孟令尊
大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠
喇南中塊地面系統(tǒng)歷經(jīng)40多年建設(shè),為適應(yīng)階段性開(kāi)發(fā)要求,地面系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。隨著油田進(jìn)入“雙特高”開(kāi)發(fā)階段,油水產(chǎn)量和油品物性與開(kāi)發(fā)初期發(fā)生了很大變化,前期設(shè)計(jì)的總體布局、工藝流程和站場(chǎng)規(guī)模很難適應(yīng),區(qū)域目前存在站庫(kù)布局不合理、負(fù)荷不均衡、站庫(kù)密度大、運(yùn)行能耗高等問(wèn)題,需對(duì)區(qū)域集輸、污水等系統(tǒng)進(jìn)行大范圍優(yōu)化調(diào)整。為挖掘油田降本增效潛力,在常規(guī)優(yōu)化基礎(chǔ)上,對(duì)區(qū)域地面系統(tǒng)開(kāi)展精細(xì)優(yōu)化調(diào)整研究。重新確定當(dāng)前集輸水熱力條件和集輸系統(tǒng)的集輸界限,為站庫(kù)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ);平衡站庫(kù)改造投資及運(yùn)行成本,精細(xì)研究系統(tǒng)優(yōu)化改造措施,最大程度滿足油田控投資、降成本要求;合理確定優(yōu)化順序及優(yōu)化時(shí)機(jī),滿足區(qū)域站庫(kù)集中改造,系統(tǒng)站庫(kù)間在相互影響情況下,調(diào)整區(qū)域優(yōu)化實(shí)施的可行性。
原油集輸過(guò)程中,水力、熱力為主要能源,水力條件要滿足生產(chǎn)壓力要求,熱力要滿足輸送及脫水溫度需求[1]。在已建集輸管徑、環(huán)境溫度等確定條件下,集輸半徑影響原油輸送過(guò)程中水力、熱力的損失,同時(shí)影響管網(wǎng)布局及站場(chǎng)規(guī)模,為系統(tǒng)優(yōu)化的主要技術(shù)界限。
根據(jù)雙管摻水(熱洗)工藝特點(diǎn),集輸半徑在滿足集油、摻水及熱洗條件下求得[2]。
(1)滿足集油工藝要求。對(duì)生產(chǎn)壓差的約束,集輸工藝要保證油氣分離的正常運(yùn)行及油井的正常生產(chǎn)[3],大慶油田進(jìn)站分離器工作壓力一般控制在0.15~0.20 MPa,井口回壓一般不大于1.0~1.5 MPa。以井站兩端壓力為約束,可確定壓力條件下中間管段的集輸距離。受集輸溫度約束,原油進(jìn)站溫度一般在原油凝固點(diǎn)附近,同時(shí)要滿足后續(xù)脫水及污水處理的要求,以井口出油溫度及進(jìn)站溫度為約束,可確定溫度條件下的集輸距離。
(2)滿足摻水要求。根據(jù)雙管摻水工藝,油井產(chǎn)液進(jìn)入轉(zhuǎn)油站后分離出游離水作為回?fù)剿?,相?yīng)集輸距離決定摻水系統(tǒng)壓力需求。對(duì)于摻水熱洗分開(kāi)流程,摻水壓力一般為2.0 MPa,以摻水出站壓力及井口末端壓力為約束,確定滿足摻水壓力的集輸距離。
(3)滿足熱洗要求。大慶原油為高含蠟原油,完全融蠟溫度為60℃。根據(jù)洗井試驗(yàn),洗井要達(dá)到相應(yīng)的排量(高于21 m3/h)及溫度(井口高于86℃)。根據(jù)洗井流量、熱洗管徑等,以轉(zhuǎn)油站熱洗出站溫度及井口需求溫度為約束,可確定滿足熱洗要求的集輸距離。
綜上所述,最小集輸半徑要同時(shí)滿足集油、摻水及熱力要求。劃定集輸半徑后,可確定各站場(chǎng)轄井?dāng)?shù),根據(jù)單井產(chǎn)液量及摻水熱洗水量可確定站場(chǎng)最大規(guī)模。
集輸半徑受管線規(guī)格、環(huán)境溫度、黏度、含水率、出油溫度等參數(shù)影響,制約因素較多,計(jì)算復(fù)雜,采用人工及常規(guī)計(jì)算軟件,即使單管道也需多次試算不同距離回壓及溫度,計(jì)算精度及運(yùn)算速度無(wú)法滿足區(qū)域復(fù)雜管網(wǎng)的計(jì)算要求,因此有必要開(kāi)發(fā)集輸半徑計(jì)算模塊。
