油区地热资源的开发和利用研究

刘 澍, 刘铁敏

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

油区地热资源的开发和利用研究

刘 澍, 刘铁敏

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

目前油田油气集输系统和处理工艺主要是通过燃用石油或天然气，而采用各种类型、容量不一的加热炉对工艺进行加热，具有热效率低下，环境污染比较严重的现象。因此依据现在油田企业中集输系统中所存在的高能耗现状，对集输系统能耗状况进行详细分析。有效开发利用油区所具有的储量丰富的地热资源。根据油田集输流程的结构及工艺特点，对设计方案进行了优化分析，尽可能的提高地热水的利用效率，增大换热量，对原油外输管线进行伴热。

集输系统；地热资源；高能耗

油田企业在油气集输工艺中会消耗大量的石油天然气原料用来进行加热，其能源消耗所造成的成本占到了生产成本的约 30%。因为工艺的需要和特殊性，所以其能源消耗非常大，主要是集中于石油和天然气的收集和运输，生产的石油生产的能源消耗量占能源消费总量的 90%以上。高含水油生产能源消耗，热耗和电耗耗热量各占 50%左右，主要集中在石油和天然气油气集输系统，热耗占集输系统中能源总消耗量的 80%～83.5%。油区集输在系统稠油热采生产中的能源和热量消耗所占的份额非常高，达到 68%[1]。

在油区集输系统中，因为稠油输送温度会降低，原油粘度会降低，影响输送效率，因此需要对输油管道进行伴热，让原油充分吸热，保持一定的温度，进行外输。相关的仪表及人为导致的差错很可能产生事故，当油的温度降低到凝点以下，基本凝固的原油会使管道堵塞，甚至破裂现象会发生。因此，在管道中的原油的保温是极为重要的工作。提取的原油从井口、计量站、中转站、联合站一系列流程处理后被加工处理成所需要的成品油。其中对原油处理时因为工艺需求和原油物理特性，需要对原油进行加热，使原油温度升高，才能保证原油的正常运营输送，确保油气集输工艺的安全输送。

目前，油田在加热取热用能的途径上主要是采用容量不同的加热炉，通过燃用石油天然气燃料进行置换热量，对输送相关工艺进行升温。但是存在着热效率普遍较低与热效率提高工艺限制的矛盾问题，并且会对环境产生一定污染，对空气造成污染。因此，如何改善油区集输系统中的高能耗、高污染状况对油田企业的节能效益起着非常重要的作用。中石油股份有限总公司曾于 2004年对所拥有的 4 374 台燃用石油天然气的加热炉进行性能参数数据统计，其中分析了使用情况，结果表明热效率在75%以上的有 1 248 台加热炉。此外，有3 126 台加热炉热效率低于 75%。在油田集输工艺流程中，消耗的能量是惊人的。目前，油区加热炉设备老化，低效率的小型加热炉导致石油天然气燃料燃烧不完全，使石油天然气燃料的使用量增大，浪费了大量能源，使能源利用数量增大，具有非常大的能耗状况。而且由于工艺特点，在加热炉内壁会产生严重的腐蚀和结垢等问题，严重影响设备性能和工况稳定性。如今，国内外学者已在研制效率高的加热炉，并取得一定进展，但是大范围的更换加热炉是非常不易的，因为工艺的需要，不可能大规模进行更换加热炉[1]。

加热炉通过燃用石油天然气原料来取热会存在一些问题，主要包括：第一，原油价格会持续上涨，近些年来，原油集输系统所投入的成本增加了热量消耗；第二，燃油锅炉会在使用过程中存在腐蚀严重、结垢等情况，设备性能和运行工况都会收到严重影响，因此其热能利用效率会降低。第三，所使用的加热设备普遍不大，设备容量较小，效率不高，耗热损失大。第四，会对环境产生大量的污染，会严重污染空气，每年向空气中排放的二氧化硫、粉尘颗粒、盐类等废气、废渣会严重破坏环境。第五，近些年来，国家鼓励新能源、清洁能源的使用，包括地热能、风能、太阳能等可再生资源。这些资源的使用不但安全，而且会有效的节约能源消耗，起到保护环境的目的。为此考虑利用油田污水余热对油田输油管道进行伴热，降低能耗及保护环境。因此能源需求增加的趋势不断要求人们寻求清洁能源的开发和使用，如生物质能源、太阳能、风能、海洋能、氢能、核能等新能源。地热能作为新能源的发展前景广阔，受到了国内外学者的广泛关注[2]。

