非金屬智能連續(xù)加熱裝置的研發(fā)及應(yīng)用

王治寧 杜鑫 王曌 郇宇 趙啟昊（長慶油田分公司第八采油廠）

1 概況

長慶油田地處陜甘寧蒙，溝壑縱橫，地理?xiàng)l件惡劣，采油八廠生產(chǎn)區(qū)域處于陜北黃土高原腹地，冬季最低氣溫超過零下25 ℃，對單井集油生產(chǎn)造成諸多困難。

采油八廠油井開井共3 272 口，出油管道991 條，1 870.3 km。其中運(yùn)行10～15 年的出油管線253 條，521.9 km，分別占比為25.5%，27.9%。夏季油井平均回壓1.5 MPa，冬季平均回壓3.5 MPa，平均回壓上升2 MPa。

2 高回壓對生產(chǎn)的影響

現(xiàn)場生產(chǎn)流程是單井-增壓站-轉(zhuǎn)油站-聯(lián)合站[1]，場站之間加壓加溫輸油，站內(nèi)配置加熱爐和外輸泵，可滿足生產(chǎn)需要；單井至增壓站主要依靠井下抽油泵，泵掛深度為1 200～1 600 m，抽油泵密封試驗(yàn)壓力通常為10～15 MPa，管線試驗(yàn)壓力通常為6 MPa。

2.1 造成高回壓的主要原因

1）單井與增壓站之間存在高差，出油管道長且存在跨越及穿溝等復(fù)雜情況，管線距離超過2.5 km[2-3]。

2）油質(zhì)黏稠，黏度大，管線內(nèi)阻力大，流動性差。

3）氣溫過低，結(jié)蠟嚴(yán)重。

2.2 高回壓對油井的影響

1）導(dǎo)致井下壓力上升，抽油泵凡爾漏失，對產(chǎn)量影響。

2） 生產(chǎn)壓力升高，造成井口盤根刺漏、損壞，產(chǎn)生環(huán)保事故。

3） 對于運(yùn)行10 年以上的管線，生產(chǎn)壓力升高，增大管線破漏的風(fēng)險(xiǎn)，造成大面積的環(huán)境、水土污染。

4）生產(chǎn)壓力升高，液體流速慢，容易造成管線凍堵。

2.3 降回壓方法

1）井口加熱，常用的加熱設(shè)備有：電磁加熱裝置，常壓水套加熱爐[4-5]。

2）管線熱洗，常用的熱洗方式有：熱洗車熱洗，移動加熱橇熱洗。

3） 井組降回壓泵橇，常用的井組輸油泵有：柱塞式輸油泵橇，螺桿式輸油泵，同步回轉(zhuǎn)泵橇。

2.4 降回壓方式對比

1）井口加熱設(shè)備。電磁加熱裝置屬于快速加熱方式，加熱體長度約700 mm，液體溫升25 ℃。加熱體溫度需達(dá)到70 ℃以上，能耗高且加熱爐因溫度影響結(jié)垢快，兩種加熱設(shè)備的對比見表1。

2） 管線熱洗。熱洗車包括水熱洗、超導(dǎo)熱洗、蒸汽熱洗，均能達(dá)到效果，但操作復(fù)雜，費(fèi)用較高；移動式加熱橇受伴生氣及井組液量影響，使用范圍較小，兩種管線熱洗方法對比見表2。

3）井組降回壓泵橇。三種泵橇均可以滿足現(xiàn)場降回壓需求，但是均無法滿足無人值守模式下的生產(chǎn)需求，三種降回壓泵橇的對比見表3。

表1 兩種加熱設(shè)備的對比

表2 兩種管線熱洗方法的對比

表3 三種降回壓泵橇的對比

3 非金屬智能連續(xù)加熱裝置

2017 年，對比現(xiàn)有設(shè)備設(shè)施及技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)后，為了保障現(xiàn)場生產(chǎn)運(yùn)行，降低能耗及實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效目的，采油八廠與某公司合作，研發(fā)了非金屬智能連續(xù)加熱裝置，有效解決了低溫、低液量、長管線及油質(zhì)黏稠等原因造成的井組高回壓難題。

3.1 工作原理

非金屬智能連續(xù)加熱裝置主要由加熱管、金具和溫度控制柜三部分組成。

1）加熱管由外保護(hù)層、纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層、導(dǎo)熱內(nèi)襯層和加熱導(dǎo)線組成。

