白 鵬

(中石化勝利石油管理局,山東 東營(yíng) 257200)

特超稠油區(qū)塊油井火燒芯罐鶴管水循環(huán)加熱工藝改進(jìn)

白 鵬

(中石化勝利石油管理局,山東 東營(yíng) 257200)

利用水比熱容大、易流動(dòng)的特點(diǎn),對(duì)特超稠油油井火燒芯罐鶴管進(jìn)行循環(huán)加熱,滿足了儲(chǔ)油罐鶴管安全卸油,保障生產(chǎn)的目的。通過試驗(yàn),對(duì)水套保溫效果、水循環(huán)速度、外界溫度、儲(chǔ)油罐煙道熱能進(jìn)行量化分析,實(shí)現(xiàn)了鶴管水循環(huán)的本質(zhì)安全加熱,并根據(jù)鶴管結(jié)構(gòu)的不同,研發(fā)出不同的水循環(huán)加熱裝置,實(shí)現(xiàn)了特超稠油儲(chǔ)油罐卸油安全、節(jié)能的目的。

特超稠油;卸油溫度;水循環(huán);節(jié)本降耗

1 工藝試驗(yàn)區(qū)基本情況

1.1 試驗(yàn)區(qū)油藏地質(zhì)特征

王莊油田鄭 411塊位于山東省利津縣明集鎮(zhèn),其西部構(gòu)造上處于渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷東營(yíng)凹陷北部陡坡帶西段,北靠陳家莊凸起,西為鄭家潛山,南鄰利津油田,含油層系沙三上劃分為 1、2號(hào) 2個(gè)砂體,1號(hào)砂體含油面積為 4.7 km2,石油地質(zhì)儲(chǔ)量為 550×104t。該塊沙三上屬特稠油油藏。沙三上 1號(hào)砂體地面脫氣原油密度平均為 1.043 3 g/cm3, 50℃時(shí)地面脫氣原油黏度為 22×104～38× 104mPa·s,屬于特 -超稠油油藏。黏度隨溫度的增加而成指數(shù)曲線明顯下降。

鄭 32塊位于鄭 411塊東鄰,為同一壓力系統(tǒng),主要含油層系為沙三上的 1、2號(hào)小層。1號(hào)小層地面原油密度平均為 0.988 g/cm3,地面脫氣原油黏度為 1.1×104～10.0×104mPa·s,含油面積為2.21 km2,石油地質(zhì)儲(chǔ)量為 306×104t,動(dòng)用石油地質(zhì)儲(chǔ)量為 155×104t[1]。

1.2 試驗(yàn)區(qū)開發(fā)現(xiàn)狀

表 1 2008年 12月試驗(yàn)區(qū)生產(chǎn)情況

鄭 32塊與鄭 411塊相繼于 2005年和 2006年投入開發(fā)。初期采用蒸汽吞吐開發(fā)方式,2006年至 2007年攻關(guān)完善 HDCS特、超稠油采油工藝,實(shí)現(xiàn)了區(qū)塊產(chǎn)能突破,截至 2008年 12月,實(shí)驗(yàn)區(qū)共有油井 70口,開井 47口,日產(chǎn)液為 578 t/d,日產(chǎn)油為 283.2 t/d,綜合含水率為 63.85%(表 1)。試驗(yàn)區(qū)的原油生產(chǎn)流程主要是原油從井口流出后經(jīng)火燒芯罐旁的立管上罐,在罐內(nèi)進(jìn)行加熱,等待拉油,在單井拉油過程中,加熱后的特稠油從罐體通過鶴管進(jìn)入拉油車油罐中,如果鶴管溫度低,特稠油會(huì)在鶴管內(nèi)壁凝固,形成掛壁,阻止稠油流動(dòng),短時(shí)間內(nèi)就可以堵塞鶴管,影響油井的正常生產(chǎn),目前解決這種生產(chǎn)問題的主要辦法是對(duì)鶴管進(jìn)行電伴熱帶加熱,在實(shí)際生產(chǎn)過程中,存在伴熱帶人為開關(guān),開關(guān)時(shí)間不能有效控制,對(duì)鶴管不能達(dá)到本質(zhì)安全加熱的目的[2-6]。同時(shí),鶴管伴熱的耗電量也直接影響了特超稠油生產(chǎn)的開發(fā)成本。

從表 1可以看出,按照年生產(chǎn) 319 d計(jì)算,每日拉油 41車,拉油前 4 h、后 3 h開伴熱帶,按照伴熱帶 4 kW·h功率計(jì)算,年耗電量約 36.6× 104kW·h。

2 鶴管水循環(huán)改進(jìn)的主要內(nèi)容及應(yīng)用原理

2.1 油井火燒芯罐基本結(jié)構(gòu)

