電加熱技術(shù)在渤海油田中的清防蠟效果分析

劉華偉

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452)

渤海油田生產(chǎn)含蠟原油，自投入開發(fā)以來，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些油井在生產(chǎn)過程中產(chǎn)液量逐漸下降，井眼直徑逐漸減小，經(jīng)過現(xiàn)場作業(yè)發(fā)現(xiàn)井筒中存在結(jié)蠟的問題。如一些油井投產(chǎn)初期，產(chǎn)液量比較穩(wěn)定，但生產(chǎn)2年以后，多次表現(xiàn)出日產(chǎn)液量不斷下降、流壓不斷上升的現(xiàn)象。每次液量下降時，經(jīng)過鋼絲作業(yè)、通井、熱洗或鋼絲作業(yè)等施工后，都能有所緩解，但過段時間液量又開始下降。由于多數(shù)油田井口的溫度低于析蠟點，而通過電加熱方式對井筒進行加熱，使電能轉(zhuǎn)化為熱能，來提高井筒流體的溫度，增加井筒內(nèi)原油的流動性[1-5]。為滿足渤海油田低產(chǎn)低效井防蠟需要，有必要設(shè)計一套適合渤海油田的電熱桿防蠟管工藝，解決抽油桿與生產(chǎn)管柱環(huán)空井控、采油樹懸掛抽油桿、海上供電設(shè)備匹配、免動井口投撈電纜等問題，實現(xiàn)電加熱桿防蠟工藝能夠滿足海上油田結(jié)蠟井連續(xù)生產(chǎn)，確保空心桿電加熱工藝滿足海上油井安全生產(chǎn)要求。

1 海上油田電加熱防蠟管柱工藝研究

1.1 電加熱管柱工藝設(shè)計

根據(jù)渤海油田生產(chǎn)管柱特點，考慮原油特性、蠟沉積因素等地質(zhì)油藏參數(shù)及生產(chǎn)壓差、產(chǎn)液量及含水率等生產(chǎn)參數(shù)，設(shè)計空心桿電加熱防蠟工藝，如圖1所示。

空心桿電加熱防蠟工藝中存在常規(guī)井口采油樹與投撈熱電纜匹配問題，為解決采油樹懸掛抽油桿及免動管柱投撈電纜通道的問題，需要設(shè)計免拆井口的采油樹，提高后期熱電纜更換作業(yè)效率，節(jié)約作業(yè)成本。采油樹具備過電纜通道，能與電加熱桿密封對接?？招臈U電加熱防蠟工藝中的電加熱系統(tǒng)由中頻柜、加熱電纜及空心桿電加熱組成，空心抽油桿與單芯電纜構(gòu)成電回路的加熱機構(gòu)。在油管與抽油桿的環(huán)空設(shè)計一種環(huán)空安全閥，防止井涌，保證生產(chǎn)安全。

1.2 電加熱技術(shù)用于油井清防蠟的工作原理

電加熱技術(shù)的基本原理是內(nèi)集膚效應，即當空心抽油桿內(nèi)電纜通以交流電后，產(chǎn)生內(nèi)集膚效應，電流在空心桿內(nèi)壁流動，使電熱桿發(fā)熱實現(xiàn)提高井筒產(chǎn)液溫度，實現(xiàn)井筒防蠟的目的。電加熱桿外壁基本無電流，可視為絕緣體，保證工作安全。

對空心抽油桿及桿內(nèi)電纜集膚效應進行數(shù)值模擬，分析空心抽油桿和電纜中的電流密度分布規(guī)律[6]。當通以不同頻率的交變電流時，空心抽油桿徑向電流分布情況如圖2所示。

從圖2中看出，當不同頻率的交流電通過空心抽油桿和電纜構(gòu)成的回路時，在空抽油桿徑向上，流經(jīng)空心抽油桿的電流密度不等，其內(nèi)部的電流多于外壁電流。這種情況說明，這種規(guī)律和內(nèi)集膚效應理論相符。當頻率增加時，集膚效應現(xiàn)象更加明顯，并且空心桿及電纜的集膚深度減小，進而導致大部分電流集聚在空心抽油桿的內(nèi)壁流通。

