油田采集系统火用 效率计算及其影响因素分析

董珊珊，王为民，刘广鑫，钟 鸣，孙东旭， 贾冯睿，赵 桐

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001； 2. 黑龙江省海林林业局，黑龙江 海林 157100）

模拟与计算

油田采集系统火用 效率计算及其影响因素分析

董珊珊1，王为民1，刘广鑫1，钟 鸣1，孙东旭1， 贾冯睿1，赵 桐2

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001； 2. 黑龙江省海林林业局，黑龙江 海林 157100）

针对油田采集系统能源利用率低，用能不合理等问题。运用“灰箱”模型分析方法，建立了油田采集系统火用 模型，对国内某油田注采及集输系统进行火用 效率和热效率计算。分析了注采子系统操作参数（注蒸汽压力、注蒸汽干度）和集输子系统操作参数（加热炉进风温度）影响其火用 效率和热效率的因素及其变化规律。研究表明，注采子系统火用 效率和热效率随着注蒸汽干度的增大而减小；随着注蒸汽压力增大而升高。其中，注蒸汽干度每增大10%，注采子系统火用 效率约降低1.4%，热效率降低0.4%；注汽压力每提高0.5 MPa，注采子系统的热效率提高0.3%；火用 效率基本不变。集输系统火用 效率和热效率随着加热炉进风温度的增大而增大，进风温度每增大10oC，注汽锅炉火用 效率约增大0.23%，热效率也约增大0.23%。

采集系统；灰箱模型；火用 效率；热效率

我国的能源资源相对贫乏，能源工业生产造成环境破坏很大，而油田采输系统更是能源消耗大户。在稠油生产过程中，油田采输系统各环节均存在不同程度的能量损失。因此，进行油田采输系统的热力学分析，尤其是针对采集系统火用 效率的研究，可直接降低采输系统能耗，对油田节能降耗提供依据。

火用 指能量、物质系统在只有环境作用的条件下，经历可逆过程达到与周围环境状态平衡时能产生的最大可用功。火用 分析是根据进出系统火用 的不平衡发现不可逆火用 损失，对系统的物质、能量利用状况给出全面评价的分析方法[1]。火用 分析的发展日趋成熟，它作为科学用能理论被广泛应用于工程实际。目前，美国已经将火用 方法用于热力系统的经济分析当中。针对火用 效率问题，丁云飞建立了热泵再生的除湿转轮系统火用 效率模型[2]。陈立新利用火用 效率对汽轮机组给水加热系统进行了分析，给出了汽轮机组热力系统通用火用 矩阵方程[3]。罗向龙建立低品位热能发电系统火用 分析模型并对郎肯循环循环余热发电机进行了火用 效率分析[4]。陈绍凯在研究高压天然气压力火用 数学模型基础上，对压力回收与利用的经济性进行了分析[5]。然而，鲜有针对于油田采集系统进行火用 分析。基于此，本文对油田采注子系统和集输子系统拟建立“灰箱”分析模型，并对其分别进行火用 分析。通过计算国内某油田采集系统火用 效率，系统分析了油田注采、集输系统火用 效率和热效率影响因素。

1 油田采集系统模型的建立

1.1 采集系统火用效率模型的建立

采油蒸汽驱以及水平井和直井的蒸汽辅助重力泄油，将注采子系统抽象成换热器模型，假设有两种能量流进行换热，一种为从注入蒸汽到采出混合流油品的能量流，另一种为地下含油岩层。对采集系统当做灰箱模型进行能量分析。如图1所示。

图1 采集系统的灰箱模型Fig.1 Grey box model of collection system

1.2 采集系统火用效率及热效率计算方程的建立注采子系统供给火用 为：

式中：Exf为进入注采子系统的蒸汽火用 ，kJ/h；Exc1为注采子系统消耗的电火用 ，kJ/h。

注采子系统有效火用 ：

式中：Q为注采子系统加热油层的热量，kJ/h；oilT为油层的温度，K；Tm为采出油品混合物的温度，K。

注采子系统火用 损为：

式中：Exq1为注采子系统的火用 损，kJ/h。

注采子系统火用 效率为：

注采子系统能损系数为：

集输子系统供给火用 为：

式中：Exg2为进入集输子系统的燃料火用 ，kJ/h；Exc2为集输子系统消耗的电火用 ，kJ/h；ExA为进入集输子系统加热炉空气的物理显火用 ，kJ/h；Exw为进入集输子系统的油品混合物物流火用 ，kJ/h。

