石明明，張丁涌，馮慶偉，張曉芳，萬惠平，許德廣

（中國石化勝利油田現(xiàn)河采油廠工藝研究所，山東東營 257000）

1 稠油降黏技術(shù)分析

井筒降黏技術(shù)[1]是指通過熱力、化學(xué)、稀釋等措施使得井筒中的流體保持低黏度，從而達(dá)到改善井筒流體的流動性，提高稠油開采效果的采油工藝技術(shù)。目前國內(nèi)所采用的稠油井筒降黏技術(shù)主要分為化學(xué)降黏和熱力降黏，其原理不同，應(yīng)用范圍不同，現(xiàn)場應(yīng)用各有優(yōu)勢與局限，詳見表1。

表1 兩類稠油降黏技術(shù)原理和適用范圍對比

樂安油田稠油油藏原油黏度1～10萬 mPa·s，溫度敏感性較強(qiáng)，不適用于化學(xué)降黏，而且化學(xué)降黏工作量較大，主要應(yīng)用井筒電加熱舉升技術(shù)。常規(guī)的智能中頻井筒電加熱技術(shù)利用稠油對溫度敏感的特點(diǎn)，在空心抽油桿內(nèi)下入電纜，提高井筒產(chǎn)液溫度，以降低其黏度，改善流動性。

截至2016年1月，樂安油田井筒電加熱平均單井日耗電高達(dá)725 kW·h，嚴(yán)重制約樂安油田生產(chǎn)提質(zhì)增效。加熱降黏工藝對比見表2。

為降低稠油開采能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，樂安油田提出了閉式熱水循環(huán)替代井筒電加熱降黏技術(shù)，通過對井筒加熱工藝進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)降低成本、提高能效的目標(biāo)。

2 閉式熱水循環(huán)舉升技術(shù)

閉式循環(huán)加熱技術(shù)[2]是一項成熟的井筒加熱技術(shù)，具有節(jié)能降耗、安全可靠、自動化程度高的特點(diǎn)。閉式熱水循環(huán)降黏工藝見圖1。

工作原理：該技術(shù)是在井筒桿柱的空心桿內(nèi)下入連續(xù)不銹鋼內(nèi)管，利用地面加熱和加壓流程，實(shí)現(xiàn)熱載體在空心桿內(nèi)閉式循環(huán)。由自動加熱裝置將循環(huán)熱載體加熱到設(shè)定溫度，然后經(jīng)循環(huán)泵升壓，再通過地面緩沖過濾裝置、氣體分離裝置、輸入管、四通接頭、不銹鋼保溫連續(xù)管，將熱載體輸送到空心抽油桿底部，高溫介質(zhì)將熱量傳遞給稠油使其降黏，在循環(huán)泵壓力的作用下返回加熱裝置中形成循環(huán)。

表2 三種加熱降黏工藝對比

圖1 閉式熱水循環(huán)降黏工藝

2.1 傳熱機(jī)理

井筒熱量傳遞方式比較復(fù)雜，自內(nèi)向外有注入熱載體（氣體、油、水）與保溫連續(xù)管內(nèi)壁之間對流換熱，保溫連續(xù)管外側(cè)和空心桿內(nèi)側(cè)環(huán)空的對流換熱，空心桿外側(cè)和油管內(nèi)側(cè)的對流換熱，油套管環(huán)空中對流輻射同時作用的換熱以及水泥環(huán)的導(dǎo)熱等環(huán)節(jié)；這些熱阻徑向串并聯(lián)組成“井筒內(nèi)”的傳熱[3]，詳見圖2。

熱載體從保溫連續(xù)管中注入，從保溫連續(xù)管和空心抽油桿之間的環(huán)空返回；原油從空心抽油桿和油管環(huán)空流出，二者之間進(jìn)行了熱量的傳遞[4]。沿井深方向取微元長度，根據(jù)能量平衡可得：

圖2 閉式熱流體循環(huán)工藝傳熱機(jī)理

式中kl1，kl2，kl3為保溫連續(xù)管內(nèi)外流體間、油管內(nèi)外流體間、環(huán)形空間流體與地層間的傳熱系數(shù)，W/（m·℃）；為循環(huán)熱水的質(zhì)量流量，kg/s；為產(chǎn)出液的質(zhì)量流量，kg/s；ts為保溫連續(xù)管內(nèi)熱水的溫度，℃；ths為空心抽油桿內(nèi)循環(huán)熱水回水溫度，℃；tcy為油管內(nèi)產(chǎn)出液的溫度，℃；Cps、Cpcy分別為熱水比熱、產(chǎn)出液當(dāng)量比熱，J/（kg·℃）；dq1為熱水向循環(huán)回水的傳熱量，W；dq2為循環(huán)回水向產(chǎn)出液的散熱量，W；dq3為產(chǎn)出液向地層的散熱量，W；z為井深，m；te為初始地層溫度。te＝ta＋adz，K；ta為地表溫度，K；ad為地溫梯度，K/m；z為井深，m。

熱能平衡方程的建立，為接下來技術(shù)應(yīng)用參數(shù)的確定提供有力的理論支撐。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

一是“小溫差換熱技術(shù)”，為使稠油井正常生產(chǎn)，從井口至加熱深度，液溫越高地層熱損失越大，但任意井深產(chǎn)液溫度應(yīng)大于要求的最低液溫，該溫差越小，熱損失越小。通過優(yōu)化保溫管參數(shù)，使得加熱段任一位置實(shí)際液溫與要求的最低液溫之差小于技術(shù)上允許的最小溫差（比如5℃），保證熱損盡可能小。該技術(shù)保證閉式循環(huán)加熱工藝實(shí)現(xiàn)最大程度降低耗電量。實(shí)驗表明，井口液溫相同條件下，井筒電加熱液溫明顯高于閉式循環(huán)加熱井，熱損失大。閉式循環(huán)加熱與井筒電加熱沿程溫度與熱損失對比見圖3、4。

