偏遠低滲透油田集輸工藝適應性研究

任健

大慶油田第四采油廠

某油田位于偏遠地區，地表較為平緩，地面高程海拔587～702 m。區塊內大面積為草原，可依托性非常差，屬中溫帶干旱氣候，晝夜溫差大；交通較便利，但路況條件差，環保要求嚴格；冬季漫長，暴風雪多，最低氣溫達-45 ℃，無霜期僅有103 天，可施工期短[1]。

針對該油田滲透率低以及地處偏遠、零散、高寒的環境特點，地面建設根據已有的成熟工藝，結合油田滾動發展的形勢，堅持“一次規劃、分期實施”的原則，規避投資風險；不斷優化方案、簡化工藝，引進、改造和創新技術，形成了適應油田發展的地面技術：站外集油系統主要工藝流程為環狀摻水集油流程；分布集中油井采用單管環狀摻水集油流程；零散井采用單井拉油工藝[2]。

自2020 年起，該地區受多種因素影響，耗能情況較為突出，精細化設計站外集油流程成為節能降耗的關鍵。以該油田的某產油區塊為切入點，探索該區塊的拉油、摻水、單管電加熱集油工藝的適應性，為全面推進節能降耗奠定堅實的基礎。

1 集油工藝

目前地處偏遠的油田常采用的集油工藝為拉油、環狀摻水及單管電加熱集油工藝[3]。

1.1 拉油工藝

新建油井采用集中或相對集中拉油工藝，即多井采出氣液混合物經閥組后進高架罐或零位罐，靠自流或泵輸裝車后拉運至卸油點。對于距離已建油氣集輸系統較遠、規模較小的分散斷塊可采用拉油流程。其中單井拉油流程適用于遠離已開發油田的低產零散井；集中拉油流程適用于孤立、低產斷塊，雖不能形成一定的規模集油能力，但油井相對集中的油田。工藝流程如圖1 所示。

1.2 環狀摻水集油工藝

該工藝在20 世紀80 年代中后期外圍低產油田開發的形勢下，在雙管摻水集油工藝基礎上優化簡化而成，多井串聯成一個集油環，較單井雙管摻水集油工藝降低集油管網建設投資30%以上，節約能耗20%左右[4]。

環狀摻水集油工藝以集油閥組間為中心，采用一條集油摻水管道串多個油井（通常不超過6 口油井）的形式形成集油環。在轉油站將分離出的含油污水進行升溫，用摻水泵升壓將帶有一定熱量的含油污水輸送至閥組間，再將其分配至各個集油環，每個環將熱水與油的產液混合后輸送回閥組間，繼而靠自身壓力輸回轉油站。該種工藝在應用過程中，對集油環轄井數、集油半徑、回油溫度、單井摻水量進行了逐步優化，形成了“單管環狀減量摻水集油工藝”（圖2），在滿足外圍油田開發的條件下，建設投資及運行費用均處于較低水平。

圖2 環狀摻水集油工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of annular water mixing and oil collection process

1.3 單管電加熱集油工藝

管道集膚效應電伴熱（加熱）技術是最近幾年來出現的一種新的金屬管道加熱方法，是大型石油化工等企業熱輸管道加熱保溫的新技術、新工藝，國外簡稱SECT 法[5]。此種加熱技術具有效率高，適應所有長、中、短距離金屬輸液管道的伴熱和加熱，而且具有安全可靠、使用壽命長、安裝維修方便等優點，因此廣泛用于各種不同性質的液態物質的管道伴熱。該技術因其研究涉及的工程規模較大，雖在我國20 世紀80 年代開始應用，但推廣應用速度較慢[6]。

SECT 的原理基于交流電的集膚效應和鄰近效應，由于鋼管具有極強的磁性，即使在工頻電壓下也會產生顯著的集膚效應[7]。所謂集膚效應，就是當交流電通過鋼導體的電流逐漸趨膚在導體表面的一種現象。而鄰近效應是雙線傳輸線的兩導體中，交流電流相互向相鄰導體接近的現象。當加熱管中的電纜與熱管間通過交流電流時，兩者之間產生臨近效應，同時，加熱管上電流逐漸趨膚在加熱管內壁，內壁產生的焦耳熱來滿足伴熱的需要[8]。集膚效應電伴熱系統產生焦耳熱主要來自于3 部分：①加熱管上通電流時，加熱管上發出的熱，此熱量是集膚電伴熱系統的主要熱量來源；②加熱管內部電纜產生的熱；③加熱管內磁滯損耗產生部分熱。

