張丁涌， 于光松， 李美蓉， 萬(wàn)惠平， 馬倩倩， 劉 凱

(1.中國(guó)石化勝利油田 現(xiàn)河采油廠，山東 東營(yíng) 257026; 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院，山東 青島 266580；3.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580)

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乳化稠油電加熱井筒舉升邊界條件研究

張丁涌1， 于光松2， 李美蓉2， 萬(wàn)惠平1， 馬倩倩3， 劉 凱1

(1.中國(guó)石化勝利油田 現(xiàn)河采油廠，山東 東營(yíng) 257026; 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院，山東 青島 266580；3.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580)

井筒電加熱降黏技術(shù)在國(guó)內(nèi)的各大油田應(yīng)用非常廣泛，隨著勝利油田現(xiàn)河采油廠特超稠油井的開發(fā)，井筒電加熱配套井?dāng)?shù)也逐漸增多，為解決采油廠井筒電加熱配套井?dāng)?shù)增多，造成能耗過(guò)大的問(wèn)題，以勝利油田現(xiàn)河采油廠稠油為研究對(duì)象，開展稠油乳狀液黏度-溫度-含水變化規(guī)律研究，總結(jié)出了現(xiàn)河采油廠稠油的黏溫特性以及拐點(diǎn)溫度、含水分布等規(guī)律。以拐點(diǎn)溫度作為臨界溫度，確定乳化稠油電加熱井筒舉升的黏度邊界為110 000 mPa·s，低于此黏度的稠油乳狀液無(wú)需開啟電加熱就能順利從井筒舉升到地面。最終根據(jù)黏度邊界制定出乳化稠油井筒舉升優(yōu)化圖版，以指導(dǎo)稠油高效節(jié)能開采。

井筒電加熱； 乳化轉(zhuǎn)相點(diǎn)； 黏度邊界

稠油開采困難主要是由于進(jìn)入井筒后溫度的散失，導(dǎo)致稠油黏度增大，流動(dòng)性變差，難以順利被井筒舉升至地面[1]。目前井筒電加熱降黏措施是解決稠油開采舉升難題的主導(dǎo)工藝[2-5]。電加熱降黏工藝其實(shí)質(zhì)是補(bǔ)償井筒內(nèi)的散熱，使得井筒內(nèi)的稠油溫度保持在一定的溫度以上，稠油能一直保持流動(dòng)狀態(tài)，從而順利地舉升到井口[6]。

勝利油田現(xiàn)河采油廠稠油主要分布在樂(lè)安油田和王家崗油田，黏度在10 000～100 000 mPa·s。自2009年以來(lái)，隨著王152、草33、草20西北部等特超稠油區(qū)塊的開發(fā)，配套井筒電加熱裝置的井?dāng)?shù)由最初的50口增加到目前的190口，耗電量也由最初的1 811萬(wàn)度增加至2 310萬(wàn)度，造成能耗增多，經(jīng)濟(jì)成本加大。

稠油高黏的內(nèi)因是稠油中含有大量的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，而膠質(zhì)、瀝青質(zhì)是稠油中極性較強(qiáng)的兩個(gè)組分，其分子內(nèi)及分子間極容易發(fā)生締合，增大了稠油的黏度[7]。稠油高黏的外因之一為溫度，稠油對(duì)溫度有著極強(qiáng)的敏感性，在溫度較低時(shí)，稠油黏度較大，并且流動(dòng)性差，隨著溫度的升高，稠油黏度變小，并可以正常流動(dòng)[8-9]。原油在開采和運(yùn)輸過(guò)程中，在流經(jīng)管路、閥門等一些機(jī)械裝置時(shí)，在機(jī)械力的作用下會(huì)使得原油與水發(fā)生強(qiáng)烈的攪拌形成W/O型乳狀液，隨著含水率的增大，稠油乳狀液黏度呈先增大后減小的趨勢(shì)，并且黏度存在一個(gè)最大值，此時(shí)黏度最大值所對(duì)應(yīng)的含水率定義為乳化轉(zhuǎn)相點(diǎn)，乳化轉(zhuǎn)相點(diǎn)后稠油乳狀液由W/O型乳狀液轉(zhuǎn)相變?yōu)镺/W型乳狀液，稠油乳狀液黏度減小[10-11]，因此應(yīng)盡量避免在稠油乳化轉(zhuǎn)相點(diǎn)附近進(jìn)行開采[12]。

