酆春博

摘 要：針對油田開發(fā)過程中能耗不斷增加的問題，圍繞油田中的機械采油、集輸、熱力和電力等主要能耗系統(tǒng)進行論述。介紹了各個系統(tǒng)中所采用的節(jié)能降耗技術，分析了各項技術的利用情況與優(yōu)缺點，論述了各項技術在降低能耗、提高能源利用率和提高生產(chǎn)效益等方面產(chǎn)生的效果，展望了未來油田節(jié)能降耗技術的發(fā)展方向。

關 鍵 詞：油田；能耗系統(tǒng)；節(jié)能技術；發(fā)展方向

中圖分類號：TE 357 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-2006-05

Abstract： Aiming at the problem of increasing energy consumption in the exploitation process of oil field， main energy consumption systems were discussed， including the mechanical recovery system， gathering and transportation system， thermal system， electric power system. These energy-saving technologies for each system were introduced. The utilization situation of the various technologies was analyzed as well as their advantages and disadvantages. The effect of these technologies was discussed from the aspects of reducing energy consumption， improving energy efficiency， increasing production efficiency. The development direction of the energy-saving technology in the future was prospected.

Key words： oil field； energy consumption systems； energy-saving technology； development direction

隨著能源需求的不斷加大，油氣開發(fā)與供應面臨著巨大挑戰(zhàn)。老油田設備老化嚴重和生產(chǎn)工藝的適應性下降，造成了油田生產(chǎn)效率低下、能耗升高[1]；新增油田勘探和開采難度大，石油儲量品位降低[2]。因此，在油田各個主要用能系統(tǒng)中采用高效的節(jié)能技術，將有助于油田的節(jié)能減排、提高油田的生產(chǎn)效益和能源利用率。

1 機械采油系統(tǒng)節(jié)能技術

隨著油田自噴井的能量降低，機械采油已成為主要的采油方式，機采井所占比例達到了98%以上，抽油機能耗達到了油田總能耗的三分之一，成為油田的主要耗能設備[3]。因此，提高機械采油技術是降低油田能耗的有效途徑。

1.1 機械采油系統(tǒng)優(yōu)化設計

機械采油系統(tǒng)效率主要受到地面和井下等多因素共同影響，主要影響參數(shù)包括油井產(chǎn)液量、有效揚程和電機輸出功率等[4]，因此，從地面到井下，應將機械采油系統(tǒng)作為整體，以節(jié)能為目標，對各個影響參數(shù)進行優(yōu)化匹配，提高整個系統(tǒng)的能源利用率。目前，由華北油田研發(fā)的抽油機優(yōu)化軟件將機械采油系統(tǒng)統(tǒng)一為整體，確定了合理的優(yōu)化組合參數(shù)[5]。該軟件的應用取得了良好的節(jié)能效果，并在各個采油廠得到了推廣應用。

眾學者通過對機械采油系統(tǒng)的大量研究，提出了多種提高機械采油系統(tǒng)效率的優(yōu)化設計方法。李根[6]采用雙層綜合模糊評價法，將最高效率作為設計目標，建立了機械采油系統(tǒng)有桿泵抽汲參數(shù)優(yōu)化設計模型，該方法在大慶油田的實驗中取得了良好的增油效果。回歸方程法是通過分析大量的機械采油系統(tǒng)效率數(shù)據(jù)，獲得多個方程，以效率為目標函數(shù)，將優(yōu)選出的參數(shù)與實際生產(chǎn)對比分析，最終提高機采系統(tǒng)效率[7]。張勝利等采用系統(tǒng)工程學方法對機械采油系統(tǒng)的優(yōu)化設計中，在合理且全面確定影響系統(tǒng)效率因素的基礎上，建立了以系統(tǒng)參數(shù)敏感性為基礎的數(shù)學模型，在華北油田的應用中將措施井的系統(tǒng)效率提高了5.07%[8]。在此基礎上，王芳等[9]將系統(tǒng)效率潛力評價與以參數(shù)敏感性為基礎的仿真優(yōu)化設計相結合，提出潛力評價優(yōu)化模型，該模型在華北和冀東油田應用中獲得了很好的節(jié)能效果。

