稠油生产系统能耗监测方法研究

[摘要]在稠油生产过程中,各生产环节均存在不同程度的能量损失。文章根据稠油生产系统各个环节工艺组成特点, 界定各工艺系统的能耗测算边界,给出能耗测算方法,并在此基础上对各部分的用能状况给出测算与评价指标。

[关键词]稠油;生产系统;能耗监测;方法

[作者简介]李海建,中国石化河南油田分公司技术监测中心工程师,研究方向:油田生产能耗的监测,河南南阳,473132;施玉霞,中国石化河南油田分公司技术监测中心,河南南阳,473132;蔡婷,中国石化河南油田分公司技术监测中心,河南南阳,473132;夏邵莲,中国石化河南油田分公司技术监测中心,河南南阳,473132

[中图分类号] TE355[文献标识码] A[文章编号] 1007-7723(2010)02-0043-0003

“稠油”是指在油层温度下脱气原油粘度大于100mPa.s,相对密度大于0.92的原油,国外称之为“重油”。世界稠油分布范围很广,蕴藏也很丰富,开采规模在逐年扩大,稠油开采在石油工业中已占有重要的位置。我国也有着丰富的稠油资源,据不完全统计,探明和控制储量已达16亿吨,重点分布在胜利、辽河、河南、新疆、塔河等油田。

在我国热采稠油中,蒸汽吞吐所占份额超过95%。整个稠油生产工艺能耗系统主要分为注汽系统、机采系统和集输系统。

一、总能耗指标测算方法

(一)能耗测算边界

从高压蒸汽的生产、输送、注入井底到产出原油进入集输流程经计量、接转、脱水、稳定、外输到油库是一个完整的开采工艺过程。在这个生产过程中又分为三个相对独立的工艺系统,即:注汽系统、机采系统、集输系统(图1)。

图中,E■——注汽锅炉耗热能,E■——燃料物理热能,E■——空气带入能,E■——注汽站耗电能,E■——机械采油装置耗电能,E■——原油外输耗热能,E■——集中处理耗热能,E■——接转原油耗热能,E■——原油外输耗电能,E■——集中处理耗电能,E■——接转原油耗电能,E■——注汽站损失热能,E■——注汽站损失电能,E■——输汽管线损失热能,E■——井口装置损失热能,E■——井筒损失热能,E■——采油井下设备损失电能,E■——采油地面设备损失电能,E■——原油外输损失电能,E■——原油外输损失热能,E■——集中处理损失电能,E■——集中处理损失热能,E■——接转原油损失电能,E■——接转原油损失热能,E■——集输管线损失压能、热能。

(二)测算方法

由测试边界图可知,系统总供入能量:

E■=E■+E■+E■+E■+E■+E■+E■+E■+E■+E■(1)

式中符号同上图。

系统总损失能量:

E■=■E=E■+E■+E■+E■+E■+E■+E■+E■+E■+E■■+E■+E■+E■+E■+E■+E■(2)

能量利用率:

?浊=■×100%(3)

二、注汽系统能耗测算

注汽过程是由注汽系统实现的,它由注汽站(包括注汽锅炉及附属设备等)、主输汽管线、输汽支线、井口设备、井筒组成。注汽站完成蒸汽的生产,为产汽环节;主输汽管线、输汽支线、井口设备为输汽环节,将蒸汽由注汽站输送至井口;井口设备和井筒将蒸汽传输到井底油层,为注汽环节;在油层中蒸汽能量传递给原油,为利用环节。

(一)注汽站能耗测算

注汽站耗能设备主要有注汽锅炉及附属设备及给水泵机组等。

1.锅炉能耗指标测算

锅炉测试依据标准GB/T10180-2003《工业锅炉热工性能试验规程》、GB/T15317-94《工业锅炉节能监测方法》进行。注汽锅炉其评价指标为热效率,可通过正反平衡求得。

正平衡热效率计算式为:

反平衡热效率计算式为:

因注汽锅炉一般用燃料油或天然气,故损失能量仅为排烟损失和散热损失。如果注汽锅炉用煤作燃料,其能量损失除排烟损失和散热损失外,还有燃料不完全化学损失、炉渣物理热损失、飞灰损失、漏煤损失。

