非金屬智能連續加熱裝置的研發及應用

王治寧 杜鑫 王曌 郇宇 趙啟昊（長慶油田分公司第八采油廠）

1 概況

長慶油田地處陜甘寧蒙，溝壑縱橫，地理條件惡劣，采油八廠生產區域處于陜北黃土高原腹地，冬季最低氣溫超過零下25 ℃，對單井集油生產造成諸多困難。

采油八廠油井開井共3 272 口，出油管道991 條，1 870.3 km。其中運行10～15 年的出油管線253 條，521.9 km，分別占比為25.5%，27.9%。夏季油井平均回壓1.5 MPa，冬季平均回壓3.5 MPa，平均回壓上升2 MPa。

2 高回壓對生產的影響

現場生產流程是單井-增壓站-轉油站-聯合站[1]，場站之間加壓加溫輸油，站內配置加熱爐和外輸泵，可滿足生產需要；單井至增壓站主要依靠井下抽油泵，泵掛深度為1 200～1 600 m，抽油泵密封試驗壓力通常為10～15 MPa，管線試驗壓力通常為6 MPa。

2.1 造成高回壓的主要原因

1）單井與增壓站之間存在高差，出油管道長且存在跨越及穿溝等復雜情況，管線距離超過2.5 km[2-3]。

2）油質黏稠，黏度大，管線內阻力大，流動性差。

3）氣溫過低，結蠟嚴重。

2.2 高回壓對油井的影響

1）導致井下壓力上升，抽油泵凡爾漏失，對產量影響。

2） 生產壓力升高，造成井口盤根刺漏、損壞，產生環保事故。

3） 對于運行10 年以上的管線，生產壓力升高，增大管線破漏的風險，造成大面積的環境、水土污染。

4）生產壓力升高，液體流速慢，容易造成管線凍堵。

2.3 降回壓方法

1）井口加熱，常用的加熱設備有：電磁加熱裝置，常壓水套加熱爐[4-5]。

2）管線熱洗，常用的熱洗方式有：熱洗車熱洗，移動加熱橇熱洗。

3） 井組降回壓泵橇，常用的井組輸油泵有：柱塞式輸油泵橇，螺桿式輸油泵，同步回轉泵橇。

2.4 降回壓方式對比

1）井口加熱設備。電磁加熱裝置屬于快速加熱方式，加熱體長度約700 mm，液體溫升25 ℃。加熱體溫度需達到70 ℃以上，能耗高且加熱爐因溫度影響結垢快，兩種加熱設備的對比見表1。

2） 管線熱洗。熱洗車包括水熱洗、超導熱洗、蒸汽熱洗，均能達到效果，但操作復雜，費用較高；移動式加熱橇受伴生氣及井組液量影響，使用范圍較小，兩種管線熱洗方法對比見表2。

3）井組降回壓泵橇。三種泵橇均可以滿足現場降回壓需求，但是均無法滿足無人值守模式下的生產需求，三種降回壓泵橇的對比見表3。

表1 兩種加熱設備的對比

表2 兩種管線熱洗方法的對比

表3 三種降回壓泵橇的對比

3 非金屬智能連續加熱裝置

2017 年，對比現有設備設施及技術的優缺點后，為了保障現場生產運行，降低能耗及實現提質增效目的，采油八廠與某公司合作，研發了非金屬智能連續加熱裝置，有效解決了低溫、低液量、長管線及油質黏稠等原因造成的井組高回壓難題。

3.1 工作原理

非金屬智能連續加熱裝置主要由加熱管、金具和溫度控制柜三部分組成。

1）加熱管由外保護層、纖維增強結構層、導熱內襯層和加熱導線組成。

2）金具。將加熱管與金屬管道相連接，并通過它來實現整個系統的控制及導線加熱。加熱管為復合材質，金具（接頭）設計是個難點，需要完全保證加熱管的密封和絕緣性能，同時要保障測溫電偶在金具內部的正常工作。

三組加熱電纜采用三相電接法，在接頭內和外部的動力電纜實現連接過度，另外還有兩組監測加熱電纜實時發熱溫度的傳感器和加熱電纜接觸并且引出接頭和外部接線柜相連。

接頭密封導線和傳感器部位的外部殼體設計為活動式，便于傳感器的維修和更換。接頭端部通過法蘭的形式和金屬管道連接，金具結構及實物圖見圖1。

圖1 金具結構及實物圖

3）溫度控制柜。負責調控整個換熱系統，根據金具內的溫度傳感器測定值來調整系統加熱功率，使加熱管出口處的液體溫度維持在設定值，再由加熱導線的實時發熱溫度來控制整個系統電源的開啟和關閉（金具內置多個溫度傳感器分別監測進、出口油溫，加熱導線溫度，管壁溫度，實時反饋調節輸出功率與加熱溫度）。