圖3 閉式循環(huán)加熱與井筒電加熱沿程溫度對比

圖4 閉式循環(huán)加熱與井筒電加熱沿程熱損失對比

二是“重力熱管技術(shù)”，循環(huán)加熱裝置采用常壓鍋爐，安全可靠，應(yīng)用重力熱管技術(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)大，表面溫度梯度小，可得到高等溫的表面，溫差1～3℃，保證了加熱裝置在＜0.1 MPa的額定工作壓力下，額定出水溫度達(dá)到118℃，熱效率大于97.6%。

2.3 選井原則

根據(jù)閉式熱水循環(huán)的相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用界限，結(jié)合樂安油田實(shí)際油藏情況[5]、原油物性、經(jīng)濟(jì)效益等多方面因素，制定相應(yīng)選井條件。

1）黏度原則

根據(jù)現(xiàn)場試驗、原油乳化增黏實(shí)驗和閉式循環(huán)加熱技術(shù)工藝的適應(yīng)性，優(yōu)選油井正常含水下乳化原油黏度低于5萬mPa·s，且電加熱運(yùn)行的稠油井。

2）單井效益評價原則[6]

根據(jù)單井電加熱年實(shí)際運(yùn)行時間、電費(fèi)按0.647 8元/kW·h計算，對年運(yùn)行費(fèi)用、維修費(fèi)用、連續(xù)桿起下費(fèi)用、折舊費(fèi)等因素進(jìn)行分析，再參考分公司產(chǎn)能項目內(nèi)部收益率不低于12%的要求，選擇測算內(nèi)部收益率高于12%的電加熱井進(jìn)行改造。

2.4 運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

1）產(chǎn)出液井口溫度

根據(jù)樂安油田稠油流變特性及黏溫關(guān)系，普通稠油溫度拐點(diǎn)在35～50℃之間，特稠油的溫度拐點(diǎn)在50℃左右，超稠油區(qū)塊轉(zhuǎn)化為牛頓流體的溫度拐點(diǎn)在70～90℃之間。參考現(xiàn)場密閉循環(huán)加熱實(shí)施井和電加熱實(shí)施井加熱后生產(chǎn)狀況，井口溫度控制在50～70℃。

2）循環(huán)水量

圖5為計算出的產(chǎn)出液溫度隨循環(huán)水量的變化規(guī)律。由圖5可以看出，循環(huán)量水越大，產(chǎn)出液溫度越高。這是因為，循環(huán)量水越大，上返液的溫度越高，傳遞給產(chǎn)出液的熱量越多。

圖5 不同循環(huán)水流量下產(chǎn)液溫度分布

循環(huán)泵功率4 kW，揚(yáng)程260 m，額定流量3 m3/h。通過試驗得出，加熱深度從900～1 200 m，熱水循環(huán)量為1.2～1.5 m3/h。

3）循環(huán)水注入溫度

采用密閉熱水循環(huán)參數(shù)模擬軟件分析，計算出不同循環(huán)水注入溫度下產(chǎn)出液溫度分布規(guī)律，見圖6。由圖6可以看出，隨著循環(huán)水注入溫度的升高，產(chǎn)出液溫度相應(yīng)升高。

特稠油油藏：日產(chǎn)液量5～25 t/d，含水50%～95%，原油黏度5 000～50 000 mPa·s（50℃），加熱深度1 000 m，循環(huán)量1.2 m3/h，熱載體為軟化水。模擬結(jié)果表明，循環(huán)水出口溫度在80～105℃，可達(dá)到設(shè)計產(chǎn)出液溫度要求。

圖6 不同循環(huán)水注入溫度下產(chǎn)液溫度分布

4）循環(huán)深度

考慮到整個管柱的質(zhì)量和空心抽油桿的強(qiáng)度，通常水循環(huán)深度控制在1 200 m以內(nèi)（考慮到Ф42 mm“空心桿約5.5 kg/m、Ф19 mm不銹鋼連續(xù)內(nèi)管約1.0 kg/m、循環(huán)水約667 kg/1 000 m，因此循環(huán)加熱深度為1 200 m時，Ф42 mm空心桿、Ф19 mm不銹鋼連續(xù)內(nèi)管以及循環(huán)水的質(zhì)量約為8.6 t，再加上Ф22 mm抽油桿、閥式泵以及井液的質(zhì)量載荷超過10 t，700型皮帶機(jī)最大載荷為12 t，因此循環(huán)加熱深度控制在1 200 m以內(nèi)），同時為提高熱交換效率，采用Ф42 mm空心桿柱配套Ф19 mm不銹鋼連續(xù)內(nèi)管。

3 應(yīng)用效果

據(jù)統(tǒng)計，選取的15口井改造前日合計耗電量為12 306 kW·h，改造后日合計耗電量為4 530 kW·h，日節(jié)電7 776 kW·h，年累計節(jié)電159.41 萬 kW·h，減排CO2481.95 t。按照電價0.7元/kW·h計算，年節(jié)約電費(fèi)111.58萬元。

4 結(jié)論

閉式熱水循環(huán)舉升技術(shù)作為一種節(jié)能環(huán)保油井生產(chǎn)技術(shù)，在保證油井正常生產(chǎn)的情況下，可以提高產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本，提高礦區(qū)整體管理水平，并且措施簡單、經(jīng)濟(jì)效益明顯，建議進(jìn)一步深入研究和推廣。