（热能工程专业论文）油田集输系统利用地热伴热技术研究.pdf

摘要 本文主要针对华北油田丰富的地热资源，将废弃油井改造成地热井，利用地热水代 替部分燃油，节能降耗。首先调查华北油田地热利用现状和可用资源量，对地热利用进 行可行性研究。建立了地热井内地热水流动模型，求出地热水出口温度和井筒散热损失。 同时建立地热水输送管线流动模型，计算保温管线对散热的影响，选择合适的保温材料 及厚度，求出地热水到达联合站的温度。然后本着节约能源、保护环境的原则，对地热 资源利用进行总体规划，按照油田需求进行合理分配。 根据地热水的水质条件，采用地热间接利用，设计了两级换热系统。选择合适的换 热设备，尽可能地提高换热效率和使用寿命。同时利用吸收式热泵提高地热水利用温差， 加热部分热水用于供暖。根据油田集输流程的结构及工艺特点，对换热后热水提出四级 利用方案，尽量提高热水利用效率。其中对原油外输加热、脱水加热、储油罐保温和输 油管线伴热进行了重点分析，选择合适的换热设备，对热水进行梯级利用。 在管道伴热计算时，建立原油管道伴热系统能量平衡分析模型。对管道伴热系统进 行数值模拟，分析对比不同伴热方式下的伴热效果。同时，根据原油集输工艺伴热方式、 管网形态和管线根数，采用流体力学、工程热力学等理论，研究建立伴热系统水力和热 力分析计算方法。确定伴热水的温度、流量等参数，计算输油管道和伴热管线的热力损 失、水头损失、集输系统效率以及系统的热能利用率等，并画出了地热利用系统的能流 图，采用三环节法分析系统效率。最后对改造前后系统经济效益进行分析。 关键词：梯级利用，油气集输，储油罐保温，管道伴热，数值模拟 t e c h n i c a lr e s e a r c ho fu s i n gg e o t h e r m a lw a t e rf o r h e a tt r a c i n gi ng a t h e r i n gs y s t e mo fo i lf i e l d t i a ny u j i a n g ( t h e r m a le n e r g ye n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i a n gj i n g u o ab s t r a c t t h em a i na i mo ft h i sp a p e ri st om a k eg o o du s eo ft h ea b u n d a n tg e o t h e r m a lr e s o u r c ei n h u a b e io i lf i e l d e x p l o i t i n gg e o t h e r m a le n e r g yf r o mt h ea b a n d o n e dw e l l sa n dt a k i n gt h ep l a c e o fs o m ef u e lc a ns a v ee n e r g ya n dr e d u c ec o n s u m p t i o n f i r s t l y , t h eg e o t h e r m a lr e s o u r c e u t i l i z a t i o ns t a t u sa n dt h ea v a i l a b l er e s o u r c eo fh u a b e io i lf i e l dw e r ei n v e s t i g a t e d ，a n da f e a s i b l es t u d yf o rg e o t h e r m a le n e r g yu t i l i z a t i o nw a sc o n d u c t e d t h ew a t e rf l o wm o d e li n g e o t h e r m a lw e l lw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h eg e o t h e r m a lw a t e ro u t l e tt e m p e r a t u r ea n dw e l l b o r e h e a tl o s sw e r eo b t a i n e d t h ef l o wm o d e lo fg e o t h e r m a lw a t e rp i p e sw a se s t a b l i s h e da tt h e s a m et i m ea n dt h ee f f e c to ft h e r m a li n s u l a t i o no nh e a tl o s so fp i p e l i n ew a ss t u d i e d a p p r o p r i a t ei n s u l a t i o nm a t e r i a l a n dt h i c k n e s sw e r ec h o o