重力熱管式抽油桿柱加熱井筒技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

范英才,蔣生健,王鐵強(qiáng),劉永建

(1.東北石油大學(xué),黑龍江 大慶 163318;2.中油遼河油田公司,遼寧 盤(pán)錦 124010)

重力熱管式抽油桿柱加熱井筒技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

范英才1,2,蔣生健2,王鐵強(qiáng)2,劉永建1

(1.東北石油大學(xué),黑龍江 大慶 163318;2.中油遼河油田公司,遼寧 盤(pán)錦 124010)

目前蒸汽吞吐井采用的電加熱及熱流體循環(huán)工藝,存在能耗大、運(yùn)行成本高及井下作業(yè)復(fù)雜等問(wèn)題。依據(jù)熱管原理,將機(jī)抽井中的空心抽油桿經(jīng)過(guò)加工處理,改制成具有高效傳熱功能的重力熱管,并形成了利用抽油桿柱吸收地?zé)峒訜峋残录夹g(shù)。介紹了油井現(xiàn)場(chǎng)制造重力熱管式抽油桿柱的操作工藝,依據(jù)遼河油區(qū) 3口試驗(yàn)井資料,分析了該技術(shù)的適用條件及影響因素。結(jié)果表明：對(duì)于油層深度低于 1 300 m、油層流體溫度為 100～120℃、油層條件下原油黏度小于 10 000 mPa·s、周期注汽量不低于 2 000 m3及產(chǎn)液量不低于 15 m3/d(最好在 20 m3/d以上)的蒸汽吞吐井,應(yīng)用該技術(shù)可取得加熱井筒的好效果。

蒸汽吞吐;加熱井筒;重力熱管;空心抽油桿;吸收地?zé)?/p>

1 技術(shù)原理

加熱井筒技術(shù)是將熱管傳熱原理應(yīng)用到油井中的抽油桿上,將細(xì)長(zhǎng)的空心抽油桿柱改制成重力熱管。其在機(jī)抽系統(tǒng)中有桿柱的基本用途,且具有從下往上高效傳熱的功能。油管中連續(xù)向上流出的產(chǎn)出液 (原油或油水)既是空心抽油桿熱管 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)熱管)的熱源又是冷源。在油井下部,當(dāng)產(chǎn)出液的溫度較高時(shí),其是熱管的熱源,熱量由產(chǎn)出液傳給熱管;而在油井上部,當(dāng)向上流動(dòng)的產(chǎn)出液溫度逐漸降低時(shí),在井筒上部某一位置處,產(chǎn)出液的溫度開(kāi)始低于熱管內(nèi)的介質(zhì)溫度,熱量由熱管傳向產(chǎn)出液,對(duì)產(chǎn)出液進(jìn)行加熱。熱管吸熱部分稱(chēng)為蒸發(fā)段,其放熱部分稱(chēng)為冷凝段。熱管內(nèi)的工質(zhì)在蒸發(fā)段吸熱汽化,其蒸汽由蒸發(fā)段流向冷凝段后,受到冷卻,使蒸汽凝結(jié)成液體,這時(shí)熱管放出熱量,且凝結(jié)液再回流到蒸發(fā)段重新吸熱。這個(gè)過(guò)程循環(huán)不已,從而將熱量從井底傳遞到井口。

