高凝固點油井電纜電加熱制度優化

鄭丹（大慶石油管理局有限公司技術監督中心）

1 問題提出

大慶油田某區塊高凝固點油井因高含蠟、高含膠、高凝固點，導致頻繁卡泵，舉升能耗高。

該區塊屬于高凝固點油井區塊，其開采不同層位原油性質見表1。未解決上述生產難題并研究降低生產能耗的有效方法，經過對比，選取了2 口試驗井，其平均熱洗周期僅30 天，平均含水恢復期5 天。

這種經常性的作業已嚴重影響了該區塊的原油正常生產，同時，區塊開采成本過高，統計該區塊的單井日耗電高達531.0 kWh。為此，在該區塊2 口油稠井上開展電纜電加熱技術試驗[1-6]。

表1 不同層位原油性質對比

2 電加熱參數設計

2.1 技術工藝原理

電加熱技術原理是在井內生產油管外部綁定電纜，通過電纜芯線發出的熱量，對油管內流體進行加熱，達到降黏、消除井筒結蠟的目的，油管外電纜加熱技術的基本構成見圖1。

圖1 油管外電纜加熱技術的基本構成

2.2 電加熱功率的確定

原油從井底流出井筒的過程，是井筒原油與地層之間不斷熱交換過程。根據理論分析，電加熱功率滿足生產的充分條件為加熱后的井口產液溫度高于析蠟溫度，此時整個井筒均不會結蠟，而將井口溫度加熱到析蠟溫度所需的熱能換算后的功率，即為電纜電加熱功率[7-10]，見式（1）。2 口試驗井電加熱功率測算結果，見表2。

能量守恒：

式中：Tm為井口產液溫度，℃；Ta為析蠟溫度，取39 ℃；C為產液比熱容，取4.5 J/(kg·℃)；m為日產液，t/d；Pm為電加熱功率，kW；t為時間，取3 600 s。

表2 電加熱功率測算

2.3 電加熱帶下入深度確定

為達到理想清蠟效果，設計把電加熱帶下入到析蠟溫度處，黑帝廟層析蠟溫度45 ℃，由式（2）得出井溫剖面，電纜下入深度為700 m。

式中：Tm為井口溫度，取10 ℃；Ta為析蠟溫度，取 45.0 ℃； ΔT為地溫梯度，取4.9 ℃/100 m；H為電加熱帶下入深度，m。

3 現場應用

對試驗的2 口井應用了電纜電加熱，措施后抽油機電流和載荷明顯下降，在無需熱洗的前提下實現了連續生產。其中試驗井A 由原來不能正常生產，在平均功率14.2 kW 下連續生產；試驗井B 上電流由22 A 下降至15 A，抽油機上載荷由62 kN 下降至43 kN，電加熱應用效果對比見表3。

通過應用電纜電加熱解決了油井頻繁卡泵的問題，初步實現了連續生產，但是單井綜合能耗大幅升高。因此，還需在解決油井頻繁卡泵保障連續生產的基礎上，進一步實現節能生產。

為實現抽油機的舉升能耗與電加熱裝置的總能耗下降，在保證油井不結蠟、連續生產的基礎上，通過綜合分析加熱功率和加熱時間對總能耗的影響，對電加熱的功率和加熱時間進行了優選優化。

一是優選連續電加熱情況下的功率。通過逐漸降低加熱功率，觀測抽油機載荷變化，以抽油機和電加熱兩部分綜合能耗最低為目標，尋找合理加熱功率。試驗井A 在功率11.5 kW 時，出現了載荷上升結蠟傾向，若長時間生產，結蠟加重，不能維持生產；在12.5 kW 時，載荷穩定，綜合能耗較低，試驗井A 不同加熱方式綜合能耗對比見表4。因此12.5 kW 為該井連續電加熱時的最節能功率，對應日綜合能耗361.8 kWh，較優化前降低169.6 kWh。同理，試驗井B 采取同樣方式，確定了該井連續電加熱時的最節能功率為12.1 kW，日綜合能耗355 kWh，優化后日節電140 kWh。

二是確實固定電加熱功率下的最佳間歇電加熱時間。考慮到電加熱裝置連續運轉會降低設備運行壽命，同時增加發生故障的可能性，同時間歇加熱會進一步降低生產總能耗，因此生產實際過程傾向于將加熱方式從連續加熱改為間歇加熱。

為進一步降低綜合能耗，將試驗井A 從連續加熱改為間歇加熱，在選取間歇加熱時的電加熱功率時，綜合考慮到電加熱裝置的熱效率和穩定性因素，結合生產實際，將電加熱功率設置為18 kW，對比此加熱功率下不同的加熱時間下電動機能耗變化，以油井不結蠟和總能耗低于連續生產時為基本條件，尋找更滿足生產實際的總能耗最低點，即為合理間歇加熱時間。

通過現場實踐，觀察電動機能耗（載荷）和電加熱能耗的變化，得出在功率18 kW 時，采用開2 h關1 h 的間歇加熱制度，能夠滿足生產，采油井不結蠟，且綜合日耗電較連續加熱時進一步降低了10.8 kWh，試驗井A 不同加熱方式綜合能耗對比見表5。

表3 電加熱應用效果對比

表4 試驗井A 不同加熱方式綜合能耗對比

表5 試驗井A 不同加熱方式綜合能耗對比

4 節能效益

通過對比，按照優選電加熱功率、優化設計電加熱時間的方案，加熱功率采用18 kW，加熱時間為加熱2 h 停止1 h，單井日綜合耗電從連續電加熱的531.4 kWh 下降到351.0 kWh，日節電180.4 kWh。

試驗區塊年均開井數為13 口井，區塊日節電效益為2 345 kWh，區塊年節電效益（按照開井360天計算）844 272 kWh，節電效益約44.7 萬元。

5 結論

1）依據熱傳導和能量守恒理論計算的電加熱深度及使用功率，能夠滿足生產需要，保證了稠油井的正常生產，為其他區塊稠油開采提供了指導。

2）在滿足油井正常生產前提下，以綜合能耗最低為目標，優化了電加熱功率和間歇加熱制度，大幅降低了抽油機和電加熱能耗。

3）電加熱優化制度應綜合考慮電加熱功率和加熱時間，可以根據抽油機實際載荷不降低、加熱時間減少，而生產能力不受影響且綜合能耗降低等要素確定合理的電加熱功率。

4）通過優選電加熱功率、優化設計電加熱時間，試驗區塊單井日單井日綜合耗電從531.4 kWh下降到351.0 kWh，日節電180.4 kWh。