油管電加熱井加熱功率優(yōu)化

姚洪田，孫曉明，賀紹輝

1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠 （黑龍江 大慶 163515）

2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司大慶榆樹林油田 （黑龍江 大慶 163316）

0 引言

油管電加熱原理是利用油管的阻抗，在電流從上向下傳導(dǎo)的過程中，使整個(gè)油管溫度升高，形成熱源，達(dá)到降低原油黏度、消除井筒結(jié)蠟的目的。近年來，隨著稠油井井筒電伴熱理論研究受到重視，在優(yōu)化電加熱參數(shù)方面取得了許多研究成果[1-4]，但是對(duì)于加熱功率確定方面，為了避免原油中的蠟晶析出，避免卡井等生產(chǎn)事故，往往采用較大的加熱功率來加熱油管，導(dǎo)致電加熱設(shè)備日耗電高達(dá)700 kW·h，是抽油機(jī)井能耗的4～5倍。

為了實(shí)現(xiàn)稠油井的節(jié)能生產(chǎn)，依據(jù)已有的非穩(wěn)態(tài)傳熱學(xué)理論，分析了加熱功率對(duì)井筒溫度場(chǎng)及電機(jī)輸出電流的影響，綜合考慮抽油機(jī)耗電和電加熱耗電，優(yōu)化最合理的電加熱功率。

1 影響因素分析

應(yīng)用前人已建立的油管電加熱數(shù)學(xué)模型及抽油機(jī)能耗舉升模型[5-7]，通過計(jì)算給出了不同加熱功率下井筒溫度場(chǎng)及電機(jī)有功耗電變化情況，為優(yōu)化合理的加熱功率提供理論支持。

以Y井為例，優(yōu)化加熱功率。由于Y井含蠟量高，為確保正常生產(chǎn)，應(yīng)采用油管電加熱降黏工藝來提高原油溫度，改善其流動(dòng)性。圖1是Y井的黏度-溫度關(guān)系曲線，析蠟溫度51.6℃，凝固點(diǎn)溫度36.2℃，當(dāng)井筒溫度較低時(shí)原油黏度隨溫度降低急劇增加，其他數(shù)據(jù)見表1。

圖1 Y井黏度-溫度關(guān)系曲線

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

1.1 加熱功率對(duì)井筒溫度場(chǎng)的影響

將電加熱功率取為0，即可計(jì)算出自然井筒溫度場(chǎng)分布曲線。Y井的析蠟溫度為51.6℃，通過自然井筒溫度分布曲線確定結(jié)蠟深度為800 m。為了避免石蠟從原油中析出，沉積在油管內(nèi)，造成抽油機(jī)井懸點(diǎn)載荷增加，絕大多數(shù)油田都將加熱深度確定在析蠟點(diǎn)位置[8-11]，A油田亦將加熱深度確定在析蠟點(diǎn)位置。

為了便于綜合優(yōu)化電加熱功率，給出了井筒內(nèi)原油溫度均在析蠟點(diǎn)以上的電加熱功率為33 kW，井筒內(nèi)原油溫度均在凝固點(diǎn)以上的電加熱功率為19 kW，以及只將井筒內(nèi)原油加熱4.0℃時(shí)的電加熱功率為4 kW。如圖2所示，加熱功率越大，井筒內(nèi)原油溫度就越高，當(dāng)加熱功率僅為4 kW時(shí)，在距離井口400 m的位置處，原油溫度已低于凝固點(diǎn)溫度。

圖2不同加熱功率下的井筒溫度場(chǎng)

1.2 加熱功率對(duì)電機(jī)有功耗電的影響

圖3 給出了不同電加熱功率下的抽油機(jī)電機(jī)有功耗電曲線，隨著電加熱功率的升高，原油流動(dòng)性增強(qiáng)，電機(jī)的有功耗電也隨之降低，當(dāng)加熱功率高于15 kW以后，由于井筒內(nèi)溫度較高，原油流動(dòng)性較好，隨著電加熱功率的增加，電機(jī)的有功耗電下降的幅度非常小。

圖3 不同加熱功率下的電機(jī)耗電

2 油管電加熱功率優(yōu)化

2.1 最佳的油管電加熱功率優(yōu)化

從圖3可以看出，在不同電加熱功率下，Y井電機(jī)的有功耗電是不同的，但電加熱功率與電機(jī)功率兩者之和存在最小值，見表2。對(duì)于抽油機(jī)和油管電加熱兩個(gè)系統(tǒng)來說，最佳的加熱功率為4.0 kW，可使整個(gè)舉升系統(tǒng)消耗的電功最少，僅為13.1 kW。

Y井在最佳的加熱功率下生產(chǎn)時(shí)頻繁卡井，不能維持正常生產(chǎn)。分析原因，加熱功率為4.0 kW時(shí)，只將井筒內(nèi)的原油加熱4.0℃，如圖2所示，距離井口400 m以上的井筒溫度低于凝固點(diǎn)溫度，原油中的蠟迅速析出并沉積在油管內(nèi)壁，隨著時(shí)間增加，結(jié)蠟量會(huì)更多，造成機(jī)采井懸點(diǎn)載荷增加，最終蠟卡。對(duì)于稠油井，最佳的加熱功率并不是最合理的加熱功率。

2.2 合理的油管加熱功率優(yōu)化

Y井在優(yōu)化前一直采用33 kW的電加熱功率，使井筒內(nèi)原油溫度高于析蠟點(diǎn)溫度，確保稠油井正常生產(chǎn)。但從圖1和圖2分析，要實(shí)現(xiàn)稠油井正常舉升，井筒內(nèi)的原油溫度高于凝固點(diǎn)溫度即可，即Y井的合理電加熱功率為19 kW。在該加熱功率下Y井電機(jī)消耗功率保持穩(wěn)定，在350 m的位置處原油溫度低于析蠟點(diǎn)溫度，原油中的蠟晶逐漸從原油中析出，由于溫度高于凝固點(diǎn)，蠟晶可隨井筒液流被舉升到地面。將Y井的電加熱功率優(yōu)化為19 kW，電加熱功率降低了14 kW，節(jié)電率42.4%。

表2 不同加熱功率下的舉升消耗功率表

按照思路，A油田共對(duì)70口油管電加熱井的加熱功率進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后平均單井加熱功率降低12.5 kW，并且正常生產(chǎn)，平均免修期超過1 000 d，未發(fā)生卡井現(xiàn)象，70口井年累計(jì)節(jié)電328×104kW·h。

3 結(jié)論

1）油管電加熱功率越大，井筒內(nèi)原油溫度越高；電機(jī)消耗功率隨加熱功率增加而降低，當(dāng)加熱功率達(dá)到一定范圍后，電機(jī)消耗功率不再降低。

2）通過分析不同電加熱功率下的電機(jī)消耗功率，給出了最佳的加熱功率，但最佳的加熱功率并不是最優(yōu)的加熱功率。

3）合理的電加熱功率應(yīng)使井筒內(nèi)的原油溫度要高于凝固點(diǎn)溫度，使原油具有較好的流動(dòng)性，確保將原油舉升至地面。