2 電加熱油井的溫度場數(shù)值模擬

2.1 井筒內(nèi)熱量傳遞分析

將井筒內(nèi)的流體看作一個熱力系統(tǒng)，且為開口熱力系統(tǒng)。不考慮氣體質(zhì)量的影響，油井全井筒中的熱流體的穩(wěn)定流動狀態(tài)，不考慮體積和流態(tài)的影響，假設(shè)地層溫度與垂深是線性函數(shù)關(guān)系，不考慮熱應力對管柱造成的影響[7-10]。

取井筒深度中的微元長度為dh，建立全井筒熱傳遞的數(shù)學模型，井筒內(nèi)熱流體與地層熱交換示意圖如圖3所示，單位時間散熱量為dq，則得傳熱公式：

dq=U(t-td)πDh

(1)

式中：q為井筒流體散熱量，J；h為井筒深度(距井底的垂深),m；U為總熱傳遞系數(shù)，W/(m2·K)；t為井筒dh處流體溫度，K；td為井筒dh處地層溫度，K；D為套管外徑，m。

同時，流經(jīng)dh井筒段，流體溫度降低dt，電加執(zhí)補償熱量P，則流體與外界交換而增加或損失的熱量為：

dq=-P-GCdt

(2)

式中：P為單位時間通過單位長度內(nèi)的加熱功率，W/m；G為產(chǎn)液量，m3/d；C為流體比熱，kJ/(kg·℃)。

根據(jù)熱量守恒定律，可得：

dq=U(t-td)πDh=-P-GCdt

(3)

井筒內(nèi)，地層溫度與深度有以下直線關(guān)系式：

td=ts-αh

(4)

式中：ts為井底初始溫度，即地層溫度，℃；α為地溫變化率，℃/m。

將式(4)代入式(3)得：

dq=U(t-td)πDh=P-GCdt

(5)

整理得：

(6)

上述是一個非齊次線性常微分方程，其通解為：

(7)

邊界條件：井底處流體溫度為t1，即h=0時，t=t1,代入式(7)得：

(8)

初始條件：井底處流體溫度等同于井底溫度，即t1=td，代入式(8)得：

(9)

將式(9)代入式(8)得：

(10)

從上式可以看出，若要求出井筒內(nèi)任一處的流體溫度，必須知道總熱傳遞系數(shù)的變化情況，而井筒熱流體溫度t與總熱傳遞系數(shù)U是一種互相影響的關(guān)系[11-13]，所以需要將井筒散熱、井筒吸熱及井筒熱傳遞損失看成一個熱平衡系統(tǒng)，建立井筒溫度預測模型，利用將熱流體溫度、深度及總熱傳遞系數(shù)三者聯(lián)合迭代計算的模擬方法求解，才能有效預測井筒內(nèi)熱流體的溫度。

2.2 電加熱井筒熱流體溫度分析

利用MATLAB軟件編制小程序，對電加熱及隔熱管井筒每一段的熱流體的傳熱系數(shù)及熱量損失速率進行計算，對其溫度進行有效預測。模擬井產(chǎn)液量為 100 m3/d，井筒電加熱功率為80 kW，加熱深度為1 000 m。

模擬出井筒流體傳熱的溫度數(shù)據(jù)，如圖4所示。從圖4中數(shù)據(jù)可以看出，在沒有任何措施的條件下，井底熱流體由 1 600 m 處經(jīng)潛油電泵抽汲到地面后，熱流體的溫度自90 ℃下降至35 ℃。而經(jīng)過功率為80 kW的電加熱工藝處理后，井筒流體吸收電能轉(zhuǎn)化的熱量后，流體溫度自1 000 m處的溫度先升高，然后逐漸下降，井口溫度達到 51.7 ℃，說明，經(jīng)過電加熱工藝處理后，井筒內(nèi)熱流體會保持相對較高的溫度。

模擬出井筒流體傳熱的總熱傳遞系數(shù)數(shù)據(jù)，如圖5所示。從圖5中數(shù)據(jù)可以看出，普通油管隨著井筒深度的降低，總熱傳遞系數(shù)降低較少，而在電加熱段的井筒的總熱傳遞系數(shù)較高。