因稠油黏度是影響稠油舉升的關(guān)鍵因素，稠油乳狀液黏度與自身性質(zhì)、溫度以及含水有關(guān)，而在開采過(guò)程中，稠油的自身性質(zhì)是無(wú)法改變的，但可通過(guò)控制稠油的溫度以及稠油乳狀液的含水情況來(lái)改變稠油乳狀液的黏度，故需要開展稠油加熱輔助降黏的產(chǎn)出液黏度邊界條件研究，找出稠油開采過(guò)程中的溫度-含水邊界，最終確定出不同乳化稠油井筒舉升技術(shù)圖版，指導(dǎo)稠油井筒舉升技術(shù)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)稠油高效節(jié)能開采。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

勝利油田稠油油樣(由勝利油田現(xiàn)河采油廠提供)，分別為草南平40、草20-平131、草20-平149、草20-平124、王140-平17 5種稠油； DIS-Ⅱ型石油含水電脫分析儀，山東中石大石儀科技有限公司；Brookfield DV-Ⅱ+Pro 型數(shù)顯黏度計(jì)，美國(guó)BROOKFIELD 公司； TDA-8002型電熱恒溫水浴，山東省龍口市先科儀器公司；AE-200型電子分析天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；JJ-4六聯(lián)電動(dòng)攪拌器，常州賽普實(shí)驗(yàn)儀器廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 脫水稠油的制備以及黏溫曲線的測(cè)定

用DIS-Ⅱ型石油含水電脫分析儀將稠油脫水得到凈化油，并用DV-Ⅱ+Pro 型數(shù)顯黏度計(jì)測(cè)定脫水稠油在不同溫度下的黏度，并做溫度-黏度曲線，繪制黏溫曲線。

1.2.2 稠油乳化特性曲線的測(cè)定 在不同溫度下，以800 r/min的轉(zhuǎn)速通過(guò)機(jī)械攪拌將稠油和水乳化配置成具有不同含水率的乳狀液，用RV7轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)速10 r/min下測(cè)定各乳狀液的黏度，繪制含水率-黏度曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 稠油的黏溫特性

低溫條件下，稠油表現(xiàn)為非牛頓流體特性，對(duì)溫度極其敏感，即使溫度變化很小，但其黏度變化巨大；高溫條件下，稠油表現(xiàn)為牛頓流體特性，對(duì)溫度敏感性降低，溫度變化對(duì)稠油黏度的影響較小。故只要將溫度提升到一個(gè)特定的溫度值，稠油則會(huì)從非牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)榕ｎD流體，而這個(gè)特定的溫度值則被稱為拐點(diǎn)溫度[13]。在直角坐標(biāo)中，稠油的黏溫曲線是一條光滑的曲線，拐點(diǎn)溫度在黏溫曲線圖上不明顯。但將其數(shù)據(jù)繪制在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，由于流體的狀態(tài)不同，則其黏度與溫度的關(guān)系也不一樣，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中則表現(xiàn)為兩條相交的直線[14]，其交點(diǎn)坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的溫度則為拐點(diǎn)溫度。只要保證井底到井口的溫度均在拐點(diǎn)溫度以上就可以滿足稠油在井筒內(nèi)的流動(dòng)性，所以只要保證井口溫度大于拐點(diǎn)溫度，就能保證油井的正常生產(chǎn)。

2.1.1 稠油拐點(diǎn)溫度的確定 特稠油和超稠油黏溫曲線如圖1、2所示。根據(jù)圖1及圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，草20-平124、王140-平17、草20-平149為特稠油，草20-平131、草南平40為超稠油。由5種稠油的黏溫曲線可知，稠油的拐點(diǎn)溫度在40～60 ℃，不同性質(zhì)的稠油具有不同的拐點(diǎn)溫度[13]。

