楊立龍

(中國(guó)石油遼河油田公司高升采油廠,遼寧盤錦124125)

空心桿電加熱舉升工藝在牛心坨油田的應(yīng)用

楊立龍

(中國(guó)石油遼河油田公司高升采油廠,遼寧盤錦124125)

牛心坨油田屬于高凝稠油油田,原油含蠟量高、凝固點(diǎn)高、粘度高,主體采油工藝為閉式熱水循環(huán),隨著開(kāi)發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng),逐漸暴露出一系列問(wèn)題,有必要開(kāi)展舉升工藝轉(zhuǎn)換研究,以保證油田有效開(kāi)發(fā)和產(chǎn)量穩(wěn)定。通過(guò)研究對(duì)比各種不同降粘工藝的優(yōu)缺點(diǎn),最終確定空心桿電加熱舉升工藝替代熱水循環(huán)井的主體生產(chǎn)工藝,并優(yōu)化了電纜的下入深度及油井動(dòng)態(tài)參數(shù),引進(jìn)相應(yīng)配套工藝,開(kāi)發(fā)了高凝稠油電加熱抽汲系統(tǒng)優(yōu)化軟件。電加熱舉升工藝在牛心坨油田應(yīng)用取得了成功。

牛心坨油田;高凝稠油;舉升工藝;空心桿電加熱

1 牛心坨油田概況

1.1 油田基本概況

牛心坨油田構(gòu)造上位于遼河斷陷西部凹陷北端,是牛心坨斷裂背斜構(gòu)造帶南部的一個(gè)斷塊,主要開(kāi)發(fā)目的層為新生界古近系沙河街組四段牛心坨油層及太古界花崗巖潛山油層,動(dòng)用含油面積5.8 km2,石油地質(zhì)儲(chǔ)量1648×104t;牛心坨油田屬于高凝稠油,具有高凝油和稠油的雙重特性,原油粘度400～6973.6mPa·s,凝固點(diǎn) 32～50 ℃,原油密度0.89～0.92g/cm3,析蠟溫度51～64 ℃,膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量31.5%～79.6%,含蠟8.7%～18.5%。

牛心坨油田1989年全面投入開(kāi)發(fā),1990年8月試注水,1991年3月全面轉(zhuǎn)注,主導(dǎo)采油工藝為閉式熱水循環(huán)。截止目前牛心坨油田有油井157口,開(kāi)井131口,其中熱水循環(huán)井132口,電加熱井8口,干抽井4口,日產(chǎn)油410.7t,區(qū)塊綜合含水達(dá)68.5%,處于注水開(kāi)發(fā)中高含水期遞減階段。

1.2 舉升工藝現(xiàn)狀

牛心坨油田閉式熱水循環(huán)管柱具體為:舉升油管下部安裝封隔器,加熱油管同心安裝,熱水從兩油管環(huán)形空間注入,加熱舉升油管及其產(chǎn)出液,經(jīng)油套環(huán)空返出地面,產(chǎn)出流體由中心油管舉升至地面。熱水循環(huán)地面流程及井下管柱結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 熱水循環(huán)地面流程及井下管柱結(jié)構(gòu)

熱水循環(huán)工藝地面主要流程為:循環(huán)水在站內(nèi)加熱后,經(jīng)站內(nèi)配水間進(jìn)入各單井熱水循環(huán)管線到達(dá)油井,與井筒內(nèi)油流熱交換后,返回站內(nèi)再加熱,如此往復(fù)循環(huán)。通過(guò)近些年的開(kāi)發(fā),暴露出以下幾個(gè)問(wèn)題:

(1)天然氣消耗量大,天然氣供給緊張。牛心坨油田日耗天然氣4.3×104Nm3,而自身天然氣產(chǎn)量很少,大部分由老區(qū)(高升油田)供給。近幾年隨著老區(qū)天然氣產(chǎn)量大幅度降低,供給越來(lái)越困難,已開(kāi)始制約牛心坨油田的正常生產(chǎn)。

