稠油开采太阳能热泵节能技术的应用

李建馨 张祖峰 孙秀华 朱火军

（大港油田公司第六采油厂 天津 300280）

1 背景

石油企业是能源主要生产企业，同时也是能源消耗大户，面对日益紧张的能源局势和成本压力，探索高效节能技术、挖潜有效节能措施，对建设节约型企业意义重大。大港油田第六采油厂作为一个特高含水开发阶段的老油田，自然递减逐年增高，油田稳产上产难度大。近几年，随着稠油开发技术的不断完善，采油六厂采难稠油区块动用程度不断加大，并取得了很好效果。稠油区块油井举升配套高耗能电加热设备生产，耗电量高，使得稠油开采单耗居高不下，电费支出指标控制难度大。因此稠油区块电加热设备节能技术探讨迫在眉睫。

2 生产现状

近几年，随着稠油区块开发规模的不断加大，第六采油厂目前共有电热杆井34口，单台装机功率为75-100KW,月耗电3-5万度；配套使用地面管道电加热器25台，单台装机功率为30-40KW，月耗电1.5-2万度；稠油井单井平均月耗电在4-6万度，是普通油井月耗电的8倍以上，开采运行成本较高。探索可再生太阳能加热技术服务于稠油开采，替代油井电加热设备，具有很大的节能潜力。

通过研究与应用太阳能热泵加温技术，充分利用可再生清洁环保能源替代高耗能的电加热设备，探求经济的稠油开采工艺及配套技术，实现节能降耗，为进一步推动第六采油厂节能节水型企业活动深入开展，促进企业稳定、持续、高效运行具有重要意义。

3 太阳能热泵加温技术原理

太阳能热泵技术是太阳能集热装置和热泵合为一体的加热装置，以太阳能为主要能源，电能为辅助能源。在光照充足的情况下，太阳能集热器作为主要热能提供装置，通过换热装置对管道内介质进行加热；在光照条件差、阴雨天和夜间，太阳能集热器为换热装置提供的热源无法达到设定温度时，热泵及辅助加热装置则自动开启，对换热装置中的循环介质进行加热。

3.1 太阳能集热装置原理及特点

3.1.1 太阳能矩阵工作原理及特点

1)太阳能矩阵：太阳能矩阵是由太阳能集热器、管路、水箱、电器控制等组成，通过聚集太阳热能产生大量热媒介质的太阳能系统。

2)太阳能集热器原理：太阳能集热器是由多个超导金属芯真空玻璃管并联组成，超导真空管集热器通过热管内少量工质的汽—液相变循环过程，连续不断的吸收太阳辐射能为系统提供热源。

3)太阳能集热装置特点：

a）热传导效率高。热传导效率99%以上，完全收集太阳能。

b）启动快速。热管单向传热，热容小，传热速度快。

c）寿命长，免维修。导热管系采用0.6mm无氧紫铜管制作，，使用寿命在15年以上。

d）承压能力好，运行稳定，性能可靠。

3.2 热泵的基本原理及特点

3.2.1 热泵基本原理

热泵技术是一种很好的节能型空调制冷供热技术，是利用少量高品位的能源作为驱动能源，从低温热源高效吸取低品位热能，通过让工质不断完成蒸发-压缩-冷凝-节流-再蒸发的热力循环过程，从而将低品味热源泵送到高品位热能，具有良好的节能与环境效益。

3.2.2 热泵主要特点

1)高效。高温热泵效率是480%，热泵机组COP可以达到5.2以上，加上水泵等系统的COP在4.8左右，即用1千瓦的电驱动热泵后，可以制造4.8千瓦以上的热功率。

2)污染小。由于热效率高，其一次能源消耗量很小，由此造成的温室气体排放量小。

3)运行稳定可靠，自动控制程度高，运行维护费用低，寿命长。

4 太阳能热泵节能技术在稠油开采中的应用

4.1 稠油井开采工艺及能耗

第六采油厂稠油开采配套电热杆+管道电加热器生产。井底采用电热杆加热举升，单台装机功率为75-100kw，月耗电3-5万度；地面采用管道电加热器加热集输，单台装机功率为30-40kw，月耗电1.5-2万度，稠油井单井平均月耗电3-4万度。

