王 玉，張 洪，王曼依，謝正洪，張鳳紅，程小東

(1中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 2西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

稠油蒸汽吞吐熱采是一種降壓開采方式[1]，隨著蒸汽吞吐等熱采技術(shù)的發(fā)展，稠油高溫和高黏度已成為石油生產(chǎn)與運(yùn)輸?shù)淖璧K。其高溫嚴(yán)重超過了輸送管道的溫度要求，同時(shí)高黏度使其在輸送管道管壁上產(chǎn)生極強(qiáng)的粘附力，給稠油生產(chǎn)和輸送帶來(lái)了極大的困難[2]。因此降低稠油的高溫和高黏度勢(shì)在必行。就目前海上平臺(tái)稠油降溫輸送方式來(lái)看，主要以人工泵送摻水混輸和摻水?dāng)嚢杞禍鼗燧攦煞N方式，其降溫和降黏效果顯著，但其能耗較大且難以做到精準(zhǔn)控溫，以及操作管理欠缺自動(dòng)化等問題難以滿足海上稠油開采的經(jīng)濟(jì)、高效、智能等生產(chǎn)要求,進(jìn)而提出了稠油的高效降溫技術(shù)研究。

稠油高效降溫技術(shù)研究是專門針對(duì)此類問題提出的解決方案，其采用的降溫裝置由三通管和可拆卸套管換熱器組成，可隨時(shí)拆卸清洗。同時(shí)降溫裝置配套了整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，完成對(duì)稠油產(chǎn)出液的精準(zhǔn)溫控。相比現(xiàn)有降溫技術(shù)，不僅可以精準(zhǔn)控制稠油溫度使其達(dá)到管道安全溫度要求，同時(shí)滿足了海上稠油生產(chǎn)的安全、智能、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能環(huán)保理念。

一、稠油降溫工藝方案確定

從目前情況來(lái)看，無(wú)論是海上平臺(tái)還是陸地平臺(tái)，稠油降溫方式主要為摻水?dāng)嚢杞禍氐姆绞?，這種方式主要為安裝摻液攪拌罐。鮮有平臺(tái)針對(duì)蒸汽吞吐開采的稠油采用熱交換器的降溫方式。因此國(guó)內(nèi)外針對(duì)稠油蒸汽吞吐高效降溫的研究鮮有撰述，本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外調(diào)研情況將稠油降溫方式分為以下兩種：

(1)以換熱器形式為主的熱交換器裝置(圖1)，其特點(diǎn)為能耗低，控溫精度高，降溫效果較差。

圖1 換熱器為主的熱交換器裝置

(2)以摻液混合為主的如摻液降溫罐[3]，其特點(diǎn)為能耗高，降溫效果好，控溫精度較差。

綜合考慮海上鉆井平臺(tái)安裝環(huán)境、稠油及冷卻液溫差較大等因素，同時(shí)從節(jié)能降耗和精準(zhǔn)控溫方面考慮，采用先由三通管混合再進(jìn)行換熱的降溫方式，見圖2。

圖2 換熱器加油水混合的稠油摻液降溫方式

二、降溫裝置模型建立

根據(jù)降溫方式,降溫裝置選擇三通管和可拆卸式套管換熱器配套裝置，在Ansys ICEM軟件中建立的二維模型如圖3所示，利用fluent軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真分析。

圖3 二維模型示意圖

在fluent中通過監(jiān)測(cè)油水混合液出口的溫度變化曲線來(lái)分析不同管徑尺寸、不同進(jìn)口油水體積流量比和不同管長(zhǎng)情況下的出口溫度變化，進(jìn)而確定最優(yōu)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1.計(jì)算模型

在fluent軟件中主要模擬換熱器的流動(dòng)與傳熱情況，模擬計(jì)算中的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程[4]。

(1)連續(xù)性方程：

(1)

(2)動(dòng)量方程：

(2)

式中：ρ—密度，g/cm3；t—時(shí)間，s；ui、ui—分別為i方向、j方向上的速度，m/s；τij—黏性應(yīng)力，Pa。

(3)能量方程：

(3)