s e dt oc a l c u l a t et h eh o tw a t e r t e m p e r a t u r er e a c h i n gc o m b i n e ds t a t i o n t h e nt h ew h o l ep l a n n i n gf o rg e o t h e r m a lr e s o u r c e u t i l i z a t i o nw a sm a k e db a s e do nt h ep r i n c i p l eo fe n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，a n dt h eg e o t h e r m a lw a t e rw a sa l l o c a t e dr e a s o n a b l ya c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t s o fo i lf i e l d a c c o r d i n gt ot h ew a t e rq u a l i t yc o n d i t i o n s ，t h et w o s t a g eh e a te x c h a n g es y s t e mu s i n g g e o t h e r m a lw a t e ri n d i r e c t l yw a sd e s i g n e d a p p r o p r i a t eh e a te x c h a n g ee q u i p m e n tw a sc h o o s e d t oi m p r o v et h e r m a le f f i c i e n c ya n dw o r k i n gl i f ea sf a ra sp o s s i b l e t h er a n g eo fg e o t h e r m a l w a t e rt e m p e r a t u r ew a se x t e n d e db yu s i n ga b s o r p t i o nh o t p u m pa n dp a r to fh o tw a t e rf o r h e a t i n gw a sh e a t e d a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ea n dt e c h n o l o g yf e a t u r eo fg a t h e r i n gf l o wo fo i l f i e l d ，f o u r - s t a g eu t i l i z a t i o ns c h e m eo fh o tw a t e rw a sp r o p o s e di no r d e rt oi m p r o v eh o tw a t e r e f f i c i e n c y t h i sp a p e rf o c u s e do nt h ea n a l y s e so fo i lh e a tt r a n s m i s s i o n ，d e h y d r a t i n go fc r u d e o i l ，o i ls t o r a g et a n k h e a tp r e s e r v a t i o na n dh e a tt r a c i n go fo i lp i p e l i n e a p p r o p r i a t eh e a t e x c h a n g ee q u i p m e n tw a sc h o o s e da n dc a s c a d i n gu s eo fh o tw a t e rw a sm a k e d w h e nc a l c u l a t et h eh e a tt r a c i n gp i p e l i n e ，w ea p p l yt h ee n e r g ye q u i l i b r i u ma n a l y s i sm o d e l o fc r u d eo i lt r a c i n gp i p e l i n es y s t e m t h ee f f e c tw a sc o m p a r e dw i t hd i f f e r e n tm e t h o d so fh e a t t r a c i n gu s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fh e a tt r a c i n gp i p e l i n es y s t e m a c c o r d i n gt ot h eh e a t t r a c i n gm e t h o d so fg a