4.2 太阳能热泵节能技术替代井底电热杆加热

4.2.1 油井生产及能耗情况

通过对采油六厂稠油井生产及能耗情况分析，在羊H1、孔1079H、孔1036-1三口井上应用太阳能热泵技术替代井底电加热杆生产。这三口井全部采用电热杆举升工艺生产，其中有2口井配套管道电加热器及地面掺水工艺生产，平均日产液10.84m3，单井平均月耗电3.3万度。三口井生产及能耗情况见表1。

表1 实施井生产及能耗统计

4.2.2实施方案

结合油田稠油井加热生产特点及需求，单井均采用8组太阳能矩阵，太阳能热泵装置采用直膨式系统，太阳集热器与热泵蒸发器合二为一，即制冷工质直接在太阳集热器中吸收太阳辐射能而得到蒸发，如图1所示。

图1 太阳能热泵装置结构示意图

应用太阳能热泵装置对油井掺水加热，加热后的掺水通过套管回掺到井下，给油井井筒伴热，实现井底产出液升温降粘，同时，因为套管回掺水稀释作用，提高了产出液含水，也可以实现稀释降粘作用，满足油井举升，停运油井电热杆管工艺。（详见图2）

图2 工艺流程图

4.2.3 实施后油井生产及能耗情况

实施后，三口油井全部停运电热杆加热设备，在保持原产液水平及掺水量的情况下，油井掺水温度提高了40℃，回掺到井底与产出液混合举升到地面后，产出液出口温度基本保持在45℃，井口回压稳定，能够满足油井生产需求。同时结合油井运行电流、回压情况，逐步下调羊H1、孔1036-1井地面管道电加热器加热温度，进一步降低了运行能耗，单井平均月节电2.18万度。

表2 实施前后生产及能耗统计

4.2.4 经济效益分析

单套太阳能热泵装置投资费用为21万元，三套装置投资费用共计63万元。项目实施后，实现年节电能力79万度，按电价0.72元/度计算，年节约电费56.88万元，投资回收期为1.11年，经济效益显著。

4.3 太阳能热泵节能技术替代地面管道加热器加热

4.3.1 油井生产及能耗情况

通过对采油六厂稠油井生产及能耗情况分析，在羊2-17、羊3H2、孔58-3H三口井上应用太阳能热泵技术替代地面管道电加热器生产。这三口井全部采用电热杆举升+地面管道加热器集输工艺生产，平均日产液15.65m3，单井平均月耗电3.3万度。三口井生产及能耗情况见表3。

表3 实施井生产及能耗统计

4.3.2 实施方案

应用太阳能热泵装置对油井产出液进行加热降粘后，经单井集油管道直接输送至采油计量站，关停原有地面管道加热器加热工艺。（详见图3）

图3 工艺流程图

4.3.3 实施后生产及能耗情况

实施后，三口油井全部停运地面管道加热器设备，在保持原产液水平及掺水量的情况下，产出液出口温度基本保持在45℃，井口回压稳定，能够满足油井生产需求，平均单井月节电12.8万度。三口井生产及能耗情况见表4。

表4 实施前后生产及能耗统计

4.3.4 经济效益分析

应用太阳能加温装置3套，投资费用共计50万元。项目实施后，实现年节电能力46.16万度，按电价0.72元/度计算，年节约电费32.24万元，投资回收期为1.55年，经济效益显著。

5 结论与认识

1）太阳能作为一种新型、清洁环保能源，通过应用节能新工艺、新设备服务于油田生产供热，具有广阔的发展前景。

2）随着太阳能热泵技术的不断成熟，应用太阳能加热应替代稠油井电加热设备生产，具有显著的社会效益及经济效益。

3）太阳能加热装置替代稠油井电加热设备现场成功应用，解决了稠油区块开发高能耗难题，开辟了油田节能技术向绿色环保能源转变的新途径。