空心桿電加熱舉升工藝在牛心坨油田的應用

楊立龍

(中國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用

楊立龍

(中國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、凝固點高、粘度高,主體采油工藝為閉式熱水循環,隨著開發時間的延長,逐漸暴露出一系列問題,有必要開展舉升工藝轉換研究,以保證油田有效開發和產量穩定。通過研究對比各種不同降粘工藝的優缺點,最終確定空心桿電加熱舉升工藝替代熱水循環井的主體生產工藝,并優化了電纜的下入深度及油井動態參數,引進相應配套工藝,開發了高凝稠油電加熱抽汲系統優化軟件。電加熱舉升工藝在牛心坨油田應用取得了成功。

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

牛心坨油田構造上位于遼河斷陷西部凹陷北端,是牛心坨斷裂背斜構造帶南部的一個斷塊,主要開發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,動用含油面積5.8 km2,石油地質儲量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 32～50 ℃,原油密度0.89～0.92g/cm3,析蠟溫度51～64 ℃,膠質瀝青質含量31.5%～79.6%,含蠟8.7%～18.5%。

牛心坨油田1989年全面投入開發,1990年8月試注水,1991年3月全面轉注,主導采油工藝為閉式熱水循環。截止目前牛心坨油田有油井157口,開井131口,其中熱水循環井132口,電加熱井8口,干抽井4口,日產油410.7t,區塊綜合含水達68.5%,處于注水開發中高含水期遞減階段。

1.2 舉升工藝現狀

牛心坨油田閉式熱水循環管柱具體為:舉升油管下部安裝封隔器,加熱油管同心安裝,熱水從兩油管環形空間注入,加熱舉升油管及其產出液,經油套環空返出地面,產出流體由中心油管舉升至地面。熱水循環地面流程及井下管柱結構見圖1。

圖1 熱水循環地面流程及井下管柱結構

熱水循環工藝地面主要流程為:循環水在站內加熱后,經站內配水間進入各單井熱水循環管線到達油井,與井筒內油流熱交換后,返回站內再加熱,如此往復循環。通過近些年的開發,暴露出以下幾個問題:

(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,而自身天然氣產量很少,大部分由老區(高升油田)供給。近幾年隨著老區天然氣產量大幅度降低,供給越來越困難,已開始制約牛心坨油田的正常生產。

(2)熱水循環工藝復雜,油井管理難度大。首先,閉式熱水循環管柱密封性較差,存在循環水漏失問題,縮小了生產壓差,降低了泵效,抑制了油井的產量。其次,由于熱水循環工藝井下管柱結構上的限制,無法完成油井的洗井及動液面的錄取,增加了油田開發后期油井精細化管理的難度。

(3)長期高溫熱水循環,導致套管損害、管網腐蝕增多和井下管柱及循環管線結垢嚴重,增加了作業及維護費用。

2 降粘舉升工藝的確定[1-4]

目前舉升高粘度、高凝固點原油的方法主要有三種:第一種是熱油或熱水伴熱方法,即目前牛心坨應用的熱水循環工藝;第二種是井筒化學加藥方法,即由環空連續不斷的將化學藥劑注入井底,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,目前尚無同時具有降粘、降凝固點的化學劑;第三種是油井電加熱技術,通過電纜或油管釋放熱量,使原油在井筒內得到降粘、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,目前尚無有效的化學藥劑即能降粘又能降凝,因此,牛心坨舉升工藝轉換的主要方式應為電加熱工藝。

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

目前牛心坨油田開發已進入注水開發中高含水期遞減階段,區塊綜合含水達68.5%,隨著開發的深入,油田含水將進一步升高,超過了油套環空電磁加熱的要求,而空心桿內電纜加熱則完全可以滿足油田開發的技術要求。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原理[5-9]

空心桿內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。基于電流熱效應的原理即焦耳-楞次定律,將輸入380V、50Hz的工頻電源,經三相橋式整流、濾波后變成500V直流電壓,再經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成的回路,當交變電流流過電纜銅芯與外壁時,會產生集膚效應,使空心桿發熱,加熱原油。加熱功率的大小,可由中頻控制柜控制、調整,實現原油的有效舉升。

3.2 空心桿電加熱的參數選擇

3.2.1 井筒傳熱過程概述

如圖2井筒徑向結構分布依次為:電纜、空心抽油桿、油流、油管、油套環空、套管、水泥環。電纜、空心抽油桿在空心抽油桿下部相連,與地上的電源構成回路,通電時空心抽油桿發生集膚效應,產生熱量,加熱稠油。空心抽油桿既起抽油桿的作用,又是加熱主體。

圖2 電加熱抽油系統

油流上升過程中不僅自身發生各種物理化學變化,還要和周圍環境發生熱傳遞,其傳熱過程主要經過以下幾步:①抽油桿發熱把熱量傳給流體;②流體經過對流把熱量傳給油管內壁;③通過導熱把熱量從油管內壁傳到外壁;④以對流和輻射形式將熱量從油管外壁經油套環空傳到套管內壁;⑤以導熱形式把熱量從套管內壁傳到套管外壁;⑥通過導熱把熱量從套管外壁經水泥環傳給地層。

3.2.2 空心桿電加熱電纜下深的確定

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

式中:T0——拐點溫度 ,℃;μ50——50 ℃脫氣原油粘度,mPa·s。

根據上式進行計算,結果詳見表1。

表1 牛心坨油田原油拐點溫度計算結果

(2)電加熱電纜下深:根據熱傳導,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,W/(m ·℃);q——內熱源,W/m;W ——水當量,W/℃;t0——井底原油溫度,℃;m——地層溫度梯度,℃/m。Mf——原油質量流量 ,kg/s;Cf——原油比熱 ,J/(g·℃);Mg——水質量流量,kg/s;Cg——水的比熱,W/(g·℃)。