在集膚效應裝置中，絕緣導線穿過具有強磁性的鋼管并與鋼管尾端相連接，鋼管的首端與絕緣導線分別接電源的零線和相線，施以共頻或中頻交流電壓，電流通過導線和鋼管形成回路產生焦耳熱，這種管線稱為SECT 管。由于鋼管的尺寸、材質、交流電頻之間存在一定的關系，交流電并非均勻地流經鋼管截面，而是集中流過自其內表面起的某一深度內，電流密度按指數規律減少，在鋼管外表面電壓電流幾乎為零。因此可以將SECT 管直接焊接在輸送管上，使之成為高效熱源。SECT 管產生的熱量通過焊縫及導熱膠泥迅速傳給輸送管，起到伴熱作用。

為了適應低產能區塊油田的發展，自1993 年起，部分油田采用該加熱工藝進行集輸，減小了集輸規模、減少了集輸設備、簡化了站內工藝。與單管環狀摻水集油工藝相比，可節省管道50%，節省投資30%，節省能耗40%[9]。但運行費用較高，平均為環狀摻水集油工藝的1.6 倍，而且存在設備故障率高、故障點確定困難、主線損壞影響面較大的問題。選擇此工藝時需結合周圍環境，并且計算產能周期內的經濟效益進行綜合對比。

單管電加熱集油工藝流程：在油井的井口設置井口電加熱器，將產液進行升溫，通過電加熱保溫管進行保溫輸送，即點升溫、線保溫的方式[10]（圖3）。

圖3 單管電加熱集油工藝示意圖Fig.3 Schematic diagram of single-tube electric heating oil collection process

2 集油工藝方案制定

該油田研究區塊共新建水平油井4 口，均采用抽油機的舉升方式。采用CYJY10-4.2-53HB 型抽油機，配套功率為18.5/28 kW 的YCHD250-8/6 型電機、CK4-S-63 控制箱。凝固點為36℃，氣油比為30.19 m3/t，單井產液量為29.4～49.2 t/d。距離最近的集油閥組間3 km，距離最近的卸油點12 km。以下對該區塊油井進行地面不同集輸工藝的對比。

集輸工藝選擇的原則：①嚴格貫徹執行有關的國家法律、法規及有關的國家與石油行業的標準、規范；②積極采用成熟的新工藝、新技術，簡化地面工藝，實現降低工程投資及生產能耗的目的，提高油田開發建設的綜合經濟效益；③以經濟效益為中心，充分挖潛利用已建站的剩余能力，合理控制新增規模及工程量；④為減少地面工程建設投資，相鄰區塊集輸處理能力在系統布局上進行統一考慮；⑤為保護環境、減少污染，油、氣、水集輸及處理應滿足環境保護標準，做到不排放污油、廢氣、污水。

方案一：采用單井拉油的方式進行集油。采用單井拉油集油工藝拉運至塔二聯卸油點，拉運距離為12 km，塔二聯已建卸油點規模為350 t/d，目前卸油量約為150 t/d，本次產能最高卸油量為150 t/d，卸油量合計約為300 t/d，已建卸油點能力滿足需求。每口井設50 m3儲罐2 座，共8 座，全部利舊（需新建儲油罐基礎并進行大修，大修內容包括清淤、更換罐內電熱棒、重做儲罐外防腐保溫等）。存儲時間在2～3 天，滿足GB 50350—2015《油田油氣集輸設計規范》4.2.2 中連續生產油井的拉油采油井井場應設儲油罐存儲時間2～7 天的要求。單井罐的配置情況見表1。

表1 單井罐配置統計Tab.1 Statistics of single well tank configuration

主要工程內容為敷設DN65 單井集油管道0.28 km，新建30 W/m 的電伴熱帶0.84 km，新建容量為125 kVA 的10 kV 柱上變電站4 座，8 座50 m3儲罐利舊，工程費用為220.99 萬元。主要運行能耗包括年耗電量59.2×104kWh 和每臺拉運車油耗200 $/d，合計運行費用共75.8 萬元/a。

方案二：采用環狀摻水的方式進行集油。4 口水平井距離3#集油閥組間約3 km，單獨成環進入3#集油閥組間（圖4）。環狀摻水流程采用不同的管徑，對應著不同的單井摻水量及最大井口回壓和進間溫度。更改管徑后水力、熱力的計算結果見表2。

表2 3#集油間更改管徑后計算對比Tab.2 Comparison of calculations after changing the pipe diameter in the 3# oil gathering room

圖4 環狀摻水集油工藝方案Fig.4 Annular water mixing and oil collection process scheme

4 口水平井獨立成環需新建集油摻水管道7 310 m。通過計算對比，集油環應全程選用DN100 的鋼管，井口最大回壓為0.75 MPa，單井摻水量為1.3 m3/h。

主要工程內容：敷設DN100 單井集油管道7.31 km，擴建集油摻水閥組1 套，新建容量為80 kVA 和63 kVA 的10 kV 柱上變電站各2 座，工程費用313.70 萬元。主要運行能耗包括年耗電量4.4×104kWh 和耗氣量561.6 m3/d，合計年運行費用共2.2 萬元。