(1)管段計(jì)算模型優(yōu)選。水力、熱力模型是技術(shù)界限計(jì)算基礎(chǔ),考慮到站場(chǎng)節(jié)點(diǎn)、管網(wǎng)連通,結(jié)合雙管摻水、熱洗工藝特點(diǎn),優(yōu)選管段水熱力模型、管網(wǎng)整體模型,對(duì)集輸系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算。管段模型要實(shí)現(xiàn)物性、水力及熱力計(jì)算[4],其中:物性計(jì)算用來(lái)確定油氣水混合物密度、乳狀液黏度等物性參數(shù);水力計(jì)算要綜合分析多種水力模型應(yīng)用,結(jié)合原油含水率高、油相分散于水中、呈分散流的形式,通過(guò)分析,采用計(jì)算精度高的流態(tài)模型;鑒于油田管道距離短、管徑小、流速低,摩擦熱對(duì)沿程溫降影響不大,熱力計(jì)算采用蘇霍夫公式計(jì)算管道溫降。
(2)管網(wǎng)整體計(jì)算模型優(yōu)選。管網(wǎng)整體計(jì)算包括節(jié)點(diǎn)型方程、環(huán)路型方程和管段方程。節(jié)點(diǎn)型方程應(yīng)用于管網(wǎng)整體水力計(jì)算簡(jiǎn)便,收斂速度快,精度高。建模中將油井作為源點(diǎn),站庫(kù)作為匯點(diǎn),管線相交為節(jié)點(diǎn),通過(guò)質(zhì)量守恒及能量守恒方程計(jì)算節(jié)點(diǎn)流量及壓力,即節(jié)點(diǎn)與外界交換流量和與連接管段流量處于平衡,每條管段的壓降等于兩端點(diǎn)壓力差。
(3)水力、熱力求解模塊建立。根據(jù)生產(chǎn)流程,將水、熱力計(jì)算過(guò)程分為井口至轉(zhuǎn)油站、轉(zhuǎn)油站至脫水站兩部分。計(jì)算進(jìn)行水力、熱力耦合求解,首先以溫度為邊界,計(jì)算溫度參數(shù),考慮溫度參數(shù)對(duì)水力計(jì)算影響。如井口至轉(zhuǎn)油站,以進(jìn)站溫度為邊界,計(jì)算管線沿線溫度,以熱力計(jì)算確定物性參數(shù),計(jì)算壓力邊界條件,更加符合實(shí)際運(yùn)行情況。
(4)計(jì)算模型校核。在水力計(jì)算中,因管線腐蝕,摩阻系數(shù)發(fā)生變化,采用原始設(shè)計(jì)參數(shù),運(yùn)算偏差大,需校正管網(wǎng)摩阻。以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與計(jì)算值差的平方最小為目標(biāo)函數(shù),采用粒子群算法進(jìn)行求解[5]。在熱力計(jì)算中考慮結(jié)蠟層熱阻對(duì)管道散熱影響,應(yīng)用熱量平衡方程校核傳熱系數(shù)。校核后,進(jìn)行整體管網(wǎng)壓力求解,測(cè)算平均誤差為3.67%,能夠保證計(jì)算精度要求。
將計(jì)算模塊編成計(jì)算平臺(tái),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)需求,基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)或生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)快速導(dǎo)入數(shù)據(jù),運(yùn)行管網(wǎng)模型,通過(guò)水力、熱力模擬計(jì)算直接給出單井集輸半徑。通過(guò)對(duì)14座轉(zhuǎn)油(放水)站油井進(jìn)行計(jì)算,綜合考慮集油、摻水及熱洗需求,各站平均集輸半徑為1.58~2.81 km,其中水驅(qū)為1.84~2.81 km,聚驅(qū)為1.58~2.37 km。當(dāng)進(jìn)行井站間調(diào)整時(shí),要滿足集輸半徑要求。