集输子系统原油提高的能量定义为有效火用 ，则：

式中：Exo为外输稠油的火用 ，kJ/h； E'xo为采出油品混合物中稠油部分的火用 ，kJ/h。

集输子系统火用 损为：

式中：Exq2为集输子系统的传热及不可逆火用 损，kJ/h；Ext为分离出的污水带走的火用 ，kJ/h。

集输子系统的火用 效率为：

1.3 案例计算

1.3.1 注采子系统的案例计算

以国内某油田为例，利用注采子系统要参数如表1所示，对其进行火用 效率和热效率计算，火用 计算结果详见表2，热效率计算结果如详见表3。

表1 注采子系统主要参数表Table 1 The main parameters of injection production system

表2 注采子系统火用 效率计算结果Table 2 The calculation results of exergy efficiency of collecting system

表3 注采子系统热效率计算结果Table 3 The calculation results of thermal efficiency of collecting system

1.3.2 集输子系统的案例计算

以国内某油田为例，利用集输子系统主要参数如表4所示，对其进行火用 效率和热效率计算，火用 计算结果详见表5，热效率计算结果如详见表6。

表4 集输子系统主要参数表Table 4 The main parameters of gathering system

表5 集输子系统火用效率计算结果Table 5 The calculation results of exergy efficiency of gathering system

表6 集输子系统热效率计算结果Table 6 The calculation results of thermal efficiency of gathering system

2 油田注采系统火用效率和热效率影响因素分析

2.1 油田注采系统火用 效率和热效率影响因素分析

2.1.1 注蒸汽干度对火用 效率及热效率的影响

依据表1中注采子系统基本参数，分别计算注蒸汽干度在55%～100%区间变化，得出注蒸汽干度与火用 效率和热效率的关系如图2所示。

图2 蒸汽干度与注采系统火用效率和热效率关系图Fig.2 The relation of steam quality with exergy and thermal efficiency of injection production

分析图2可知，注采子系统火用 效率、热效率与注蒸汽干度基本呈线性关系，且火用 效率、热效率随注蒸汽干度的增大而降低。注蒸汽干度每增大10%，注采子系统火用 效率约降低1.4%，热效率降低0.4%。因此，在注采子系统中安装干度控制器，通过仪器检测并持续调节注蒸汽干度[6]。

2.1.2 注汽压力对火用 效率及热效率的影响

通过改变表1中注汽压力为17～25 MPa其他参数保持不变，计算分别得到在不同注汽压力下注采子系统的火用 效率和热效率如图3所示。

图3 注汽压力与注采系统火用效率和热效率关系图Fig.3 The relation of steam injection pressure with exergy and thermal efficiency of injection production

如图3所示曲线，将注汽压力从17 MPa提高到21.5 MPa的情况下，注采子系统的热效率从提高到，火用 效率从提高到。注采子系统的热效率和火用 效率随着注蒸汽压力的提高而逐渐增加。注蒸汽压力每提高0.5 MPa，注采子系统的热效率提高0.3个百分点。而注采子系统的火用 效率基本不变。

2.2 油田集输系统火用 效率和热效率影响因素分析

2.2.1 加热炉进风温度对热效率及用效率的影响

以表4中油田集输子系统基本参数为基础，分别计算加热炉进风温度在20～110oC区间变化时，集输系统火用 效率和热效率，得出进风温度与集输系统火用 效率与热效率关系如图所示4。

图4 加热炉进风温度与集输系统火用效率和热效率关系图Fig.4 The relation of inlet air temperature with exergy and thermal efficiency of gathering system

分析图4可知，加热炉进风温度与集输系统火用效率、热效率基本呈线性关系，且集输系统的火用 效率、热效率随进风温度增大而增大。进风温度每增大10oC，注汽锅炉火用 效率约增大0.23%，热效率也约增大 0.23%。在实际生产中，增大进风温度，在提高了集输系统火用 效率、热效率的同时，也增大了预热空气成本，因此，各方面综合考虑后，进风温度通常选择30～40 ℃。

2.2.2 分离出的污水对热效率及火用 效率的影响

由于分离出的污水流量较大，温度较高，携带的能量较高，约占集输子系统的总供给能量的。一般在实际生产过程中，直接回注地下或者排放掉，造成了大量的能量损失，如果我们把这部分能量回收利用起来，可使现行的火用 效率从提高到。