對(duì)于重力熱管式抽油桿柱而言,這種小內(nèi)徑、超長(zhǎng)且充裝特殊工質(zhì)的重力熱管,與典型的重力熱管不同,其蒸發(fā)段和冷凝段的分界點(diǎn)由各種傳熱因素自行決定,具有自適應(yīng)自平衡性。在蒸發(fā)段及冷凝段,熱源或冷源溫度與熱管內(nèi)溫度的傳熱溫差隨熱管高度是逐漸變化的。在蒸發(fā)段,該溫差由下往上逐漸減少,進(jìn)入冷凝段之后,該溫差又逐漸增大,因此,可用于井筒加熱的由空心抽油桿柱制成的重力熱管,在井下不同深度處通過(guò)油管壁面的熱流密度是不同的。另外仍需特別指出,由空心抽油桿制成的重力熱管,其超長(zhǎng)特性是在熱管研究和應(yīng)用領(lǐng)域未曾遇到的新問(wèn)題,其內(nèi)部工質(zhì)的兩相流可能遇到各種難以克服的阻力和障礙,且熱管內(nèi)部填充的工質(zhì)本身會(huì)承受由其自重而產(chǎn)生很高的靜液柱壓力。在這樣高的壓力下,工質(zhì)能否產(chǎn)生沸騰和蒸發(fā)是一個(gè)有待確定的問(wèn)題。因此,適用的工質(zhì)是決定該技術(shù)成功的關(guān)鍵因素之一。

在采油工程領(lǐng)域用空心抽油桿制成重力熱管,從原理上講屬于相變傳熱,具有熱管的特性,實(shí)際上,它本身與典型熱管存在著巨大差異。為了使抽油桿熱管能夠真正運(yùn)行起來(lái),將井筒下部從油藏獲得的熱量傳遞給油井上部需要加熱的原油,不能直接套用典型熱管的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和處理辦法,必須根據(jù)差別再創(chuàng)新熱管制造工藝和應(yīng)用技術(shù)[1-8]。

2 制造工藝

2.1 管殼選擇

管殼選用遼河石油勘探局總機(jī)械廠生產(chǎn)的KG W36-60DZ空心抽油桿。其規(guī)格為 ?36 mm×5.5 mm,內(nèi)徑為 25 mm。歡 127-26-34井泵掛深為 780 m,空心抽油桿下深為 770 m,每根空心抽油桿長(zhǎng) 8 m,共需空心抽油桿 96根和 1根空心光桿。歡 127-蓮 H4井及齊 108-20-26井所需空心桿數(shù)量分別為 133根。

2.2 工質(zhì)確定

選用東北石油大學(xué)和遼河油區(qū)歡喜嶺采油廠聯(lián)合研制的A液作為抽油桿熱管填充用的工質(zhì)。其填充率為 10%～20%。

2.3 施工設(shè)備

油田現(xiàn)場(chǎng)制作重力熱管式抽油桿柱所需施工設(shè)備主要包括桿柱頂端密封連接裝置、注工質(zhì)裝置及抽真空裝置等。

(1)頂端密封連接裝置。頂端密封連接裝置由專(zhuān)用閥門(mén)、不銹鋼管、不銹鋼三通及不銹鋼變扣組成,均為山東阜寧石油機(jī)械加工廠生產(chǎn)。針形不銹鋼單向注氣閥門(mén)包括 1個(gè)角閥和 2個(gè)直閥,其耐壓為 20 MPa。3個(gè)無(wú)縫不繡鋼三通,內(nèi)徑為 1.27 cm。4根無(wú)縫不銹鋼管,共長(zhǎng) 10 cm,內(nèi)徑為 1.27 cm。1個(gè)不銹鋼變扣,長(zhǎng) 20 cm,其一端為外螺紋G1型,外徑為 1.27 cm,另一端為內(nèi)螺紋 G1型,內(nèi)徑為 1.27 cm。

(2)灌注工質(zhì)裝置。灌注工質(zhì)裝置由計(jì)量泵、工質(zhì)儲(chǔ)罐、壓力表及耐壓軟管組成。主要部件是計(jì)量泵,型號(hào)為MaKroTZKa,德國(guó)普羅名特流體控制公司生產(chǎn)。每小時(shí)最大注入量為 55 L,最大注入壓力為 16.8 MPa。計(jì)量泵在應(yīng)用之前要經(jīng)過(guò)標(biāo)定。