(2)熱水循環(huán)工藝復(fù)雜,油井管理難度大。首先,閉式熱水循環(huán)管柱密封性較差,存在循環(huán)水漏失問(wèn)題,縮小了生產(chǎn)壓差,降低了泵效,抑制了油井的產(chǎn)量。其次,由于熱水循環(huán)工藝井下管柱結(jié)構(gòu)上的限制,無(wú)法完成油井的洗井及動(dòng)液面的錄取,增加了油田開(kāi)發(fā)后期油井精細(xì)化管理的難度。

(3)長(zhǎng)期高溫?zé)崴h(huán),導(dǎo)致套管損害、管網(wǎng)腐蝕增多和井下管柱及循環(huán)管線結(jié)垢嚴(yán)重,增加了作業(yè)及維護(hù)費(fèi)用。

2 降粘舉升工藝的確定[1-4]

目前舉升高粘度、高凝固點(diǎn)原油的方法主要有三種:第一種是熱油或熱水伴熱方法,即目前牛心坨應(yīng)用的熱水循環(huán)工藝;第二種是井筒化學(xué)加藥方法,即由環(huán)空連續(xù)不斷的將化學(xué)藥劑注入井底,與井底原油形成乳化液(水包油型),從而降低原油粘度,或使原油分散降低凝固點(diǎn),目前尚無(wú)同時(shí)具有降粘、降凝固點(diǎn)的化學(xué)劑;第三種是油井電加熱技術(shù),通過(guò)電纜或油管釋放熱量,使原油在井筒內(nèi)得到降粘、舉升。牛心坨油田原油屬于高凝稠油,具有稠油和高凝油的雙重特性,目前尚無(wú)有效的化學(xué)藥劑即能降粘又能降凝,因此,牛心坨舉升工藝轉(zhuǎn)換的主要方式應(yīng)為電加熱工藝。

目前電加熱采油工藝主要有:空心桿內(nèi)電纜加熱、油套環(huán)空電磁加熱、通電抽油桿加熱等,其中應(yīng)用范圍廣、技術(shù)成熟度高的工藝為空心桿內(nèi)電纜加熱,其次是油套環(huán)空電磁加熱。空心桿內(nèi)電纜加熱技術(shù)特點(diǎn):加熱功率大,加熱功率可達(dá)50～150W/m;升溫范圍較大,△T可達(dá)40～60℃;加熱深度在1800m內(nèi)任意可調(diào);管理方便,不需設(shè)專人管理。油套環(huán)空電磁加熱技術(shù)特點(diǎn):加熱深度大,加熱工藝是利用正常生產(chǎn)油井中的油管做熱源體,油管本身既產(chǎn)生熱量又加熱油管內(nèi)的流體,無(wú)須再投入其它發(fā)熱元件,也不需要用其它導(dǎo)體來(lái)傳輸能量。與其它電熱采油技術(shù)相比,節(jié)省了電纜的投入,降低了成本。缺點(diǎn):①受油井產(chǎn)液、含水及動(dòng)液面限制,通常要求產(chǎn)液大于5t/d,含水小于60%,動(dòng)液面大于1000m;②熱效率相對(duì)較低,一部分熱量損失在套管上(約33%);③作業(yè)施工復(fù)雜。

目前牛心坨油田開(kāi)發(fā)已進(jìn)入注水開(kāi)發(fā)中高含水期遞減階段,區(qū)塊綜合含水達(dá)68.5%,隨著開(kāi)發(fā)的深入,油田含水將進(jìn)一步升高,超過(guò)了油套環(huán)空電磁加熱的要求,而空心桿內(nèi)電纜加熱則完全可以滿足油田開(kāi)發(fā)的技術(shù)要求。因此,確定采用“空心桿電纜加熱”方式作為主體舉升工藝。

3 空心桿電加熱舉升工藝的研究與配套

3.1 空心桿電纜加熱技術(shù)原理[5-9]

空心桿內(nèi)電纜加熱采油裝置主要由中頻控制柜、加熱電纜、空心抽油桿組成?；陔娏鳠嵝?yīng)的原理即焦耳-楞次定律,將輸入380V、50Hz的工頻電源,經(jīng)三相橋式整流、濾波后變成500V直流電壓,再經(jīng)主回路和控制回路逆變成500～2500Hz的交流電壓電路,最后由中頻變壓器的副邊輸送到電纜銅芯與外壁構(gòu)成的回路,當(dāng)交變電流流過(guò)電纜銅芯與外壁時(shí),會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng),使空心桿發(fā)熱,加熱原油。加熱功率的大小,可由中頻控制柜控制、調(diào)整,實(shí)現(xiàn)原油的有效舉升。