综上所述，集输子系统热效率及火用 效率随着加热炉进风温度的提高而增大。分离出的污水携带的能量，若利用起来，能使集输子系统的火用 效率有一定的提高。

3 结 论

本文运用“灰箱”模型分析法，建立了油田采集系统的火用 效率和热效率计算方程，并以国内某油田的注采子系统和集输子系统为例对其火用 效率和热效率进行了计算，分别探讨注采子系统操作参数（注蒸汽压力、注蒸汽干度）和集输子系统操作参数（加热炉进风温度）影响其火用 效率和热效率的因素及其变化规律，研究结果表明

（1） 在油田注采子系统操作参数中，影响注采系统火用 效率和热效率的主要影响因素为：注蒸汽压力和注蒸汽干度2个影响因素。注采子系统火用 效率和热效率随着注蒸汽干度的增大而减小；随着注蒸汽压力增大而升高。

（2） 其中，注蒸汽压力对油田注采子系统火用效率和热效率影响最大，注气干度影响次之。

（3）在集输子系统操作参数中，影响集输系统火用 效率和热效率的主要影响因素为：加热炉的进风温度和分离出的污水携带的热量。

（4）集输系统火用 效率和热效率随着加热炉进风温度的增大而增大，进风温度每增大10oC，注汽锅炉火用 效率约增大0.23%，热效率也约增大0.23%。

（5）分离出的污水携带的能量，若利用起来，能使集输子系统的火用 效率有一定的提高。

［1］ 蒋爱华，梅炽，时章明. 泛火用 分析方法及其应用[J]. 中南大学学报（自然科学版），2011，42（2）:527-532.

［2］ 丁云飞，吴会军，乐明. 基于热泵再生的除湿转轮火用 效率分析[J].重庆大学学报，2011，34：72-74.

［3］ 陈立新，李岩，田松峰，闫丽涛. 汽轮机组热力系统热经济性火用 分析[J].热力发电，2011，40（2）：29-34

［4］ 罗向龙，许乐，谭立锋，陈颖. R245fa有机朗肯循环余热发电系统火用 分析[J].节能技术，2012, 30（2）：131-141.

［5］ 陈绍凯，李自力，雷思罗，王瑶.高压天然气压力能的回收利用技术[J]煤气与热力，2008， 28（4）：1-10.

［6］ REDUSCL, SCHOENDM, CHIENSF. Kern River Field Test of a Steam Quality Measurement Technique[C] Proceedings 1988 California Regional Meeting. Richardson: Society of Petroleum Engineers, 1988: 423-430.

Calculation and Influence Factors of Exergy Efficiency of Oil Collecting System

DONG Shan-shan1,WANG Wei-min1,LIU Guang-xin1,ZHONG Ming1,SUN Dong-xv1,JIA Feng-rui1,ZHAO Tong2

（1. College of Petroleum Engineering,Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001, China; 2. Heilongjiang Hailin Forestry Bureau , Heilongjiang Hailin 157100, China)

According to the problems about the oil collecting system with low energy utilization rate and unreasonable energy use, the “grey box”analysis method was used to establish the exergy analysis model of the oil collecting system, exergy efficiency and thermal efficiency of steam injection production and gathering system of a domestic oilfield were calculated. The operation parameters of the injection production system (steam injection pressure, steam quality) were analyzed as well as the operation parameters of gathering system (inlet air temperature of heating furnace), the influence factors and change rules of exergy efficiency and thermal efficiency. The research results show that, along with the steam quality decreasing and steam injection pressure increasing, the exergy and thermal efficiency increase. Among them, when steam quality increases by 10%, the exergy efficiency of the collecting system reduces about by 1.4%,the thermal efficiency reduces about by 0.4%;when the steam injection pressure increases by 0.5 MPa, the thermal efficiency increases about by 0.3%, the exergy efficiency is the basic same. With the inlet air temperature increasing, the exergy and thermal efficiency of the gathering system increase. When the inlet air temperature increases by 10oC,the exergy efficiency and thermal efficiency of the gathering system increase about by 0.23%.

Collecting system; Grey box model; Exergy efficiency; Thermal efficiency

TK 222

： A

： 1671-0460（2015）03-0601-04

辽宁省高等学校科学研究一般项目，项目号：L2014146。

2014-10-21

董珊珊（1989-），女，河北秦皇岛人，在读硕士，辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，研究方向：油田稠油采集效率研究。E-mail：13898321964@163.com。