依據上述公式可計算出自然溫場下,不同產液及不同原油拐點溫度下對應電纜下深,結果見表2。牛心坨油田油井平均產液9.3t/d,拐點溫度主要在50℃左右。因此,為保證油井正常生產,確定電加熱下深為1100～1200m。

表2 電纜下深與產液關系 m

3.2.3 空心桿電加熱功率的選擇

根據不同產液量油井的井口溫度和加熱深度合理地選擇電加熱功率,既可以節能降耗,又可以延長電纜的使用壽命。要正確選擇油井加熱功率需從井筒溫度場出發進行計算,在計算中采用了以下能量平衡方程:

式中:K——井筒兩側介質間的傳熱系數,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——沿井深方向的長度 ,m;Gf、Gg——液、氣體流量,kg/s;q——熱源強度,W/m;w ——油氣混合物的水當量,W/℃。

根據以上方程和一定的邊界條件,可計算加熱時井筒產液溫度分布,從而可求解電加熱功率。經計算牛心坨油田各井加熱功率在40～60kW之間。

3.3 空心桿電加熱技術參數優化

牛心坨油田電加熱舉升工藝替代閉式熱水循環工藝后,油井負荷增加較大,需要優化降低負荷。而目前現有油井抽汲系統軟件只能滿足稀油井,無法用于稠油井,特別是高凝稠油+電加熱油井的優化問題,因此開發編制了“高凝稠油電加熱抽汲系統優化”軟件。

應用“高凝稠油電加熱抽汲系統優化”軟件,可以根據輸入油井動態參數:泵深、泵徑、沖程、沖次、產液、含水、含蠟量、粘度等已知數據,直接求出拐點溫度、凝固點、井口溫度、最大載荷、最小載荷、最大扭矩、電機功率以及抽油桿配比情況。

高凝稠油電加熱抽汲系統優化軟件的應用,不但降低了電能消耗,而且滿足了14型抽油機在安全負荷內運行,解決了深井高凝稠油電加熱井超負荷的問題,實現了安全生產。

3.4 空心桿電加熱工藝配套

3.4.1 引進大通徑液力減載裝置

針對采用電加熱舉升工藝后,抽油機負荷大的問題,引進了大通徑液力減載裝置。裝置由長柱塞、減載柱塞及與其配套的泵筒、附件等組成(見圖3)。減載器安裝在空心桿下方,泵筒與油管相連,通過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中,油管內液柱壓力與套管壓力的壓力差所產生的力作用在減載柱塞的下端面,使其產生一個18～23kN的向上的舉升力,從而達到減輕抽油機懸點載荷的目的,使抽油機正常工作。

圖3 液力減載裝置結構簡圖

3.4.2 應用智能可調適中頻電源

在恒功率中頻加熱電源加裝溫控器及數字信號處理器,對不同原油物性的油井,溫控器設定不同的加熱溫度。當油井產量波動,油井出液溫度偏離設定溫度時,溫控器發出信號給數字信號處理器,數字信號處理器控制中頻加熱電源調節加熱功率,保證油井出液溫度穩定在設定溫度,減少不必要的電能浪費。

4 空心桿電加熱技術的應用效果

4.1 產量對比分析

實施加熱工藝的油井中,產量具有可比性的有46口(水井轉抽、新井投產、老井復產、增油措施除外),與措施前對比,平均日產液增加0.3t,日產油減少0.09t,含水上升了1.9%(見表3)。去掉工作制度改變、地質含水上升、井下管泵異常等因素影響后,平均日產液量減少0.02t,日產油增加0.4t,含水下降了5%。

表3 電加熱舉升工藝前后可對比產量對照

4.2 油井負荷對比分析

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

4.3 地面集輸情況

從32站措施前后集輸數據來看,井口溫度平均下降11℃,平臺溫度下降5～8℃,壓力最大升高0.04MPa,站內外輸溫度下降3℃,壓力增高0.03 MPa,均在合理范圍之內。可見電加熱舉升工藝能夠保證產出液的正常外輸。

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。同時停運熱循泵5臺,每臺泵年耗電92×104kW·h。計算表明,電加熱舉升工藝年耗電累計增加2452×104kW·h。

(2)節氣方面:實施電加熱工藝的3個站,共停運轉2300kW熱循加熱爐6臺,同時新增80kW井口進站預熱爐13臺和300kW平臺臥式爐2臺,綜合計算,月可節氣371.6×104m3。

5 結論

(1)空心桿電加熱技術投入現場應用后,油井的產液、產油平穩,油井的負荷均在合理的指標內,生產正常。現場應用情況表明:電加熱工藝可以替代閉式熱水循環工藝,滿足牛心坨油田高凝稠油的正常舉升。

(2)空心桿電加熱技術在牛心坨油田的規模性應用,有效緩解了天然氣緊張的局面,實現了牛心坨油田正常開發,具有較好的社會效益。

(3)空心桿電加熱技術具有較好的節氣、降粘效果,同時,解決了閉式熱水循環舉升工藝無法洗井及井下參數無法錄取的問題,為牛心坨油田中高含水期的開發進行有效調控提供了依據。

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

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編輯:李金華

TE357

A

2010-10-06

楊立龍,高級工程師,1975年生,1997年畢業于大慶石油學院油藏工程專業,現主要從事油田開發管理工作。

1673-8217(2011)01-0101-04