對比上述優(yōu)化設計方法，雙層綜合模糊評價法的應用能夠有效的提高產(chǎn)量，更適用于需要提高油井產(chǎn)量的情況；回歸方程法過于局限在數(shù)據(jù)的來源，存在較大誤差；系統(tǒng)工程學方法中極具代表性的兩種模型在現(xiàn)場應用中體現(xiàn)了很好的節(jié)能效果，為機械采油系統(tǒng)的優(yōu)化提供了方向。

1.2 節(jié)能抽油機

隨著油田節(jié)能要求的不斷提高，節(jié)能型抽油機的研發(fā)不斷進步，目前節(jié)能型抽油機基本具備了結構簡單、耐用和能耗低等優(yōu)點。

（1）國外節(jié)能抽油機

法國Mape公司研制的長沖程液壓驅(qū)動塔架長沖程抽油機[10]，具有結構簡單、不需外加配重的特點，裝機功率較低，節(jié)能效率很高。美國Rotaflex長沖程抽油機屬于高性能有桿抽油機[11]，該類型抽油機沖程長、沖次低，使用的減速箱小、電動機功率小，減少了能量消耗，具有很好的節(jié)能效果。在適用范圍方面，前者能夠很好的適用于山區(qū)等惡劣環(huán)境，后者在高含水油井的大排量情況下具有獨特節(jié)能優(yōu)勢。目前國外的抽油機發(fā)展已進入自動化和智能化階段。

（2）國內(nèi)的節(jié)能抽油機

雙驢頭抽油機屬于游梁式抽油機類中節(jié)能效果較好的一種機型，該機型的沖程長、沖次低，不僅具備了常規(guī)游梁抽油機的優(yōu)點，在提高系統(tǒng)效率和降低能耗方面更具優(yōu)勢。在孤島采油廠的對比測試中，節(jié)能幅度達到了31%[12]；在孤東采油廠中累計使用的90臺雙驢頭抽油機取得了良好的節(jié)能效果，并在采油四礦的測試對比實驗中，節(jié)能幅度為20%[13]。

偏輪游梁抽油機屬于六連桿機構，現(xiàn)場實驗中，在異形機和非異形機上分別改造為偏輪游梁抽油機，與常規(guī)抽油機相比較，節(jié)電率分別達到了29.68%和18.09%[14]。偏輪游梁抽油機較大的游梁擺角、較小的扭矩因數(shù)和較好的氣動性能，使得該機型在節(jié)能方面取得了顯著的效果，但相對于雙驢頭抽油機，該機型在現(xiàn)場應用時，實際工況對桿件尺寸較為敏感，增加了影響節(jié)能效果的因素。

彎游梁抽油機是在常規(guī)游梁抽油機的基礎上，改變其形狀和安裝位置，在保持常規(guī)游梁式抽油機優(yōu)點的同時，兼?zhèn)淞穗p驢頭抽油機的節(jié)能優(yōu)勢[15]。該機型適用范圍廣泛，但在實際應用中會由于平衡狀況的變化，導致實際的節(jié)能效果與理想存在差異，因此仍需要在實際應用中尋找合理的節(jié)能途徑。

2 集輸系統(tǒng)節(jié)能技術

2.1 高效保溫隔熱技術

在高凝點、高含蠟原油以及稠油的開采中，熱力開采技術雖然有助于原油開采，但同時增加了能量消耗，為了有效控制熱力開采中的能量損失，高效保溫隔熱技術得到了廣泛應用[16，17]。目前，國外的高效保溫隔熱技術較為成熟，美國克恩河油田采用的高效隔熱管將井筒的能量損失降低了5%左右；真空隔熱油管技術在英國Troika油田的應用使井筒內(nèi)的液體保持了較高溫度，降低了能耗[18]。武俊憲[19]在沈陽油田的室內(nèi)與現(xiàn)場試驗中，采用了真空隔熱管保溫，不僅驗證了其保溫性能，也為高凝油的冷采技術提出了理論依據(jù)。

