中國石化勝利油田地質(zhì)科學(xué)研究院

降低稠油空心桿電加熱能耗

宋勝男中國石化勝利油田地質(zhì)科學(xué)研究院

通過對稠油電加熱油井能耗節(jié)點分析，找出能耗影響因素，建立了井口溫度與能耗模型。對王莊油田A區(qū)塊油井的地面效率統(tǒng)計分析表明，其正常生產(chǎn)抽油機井的地面效率平均值為49.3%。綜合考慮抽油機最大懸點載荷及總功率，認為85℃左右為該井在模擬生產(chǎn)條件下最節(jié)能的井口溫度。由于井筒內(nèi)流體流態(tài)較為復(fù)雜，受溫度、壓力、含水、溶解二氧化碳等多種因素影響，建議下一步開展井筒內(nèi)多因素復(fù)合作用下流體物性研究，增強能耗模型的可靠性。

能耗；黏度；空心桿；電加熱；稠油

井筒電加熱抽油桿開采技術(shù)配合其他工藝能較好地適應(yīng)稠油油藏的開發(fā)[1]。空心桿電加熱能有效地保障井筒內(nèi)流體的溫度，進而降低稠油舉升過程中的黏度，使原油順利舉升到井口。然而，當前對于井筒內(nèi)溫度的變化如何影響電加熱功率和電機功率，以及對總功率的影響，能耗與井口溫度的關(guān)系尚無相關(guān)研究。

1 溫度與能耗關(guān)系模型

王莊油田X區(qū)塊為特超稠油油藏，50℃地面原油黏度高達110×104mPa·s。采用電加熱井筒降黏舉升方式，電加熱功率80～120 kW。電加熱抽油機井的總能耗是抽油系統(tǒng)能耗與電加熱能耗之和，一般情況下，井筒溫度越高，抽油系統(tǒng)的能耗就越小。通過對稠油電加熱油井能耗節(jié)點分析，找出能耗影響因素，建立了井口溫度與能耗模型，如圖1所示。

圖1 溫度與能耗關(guān)系理論模型

通過對生產(chǎn)井生產(chǎn)參數(shù)的模擬計算，比較不同井口溫度的能耗情況，確定其合適的井口生產(chǎn)溫度。

2 降耗方法

為了研究總耗電與井口溫度的關(guān)系，依次開展井筒溫度場、黏溫關(guān)系和懸點載荷的研究，最終建立節(jié)能模型[2]，如圖2所示。

圖2 電加熱節(jié)能降耗模型

2.1空心桿電加熱溫度場

空心桿電加熱屬于沿程加熱，假設(shè)電加熱放出的熱量均勻分布于全井筒，將其看作是一內(nèi)熱源。同樣在井筒上截取d i長的微元，取向上的坐標i為正方向進行能量平衡分析。地層流體在井筒流動的過程中，考慮內(nèi)熱源qi條件下的能量守恒微分方程為

其中teqd=ted-mZi

式中qi為通過油管的內(nèi)熱源強度（W·m-1）。

根據(jù)邊界條件，x=0(加熱起點處)時，θ=θds（加熱起點處流體溫度），由通解得線性加熱井段（加熱起點到加熱終點）的井筒溫度分布為

2.2黏溫關(guān)系

在不同含水率的稠油中加入質(zhì)量分數(shù)為1%油溶性復(fù)合降黏劑，充分作用后測定含水稠油70℃時黏度。再通過實驗測定含水50%稠油在加入1%復(fù)合降黏劑降黏后的黏溫關(guān)系。