系統(tǒng)評(píng)價(jià)從布局、運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)方面考慮,分別建立管網(wǎng)可靠性、生產(chǎn)性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)??煽啃岳霉芫W(wǎng)內(nèi)的流量值判定站庫(kù)負(fù)荷及能力是否均衡。生產(chǎn)性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)根據(jù)區(qū)域具體運(yùn)行基礎(chǔ)參數(shù)計(jì)算求出,確定設(shè)備運(yùn)行效率、運(yùn)行成本等情況。確定指標(biāo)后,采用模糊綜合分析法對(duì)多因素多層次復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行評(píng)判,利用指標(biāo)和算法建立評(píng)價(jià)模型,給出指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果,得出統(tǒng)一評(píng)價(jià)結(jié)論[6]。根據(jù)系統(tǒng)得分情況確定需優(yōu)化站庫(kù)。
根據(jù)評(píng)價(jià),喇111轉(zhuǎn)油站系統(tǒng)整體得分最高,整體運(yùn)行狀況好;喇807轉(zhuǎn)油站(6.74分)、喇181轉(zhuǎn)油站(6.23分)等得分較低。進(jìn)一步分析,其中喇807站、喇181站生產(chǎn)性指標(biāo)較低,機(jī)泵效率分別為45%及49%,加熱爐效率分別為56%和53%,需要結(jié)合站庫(kù)布局進(jìn)行調(diào)整。喇609站、喇102站經(jīng)濟(jì)得分較低,噸液運(yùn)行成本高;喇181站的燃料動(dòng)力費(fèi)用高,存在加熱爐效率低的情況。通過(guò)分析各層級(jí)指標(biāo)情況,可確定各站庫(kù)的優(yōu)化方向。
綜合考慮已建管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、站間歸屬、技術(shù)及經(jīng)濟(jì)界限等因素建立優(yōu)化模型,以經(jīng)濟(jì)約束、技術(shù)約束及流量約束等為約束條件,以總的改造費(fèi)用及運(yùn)行成本最小為目標(biāo),建立優(yōu)化模型并進(jìn)行求解,可整體得出集輸管網(wǎng)調(diào)整方案[7]。建立模型過(guò)程包括:確定目標(biāo)函數(shù),優(yōu)化模型以總改造費(fèi)用及運(yùn)行成本最小為目標(biāo)函數(shù)[8]。確定約束條件包括:成本約束,根據(jù)實(shí)際運(yùn)行流量數(shù)據(jù)和運(yùn)行成本數(shù)據(jù),通過(guò)擬合得到不同流量運(yùn)行成本,由流量相關(guān)的方程來(lái)確定;連接約束,確定節(jié)與節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系;流量約束,確保各節(jié)點(diǎn)的流入量和流出量相同;壓力約束,保證節(jié)點(diǎn)壓力處于安全范圍,最高壓力不超過(guò)管道承載,最低壓力滿足站點(diǎn)的壓力要求。針對(duì)不同類(lèi)型管網(wǎng)連接結(jié)構(gòu)設(shè)定不同約束,增加模型的通用性。
對(duì)模型進(jìn)行求解,可以直接得出優(yōu)化后的油氣集輸系統(tǒng)布局,得出集輸系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果,在平臺(tái)中進(jìn)行顯示[9]。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,直觀顯示需優(yōu)化聚喇轉(zhuǎn)油站、喇609轉(zhuǎn)油站、喇Ⅰ-1脫水站等。確定了系統(tǒng)初步優(yōu)化方向,為后續(xù)優(yōu)化措施確定提供了借鑒,優(yōu)化后的轉(zhuǎn)油(放水)站滿足了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)界限、運(yùn)行成本等約束,與常規(guī)優(yōu)化相比,優(yōu)化力度大、論證簡(jiǎn)便快捷,提高了方案編制效率,為項(xiàng)目盡早實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。
