螺桿泵配套同軸雙空心抽油桿在稠油開采中的應用

付 亞 榮

（中國石油華北油田分公司第五采油廠，河北辛集 052360）

螺桿泵配套同軸雙空心抽油桿在稠油開采中的應用

付 亞 榮

（中國石油華北油田分公司第五采油廠，河北辛集 052360）

為解決50 ℃地面原油黏度大于10 000 mPa·s的稠油開采難題，依據(jù)稠油開采理論，對澤70-9X1等5口稠油井的黏溫特性及流變特性進行分析，建立了澤70-9X1井同軸雙空心桿循環(huán)熱水降黏換熱模型，分析了循環(huán)熱水、原油在舉升過程中溫度分布、原油沿程黏度變化情況，在現(xiàn)場生產(chǎn)實踐中將循環(huán)水進口溫度控制在一定的范圍，滿足了5口稠油井正常生產(chǎn)，為同類構造邊部稠油開采提供借鑒。

稠油；雙空心抽油桿；螺桿泵；黏溫特性；數(shù)值模擬

抽油機井應用同軸雙空心抽油桿［1］解決高凝油和稠油開采井筒降黏舉升問題，得到了國內(nèi)諸多學者［2-6］的認可；螺桿泵配套油層降黏處理、泵下?lián)剿?、空心桿泵上摻稀油降黏、電熱抽油桿加熱降黏等工藝［7-10］解決了部分稠油井的開采問題。但對于50 ℃地面原油黏度大于10 000 mPa·s的稠油，國內(nèi)外常用的蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、火燒油層等方法［11］對油藏構造邊部的稠油開采不適用，致使油井處于常停狀態(tài)。例如：澤70-9X1井1998年5月9日完鉆，人工井底2 491.0 m，同年12月2日射開Ed3Ⅱ油組6#、7# 投產(chǎn)未成，2000年6月20日補開Ed3Ⅱ油組3#～5#層后不能正常生產(chǎn)；50 ℃、9 s?1下黏度20 221.64 mPa·s，20 ℃密度0.996 3 g/cm3，凝固點37℃，含蠟4.65%，膠質(zhì)瀝青69.05%。2012年應用螺桿泵配套同軸雙空心抽油桿［12］實現(xiàn)了澤70-9X1等5口稠油井的正常開采。

1 影響稠油黏度的因素

學者研究普遍認為［13-14］：存在于膠質(zhì)瀝青中的金屬微量元素Ni、V是影響稠油黏度的關鍵因素，含水與黏度關聯(lián)程度很大，除去或降低稠油中Ni和V的含量及其賴以存在的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)必將大大降低稠油黏度。在對澤70-9X1井應用SARA法［15］研究表明：稠油中分散相由膠帶中心（瀝青質(zhì)）和其表面或內(nèi)部吸附的可溶物質(zhì)構成，以超分子結構狀態(tài)存在的瀝青質(zhì)從小到大包含許多相對分子質(zhì)量數(shù)約為1 000的結構單元薄片，并不存在截然變化的相界面，超分子結構并不是緊密堆積的，低層次的結構在某種分子間力作用下可以連接、聚集形成較高層次與分子芳香性及雜原子含量有關的超分子結構。集中在膠質(zhì)、瀝青質(zhì)組分中的S、N、O等雜原子含量決定了分子極性和形成—OH和—NH鍵的能力，增大分散相的體積。瀝青質(zhì)膠粒具有較大的空間延展度，造成稠油的高黏性。

2 澤70-9X1井稠油的黏溫特性及流變特性

2.1 稠油的黏溫特性

稠油微觀結構的復雜性在宏觀上表現(xiàn)為黏溫特性及流變特性的復雜性，將澤70-9X1稠油加熱至80℃恒溫1 h，連續(xù)以1.0 ℃/min的溫度梯度降溫，在剪切速率9 s?1下，用德國哈克公司RS3000旋轉黏度計測量在不同溫度下的黏度值，結果如表1。

表1 澤70-9X1井剪切速率9 s?1不同溫度下黏溫特性

當溫度低于50 ℃時，隨著溫度的升高黏度呈劇烈降低趨勢。其黏溫回歸關系較好地符合Arrhenius方程，這與文獻［16-17］的結論是一致的，即溫度越低，稠油黏度對溫度變化越敏感。這說明在澤70-9X1井稠油內(nèi)部粒子間的作用力在溫降過程中不僅僅是范德華力，而且稠油的內(nèi)部微觀結構也發(fā)生了變化，導致稠油黏度隨溫度降低而急劇升高。

2.2 稠油的流變特性

澤70-9X1井稠油在80 ℃時黏度988.36 mPa·s，但是表現(xiàn)為牛頓流體仍有寬的溫區(qū)“窗口”，研究表明其反常點41 ℃，當溫度高于41 ℃時表現(xiàn)為牛頓流體的分散膠體體系；低于41 ℃時表現(xiàn)為非牛頓流體，體系中超分子結構形成的膠體體系增強，蠟晶析出參與顆粒聚集體，具有剪切變稀的非牛頓特性。同時測得41 ℃、35 ℃、30 ℃、25 ℃的黏溫關系表明，其流變模型遵從賓漢姆流型模式。

