双管掺水原油集输流程运行参数优化研究

基金项目： 国家自然科学基金项目，项目号：51534004。 收稿日期： 2019-05-07 作者简介： 于淳光（1994-），男，黑龙江省大庆市人，在读研究生，2016 年毕业于辽宁石油化工大学油气储运专业，研究方向：储运系统优化
与技集输系统节能降耗技术。E-mail：2393477286@。 通讯作者： 王铁军（1972-），男，北京市平谷区人，中国石油工程项目管理公司天津设计院首席工程师，研究方向：油气加工与储运系统设计。
min S =Sh Se1 Se2
式中：S — 总运行费用，万元/a； Sh — 热力费用，万元/a； Se1 — 外输泵电力费用，万元/a； Se2 — 掺水泵电力费用，万元/a。
（1）
（2）流动相关式选择 Beggs-Brill 方法是用于水平、垂直和任意倾斜 气液两相管流动计算的一种较普遍的方法。B 在推 导两相管道压降计算公式时，Beggs & Brill 从能量 守恒方程出发，考虑加速损失、摩擦损失和管路起 伏对结果的影响，计算结果较好，最终选择该方法 进行水、热力计算。 2.3 运行参数优化方案 （1）掺水温度、掺水量方案确定 不同掺水温度、掺水量分配方案求解步骤如下： （a）转油站-计量间掺水管道计算 根据转油站出口温度，站间掺水管道参数，对 单井取掺水量 0.5 m3/h 初值，确定其各计量间热水 温度。 （b） 计量间-油井掺水管道计算 根据计量间到站温度，井间掺水管道参数，确 定各井口热水温度。 （c） 掺混温度计算
m³/d。此研究为原油集输系统提供了可靠的运行参数优化方法，可实现节能降耗的目标。
关 键 词：双管掺水；原油集输系统；掺水温度；掺水量；总运行费用
中图分类号：TE 863
文献标识码： A
文章编号： 1671-0460（2020）03-0678-05
DOI:10.13840/21-1457/tq.2020.03.040
随着我国经济的迅猛发展，各行各业对能源的 需求量不断增加，对一次能源的过度开采和利用导 致我国正面临能源短缺、能源利用效率低、污染严 重等问题，对我国社会的可持续发展和人们生活质 量产生严重影响[1]。在能源的生产、消耗等方面， 石油企业对能源消耗总量的影响十分显著。油气集 输系统作为油田地面工程的重要组成，主要负责油 田采出液的储存、集中处理和输送，在这些过程中
目标优化生产运行参数，为集输系统节能降耗提供
一定理论基础。
1 集油系统基本运行情况
大庆油田某转油站辖计量间 7 座，油井 110 口， 2017 年产液 57.5 万 t，综合含水 90.6%，2017 年总
耗气量为 149.9 万 m3，总耗电 98.2 万 kW·h 时。该 区块集油工艺为双管掺水流程，站内采用分离缓冲 沉降“三合一”流程，因此可将站内生产工艺流程 分为油系统工艺流程、天然气系统工艺流程和掺水 系统工艺流程。计量间来液经过“三合一”装置分 离出油、气、水三相，含水油品经外输泵增压、计 量后输送至联合站，天然气外输至联合站或站内加 热炉自用；掺水系统将分离出的游离水经“二合一” 加热炉装置加热，再经掺水泵增压后输送至计量间 后回掺至各井口，该转油站系统工艺
（3）
式中：Q — 天然气耗气量，m³/d； cm — 掺液后混合物比热，kJ/(kg·℃)； T — 加热炉进出口温差，℃； — 加热炉效率，%。
图 2 双管掺水集输流程 Pipesim 模型建立图 Fig.2 Pipesim model of double pipe mixed water gathering
and transportation process
图 3 414 计量间局部模型图
Fig.3 Pipesim model of double pipe mixed water gathering and transportation process
Abstract: In order to reduce the problem of high gas and power consumption in double-pipe water-mixed oil gathering process, the technological process can be optimized by adjusting the operation parameters including the amount of added water and the temperature of added water to reduce heating furnace gas consumption and pump unit power consumption. Aiming at the actual operation of gathering and transportation process of a oil transfer station in Daqing oilfield, water and thermal calculation model of pipeline network was established by PIPESIM software. The operation iteration method was used to determine the optimal water content of each well at different water mixing temperatures. And the total operating cost under different schemes was determined according to the basic data of heating furnace and pump unit. The results showed that, the optimum water mixing temperature of the oil gathering process was 47 ℃, and the water mixing amount was 840.72 m³/d. This study provides a reliable method for optimization of operation parameters of crude oil gathering and transportation system to achieve the goal of energy saving and consumption reduction. Key words: double pipe watering; crude oil gathering and transportation system; water blending temperature; water content；total operating cost
