光纖溫度傳感技術(shù)在稠油電加熱井上的研究與應(yīng)用

李洪超

（吉林油田公司油氣工程研究院 吉林松原 138000）

光纖溫度傳感技術(shù)在稠油電加熱井上的研究與應(yīng)用

李洪超

（吉林油田公司油氣工程研究院 吉林松原 138000）

針對吉林油田稠油開發(fā)區(qū)塊應(yīng)用電加熱井電熱能耗大、加熱效率低、舉升不配套的技術(shù)需求，本文對空心桿電加熱舉升方式井筒溫度場進行了分析建模，得到了完整的井筒溫度分布曲線，并進行了稠油生產(chǎn)井井下連續(xù)溫度剖面監(jiān)測，運用實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論計算曲線對比分析，對所建立的理論溫度場模型進行了驗證與完善，利用所建立的空心桿電加熱仿真模型及溫度理論模型，分析各電加熱參數(shù)對井筒溫度分布的影響，進而實現(xiàn)對實驗井的電加熱參數(shù)進行合理優(yōu)選，實現(xiàn)提高加熱效率降低能耗的目的。

電加熱舉升;井筒溫度分布;仿真模型;光纖傳感技術(shù)

吉林油田高凝稠油具有規(guī)模儲量，其儲層流體具有高凝固點、較高粘度等特殊油品性質(zhì)，運用常規(guī)舉升手段出現(xiàn)頻繁卡井、舉升不配套等一系列問題，嚴(yán)重影響油井的正常生產(chǎn)時率。為了能夠合理優(yōu)化電加熱工作制度，提高加熱效率、利用最小的能耗實現(xiàn)最佳的加熱效果，需要進行井下溫度場分析及井下溫度剖面監(jiān)測。光纖傳感器由于抗干擾能力強，能實現(xiàn)在線分布監(jiān)測，逐漸取代了常規(guī)測溫手段，在井下測溫領(lǐng)域日益受到重視。

1 電加熱高凝稠油井筒溫度分布理論模型建立

基于電磁學(xué)原理分析管狀導(dǎo)體加熱集膚效應(yīng)原理，建立其截面徑向電流分布理論模型；針對油管集膚效應(yīng)仿真分析，與理論計算進行對比，得到合理的油管集膚效應(yīng)仿真模型；在油管集膚效應(yīng)的基礎(chǔ)上對空心桿內(nèi)集膚效應(yīng)進行仿真分析。然后擬基于傳熱學(xué)原理分析空心桿電加熱過程產(chǎn)液在舉升過程中與電熱空心桿及井筒溫度場的熱流耦合效應(yīng)，以產(chǎn)液微元體為研究單元，建立電加熱過程井筒傳熱模型，進而采用微元迭代和循環(huán)計算的分析方法，得到電加熱過程井筒沿井深方向以及徑向的溫度分布，并進一步分析得到影響電加熱效果的電加熱參數(shù)，以便進行加熱效率研究。

2 高凝稠油電加熱井下溫度測試系統(tǒng)

為成功實現(xiàn)高凝稠油電加熱井下測溫，要求傳感器有如下特點：

（1）能實現(xiàn)全井段的分布式溫度測量，且一些井監(jiān)測長度達到3000 m，最高溫度可達150℃，空間分辨率達到0.5 m，溫度精度要求為1~2℃；

（2）能實時在線監(jiān)測，獲得各個時刻井下溫度分布數(shù)據(jù)，防止井下油流由于溫度過低而產(chǎn)生結(jié)蠟現(xiàn)象，同時避免傳統(tǒng)手段需停產(chǎn)才能測量溫度的弊端；

（3）由于電加熱井井下工況復(fù)雜惡劣，要求耐腐蝕，抗電磁干擾。

普通機械式及電子式溫度傳感器已不能滿足該類井井下溫度在線監(jiān)測要求。而拉曼傳感技術(shù)以它獨有的特點，成為一種優(yōu)先選擇。

在拉曼光纖傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上研究一種能實現(xiàn)電加熱井井下油套環(huán)空內(nèi)溫度全分布式在線測量的監(jiān)測方法，并研制適于電加熱井井下溫度監(jiān)測要求的全分布式拉曼光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)該類井下油套環(huán)空內(nèi)溫度全分布式實時監(jiān)測，為驗證空心桿電加熱井井下溫度分布理論模型提供實驗依據(jù)，該監(jiān)測系統(tǒng)主要包括兩部分：拉曼測溫光纖和R O T D R解調(diào)儀。油井電加熱過程拉曼光纖分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖如圖1所示：