目前在鄭 32和鄭 411區(qū)塊使用的火燒芯罐主要結(jié)構(gòu)為加熱爐、儲(chǔ)油罐 2層結(jié)構(gòu),是利用煤燃燒所產(chǎn)生的熱空氣通過儲(chǔ)油罐中的“山”型煙道對(duì)特稠油加熱?；馃竟藜訜徇^程中,罐內(nèi)年平均溫度大于 75℃,加熱爐加熱空氣通過 2道盤管后通過煙筒進(jìn)入大氣中。在對(duì)wzz411-p1井的火燒芯罐加熱全過程調(diào)查中,對(duì)正常儲(chǔ)油罐加溫到卸油溫度需要的燃煤進(jìn)行了統(tǒng)計(jì) (約 150 kg),按照標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒值 (約 33.4 MJ/kg)計(jì)算,總發(fā)熱量約為 5 010 MJ,對(duì)罐內(nèi)特稠原油從 75℃加熱到 85℃(罐內(nèi)原油按照 3.5×104kg計(jì)算),按照該溫度原油的比熱容 0.06 MJ/kg·℃計(jì)算,約需 2 100 MJ熱量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,燃煤一般完全燃燒后爐渣含碳量約為 2%,加熱爐正常熱輻射約為 1%,那么就有約 1 600 MJ的熱量損失,揮發(fā)到空氣中。在 2009年的 3～5月份,對(duì)鄭 411和鄭 32區(qū)塊的部分油井進(jìn)行了跟蹤調(diào)查,發(fā)現(xiàn)在鶴管壁溫度和卸油時(shí)的氣溫沒有函數(shù)邏輯關(guān)系,初步統(tǒng)計(jì)得出,在這個(gè)時(shí)段,鶴管在卸油時(shí),只要管壁溫度大于37℃,鶴管就可以安全正常卸油。

受目前家庭取暖水暖加熱的啟發(fā),決定利用煙道中熱能對(duì)水管加熱,通過水管中溫度差形成內(nèi)循環(huán),對(duì)鶴管進(jìn)行加熱。該方法可節(jié)約用電,同時(shí)可以對(duì)鶴管隨時(shí)加熱。根據(jù)物質(zhì)的熱負(fù)荷原理,計(jì)算公式為:

式中:Q為燃具熱負(fù)荷,kW;W為被加熱物質(zhì)質(zhì)量,kg;c為被加熱物質(zhì)的比熱容,kJ;t1、t2為被加熱物質(zhì)的初、終溫度,℃;Τ為升溫所需要的時(shí)間,h;η為燃具熱效率,%;K為安全系數(shù) (K=1.28～1.40);ω為固體熔融量,kg;m為固體熔解熱,kJ/kg。

主要從技術(shù)原理上解決了 3個(gè)問題:

(1)煙道的溫度及提供的熱能是不是可以滿足鶴管外水套正常循環(huán)需要的熱量。根據(jù)公式Q=cmΔt計(jì)算出,將 1 000 kg水從 4℃升溫到 80℃約需要 0.3 MJ熱量,由于 1 600 MJ遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 0.3 MJ,同時(shí)和稠油比較,水升溫迅速,易于流動(dòng)。通過計(jì)算和實(shí)際測(cè)溫,煙道在加熱階段溫度為 300～500℃,在燜爐階段最低溫度大于 200℃,在不加熱階段溫度大于 80℃(表 2)。

表 2 定氣溫下煙道流程溫度

(2)鍋爐提供的熱量建立正常水循環(huán)的理論依據(jù)為:

式中:Syd為運(yùn)動(dòng)壓頭,Pa;ρch為供給用戶的熱水密度,kg/m3;ρ為出口立管中汽水混合物的平均密度,為 kg/m3;H為出口立管的高度,m;g為重力加速度,m/s2。

在這里重點(diǎn)是要計(jì)算循環(huán)壓頭,主要公式為:

式中:h為對(duì)應(yīng)極小壓降的管長(zhǎng),m;Δp為極小壓降,Pa。

計(jì)算出第一段管長(zhǎng)后,就可以依次計(jì)算以后各段管長(zhǎng),直到累計(jì)管長(zhǎng)大于已知的高度為止,實(shí)際需要的壓頭為 20 cm水柱。

(3)對(duì)建立水循環(huán)的最佳工況進(jìn)行了計(jì)算,在回水段設(shè)計(jì)一段立管就可以保證正常水循環(huán)的要求。重點(diǎn)解決了在停爐階段水循環(huán)最低溫度和冬季水循環(huán)出口最低溫度的計(jì)算。

3 工藝改進(jìn)研制和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用情況

3.1 工藝研制情況

最初的試驗(yàn)在孤島采油廠進(jìn)行,采用鋼質(zhì)水套,簡(jiǎn)易連接,用簡(jiǎn)易盤管分別在火爐中和水浴中加熱進(jìn)行試驗(yàn),正常水溫 (15℃)水循環(huán)建立最長(zhǎng)時(shí)間為 30 min。初步選用鋼板焊制水套,盤管簡(jiǎn)易彎制,做成雛形。試驗(yàn)在初期遭遇挫折,上述試驗(yàn)共開展了 12次,水循環(huán)始終不能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo),期間報(bào)廢水套 1個(gè),盤管 4個(gè)。