地热资源具有使用灵活和安全的特点。因此，对于作为清洁能源的地热资源的开发和利用，具有非常广阔的发展前景。对于地热资源的有效利用，有效节约的能源消耗，已成为现如今竞相发展的热点[3]。

1 地热资源概况

低热资源是地球上现在存在于内部的储量非常丰富的可再生的能源，而且地热资源是一种清洁的新能源，使用方便清洁，不会对环境造成污染，具有良好的经济效益和环境效益。在地球表面具有大量的大于 60oC 的泉水，其中有的泉水温度可以达到 100～140oC。因此足可以证明地球内部是个非常大的热量储存库，具有丰富的热量能源，蕴藏着巨大的热能资源。这些热能资源流露出地面就是地热清洁资源，是一种可再生的资源，具有非常大的经济效益和环境效益，开采利用前景广阔。

地热资源储量比较丰富，是一种清洁的可再使用的可再生资源，具有使用清洁、清洁、富足、投资少、环保的特点。增加地热资源的开发和利用地热技术创新，完善的技术支持系统。尽快建立一个全国性的研发平台，加强研究和开发工作，以提高创新能力，要有效地利用地热资源，包括各级政府的产业发展和科研计划，加大政府投入纳入财政预算企业和科研院所，以促进成果转化，按照相关技术标准、规范开发和利用清洁的地热资源，技术引进战略合作伙伴，技术创新联盟，涵盖整个产业链的所有重大方面的创新。成功引进国外的先进经验（采矿和充电技术，发电和热利用技术等），引进低温地热热泵技术，有效地利用地热资源，节省能源消耗，以保护生态的平衡和有效保护环境。

积极发展浅层地热能的资源的勘探和评估。地热能资源特别是大量的浅层地热能资源，以何种方式可用于能源的发展，对环境的长期影响，当地水文地质条件对地热资源的开发和利用有哪些限制。研究地热资源利用的影响因素，才可以正确的开发和有效利用地热资源，充分利用地热能，节约能源消耗。因此，当前应该从部分平原地区的主要城市开始开展。在勘探及评估的基础上，编制浅层地热能开发利用的规划，合理规划，以确定适当的开发和利用领域，划分很多不同土地利用方式，建立一个合理的规模开发和利用有效机制。和传统发电方式相对比可以发现地热资源直接开发利用的几大优势：一是地热能的利用一般具有较高的利用效率，一般可高达 50%～70%，较传统发电方式的 5%～20%的效率提高了很多；二是使用简便，投资较少，设备较小；三是使用较广泛。但是地热资源的使用也受一些地质条件的限制，例如：部分的确还有大量的中高温地热资源，部分地区还有大量的中低温资源，而且开采的难易程度也不同。

2 研究现状及发展趋势

地热资源是储存量比较大的清洁性能源，现在可以用利用地热资源对用户采暖、沐浴等，是一种用途较广的无污染的清洁能源。在油田，油气集输系统输送工艺中的能源消耗非常严重，特别是石油天然气燃料的使用，不但使储量有限的能源大大消耗，而且对环境造成一定污染。因此，地热资源的开采和使用，对经济发展和社会效益都具有非常大的效益，在国民经济发展中占据越来越重要的作用。我国也对地热资源使用和发展的问题上对地热资源的使用投入了科研资金和设备投入，大大的增加了我国地热资源的快速发展和利用。近些年来，由于地热资源的开发利用的效益非常显著，加大了地热市场的不断发展，各投资商对地热资源的投资热度大大增加，我国西部的地区的地热资源的开发和利用发展迅速。目前，地热资源已经广泛的应用于地热采暖、养殖、沐浴等方面。在油田也存在大量的可利用的地热资源，这部分地热资源如果能充分利用，则油区天然气和石油燃料的消耗可以得到大大减少，集输系统高能耗状况可以等到改善。其中，国内外对地热资源的开发利用状况见表1。

表1 国内外对地热资源直接利用情况Table 1 Direct utilization of geothermal resources at home and abroad

地热资源利用可分为两方面，一方面是用地热资源来直接发电。另一方面是直接利用地热采暖，地热用于农业，地热浴，这些领域需要温度低，易于使用，不需要比较复杂的工艺设备，地热资源在这些领域应用较多。不同的高温地热资源有不同的使用范围：直接发电和综合利用地热资源的温度范围为200～400oC；地热资源的制冷用于工业干燥和工业加热的温度范围为 150～200oC；地热资源用于供暖、干燥、盐类的回收和加工、食品行业等的综合利用的地热资源温度范围在 100～150oC；简易采暖、农业温室利用、沐浴等的综合利用的地热资源温度范围在 50～100oC；用于水产养殖，牧畜的饲养；土壤保温措施、脱水加工工艺、洗车等综合利用地热温度在 20～50oC。