3.2 空心桿電加熱的參數(shù)選擇

3.2.1 井筒傳熱過(guò)程概述

如圖2井筒徑向結(jié)構(gòu)分布依次為:電纜、空心抽油桿、油流、油管、油套環(huán)空、套管、水泥環(huán)。電纜、空心抽油桿在空心抽油桿下部相連,與地上的電源構(gòu)成回路,通電時(shí)空心抽油桿發(fā)生集膚效應(yīng),產(chǎn)生熱量,加熱稠油?？招某橛蜅U既起抽油桿的作用,又是加熱主體。

圖2 電加熱抽油系統(tǒng)

油流上升過(guò)程中不僅自身發(fā)生各種物理化學(xué)變化,還要和周圍環(huán)境發(fā)生熱傳遞,其傳熱過(guò)程主要經(jīng)過(guò)以下幾步:①抽油桿發(fā)熱把熱量傳給流體;②流體經(jīng)過(guò)對(duì)流把熱量傳給油管內(nèi)壁;③通過(guò)導(dǎo)熱把熱量從油管內(nèi)壁傳到外壁;④以對(duì)流和輻射形式將熱量從油管外壁經(jīng)油套環(huán)空傳到套管內(nèi)壁;⑤以導(dǎo)熱形式把熱量從套管內(nèi)壁傳到套管外壁;⑥通過(guò)導(dǎo)熱把熱量從套管外壁經(jīng)水泥環(huán)傳給地層。

3.2.2 空心桿電加熱電纜下深的確定

(1)拐點(diǎn)溫度確定:原油從油層流到井底,再由井底舉升到地面是一個(gè)降壓、脫氣、降溫、變稠的過(guò)程。當(dāng)溫度下降達(dá)到一定值后,其粘度將隨著溫度下降而急劇上升,迅速稠化,把這個(gè)定值溫度稱為稠油的拐點(diǎn)溫度,拐點(diǎn)溫度計(jì)算公式如下:

式中:T0——拐點(diǎn)溫度 ,℃;μ50——50 ℃脫氣原油粘度,mPa·s。

根據(jù)上式進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 牛心坨油田原油拐點(diǎn)溫度計(jì)算結(jié)果

(2)電加熱電纜下深:根據(jù)熱傳導(dǎo),可建立井筒的熱能平衡方程為:

式中∶θ——油管中心位置處原油的溫度,℃;k——總傳熱系數(shù),W/(m ·℃);q——內(nèi)熱源,W/m;W ——水當(dāng)量,W/℃;t0——井底原油溫度,℃;m——地層溫度梯度,℃/m。Mf——原油質(zhì)量流量 ,kg/s;Cf——原油比熱 ,J/(g·℃);Mg——水質(zhì)量流量,kg/s;Cg——水的比熱,W/(g·℃)。

依據(jù)上述公式可計(jì)算出自然溫場(chǎng)下,不同產(chǎn)液及不同原油拐點(diǎn)溫度下對(duì)應(yīng)電纜下深,結(jié)果見(jiàn)表2。牛心坨油田油井平均產(chǎn)液9.3t/d,拐點(diǎn)溫度主要在50℃左右。因此,為保證油井正常生產(chǎn),確定電加熱下深為1100～1200m。

表2 電纜下深與產(chǎn)液關(guān)系 m

3.2.3 空心桿電加熱功率的選擇

根據(jù)不同產(chǎn)液量油井的井口溫度和加熱深度合理地選擇電加熱功率,既可以節(jié)能降耗,又可以延長(zhǎng)電纜的使用壽命。要正確選擇油井加熱功率需從井筒溫度場(chǎng)出發(fā)進(jìn)行計(jì)算,在計(jì)算中采用了以下能量平衡方程:

式中:K——井筒兩側(cè)介質(zhì)間的傳熱系數(shù),W/(m·℃);θ——油管中油氣混合物的溫度 ,℃;t0——某一深度下的地層溫度,℃;m——地溫梯度,℃/m;l——沿井深方向的長(zhǎng)度 ,m;Gf、Gg——液、氣體流量,kg/s;q——熱源強(qiáng)度,W/m;w ——油氣混合物的水當(dāng)量,W/℃。