式中：cp—比熱容，J/(kg·℃)；T—溫度，℃；ωsQs—形式導(dǎo)入的能量，J。

2.邊界條件

采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算，模型選擇mixture模型，冷卻水材料選擇水，稠油材料選擇輕質(zhì)油，將輕質(zhì)油密度改為850 kg/m3、比熱容改為2 500 J/kg·K、動(dòng)力黏度改為0.05 Pa·s，解決方案選擇耦合傳熱[5]。

(1)所有入口邊界條件：采用速度入口條件，湍流黏度和湍流強(qiáng)度的方式定義入口的湍流參數(shù)。

(2)所有出口邊界條件：采用壓力出口條件，出口表壓取0，采用湍流黏度和湍流強(qiáng)度的方式定義入口的湍流參數(shù)。

(3)裝置內(nèi)管壁面：采用耦合傳熱，即內(nèi)管溫度由混合液和套管冷卻水流溫度確定，換熱管材質(zhì)為銅，壁厚10 mm。

(4)其他壁面，均采用對(duì)流換熱方式。

三、降溫裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析

1.分析管徑尺寸以及流速對(duì)溫降的影響

在fluent軟件中對(duì)6～10、8～12、10～14 cm三種規(guī)格尺寸的管子進(jìn)行分析，固定邊界條件為稠油體積流量100 m3/d，溫度為150℃;單管冷卻水體積流量80 m3/d，溫度為20℃;套管冷卻水體積流量80 m3/d，溫度為20℃;進(jìn)口流速如表1所示。

表1 不同管子尺寸下的入口條件

結(jié)果對(duì)比分析如表2。

表2 不同管子尺寸下的混合液出口情況

從表2三種管徑尺寸下混合液出口溫度對(duì)比分析可得，當(dāng)油水體積流量固定時(shí)，混合液出口溫度會(huì)隨著管徑的增加而降低，但是溫降不是很明顯。排除管徑尺寸的變化對(duì)稠油溫降的影響。從現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境考慮選用8～12 cm型管徑，并對(duì)8～12 cm型管子進(jìn)一步分析。

2.分析直管段層數(shù)對(duì)稠油溫降的影響

初始條件：管子尺寸固定在8～12 cm；稠油體積流量40 m3/d(流速0.092 m/s)，溫度為150℃；單管冷卻水體積流量80 m3/d(流速0.184 m/s)，溫度為20℃；套管冷卻水流速0.1474 m/s，溫度為20℃。結(jié)果對(duì)比分析見表3。

表3 不同直管段層數(shù)混合液出口數(shù)據(jù)

從表3對(duì)比分析可以得出：通過增加直管段層數(shù)，對(duì)稠油溫降效果不明顯，出口混合液溫度有略微的變化，符合經(jīng)驗(yàn)規(guī)律的[6]，通過查看換熱器設(shè)計(jì)文獻(xiàn)[7]發(fā)現(xiàn)高黏度稠油和冷卻水的換熱效率很低，同時(shí)換熱管本身傳熱面積較小，造成稠油溫降效果不是很明顯。從表3看出直管段層數(shù)對(duì)稠油溫降效果影響不大，可以忽略不計(jì)。綜合考慮降溫設(shè)備選用6層直管段。

3.套管冷卻水體積流量對(duì)溫降的影響分析

進(jìn)一步分析8～12 cm型管徑、直管層數(shù)為6的降溫裝置。初始條件：稠油體積流量40 m3/d，溫度為150℃；單管冷卻水體積流量80 m3/d，溫度為20℃。

分別針對(duì)套管冷卻水流速為40 m3/d、60 m3/d、80 m3/d三種情況下在fluent軟件中做數(shù)值分析，結(jié)果如表4所示。

表4 不同套管冷卻水流速下混合液出口溫度對(duì)比

從表4可以看出出口溫度隨著仿真時(shí)間步長(zhǎng)的增加基本穩(wěn)定在44℃左右，隨著冷卻水流速的增加，出口混合液溫度基本保持不變,即套管冷卻水流速對(duì)降溫效果的影響可忽略不計(jì)。

