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(tǒng)工藝流程、天然氣工藝流程、配電系統(tǒng)、變相爐供水系統(tǒng)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(xiàn)試驗目的，利用目前海上平臺現(xiàn)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(tǒng)設計簡介

根據(jù)注熱水工藝需求，結合現(xiàn)場施工空間和現(xiàn)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(jīng)管道進入注水高效換熱器進行熱介質油與高壓生產(chǎn)水換熱，高溫熱介質油經(jīng)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(jīng)熱介質循環(huán)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(xiàn)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(lián)或并聯(lián)運行。

2.1 串聯(lián)運行

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

2.2 并聯(lián)運行

熱介質循環(huán)A泵對應熱介質鍋爐A，將熱介質油加熱后經(jīng)高效換熱器為高壓生產(chǎn)水加熱，換熱后，熱介質油回流至熱介質循環(huán)A泵入口；熱介質循環(huán)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(huán)B泵入口。

3 工藝基礎數(shù)據(jù)及熱介質系統(tǒng)負荷核算

針對該工藝系統(tǒng)主要利用平臺現(xiàn)有設備為注水連續(xù)加熱增壓的特點，故需要對現(xiàn)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(tǒng)設計熱能需求量進行對標，以確定目前平臺現(xiàn)有相關設備是否滿足系統(tǒng)運行的要求。

3.1 現(xiàn)有設備基礎數(shù)據(jù)

為該工藝系統(tǒng)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(jīng)熱介質循環(huán)泵升壓后流經(jīng)高效換熱器與連續(xù)高壓注水換熱，以實現(xiàn)為高壓注水加熱。多級離心泵為注水持續(xù)加壓，以實現(xiàn)高壓注水。熱介質鍋爐、熱介質循環(huán)泵及注水泵基礎參數(shù)分別見表1～3。

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

表2 熱介質循環(huán)泵參數(shù)Tab.2 Parameters of thermal medium circulating pump

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

油藏方案規(guī)劃優(yōu)先選擇注采連通性較好的油藏區(qū)塊進行先導試驗，其他區(qū)塊待熱水驅試驗區(qū)塊取得成功后綜合調整逐步推廣應用。工藝參數(shù)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(jù)油藏注熱參數(shù)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(tài)注水溫度為60 ℃。

3.2 工藝數(shù)據(jù)校核

3.2.1 設備熱負荷

日常熱介質循環(huán)系統(tǒng)運行模式為：熱介質循環(huán)泵采取1用2備，熱介質鍋爐單臺運行，熱介質循環(huán)量為172 m3/h。熱介質鍋爐春、冬兩季運行溫度和負荷數(shù)據(jù)見表4。

表4 熱介質鍋爐運行數(shù)據(jù)Tab.4 Operation data of thermal medium boiler

經(jīng)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(jīng)與表4運行負荷率對比，模擬負荷與現(xiàn)場實際負荷基本一致。

經(jīng)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(chǎn)水溫度）加熱至130 ℃需要的熱負荷為6 514 kW。

3.2.2 工藝數(shù)據(jù)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(jīng)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(huán)溫度高效換熱器需要熱介質負荷為6 514 kW，循環(huán)量按照2臺熱介質循環(huán)泵344 m3/h核算。經(jīng)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(shù)據(jù)為理論計算數(shù)據(jù)，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(jīng)核算，熱介質鍋爐出口溫度為180 ℃后換熱器尺寸比較經(jīng)濟。經(jīng)查詢熱介質爐運行歷史數(shù)據(jù)，熱介質爐加熱最高溫度為200 ℃。

④HYSYS工藝流程模擬數(shù)據(jù)計算與實際運行數(shù)據(jù)對標：以現(xiàn)場實際生產(chǎn)負荷、新增換熱器負荷、下游生產(chǎn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)圖（春季）Fig.2 HYSYS process flow simulation data chart （spring）

圖3 HYSYS工藝流程模擬數(shù)據(jù)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(xiàn)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(guī)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(jīng)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(shù)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(shù)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(yōu)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(tǒng)熱交換器的3～7倍、傳熱系數(shù)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(qū)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(jù)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(shù)，見表6。

表6 高效換熱器設計參數(shù)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(xiàn)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(jù)。

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(shù)據(jù)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(yè)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(jié)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(jié)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。