t h e r i n gf l o wo fo i l ，p i p e l i n en e t w o r kf o r ma n dt h en u m b e r so fp i p e l i n e ， t h e r m a la n dh y d r a u l i cc a l c u l a t i o nm e t h o d so fh e a t t r a c i n gs y s t e mw e r es t u d i e da n d e s t a b l i s h e db yu s i n gf l u i dm e c h a n i c sa n de n g i n e e r i n gt h e r m o d y n a m i c st h e o r y t h e nt h e t e m p e r a t u r e ，f l o wr a t ea n do t h e rp a r a m e t e r so fh o tw a t e rc o u l db ed e t e r m i n e d ，t h eh e a tl o s s a n dh e a dl o s so fp i p e l i n e sw e r ec a l c u l a t e d ，t h ee f f i c i e n c yo fg a t h e r i n gs y s t e ma n dt h e u t i l i z a t i o nr a t i oo fs y s t e ma n ds oo nw e r ec a l c u l a t e d t h e nt h e e n e r g yf l o wc u r v e so f g e o t h e r m a lu t i l i z a t i o ns y s t e mw e r ed r a w e da n dt h ee f f i c i e n c yo fs y s t e mw a sa n a l y s e du s i n g t h r e el i n k sm e t h o d a tl a s t ，t h ee c o n o m i cb e n i f i to ft h e s y s t e mw a sa n a l y s e d a f t e r r e c o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：c a s c a d i n gu s e ，o i lg a t h e r i n g ，h e a tp r e s e r v a t i o no fo i ls t o r a g et a n k ，h e a tt r a c i n g p i p e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：盈乏：工 日期：研年哆月如目 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：翮 日期：叼 年哕月3 d 日 年咕月如日 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 1 1 地热资源概述 第一章绪论 所谓地热能是指在地壳中距地表较近距离内可被经济开采的天然热能，又称为地热 资源。目前国际上所指的地热资源，是指地壳浅部5k m 以内储存的天然热量。大约有 1 4 2 1 0 2 5j ，相当于5 0 0 0 亿吨标准煤的热量。按照地热资源的温度不同，通常把热储温 度大于1 5 0 。c 者称为高温地热能，小于1 5 0 而大于9 0 者称为中温地热资源，小于9 0 。c 者称为低温地热资源f 1 1 。 地热的主要来源是太阳能和地球内部放射性元素，如铀( u ) 、钍( t h ) 、钾( k ) 等衰变 而产生的。此外，也有一部分地热资源可能是由构造变动的机械能( 包括动能、重力势 能和地球旋转动能) 和化学能转换而来。 地热资源可以通过不同的形式进行释放，如火山喷发、热水活动和构造运动等。但 是，通过上述活动所释放的热量只是地热资源很小的一部分。分布在陆地上的地热资源 主要是两条地热带，一条是环太平洋带，另一条是地中海一喜马拉雅带。而这两条地热 带同时又是地球上著名的地震带和火山活动带。消耗地热资源最主要的方式是通过固体 岩石传递到地球表面，再向空中辐射，约为2 5 x1 0 1 4 大卡年，相当于燃烧3 0 0 多亿吨煤 放出的热量。 地热资源分类现在还没有统一标准，一般可以根据地热资源系统的热量传递、水文 和地质的特点进行分类，主要类型有热火成岩体型、导热控制型和水热型。 我国地热专家结合中国的地热状况提出了新的分类方法，把地热储分为两类五型： 一类是构造隆起区热对流类，包括火山型、非火山型和深循环型；二类是构造沉陷热传 导类，包括断陷盆地型和坳陷盆地型。含油气区地热资源应属于第二类，为地压型地热， 因此这是石油系统地热研究的重点。 