春光油田熱采井雙空心桿蒸汽循環(huán)降黏工藝研究

武雅黎，姚　振 ，李　洲，楊　孝

(1.中國(guó)石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南南陽(yáng) 473132；2.中國(guó)石化河南油田油氣技術(shù)服務(wù)公司；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油藏評(píng)價(jià)處)

春光油田熱采井雙空心桿蒸汽循環(huán)降黏工藝研究

武雅黎1，姚振2，李洲1，楊孝3

(1.中國(guó)石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南南陽(yáng) 473132；2.中國(guó)石化河南油田油氣技術(shù)服務(wù)公司；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油藏評(píng)價(jià)處)

摘要：在春光油田1 000 m左右深度的特、超稠油油藏開(kāi)采過(guò)程中，隨著井筒溫度降低，原油黏度增大，油井無(wú)法維持生產(chǎn)，同時(shí)對(duì)地面輸油造成困難。為此研究應(yīng)用了熱采井雙空心桿蒸汽循環(huán)降黏工藝，利用蒸汽吞吐區(qū)管網(wǎng)內(nèi)的高熱焓蒸汽作為雙空心桿內(nèi)循環(huán)介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)井筒和地面降黏，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出循環(huán)蒸汽量、壓力和溫度等參數(shù)。該工藝和電加熱工藝比較，日運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約60%以上，為實(shí)現(xiàn)中深特、超稠油經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)采提供了新的技術(shù)方向。

關(guān)鍵詞：春光油田；特、超稠油；井筒降黏；雙空心桿蒸汽循環(huán)

特、超稠油在開(kāi)采過(guò)程中，隨著流動(dòng)中溫度降低，原油黏度增大，逐漸失去流動(dòng)性，使油井無(wú)法維持生產(chǎn)，生產(chǎn)中需要采取井筒降黏措施。目前春光油田中深層特、超稠油井井筒降黏采用電加熱和井筒摻稀工藝。電加熱工藝存在能耗高、不能實(shí)現(xiàn)注采一體、起下管柱作業(yè)成本高等問(wèn)題；井筒摻稀工藝存在輕質(zhì)油和重質(zhì)油混合后變?yōu)橹匈|(zhì)油、銷售價(jià)格降低等問(wèn)題。因此，針對(duì)中深層特、超稠油目前井筒降黏工藝成本高問(wèn)題，開(kāi)展了雙空心桿蒸汽循環(huán)加熱工藝研究。

1雙空心桿蒸汽循環(huán)降黏工藝原理

抽油機(jī)井雙空心桿熱流體閉式循環(huán)舉升工藝原理是：熱流體注入同軸式雙空心桿的空心通道，流至雙空心桿尾端，再進(jìn)入另一個(gè)通道，在抽油桿上下運(yùn)行過(guò)程中，熱量經(jīng)空心桿傳遞給環(huán)形空間中的原油，達(dá)到增溫降黏、改善其流動(dòng)性、提高油井舉升效果的目的，保證油井的正常生產(chǎn)。整個(gè)過(guò)程中，由于循環(huán)熱流體不進(jìn)入井筒，所以該工藝為閉式循環(huán)工藝。

本工藝?yán)谜羝掏聟^(qū)管網(wǎng)內(nèi)的高熱焓蒸汽作為雙空心桿循環(huán)介質(zhì)，從空心桿進(jìn)入后加熱井筒流體，而從空心桿返出的蒸汽(熱流體)進(jìn)入回油管線，利用余熱再次實(shí)現(xiàn)輔助地面降黏的目標(biāo)，工藝流程見(jiàn)圖1。

2蒸汽循環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)

蒸汽循環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)關(guān)鍵有兩點(diǎn)：一是井筒要加熱到什么溫度，二是如何計(jì)算蒸汽參數(shù)。

圖1　工藝原理圖

2.1井筒加熱溫度確定

井筒加熱溫度確定的目標(biāo)是能滿足油井正常舉升。實(shí)現(xiàn)正常舉升需滿足兩個(gè)條件：一是上沖程時(shí),抽油機(jī)最大懸點(diǎn)載荷能夠滿足抽油機(jī)機(jī)型要求。春光油田現(xiàn)場(chǎng)抽油機(jī)均為CYJ10型抽油機(jī)，額定載荷為100 kN，因此計(jì)算時(shí),設(shè)定最大載荷小于100 kN。二是下沖程時(shí)，抽油桿下行能夠克服稠油的摩擦阻力。

