電加熱技術在渤海油田中的清防蠟效果分析

劉華偉

(中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

渤海油田生產含蠟原油，自投入開發以來，陸續發現一些油井在生產過程中產液量逐漸下降，井眼直徑逐漸減小，經過現場作業發現井筒中存在結蠟的問題。如一些油井投產初期，產液量比較穩定，但生產2年以后，多次表現出日產液量不斷下降、流壓不斷上升的現象。每次液量下降時，經過鋼絲作業、通井、熱洗或鋼絲作業等施工后，都能有所緩解，但過段時間液量又開始下降。由于多數油田井口的溫度低于析蠟點，而通過電加熱方式對井筒進行加熱，使電能轉化為熱能，來提高井筒流體的溫度，增加井筒內原油的流動性[1-5]。為滿足渤海油田低產低效井防蠟需要，有必要設計一套適合渤海油田的電熱桿防蠟管工藝，解決抽油桿與生產管柱環空井控、采油樹懸掛抽油桿、海上供電設備匹配、免動井口投撈電纜等問題，實現電加熱桿防蠟工藝能夠滿足海上油田結蠟井連續生產，確保空心桿電加熱工藝滿足海上油井安全生產要求。

1 海上油田電加熱防蠟管柱工藝研究

1.1 電加熱管柱工藝設計

根據渤海油田生產管柱特點，考慮原油特性、蠟沉積因素等地質油藏參數及生產壓差、產液量及含水率等生產參數，設計空心桿電加熱防蠟工藝，如圖1所示。

空心桿電加熱防蠟工藝中存在常規井口采油樹與投撈熱電纜匹配問題，為解決采油樹懸掛抽油桿及免動管柱投撈電纜通道的問題，需要設計免拆井口的采油樹，提高后期熱電纜更換作業效率，節約作業成本。采油樹具備過電纜通道，能與電加熱桿密封對接。空心桿電加熱防蠟工藝中的電加熱系統由中頻柜、加熱電纜及空心桿電加熱組成，空心抽油桿與單芯電纜構成電回路的加熱機構。在油管與抽油桿的環空設計一種環空安全閥，防止井涌，保證生產安全。

1.2 電加熱技術用于油井清防蠟的工作原理

電加熱技術的基本原理是內集膚效應，即當空心抽油桿內電纜通以交流電后，產生內集膚效應，電流在空心桿內壁流動，使電熱桿發熱實現提高井筒產液溫度，實現井筒防蠟的目的。電加熱桿外壁基本無電流，可視為絕緣體，保證工作安全。

對空心抽油桿及桿內電纜集膚效應進行數值模擬，分析空心抽油桿和電纜中的電流密度分布規律[6]。當通以不同頻率的交變電流時，空心抽油桿徑向電流分布情況如圖2所示。

從圖2中看出，當不同頻率的交流電通過空心抽油桿和電纜構成的回路時，在空抽油桿徑向上，流經空心抽油桿的電流密度不等，其內部的電流多于外壁電流。這種情況說明，這種規律和內集膚效應理論相符。當頻率增加時，集膚效應現象更加明顯，并且空心桿及電纜的集膚深度減小，進而導致大部分電流集聚在空心抽油桿的內壁流通。

2 電加熱油井的溫度場數值模擬

2.1 井筒內熱量傳遞分析

將井筒內的流體看作一個熱力系統，且為開口熱力系統。不考慮氣體質量的影響，油井全井筒中的熱流體的穩定流動狀態，不考慮體積和流態的影響，假設地層溫度與垂深是線性函數關系，不考慮熱應力對管柱造成的影響[7-10]。

取井筒深度中的微元長度為dh，建立全井筒熱傳遞的數學模型，井筒內熱流體與地層熱交換示意圖如圖3所示，單位時間散熱量為dq，則得傳熱公式：

dq=U(t-td)πDh

(1)

式中：q為井筒流體散熱量，J；h為井筒深度(距井底的垂深),m；U為總熱傳遞系數，W/(m2·K)；t為井筒dh處流體溫度，K；td為井筒dh處地層溫度，K；D為套管外徑，m。

同時，流經dh井筒段，流體溫度降低dt，電加執補償熱量P，則流體與外界交換而增加或損失的熱量為：

dq=-P-GCdt

(2)

式中：P為單位時間通過單位長度內的加熱功率，W/m；G為產液量，m3/d；C為流體比熱，kJ/(kg·℃)。

根據熱量守恒定律，可得：

dq=U(t-td)πDh=-P-GCdt

(3)

井筒內，地層溫度與深度有以下直線關系式：

td=ts-αh

(4)

式中：ts為井底初始溫度，即地層溫度，℃；α為地溫變化率，℃/m。

將式(4)代入式(3)得：

dq=U(t-td)πDh=P-GCdt

(5)

整理得：

(6)

上述是一個非齊次線性常微分方程，其通解為：

(7)

邊界條件：井底處流體溫度為t1，即h=0時，t=t1,代入式(7)得：

(8)

初始條件：井底處流體溫度等同于井底溫度，即t1=td，代入式(8)得：

(9)

