任健

大慶油田第四采油廠

某油田位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，地表較為平緩，地面高程海拔587～702 m。區(qū)塊內(nèi)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(huán)保要求嚴(yán)格；冬季漫長(zhǎng)，暴風(fēng)雪多，最低氣溫達(dá)-45 ℃，無(wú)霜期僅有103 天，可施工期短[1]。

針對(duì)該油田滲透率低以及地處偏遠(yuǎn)、零散、高寒的環(huán)境特點(diǎn)，地面建設(shè)根據(jù)已有的成熟工藝，結(jié)合油田滾動(dòng)發(fā)展的形勢(shì)，堅(jiān)持“一次規(guī)劃、分期實(shí)施”的原則，規(guī)避投資風(fēng)險(xiǎn)；不斷優(yōu)化方案、簡(jiǎn)化工藝，引進(jìn)、改造和創(chuàng)新技術(shù)，形成了適應(yīng)油田發(fā)展的地面技術(shù)：站外集油系統(tǒng)主要工藝流程為環(huán)狀摻水集油流程；分布集中油井采用單管環(huán)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(qū)受多種因素影響，耗能情況較為突出，精細(xì)化設(shè)計(jì)站外集油流程成為節(jié)能降耗的關(guān)鍵。以該油田的某產(chǎn)油區(qū)塊為切入點(diǎn)，探索該區(qū)塊的拉油、摻水、單管電加熱集油工藝的適應(yīng)性，為全面推進(jìn)節(jié)能降耗奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 集油工藝

目前地處偏遠(yuǎn)的油田常采用的集油工藝為拉油、環(huán)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(duì)集中拉油工藝，即多井采出氣液混合物經(jīng)閥組后進(jìn)高架罐或零位罐，靠自流或泵輸裝車后拉運(yùn)至卸油點(diǎn)。對(duì)于距離已建油氣集輸系統(tǒng)較遠(yuǎn)、規(guī)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(yuǎn)離已開(kāi)發(fā)油田的低產(chǎn)零散井；集中拉油流程適用于孤立、低產(chǎn)斷塊，雖不能形成一定的規(guī)模集油能力，但油井相對(duì)集中的油田。工藝流程如圖1 所示。

1.2 環(huán)狀摻水集油工藝

該工藝在20 世紀(jì)80 年代中后期外圍低產(chǎn)油田開(kāi)發(fā)的形勢(shì)下，在雙管摻水集油工藝基礎(chǔ)上優(yōu)化簡(jiǎn)化而成，多井串聯(lián)成一個(gè)集油環(huán)，較單井雙管摻水集油工藝降低集油管網(wǎng)建設(shè)投資30%以上，節(jié)約能耗20%左右[4]。

環(huán)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(gè)油井（通常不超過(guò)6 口油井）的形式形成集油環(huán)。在轉(zhuǎn)油站將分離出的含油污水進(jìn)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(gè)集油環(huán)，每個(gè)環(huán)將熱水與油的產(chǎn)液混合后輸送回閥組間，繼而靠自身壓力輸回轉(zhuǎn)油站。該種工藝在應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)集油環(huán)轄井?dāng)?shù)、集油半徑、回油溫度、單井摻水量進(jìn)行了逐步優(yōu)化，形成了“單管環(huán)狀減量摻水集油工藝”（圖2），在滿足外圍油田開(kāi)發(fā)的條件下，建設(shè)投資及運(yùn)行費(fèi)用均處于較低水平。

圖2 環(huán)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(yīng)電伴熱（加熱）技術(shù)是最近幾年來(lái)出現(xiàn)的一種新的金屬管道加熱方法，是大型石油化工等企業(yè)熱輸管道加熱保溫的新技術(shù)、新工藝，國(guó)外簡(jiǎn)稱SECT 法[5]。此種加熱技術(shù)具有效率高，適應(yīng)所有長(zhǎng)、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(zhǎng)、安裝維修方便等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛用于各種不同性質(zhì)的液態(tài)物質(zhì)的管道伴熱。該技術(shù)因其研究涉及的工程規(guī)模較大，雖在我國(guó)20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始應(yīng)用，但推廣應(yīng)用速度較慢[6]。