蒸汽吞吐井生產(chǎn)初期井筒溫度高，不需要采取井筒降黏措施；生產(chǎn)到中后期，井筒溫度下降，原油黏度增加，摩擦力增加，舉升困難，需要采取井筒降黏措施。

結(jié)合春光油田生產(chǎn)參數(shù)(見(jiàn)表1)，計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)空心桿下入深度為900 m，既滿足最大載荷，又能克服下行阻力時(shí)井筒液體黏度為1 780 mPa·s，見(jiàn)表2。

表1　油井生產(chǎn)參數(shù)

表2　滿足舉升條件時(shí)井筒流體黏度值

結(jié)合春光油油田原油黏溫測(cè)試數(shù)據(jù)，原油黏度為1 780 mPa·s時(shí)，井筒流體的平均溫度為80.6 ℃。

2.2循環(huán)參數(shù)計(jì)算

計(jì)算雙空心桿循環(huán)蒸汽量參數(shù)，需要結(jié)合井筒傳熱分析，建立熱傳導(dǎo)模型，即建立井筒流體溫度計(jì)算模型，依據(jù)模型計(jì)算滿足井筒溫度要求條件的蒸汽參數(shù)，包括蒸汽壓力和蒸汽量。

2.2.1建立井筒流體溫度計(jì)算模型

井筒結(jié)構(gòu)主要是由雙空心抽油桿、隔熱油管、套管、水泥環(huán)、封隔器等幾部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。蒸汽溫度高于周圍地層溫度時(shí)，空心桿中所循環(huán)蒸汽的熱量會(huì)有一部分沿徑向通過(guò)雙空心桿、隔熱油管、套管、水泥環(huán)傳至地層，造成徑向熱量損失。

根據(jù)熱量守恒原理和傳熱學(xué)理論，建立正循環(huán)方式下井筒中流體的溫度計(jì)算模型。

2πr6K2(Tout-Tfout)

圖2　井筒結(jié)構(gòu)示意圖簡(jiǎn)圖

2πr8K3[Tfout-(T0+ml)]

式中：G——注入蒸汽速率，kg/s；Lv——蒸汽的汽化潛熱，J/kg；x——蒸汽干度；Ts——摻入蒸汽溫度，℃；W1——摻入熱水當(dāng)量，W/℃；W2——井筒中地層產(chǎn)出流體的熱水當(dāng)量， W/℃；Tin——摻入熱水在摻入段的溫度，℃；Tout——摻入熱水在返出段的溫度，℃；Tfout——井筒中產(chǎn)出液被加熱后的溫度，℃；l——以井口為起點(diǎn)的任一井筒深度，m；K1——空心桿內(nèi)管內(nèi)外傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；K2——空心桿外管內(nèi)外傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；K3——井筒中地層產(chǎn)出流體與地層間的傳熱系數(shù)W/(m2·℃) ；T0——地表恒定溫度，℃；m——地溫梯度，℃/m。

2.2.2雙空心桿蒸汽循環(huán)參數(shù)計(jì)算

(1)計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)。計(jì)算雙空心桿循環(huán)蒸汽參數(shù)時(shí)，需結(jié)合加熱溫度和加熱起始溫度，確定蒸汽參數(shù)，同時(shí)需考慮壓力保持循環(huán)暢通。結(jié)合春光油田井況，加熱起始最低溫度為77.2 ℃，油井生產(chǎn)末期，產(chǎn)液量為5～10 t/d，計(jì)算蒸汽不同注入壓力下，井筒流體加熱所需蒸汽量，計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)見(jiàn)表3。

(2)蒸汽壓力和蒸汽量計(jì)算結(jié)果。蒸汽能量包含蒸汽潛熱值和液相顯熱值。熱流體分布有兩種模式，模式一是蒸汽在外管發(fā)生相變，即內(nèi)管為蒸汽，外管有一部分蒸汽和水；模式二是蒸汽在內(nèi)管就發(fā)生相變，即內(nèi)管有一部分蒸汽和水，外管全為水。

