高含水油井采出液余熱的規模利用

薛李強 苗彥平 冶維青 葛玉嬌 馬文娟 陳振亞 杜航

1中國石油華北油田分公司第三采油廠

2中國石油青海油田分公司采油四廠質量安全環保辦公室

留北油田位于冀中坳陷饒陽凹陷中部，介于河北省河間市和獻縣交界處，共包括6 個開發單元：留北潛山、留23、路3、路15、路27 和路30 斷塊，含油層系為薊縣系霧迷山組、上第三系館陶組、明化鎮組。共有油井124口，開井89口；高含水油井9口（主要分布在留北潛山），開井5口，日產液4 281 t，日產油229.8 t，綜合含水率94%；注水井27口，開井11口，日注水4 052 m3。目前運行聯合站1 座（留一聯合站）、接轉站3 座（路15 接轉站、路27 接轉站、路三接轉站）、計量站8 座。集油工藝以三管伴熱為主，生產用熱主要由燃油加熱爐供應，4座供熱站場共有加熱爐11臺，年消耗燃油2 000 t。5口高含水油井日產液3 800 m3，井口溫度107 ℃，余熱資源豐富；因此，充分利用特高含水老井余熱供留北油田開發使用至關重要[1-2]，對于替代加熱爐供熱、降低能耗及碳排放意義重大。

1 余熱利用工藝優化設計與實施

1.1 規模替代

前期將高含水油井采出液集中至余熱站，一部分采出液通過高效換熱器給生產伴熱水換熱升溫，供89 口油井集油、4 座站場維溫換熱及生活區采暖，充分利用原供熱系統，實現留北油田區域內地面系統加熱爐全替代。同時依托余熱站新建油管修復廠、污油污泥凈化點，一部分采出液直接去油管修復廠清洗油管、卸油點化油，為全廠油管修復、油泥無害化處理提供熱能。然后采出液通過注水系統回注地層，保持開發能量。前期高含水油井采出液余熱利用工藝流程見圖1、站外集油維溫干線示意圖見圖2。

圖1 前期高含水油井采出液余熱利用工藝流程Fig.1 Process flow of waste heat utilization of produced fluid in high water-cut wells in the early stage

圖2 前期實施后站外集油、維溫干線Fig.2 Oil gathering and heating lines outside the station after early implementation

前期工作開展后，雖然實現了區域內加熱爐全替代，但由于單井集油采用三管伴熱工藝、地面系統維溫采用換熱器間接供熱，因此依然存在系統熱負荷高、余熱利用效率低的問題，從而使高含水油井采出液需求量居高不下，注采成本高，需進一步優化工藝降低熱能需求。

1.2 集油工藝

1.2.1 工藝優化

對于站外89 口油井，根據現場分布情況，按照充分利用舊管線、壓縮新建管線投資的原則，集油管線通過簡短串接[3]，使高產液井帶低產液井、高含水油井帶低含水油井、井口溫度較高井帶井口溫度較低井，提高串接井組整體液量、含水率和溫度，降低集油過程中沿程摩阻。同時，對高液量、高含水串接首端井應用保溫油管[4]，減少井筒舉升過程中的熱能損失，充分利用地層熱能進一步提高集油溫度，使區域內4座站場所轄的油井全部實現單管不加熱集油，8座計量站簡化為閥組間，減少單井集油系統熱負荷。路三接轉站、路27 接轉站、路15-1計量站實施情況見表1、表2、表3。

表1 路三接轉站單井集油工藝優化實施情況統計Tab.1 Statistics of the implementation of single well oil gathering process optimization at Lu 3 Block Station

表2 路27接轉站單井集油工藝優化實施情況統計Tab.2 Statistics of the implementation of single well oil gathering process optimization at Lu 27 Block Station

表3 路15-1計量站單井集油工藝優化實施情況統計Tab.3 Statistics of the implementation of single well oil gathering process optimization at Lu 15-1 Metering Station

1.2.2 干線摻水防腐蝕防垢的評價與實施

高含水油井采出液直接回摻接轉站集油干線需進行室內配伍性試驗，首先進行余熱站采出液及各站混合液水質分析。由分析數據（表4）得出：余熱水中SO42-的質量濃度為142.5 mg/L，該水質與富含Ba2+水質容易發生BaSO4沉積結垢；Ca2+、HCO3-含量較高，在溫度較高、壓力較低時容易發生CaCO3沉積結垢；同時水質偏酸性，礦化度和游離CO2質量濃度分別為4 944 mg/L和163.9 mg/L，表明該水質存在一定的腐蝕性，Fe2+的質量濃度為1.36 mg/L，也間接反映出存在腐蝕性。

表4 留北油田各站取樣點水質分析數據Tab.4 Water quality analysis data of sampling points in each station of Liubei Oilfield

將余熱水分別與3座接轉站混合液按不同比例混合做結垢配伍性試驗。從試驗分析結果（圖3、圖4、圖5）看出，溫度在40～60 ℃時，混合樣CaCO3結垢趨勢隨溫度的升高而升高，結垢量隨摻入余熱水比例的增加而增加。

