海上平臺注水驅油提溫設備負荷計算及設計選型

于 洋

[中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津 300450 ]

1 研究背景

為提升稠油采收率，選取某油田作為試驗油田，開展移動式注熱技術方案研究與論證和移動式注熱先行先試工作，以加快稠油熱采提速提效和有效解決海上稠油熱采資源緊張的問題。先期論證采取的工藝方案為移動支持船模式，裝備1套100 t/h相變加熱爐可滿足1 850 t/d的注水量，出口溫度130 ℃。采用該模式除需要支付支持船租賃費用外，還要對相關的注水系統工藝流程、天然氣工藝流程、配電系統、變相爐供水系統等進行改造，耗資巨大。該項目為試驗項目，最終能否達到預期效果還未可知，投資風險較大。為降低試驗投資成本、實現試驗目的，利用目前海上平臺現有設備資源，通過實施簡易工藝流程改造，增加高效換熱設備，以達到注熱水的目的。

2 工藝系統設計簡介

根據注熱水工藝需求，結合現場施工空間和現有流程工況，設計一套適配工藝流程。新的工藝流程為熱介質鍋爐A/B出口高溫熱介質經管道進入注水高效換熱器進行熱介質油與高壓生產水換熱，高溫熱介質油經過換熱后形成低溫熱介質，一部分熱介質進入下游熱用戶，多余熱介質經熱介質循環泵A/B返回鍋爐進行再加熱，工藝流程簡圖見圖1。

該流程可實現2種運行模式，分別為新增高效換熱器與原流程熱介質用戶串聯或并聯運行。

2.1 串聯運行

熱介質循環A、B泵對應熱介質鍋爐A、B，將熱介質油加熱后經高效換熱器為高壓生產水加熱，換熱后熱介質油繼續進入下游熱用戶，充分換熱后回流至熱介質循環A、B泵入口。

2.2 并聯運行

熱介質循環A泵對應熱介質鍋爐A，將熱介質油加熱后經高效換熱器為高壓生產水加熱，換熱后，熱介質油回流至熱介質循環A泵入口；熱介質循環B泵對應熱介質鍋爐B，將熱介質油加熱后與原流程熱用戶進行換熱，換熱后，熱介質油回流至熱介質循環B泵入口。

3 工藝基礎數據及熱介質系統負荷核算

針對該工藝系統主要利用平臺現有設備為注水連續加熱增壓的特點，故需要對現有設備的運行能力利用HYSYS軟件進行模擬計算［1］，并通過與該系統設計熱能需求量進行對標，以確定目前平臺現有相關設備是否滿足系統運行的要求。

3.1 現有設備基礎數據

為該工藝系統提供熱源的為2臺燃氣及燃油兩用型熱介質鍋爐，通過鍋爐加熱后的熱介質經熱介質循環泵升壓后流經高效換熱器與連續高壓注水換熱，以實現為高壓注水加熱。多級離心泵為注水持續加壓，以實現高壓注水。熱介質鍋爐、熱介質循環泵及注水泵基礎參數分別見表1～3。

表1 熱介質鍋爐參數Tab.1 Parameters of thermal medium boiler

表2 熱介質循環泵參數Tab.2 Parameters of thermal medium circulating pump

表3 注水泵參數Tab.3 Parameters of water injection pump

油藏方案規劃優先選擇注采連通性較好的油藏區塊進行先導試驗，其他區塊待熱水驅試驗區塊取得成功后綜合調整逐步推廣應用。工藝參數試驗井組選取3口井注熱水，日注水量1 843 m3，其中受效井8口。根據油藏注熱參數要求，結合目前注水井注水管柱特點及地面采油樹和井筒管柱耐溫等級，設計井口溫度為118.3～120.6 ℃，井底溫度為108 ℃，考慮流程延程熱量損失，故將高壓注水加熱至130 ℃。目前流程高壓注水常態注水溫度為60 ℃。