圖1 油井電加熱過程拉曼光纖分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖

3 溫度模型的計算與現(xiàn)場溫度監(jiān)測實驗

采用MA T L A B實現(xiàn)理論模型計算。制定傳感器下井方案，搭建井下分布式拉曼光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)，對空心桿電加熱實驗井電加熱過程中的溫度實施監(jiān)測，得到電加熱過程油管溫度分布曲線。

將現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)和本文所建立的空心桿電加熱井筒溫度分布模型計算得到的理論數(shù)據(jù)進行對比，驗證所建立數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。利用建立的空心桿電加熱井溫度分布模型以及空心桿集膚效應(yīng)A N S Y S模型可分析各電加熱參數(shù)與電加熱深度對溫度分布曲線的影響，針對電加熱井的實際工況嘗試對電加熱參數(shù)進行優(yōu)選，提高電加熱效率，在減少能耗的同時，獲得理想的井筒油流溫度分布。

圖2 MATLAB參數(shù)化程序計算曲線

在伊通油田現(xiàn)場選取一口空心桿電加熱井作為實驗井，利用分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)對該空心桿電加熱實驗井采集井下溫度分布數(shù)據(jù)，分析電加熱過程中井筒溫度分布規(guī)律，并與理論模型計算所得數(shù)據(jù)進行對比?？招臈U電加熱井拉曼光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)全局結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示：

利用所搭建的全分布式拉曼光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)對實驗井井筒溫度進行實時監(jiān)測，得到電加熱過程中井筒的溫度分布曲線如圖4所示。其中橫坐標(biāo)代表監(jiān)測點與井底的距離，縱坐標(biāo)代表電加熱過程油套環(huán)空中油管外壁處的溫度。圖5所示為MA T L A B參數(shù)化程序計算得到的油管內(nèi)油液與油管溫度對比曲線。由于油管導(dǎo)熱系數(shù)以及其與油管內(nèi)油液間的傳熱系數(shù)很大，而且油管材料的比熱很小，故油管的溫度是比較接近油液溫度的。

圖3 空心桿電加熱井拉曼光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)全局結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 溫度監(jiān)測系統(tǒng)實測與濾波曲線圖

圖5 MATLAB參數(shù)化程序計算得到的油管內(nèi)油液與油管溫度對比曲線

4 現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)與理論模型計算結(jié)果對比

為了驗證所建立的空心桿電加熱井溫度理論數(shù)值模型的正確性，針對吉林油田伊通地區(qū)某實驗井，結(jié)合實驗監(jiān)測地溫梯度數(shù)據(jù)，利用本文所建的井筒溫度分布數(shù)值模型進行了理論計算。

圖6 現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果對比

其中A部分和B部分加熱點附近的偏差是由于在理論數(shù)值模型計算過程中忽略了油液向?qū)嵭某橛蜅U的徑向傳熱損失，而且理論模型在計算時假設(shè)初始未電加熱抽油階段井底部分的油層溫度是與地層溫度相等，但實際上由于油層對流運動的存在，泵掛位置附近的初始油溫要稍高于地層溫度，因此實際抽油過程中加熱點前的油液向大地傳熱的徑向熱損失會大于理論計算的徑向熱損失，因此實驗監(jiān)測得到的井筒溫度會比理論計算的下降地更快?？傮w來說，本文提出的理論模型具有良好的計算精度，完全滿足指導(dǎo)實際空心桿電加熱井生產(chǎn)的需要，可用于空心桿電加熱井加熱效率研究。

5 結(jié)論

針對目前電加熱井能耗大加熱效率低的問題及現(xiàn)有井下溫度場理論不全面、現(xiàn)有傳感器不能實現(xiàn)電加熱井全井段溫度剖面監(jiān)測的難題，基于電磁學(xué)、傳熱學(xué)原理，通過仿真及理論分析建立了空心桿電加熱井井筒溫度場分布模型，將所搭建的井下拉曼光纖全分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于電加熱井井下溫度剖面監(jiān)測，驗證了空心桿電加熱理論模型的可行性，為指導(dǎo)實際空心桿電加熱井生產(chǎn)提供了參考依據(jù)，具有較大的學(xué)術(shù)研究及實際應(yīng)用價值。