SECT 的原理基于交流電的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，由于鋼管具有極強(qiáng)的磁性，即使在工頻電壓下也會(huì)產(chǎn)生顯著的集膚效應(yīng)[7]。所謂集膚效應(yīng)，就是當(dāng)交流電通過(guò)鋼導(dǎo)體的電流逐漸趨膚在導(dǎo)體表面的一種現(xiàn)象。而鄰近效應(yīng)是雙線傳輸線的兩導(dǎo)體中，交流電流相互向相鄰導(dǎo)體接近的現(xiàn)象。當(dāng)加熱管中的電纜與熱管間通過(guò)交流電流時(shí)，兩者之間產(chǎn)生臨近效應(yīng)，同時(shí)，加熱管上電流逐漸趨膚在加熱管內(nèi)壁，內(nèi)壁產(chǎn)生的焦耳熱來(lái)滿足伴熱的需要[8]。集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)產(chǎn)生焦耳熱主要來(lái)自于3 部分：①加熱管上通電流時(shí)，加熱管上發(fā)出的熱，此熱量是集膚電伴熱系統(tǒng)的主要熱量來(lái)源；②加熱管內(nèi)部電纜產(chǎn)生的熱；③加熱管內(nèi)磁滯損耗產(chǎn)生部分熱。

在集膚效應(yīng)裝置中，絕緣導(dǎo)線穿過(guò)具有強(qiáng)磁性的鋼管并與鋼管尾端相連接，鋼管的首端與絕緣導(dǎo)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(guò)導(dǎo)線和鋼管形成回路產(chǎn)生焦耳熱，這種管線稱為SECT 管。由于鋼管的尺寸、材質(zhì)、交流電頻之間存在一定的關(guān)系，交流電并非均勻地流經(jīng)鋼管截面，而是集中流過(guò)自其內(nèi)表面起的某一深度內(nèi)，電流密度按指數(shù)規(guī)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(chǎn)生的熱量通過(guò)焊縫及導(dǎo)熱膠泥迅速傳給輸送管，起到伴熱作用。

為了適應(yīng)低產(chǎn)能區(qū)塊油田的發(fā)展，自1993 年起，部分油田采用該加熱工藝進(jìn)行集輸，減小了集輸規(guī)模、減少了集輸設(shè)備、簡(jiǎn)化了站內(nèi)工藝。與單管環(huán)狀摻水集油工藝相比，可節(jié)省管道50%，節(jié)省投資30%，節(jié)省能耗40%[9]。但運(yùn)行費(fèi)用較高，平均為環(huán)狀摻水集油工藝的1.6 倍，而且存在設(shè)備故障率高、故障點(diǎn)確定困難、主線損壞影響面較大的問(wèn)題。選擇此工藝時(shí)需結(jié)合周圍環(huán)境，并且計(jì)算產(chǎn)能周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行綜合對(duì)比。

單管電加熱集油工藝流程：在油井的井口設(shè)置井口電加熱器，將產(chǎn)液進(jìn)行升溫，通過(guò)電加熱保溫管進(jìn)行保溫輸送，即點(diǎn)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(qū)塊共新建水平油井4 口，均采用抽油機(jī)的舉升方式。采用CYJY10-4.2-53HB 型抽油機(jī)，配套功率為18.5/28 kW 的YCHD250-8/6 型電機(jī)、CK4-S-63 控制箱。凝固點(diǎn)為36℃，氣油比為30.19 m3/t，單井產(chǎn)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(diǎn)12 km。以下對(duì)該區(qū)塊油井進(jìn)行地面不同集輸工藝的對(duì)比。

集輸工藝選擇的原則：①嚴(yán)格貫徹執(zhí)行有關(guān)的國(guó)家法律、法規(guī)及有關(guān)的國(guó)家與石油行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范；②積極采用成熟的新工藝、新技術(shù)，簡(jiǎn)化地面工藝，實(shí)現(xiàn)降低工程投資及生產(chǎn)能耗的目的，提高油田開(kāi)發(fā)建設(shè)的綜合經(jīng)濟(jì)效益；③以經(jīng)濟(jì)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(guī)模及工程量；④為減少地面工程建設(shè)投資，相鄰區(qū)塊集輸處理能力在系統(tǒng)布局上進(jìn)行統(tǒng)一考慮；⑤為保護(hù)環(huán)境、減少污染，油、氣、水集輸及處理應(yīng)滿足環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，做到不排放污油、廢氣、污水。