(3)抽真空裝置。采用真空泵抽真空,其型號(hào)為 2X-2旋片式,抽氣速率為 2 L/s,極限真空度為 6 ×10-2Pa。

2.4 施工工藝

(1)篩選和清洗空心抽油桿,逐根進(jìn)行密封試驗(yàn)。密封壓力不低于 15MPa,保持 10 min無(wú)滲漏。

(2)下抽油泵。泵上接 1～2根實(shí)心桿后接空心抽油桿,并將此抽油桿記為 1號(hào)桿,依次往上接入的空心抽油桿記為 2號(hào)桿,…,n號(hào)桿?？招臈U絲扣端面抹密封膠后再逐根連接,一直接到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度(根數(shù))為止。所用密封膠為東北石油大學(xué)和遼河油區(qū)歡喜嶺采油廠聯(lián)合研制。

(3)安裝頂端密封連接裝置。將連接完好的空心抽油桿柱下放到驢頭下止點(diǎn),將其懸吊或坐牢在油井井口上,再使其與其他裝置相連,組成 1個(gè)抽真空、注工質(zhì)的閉環(huán)系統(tǒng) (圖 1)。

(4)開(kāi)啟圖 1所示系統(tǒng)的閥 1～4。

(5)啟動(dòng)真空泵,將整個(gè)系統(tǒng)抽真空至所用設(shè)備的極限真空度。真空度維持在 5～10 min,其值不變方可進(jìn)行下一步驟。

(6)關(guān)閥 4,然后關(guān)閉真空泵。

(7)啟動(dòng)注工質(zhì)用計(jì)量泵,緩慢開(kāi)啟儲(chǔ)液罐的閥 5,觀察壓力表值為 5～10 MPa。當(dāng)觀察到空心桿出現(xiàn)瞬間結(jié)霜現(xiàn)象時(shí),證明注工質(zhì)開(kāi)始,這時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),直到注工質(zhì)達(dá)到設(shè)計(jì)量時(shí)為止。

圖1 井上重力熱管式抽油桿柱抽真空注工質(zhì)系統(tǒng)

(8)注工質(zhì)結(jié)束后,先關(guān)閉閥 5;計(jì)量泵繼續(xù)運(yùn)行 2～3 min后停泵,之后關(guān)閥 3。

(9)卸開(kāi)與真空泵連接處的軟管絲扣,將軟管此端甩到施工者下風(fēng)口一側(cè)。

(10)緩慢開(kāi)啟閥 4,放掉軟管線路內(nèi)全部殘留工質(zhì)。

(11)卸掉與閥 3相連接的全部注工質(zhì)系統(tǒng)配件,閥 3被卸掉其上的手柄輪后留在空心桿上。至此,重力熱管式抽油桿柱制作完畢。

(12)掛光桿卡子,抽油機(jī)起抽即可。

綜上可知,利用空心抽油桿制成的重力熱管吸收地?zé)峒訜峋布夹g(shù),不需要改變稠油采油井現(xiàn)有的機(jī)抽系統(tǒng),只是將現(xiàn)有的空心抽油桿進(jìn)行特殊工藝處理,再進(jìn)行填充工質(zhì)、抽真空、密封連接,制成具有重力熱管功能的空心抽油桿柱,然后將這個(gè)特殊功能管柱與常規(guī)加熱技術(shù)一樣接入機(jī)抽系統(tǒng)即可。該技術(shù)的機(jī)抽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便,成本低廉,無(wú)需維護(hù),利用井下地?zé)嶙孕羞\(yùn)轉(zhuǎn)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果分析

3.1 試驗(yàn)井概況

歡 127-26-34井位于遼河油區(qū)歡 127塊。該井開(kāi)采興隆臺(tái)油層,油層厚為 18.8 m。人工井底深為 911 m,井深 500 m處井斜最大,為 27°46’,套管規(guī)格為 ?177.8 mm。油層溫度為 35.6～36.4℃,含蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 11.08%,膠質(zhì)和瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 22.58%,地層原油黏度為 2 305.74 mPa·s。2009年 9月 2日開(kāi)始試驗(yàn),周期為第 11輪吞吐。本周期注汽量為 1 808 m3。泵掛深度為780 m,重力熱管式抽油桿柱長(zhǎng)度為 770 m,井溫測(cè)試顯示泵掛深度處井溫約為 60℃。

