曲 虎， 王新华， 刘 静， 周秀云， 朱海云， 刘 丹

(1.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北任丘 062522； 2.华北油田公司第三采油厂，河北河间 062450)



高黏含水原油外输管道优化设计研究

曲 虎1， 王新华1， 刘 静1， 周秀云2， 朱海云1， 刘 丹1

(1.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北任丘 062522； 2.华北油田公司第三采油厂，河北河间 062450)

以项目实例为基础，对高黏含水原油外输管道进行优化设计研究。对单管道连续输送、双管道油水分别输送及单管道油水间歇输送三种输送方案进行模拟计算，并对每种方案进行经济比选。通过方案比选结果可知，单管道油水间歇输送方案为最优方案，并确定最佳管径；通过分析外输温度对管道能耗损失的影响，可知外输系统耗气量随着外输温度的升高而增加，耗电量随着外输温度的升高而降低；运行费用随着掺水温度的升高先降低后升高，在温度为50～55 ℃时运行费用最低。

原油； 外输管道， 优化； 能耗； 运行费用

通常，一些小的油田计量站或接转站只具有气液分离或简单的脱水功能，而不具有将含水油处理成合格原油的能力[1]，如果分离出的污水不能全部回注或回灌到地层，就需要将污水和原油全部运送到处理站进行处理。运送方式目前主要有两种，一种是通过汽车拉运方式，由罐车将含水原油拉运到处理站[2-4]；另一种是建设外输管道，通过泵将含水原油输送到处理站，通过以往的相关项目和相关研究可知，相对于汽车拉运，管道输送具有一次性投资少、运输成本低、安全性高、利于环保等独特优势，因此，在地理条件允许的情况下，一般优先考虑通过管道进行输送[5-8]。

本文通过项目实例对高黏原油外输管道进行研究，通过对不同的外输管道建设方案进行计算和经济对比，对高黏原油外输管道的设计进行优化。文中原油外输管道将含水油从接转站的分离缓冲罐或储油罐输送到处理站，管道全长5 km，外输量为950 m3/d，通过对三种不同的原油外输管道设计方案进行对比，选择最优的设计方案。

1 计算参数

20 ℃时原油密度0.901 1 g/cm3，50 ℃黏度52 mPa·s，凝固点30 ℃，外输液量为950 m3/d，综合含水率为50%，控制进站温度45 ℃，进站压力0.3 MPa，埋地管道土壤温度为5 ℃，传热系数根据《油气集输设计规范》GB 50350—2005附录中取值。本文中工况通过PIPESIM软件进行模拟计算。

原油的黏度随含水率和温度变化曲线如图1、2所示。由图1、2可知，含水原油的黏度一般随着含水率的升高先上升后下降，在含水率截断点(图1中为70%)处黏度最高；含水原油黏度一般随着温度的上升而下降。

图1 50 ℃不同含水率原油的黏度

Fig.1 The crude viscosity of different water content in 50 ℃

图2 不同含水率的原油黏度随温度的变化曲线

Fig.2 The change of crude viscosity with the temperature curve in different water content

2 研究方法

设计三种含水原油输送方案，分别为单管道连续输送、双管道油水分别输送及单管道油水间歇输送方案，对每种输送方案进行不同管径模拟计算，并进行经济比选。

将外输管道的热负荷和电负荷折算成耗气量和耗电量作为管道的运行费用，将管道20年运行费用现值和建设工程费用之和定义为对比投资，作为不同方案比选的经济指标。

3 计算结果及分析

3.1 单管道连续输送

采用单条外输管道连续输送全部含水油，外输量为950 m3/d，在保证进站压力和进站温度的条件下，选用不同管径的管道进行模拟计算，具体计算结果见表1。

表1 不同管径的管道运行参数表

由表1可知，管径变大，外输系统的热负荷增加，管道压降减小，泵的轴功率下降。这是因为随着管径的增加，流体流速下降，管道沿程温降变大，根据杜克勒公式[9]可知，管道的沿程摩阻下降，由式(1)可得，泵的轴功率下降[10]。

(1)

其中：Ne为泵的轴功率，kW；Q为流体流量，m3/s；H为泵的扬程，m；ρ为流体平均密度，kg/m3；η为泵的效率。

管道管径规格与投资费用对比如图3所示。由图3可知，通过经济对比，D219的管径规格对比投资最低，为单管道连续输送的最佳管径。

图3 管道对比投资柱状图

Fig.3 Comparison of pipeline investment column

3.2 双管道油水分别输送

采用两条独立管道分别对油水进行输送，输送原油时，控制原油含水率≤20%，最大外输油量为590 m3/d，其余污水采用另一条污水管道进行输送，具体计算结果见表2和表3、图4和图5。