1 2 课题研究背景和意义 油田在油气生产过程中，自身消耗大量的能源，能耗总费用占生产成本的近3 0 。 油田生产能耗主要集中在油气集输、注水、机采、供配电等四大系统，其生产能耗约占 油田生产总能耗的9 0 以上。而高含水油田生产能耗中，热耗和电耗约各占5 0 ，热耗 第一章绪论 主要集中在油气集输系统，集输热耗约占集输总能耗的8 0 - - 8 3 5 。稠油热采生产能 耗中，热耗比例高达6 8 。 在油田油气集输工艺中，伴热起着举足轻重的作用。当环境温度下降，管线中的原 油就很难保证其品质的可靠性，原油的粘度增加，流速降低，影响管线的输送量，相关 的仪表指示不准并可能引起误操作，当原油温度降低到凝固点以下时，原油基本凝固， 还会发生管线堵塞甚至断裂等现象。因此，对管线中原油的保温是极其重要的一项工作。 原油从井口抽出以后，经计量间、中转站、联合站等中间环节进行一系列处理后，才能 变为成品油外输。在中转站和联合站原油处理过程中，需要对原油进行加热。 目前油田油气集输和处理工艺主要采用各种类型、容量不一的加热炉来加热，以石 油或天然气为原料，其热效率普遍低下，污染严重，已经成为制约油田节能生产和环境 治理的瓶颈之一。中国石油天然气股份公司规划总院在2 0 0 4 年对中油股份公司5 大油田 的4 3 7 4 台加热炉进行了统计：热效率大于7 5 的只有1 2 4 8 台，其它3 1 2 6 台加热炉热效率 均小于7 5 。加热炉是油田的主要能耗设备，截至2 0 0 5 年，中石油油田用加热炉在用数 量为1 84 6 0 台，每年能耗总量折合成原油约1 7 0 多万吨，耗能十分惊人。目前，油田用加 热炉主要存在设备老化( 平均新度系数为0 4 1 ) 、小型加热炉较多、效率偏低、燃烧不充 分、炉内腐蚀结垢等问题。虽然目前已开发出高效加热炉，但大规模更换加热炉是不现 实的【2 1 。 用原油或天然气作燃料存在以下几个方面的问题，。一是近几年原油价格不断升高， 伴热成本增加；二是燃油热水锅炉低温腐蚀严重，锅炉大修周期、寿命短，维修费用高， 安全性能低；三是系统规模小，炉型小而分散，综合热效率低；四是环境污染严重，每 年向大气排放大量的粉尘、硫和高浓度盐水；五是国家近几年已出台燃料结构调整政策， 鼓励以煤代油和大力开发利用风能、地热能等可再生能源，若每年继续燃烧掉大量的原 油，已与国家政策相违背。 我国是能源资源相对贫乏的国家，人均资源占有量不足世界平均水平的二分之一， 石油最终可采量不到世界平均水平的十分之一。改革开放以来，随着经济建设的迅速发 展和人民生活水平的不断提高，我国城镇化步伐不断加快，建筑物用能，包括制冷空调、 采暖、生活热水的能耗所占比例越来越大。特别是冬季采暖供热，由于大量使用燃煤、 燃油锅炉，由此所造成的环境污染、温室效应、疾病等因素严重影响着人民的生活质量。 能源危机意识以及能源作为战略资源的重要性日渐突出，国家高度重视新能源和可再生 能源的开发利用。现实环境迫使人们不断探索诸如太阳能、生物能、风能、海洋能、氢 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 能、核能等新的能源。地热能作为一种具有广阔开发前景的新能源也日益受到人们的关 注。 地热是一种洁净的可再生能源。它具有热流密度大、容易收集和输送、参数稳定( 流 量、温度) 、可全天候开采、使用方便、安全可靠等优点。因此，开发和利用地热资源， 用于建筑物的制冷主调、采暖、供热有着十分广阔的市场。对我国调整能源结构、促进 经济发展、实现城镇化战略、实现可持续发展等具有重要的意义。地热不仅是一种矿产 资源，同时，也是宝贵的旅游资源和水资源，已成为人们争相开发利用的热点3 1 。 1 3 研究现状及存在的问题 1 3 1 国内外研究现状 地热能的基本利用可分为直接利用和地热发电两大类。地热直接利用主要包括地热 供暖、地热进厂、地热务农和地热行医。对于不同温度的地热流体利用的范围如下：2 0 0 4 0 0 c ，直接发电及综合利用；1 5 0 2 0 0 ，双循环发电，制冷，工业干燥，工业热加 工；1 0 0 1 5 0 ，双循环发电，供暖，制冷，工业干燥，脱水加工，回收盐类，罐头食 品；5 0 - 1 0 0 c ，供暖，温室，家庭用热水，工业干燥；2 0 , - 一5 0 0 ，沐浴，水产养殖， 饲养牲畜，土壤加温，脱水加工【4 1 。 世界各国地热资源的常规利用主要集中在给建筑物供暖供热、水产越冬养殖供热、 农业温室、洗浴和医疗保健等低热火用水平上。这类直接利用的合适温度在4 0 6 5 范围， 其技术要求低、容易实现。然而对于大量的7 0 0 以上温度范围的地热资源来说，低热火用 水平的利用效率就太低，大部分较高温度的可用能未得到利用而白白浪费掉，并对环境 形成热污染1 5 】o 近年来，国外对地热能的非电力利用，也就是直接利用，十分重视。因为进行地热 发电，热效率低，温度要求高。所谓热效率低，就是说，由于地热类型的不同，所采用 的汽轮机类型的不同，热效率一般只有6 4 1 8 6 ，大部分的热量白白地消耗掉。