將式(9)代入式(8)得：

(10)

從上式可以看出，若要求出井筒內任一處的流體溫度，必須知道總熱傳遞系數的變化情況，而井筒熱流體溫度t與總熱傳遞系數U是一種互相影響的關系[11-13]，所以需要將井筒散熱、井筒吸熱及井筒熱傳遞損失看成一個熱平衡系統，建立井筒溫度預測模型，利用將熱流體溫度、深度及總熱傳遞系數三者聯合迭代計算的模擬方法求解，才能有效預測井筒內熱流體的溫度。

2.2 電加熱井筒熱流體溫度分析

利用MATLAB軟件編制小程序，對電加熱及隔熱管井筒每一段的熱流體的傳熱系數及熱量損失速率進行計算，對其溫度進行有效預測。模擬井產液量為 100 m3/d，井筒電加熱功率為80 kW，加熱深度為1 000 m。

模擬出井筒流體傳熱的溫度數據，如圖4所示。從圖4中數據可以看出，在沒有任何措施的條件下，井底熱流體由 1 600 m 處經潛油電泵抽汲到地面后，熱流體的溫度自90 ℃下降至35 ℃。而經過功率為80 kW的電加熱工藝處理后，井筒流體吸收電能轉化的熱量后，流體溫度自1 000 m處的溫度先升高，然后逐漸下降，井口溫度達到 51.7 ℃，說明，經過電加熱工藝處理后，井筒內熱流體會保持相對較高的溫度。

模擬出井筒流體傳熱的總熱傳遞系數數據，如圖5所示。從圖5中數據可以看出，普通油管隨著井筒深度的降低，總熱傳遞系數降低較少，而在電加熱段的井筒的總熱傳遞系數較高。

模擬出井筒流體傳熱的損失熱量速率數據如圖6所示。從由圖6可以看出，下入普通油管的井筒熱流體的熱量損失速率比較大，而下入空心桿電加熱的井筒熱流體損失熱量速率增加較多。隨著井筒距井口位置的逐漸靠近，井筒熱流體和水泥環的溫差有所增加，井筒熱流體進行熱傳遞的熱流體損失熱量速率也隨之增加。

當井筒內流體進行熱傳遞時，隨著井筒深度的增加，熱傳遞系數基本保持不變，而井筒熱流體和水泥環外部的溫差逐漸增加。所以在井筒管柱結構及原油和地層熱物性基本不變時，井筒熱流體與水泥環外部的溫差對井筒熱流體損失熱量速率的影響最大。

原油黏度-溫度關系如圖7所示。由圖7可知，在原油溫度高于85 ℃的條件下，此時黏度基本不變化，說明增加溫度不能有效降低黏度。然而，在原油溫度小于70 ℃的條件下，黏度隨溫度變化而變化，說明增加溫度能有效降低黏度。

電加熱的井口溫度-加熱功率曲線，如圖8所示。由圖8中數據分析，在井筒熱流體溫度變化很小時，井筒溫度和電加熱功率是一種線性函數關系，采用數值擬合，對圖中溫度與功率數據進行研究，確定擬合出的溫度與功率的線性關系式是y=0.038x+87.68。若油井井筒熱流體所需達到的溫度為55 ℃，則確認適當的井筒電加熱功率大小為77.5 kW，然后，可進一步求出其井筒電加熱其它相關參數。

3 現場應用與效果分析

以渤海油田一口生產井進行應用研究，此井投產初期產液量為43.62 m3/d，一年后，井筒出現蠟堵，產液逐漸下降為30.12 m3/d，需要采用合適的降黏技術防止油管結蠟，保證該井正常生產。利用模型計算出井口溫度增加到55 ℃，需要加熱深度為800 m，加熱功率為120 kW。清蠟工藝施工前后的生產數據曲線如圖9所示。

從圖9中看出，此井施工前半年，產液量逐漸下降，平均由40 m3/d降到了19 m3/d，而溫度也由 30 ℃ 降到27 ℃，施工后，井口溫度逐漸上升到37 ℃，最終上升到55 ℃，產液量也增加到40 m3/d。生產井施工前后測得的生產參數效果如表1所示。從表1中可以看出，進行井筒溫度場模擬，加熱后井口實測溫度為55.2 ℃，理論模擬與實測數據基本一致。隨著溫度升高，產液量增加了4.5 m3/d，說明工藝有清蠟效果。

表1 施工前后的生產參數效果評價表

4 結論

1)根據金縣油田結臘油井的生產情況，設計的電加熱清防蠟管柱工藝能夠把電流集中在空心桿內壁對井筒進行加熱，并能免拆井口進行投撈電纜，增加施工作業效率，同時，配有環空安全閥，保證施工安全。

2)依據油井的生產管柱和地質油藏參數，建立出井筒的溫度場模擬進行數值模擬，優化電加熱清防蠟工藝相關技術參數，能對實際增溫效果進行有效預測。此工藝現場應用情況表明，此工藝對井筒結蠟的稠油井有很好的加熱清防蠟效果。