方案一：采用單井拉油的方式進(jìn)行集油。采用單井拉油集油工藝?yán)\(yùn)至塔二聯(lián)卸油點(diǎn)，拉運(yùn)距離為12 km，塔二聯(lián)已建卸油點(diǎn)規(guī)模為350 t/d，目前卸油量約為150 t/d，本次產(chǎn)能最高卸油量為150 t/d，卸油量合計(jì)約為300 t/d，已建卸油點(diǎn)能力滿足需求。每口井設(shè)50 m3儲(chǔ)罐2 座，共8 座，全部利舊（需新建儲(chǔ)油罐基礎(chǔ)并進(jìn)行大修，大修內(nèi)容包括清淤、更換罐內(nèi)電熱棒、重做儲(chǔ)罐外防腐保溫等）。存儲(chǔ)時(shí)間在2～3 天，滿足GB 50350—2015《油田油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》4.2.2 中連續(xù)生產(chǎn)油井的拉油采油井井場(chǎng)應(yīng)設(shè)儲(chǔ)油罐存儲(chǔ)時(shí)間2～7 天的要求。單井罐的配置情況見(jiàn)表1。

表1 單井罐配置統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of single well tank configuration

主要工程內(nèi)容為敷設(shè)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(chǔ)罐利舊，工程費(fèi)用為220.99 萬(wàn)元。主要運(yùn)行能耗包括年耗電量59.2×104kWh 和每臺(tái)拉運(yùn)車油耗200 $/d，合計(jì)運(yùn)行費(fèi)用共75.8 萬(wàn)元/a。

方案二：采用環(huán)狀摻水的方式進(jìn)行集油。4 口水平井距離3#集油閥組間約3 km，單獨(dú)成環(huán)進(jìn)入3#集油閥組間（圖4）。環(huán)狀摻水流程采用不同的管徑，對(duì)應(yīng)著不同的單井摻水量及最大井口回壓和進(jìn)間溫度。更改管徑后水力、熱力的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 3#集油間更改管徑后計(jì)算對(duì)比Tab.2 Comparison of calculations after changing the pipe diameter in the 3# oil gathering room

圖4 環(huán)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(dú)立成環(huán)需新建集油摻水管道7 310 m。通過(guò)計(jì)算對(duì)比，集油環(huán)應(yīng)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(nèi)容：敷設(shè)DN100 單井集油管道7.31 km，擴(kuò)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(fèi)用313.70 萬(wàn)元。主要運(yùn)行能耗包括年耗電量4.4×104kWh 和耗氣量561.6 m3/d，合計(jì)年運(yùn)行費(fèi)用共2.2 萬(wàn)元。

方案三：采用單管電加熱集輸?shù)姆绞竭M(jìn)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(diǎn)井Φ60 mm 的集輸管道配備集膚效應(yīng)加熱裝置，DN100 和DN65 的主匯管不配備集膚效應(yīng)加熱裝置，但需選用40 mm 的保溫層。最終混輸進(jìn)入3#集油閥組間，通過(guò)pipephase計(jì)算，井口產(chǎn)液加熱到45 ℃的時(shí)候，匯管液進(jìn)入閥組間的溫度為32.37 ℃，可滿足生產(chǎn)需求。此集油工藝計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 井口加熱溫度變化對(duì)回壓和進(jìn)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(nèi)容：敷設(shè)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(yīng)加熱裝置1.05 km，擴(kuò)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(tái)。主要運(yùn)行能耗包括年耗電量80.08×104kWh，年運(yùn)行費(fèi)用共41.93 萬(wàn)元。