所谓 温度要求高，就是说，利用地热能发电，对地下热水或蒸汽的温度要求，一般都要在1 5 0 以上；否则，将严重地影响其经济性。而地热能的直接利用，不但能量的损耗要小得多， 并且对地下热水的温度要求也低得多，从1 5 1 8 0 0 这样宽的温度范围均可利用。在全 部地热资源中，这类中、低温地热资源是十分丰富的，远比高温地热资源大得多。但是， 地热能的直接利用也有其局限性，由于受载热介质一热水输送距离的制约，一般来说， 热源不宜离用热的城镇或居民点过远，不然，投资多、损耗大、经济性差1 6 1 。 3 第章绪论 我国地热资源丰富，已发现的地热露头点有3 2 0 0 余处，全年天然放热资源量为 1 0 4 x 1 0 1 7 k j ，折合3 5 6 1 0 8 t 标煤。国内地热开发应用正处于快速发展阶段，总体规模平 均每年以1 2 的速度递增。据不完全统计，目前，年开采利用地下热水总量已超过 3 4 5 1 0 8r n 3 ，可利用总热量为1 9 1 2 1 0 4 t 标煤【刀。 我国适于发电的高温地热资源比较少，主要分布在西藏、云南、台湾等地区。但我 国有许多需要供暖的地区有丰富的5 0 - - 一9 0 。c 的低温地热资源，我国的中低温地热资源的 利用在局部地区取得了良好的效果。北京、天津、辽宁、陕西等省市的采暖面积逐年增 多，已具一定规模。 但与美国、日本、冰岛等国家相比，我国在地热勘探、开采、地热水回灌、防腐、 防垢等方面的技术和设备还存在较大的差距。目前我国地热资源利用普遍存在缺少科学 规划、未形成地热产业链、综合效益较差等问题。除高温地热资源用于发电外，大部分 中低温地热资源的利用仍停留在简单的、原始的利用方式。特别是许多地热旅游宾馆在 利用7 0 - - 9 0 的地热水时，往往要靠自然冷却将温度降低到5 0 以下用于洗浴和理疗， 使大量热能白白浪费掉。究其原因，主要是设计规划落后，设备陈旧，设备的年使用率 不高1 8 、9 1 0 1 。 今后地热能利用发展的主要问题是解决建筑物的采暖、供热及提供生活热水，以地 热能直接利用为主，利用中高温地热热水( 5 5 ) 用于包括冬季采暖、夏季制冷和全 年供生活热水，以及地热干燥、地热种植，地热养殖、娱乐保健等，实现地热能的高效 梯级综合利用，使地热能的利用率达到7 0 8 0 ；其次，以地热源为低温热源的热泵制 冷、采暖、供热水三联供技术的开发将是另一个重要方面【l l 】。 1 3 2 油田地热利用现状 中国部分油区有丰富的地热资源，各油田围绕地热资源，已经开展了不同程度的利 用。下面介绍一下部分油田的地热利用情况1 1 2 】。 ( 1 ) 大港油区 大港油田共完成2 0 n 地热井的钻凿工作，年供热水量2 0 0 1 0 4 m 3 ，成为油区居民主 要供暖方式，锅炉仅用于调峰供暖。地热水开发层位主要为上第三系馆陶组，水温5 7 - 7 8 。 ( 2 ) 华北油田 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 华北油田是以古潜山油田为主的油气田，随着开发时间的推移，产水量逐步上升， 油气资源相对枯竭。但是，由于古潜山内蕴藏着丰富的地热资源，在油田开发后期适时 地转入地热开发，不仅使先期投入巨资的油田开发配套设施得以继续使用，继续创造新 的效益和财富，并且可兼顾剩余油开发，一举两得。如冀中潜山的雁翎潜山油田，油井 大部份闲置，5 6 口井目前仅开1 5 口，其中1 3 口采油井，2 口注水井，日产油仅5 6 t ，综合 含水9 7 ，原油可采储量采出程度已达9 7 。在经过充分的论证后，特别是对热水资源 进行计算后，决定把油田变热田，通过三个阶段逐步创建了地热产业开发实验区。实验 区占地总面积7 3 9 0 亩，其中温室种植面积1 8 7 0 亩，水产养殖区2 2 5 0 亩，畜禽养殖区1 6 1 0 亩，农田种植区1 5 6 0 亩，商贸区1 0 0 亩。水产、畜禽养殖、洗浴、仓储及粮果烘干等项 目可用供热后的尾水，夏季还可利用热泵技术从事制冷。 华北石油管理局第十二综合服务处开发利用霸州境内的古潜山地热水资源已形成 很大规模，自1 9 9 8 年创建以来，效益非常可观。 此外，华北油田南大站和北大站利用污水提取低温热水供暖己形成市场化管理模 式，华北油r a n - 联合站是第五采油厂的一个站，该站调整生产运行制度，对工艺流程 进行改造，停运全部加热炉，热水进站温度达1 0 8 ，出站7 5 c 。 ( 3 ) 冀东油田 在油田勘探过程中，钻出了许多具有中低温热水的井，水温5 4 - 1 0 9 。c ，目前已被 利用的有两口井，在采暖、洗浴及养殖中，均取得了良好的经济效益和社会效益。该油 田自1 9 9 4 年开始，对冀东地区地热资源及地下热水开发利用进行了研究与评价，同时将 油田唐海基地的l 口废弃油井( n 3 4 x 1 # ) 改造并开发利用。该井日产水1 5 0 0 m 3 ，出口 水温5 3 。c ，几年来，该井一直供应唐海基地2 0 0 0 多户职工家庭及宾馆浴池的洗浴。油田 专门钻探的“西热1 井”是专门用于取暖的热水井，大大缓解了唐海基地因天然气不足 带来的不便。 ( 4 ) 大庆油田 从1 9 9 7 年开始，进行地热资源研究与评价工作，先后开展了大庆市区林甸地区，东 风地区，杜尔伯特地区的地热资源研究与评价，根据研究成果，1 9 9 8 年开始在大庆区域 内钻探地热井1 3 口，对油田勘探的老井试水1 7 口。 5 第一章绪论 大庆地热水属低温热水，水温5 4 - - , 6 2 。c ，水中有天然气，地热开发已在供暖、供热、 温泉、洗浴、健康、疗养、矿泉水生产、种植、养殖、宾馆酒店、游泳等多个领域利用， 见到明显的效果。 ( 5 ) 江苏油田 主要对l 口报废的探井真3 l 井进行了改造，出水温度7 4 9 c ，该井已纳入扬州市 旅游圈，准备开发旅游项目。 ( 6 ) 中原油田 利用钻探的两口地热井向千余户居民提供生活洗浴用热水。在建项目是濮阳市华龙 区明珠花园小区，建筑面积9 1 0 4 m 2 ，采用地板幅射供暖。下步地热开发利用的重点是 利用报废油井开发利用1 0 0 左右的热水。 ( 7 ) 胜利油田 1 9 9 9 年胜利油田管理局开始对八个地热田进行资源评价。进行地热资源评价的地热 田多数选择油区居民集中的地方进行，它们是东营中央隆起区、广饶凸起、陈家庄凸起、 滨县凸起，青坨子凸起、孤岛凸起、孤东地区及惠民凹陷中央断裂带。经过对这八个地 热田的热储层特征、地温场特征、水化学特征研究及地热资源量的计算，认为这些地热 田的地温随深度的增加而增大，其温度均高于正常地热增温级。地温梯度在各地热田多 数大于4 o 1 0 0 m ，其变化与地质构造关系密切。其地热资源全部属于已评价的经济型 地热资源。根据地热地质条件的研究程度，有的地热田( 如孤岛凸起) 已达到可行性勘 查阶段，其储量级别可达控制级储量。八个地热田总地热资源量为5 4 0 6 0 5 x 1 0 1 8 j ( 相当 于1 3 1 9 1 0 8 t 原油或1 8 4 5 x 1 0 8 t 标准煤燃烧时所放出的热量) ，热水资源量为 1 0 9 7 7 3 x 1 0 8 t ，热水可采资源为1 1 1 0 8 t 。 由此可见，各油田已对地热资源进行了研究利用，地热资源的利用已取得初步成效。 但油田地热资源的利用还处于起步阶段，地热利用主要集中在地热供暖方面，在油田集 输系统中的应用还需进一步研究。 1 3 3 存在的主要问题 ( 1 ) 部分油田地热资源丰富，但地热资源的综合整体利用规划和地热梯级综合利 用需要进一步研究，地热资源的整体利用程度不够。 6 中国杠油人学( 华东) 硕t 学位论文 ( 2 ) 地热可为油田集输提供加热、伴热所需的热能，降本降耗，但是目前该领域 应用还处于初级阶段，主要是外输原油加热和罐体保温，地热水尾水温度高。比如对于 留北油田和岔河集油田，集输系统接转站和联合站需要大量的加热炉和热水炉，沉降罐 等设备也需要热能来保持一定的温度，地热在油气集输系统节能降耗领域还有很大的潜 力。 ( 3 ) 地热在集输系统加热替代部分燃料、简化集输系统工艺环节和节能综合评价 等方面缺乏系统而深入的研究。 ( 4 ) 目前国内在地热井井筒保温和控制温降方面还没有成熟的技术。油井生产方 面，高粘油的开采需要对井筒加热升温降低产出液的粘度。目前井筒加热消耗的大部分 直接或间接是高品位的电能或燃料化学能，用能结构不合理，大量的地热水能量尚未在 井筒加热方面得到比较好的应用。 ( 5 ) 地热供暖供冷系统中地热利用深度以及隔热保温技术有待提高。 ( 6 ) 地热应用中的关键环节之一是地热水与待加热工艺流体的换热系统，油田地 热水含油等烃类并具有比较高的矿化度，影响换热效果并易引起管路和换热系统结垢和 腐蚀，如何克服或减弱该不利影响尚缺乏深入和系统研究。同时地热换热过程中的腐蚀 问题和强化换热技术缺乏研究【1 3 】。 ( 7 ) 目前华北油田地热集输伴热和供暖后的尾水温度接近5 0 ，二次利用不够。 ( 8 ) 如何从地热综合利用的整体角度和梯级利用角度切实提高地热资源整体能量 利用率，降低回灌温度并保持地热资源的可持续性等方面需要迸一步研究。 1 4 本文研究的主要目的和内容 本文的主要目的是根据华北油田丰富的地热资源，利用地热水代替部分燃油，节能 降耗。 本文的研究内容主要包括： ( 1 ) 地热利用可行性研究。 调查华北油田地热利用现状和可用资源量，建立了地热井内地热水流动模型，求出 地热水出口温度和井筒散热损失。同时建立地热水输送管线流动模型，计算保温管线对 散热的影响，选择合适的保温材料及厚度，求出地热水到达联合站的温度。 ( 2 ) 地热资源利用总体规划及系统热力、水力计算。 7 第一章绪论 对地热水利用进行规划，按照油 h 需求进行合理分配，对地热梯级利用技术进行研 究，本着节约能源、保护环境的原则进行规划设计。 分析油田管道伴热集输流程的结构及工艺特点，对换热后热水提出四级利用方案， 尽量提高热水利用效率。其中对原油外输加热、脱水加热、储油罐保温和输油管线伴热 进行了重点分析，选择合适的换热设备，对热水进行梯级利用。计算集输系统效率以及 系统的热能利用率等，画出地热利用系统的能流图。