空心抽油桿電加熱采油技術在三塘湖油田的應用

張朋舉, 項紅軍, 張佩玉, 任松林, 崔智超, 王小龍, 劉福剛

(1中國石油集團石油管工程技術研究院 2中國石油西部鉆探吐哈井下作業(yè)公司 3中國石油吐哈油田分公司 4中國石油技術開發(fā)有限公司)

三塘湖盆地二疊系致密油勘探主要集中在馬朗和條湖凹陷，勘探面積3 200 km2，發(fā)現(xiàn)條湖組、蘆草溝兩套致密油層，預測有利勘探面積486 km2，資源規(guī)模4.2×108t。馬中區(qū)塊二疊系條湖組地面原油性質(zhì)：地面原油密度0.88～0.91 g/cm3，平均0.900 7 g/cm3，原油黏度79.91～186.2 mPa·s(50℃)，凝固點平均15℃～20℃，含蠟量19.2%～32.5%。整體表現(xiàn)為中質(zhì)、高黏、高蠟、中凝的特點。二疊系條湖組地層原油性質(zhì)：地層原油密度0.85～0.87 g/cm3，平均0.86 g/cm3，地層原油黏度37.1～81.9 mPa·s，地層流體表現(xiàn)為密度大、黏度較高的特點。按中國稠油分類標準，馬7區(qū)塊原油從黏度主要指標來看，屬于普通稠油亞類[1]。為了實現(xiàn)該區(qū)塊原油的順利舉升，分別在典型井上應用空心抽油桿電加熱采油工藝進行原油舉升試驗。

一、工藝原理及設計

目前，稠油開采方式主要有物理降黏和化學降黏[2]，這兩種方法。物理降黏主要是利用溫度對稠油的敏感特性，當溫度達到某一數(shù)值時，稠油的黏度驟然降低，在采油工程上，將其稱之為“拐點溫度”。空心抽油桿電加熱技術是基于集膚效應原理產(chǎn)生熱量，當交變電流流過空心抽油桿時，空心抽油桿周圍變化的磁場在空心抽油桿中產(chǎn)生感應電流，從而使得沿空心抽油桿截面的電流分布不均勻，尤其當頻率較高時，電流幾乎集中在管壁極薄層流過，從而大幅度增加電流阻抗，使空心抽油桿桿體溫度升高[3-4]。通過控制頻率和加熱時間，可以實現(xiàn)對空心抽油桿桿體溫度的控制，有資料顯示：提高電加熱頻率或增加通電時間均可使空心抽油桿桿體溫度升高，可以采用變頻、中頻或者改變通電時間來開采不同性質(zhì)稠油[4]。

1.結構設計

空心抽油桿電加熱采油系統(tǒng)分為中頻電源部分、整體(加熱)電纜部分、終端接觸器、井口懸接器、二次電纜(回路)。結構示意圖如圖1所示。

圖1 空心抽油桿電加熱示意圖

1.1 中頻電源

中頻電源柜的功能是將輸入的380 V/50 Hz的三相交流電經(jīng)整流濾波轉變成500 V、800 V、1 000 V的直流電壓，再經(jīng)過逆變電路變成400～1 000 Hz的單相中頻電壓，再通過中頻變壓器輸送到油井加熱電纜輸入端，經(jīng)終端接觸器與空心抽油桿形成回路。

1.2 整體(加熱)電纜部分

整體(加熱)電纜部分，其主要功能是作為導體將電流輸送至井底終端接觸器，其次由于線纜在井下具有一定的深度，必須具備一定的抗拉強度，保證電纜在懸垂狀態(tài)下保持良好的供電功能。設計的電纜性能參數(shù)如表1所示。

表1 整體(加熱)電纜部分

1.3 井口懸掛器

井口懸掛部分是為了實現(xiàn)加熱電纜能夠順利進入空心抽油桿內(nèi)孔，并且具備與抽油桿拉桿之間順利連接的功能。既能確保有桿舉升系統(tǒng)的正常運轉，又能實現(xiàn)加熱電纜與空心抽油桿舉升系統(tǒng)在結合過程中，不會出現(xiàn)磨、割電纜的現(xiàn)象，結構如圖2所示。