地热资源特别是在直接利用方面在国外得到了非常大的关注。由于地热资源用来发电会收到某些限制，存在效率普遍较低、温度要求比较高的用能状况。热效率的利用效率普遍比较低，是因为不同类型的地热蒸汽轮机类别不同，热效率一般只有6.4%～18.6%，消耗了大量的能源，造成热量浪费严重的情况。对于工艺的高温要求，应该可以说是通过利用地热资源用来进行发电，地下热水资源需要满足工艺所要求的较高的温度，因此要求温度通常是超过 150oC，否则，将严重影响经济效果。地热能源的直接使用，不仅使能量损失更小，对地下热水的温度要求要低得多，可以使用很宽的温度范围为 15～180oC。然而对于大量的地热资源 70oC以上的温度范围，利用效率比较低，更高的温度所产生的能量不能被利用，对环境的热污染的形成较严重[5]。这样的低温地热资源储存十分丰富，储存量比高温地热资源大得多[6]。

2.1 国内研究现状

在中国，地热资源非常丰富，地热资源利用发展的年均增长率为 12%，增量的总体规模较大。依据不完全统计数据，每年在地热水资源的开采上已经大于 3.45×108m3，对于能量的利用水平已经达到大约 191.2×104t 标准煤的能量[7]。但是在国内的地热资源中，高温地热资源不多，所以对于地热发电的利用发展比较少。但是对于 50～90 ℃的地热资源储量非常富裕，对于这些地热资源的利用也取得了一定的进展和良好的使用效果。这些低温地热资源在许多省市中的使用和开采利用中已经取得了一定的规模。

但是在地热开发利用方面来看，与国外发达国家比起来，我国的地热资源的开发、地下水补给、耐腐蚀、规模、地热利用技术手段等都比较落后，发展比较迟缓。我国对地热资源的使用缺少成熟的经验和技术，为能统一进行综合规划，没有完整的地热利用链条，并存在不佳的整体效率。除了用于发电的高温地热资源，大部分还停留在比较简单的利用发展方式，节约的能源量非常少。许多民用设施对于中低温地热资源的使用往往还是依靠自然冷却的方法进行洗澡和治疗，使其地热水的温度降低到 50 ℃以下，使地热水的热量白白的浪费掉，造成清洁能源的浪费。若能将这些地热资源充分利用起来，就宾馆、洗浴等就可节约大量的能源。因此对于地热资源的利用主要还是缺少科学规划、技术支撑，设备比较陈旧，地热资源的开采利用率不是很高[8-10]。

2.2 地热资源利用发展存在的主要问题

油田具有储量丰富的地热资源，在过去的十年中，这些资源丰富的地热资源，虽然得到越来越多的发展，但由于缺乏统一的规划，未能得到很好地利用，热能利用效率水平整体不高，产业化程度低，因此地热资源的开采和使用，普遍存在以下主要问题：

（1）我国有些地区的地热资源储存量非常大，温度大多是中低温阶段，对于这部分地热资源，没有形成良好的使用手段，没有对这部分地热资源的使用进行良好的规划，因此虽然地热资源储量富裕，但是没有完整的良好的发展趋势和利用现状。

（2）地热能为油田集输加热提供所需要的热能用于加热原油进行外输，减少和降低能源的消费，但应用领域还仍处于起步阶段，还可以用来对油罐进行保温。例如，对于油区集输系统工艺中所建立的工作站、计量站、联合站等对于原油的处理工艺都需要加热，因此在油区集输系统工艺中存在大量的容量不一的加热炉等设备，耗能非常大，因此如何节约这部分能源消耗是油区集输系统面临的主要问题之一。而地热资源作为一种清洁的新能源，对于石油和气体燃料的节约具有很大的发展利用潜力。

（3）地热可以替代加热炉使用的石油天然气燃料，工艺流程的简化的过程和节能评价还缺乏较系统和深入的研究。

（4）缺乏成熟的技术及工艺设备。油井生产，开采高粘度油的混合物因温度升高所产生的流体必须降低液体本身产生的粘度，因为粘度太大，流动性比较小，不易开采。因此，目前利用大量的高品位能的电能或者燃料进行井筒加热保温，造成大量的能源浪费，能源利用结构不太合理，而且燃料使用不充分等都造成了能源的严重消耗。而存在大量的地热资源却未能得到良好的应用。