同时对改造前后系统经济效益进行 分析。 ( 3 ) 管道伴热数值模拟 对管道伴热系统进行数值模拟，分析对比不同伴热方式下的伴热效果。同时，根据 原油集输工艺伴热方式、管网形态和管线根数，采用流体力学、工程热力学等理论，研 究建立伴热系统水力和热力分析计算方法。确定伴热水的温度、流量等参数，计算输油 管道和伴热管线的热力损失、水头损失以及伴热系统效率。 8 中固彳i 油人学( 华东) 硕：学位论文 第二章地热水加热原油可行性研究 华北油f f l 留北潜山油藏地热资源丰富，地热田利用条件较好，尤其位于油区中部的 中央隆起构造带，由古潜山凸起组成，都是大型地热田，地温梯度一般为3 2 - - 6 o 1 0 0 m ，2 0 0 0 m 和3 0 0 0 m 深度的温度分别为8 0 , - 9 00 c 和1 0 5 - - - 1 3 50 c ，产水量一般可达 1 0 0 0 m 3 d 。现以该地区为例对地热资源利用技术进行可行性研究。 2 1 油田集输系统工艺用能现状 2 1 1 留北油田地面工艺现状 留北油田目前运行联合站一座( 留一联合站) ，管辖计量站两座( 留一计、留三计) 、 接转站两座( 留三、路2 7 ) 、供热计量站一座( 路三) 。站外单井地面集输工艺为三管 伴热工艺流程。 留一联1 9 7 8 年投产，主要承担留l 、3 计量站、路3 7 ) h 热计量站、路2 7 、留三接转站 油气集输及注水任务，各计量站、接转站来油进入留一联合站进行油、气、水分离处理， 污水经处理后就地回注，天然气经干燥后用于留一联发电和加热炉燃烧。同时接受留二 联来油( 不含水原油) 5 4 0t d ，留一联原油全部外输至河一联。 留一联设计参数为：处理规模( 纯油) 1 0 0 万吨年，外输能力为1 0 0 万吨年，污水设计 处理能力为3 0 0 0m 3 d ，污水处理工艺主要采用沉降除油、核桃壳过滤工艺，目前留一 联日产污水3 0 0 0 m 3 d ，除油后回灌，回灌污水全部为无效回灌。目前该站来液为 3 1 0 0 t d ，来液进站温度7 0 c ，综合含水率9 3 7 ，日产油1 9 5 吨。处理后原油含水0 5 ， 全部外输到河一联。 留一联合站原油集输处理主要工艺流程如图2 1 所示，主要工艺流程为：单井来液 三相分离器脱水器储油罐外输泵外输炉外输。 站外来液首先进入2 台一级三相分离器( 原分离缓冲罐改造) ，进行油、气、水三 相分离；处理后含水1 5 的原油，在加药3 0 m g l 后，进x 2 台二级三相分离器( 原分 离缓冲罐改造) 再次进行油、气、水三相分离，沉降8 d , 时后，含水达到0 5 ；合格 油进入1 个新建的三级三相分离器( 压力0 0 5 m p a ) 进行三级分离；然后原油通过增压泵 ( 新建) 提压进入储油罐，通过外输泵外输至河一联原油罐区【1 4 l 。 9 第一二章地热水加热原油町行性研究 图2 1留一联合站原油集输处理主要工艺流程 f i 9 2 1t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so fo i lg a t h e r i n gt r e a t m e n t 一级三相分离器和二级三相分离器分出的伴生气输往气处理装置压缩机出口，三级 三相分离器分出的伴生气输往气处理装置压缩机进口。一级三相分离器脱出的含油污水 输往污水处理厂处理，二级三相分离器和三级三相分离器脱出的含油污水输往地下污水 池经污水泵增压后送至污水处理厂。 2 1 2 能耗状况分析 建设节约型企业是油田持续有效发展之需。油田7 0 以上的耗能量集中在机采、注 水、集输、锅炉、加热炉等五大系统，其耗能费用占到油田可变成本的3 0 。其中集输 系统的能耗主要包括燃料消耗、电能消耗和化学药剂消耗三方面，三项费用所占比例约 为4 5 、2 5 和3 0 。 目前，留北油田共有各类油井8 4 口，日产液3 1 0 0 t d ，年产液量为11 3 2 x 1 0 4t ，年耗 电量为5 9 6 7 x 1 0 4k w h ；注水井1 0 1 2 1 ，年注水量为1 0 2 2 x 1 0 4m 3 ，年耗电量3 3 2 1 0 4k w h 。 液量从产出到回注平均用电单耗为8 4 k w h t ，折合标煤3 3 9 k g t 。留北油田共有加热炉 9 台，年自用油量为5 2 1 6 吨，折合标煤7 4 5 1 吨。具体分缶i 如表2 1 和表2 2 所示。 2 2 华北油田地热资源现状 2 2 1 地热姿源利用现状 在华北油田所处的古潜山构造带上，一些井产液温度高于1 0 0 * c ，地热资源极为丰 富。除将来用于发电外，地热在油田生产中的另一个用途就是利用换热和热泵技术替代 燃料油，为油田节约燃料油气的用量，提高原油商品率。