2.锅炉评价合格指标(表1)

节能指标:燃油锅炉《中国节能技术政策大纲中国石油天然气集团公司实施细则》规定锅炉运行效率应达到85%以上。

3.给水泵机组能耗指标测算

给水泵机组效率测算依据GB/T13466-13470-92《交流电器传动风机(泵类、压缩机)系统经济运行和计算方法》、SY/T6275-2007《油田生产系统节能监测规范》进行。

4.泵机组评价指标(表2)

注汽站效率:

(二)注汽管网散热能耗测算

管网散热包括主输汽管线、输汽支线和井口设备,测试原理和方法相同。测试采用标准SY/T6421-1999《设备及管道散热损失的测定》。

其管网能耗指标测算方法如下:

对于正常保温管线,采用热流计法测试。即将热流计的传感器贴在被测物体的外表面,同时测量被测物体外表面温度、风向及风速、表面热发射率、环境温度及被测物体外形尺寸参数等。则:

式中:n ——测点点数;

Ai——i处外表面积,m2;

β——传感器的修正系数;

qi——i处热流密度W/m2。

对于正常裸露管线、阀门及管托等,采用表面温度法测试。即测试被测物体的外表面温度,同时测量风向及风速、表面热发射率、环境温度及被测物体外形尺寸参数等计算散热损失值。则

式中:Twi——i处外表温度,℃;

Toi——测试时环境温度,℃;

αi——总换热系数,按 SY/T6421-1999测试要求的有关规定计算,W/m2.℃。

注汽管网散热效率:

式中:

Gzq——被测管道蒸汽流量,kg/h;

hi——被测管道首端湿饱和蒸汽焓值,kJ/kg;hi=hg-rxi。

hg——被测管道首端干饱和蒸汽焓值,kJ/kg;

r——蒸汽潜热,kJ/kg;

x1——被测管道首端蒸汽干度。

(三)井筒散热损失

我国辽河油田研制的高温四参数测试仪,可同时定点测量注汽井温度、压力、流量和干度等参数。仪器包括:试井钢丝连接段、导流段、测量段、密封段、保温瓶及机芯剖面。该仪器的研制应用了单片机井下应用技术、多层印刷线路板应用技术、高温高压密封技术、高温隔热技术、传感器等配套技术。它采用真空隔热、钢丝起下、井下单片机微机数据采集储存、地面数据回放处理等方法,准确直观地显示吸汽剖面和各油层的四个参数,并绘制变化曲线,打印报表。它具有测量准确,性能可靠,参数资料全,安装、使用及维修方便,成本低廉等优点,是目前国内外高温高压测试技术中唯一能同时实现四参数测量的仪器。

(四)井筒总传热系数的计算方法

在计算井底蒸汽干度、套管温度及井筒热损失时,最关键的是如何确定具体井筒结构条件下的总传热系数Uto。而且最困难的是如何计算出环空液体或气体的热对流、热传导及热辐射都存在的条件下的环空传热系数(hc+hr)或(h"c+h"r)。因为它与油管外表面性质、液体的物理性质(尤其是高温下的粘度变化)、油管外壁与套管内壁之间的温度与距离、套管内壁表面性质等都有关系,计算很复杂。

三、机采系统能耗测算

在机械采油过程中,所消耗的能量包括用于提升所载液体的有效能量和举升过程中所消耗的损失能量,在损失能量中包括地面损失能量和地下损失能量。地面损失能量主要包括电机损失能量和抽油机摩阻损失能量、滑动摩阻损失能量和水击能耗,还包括有助于举升的含气原油的溶解气体积膨胀能。(地下损失能量主要包括粘滞摩阻损失能量)

稠油机采系统能耗测算依据SY/T SY/T5264-2006《油田生产系统能耗测试和计算方法》、SY/T6275-2007《油田生产系统节能监测规范》进行。

能耗测算

机械采油井的系统效率:

四、集输系统能耗测算

集输系统能耗指标测试依据SY/T SY/T5264-2006《油田生产系统能耗测试和计算方法》、SY/T6275-2007《油田生产系统节能监测规范》进行。测试边界为从油井产出液经集输管线至计量站计量、接转、脱水、稳定、外输到油库的整个工艺处理系统。

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