根據(jù)以上方程和一定的邊界條件,可計(jì)算加熱時(shí)井筒產(chǎn)液溫度分布,從而可求解電加熱功率。經(jīng)計(jì)算牛心坨油田各井加熱功率在40～60kW之間。

3.3 空心桿電加熱技術(shù)參數(shù)優(yōu)化

牛心坨油田電加熱舉升工藝替代閉式熱水循環(huán)工藝后,油井負(fù)荷增加較大,需要優(yōu)化降低負(fù)荷。而目前現(xiàn)有油井抽汲系統(tǒng)軟件只能滿足稀油井,無(wú)法用于稠油井,特別是高凝稠油+電加熱油井的優(yōu)化問(wèn)題,因此開(kāi)發(fā)編制了“高凝稠油電加熱抽汲系統(tǒng)優(yōu)化”軟件。

應(yīng)用“高凝稠油電加熱抽汲系統(tǒng)優(yōu)化”軟件,可以根據(jù)輸入油井動(dòng)態(tài)參數(shù):泵深、泵徑、沖程、沖次、產(chǎn)液、含水、含蠟量、粘度等已知數(shù)據(jù),直接求出拐點(diǎn)溫度、凝固點(diǎn)、井口溫度、最大載荷、最小載荷、最大扭矩、電機(jī)功率以及抽油桿配比情況。

高凝稠油電加熱抽汲系統(tǒng)優(yōu)化軟件的應(yīng)用,不但降低了電能消耗,而且滿足了14型抽油機(jī)在安全負(fù)荷內(nèi)運(yùn)行,解決了深井高凝稠油電加熱井超負(fù)荷的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。

3.4 空心桿電加熱工藝配套

3.4.1 引進(jìn)大通徑液力減載裝置

針對(duì)采用電加熱舉升工藝后,抽油機(jī)負(fù)荷大的問(wèn)題,引進(jìn)了大通徑液力減載裝置。裝置由長(zhǎng)柱塞、減載柱塞及與其配套的泵筒、附件等組成(見(jiàn)圖3)。減載器安裝在空心桿下方,泵筒與油管相連,通過(guò)連通使減載柱塞的上下端面分別處在油套不同的壓力系統(tǒng)中,油管內(nèi)液柱壓力與套管壓力的壓力差所產(chǎn)生的力作用在減載柱塞的下端面,使其產(chǎn)生一個(gè)18～23kN的向上的舉升力,從而達(dá)到減輕抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷的目的,使抽油機(jī)正常工作。

圖3 液力減載裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.4.2 應(yīng)用智能可調(diào)適中頻電源

在恒功率中頻加熱電源加裝溫控器及數(shù)字信號(hào)處理器,對(duì)不同原油物性的油井,溫控器設(shè)定不同的加熱溫度。當(dāng)油井產(chǎn)量波動(dòng),油井出液溫度偏離設(shè)定溫度時(shí),溫控器發(fā)出信號(hào)給數(shù)字信號(hào)處理器,數(shù)字信號(hào)處理器控制中頻加熱電源調(diào)節(jié)加熱功率,保證油井出液溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度,減少不必要的電能浪費(fèi)。

4 空心桿電加熱技術(shù)的應(yīng)用效果

4.1 產(chǎn)量對(duì)比分析

實(shí)施加熱工藝的油井中,產(chǎn)量具有可比性的有46口(水井轉(zhuǎn)抽、新井投產(chǎn)、老井復(fù)產(chǎn)、增油措施除外),與措施前對(duì)比,平均日產(chǎn)液增加0.3t,日產(chǎn)油減少0.09t,含水上升了1.9%(見(jiàn)表3)。去掉工作制度改變、地質(zhì)含水上升、井下管泵異常等因素影響后,平均日產(chǎn)液量減少0.02t,日產(chǎn)油增加0.4t,含水下降了5%。