我國所產(chǎn)的原油多為易凝高粘原油，減少熱力采油中的能量損失，對提高油田整體節(jié)能效果有著十分重要影響，對保溫層材料層數(shù)及真空度等參數(shù)的選取和隔熱管結構優(yōu)化等方面進行深入研究，將有助于提高國內(nèi)熱力開采油田的節(jié)能能力。

2.2 常溫集輸處理技術

在油田開發(fā)進入中后期的高含水階段，傳統(tǒng)集輸工藝能耗增加，同時，采出液性質(zhì)更加適宜采用常溫集輸。冀東油田推廣常溫密閉集輸工藝，在高含水油井減少甚至季節(jié)性停止摻水加熱，使日均節(jié)氣量超過2.0×104m3 [20]；大慶油田采用的不加熱集輸處理技術，使長恒老區(qū)年節(jié)氣量1.25×108 m3，節(jié)能效果明顯[21]。但是，常溫集輸處理技術的采用必須全面考慮含水率、溫度、剪切率等多種影響因素，同時必須加強集油管路的保溫措施，確保工藝的正常運行，這樣才能達到節(jié)能降耗的目的。

2.3 高效的分離技術

油田中氣液分離效果的優(yōu)劣對于脫水等流程有著重大影響，目前，國內(nèi)外各個油田不斷地研發(fā)適用于各自油田的高效分離器，從而簡化流程，節(jié)能減排。

在國外，高效、緊湊型分離設備已成為一個重要的研究方向，挪威石油公司設計的管式氣液旋流分離器在采油平臺上試驗成功并投產(chǎn)使用[22]，該類分離器具有效率高、撬裝化、可移動以及小型化等優(yōu)點。在深海油氣水分離中，通過減小多管多旋流分離器內(nèi)每個單管管徑、加長管長，用于設置增加渦流的機械設備，從而提高氣液分離效率[23-25]。

在國內(nèi)，采用了旋流預脫氣、活性水洗滌加速脫水和機械破乳強化脫水等先進技術的HNS高效分離器，達到了國際先進水平。河南油田采用的HNS-Ⅲ型高效油氣水三相分離，改變了油氣處理三段脫水工藝模式，簡化了脫水流程、降低了運行能耗，提高了原油處理站的技術水平，使原油含水率低于1%[26，27]；勝利油田引進的HNS型三相分離器單位體積的處理能力達到了傳統(tǒng)設備的6至8倍[28]。

CO2驅(qū)采油技術作為提高原油采收率中最具潛力的技術之一，受到了國內(nèi)油田越來越多的關注，但CO2相比于常規(guī)伴生氣（如甲烷），其在采出液中的溶解度和解吸特性差異較大，同時氣液分離過程中CO2對采出液發(fā)泡情況影響很大，這造成了采出液進入聯(lián)合處理站之前CO2氣體不能有效分離，使集輸管線及設備腐蝕加劇，提高了生產(chǎn)運行及維護成本，不利于油田的節(jié)能降耗。因此，采用合理高效的氣體解吸技術，對于CO2驅(qū)油田集輸系統(tǒng)的節(jié)能降耗有著重要影響。本課題組在CO2驅(qū)采出液氣體解吸研究中，提出采用超聲波技術提高解吸速率與解吸率，在搭建的超聲波促進二氧化碳驅(qū)采出液氣體解吸實驗裝置中，通過實驗驗證了超聲波具有顯著的促進氣體解吸的作用。超聲波解吸技術的低能耗，高效率等優(yōu)勢，在CO2驅(qū)油田集輸系統(tǒng)的節(jié)能降耗中將有著很高的應用價值與廣闊的應用前景。

