(中石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院,新疆 烏魯木齊 830011)

塔河油田超深超稠油礦物絕緣電纜加熱技術(shù)研究

程仲富

(中石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院,新疆烏魯木齊830011)

塔河油田稠油具有超深超稠的特點(diǎn)，黏溫拐點(diǎn)深度普遍大于2000m，常規(guī)電加熱工藝由于下深及加熱效率問題導(dǎo)致節(jié)約稀油效果有限。礦物絕緣加熱電纜以連續(xù)高品質(zhì)銅線為發(fā)熱導(dǎo)體、礦物氧化鎂材料為絕緣層、優(yōu)質(zhì)不銹鋼為護(hù)套組合而成，抗拉強(qiáng)度520MPa，耐溫-30～600℃,重量0.27kg/m，具有耐溫高、發(fā)熱量大、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，能更好地適應(yīng)產(chǎn)液量高、加熱深度及發(fā)熱量要求較高的稠油井降黏需要。該工藝在塔河油田開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)3井次，下深2200～2500m，加熱功率250kW，平均井口溫度提高37.8℃，節(jié)約稀油率66.8%，取得了較好的節(jié)約稀油效果。

稠油；降黏；摻??；礦物絕緣電纜；電加熱

塔河油田稠油油藏平均埋深5400～7000m，地面原油黏度10000～1800000mPa·s，為超深超稠油油藏。由于埋藏深黏度高，原油在舉升過程中，隨著溫度壓力的降低，逐漸失去流動(dòng)性[1]。為保證原油在井筒中的流動(dòng)性，該油田主要采用摻稀、化學(xué)降黏及電加熱等降黏技術(shù)[2，3]。其中電加熱降黏因工藝可靠、運(yùn)行成本低而成為一種重要的節(jié)約摻稀油措施。但塔河油田在引進(jìn)電加熱降黏工藝時(shí)發(fā)現(xiàn)常規(guī)工藝存在兩方面問題制約其節(jié)約稀油效果：一是塔河油田超稠油黏溫拐點(diǎn)深度隨黏度增大有進(jìn)一步加深的趨勢(shì)，普遍達(dá)到2000m以上，導(dǎo)致現(xiàn)有電加熱桿加熱因下深導(dǎo)致節(jié)約稀油效果不佳；二是塔河油田摻稀生產(chǎn)，井口混合液量較大，對(duì)電加熱桿的發(fā)熱功率要求較高，而常規(guī)電加熱桿因絕緣層耐溫等級(jí)較低，長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)易發(fā)生故障。因此，急需要研制一種加熱深度超過2000m且發(fā)熱量較高的新型加熱設(shè)備以滿足塔河超深超稠油井井筒加熱降黏的需要。

1 結(jié)構(gòu)及原理

新型礦物絕緣電纜以銅作為發(fā)熱導(dǎo)體，優(yōu)質(zhì)不銹鋼為護(hù)套，導(dǎo)體與護(hù)套之間填充致密無機(jī)礦物材料作為絕緣層，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 單根礦物絕緣加熱電纜結(jié)構(gòu)示意圖

礦物絕緣電纜以3根單芯電纜分別連接三相交流電，并在末端星接。通電后，電纜依靠銅導(dǎo)體自身電阻產(chǎn)生熱量，熱量通過耐高溫礦物絕緣層和不銹鋼護(hù)套傳遞給原油，從而實(shí)現(xiàn)加熱降黏。與其他電加熱工藝相比，采用該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要有以下優(yōu)點(diǎn)： 以礦物材料做絕緣層能顯著提高電纜的耐溫能力，耐溫-30～600℃，可有效降低設(shè)備故障率；采用三相電生熱能大幅提高電纜發(fā)熱功率，并提高電能利用效率；采用較高強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)不銹鋼做護(hù)套，在保證強(qiáng)度需要的前提下，能有效提高電纜下深。

2 工藝設(shè)計(jì)

2.1導(dǎo)體及功率設(shè)計(jì)