表2 不同管径的原油管道运行参数表

图4 原油管道对比投资柱状图

Fig.4 Comparison of crude pipeline investment column

由表2和图4可知，在输送低含水原油时，D114的管径规格对比投资最低，为输送低含水原油的最佳管径。

表3 不同管径的污水管道运行参数表

图5 污水管道对比投资柱状图

Fig.5 Comparison of effluent pipeline investment column

由表3和图5可知，在输送含油污水时，D89的管径规格对比投资最低，为输送低含水原油的最佳管径。

3.3 单管道油水间歇输送

采用一条管道输送全部含水油，同含水油连续输送方案不同，本方案管道采用低含水原油和污水间歇输送，以降低输送时的黏度，输油时控制含水率≤20%，无论输油还是输水，外输量均为950 m3/d，具体计算结果见表4和表5。

表4 输送低含水油时管道运行参数表

表5 输送含油污水时管道运行参数表

根据管道输送低含水油和含油污水的运行时间来综合计算对比投资，结果如图6所示。

图6 管道综合对比投资柱状图

Fig.6 Comprehensive comparison of pipeline investment column

通过对不同管径外输管道输油和输水时的计算结果可知，随着管径的增大，输油和输水时，泵的轴功率降低，热负荷变大，而且管线投资也相应增加，通过图6中综合对比投资可知，外输管道选用D114管径时对比投资最低。

3.4 方案比选结果

根据以上计算结果，三种含水原油输送方案的比选结果见图7。

图7 管道输送方案对比投资柱状图

Fig.7 Pipeline transportation scheme comparison of investment column

由图7可知，对于高黏含水原油，采用单管道油水间歇输送方案最合理，可以有效地降低管道输送时流体的黏度，降低管道管径和外输泵的扬程，使工程费用和运行费用都有所降低，综合对比投资在三个方案中最低；双管道油水分别输送方案虽然也降低了管道输送时的黏度，但增加管道长度及外输泵的数量，分开输送后，流体温降比较大，造成运行费用也较高，综合对比投资是三个方案中最高的，单管道连续输送方案对比投资介于其它两个方案之间。

3.5 外输温度对输油能耗的影响

根据方案比选结果，确定管道的最优管径为D114 mm×4 mm，设定管道进站压力为0.3 MPa，研究不同外输温度对输油管道能耗损失的影响，具体结果见表6。

不同外输温度管道耗气量和耗电如图8所示。由图8可知，随着外输温度的升高，耗电量越来越小，耗气量越来越大，这是因为随着外输温度的升高，导热系数越来越大，管道沿线散失的热量就会越大，从而需要更多的天然气来提供热量[11]。相反，随着温度的升高，流体黏度下降，从而降低了管道的沿程摩阻，由式(1)可知，耗电量会降低。

图8 不同外输温度管道耗气量和耗电量

Fig.8 The air consumption and power consumption curve of the pipeline with different output temperature

不同外输温度管道的运行费用如图9所示。由图9可知，外输管道的运行费用随着掺水温度的升高，先减少后增多，在50～55 ℃达到最小，这是因为，在外输温度较低时，耗电量的下降是运行费用变化的主导因素，运行费用随着外输温度的升高而下降，当外输温度较高时，耗气量的增加成为运行费用变化的主导因素，运行费用随着外输温度的升高而增加。综合考虑，外输温度在50～55 ℃运行费用最低。

图9 不同外输温度管道的运行费用

Fig.9 Operation cost curve of the pipeline with different output temperature

续表6

4 结论

通过管道输送方案比选结果可知，在输送高黏含水原油时，单管道油水间歇输送方案为最优方案，并根据经济比选确定最佳管径。

通过分析外输温度对管道能耗损失的影响，可知外输系统耗气量随着外输温度的升高而增加，耗电量随着外输温度的升高而降低；运行费用随着掺水温度的升高先降低后升高，在温度为50～55 ℃时运行费用最低。

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(编辑 王亚新)

The Research on Optimization Design for Export Pipeline of Watercut Crude Oil with High Viscosity

Qu Hu1, Wang Xinhua1, Liu Jing1, Zhou Xiuyun2, Zhu Haiyun1, Liu Dan1

(1.ChinaPetroleumEngineeringHuabeiCompany,RenqiuHebei062552,China; 2.TheThirdExploitFactoryofHuabeiOilfieldCompany,HejianHebei062450,China)

The design for export pipeline of high viscous crude oil was optimized based on the engineering project. The simulation and economic comparison of continuous transportation in the single pipeline, continuous transportation of oil and water respectively in two pipelines and batch transportation of oil and water in a same pipeline was performed. According to the analysis results, the batch transportation of oil and water in a same pipeline was the optimal scheme and the optimal diameter was determined. The results can be concluded that gas consumption increased with the rising of transmission temperature and power consumption decreased with rising of transmission temperature by analyzing the influence of the transmission temperature on the energy consumption of pipeline. The operation cost of water blending system rised first and reduced later with rising of transmission temperature,and reached the lowest point when the transmission temperature was between 50 ～ 55 ℃.

Crude oil； Export pipeline； Optimization； Energy consumption； Operation cost

1006-396X(2015)04-0081-05

2015-01-05

2015-06-20

中国石油集团华北油田公司科研基金项目(HBYT-2013-JS-333)。

曲虎(1986-)，硕士，工程师，从事油气田地面工程方面的设计与研究;E-mail:qh915gf1@163.com。

TE832

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.04.017