圖2 井口懸掛器

1.4 井底接觸器

井底接觸器是保證通電線纜與空心抽油桿的接觸。保證電流傳輸至空心抽油桿，讓“集膚效應”順利發(fā)生，其結構如圖3所示。

圖3 井底接觸器

2.工作原理

基本原理是利用集膚效應，而集膚效應是電流在高頻下的一種分布特征[5-6]。以上介紹的電控柜就實現(xiàn)了這種效應，將三相工業(yè)用電380 V、50 Hz，通過升壓變壓器變成單相電流，頻率設計為寬幅可調(diào)，電流從井口經(jīng)過加熱電纜輸送至井底，當交變電流通過導線時，導線周圍變化的磁場也要在導線中產(chǎn)生感應電流，從而使沿導線截面的電流分布不均勻。當電流經(jīng)過空心抽油桿內(nèi)部時，在“集膚效應”作用下，尤其當頻率較高時，此電流幾乎是在空心抽油桿內(nèi)壁表面附近的薄層中流動。顯然，這種效應使電流流過空心抽油桿的有效截面積減小，從而導致等效電阻增加，空心抽油桿本體發(fā)出的熱量也就很大。熱量通過空心抽油桿壁傳導給周圍的原油，原油吸收熱量后，黏度顯著下降，井筒油流阻力降低，從而確保油井的順利舉升。

二、工程實施及效果

在三塘湖馬7區(qū)塊選出五口井進行空心抽油桿電加熱試驗，對五口井的原油黏度測試，檢測標準為SY/T 7549-2000《原油粘溫曲線的確定旋轉粘度計法》，檢測設備為AR-G2型流變儀。測試結果如表2所示。

表2 三口井黏溫測定

1.加熱深度設計

當油井的拐點溫度被確定為井筒原油流動的最低溫度時，任何一口井所需的加熱深度可表示為：

L=(Φ-Φave)/m

(1)

式中：L—加熱深度m；Φ—稠油的拐點溫度,℃；Φave—井口年平均溫度,℃；m—地層溫度梯度℃/100 m[7]。

馬7區(qū)塊二疊系條湖組油藏地層平均溫度65.3℃，地溫梯度2.5℃/100m，地層平均壓力21.74 MPa，壓力系數(shù)1.013，屬于異常低溫正常壓力系統(tǒng)。通過計算可以發(fā)現(xiàn)，這三口井的加熱深度在1 100～1 200 m之間，考慮到原油脫氣、井口年平均溫度的誤差，最終三口井的設計加熱深度為1 200 m。

2.功率、頻率

2.1 頻率

根據(jù)“集膚效應”原理，如式(2)所示:

S=K(1/fc)1/2

(2)

式中:S—“集膚效應”深度，m；K—修正系數(shù)；fc—頻率，Hz[8]。

當fc增大時，S變小，則集膚效應深度越淺，同時交流阻抗也變大，在相同數(shù)值的電流作用下，負載獲得的能量越高，電流和線路的消耗也會變小，加熱效率將提高。設計時，采用變頻技術，使得頻率的變化范圍在400～1 000 Hz之間變化，輸出脈沖的占空比為16%～93%。

2.2 功率

稠油在開采過程中，一般要求原油出口溫度大于拐點溫度5℃～10℃。根據(jù)相關資料顯示，可以按照稠油分類確定，一般稠油的加熱功率為50～60 W/m[9]。根據(jù)該經(jīng)驗，1 200 m加熱深度所需功率為60 kW，由于現(xiàn)場油井含水率、設備損耗、安全系數(shù)等綜合因素，現(xiàn)場應用的設備設計最大功率為100 kW。

3.效果

分別在三塘湖馬朗區(qū)塊的5口井井下采用該裝置，人工舉升系統(tǒng)及電加熱系統(tǒng)運行之后的參數(shù)如表3所示。目前使用該裝置的5口井，已經(jīng)運行1 766 d，運行正常。

表3 試驗井運行參數(shù)

三、結論

根據(jù)三塘湖馬朗和條湖凹陷致密油區(qū)塊原油的基本物理性質(zhì)，選擇了空心抽油桿電加熱采油工藝作為開發(fā)工藝；在分析空心抽油桿電加熱基本原理的基礎上，設計確定了中頻電源、加熱電纜的系列參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場實際設計了井口懸掛器、井底接觸器；選擇典型井5口完成了礦場試驗，并且已經(jīng)正常運行1 766 d，累計生產(chǎn)原油達15 474 t，證明采用空心抽油桿電加熱采油技術可以滿足該區(qū)塊的開發(fā)。