3 方案對(duì)比

平均每天拉運(yùn)液量為150 t、拉運(yùn)車?yán)\(yùn)能力為40 t，需要拉運(yùn)4 次，運(yùn)距為12 km，來(lái)回共計(jì)24 km，拉運(yùn)加裝卸車最低用時(shí)2 h，每天最低需要租用1 臺(tái)拉運(yùn)車。方案二和方案三均需擴(kuò)建1 套閥組，3#閥組間為橇裝式閥組間，間內(nèi)沒(méi)有擴(kuò)建位置，規(guī)劃在間外擴(kuò)建1 套閥組，搭接在5#閥組（轄3 口油井）上。3 個(gè)方案工程量及10 年費(fèi)用現(xiàn)值的對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 方案對(duì)比Tab.4 Scheme comparison

3 個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如下：

（1）單井拉油。優(yōu)點(diǎn)：投資費(fèi)用最低，且初期產(chǎn)量存在不穩(wěn)定因素，拉油運(yùn)行降低風(fēng)險(xiǎn)。缺點(diǎn)：運(yùn)行成本最高。利舊油罐不能滿足VOCs（揮發(fā)性有機(jī)物）治理要求（參照標(biāo)準(zhǔn)GB 39728—2020《陸上石油天然氣開(kāi)采工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》5.7.3 對(duì)油田放空天然氣應(yīng)給予回收，不能回收或難回收的，應(yīng)經(jīng)燃燒后放空；不能燃燒直接放空的，應(yīng)報(bào)生態(tài)環(huán)境主管部門備案），需建設(shè)單位向生態(tài)主管部門備案。

（2）單管環(huán)狀摻水集油。優(yōu)點(diǎn)：摻水工藝10年費(fèi)用現(xiàn)值最低；運(yùn)行安全平穩(wěn)、維護(hù)費(fèi)用低，且工藝成熟，生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn)豐富。缺點(diǎn)：新建DN100的集油環(huán)7.31 km，投資費(fèi)用較高；若初期產(chǎn)量高于預(yù)測(cè)產(chǎn)量，存在井口回壓過(guò)高的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）電加熱集輸。優(yōu)點(diǎn)：投資費(fèi)用低于單管環(huán)狀摻水集油工藝。缺點(diǎn)：該油田現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)力量有限，備品備件采購(gòu)較慢，對(duì)井口電加熱器和集膚效應(yīng)加熱裝置的維修維護(hù)存在困難。電加熱流程耗電量最高，而該區(qū)塊實(shí)際供電量常年短缺，經(jīng)常性限電、停電，將導(dǎo)致加熱設(shè)備不能始終保持理想狀態(tài)運(yùn)行。

結(jié)合投資、10 年費(fèi)用現(xiàn)值、方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比及生產(chǎn)單位的建議，綜合分析，推薦選用方案二，采用環(huán)狀摻水集油工藝。

4 節(jié)能效果分析

對(duì)于研究區(qū)塊的4 口水平井來(lái)說(shuō)，單井拉油、環(huán)狀摻水和單管電加熱集油工藝的節(jié)能效果分析如下：?jiǎn)尉图凸に嚨囊淮涡酝顿Y費(fèi)用最低，但是由于地理位置較為偏遠(yuǎn)，拉運(yùn)費(fèi)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(huán)狀摻水集油工藝的一次性投資費(fèi)用最高，但是建成后其運(yùn)行費(fèi)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(fèi)用處于單井拉油和環(huán)狀摻水集油工藝之間，為229.13 萬(wàn)元，但建成后的能耗消耗是最高的，年用電量為80.08×104kWh。

5 結(jié)論

（1）目前地處偏遠(yuǎn)的油田常采用的集油工藝為拉油、環(huán)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(jīng)閥組后進(jìn)高架罐或零位罐，靠自流或泵輸裝車后拉運(yùn)至卸油；環(huán)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(gè)油井的形式形成集油環(huán)；單管電加熱工藝在油井的井口設(shè)置井口電加熱器，通過(guò)電加熱保溫管進(jìn)行保溫輸送。

（3）從降低能耗的角度來(lái)說(shuō)，宜采用環(huán)狀摻水集油工藝；從降低一次性投資的角度來(lái)說(shuō)，宜采用拉油工藝；從降低產(chǎn)能周期內(nèi)的10 年費(fèi)用限值的角度來(lái)說(shuō)，需綜合進(jìn)行對(duì)比；對(duì)于研究區(qū)塊的油井，綜合分析后，環(huán)狀摻水集油工藝更為適合。