在初期遭遇挫折后,對(duì)循環(huán)水路進(jìn)行檢查,重新對(duì)水套水量及煙道內(nèi)盤管熱水熱能進(jìn)行計(jì)算,一次改進(jìn)有了成果,并在循環(huán)水路中建立儲(chǔ)熱箱,增加水循環(huán)勢(shì)能,但是投入生產(chǎn)還是有差距的,僅鍍鋅 19 mm鋼管就用了近 120 m,又進(jìn)行了 4次相應(yīng)試驗(yàn),確定了水套循環(huán)的局限性(表 3)。

表 3 儲(chǔ)油罐鶴管水循環(huán)加熱裝置初步實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(一次改進(jìn))

對(duì)于試驗(yàn)裝置而言,水循環(huán)建立的時(shí)間和回水溫度是對(duì)鶴管進(jìn)行安全加熱的關(guān)鍵數(shù)據(jù),提高盲板出口溫度和進(jìn)口 (回水)溫度,保證合理的水循環(huán)速度是工藝改進(jìn)的關(guān)鍵。受水暖氣片加熱思路引導(dǎo),決定更改設(shè)計(jì),將水套改成直盤管和水柵加熱,希望有進(jìn)一步突破。二次改進(jìn)首先進(jìn)行試驗(yàn)直管建立循環(huán),進(jìn)展較好,在試驗(yàn)過程中,設(shè)計(jì)了 2套盤管對(duì)立在鶴管兩側(cè),對(duì)卸油的閘門也進(jìn)行了同樣的設(shè)計(jì),在水循環(huán)速度計(jì)算中,出水管對(duì)應(yīng)的水套截面縮小了 75%,相應(yīng)的水動(dòng)壓強(qiáng)阻力下降了 42%。為快速建立水循環(huán)鋪平了道路,在對(duì)鶴管建立循環(huán)的同時(shí),設(shè)計(jì)對(duì)閘門的保溫,也取得了很好的效果。2009年 9月 8日晚對(duì)鶴管管壁實(shí)測(cè)溫度為 45℃,對(duì)閘門壁實(shí)測(cè)溫度為 40℃。陸續(xù)加溫進(jìn)油后,水循環(huán)的效果得到了保持,2009年 9月 10日正常卸油后,測(cè)得鶴管管壁溫度為 70℃,閘門壁溫度為60℃,完全滿足了當(dāng)前季節(jié)下鶴管生產(chǎn)條件。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)推廣情況

2009年 10月開始在石油開發(fā)中心勝凱管理區(qū)管轄的鄭 411區(qū)塊油井進(jìn)行安裝,目前已經(jīng)安裝5口井,在安裝過程中,根據(jù)鶴管的實(shí)際結(jié)構(gòu)分別選用了水套和盤管 2種循環(huán)方式,對(duì)循環(huán)水路做好保溫,從現(xiàn)場(chǎng)卸油統(tǒng)計(jì)情況看,該裝置具有安全、簡(jiǎn)易、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

目前王莊油田的鄭 411和鄭 32區(qū)塊已經(jīng)裝伴熱帶火燒芯罐 110個(gè),電伴熱帶初裝費(fèi)用為 4000元,年維修費(fèi)用約 40×104元,按照 3 a 1個(gè)生產(chǎn)周期初步統(tǒng)計(jì)投入年維修費(fèi)用約 164×104元,電費(fèi)消耗約 60×104～90×104kW·h,總投入為 203× 104元。如果換用水套循環(huán)加熱,一次投入 2000元,總投入 2 000×110=22×104元。按照年維修費(fèi)用一個(gè) 500元計(jì)算,3 a維修費(fèi)用約為 16.5×104元?？晒?jié)約成本支出 164.5×104元。

4 結(jié) 論

對(duì)特超稠油區(qū)塊油井安裝鶴管水循環(huán)加熱裝置具有大幅度節(jié)約電費(fèi)和降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度的特點(diǎn),而且對(duì)環(huán)境溫度要求低,在使用儲(chǔ)油罐拉油生產(chǎn)的稠油區(qū)塊均具有推廣價(jià)值。

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編輯 林樹龍

TE355

A

1006-6535(2010)05-0125-03

20091102;改回日期:20100223

專利項(xiàng)目:該裝置目前已成功申請(qǐng)國(guó)家專利 (200920226784.4/200920226782.5)

白鵬 (1971-),男,高級(jí)工程師,1994年畢業(yè)于西北大學(xué)地質(zhì)系,現(xiàn)主要從事油田開發(fā)工作。