圖3 路三接轉站混合液與余熱水配伍后CaCO3結垢趨勢Fig.3 Scaling trend of CaCO3 after mixing liquid and waste heat water in Lu 3 Block Station

圖4 路15接轉站混合液與余熱水配伍后CaCO3結垢趨勢Fig.4 Scaling trend of CaCO3 after mixing liquid and waste heat water in LU 15 Block station

圖5 路27接轉站混合液與余熱水配伍后CaCO3結垢趨勢Fig.5 Scaling trend of CaCO3 after mixing liquid and waste heat water in Lu 27 Block Station

從BaSO4結垢配伍性室內試驗結果（表5）看出，余熱水按不同比例分別與路三接轉站、路15接轉站、路27 接轉站混合液配伍后，均未檢測出BaSO4結垢沉積。

表5 配伍后室內BaSO4結垢趨勢試驗數據Tab.5 Data of indoor BaSO4scaling tendency test after compatibility

綜合上述室內配伍試驗結果，采出液直接摻至集油干線，需對利舊管線進行防垢防腐蝕處理。現場采用了HCC 纖維增強復合防腐內襯技術[5-7]，涂層與鋼材之間的附著力大于12 MPa，耐溫大于120 ℃，拉伸強度大于40 MPa，達巴氏硬度40，斷裂延伸率大于2%；且涂層致密光滑，防垢性能較好，有效防止了腐蝕結垢給摻水、集油干線帶來的危害。現場施工包括噴砂除銹、內涂層涂敷、管道機器人檢測等步驟（圖6）。

圖6 噴砂除銹前后圖及內涂后管道機器人檢測圖Fig.6 Diagram before and after sandblasting and inspection diagram of pipeline robot after internal coating

1.2.3 采出液直接回摻集油干線

單井集油工藝優化[8-9]、管線防腐修復后，將高含水油井采出液集中至余熱站，然后泵送至3座接轉站直接摻入集油干線[10]，提高轉油站混合液流量、含水率及溫度，保障系統正常集輸，實現采出液余熱直接利用；同時配套數字化儀器儀表，實現干線摻水自動控制，形成區域內油井串聯單管集油、干線摻余熱水的集輸工藝，取代了間接換熱維溫的三管伴熱集油工藝，從而提高了余熱利用效率。留一聯合站系統、油管修復廠、油泥凈化點、生活采暖供熱方式不變，參數優化后高含水油井采出液需求量下降至1 300 m3/d，系統熱負荷得以進一步下降。實施后站外工藝管網示意圖見圖7，站內余熱利用工藝見圖8。

圖7 實施后站外工藝管網示意圖Fig.7 Diagram of process pipe network outside station after implementation

圖8 實施后站內余熱利用工藝示意圖Fig.8 Diagram of waste heat utilization in station after implementation

2 現場應用及效果

前期工作完成后，利用5口高含水油井的采出液余熱替代了整個留北油田生產區域內的加熱爐供熱，系統運行平穩，年規模利用余熱量為9.5×1013J，停用加熱爐11 臺，實現區域內燃油零消耗，年節約燃油2 000 t（表6），折合標煤約2 800 t，年可減少碳排放6.73×104t，取消加熱爐崗4 個，減少用工16人。

表6 實施前后加熱爐數量及燃料消耗對比Tab.6 Comparison of heating furnace quantity and fuel consumption before and after implementation

后期工藝進一步優化后，集輸、供熱系統簡化，8座計量站降級為閥組間，高含水油井采出液量由3 200 m3/d下降至1 300 m3/d，采出液注采耗電下降59.37%，實現系統能耗進一步下降。下步計劃將該區域豐富的余熱水調至周邊其他油田進行利用，進一步擴大余熱利用范圍。

3 結論

（1）將老油田高含水油井采出液集中，與原加熱爐供熱系統無縫對接，充分利用原有熱力系統設備及配套工藝，通過高效換熱的方式供油田生產、生活系統用熱，實現了采出液余熱區域內全覆蓋，使高含水油井采出液余熱得到了規模利用，取代了全部燃油加熱爐，達到了節能降耗、清潔環保的目的。

（2）在留北油田區域內實現由采出液余熱供熱后，進一步探索了降低熱負荷、提高余熱利用效率的方法，通過優化集油工藝、變間接換熱為直接摻水等技術措施，實現系統用熱與采出液需求量雙下降。

隨著環保要求的日趨嚴格，尤其是地處京津冀地區的華北油田，加熱爐燃燒原油、天然氣等一次能源的供熱方式已不能滿足油田節能低碳、清潔環保的要求，尋求更加節能高效、清潔環保的地面供熱模式對于油田效益開發至關重要。留北油田充分依托已建熱力系統及集輸工藝管網，通過不斷的工藝優化、配套技術的應用，實現高含水老井采出液余熱的規模利用，代替了區域內加熱爐供熱，其經濟、社會效益十分明顯；同時也為老油田高含油水井、特高含水油井采出液的規模利用提供了借鑒模式，為老油田區域性利用清潔的地層熱能提供了新思路、新方法。