表3　計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)表

計(jì)算產(chǎn)液量5 t/d時(shí)需要的蒸汽壓力和蒸汽量，蒸汽參數(shù)既能保證熱流體循環(huán)暢通，又能使井筒流體溫度大于80.6 ℃，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4和表5。對(duì)比兩種模式，模式一對(duì)蒸汽需求量更少，更經(jīng)濟(jì)，因此，選擇熱流體按模式一循環(huán)。產(chǎn)液量5 t/d時(shí)，注入蒸汽參數(shù)為壓力4 MPa，蒸汽量為1.05 t/d。油管流體溫度剖面見(jiàn)圖3。同樣條件下產(chǎn)液量為10 t/d時(shí)，需要蒸汽量1.17 t/d，可保持井筒溫度大于80.6 ℃，油管流體溫度剖面見(jiàn)圖4。

表4　蒸汽量計(jì)算(模式一)

表5　蒸汽量計(jì)算(模式二)

圖3　5 m3/d產(chǎn)液量時(shí)油管流體溫度剖面

圖4　10 m3/d產(chǎn)液量時(shí)油管流體溫度剖面

3推廣應(yīng)用前景分析

井下電加熱采用井下加熱電纜對(duì)油管內(nèi)的原油在舉升過(guò)程進(jìn)行加熱，降低原油黏度，解決井筒降黏的問(wèn)題。由于空心抽油桿在注汽時(shí)高溫高壓密封問(wèn)題未得到有效解決，現(xiàn)場(chǎng)注汽、轉(zhuǎn)抽時(shí)需作業(yè)起下空心桿及電纜，增加作業(yè)費(fèi)用，且日耗能高，加熱功率50～100 kW，實(shí)測(cè)效率60%，日耗電1 440 kW·h，按照地方電價(jià)0.52元/(kW·h)，日耗電費(fèi)374～748元。

雙空心桿循環(huán)蒸汽降黏工藝，固定投入和井下電加熱相近，油井日產(chǎn)液5～10 t/d，循環(huán)蒸汽1.05～1.17 t/d，按照燃煤注汽費(fèi)用126元/t，運(yùn)行費(fèi)用僅132～147元/d。

通過(guò)對(duì)比，雙空心桿循環(huán)蒸汽可有效降低井筒降黏費(fèi)用，該工藝在中深特、超稠油井上有較好的推廣應(yīng)用前景。

4結(jié)論

(1)結(jié)合井筒傳熱分析，根據(jù)熱量守恒和傳熱學(xué)理論，建立了空心桿循環(huán)蒸汽熱傳導(dǎo)計(jì)算模型， 為下一步實(shí)現(xiàn)空心桿蒸汽循環(huán)工藝提供理論計(jì)算基礎(chǔ)。

(2)春光油田吞吐中后期，產(chǎn)液量為5～10 t/d，空心桿下入最大深度900 m時(shí)，循環(huán)蒸汽工藝日運(yùn)行費(fèi)用較電加熱工藝節(jié)約60%以上，具有較好的推廣應(yīng)用前景，為中深特、超稠油經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)提供了新的技術(shù)方向。

備注：蒸汽傳熱系數(shù)(經(jīng)驗(yàn)值85～200 W/(m2·℃))和冷凝水傳熱系數(shù)(經(jīng)驗(yàn)值650～800 W/(m2·℃))變化范圍大，導(dǎo)致不同傳熱系數(shù)油管流體溫度剖面變化大，因此需結(jié)合實(shí)際井下試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步完善工藝計(jì)算模型。本文計(jì)算傳熱系數(shù)選取85 W/(m2·℃)計(jì)算。

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編輯：崔林

文章編號(hào)：1673-8217(2016)03-0134-03

收稿日期：2015-10-15

作者簡(jiǎn)介：武雅黎，工程師，1981年生，2006年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事采油工程方案設(shè)計(jì)工作。

中圖分類號(hào)：TE355.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A