在選擇原油集輸摻水方式時，優先選擇分支摻水。