方案三：采用單管電加熱集輸的方式進行集油（圖5）。4 口水平井距離3#集油閥組間約3 km。單井井口配備電加熱器，端點井Φ60 mm 的集輸管道配備集膚效應加熱裝置，DN100 和DN65 的主匯管不配備集膚效應加熱裝置，但需選用40 mm 的保溫層。最終混輸進入3#集油閥組間，通過pipephase計算，井口產液加熱到45 ℃的時候，匯管液進入閥組間的溫度為32.37 ℃，可滿足生產需求。此集油工藝計算結果見表3。

表3 井口加熱溫度變化對回壓和進間溫度的影響Tab.3 Influence of wellhead heating temperature change on back pressure and inlet temperature

圖5 單管電加熱集油工藝方案Fig.5 Single-tube electric heating oil collection process scheme

主要工程內容：敷設DN100、DN65、DN50 單井集油管道2.63、0.38 和1.05 km，新建管道集膚效應加熱裝置1.05 km，擴建集油摻水閥組1 套，新建容量為80 kVA 和63 kVA 的10 kV 柱上變電站各2 座，新建井口電加熱器4 臺。主要運行能耗包括年耗電量80.08×104kWh，年運行費用共41.93 萬元。

3 方案對比

平均每天拉運液量為150 t、拉運車拉運能力為40 t，需要拉運4 次，運距為12 km，來回共計24 km，拉運加裝卸車最低用時2 h，每天最低需要租用1 臺拉運車。方案二和方案三均需擴建1 套閥組，3#閥組間為橇裝式閥組間，間內沒有擴建位置，規劃在間外擴建1 套閥組，搭接在5#閥組（轄3 口油井）上。3 個方案工程量及10 年費用現值的對比見表4。

表4 方案對比Tab.4 Scheme comparison

3 個方案的優缺點對比如下：

（1）單井拉油。優點：投資費用最低，且初期產量存在不穩定因素，拉油運行降低風險。缺點：運行成本最高。利舊油罐不能滿足VOCs（揮發性有機物）治理要求（參照標準GB 39728—2020《陸上石油天然氣開采工業大氣污染物排放標準》5.7.3 對油田放空天然氣應給予回收，不能回收或難回收的，應經燃燒后放空；不能燃燒直接放空的，應報生態環境主管部門備案），需建設單位向生態主管部門備案。

（2）單管環狀摻水集油。優點：摻水工藝10年費用現值最低；運行安全平穩、維護費用低，且工藝成熟，生產管理經驗豐富。缺點：新建DN100的集油環7.31 km，投資費用較高；若初期產量高于預測產量，存在井口回壓過高的風險。

（3）電加熱集輸。優點：投資費用低于單管環狀摻水集油工藝。缺點：該油田現場技術力量有限，備品備件采購較慢，對井口電加熱器和集膚效應加熱裝置的維修維護存在困難。電加熱流程耗電量最高，而該區塊實際供電量常年短缺，經常性限電、停電，將導致加熱設備不能始終保持理想狀態運行。

結合投資、10 年費用現值、方案優缺點對比及生產單位的建議，綜合分析，推薦選用方案二，采用環狀摻水集油工藝。

4 節能效果分析

對于研究區塊的4 口水平井來說，單井拉油、環狀摻水和單管電加熱集油工藝的節能效果分析如下：單井拉油集油工藝的一次性投資費用最低，但是由于地理位置較為偏遠，拉運費用較高，單井罐升溫維溫的耗電量也較高，年用電量為59.2×104kWh；環狀摻水集油工藝的一次性投資費用最高，但是建成后其運行費用最低，年用電量為4.4×104kWh；單管電加熱集油工藝的一次性投資費用處于單井拉油和環狀摻水集油工藝之間，為229.13 萬元，但建成后的能耗消耗是最高的，年用電量為80.08×104kWh。

5 結論

（1）目前地處偏遠的油田常采用的集油工藝為拉油、環狀摻水及單管電加熱集油工藝。

（2）拉油工藝為油井采出氣液混合物經閥組后進高架罐或零位罐，靠自流或泵輸裝車后拉運至卸油；環狀摻水工藝以集油閥組間為中心，采用一條集油摻水管道串多個油井的形式形成集油環；單管電加熱工藝在油井的井口設置井口電加熱器，通過電加熱保溫管進行保溫輸送。

（3）從降低能耗的角度來說，宜采用環狀摻水集油工藝；從降低一次性投資的角度來說，宜采用拉油工藝；從降低產能周期內的10 年費用限值的角度來說，需綜合進行對比；對于研究區塊的油井，綜合分析后，環狀摻水集油工藝更為適合。