3.2 工藝數據校核

3.2.1 設備熱負荷

日常熱介質循環系統運行模式為：熱介質循環泵采取1用2備，熱介質鍋爐單臺運行，熱介質循環量為172 m3/h。熱介質鍋爐春、冬兩季運行溫度和負荷數據見表4。

表4 熱介質鍋爐運行數據Tab.4 Operation data of thermal medium boiler

經HYSYS軟件模擬，負荷功率約為1 500 kW（春季）、2 023 kW（冬季）。

熱介質計算負荷率為：1 500 kW/4 500 kW=33.33%（春季）；2 023 kW/4 500 kW=44.96%（冬季）。

經與表4運行負荷率對比，模擬負荷與現場實際負荷基本一致。

經過HYSYS軟件分析模擬，將77 m3/h（1 843 m3/d）水從60 ℃（高效換熱器入口生產水溫度）加熱至130 ℃需要的熱負荷為6 514 kW。

3.2.2 工藝數據計算

①改造后平臺總需求負荷為日常運行負荷加高效換熱器負荷：

6 514 kW+1 294 kW=7 808 kW（春季）

6 514 kW+2 023 kW=8 537 kW（冬季）

②改造后熱介質鍋爐總負荷率：

7 808 kW/（4 500 kW×2）=86.76%（春季）

8 537 kW/（4 500 kW×2）=94.86%（冬季）

經計算，2臺熱介質鍋爐同時啟動運行時，熱負荷基本滿足注熱水需求。

③改造后，熱介質循環溫度高效換熱器需要熱介質負荷為6 514 kW，循環量按照2臺熱介質循環泵344 m3/h核算。經HYSYS模擬，新增換熱器熱介質進出溫差為34.4 ℃。按照冬季鍋爐出口溫度（130 ℃）核算增加設備后，熱介質鍋爐出口溫度為130 ℃+34.4 ℃=164.4 ℃。

此數據為理論計算數據，且熱介質油溫度與被加熱介質溫度差越大，換熱效果越好。經核算，熱介質鍋爐出口溫度為180 ℃后換熱器尺寸比較經濟。經查詢熱介質爐運行歷史數據，熱介質爐加熱最高溫度為200 ℃。

④HYSYS工藝流程模擬數據計算與實際運行數據對標：以現場實際生產負荷、新增換熱器負荷、下游生產換熱設備熱需求溫度為基礎進行模擬，分別對春季、冬季工況進行模擬計算，獲得鍋爐負荷分別為7 986 kW和8 510 kW，與工藝數據計算結果的7 808 kW（春季）和8 537 kW（冬季）基本一致，模擬圖見圖2、3。

圖2 HYSYS工藝流程模擬數據圖（春季）Fig.2 HYSYS process flow simulation data chart （spring）

圖3 HYSYS工藝流程模擬數據圖（冬季）Fig.3 HYSYS process flow simulation data chart （winter）

4 高效換熱器的設計選型

由于平臺現場空間的局限性，以及注熱水所需的熱負荷、注水壓力較大，采用常規管殼式換熱器無法滿足該項目需求，需要尋求一種耐腐蝕、耐高壓、換熱特性強的換熱器，以滿足試驗設計需求。經過查詢資料及設計對比，選取纏繞管式換熱器，該換熱器內部盤管采取螺旋狀纏繞式布置于換熱器殼體內，通過繞絲盤旋布局，可有效在殼體空間內增大換熱面積。同時，螺旋管的輪廓邊緣對管中心也具有一定的熱擾動作用，能夠強化換熱，從而提高換熱效率［2］。高效換熱器運行基礎參數見表5，換熱器整體示意圖見圖4。

表5 高效換熱器基礎運行參數Tab.5 Basic operating parameters of high-efficiency heat exchanger

圖4 纏繞管式換熱器整體示意圖Fig.4 Overall schematic diagram of wound tube heat exchanger

纏繞管式高效換熱器比普通的列管式換熱器的優勢為適用溫度范圍廣、適應熱沖擊、熱應力自身消除、緊湊度高、傳熱效率是傳統熱交換器的3～7倍、傳熱系數最高可達14 000 W/（m2·℃）、雜質沉淀概率小、結垢傾向低等［2］。熱交換器兩端設有管箱，是物料進入換熱管前的緩沖區域，可有效降低物料流速，減少對換熱管的沖擊，提高設備使用壽命。殼程流體入口處換熱管采用分布式直管段設計，可有效降低流體流速、減少對換熱管沖擊，使得流體可以均勻流入纏繞段，最終提高傳熱效率，局部示意圖見圖5。

圖5 換熱器局部示意圖Fig.5 Partial schematic diagram of heat exchanger

根據注水量、注水換熱要求及高效換熱器設計選型計算，最終確定換熱器設計參數，見表6。

表6 高效換熱器設計參數表Tab.6 Design parameter table of high-efficiency heat exchanger

5 結 語

本文對油藏熱水驅試驗項目的研究是基于現有工藝流程適應性改造，以及對高效換熱器選型的研究，并以油藏對注熱需求量的理論計算為依據。

應用HYSYS軟件能夠有效模擬改造前和改造后的工藝流程運行情況，并與設備運行情況進行比對，可在項目實施前提供可靠的理論基礎及數據支持。

該項目為試驗項目，成功后對于稠油油田實施熱水驅提升采油率具有非凡的意義。該項目投資巨大，通過有效應用專業軟件的模擬計算，可在盡量減少工藝改造和增加設備投資的基礎上滿足油藏注熱需求，節約大量資金投入。

本研究也是首次在海上采油平臺引進纏繞管式高效換熱器，充分利用了纏繞管式換熱器高壓化、高溫化的特點［3］。如果試驗成功，則能夠普及纏繞管式換熱器在海上采油平臺的應用。同時，可大量節約設備所占用的甲板空間、提升甲板利用率，使平臺的設備管理水平得到有效提升。