表3 電加熱舉升工藝前后可對(duì)比產(chǎn)量對(duì)照

4.2 油井負(fù)荷對(duì)比分析

油井最大負(fù)荷由措施前的87.82kN增加到措施后的102.89kN,增加了15.07kN,但91%抽油機(jī)的載荷還是在合理的范圍內(nèi),后實(shí)施了減載裝置、更換小泵、下調(diào)工作制度、上提泵掛等措施,油井負(fù)荷控制在了安全范圍內(nèi)。油井負(fù)荷差由措施前的53.6kN下降到44kN,平均下降9.6kN,說(shuō)明電加熱的降粘效果好于閉式熱水循環(huán)。

4.3 地面集輸情況

從32站措施前后集輸數(shù)據(jù)來(lái)看,井口溫度平均下降11℃,平臺(tái)溫度下降5～8℃,壓力最大升高0.04MPa,站內(nèi)外輸溫度下降3℃,壓力增高0.03 MPa,均在合理范圍之內(nèi)。可見(jiàn)電加熱舉升工藝能夠保證產(chǎn)出液的正常外輸。

4.4 能耗分析

(1)耗電方面:電加熱井單井平均加熱功率為70 kW,年耗電56.06×104kW·h。同時(shí)停運(yùn)熱循泵5臺(tái),每臺(tái)泵年耗電92×104kW·h。計(jì)算表明,電加熱舉升工藝年耗電累計(jì)增加2452×104kW·h。

(2)節(jié)氣方面:實(shí)施電加熱工藝的3個(gè)站,共停運(yùn)轉(zhuǎn)2300kW熱循加熱爐6臺(tái),同時(shí)新增80kW井口進(jìn)站預(yù)熱爐13臺(tái)和300kW平臺(tái)臥式爐2臺(tái),綜合計(jì)算,月可節(jié)氣371.6×104m3。

5 結(jié)論

(1)空心桿電加熱技術(shù)投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后,油井的產(chǎn)液、產(chǎn)油平穩(wěn),油井的負(fù)荷均在合理的指標(biāo)內(nèi),生產(chǎn)正常?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明:電加熱工藝可以替代閉式熱水循環(huán)工藝,滿足牛心坨油田高凝稠油的正常舉升。

(2)空心桿電加熱技術(shù)在牛心坨油田的規(guī)模性應(yīng)用,有效緩解了天然氣緊張的局面,實(shí)現(xiàn)了牛心坨油田正常開(kāi)發(fā),具有較好的社會(huì)效益。

(3)空心桿電加熱技術(shù)具有較好的節(jié)氣、降粘效果,同時(shí),解決了閉式熱水循環(huán)舉升工藝無(wú)法洗井及井下參數(shù)無(wú)法錄取的問(wèn)題,為牛心坨油田中高含水期的開(kāi)發(fā)進(jìn)行有效調(diào)控提供了依據(jù)。

(4)空心桿電加熱技術(shù)在牛心坨油田高凝稠油舉升方面的成功應(yīng)用,為類似區(qū)塊的原油舉升提供了有效的技術(shù)手段。

[1] 孟慶學(xué).高凝油開(kāi)采工藝技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].石油科技論壇,2006,(6):36-40.

[2] 楊明生.交流變頻電加熱技術(shù)在高凝油生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].控制工程,2004,(2):46-48.

[3] 李慶義.井下電纜加熱技術(shù)在高凝油開(kāi)采中的應(yīng)用[J].河南石油,2004,18(5):51-52.

[4] 王愛(ài)民.電熱空心桿越泵裝置在稠油開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,1997,(5):26-28.

[5] 萬(wàn)仁溥.采油工程手冊(cè)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2000:345-350.

[6] 申勁.空心抽油桿技術(shù)水平評(píng)價(jià)[J].石油機(jī)械 ,1994,(6):53-55.

[7] 仲志紅.集油管線集膚效應(yīng)電伴熱技術(shù)[J].油氣田地面工程 ,2003,(9):26-28.

[8] 扈道明.空心抽油桿的參數(shù)及其應(yīng)用特點(diǎn)[J].石油機(jī)械,1994,(5):56-59.

[9] 蓋平原,趙延茹,沈靜,等.勝利油田稠油熱采工藝現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].石油地質(zhì)與工程,2008,22(5):131-133.

編輯:李金華

TE357

A

2010-10-06

楊立龍,高級(jí)工程師,1975年生,1997年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院油藏工程專業(yè),現(xiàn)主要從事油田開(kāi)發(fā)管理工作。

1673-8217(2011)01-0101-04