3 熱力系統(tǒng)節(jié)能技術

3.1 加熱爐節(jié)能技術

作為油田生產(chǎn)中廣泛使用的加熱設備，加熱爐效率的高低直接影響著油田的節(jié)能效果。針對影響加熱爐效率的主要因素，如加熱爐類型、燃燒器類型、空氣系數(shù)大小、排煙溫度高低和爐體的散熱損失等[29]，降低加熱爐能耗可以采取的措施包括選擇高效加熱爐、配套節(jié)能型高效燃燒器、配套輻射定向吸熱和余熱回收節(jié)能技術以及加熱盤管清垢防垢技術等。

目前，國內(nèi)的高效加熱爐有真空加熱爐、相變加熱爐和熱媒爐等。冀東油田高一聯(lián)采用了設計效率超過88%的相變加熱爐和真空加熱爐[30]，現(xiàn)場使用中運行穩(wěn)定、安全可靠、節(jié)能節(jié)水。真空相變高效加熱爐憑借其較高的熱效率、節(jié)能環(huán)保、低故障率、適用范圍廣等諸多優(yōu)點，在全國各大油田得到了廣泛應用[31]。王崇仁[32]針對大慶油田第七采油廠的各類加熱爐，研究了燃燒器的精細調(diào)節(jié)，進行電子除垢和空穴射流等試驗研究，探究了各類加熱爐的適用條件。但是，該研究只是針對第七采油廠的加熱爐，不具有普遍性。

3.2 熱電聯(lián)產(chǎn)技術

作為具有良好的環(huán)保性和經(jīng)濟性的熱電聯(lián)產(chǎn)技術，越來越受到人們的青睞。國外一些國家已經(jīng)通過法律的方式推動熱電聯(lián)產(chǎn)技術的發(fā)展，因此，熱電聯(lián)產(chǎn)技術得到了較快發(fā)展[33-38]。

與熱電分產(chǎn)相比較，熱電聯(lián)產(chǎn)技術成為了提高油田能源綜合利用的有效方式，在國外熱采稠油區(qū)塊中應用非常成功。美國Midway-Sunset稠油油田應用的熱電聯(lián)供廠、克恩河油田熱采工程中的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置等均體現(xiàn)出熱電聯(lián)產(chǎn)技術顯著的經(jīng)濟效應與節(jié)能效果[39]。因此，在國內(nèi)油田研究和發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)技術將有助于提高油田的能源利用率，實現(xiàn)油田的高效節(jié)能生產(chǎn)。

4 電系統(tǒng)節(jié)能技術

電力系統(tǒng)作為油田的基礎設施和能源供應系統(tǒng)，其建設質(zhì)量會直接影響油田整體的經(jīng)濟效益與節(jié)能能力。因此，提高油田電力系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和節(jié)能水平是決定油田電力系統(tǒng)發(fā)展的關鍵問題。

4.1 無功補償技術

國內(nèi)油田電力系統(tǒng)中無功補償裝置配置較少，配置不合理，因此，需要對油田電力系統(tǒng)中的無功補償進行優(yōu)化。勝利油田孤東油區(qū)采用的智能無功補償裝置，既能夠提高電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，也能夠降低能量損耗，使無功補償效果達到最佳，實現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化運行，在新灘線和六干二線的應用中，線損率分別降低了3.84%和6.52%，節(jié)能效果明顯[40]。中原油田在油田抽油機井實施了無功就地補償后，平均線損率的降低率達到59.7%，達到了節(jié)能目的[41]。

目前，無功補償技術研究由傳統(tǒng)的并聯(lián)電容器補償?shù)确绞?，轉(zhuǎn)向了動態(tài)無功補償，實現(xiàn)連續(xù)性補償，同時，應該根據(jù)油田的實際情況，對油田電力系統(tǒng)及其無功補償進行優(yōu)化，真正實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能降耗。

