智能式中頻電加熱采油技術的應用

楊銳（中國石油天然氣集團公司節能技術監測評價中心）

我國的一些油田原油含膠質瀝青、石臘較高，在開采這種稠油時，會使抽油機的電動機驅動功率加大，嚴重時會燒毀電動機，甚至造成拉斷抽油桿使油井報廢的事故。對稠油井加熱是解決這一問題的最常用方法。以前采用的多是工頻電加熱，因為單相工頻電加熱會造成電網不平衡對電網產生污染，智能式中頻電熱采油技術解決了這一問題，并且采油效率高、能耗低。

1 技術裝置的構成與工作原理

1.1 構成

智能式中頻電加熱采油技術裝置，由四大部分構成：程控中頻電源、空心抽油桿、鋼鎧電纜和空心抽油泵，見圖1。

圖1 智能式中頻電熱采油系統示意圖

1）程控中頻電源。程控中頻電源分左右兩室，左室為機芯、斷路器和控制板；右室為環形中頻變壓器和電容，彼此用隔板隔開，上下方均有散熱通風道。它是一種用電力電子器件－IGBT把50 Hz的工頻電流轉換成中頻電流的裝置。

2）空心抽油桿[1]。空心抽油桿除了將抽油機的動力傳給抽油泵，抽吸井液外，可讓加熱器－鋼鎧電纜穿過泵筒，下到泵下加熱深度。通電后加熱井筒油流，降粘減阻。目前應用的空心抽油桿，均為連結式，其規格性能見表1。

表1 空心抽油桿規格、性能

3）鋼鎧電纜。鋼鎧電纜又稱電加熱器，它是用金屬無縫管做護套，以Φ6.5 TV-1型銅棒為芯線，環空以耐高溫絕緣材料充填壓實，并配以結構件組成。鋼鎧電纜是本裝置的核心加熱部件，其主要技術特點：耐溫-30～＋250℃，耐交流電壓2000V，抗拉強度390N/mm2，使用壽命大于等于2年。

4）空心環流泵。空心環流泵是實現泵下加熱、降黏的關鍵技術，其結構見圖2。主要由泵筒系統和柱塞系統組成。泵筒系統包括泵筒、固定閥外殼、導流擋塊、護管等組成；柱塞系統由加長桿、柱塞中心桿、柱塞、柱塞閥座、柱塞閥體、固定閥體、滑動密封套、滑動密封桿等組成。其主要技術參見表2。

圖2 空心環流泵結構示意圖

表2 空心泵主要技術參數

1.2 中頻電熱采油工作原理

首先，將輸入380 V、50Hz的工頻電流，經三相橋式整流，濾波后變成530 V直流電，再經主回路和控制回路逆變成500～2500 Hz的單相交流電，最后由中頻變壓器的副邊輸送到油井加熱電纜，為集膚效應電熱采油提供電源見圖3。通過鋼纜芯線直到井底（加熱深度點）。再通過回路接頭與其外護管形成回路。通電后，使兩個載流導體，基本上形成電流方向相反，大小相等的條件。

圖3 智能式程控中頻電源工作原理簡圖

根據電磁感應原理，當中頻電流通過鋼纜芯線時，在電磁場的作用和影響下產生磁力線切割外導體，使護套鋼管產生感應電勢并垂直于感應線。

表面內引起感應電流（渦流），使鋼管發熱，其電熱（E）可由公式（1）算出：

式中：k—綜合系數；f—交流電的頻率；∮—交變磁通量的最大值。

由于這種回路的特殊結構，可同時產生：

◇集膚效應：使電流集中在外護管內膚壁較薄層流出，從而大幅度增加了交流阻抗。

◇親近效應：即使護管外表面不帶電，漏磁通少。

◇發熱效應：即當f大于等于500 Hz時的中心導體－芯線幾乎不發熱。

在感應電勢作用下，外護管內壁產生的渦流（I），環路電阻（R），環路電抗（X），有如下關系：

從上式看出：回路系統內所產生的渦流（I）的大小與感應電勢成正比，與回路阻抗成反比。當回路阻抗確定的情況下，則發熱量與感應電勢（E）成正比，而（E）僅與f有關。尤其f值，工頻與中頻相差10～50倍，故中頻電熱效率高。實際應用時，f值應選擇合理范圍。