通過(guò)集輸系統(tǒng)評(píng)價(jià)及優(yōu)化確定了集輸系統(tǒng)優(yōu)化措施[10]。污水、配注及供配電等其他系統(tǒng)結(jié)合集輸系統(tǒng)調(diào)整,根據(jù)開(kāi)發(fā)規(guī)劃及預(yù)測(cè)進(jìn)行優(yōu)化,最終確定地面系統(tǒng)的整體措施。其中,集輸系統(tǒng)根據(jù)評(píng)價(jià)及優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行布局優(yōu)化調(diào)整,核減凈化油及水驅(qū)分離轉(zhuǎn)液能力,優(yōu)化聚驅(qū)能力,合并老化低效站庫(kù);污水系統(tǒng)根據(jù)水驅(qū)普遍見(jiàn)聚情況,提高處理工藝適應(yīng)性,優(yōu)化處理規(guī)模,降低運(yùn)行成本;供配電系統(tǒng)提高系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷率,實(shí)現(xiàn)變電所無(wú)人值守;配注系統(tǒng)結(jié)合產(chǎn)能建設(shè)情況進(jìn)行優(yōu)化,暫不優(yōu)化合并。通過(guò)研究,確定優(yōu)化改造14座大中型站庫(kù)綜合調(diào)整。
(1)促進(jìn)了安全環(huán)保、節(jié)能減排。通過(guò)站庫(kù)布局調(diào)整、站庫(kù)更新改造及運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化,可消除集輸、污水等系統(tǒng)老化站庫(kù)存在的安全隱患,提高站庫(kù)安全保障系數(shù),緩解油田安全生產(chǎn)壓力,具有巨大的安全效益。通過(guò)工藝、參數(shù)合理優(yōu)化,有效降低了油田生產(chǎn)能耗,對(duì)能源合理利用、實(shí)現(xiàn)油田節(jié)能減排具有重要的意義。
(2)節(jié)省了大量投資。調(diào)整后區(qū)域布局及能力更加合理,站庫(kù)負(fù)荷更加均衡,共核減游離水處理能力0.85×104t/d、凈化油脫水能力0.9×104t/d,脫水站二段負(fù)荷率提高43.5%。污水站合并核減能力0.6×104m3/d。通過(guò)布局優(yōu)化,減少改造站庫(kù),預(yù)計(jì)節(jié)省投資12 200萬(wàn)元。
(3)節(jié)約維護(hù)費(fèi)用及人工成本。通過(guò)降級(jí)脫水站、轉(zhuǎn)油放水站、核減轉(zhuǎn)油站等措施,減少用電設(shè)施,合理匹配機(jī)泵及加熱爐、更新站庫(kù)設(shè)施等,可節(jié)省生產(chǎn)運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用1 043萬(wàn)元。通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化和集中監(jiān)控,可核減崗位20個(gè),年節(jié)約人工成本1 001萬(wàn)元。
隨著油田的不斷開(kāi)發(fā),地面系統(tǒng)由單系統(tǒng)、簡(jiǎn)略?xún)?yōu)化向多系統(tǒng)、多參數(shù)、區(qū)域化、精細(xì)化綜合優(yōu)化轉(zhuǎn)變。通過(guò)精細(xì)優(yōu)化研究,實(shí)現(xiàn)區(qū)域站庫(kù)負(fù)荷、能力及布局的整體優(yōu)化,滿足了未來(lái)開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)要求,為實(shí)施站庫(kù)的改造、加快項(xiàng)目建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)喇南中塊區(qū)域優(yōu)化將與站庫(kù)數(shù)字化建設(shè)相結(jié)合,效益將更加顯著,最終打造區(qū)域低耗、高效、安全、環(huán)保及數(shù)字化運(yùn)行模式。