圖1 特稠油黏溫曲線

Fig.1 The viscosity-temperature curve of ultra-heavy oil

圖2 超稠油黏溫曲線

Fig.2 The viscosity-temperature curve of super-heavy oil

圖3是在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，根據(jù)3口特稠油井及2口超稠油井的黏溫?cái)?shù)據(jù)繪制的拐點(diǎn)溫度分布圖。

圖3 黏溫曲線半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖

Fig.3 Semilogarithmic chart of the viscosity-temperature curve

利用數(shù)學(xué)方法，可計(jì)算得到不同類型稠油拐點(diǎn)溫度近似值公式:

(1)

式中，μ為50 ℃時(shí)的原油黏度，mPa·s；t為拐點(diǎn)溫度，℃。

通過(guò)公式(1)分別計(jì)算5口稠油井的拐點(diǎn)溫度，結(jié)果如表1所示，根據(jù)黏溫曲線半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中找出的交點(diǎn)值與公式計(jì)算得到的拐點(diǎn)溫度誤差在5%以內(nèi)。

表1 5種油樣的拐點(diǎn)溫度

2.1.2 拐點(diǎn)溫度與油層溫度的對(duì)比 現(xiàn)河采油廠5口稠油井的油層溫度和拐點(diǎn)溫度分布情況如圖4所示。從圖4中可以看出，各稠油井的地層溫度均在70 ℃左右，相差不大；而稠油的拐點(diǎn)溫度卻相差較大，超稠油的拐點(diǎn)溫度均高于特稠油的拐點(diǎn)溫度。另外稠油井的油層溫度普遍高于拐點(diǎn)溫度，說(shuō)明稠油在地層條件下可自由流動(dòng)，但進(jìn)入井筒后，因會(huì)發(fā)生熱量損失，使得稠油溫度降低，導(dǎo)致稠油黏度增大，不利于開采。

圖4 5口稠油井拐點(diǎn)溫度與油層溫度對(duì)比

Fig.4 The comparison between turning point temperature and reservoior temperature of five heavy oil

2.2 不同稠油的溫度和含水邊界的確定

2.2.1 不同稠油乳化現(xiàn)狀 對(duì)現(xiàn)河采油廠5種稠油進(jìn)行乳化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。在井筒溫度范圍內(nèi)，草20-平124稠油井的乳化轉(zhuǎn)相點(diǎn)為含水率為40%，含水率在40%之前，稠油乳狀液黏度隨著含水率增加，黏度增大；含水率在40%之后，隨著含水率的增大，稠油乳狀液黏度減??；含水率在40%周圍的稠油乳狀液黏度最大。其它稠油井黏度與含水之間的關(guān)系與草20-平124井類似，其中草20-平149、草20-平131以及草南平40的乳化轉(zhuǎn)相點(diǎn)為40%，而王140-平17的乳化轉(zhuǎn)相點(diǎn)為50%。

圖5 5種稠油井50 ℃下含水率-黏度曲線

Fig.5 The moisture content-viscosity curve of five heavy oil (50 ℃)

2.2.2 溫度、含水邊界的確定 稠油在井筒舉升的過(guò)程中，在流經(jīng)管路、閥門等裝置時(shí)，會(huì)形成油包水型乳狀液，隨著含水率的不同，稠油黏度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，雖乳化轉(zhuǎn)相點(diǎn)附近稠油黏度相對(duì)較大，在開采過(guò)程中需避免開采乳化轉(zhuǎn)相點(diǎn)附近的稠油乳狀液，但隨著溫度的升高，相同含水條件下，稠油乳狀液的黏度減小，并非所有在轉(zhuǎn)相點(diǎn)附近的稠油都難以舉升至地面，其還與稠油所處的溫度環(huán)境有關(guān)。故需考察不同含水條件下稠油的黏溫關(guān)系以及不同溫度下稠油乳狀液含水率-黏度規(guī)律，以拐點(diǎn)溫度作為臨界溫度，找出臨界黏度，確定出溫度、含水邊界。