發(fā)熱導(dǎo)體決定礦物絕緣電纜發(fā)熱功率和下深。優(yōu)選米電阻低、耐溫和強(qiáng)度高的T2銅，從而保證滿足功率需求的同時(shí)電纜直徑最小。發(fā)熱導(dǎo)體設(shè)計(jì)與加熱功率有關(guān)，加熱功率設(shè)計(jì)方案如下：

Q總=Q升+Q散

(1)

式中，Q總為總發(fā)熱量，J；Q升為混合液升溫所需熱量，J；Q散為散熱量，J。

油井升溫?zé)崃坑?jì)算公式為：

Q升=0.01157×m×C×(ty-t0)

(2)

式中，m為日產(chǎn)油量，t；C為原油比熱容，取2.5kJ/(kg·K)；ty為加熱區(qū)平均油溫，℃；t0為加熱區(qū)平均巖層溫度，按梯度2.2℃/100m、年平均氣溫11℃取值。

油井散熱量計(jì)算公式[4]為：

(3)

式中，λ為加熱區(qū)巖層綜合導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；h為加熱區(qū)長(zhǎng)度，m；D為油井套管直徑，mm；σ為巖層計(jì)算厚度，mm；T為時(shí)間，s。

記：

(4)

則油井散熱計(jì)算公式為:

Q散=k×(ty-t0)×h×T

(5)

各參數(shù)取值按各油田取經(jīng)驗(yàn)值。

發(fā)熱導(dǎo)體尺寸由式(6)和式(7)決定：

P=I2R

(6)

R=ρL/S

(7)

式中，P為功率，W；I為電流，A；R為銅導(dǎo)體電阻，Ω；ρ為米電阻率，Ω·m；L為銅導(dǎo)體長(zhǎng)度，m；S為導(dǎo)體截面，m2。

因該電纜采用純電阻生熱，理論上功率因數(shù)可達(dá)0.99以上。

2.2絕緣層設(shè)計(jì)

礦物絕緣電纜采用的絕緣材料為氧化鎂粉，其耐低溫-30℃，最高耐溫600℃。電纜絕緣層厚度按標(biāo)準(zhǔn)[5～7]設(shè)計(jì)如下：

1)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13033.1-2007《額定電壓750V及以下礦物絕緣電纜及終端 第1部分：電纜》規(guī)定，額定電壓750V、標(biāo)稱截面1～150mm2的電纜絕緣標(biāo)稱厚度為1.3mm。

2)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20841-2007《額定電壓300/500V生活設(shè)施加熱和防結(jié)冰用加熱電纜》規(guī)定，礦物絕緣加熱電纜的絕緣標(biāo)稱厚度為0.7mm。

3)該研究項(xiàng)目選用的礦物絕緣加熱電纜為3根單芯成組安裝，單根電纜的實(shí)際工作電壓為660V，出于更高的可靠性考慮，絕緣層厚度按1.5mm設(shè)計(jì)。

2.3護(hù)套設(shè)計(jì)

材質(zhì)選用321不銹鋼，具有耐晶界腐蝕性及高溫強(qiáng)度性能，同時(shí)因加入的鈦合金，321不銹鋼具有較強(qiáng)高溫應(yīng)力破斷性能及高溫抗蠕變性能。在不同濃度、不同溫度酸液中，尤其是在氧化性介質(zhì)中具有良好的耐磨蝕性能。護(hù)套厚度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下：

1)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13033.1-2007《額定電壓750V及以下礦物絕緣電纜及終端 第1部分：電纜》，額定電壓750V、相近規(guī)格1芯10mm2電纜銅護(hù)套平均厚度為0.50mm。

2)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20841-2007《額定電壓300/500V生活設(shè)施加熱和防結(jié)冰用加熱電纜》，規(guī)定的礦物絕緣加熱電纜銅套厚度平均值應(yīng)不小于測(cè)得的銅套外徑的7%，最小值為0.25mm。

3)考慮電纜的機(jī)械強(qiáng)度及腐蝕余量，該研究中不銹鋼護(hù)套厚度按不銹鋼套外徑的10%設(shè)計(jì)，電纜外徑為7.8mm，護(hù)套標(biāo)稱厚度為0.78mm。