（5）对于地热水应用中的关键环节之一是加热过程流体热交换系统，油田地热水含有石油和其他碳氢化合物，对于地热换热器和传热促进技术的过程中，在同一时间的腐蚀问题是缺乏研究。

3 发展趋势

我国地热资源现在的利用主要是解决居民采暖、生活供热，主要利用中低温地热资源。将来的发展是要使地热资源广泛用于采暖、制冷、生活供水、地热养殖、沐浴等方面，使地热资源达到高效利用，增大地热资源的使用效率。若能将地热资源充分用于工业，则可节约大量的资源，并能充分保护环境，减少工业因消耗资源制热而造成的环境污染。

由图1 可知，世界上地热资源开发利用，只是传统的专注于低效率的高低热（火）建筑供热采暖、养殖、农业温室发展、沐浴、热水和卫生保健。这些方面对地热资源使用要求比较低，因为直接利用合适的温度通常是在较低的温度范围内，约 40～ 65oC 范围内，所需的技术要求一般不会太高。使用比较方便，技术利用手段要求低，所以地热资源在这些方面应用的比较广泛。

图1 世界中低温地热资源利用结构比例图Fig.1 The proportion of the low temperature geothermal resource utilization

对于沐浴、养殖、民用等，因为所需设备使用简单，非常容易达到地热的使用要求，安全环保。然而针对于大量的 70oC 以上温度的范围的地热资源来说，低热利用未能得到普及，大部分较高温度地热资源没有得到有效利用而浪费掉，造成能源浪费。使用非清洁能源会对环境形成热污染，对环境污染较大。因此在地热资源的今后发展利用方面，应该重点开发中高温地热资源并使地热资源这样的清洁能源运用于工业生产，提高这部分中高温地热资源的利用效率，加强对生态环境的保护[11]。

［1］熊宇，朱东志．长输管道原油加热炉现状及发展趋势[J]．油气储运，2006，7(2)：40-42．

［2］姜军，孔宪文．低温地热的开发前景[J]．东北电力技术，2002，9(3)：14-16．

［3］廖忠礼，张予杰，等．地热资源的特点与可持续开发利用[J]．2006，中国矿业，2006，15(10)：8-11．

［4］朱家玲．地热能开发与应用技术[M]．北京：化学工业出版社，2006．

［5］Manfred P.Hochstein．History of geothermal exploration in Indonesia from 1970 to 2000[J]．Geothermics，2008，12(37)：220-266.

［6］Thorkell Edingsson．Comprehensive use of geothermal energy for largesportscomplexes：the Icelandic approach[C]．Proceedings of 2002 Beijinglntematlonal Geothermal Symposium，2002：345-353．

［7］司士荣．国内外地热能开发利用综述[C].维普资讯：6-7.

［8］徐军祥．我国地热资源与可持续开发利用[J]．中国人口·资源与环境，2005，15(2)：139-141．

［9］何满潮，李启民．地热资源梯级开发可持续应用研究[J]．矿业研究与开发，2005，25(3)：37-40．

［10］马立新，田舍．我国地热能开发利用现状与发展[J]．资源产业经济，2006，12(6)：19-21．

［11］梁金国，王照亮．地热资源综合利用技术研究[D]．青岛：中国石油大学（华东），2006．

Development and Utilization of Geothermal Resources in Oil Regions

LIU Shu, LIU Tie-min
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

The current oil and gas gathering system and processing technology usually obtain heat energy through burning oil or gas in heating furnace, which has heat efficiency to cause serious environmental pollution. In this paper, based on the status quo of high energy consumption in the field gathering system, energy consumption condition of the gathering and transportation system was analyzed. It’s pointed out that abundant geothermal resources in oil region should be effectively developed and utilized. According to the structure and process characteristics of oilfield gathering process, the design has been optimized to improve hot water use efficiency and increase the heat transfer for improving crude oil heat tracing of external transmission pipelines.

gathering system; geothermal resources; high energy consumption

TE 832

A

1671-0460（2014）11-2370-04

2014-04-04

刘澍（1990-），男，辽宁抚顺人，硕士研究生学位，2014年毕业于辽宁石油化工大学企业管理专业，研究方向：企业关键客户研究。