2 技術特點和應用范圍

2.1 技術特點

智能中頻電熱采油技術，是在工頻電熱采油技術基礎上研制的。因此，除具備結構簡單，施工方便，調整靈活的技術特點外還有：

1）適應范圍大，泵上、泵下均可加熱，且加熱深度可達2500m，耐溫達280℃。

2）既可保證電網平衡，又節能。多口井現場生產試驗表明比工頻電熱采油節能20%～40%。

3）抗干擾能力強，運行可靠，使用壽命長。

4）空心環流泵的柱塞閥是采用機械強制性開閉，而固定閥是靠磨擦力和自重半機械化開啟，泵的充滿系數高，可防止氣鎖，因此泵效高。同時在提泵時，可實現自動泄油，不用泄油器。

5）該裝置可實現對井口加熱溫度，或加熱電流，進行智能控制。

智能中頻電熱采油技術的特點表明，該技術目前在國內外電熱采油技術的方法中是最先進的。

2.2 應用范圍

智能中頻電熱采油技術，當然也適用泵上電熱采油。由于加熱深度、加熱功率可根據油井的實際生產狀況來調整、控制。耐溫性能好，因此其應用范圍較廣，凡是稠油、高凝油生產井，在生產過程中，需要對井筒油流加熱降粘的井均可應用[2]。

3 電熱采油主要技術參數的確定

智能中頻電熱采油配套裝置，輸出功率范圍大（≤140 kW），完全可以滿足各類稠油井、高凝油井的生產需要。由于每口電熱采油井的生產條件不同，故在生產運行中電熱采油的技術參數亦不同。這就需要根據油井的具體地質、采油條件，來確定相應的技術參數。主要包括：加熱深度、井口出油溫度和所需加熱電功率。這些參數的確定，是選擇程控中頻電源的規格和正常運行參數調整、控制的基礎。

3.1 加熱深度的確定

對于淺井（井深小于1000m），因油層埋藏淺、自然溫度低、油稠，特別是高凝油，甚至低于凝固點溫度。其加熱深度一般要求在油層部位。這樣既能對井底原油加熱，又可以對近井地帶油層產生熱影響。

對于中深井（井深1000～2000m），這些井一般油層自然溫度較高，甚至在稠油的拐點溫度以上（或高凝油凝固點以上），流動性相對好一些。其加熱深度可控制在目前技術允許的范圍內。如果把稠油的拐點溫度確定為井筒油流的最低溫度時，可根據公式（3），來計算任一口井所需的加熱深度。

式中：

L——所需加熱深度，m；

a——常數（地區年平均地表溫度），℃；

d——該油區的地溫梯度，℃/100m；

T——本井稠油的拐點溫度，℃。

計算結果，當L≥油井深度時，則說明該井所需加熱深度均為油層深度。圖4是根據不同的地溫梯度和相應的稠油拐點溫度繪制的L、T、d關系曲線（當a=10℃）。如果已知a、d和T值就可以查出相應的L值，即加熱深度值。