王莊油田某區(qū)塊稠油使用降黏劑后，黏度—溫度—含水線性回歸方程為

其中μ為原油黏度（mPa·s）；φ為原油含水率（%）；T為溫度（℃）。

2.3懸點載荷計算

為方便計算，本文只考慮了液柱靜載荷、抽油桿柱靜載荷、慣性載荷和摩擦載荷。懸點最大、最小載荷[3]計算一般公式為

由最大懸點載荷Pmax和最小懸點載荷Pmin計算公式可知，摩擦力Ftl對最大載荷做正功，摩擦力Frl對最小載荷做負功。當流體溫度升高、黏度降低時，摩擦力Ftl和摩擦力Frl均呈現(xiàn)下降趨勢，對應(yīng)的Pmax和Pmin分別表現(xiàn)為降低和增大。

2.4電機效率

對區(qū)塊抽油機電機功率和光桿功率進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果見表1。由王莊油田A區(qū)塊油井的地面效率統(tǒng)計分析表明，其正常生產(chǎn)抽油機井的地面效率平均值為49.3%。

表1 王莊油田X區(qū)塊部分抽油機地面效率統(tǒng)計

整個電加熱抽油系統(tǒng)耗能為

為對能耗系統(tǒng)進行研究，編制了電加熱抽油系統(tǒng)耗能軟件模型。

3 應(yīng)用實例

選取P21井油井基本生產(chǎn)參數(shù)進行軟件模擬分析。運用軟件分別模擬P21井口溫度為100、95、90、85、80和75℃時油井的能耗及懸點受力情況。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最大懸點載荷隨著溫度下降先緩慢上升，在85℃后載荷上升速度加劇。電機功率隨著井口溫度降低先緩慢上升，在85℃后上升趨勢顯著加快。電加熱功率隨著井口溫度降低而持續(xù)下降?？偣β孰S著井口溫度降低逐漸下降，在85℃時出現(xiàn)總功率最小值，此后隨著溫度下降，總功率出現(xiàn)上升的趨勢。分析原因為：90℃以前，懸點載荷主要以電加熱功率影響為主，90℃以后電機功率迅猛增加，此后以電加熱功率和電機功率兩者共同影響，在85℃時兩者出現(xiàn)“平衡”，總和出現(xiàn)最小值。此時抽油機最大載荷為71.02 kN。

綜合考慮抽油機最大懸點載荷及總功率，認為85℃左右為該井在模擬生產(chǎn)條件下最節(jié)能的井口溫度。

4 效益估算

根據(jù)分析結(jié)果，P21井在第一周期含水40%、日產(chǎn)液20.4 t時，用軟件計算得出井口溫度85℃為最佳節(jié)能生產(chǎn)溫度，對最佳節(jié)能生產(chǎn)溫度和非最佳節(jié)能生產(chǎn)溫度點能耗情況進行經(jīng)濟評價。經(jīng)過模擬對比，抽油機在最佳節(jié)能溫度點運行可節(jié)電95 kW·h/d。

5 結(jié)論與建議

建立空心桿電加熱井采油能耗模型，通過模型可預(yù)測油井生產(chǎn)時的井筒溫度場、黏度場、懸點載荷、電加熱功率和電機功率。對比分析不同井口溫度下的總耗電功率及最大懸點載荷變化，可以確定電加熱油井最節(jié)能的井口溫度。實例分析結(jié)果表明，在最節(jié)能溫度點生產(chǎn)時節(jié)能效益可觀。

由于井筒內(nèi)流體流態(tài)較為復(fù)雜，受溫度、壓力、含水、溶解二氧化碳等多種因素影響，本文由于獲取資料局限性，僅對溫度、含水等影響因素進行了研究，建議下一步開展井筒內(nèi)多因素復(fù)合作用下流體物性研究，增強能耗模型的可靠性。

[1]宋時權(quán)，張公社，李晶晶，等．電加熱桿抽油井溫度分布計算[J]．斷塊油氣田，2008（3）：121-123.

[2]高云松，村志遠，丁亮亮，等．稠油空心桿電加熱井井筒溫度場數(shù)值模擬[J]．油氣田地面工程，2010，29（5）：37-38.

[3]張琪．采油工程原理與設(shè)計[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2000.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.1.001