4)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14976-2002《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》規(guī)定[7]，SUS321不銹鋼(國(guó)標(biāo)牌號(hào)1Cr18Ni9Ti)抗拉強(qiáng)度σb≥520MPa、屈服強(qiáng)度σp≥205MPa，重量0.27kg/m。

2.4工藝流程設(shè)計(jì)

圖2 礦物絕緣電纜加熱工藝流程圖

礦物絕緣電纜加熱工藝流程如圖2所示。用捆扎帶將三根電纜固定在抽油桿上，末端采用星形連接，上端從采油樹清蠟閘門延伸出井口，經(jīng)過變壓器和控制柜并連接至油田電網(wǎng)。

3 試驗(yàn)效果

3.1試驗(yàn)井選井原則

試驗(yàn)選井要求如下：摻稀比要求大于1.5，以節(jié)約稀油；生產(chǎn)穩(wěn)定，摻稀、產(chǎn)液計(jì)量較為準(zhǔn)確；自噴或電潛泵生產(chǎn)井。

3.2效果評(píng)價(jià)

礦物絕緣電纜在塔河油田開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)3井次，試驗(yàn)井50℃下原油黏度均超過500000mPa·s，黏溫拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)深度均在2000m以上，現(xiàn)場(chǎng)礦物絕緣電纜下深2200～2500m，運(yùn)行平穩(wěn)后錄取各項(xiàng)生產(chǎn)參數(shù)如表1所示。

表1 礦物絕緣電纜加熱降黏效果

從表1可以看出，采用新型礦物絕緣電纜加熱前后，井口溫度平均提高37.8℃，產(chǎn)油量提高19.4t/d，摻稀量降低24.5t/d，井口產(chǎn)液黏度平均降低2285mPa·s，節(jié)約稀油率可達(dá)66.8%?？梢娫撾娎|對(duì)混合產(chǎn)液50t/d以上的油井具有較好的降黏和節(jié)約稀油效果。

4 結(jié)論

1)礦物絕緣電纜采用高品質(zhì)銅為導(dǎo)體、耐高溫氧化鎂為絕緣層、優(yōu)質(zhì)不銹鋼為護(hù)套，大大提高了其發(fā)熱效率和耐溫等級(jí)，滿足了高產(chǎn)液量和較深加熱溫度油井降黏需要。

2)依據(jù)塔河稠油油藏特點(diǎn)進(jìn)行的礦物絕緣電纜加熱工藝設(shè)計(jì)方法，加熱深度可達(dá)2000m以上，能滿足超深超稠油井電加熱降黏需要。

3)因該電纜需抽油桿捆扎輔助安裝，因此目前該工藝主要用于自噴井和電泵井。

4)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，礦物絕緣電纜加熱工藝針對(duì)混合產(chǎn)液50t/d以上油井，能使井口溫度提高35℃以上，節(jié)約稀油率60%以上，具有較好的節(jié)約稀油效果。

[1]鄒國(guó)君. 塔河油田超深超稠油藏采油新技術(shù)研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,30(4):130～134.

[2] 林日億,李兆敏，董斌，等.塔河油田自噴深井井筒電加熱降黏技術(shù)研究[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,30(4):67～70.

[3]劉紅蘭.新型井下電加熱降黏技術(shù)在埕島油田的應(yīng)用[J].中國(guó)海上油氣,2005,17(1):48～51.

[4] GB50264-2013，工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

[5] GB/T 13033.1-2007，額定電壓750V及以下礦物絕緣電纜及終端.第1部分：電纜 [S].

[6] GB/T 20841-2007，額定電壓300/500V生活設(shè)施加熱和防結(jié)冰用加熱電纜 [S].

[7] GB/T 14976-2002，流體輸送用不銹鋼無縫鋼管 [S].

[編輯]趙宏敏

2017-07-25

中國(guó)石油化工股份有限公司重大科技項(xiàng)目(2016ZX05014-005)。

程仲富(1980-)，男，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事稠油開采及油田化學(xué)助劑應(yīng)用方面的研究工作，66926670@qq.com。

引著格式程仲富.塔河油田超深超稠油礦物絕緣電纜加熱技術(shù)研究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2017,14(21)：32～35.

TE357.4

A

1673-1409(2017)21-0032-04