4） 技術參數。型號為JR-L-76×13-10-380-3×3.5+3，公稱內徑50 mm，公稱外徑76 mm，額定工作內壓10 MPa，適用井組液量范圍3～30 m3/d，連續加熱管長度范圍30～150 m， 升溫范圍5～25 ℃（進出口溫差），最大功率15 kW，（當出口溫度達到設定溫度后，正常運行功率為初始功率的15%～30%）。

3.2 特點

1） 溫度控制系統具備低溫保溫、高溫散熱、短路、開路、缺相、過載等保護功能，安全可靠。

2）集井場原油加熱和輸送功能于一體，加熱管內襯層導熱效果好，摩擦系數小，流通效率高，長距離壓力損失小，維護成本低[6-10]。

3）抗結垢結蠟，耐腐蝕性能良好，使用壽命長且熱效率高。

4） 具備數字化遠傳功能，無人值守智能管理，根據液量和設定溫差實現閉環控制，節能高效。

5）質量輕、韌性好，可定點盤管掩埋或沿管線直埋。

4 現場應用及效果評價

4.1 現場應用情況

2019 年11 月至2020 年1 月，先后在四個作業區安裝了16 套非金屬智能連續加熱裝置，并對運行情況進行實時監控，安裝井組的液量、含水、管線長度，安裝井組的基本參數見表4。

表4 安裝井組的基本參數

4.2 效益評價

1） 非金屬智能連續加熱裝置，費用為12 萬元；從安裝前后回壓及熱洗周期表5 可以看出，單位液量的日耗電量10～15 kWh，按照運行150 天計算，耗電量約1 500～2 250 kWh，取平均數1 875 kWh，單位液量電費約1 125 元。

以蘆49-71 井組為例，日產液量15 m3，非金屬智能連續加熱裝置運行150 天，電費16 875 元。

2） 熱洗費用，2019 年冬季與2018 年同期相比，井組的回壓平均下降1.58 MPa，最高壓力2.1 MPa，2018 年平均熱洗周期為4.6 天，詳情見表5。以7 天熱洗一次為標準，150 天平均井組熱洗21.4 次，單次熱洗管線費用1 080 元，共計23 112 元。

3） 產量效益。以蘆49-71 井組為例，該井組油井數6 口，安裝前，日產液量14.95 m3/d，日產油6.73 t/d；安裝后，日產液量15.58 m3/d，日產油7 t/d；日增液量0.63 m3/d，日增油0.27 t/d。150 天增產94.5 m3，增油40.5 t，每噸油按照3 000 元計算，增產效益12.15 萬元。

4） 機采能耗降低。以蘆49-71 井組為例，使用8 型抽油機，電動機功率11 kW，安裝前測量單井有功功率3.8 kW，安裝后測量有功功率3.6 kW，有功功率下降0.2 kW，日節電4.8 kWh。以運行150 天為準，單井節能720 kWh。該井組6 口井，每千瓦時按照0.6 元計算，節約電費2 592 元。

5） 延長了盤根使用壽命。井口壓力在3 MPa以上運行，經統計，盤根的使用周期為7 天；當井口的壓力在1 MPa 以下運行時，盤根的使用周期為45 天左右。以蘆49-71 井組為例，6 口井，按照150 天計算，節約盤根108 個。每個按照7.8 元計算，節約費用842.4 元。

6） 投資回收期計算。該裝置總投資12 萬元，150 天運行電費1.687 5 萬元。

表5 安裝前后回壓及熱洗周期對比

綜上所述，該裝置安裝后，150 天可節約費用熱洗費用、井口產量、能耗費用、盤根費用共14.8萬元。投資回收期為11.1 月，即一年可收回投資。

5 結論

1） 該裝置可滿足長慶油田冬季現場生產需求，有效降低單井管線生產壓力，應用效果良好，具有推廣價值。

2）降低了冬季油井生產的安全風險。可有效延長管線熱洗周期或省略熱洗，減輕了員工勞動強度，降低了熱洗管線的安全風險。

3）降低了油井生產的環保風險。運行壓力降低后，減少了井口、管線刺漏以及安全環保、水土污染事故事件發生的概率，同時減少了污油泥的產生。

4）該裝置可實現遠程啟停及數據監控，可根據天氣狀況適時調整溫度等參數的設定以及啟停作業，滿足智慧化油田建設需求及高效管理。