不同含水率和溫度下王140-平17黏度曲線如圖6、7所示。由圖6可知，含水率為50%時(shí)其稠油乳狀液的黏度是最大的；由圖7可知，王140-平17井的乳化反相點(diǎn)在50%左右；且此口井的拐點(diǎn)溫度為45.9 ℃，只要保持稠油井筒的溫度在拐點(diǎn)溫度以上，稠油乳狀液就可以順利的采出。在圖6中還可以看出，在拐點(diǎn)溫度45.9 ℃時(shí)，含水率為50%時(shí)的稠油乳狀液黏度最大，為90 000 mPa·s。以90 000 mPa·s作為乳化稠油井筒舉升的黏度邊界，只要黏度在90 000 mPa·s以下的稠油乳狀液就可以順利采出，王140-平17的開采過(guò)程中的溫度-含水邊界數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6 不同含水條件下王140-平17的黏溫曲線

Fig.6 The viscosity-temperature curve of wang140-ping17 oil in different water saturations condition

圖7 不同溫度下王140-平17含水率-黏度曲線

Fig.7 The viscosity-temperature curve of Wang140-Ping17 oil in different temperature condition

總結(jié)3口特稠油井以及兩口超稠油井的數(shù)據(jù)，其黏度邊界如表3所示，特稠油與超稠油的黏度邊界均在110 000 mPa·s左右。在此黏度以下的稠油乳狀液可以順利地舉升至井口。

表2 王140-平17溫度-含水邊界表

注：×為不需加熱即可完成生產(chǎn)；√為需要加熱才可完成生產(chǎn)。

表3 不同乳化稠油井筒舉升黏度邊界

2.3 不同乳化稠油井筒舉升技術(shù)圖版及應(yīng)用

2.3.1 不同乳化稠油井筒舉升技術(shù)圖版的確定

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了不同乳化稠油的井筒舉升技術(shù)圖版，如表4所示。

表4 不同乳化稠油井筒舉升技術(shù)圖版

續(xù)表4

注：×為不需加熱即可完成生產(chǎn)；√為需要加熱才可完成生產(chǎn)。

2.3.2 根據(jù)制定的不同乳化稠油井筒舉升技術(shù)版圖指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)

(1) 分生產(chǎn)階段優(yōu)化電加熱啟停時(shí)機(jī)。

稠油的開采具有三個(gè)階段：轉(zhuǎn)軸初期排液階段、中期平穩(wěn)生產(chǎn)階段、末期維持生產(chǎn)階段。在不同的生產(chǎn)階段，其稠油的含水以及溫度都不同，應(yīng)根據(jù)不同的含水溫度范圍啟停電加熱裝置，從而達(dá)到節(jié)能減排的效果。

(2) 分區(qū)塊壓減配套井?dāng)?shù)。

結(jié)合實(shí)際油井的生產(chǎn)情況，對(duì)高液量、高含水的油井關(guān)停、撥出電加熱裝置。在高含水條件下，不需要配套電加熱裝置，電纜可以拔出，減輕載荷，有利于生產(chǎn)。

現(xiàn)河采油廠電加熱開停情況統(tǒng)計(jì)如圖8和圖9所示。

圖8 特稠油電加熱井不同含水率電加熱使用情況

Fig.8 The using condition of electric heating

equipment in ultra-heavy oil

由圖8及圖9可知，現(xiàn)河采油廠目前開采的稠油的含水率均在30%以上，特稠油井在含水率50%～80%的稠油乳狀液開啟電加熱的井?dāng)?shù)最多，含水率超過(guò)80%之后，只要少量井需開啟電加熱；超稠油井中幾乎大部分的稠油井都需開啟電加熱，與圖版基本吻合。

圖9 超稠油電加熱井不同含水率電加熱使用情況

Fig.9 The using condition of electric heating

equipment in super-heavy oil

2.3.3 實(shí)際應(yīng)用 王140-平9井稠油50 ℃下黏度為13 330 mPa·s，屬于特稠油。根據(jù)不同乳化稠油井筒舉升版圖對(duì)王140-平9進(jìn)行開停電加熱前后情況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表5所示。

表5 王140-平9停電加熱前后對(duì)比

王140-平9的含水率在90%以上，可見屬于高含水稠油，根據(jù)版圖可以看出，處于此含水率條件下，可以停用電加熱裝置。停用電加熱裝置后，日液量與日油量及含水率變化不大，最大載荷由46.7 kN減小至34.4 kN，日耗電量由停電加熱之前的1 128 kW·h減小到528 kW·h?？梢姡鶕?jù)版圖取消電加熱可以正常生產(chǎn)，并且耗電量減小，實(shí)現(xiàn)了稠油高效節(jié)能開采。