4.分析油水體積流量比對(duì)溫降的影響

分別針對(duì)套管油水體積流量比為1∶2、1∶1、2∶1三種情況進(jìn)行分析，固定條件為管子尺寸8～12 cm套管，冷卻水體積流量為80 m3/d。其他入口條件見表5。

表5 不同油水體積流量比下進(jìn)口流速情況

結(jié)果對(duì)比分析見表6。

表6 不同水油體積流量比下的出口溫度情況

隨著油水體積流量比的增大即流速比的增大，混合液出口溫度逐漸變小。說明入口油水體積流量比對(duì)混合液的溫降效果影響顯著?，F(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)仿真結(jié)論對(duì)入口油水體積流量比進(jìn)行調(diào)節(jié)。

5.稠油降溫裝置最優(yōu)結(jié)構(gòu)

通過以上4種情況下的fluent數(shù)值模擬分析得出稠油降溫裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)及參數(shù)見圖4和表7所示。結(jié)構(gòu)主要包括可拆卸式套管換熱器主體、支架以及地腳螺栓。

圖4 稠油降溫裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)

表7 稠油降溫裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)

四、稠油降溫自動(dòng)控制系統(tǒng)控制策略研究

為保障產(chǎn)出液輸出溫度恒定并提高稠油在油管中的流動(dòng)性，在換熱器降溫基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)以溫度監(jiān)測(cè)為閉環(huán)的流量控制系統(tǒng)，根據(jù)換熱器輸出油樣的溫度來(lái)調(diào)節(jié)用于混合的過濾水流量，一方面提高整體設(shè)備的降溫效果，另一方面通過提高稠油含水率增加產(chǎn)出液在管道內(nèi)的流動(dòng)性，以便稠油遠(yuǎn)距離輸送。換熱器的整體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 稠油摻液降溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

基于溫度及流量反饋的雙閉環(huán)控制算法流程如圖6所示。

設(shè)計(jì)中考慮以換熱器出口側(cè)溫度反饋調(diào)節(jié)入口流量時(shí)存在時(shí)滯性，控制效果差且難以穩(wěn)定，因此在流量控制環(huán)節(jié)中，主要根據(jù)入口稠油溫度及流量來(lái)計(jì)算所需混入的過濾水流量大小，式(4)為根據(jù)大量仿真推算出的經(jīng)驗(yàn)公式：

y=0.000717473×x1.5387

(4)

式中：y—進(jìn)口水油體積流量比；x—稠油進(jìn)口溫度。

根據(jù)該流量目標(biāo)值由PLC完成對(duì)流量控制器的PID閉環(huán)流量控制。出口側(cè)溫度反饋用于進(jìn)行流量運(yùn)算規(guī)則的修正，避免因仿真建立的流量混合規(guī)則與實(shí)際情況存在偏差而導(dǎo)致控制精度下降。

五、結(jié)語(yǔ)

(1)本文針對(duì)海上稠油蒸汽吞吐降溫分析，提供了一套高效節(jié)能的降溫技術(shù)方法，確定了降溫裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)主體為可拆卸式套管換熱器，方便隨時(shí)拆卸清洗，防止稠油降溫過程中發(fā)生堵塞，此外為三通管和支架以及地腳螺栓等結(jié)構(gòu)。為稠油降溫的精準(zhǔn)控溫和節(jié)能降耗提供了技術(shù)支撐，合理地滿足了海上稠油生產(chǎn)的安全節(jié)能環(huán)保理念。

(2)整個(gè)降溫裝置配套了自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)主要由PLC完成對(duì)流量控制器的PID的閉環(huán)流量控制，使稠油降溫更加的智能化，精準(zhǔn)化。

(3)稠油蒸汽吞吐高效降溫技術(shù)研究具有重要的實(shí)用價(jià)值，對(duì)海上稠油蒸汽吞吐開采具有非常重要的研究意義。符合海上稠油高效、經(jīng)濟(jì)、智能的安全生產(chǎn)理念,為油田事業(yè)的發(fā)展提供了科學(xué)的技術(shù)支撐、拓展了新的研究技術(shù)領(lǐng)域，這不僅具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且具有良好的市場(chǎng)推廣應(yīng)用前景。