目前华北油田共有加热炉4 8 3 1 0 中国白油人学( 华东) 硕十学位论文 表2 - l 留北油田各站自用油情况表 t a b l e 2 1s i t u a t i o no fo i lf o rp r i v a t eu s ei ne a c hs i t eo fl i u b e io i lf i e l d 加热炉规格 年燃油量折合标煤 油田站点用途台数 ( 万大卡时) tt 留一联 1 0 0 热水炉 21 0 9 01 5 6 4 o 1 0 0 热水炉 2 留二站 1 6 4 l2 3 4 4 3 1 4 0 热水炉 l 留北 l o o 热水炉l 路三站 9 3 01 3 2 8 6 5 0 热水炉 l 路2 7 站 1 0 7 热水炉 21 5 5 02 2 1 4 3 总计 95 2 1 6 7 4 5 1 2 表2 - 2 相关站点所需热量计算 t a b l e 2 - 2h e a tc a l c u l a t i o ni nr e l a t e ds i t e s 燃油量 年需热量 日需热量 油田站点 t d 1 0 6 m j a m j d 留一联 34 5 8 41 2 5 5 8 0 留三站 4 4 96 8 61 8 7 9 5 1 留北 路三站2 5 53 8 9 6 1 0 6 7 4 3 路2 7 站4 2 5 6 4 9 41 7 7 9 0 5 总计 1 4 2 92 1 8 35 9 8 1 7 9 注：燃油热值= 4 1 8 6 0 k j k g a 台，2 0 0 6 年华北油田冀中地区全年消耗燃料油9 6 万吨，气l1 8 2 0 j j m 3 ( 含发电用量) 。 目前留北潜山平均井1 ：3 温度8 5 。c ，其中留2 4 井的日产液达到7 2 7 t ，井口温度1 1 5 ；岔河 集牛驼镇凸起地热田地温梯度大于3 7 。c 1 0 0 m ，靠近岔河集油田西部地区地温梯度一般 大于6 9 c 1 0 0 m ，平均单井日产热水6 0 0 m 3 ，可以利用潜山地热进行该地区的燃气替代。 随着油田生产成本压力的逐年上升，以及近年来国内外对地热资源的关注，华北油 田公司把开发利用地热资源提上议事日程，目光投向供液充足、温度高、含水高的地热 井，利用地热资源换热、伴热，取代燃烧加热炉。地热水引入油气集输站，供外输原油 和生产伴热水加热，还可为原油储罐加热保温，这使华北油田公司实现了地热资源的有 第一二章地热水加热原油可行性研究 效利用。2 0 0 1 年4 月，华北油田采油五厂首先利用晋古2 - 4 井原集油管线，将地热水引入 n - 联。高温地热水进站后，首先给外输原油加热，随后高温地热水又给站内热力系统 换热，为循环水提供热量。经两级换热后的地热水直接进入油罐，给含水原油加热，保 证了脱水温度达到5 0 以上，从而停运了3 台加热炉，实现日节油5 吨，节气3 4 8 5 立方米。 目前，华北油田采油三厂、一厂都对地热资源进行了成功利用。据统计，通过利用地热 资源，公司己停掉了1 1 台加热炉，年节约油气4 8 0 0 u t e l l5 1 。 2 2 2 地热可供资源量的计算 从油田地热资源开发利用的角度来看，对部分高含水油井或井身结构完好的报废油 井进行分析评价，只需投入少量资金，对这些井加以适当改造，使其变为极有价值的地 热开发井，可以产生新的经济价值。单从改造和钻一口新井的费用考虑，改造将节约费 用几倍甚至几十倍，而效果与一口新钻地热井没什么区别1 6 l 。 目前华北油田留北潜山地区共钻井2 7 口，可用井2 4 1 2 1 ，正常采油井7 1 2 i ，拟开发地 热井1 7 口。根据前期对留北潜山2 2 口井的产量预测，经过大排量提液后，其中1 5 口井的 日产液量可达到7 0 0 m 3 以上，其余7 口井均在2 0 0 7 0 0 r n 3 之间。根据选井依据和产能预测 结果，结合单井储层发育、生产情况、构造位置及井下技术状况，优选留2 4 、留3 2 、留 3 3 、留4 4 、留3 2 2 、留5 l 、新留5 2 、新留检1 、留3 5 、留检3 、留2 5 井共1 1 口井进行大排 量提液，进行地热水开采。大排量提液后考虑含水上升到9 8 9 9 ，日产液可达到 8 8 0 0 m 3 ，井口温度1 1 0 ，年产液量3 1 0 x 1 0 4m 3 。同时，优选留2 7 、留4 3 、留2 9 、留l o 、 留3 0 、留6 6 共6 口井进行污水回灌，经过大修、酸化措施，预计单井污水回灌量可达 1 5 0 0 m 3 a 。 根据留北潜山l l 口井的试油资料，平均地层温度为1 1 6 ，地温梯度为3 5 1 0 0 m 。 根据潜山地区7 1 2 1 正常生产井来看，平均站内温度为8 5 8 ，井口温度9 0 4 ，温度最高 的井留2 4 井，日产液7 8 7 m 3 ，井口温度1 1 5 ，其次为留3 2 井，日产液3 8 7 m 3 ，井口温 度1 1 0 。 为计算地热水的出水温度，现对地热井生产温度分布进行数值模拟，计算模型见附 录a 。华北油区内油井成井时的结构一般为下入d 3 3 9 m m 表层套管1 0 0 - - - 2 0 0 m ，再下入 d 1 7 7 8 m m 油层套管至井底i 17 1 。假定地热井稳定生产1 0 0 天，产量为4 3 2 m 3 d ，井深 2 0 0