草20-平109井稠油50 ℃下黏度為17 600 mPa·s，屬于特稠油。其生產(chǎn)情況為：日產(chǎn)液量為7.8 t/d，日產(chǎn)油量為1.5 t/d，含水率為80%，井口溫度為49 ℃，根據(jù)表4的圖版可知，此生產(chǎn)條件下可以取消電加熱，現(xiàn)場(chǎng)取消電加熱后生產(chǎn)正常。

3 結(jié)論

(1) 在稠油開采過(guò)程中，需保持井筒內(nèi)的溫度高于拐點(diǎn)溫度，稠油才可以在井筒內(nèi)保持流動(dòng)狀態(tài)，不同種類稠油其拐點(diǎn)溫度不同，50 ℃下稠油黏度越大，其拐點(diǎn)溫度越高。

(2) 現(xiàn)河采油廠特超稠油乳化轉(zhuǎn)相點(diǎn)在40%～50%，在轉(zhuǎn)相點(diǎn)附近的稠油乳狀液黏度較大，不利于開采；稠油黏度又對(duì)溫度有較強(qiáng)的敏感性，在開采過(guò)程中，需考慮溫度與含水對(duì)黏度的雙重影響，并找出適宜開采稠油的臨界黏度為110 000 mPa·s，在此黏度以下，稠油可以順利被舉升至地面。

(3) 根據(jù)乳化稠油舉升圖版可以優(yōu)化電加熱啟停時(shí)機(jī)，根據(jù)稠油井的含水及溫度情況合理開啟電加熱裝置。對(duì)于高含水稠油井，可以關(guān)停電加熱裝置，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

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(編輯 王亞新)

Research on Boundary Condition of the Wellbore Electric Heating Lifting the Emulsified Heavy Oil

Zhang Dingyong1, Yu Guangsong2, Li Meirong2, Wan Huiping1, Ma Qianqian3, Liu Kai1

(1.XianheOilProductionPlantofSinopecShengliOilfieldBranch,DongyingShandong257026，China;2.CollegeofScience,ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),QingdaoShandong266580,China;3.CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),QingdaoShandong266580,China)

The technology of wellbore electric heating was widely used in major domestic oilfields. With the development of the super-heavy oil in Xianhe oil production plant of Shengli oilfield, the number of wells matching the wellbore electric heating was increased. In order to solve the problem of the increasing number of wells matching the wellbore electric heating and excessive energy consumption, the heavy oil of Xianhe oil production plant had been studied as the research object to carry out the heavy oil emulsion viscosity-temperature-water variation research. The regular pattern of viscosity-temperature characteristics, the inflection point temperature and moisture distribution were summarized through deep analysis. The inflection point was used as the critical temperature to determine the viscosity boundary of emulsified heavy oil lifted by the wellbore electric heating. The viscosity boundary was 110 000 mPa·s. If the viscosity of emulsified heavy oil was less than 110 000 mPa·s, the heavy oil could be lifted from the wellbore to the ground smoothly without opening the electrical heating. Finally according to the viscosity boundary, the emulsified heavy oil shaft lifting optimization chart could be made to guide the high efficiency and energy saving of heavy oil exploitation.

Wellbore electric heating; Emulsification turning point; Viscosity boundary

1006-396X(2016)05-0077-06

2016-07-07

2016-07-21

中石化勝利油田分公司科研項(xiàng)目“現(xiàn)河油區(qū)深層低滲敏感稠油儲(chǔ)層開發(fā)技術(shù)研究”資助(YKC1501)。

張丁涌(1971-)，男，高級(jí)工程師，從事采油工程工藝技術(shù)研究；E-mail:zhangdingyong.slyt@sinopec.com。

李美蓉(1966-)，女，碩士，教授，從事分析化學(xué)及油田化學(xué)方向研究； E-mail: lmrong888@163.com。

TE345

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2016.05.013

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