歡 127-蓮 H4井位于遼河油田歡 127蓮花區(qū)塊。該井開(kāi)采蓮花油層,油層為 1 280～1 490 m,分 4層,人工井底深 1 499.7 m,井深 1 279.11 m處井斜最大,為 94°30’,套管規(guī)格為 ?177.8 mm。油層溫度為 39℃,含蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2.75%,膠質(zhì)和瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 28.26%,地層原油黏度為1 413.9 mPa·s。2009年 12月 10日開(kāi)始試驗(yàn),周期為第 4輪吞吐。本周期注汽量為 2 501 m3,泵掛處井溫約為 86℃。

齊 108-20-26井位于遼河油田齊 108塊。該井開(kāi)采蓮花油層,油層為 1 282.7～1 297.8 m,平均厚度為 10.6 m。人工井底深為 1 317 m,井深1 045 m處井斜最大 ,為 17°23’,套管規(guī)格為 ?177.8 mm。油層溫度為 39℃,含蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 6.68%,膠質(zhì)和瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 29.94%,地層原油黏度為 10 583 mPa·s。2009年 12月 25日開(kāi)始試驗(yàn),周期為第 12輪吞吐。注汽量為 1 760 m3,泵掛深度為 1 250 m,重力熱管式抽油桿柱長(zhǎng)度為 1 000 m,泵掛處井溫約為 80℃。

未采用熱管技術(shù)前,上述 3口試驗(yàn)井均采用電加熱或摻熱油降黏措施進(jìn)行生產(chǎn)。截至 2010年 7月,歡 127-26-34井和歡 127-蓮 H4井周期結(jié)束,齊 108-20-26井繼續(xù)生產(chǎn)。3口井井口平均溫度均比上周期提高 10℃以上。下面以典型井歡127-26-34井為例進(jìn)行分析總結(jié)。

2009年 9月 2日晚 8時(shí)歡 127-26-34井啟動(dòng)抽油機(jī)起抽開(kāi)始本試驗(yàn)周期采油生產(chǎn)。該井上周期產(chǎn)出液井口平均溫度為 41℃,本試驗(yàn)周期應(yīng)用研制的重力熱管式抽油桿柱后產(chǎn)出液井口平均溫度為 51℃,至 2010年 1月 30日實(shí)測(cè)該井井口溫度仍為 49℃。歡 127-26-34井本試驗(yàn)周期生產(chǎn)情況與相關(guān)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖 2。

圖2 歡 127-26-34井本試驗(yàn)周期井口溫度與上周期對(duì)比

分析試驗(yàn)結(jié)果可知：井口出現(xiàn)穩(wěn)定、持續(xù)較高的溫度,證明井下重力熱管式抽油桿柱不僅起到在機(jī)抽系統(tǒng)的原始功能,而且起到了吸收地?zé)峒訜峋驳闹亓峁茏饔?表明在本試驗(yàn)井條件下,這種重力熱管能啟動(dòng),且由井口持續(xù)高溫可證明,其工作狀態(tài)良好,確實(shí)可將井底高溫傳到井口;試驗(yàn)結(jié)果表明,給出的各種技術(shù)參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)制作工藝可行。采用抽油桿柱吸收地?zé)峒訜峋残录夹g(shù),可實(shí)現(xiàn)蒸汽吞吐井無(wú)能耗自平衡吸收地?zé)峒訜峋?進(jìn)行低成本采油生產(chǎn)。