3 澤70-9X1井同軸雙空心桿循環(huán)熱水降黏換熱模型

依據(jù)澤70-9X1井稠油的黏溫、流變特性及周廣厚螺桿泵開采重油理論［18］，采用史維秀提出的降黏方法［19］研究螺桿泵配套同軸雙空心抽油桿工藝循環(huán)熱水降黏，建立井筒舉升換熱模型（圖1），選取循環(huán)水入口溫度85 ℃、80 ℃、75 ℃、70 ℃考察原油在舉升過程中的溫度分布及降黏效果。同軸雙空心抽油桿下深1 200 m，內(nèi)管（隔熱管）外徑25 mm、內(nèi)徑17 mm，外管內(nèi)徑42 mm。

圖1 采油管柱示意圖

假設計算模型為穩(wěn)態(tài)、不可壓縮牛頓流體，井筒內(nèi)任意位置初始時刻的溫度值為其對應位置的地溫，x、y、z方向上的能量守恒方程［20］

式中，u為流向速度；v為法向速度；w為展向速度；ρ為流體（原油）密度，g/cm3；θ為井筒內(nèi)任意位置的溫度，℃；ST為黏性耗散項；cp為流體（原油）比熱；λ為流體（原油）導熱率。

循環(huán)水加熱后由井口從熱導率很小的內(nèi)管進入輸送至1 200 m處改變方向井口流動，熱水向原油傳熱，溫度大幅度下降，原油從泵出口往井口流動的過程中，最初溫度迅速升高，達到峰值后降低。循環(huán)熱水及原油舉升過程中溫度變化是熱水、原油及大地溫度耦合的結果。

由表2數(shù)據(jù)可知：循環(huán)熱水入口溫度為85 ℃、80 ℃、75 ℃時，隨著循環(huán)熱水入口溫度的降低，原油溫度峰值出現(xiàn)的位置遠離泵出口，但原油需要舉升更遠換熱才能達到峰值。

表2 澤70-9X1井同軸雙空心桿循環(huán)熱水降黏換熱數(shù)值計算結果

原油往井口舉升過程中黏度不斷發(fā)生變化，但不能量化降黏效果。依據(jù)天津大學史維秀提出的目標函數(shù)對數(shù)據(jù)進行處理，得到不同循環(huán)熱水入口溫度時原油整個舉升過程的降黏率

計算結果表明：循環(huán)熱水入口溫度為85 ℃、80℃、75 ℃、70 ℃時，原油整個舉升過程降黏率分別為96.89%、96.53%、94.67%和94.18%。隨著循環(huán)熱水入口溫度升高，原油降黏率增大，但降黏率增大幅度變小。在現(xiàn)場生產(chǎn)實踐中將循環(huán)水進口溫度控制在一定的范圍，能達到既節(jié)能又能滿足生產(chǎn)的要求。

4 現(xiàn)場應用

澤70-9X1井在油層中部徑向鉆井施工完成后，向油層內(nèi)擠注500 m3含路易士堿的降黏劑，關井降壓后，下入生產(chǎn)管柱，螺桿泵GLB75-47A×1 204.68 m，同軸雙空心抽油桿?42 mm×1 179.48 m、短節(jié)?42 mm×7.4 m；配套?89 mm加厚一級油管。循環(huán)熱水入口溫度控制在75～80 ℃，井口出油溫度40～41 ℃，螺桿泵轉速50 r/min，日產(chǎn)液4.5 m3，日產(chǎn)油3.2 t。

5 結論

（1）對澤70-9X1井的黏溫特性及流變特性進行剖析，分析了循環(huán)熱水、原油在舉升過程中溫度分布、原油沿程黏度變化情況，提出了現(xiàn)場生產(chǎn)實踐中將循環(huán)水進口溫度控制在一定的范圍，能達到既節(jié)能又能滿足生產(chǎn)的要求。

（2）螺桿泵配套同軸雙空心桿采用循環(huán)熱水加熱是原油降黏一種很好的方法，能滿足50 ℃地面原油黏度大于10 000 mPa·s的稠油開采。為同類構造邊部稠油開采提供了技術借鑒。

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（修改稿收到日期 2013-10-15）

〔編輯 付麗霞〕

Application of screw pump matched coaxial double hollow sucker rod in heavy oil recovery

FU Yarong
（Fifth Oil Production Plant of Huabei Oilfield Company, PetroChina, Xinji 052360, China）

In order to solve the problem of heavy oil exploitation which oil viscosity greater than 10 000 mPa·s under the condition of 50 degree ground, according to the theory of heavy oil development, a coaxial double hollow sucker rod model with viscosity reduction by circulating hot water and heat exchange was proposed for Well Ze70-9X1. And the model was established based on the analysis of viscosity-temperature characteristics and rheological properties for 5 heavy oil wells like Well Ze70-9X1. Following that, the temperature distribution of circulating hot water and oil in the lifting process were analyzed, and the crude oil viscosity changes along the way were also studied in detail. Making the circulating water inlet temperature control in a certain range can meet the need of five heavy oil wells normal production in the field production practice. The success provides technical reference for heavy oil recovery of similar reservoirs in structure edge.

heavy oil; double hollow sucker rod; screw pump; viscosity-temperature characteristic; numerical simulation

付亞榮. 螺桿泵配套同軸雙空心抽油桿在稠油開采中的應用［J］.石油鉆采工藝，2013，35（6）： 115-117.

TE355.5

B

1000 – 7393（ 2013 ） 06 – 0115 – 03

中國石油華北油田公司科技重大專項“華北油田采油采氣工藝技術研究”（編號：2013-HB-Z0807）。

付亞榮，1965年生。1987年畢業(yè)于重慶石油學校油田應用化學專業(yè)，現(xiàn)從事油氣田開發(fā)技術研究與應用工作，高級工程師。電話：13932142145。E-mail：cy5_fyr@petrochina.com.cn。