模擬出井筒流體傳熱的損失熱量速率數(shù)據(jù)如圖6所示。從由圖6可以看出，下入普通油管的井筒熱流體的熱量損失速率比較大，而下入空心桿電加熱的井筒熱流體損失熱量速率增加較多。隨著井筒距井口位置的逐漸靠近，井筒熱流體和水泥環(huán)的溫差有所增加，井筒熱流體進行熱傳遞的熱流體損失熱量速率也隨之增加。

當井筒內(nèi)流體進行熱傳遞時，隨著井筒深度的增加，熱傳遞系數(shù)基本保持不變，而井筒熱流體和水泥環(huán)外部的溫差逐漸增加。所以在井筒管柱結(jié)構(gòu)及原油和地層熱物性基本不變時，井筒熱流體與水泥環(huán)外部的溫差對井筒熱流體損失熱量速率的影響最大。

原油黏度-溫度關(guān)系如圖7所示。由圖7可知，在原油溫度高于85 ℃的條件下，此時黏度基本不變化，說明增加溫度不能有效降低黏度。然而，在原油溫度小于70 ℃的條件下，黏度隨溫度變化而變化，說明增加溫度能有效降低黏度。

電加熱的井口溫度-加熱功率曲線，如圖8所示。由圖8中數(shù)據(jù)分析，在井筒熱流體溫度變化很小時，井筒溫度和電加熱功率是一種線性函數(shù)關(guān)系，采用數(shù)值擬合，對圖中溫度與功率數(shù)據(jù)進行研究，確定擬合出的溫度與功率的線性關(guān)系式是y=0.038x+87.68。若油井井筒熱流體所需達到的溫度為55 ℃，則確認適當?shù)木搽娂訜峁β蚀笮?7.5 kW，然后，可進一步求出其井筒電加熱其它相關(guān)參數(shù)。

3 現(xiàn)場應用與效果分析

以渤海油田一口生產(chǎn)井進行應用研究，此井投產(chǎn)初期產(chǎn)液量為43.62 m3/d，一年后，井筒出現(xiàn)蠟堵，產(chǎn)液逐漸下降為30.12 m3/d，需要采用合適的降黏技術(shù)防止油管結(jié)蠟，保證該井正常生產(chǎn)。利用模型計算出井口溫度增加到55 ℃，需要加熱深度為800 m，加熱功率為120 kW。清蠟工藝施工前后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)曲線如圖9所示。

從圖9中看出，此井施工前半年，產(chǎn)液量逐漸下降，平均由40 m3/d降到了19 m3/d，而溫度也由 30 ℃ 降到27 ℃，施工后，井口溫度逐漸上升到37 ℃，最終上升到55 ℃，產(chǎn)液量也增加到40 m3/d。生產(chǎn)井施工前后測得的生產(chǎn)參數(shù)效果如表1所示。從表1中可以看出，進行井筒溫度場模擬，加熱后井口實測溫度為55.2 ℃，理論模擬與實測數(shù)據(jù)基本一致。隨著溫度升高，產(chǎn)液量增加了4.5 m3/d，說明工藝有清蠟效果。

表1 施工前后的生產(chǎn)參數(shù)效果評價表

4 結(jié)論

1)根據(jù)金縣油田結(jié)臘油井的生產(chǎn)情況，設(shè)計的電加熱清防蠟管柱工藝能夠把電流集中在空心桿內(nèi)壁對井筒進行加熱，并能免拆井口進行投撈電纜，增加施工作業(yè)效率，同時，配有環(huán)空安全閥，保證施工安全。

2)依據(jù)油井的生產(chǎn)管柱和地質(zhì)油藏參數(shù)，建立出井筒的溫度場模擬進行數(shù)值模擬，優(yōu)化電加熱清防蠟工藝相關(guān)技術(shù)參數(shù)，能對實際增溫效果進行有效預測。此工藝現(xiàn)場應用情況表明，此工藝對井筒結(jié)蠟的稠油井有很好的加熱清防蠟效果。