3.2 影響因素分析

3.2.1 桿柱長(zhǎng)度

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中,3口試驗(yàn)井入井的重力熱管式抽油桿柱長(zhǎng)度分別為歡 127-26-34井 770 m,歡127-蓮 H4井 1 070 m,齊 108-20-26井 1 000 m。3種不同長(zhǎng)度的熱管均能正常啟動(dòng)工作,傳熱效果對(duì)長(zhǎng)度不是特別敏感,這一結(jié)果與文獻(xiàn)[3]的分析不相符。根據(jù)熱管的吸液極限理論[9]可知,若重力熱管垂直放置,忽略毛細(xì)管力作用,這時(shí)從理論上講重力熱管長(zhǎng)度不是影響熱管傳熱效果的重要因素,試驗(yàn)結(jié)果也說(shuō)明了這一點(diǎn)。因此,理論和試驗(yàn)結(jié)果表明,重力熱管式抽油桿柱長(zhǎng)度不是影響其傳熱效果好壞的敏感因素。3.2.2 油層溫度

試驗(yàn)的 3口井油層溫度經(jīng)實(shí)測(cè)可知：歡 127-26-34井油層深度 830.09m處溫度為 99.74℃;歡127-蓮 H4井油層深度 1 280 m處溫度為 115℃;齊 108-20-26井 1 282.7 m油層深度處溫度為105℃。根據(jù)熱管工作原理和所用工質(zhì),可知油層溫度越高,熱管傳遞能量越大;反之,其傳遞的能量越小。油層溫度越高,則地面注汽量越多,采油成本越高[10]。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果,油層深度小于 1 300 m,采用蒸汽吞吐的常規(guī)注汽量約為 2 500 m3,維持油層溫度為 100～120℃,即可使熱管正常啟動(dòng)和工作。3.2.3 產(chǎn)液量

歡 127-26-34井產(chǎn)出液和井口流體溫度的實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖 3?？梢?jiàn),在其他條件確定之后,油井產(chǎn)量越高,井出口流體的溫度越高,重力熱管式抽油桿柱傳熱效果越好。特別是當(dāng)產(chǎn)液量大于 20 m3/d時(shí),井出口流體溫度增高更明顯。初步分析可知,油井產(chǎn)量越高,油管與抽油桿間流體縱向的對(duì)流換熱強(qiáng)度加大,油管內(nèi)上部液體的溫度普遍升高,從而增加了重力熱管式抽油桿柱吸熱段和放熱段吸收及釋放的熱量。因此,井出口處產(chǎn)出液溫度進(jìn)一步升高。

圖3 歡 127-26-34井口溫度與產(chǎn)液量的關(guān)系實(shí)測(cè)結(jié)果

3.2.4 原油物性

3口試驗(yàn)井含蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 11.08%、2.75%、6.68%,膠質(zhì)和瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為22.58%、28.26%、29.94%,黏度分別為 2 305.74、1 413.90、10 583 mPa·s。分析結(jié)果可知 ：在試驗(yàn)條件下,含蠟量對(duì)熱管傳熱效果影響不敏感,含蠟11.08%的歡 127-26-34井比另外 2口井傳熱效果好;膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量低、黏度低的原油有利于熱管高效率傳熱。

4 結(jié) 論

(1)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得了預(yù)期效果：3口井應(yīng)用熱管技術(shù)后,井口溫度與上周期相比,平均增溫 10℃以上;井筒與地層的自適應(yīng)條件得到了改善,延長(zhǎng)了油井正常生產(chǎn)時(shí)間,增加了周期產(chǎn)油量。這對(duì)今后進(jìn)一步完善和應(yīng)用抽油桿柱吸收地?zé)峒訜峋残录夹g(shù)有重要的指導(dǎo)意義。

(2)給出的重力熱管式抽油桿柱制造工藝可行,采用的特制工質(zhì)和端面密封膠可以保證熱管有效啟動(dòng)和工作。

(3)研究認(rèn)為,重力熱管式抽油桿柱吸收地?zé)峒訜峋布夹g(shù)的條件是：蒸汽吞吐井,周期注汽量不低于 2 000 m3;油層條件下原油黏度小于10 000 mPa·s;產(chǎn)液量不低于 15 m3/d,最好在20 m3/d以上;油層深度小于 1 300 m,油層流體溫度為 100～120℃。

[1]馬春紅,吳曉東,等 .熱管改善油井井筒流體溫度分布的理論研究[J].石油學(xué)報(bào),2006,27(1)：114-118.