4.2 變頻技術

隨著變頻技術的發(fā)展，調(diào)速變頻技術在油田抽油機、螺桿泵和輸油泵等設備中獲得了廣泛應用，通過變頻器實現(xiàn)降低電力消耗的目標。在華北油田采油廠采用抽油機井變頻控制技術后，節(jié)電率達到了21.3%，體現(xiàn)出良好的節(jié)能效果[42]；勝利油田孤東采油廠的潛油電泵完成中壓變頻調(diào)速改造后，平均系統(tǒng)效率比改造前提高了10.54%，節(jié)約了能源，提高了油田的經(jīng)濟效益[43]。

目前的變頻器多為通用變頻器，適應性和可靠性較差，在現(xiàn)場應用中故障率較高，同時，變頻器智能性較低，現(xiàn)有控制裝置價格較高，這些因素很大程度上影響了變頻技術在油田的推廣，但變頻技術在油田電力系統(tǒng)中的節(jié)能效果是毋庸置疑的。因此，開發(fā)適用于油田的專用智能變頻器，將成為今后油田變頻技術發(fā)展的一個方向。

5 其他節(jié)能技術

5.1 直驅(qū)螺桿泵技術

通過永磁電機對螺桿泵直接驅(qū)動，減少了機械和皮帶減速器，使抽油系統(tǒng)能耗降低，操作簡單。美國Amoco公司的螺桿泵采油實驗顯示，螺桿泵系統(tǒng)效率為63.4%，而游梁式抽油機系統(tǒng)效率為50.4%[44]。勝利油田孤島采油廠引進的直驅(qū)螺桿泵，在3口井的應用中達到了33.28%的平均綜合節(jié)電率[45]。因此，直驅(qū)螺桿泵技術憑借其顯著的節(jié)能優(yōu)勢，在國內(nèi)外油田中得到了廣泛的應用。

5.2 油田的數(shù)字化

數(shù)字油田作為解決油田管理智能化的最佳途徑，其關鍵技術之一是地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS），在該系統(tǒng)中通過網(wǎng)格計算形成網(wǎng)格系統(tǒng)，實現(xiàn)資源共享，借此整合網(wǎng)絡上的分散資源為數(shù)字油田服務[46，47]。

隨著油田開發(fā)的不斷深入，開發(fā)難度加劇，數(shù)字油田建設為提高油田開發(fā)水平提供了支持，指導生產(chǎn)經(jīng)營的優(yōu)化運行，促進油田取得更高的經(jīng)濟效益和能源利用率。

5.3 太陽能的利用

國內(nèi)油田在太陽能利用方面的研究逐漸被重視，遼河油田的原油集輸太陽能加熱節(jié)能系統(tǒng)已經(jīng)投產(chǎn)使用，該系統(tǒng)中采用太陽能集熱器對原油加熱，原油溫度最高可升高至83℃[48]。太陽能技術在國外油田的應用較早，阿塞拜疆的Mammadov F. F.在原油處理中利用太陽能槽式聚光集熱，實現(xiàn)原油化學破乳[49]。

目前，太陽能技術在油田的節(jié)能運行中尚處于起步階段，太陽能在油田中的轉(zhuǎn)換效率低以及成本高是亟待解決的問題，但利用太陽能實現(xiàn)油田的節(jié)能減排有著廣闊的應用前景。

6 結 語

通過分析對比國內(nèi)外油田在機采系統(tǒng)、集輸系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)中所采用的節(jié)能技術，可以發(fā)現(xiàn)各類新技術在節(jié)能方面均有獨特的節(jié)能優(yōu)勢，同時，由于每項節(jié)能技術多數(shù)是針對特定油田研究設計，使技術的推廣受到限制。因此，節(jié)能技術的普適性和節(jié)能設備的通用性是今后油田節(jié)能技術的發(fā)展方向，同時，隨著油田開發(fā)難度的加大和節(jié)能減排標準的提高，節(jié)能設備智能化和自動化以及新能源在油田的高效利用將成為今后油田節(jié)能發(fā)展的趨勢。

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