由圖4看出，在地溫梯度相同的條件下，稠油的拐點溫度越高，則所要求的加熱深度越深。如果稠油的拐點溫度相同，那么地溫梯度越小，則所需加熱深度越深。

3.2 加熱溫度的確定

原油由井底舉升到地面，是一個降壓、脫氣、降溫、稠變的過程。而稠油對溫度有較高的敏感性，即當稠油的溫度達到一定值后，其黏度將隨著溫度下降而急劇上升，迅速稠化，通常把這個定值溫度叫做稠油的拐點溫度。實踐資料證明，不同類型的稠油，其拐點溫度不同，拐點所對應的黏度也不同，圖5是不同類型稠油的黏溫關系曲線。由曲線明顯看出隨著原油的性質變好，其拐點溫度下降。某油田區塊35-40井、冷41井為超稠油，拐點溫度64～68℃，而34-20井、37-168井為特稠油，拐點溫度為60～62℃，其余為普通稠油，拐點溫度小于55℃。要使稠油在舉升過程中，能具有較好的流動性，并防止由于井筒溫度低于拐點溫度而急劇變稠，使抽油機負荷突然增大而帶來危害，保證油井正常生產。因此要求在舉升過程中，油流溫度要保持在拐點溫度以上，這樣才能獲得較好的生產效果[3]。

3.3 加熱電功率的確定

根據電、熱能量的轉換原理，其所需加熱電功率（P），應等于油流從井底舉升到井口增溫所消耗的電功率P1，與在該過程中向地層方向所損失的電功率P2之和，即:

由電熱平衡原理知：

式中：

Q——產量，kg/s；

λ——原油的比熱容，λ=2.09 kJ/（kg·K）；T1、T0——分別為井口和井底原油溫度（加熱深度點對應的），K；

R——徑向總熱阻（即從油管內壁至巖層自然溫度點的總熱阻），Ω；

Δt——油管內壁到巖層的自然溫度點的溫差，K；

L——加熱深度，m。

所以，

式中Δt/R值從理論上是可以計算出來的，但過程復雜，需要求出各傳熱介質的導熱能力，加熱后井筒溫度場的分布變化規律，影響因素較多，有些參數很難確定，為此，對（7）式進行簡化處理。

假設井底和井口溫度相等，即沿軸向熱能不變，則公式（7）可簡化為：

即加熱功率全部用來彌補井筒徑向熱損失。也可以說這是泵電加熱的最低加熱功率。若令Δt/R=A，則P=AL，或A=P/L，此時A值的含意是：單位加熱深度徑向功率消耗。

根據智能中頻電熱采油井的生產運行資料分析，在一定條件下（地質、完井情況相近），在生產過程中，單位加熱深度徑向熱損失，即A值，一般在0.07～0.10（kW/m）。表3為曙一區6口電熱井A值統計表。平均A值為0.087 kW/m。這樣，對某油區油井設計所需加熱功率時，將A值代入公式（8），即可得出。

表3 部分電熱井A值統計

實踐資料說明：油井電加熱過程中，有80%多的功率是用來彌補徑向熱損失。真正用在井筒油流增溫降粘的功率很少。

4 經濟效益分析

智能中頻電加熱采油技術與原工頻加熱相比，節電效果十分明顯。對某油田46-40井、44-40井進行了現場測試，節電效果如下：

46－40井：原工頻加熱功率為102.0 kW；中頻加熱功率為57.6 kW。年節電量為319 680 kWh(注：空心抽油桿加熱年運行時間以300天計算)，如每度電按0.5元計算，每年可節約電費159840元。

44－40井：原工頻加熱功率為93.1 kW；中頻加熱功率為44.0 kW。年節電量為353 520 kWh，每年可節約電費176 760元。

由此可見，中頻電加熱采油技術與工頻相比節電效果十分明顯。而每套設備與原工頻相比只需增加一臺中頻電源6萬元，最多半年即可收回投資。

5 結語

智能中頻電熱采油配套裝置可以滿足各類稠油井、高凝油井的生產需要，運行穩定、節能高效。目前該項技術已在吉林油田、遼河油田、勝利油田等稠油開采上推廣應用，應用井數達上千口，取得了十分可觀的經濟效益。

[1]夏洪權.空心抽油桿越泵電熱采油技術[J].油氣田地面工程,1999(4):16-20.

[2]王世杏.井筒降粘技術在超涂層稠油藏開采中的應用[J].內蒙古石油化工,2002(2):101-106.

[3]王景瑞.塔河油田碳酸鹽巖油藏稠油井筒降粘工藝技術研究[D].北京:中國石油大學,2007.