[2]吳曉東,馬春紅,石崇兵,等 .井筒重力熱管傳熱技術(shù)在蒸汽吞吐井中的應(yīng)用[J].石油鉆采工藝,2006,28(1)：60-63.

[3]張玉豐,吳曉東,李偉超 .重力熱管伴熱方式可行性分析[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),2007,34(4)：483-487.

[4]李偉超,吳曉東,等 .重力熱管伴熱改善稠油井井筒傳熱損失的研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(6)：75-79.

[5]吳曉東,張玉豐,馬春紅,等 .井筒重力熱管室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與礦場(chǎng)試驗(yàn)研究 [J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2008,30(1)：140-142.

[6]畢勇,劉永建,劉紀(jì)福 .重力熱管抽油桿室內(nèi)試驗(yàn)研究[J].油氣田地面工程,2008,27(4)：34-35.

[7]劉永建,黃祿鵬,等 .重力熱管式抽油桿柱傳熱分析與計(jì)算[J].低溫建筑技術(shù),2010,139(1)：40-42.

[8]李菊香,王良虎.稠油油田井下作業(yè)的熱管利用可行性探討[J].能源研究及利用,1995,7(5)：21-24.

[9]莊駿,張紅 .熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2000：41-66.

[10]汪弘 .電加熱井的井筒溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型[J].油氣井測(cè)試,2003,12(3)：1-3.

Field exper iment of wellbore heating by sucker rod string of gravity heat pipe

FAN Ying-cai1,2,J IANG Sheng-jian2,WANG Tie-qiang2,L IU Yong-jian1
(1.Northeast Petroleum University,Daqing,Heilongjiang163318,China;2.Liaohe O ilfield Company,PetroChina,Panjin,Liaoning124010,China)

The currently used process of electric heating and hot fluid circulating for cyclic steam stimulation wells has problems of high energy consumption,high operation cost and complex downhole operation,etc.Based on the principle of heat pipe,hollow sucker rod is processed into gravity heatpipewhich is highly efficient in heat transfer,thus developed a new technology of absorbing geothermal energy to heatwellbore by sucker rod string.Thispaper describes in detail the on sitemanufacturing processof the sucker rod string of gravity heat pipe.The application conditions and influence factors of this technology are analyzed based on the data from 3 testwells in the Liaohe oilfield.The result shows that this technology can successfully heat the steam stimulated wells with the conditions of reservoir depth＜1 300 m,reservoir fluid temperature at 100～120℃,reservoir oil viscosity ＜10 000 mPa·s,cyclic steam injection volume≥2 000 m3,and mass production≥15 m3/d(over 20 m3/d would be best).

cyclic steam stimulation;wellbore heating;gravity heat pipe;hollow sucker rod;geothermal energy absorbing

TE355

A

1006-6535(2011)01-0117-04

20100817;改回日期：20101028

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“提高稠油蒸汽驅(qū)效率技術(shù)”(2008ZX05012-001)

范英才 (1963-),男,碩士,高級(jí)工程師,本刊編委,1980年畢業(yè)于江漢石油地質(zhì)學(xué)院石油地質(zhì)勘探專(zhuān)業(yè),2003畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)油氣田開(kāi)發(fā)工程專(zhuān)業(yè),現(xiàn)主要從事油氣田開(kāi)發(fā)與提高采收率方面的研究工作。

編輯王 昱