第 49 卷第 3 期 2020 年 3 月
当代化工 Contemporary Chemical Industry
Vol.49，No.3 March，2020
双管掺水原油集输流程运行参数优化研究
于淳光 1，魏紫暄 2，王铁军 3*
（1. 东北石油大学 提高采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318; 2. 中国石油天然气股份有限公司大港油田分公司，天津 300280； 3. 中国石油工程项目管理公司天津设计院，天津 300457）
在计算各部分管网温度、压力时可通过 Pipesim
行参数优化研究。结合现场实际流程建立物理、数 软件完成水、热力计算模型建立，该双管掺水集油
学分析模型，通过迭代计算方法确定不同掺水温度 流程 Pipesim 模型建立如图 2，以 414 计量间为例其
条件下各生产井最优掺水量，以最小总运行费用为 局部模型图见图 3。
会有大量的热能和电能被消耗。据统计，油气集输 系统的投资约占地面工程总投资的 65%，能源消耗 则占油田系统总能耗的 30%~40%[2]。因此，降低油 气集输系统的能耗不仅对石油企业节能减排工作意 义重大，还具有较大的经济价值。
油田双管掺水集油流程在运行时需将升温后热 水回掺至井口低温采出液中，使其最终进站温度满 足 集 输 工 艺 要 求 [3] 。 集 输 过 程 中 通 常 将 热 水 升 至
（1. Key Laboratory for Improving Oil and Gas Recovery of Ministry of Education, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China;
2. CNPC Dagang Oilfield Branch, Tianjin 300280, China; 3. Tianjin Design Institute of China Petroleum Engineering Project Management Company, Tianjin 300457, China）
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当代
根据各油井出口温度，产液量等参数及热水至
各油井温度，确定各井口掺混温度,掺混温度计算公
式如下[5]：
Tmi (Gi GL )cm TwiGic TLGLcL
（2）
式中：Tmi — 掺液后混合物温度，℃； cm — 掺液后混合物比热，kJ/(kg∙℃)； Gi、c — 油井产物的流量、比热； GL、cL、TL — 掺液流量、比热和温度； Twi — 油井产物流出井口的温度,℃。
图 1 转油站系统工艺流程图 Fig.1 Process flow chart of transfer station system
2 双管掺水集油流程优化方法
2.1 目标函数确定 双管掺水集油流程中主要耗能设备为加热炉、
掺水泵和外输泵，集输系统的运行费用主要包括加 热炉耗气费用和外输泵、掺水泵耗电费用[4]。因此， 以最小的运行总费用作为优化问题的目标函数，即 所耗电费和气费之和小，其表达式为：
摘
要： 为了降低双管掺水集油流程高耗气、高耗电问题，可通过调节掺水量、掺水温度等运行参数优
化工艺流程，降低加热炉耗气量和泵机组耗电量。针对大庆油田某转油站集输流程的实际运行情况，通过
PIPESIM 软件建立管网水、热力计算模型，运行迭代法确定不同掺水温度下各单井最优掺水量,根据加热炉、泵
机组基础数据确定不同方案下总运行费用。计算结果表明，该集油流程最优掺水温度为 47 ℃，掺水量为 840.72
Optimization of Operating Parameters of Double Pipe Water-incorporated Crude Oil Gathering and Transportation Process
YU Chun-guang1, WEI Zi-xuan2, WANG Tie-jun3*
E-mail：wwangtiejun@。
第 49 卷第 3 期
于淳光，等：双管掺水原油集输流程运行参数优化研究
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50 ℃以上且掺水量较高，导致需要花费大量天然 2.2 Pipesim 模型建立
气、电能资源。本文针对大庆油田某转油站生产系
（1）物理模型建立
统双管掺水集油流程掺水量大，能耗高问题进行运
（d）油井-计量间回油温度计算 根据各井口掺混温度，井间集油管道参数，确 定各计量间回液温度，判断其是否满足工艺要求， 若温度过小，则将此井口掺水量增加 0.1 m3/h；若温 度过大，则将此井口掺水量减小 0.1 m3/h，进行重新 计算，直至温度满足要求。 （e）计量间-转油站集油管道计算 根据各计量间掺混温度，站间集油管道参数， 确定转油站回油温度，判断其是否满足工艺要求， 若满足，输出其掺水量；若不满足，进行重新计算。 经此计算可得到不同掺水温度下各单井最小掺水量 结果。 （2）耗气量、耗电量计算方法 （a）天然气消耗量 流程耗气量可通过加热炉进出口能量变化情况 及加热炉效率确定，其计算公式为：