2）金具。將加熱管與金屬管道相連接，并通過它來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制及導(dǎo)線加熱。加熱管為復(fù)合材質(zhì)，金具（接頭）設(shè)計(jì)是個(gè)難點(diǎn)，需要完全保證加熱管的密封和絕緣性能，同時(shí)要保障測溫電偶在金具內(nèi)部的正常工作。

三組加熱電纜采用三相電接法，在接頭內(nèi)和外部的動力電纜實(shí)現(xiàn)連接過度，另外還有兩組監(jiān)測加熱電纜實(shí)時(shí)發(fā)熱溫度的傳感器和加熱電纜接觸并且引出接頭和外部接線柜相連。

接頭密封導(dǎo)線和傳感器部位的外部殼體設(shè)計(jì)為活動式，便于傳感器的維修和更換。接頭端部通過法蘭的形式和金屬管道連接，金具結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖見圖1。

圖1 金具結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖

3）溫度控制柜。負(fù)責(zé)調(diào)控整個(gè)換熱系統(tǒng)，根據(jù)金具內(nèi)的溫度傳感器測定值來調(diào)整系統(tǒng)加熱功率，使加熱管出口處的液體溫度維持在設(shè)定值，再由加熱導(dǎo)線的實(shí)時(shí)發(fā)熱溫度來控制整個(gè)系統(tǒng)電源的開啟和關(guān)閉（金具內(nèi)置多個(gè)溫度傳感器分別監(jiān)測進(jìn)、出口油溫，加熱導(dǎo)線溫度，管壁溫度，實(shí)時(shí)反饋調(diào)節(jié)輸出功率與加熱溫度）。

4） 技術(shù)參數(shù)。型號為JR-L-76×13-10-380-3×3.5+3，公稱內(nèi)徑50 mm，公稱外徑76 mm，額定工作內(nèi)壓10 MPa，適用井組液量范圍3～30 m3/d，連續(xù)加熱管長度范圍30～150 m， 升溫范圍5～25 ℃（進(jìn)出口溫差），最大功率15 kW，（當(dāng)出口溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，正常運(yùn)行功率為初始功率的15%～30%）。

3.2 特點(diǎn)

1） 溫度控制系統(tǒng)具備低溫保溫、高溫散熱、短路、開路、缺相、過載等保護(hù)功能，安全可靠。

2）集井場原油加熱和輸送功能于一體，加熱管內(nèi)襯層導(dǎo)熱效果好，摩擦系數(shù)小，流通效率高，長距離壓力損失小，維護(hù)成本低[6-10]。

3）抗結(jié)垢結(jié)蠟，耐腐蝕性能良好，使用壽命長且熱效率高。

4） 具備數(shù)字化遠(yuǎn)傳功能，無人值守智能管理，根據(jù)液量和設(shè)定溫差實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，節(jié)能高效。

5）質(zhì)量輕、韌性好，可定點(diǎn)盤管掩埋或沿管線直埋。

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果評價(jià)

4.1 現(xiàn)場應(yīng)用情況

2019 年11 月至2020 年1 月，先后在四個(gè)作業(yè)區(qū)安裝了16 套非金屬智能連續(xù)加熱裝置，并對運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，安裝井組的液量、含水、管線長度，安裝井組的基本參數(shù)見表4。

表4 安裝井組的基本參數(shù)

4.2 效益評價(jià)

1） 非金屬智能連續(xù)加熱裝置，費(fèi)用為12 萬元；從安裝前后回壓及熱洗周期表5 可以看出，單位液量的日耗電量10～15 kWh，按照運(yùn)行150 天計(jì)算，耗電量約1 500～2 250 kWh，取平均數(shù)1 875 kWh，單位液量電費(fèi)約1 125 元。

以蘆49-71 井組為例，日產(chǎn)液量15 m3，非金屬智能連續(xù)加熱裝置運(yùn)行150 天，電費(fèi)16 875 元。

2） 熱洗費(fèi)用，2019 年冬季與2018 年同期相比，井組的回壓平均下降1.58 MPa，最高壓力2.1 MPa，2018 年平均熱洗周期為4.6 天，詳情見表5。以7 天熱洗一次為標(biāo)準(zhǔn)，150 天平均井組熱洗21.4 次，單次熱洗管線費(fèi)用1 080 元，共計(jì)23 112 元。

3） 產(chǎn)量效益。以蘆49-71 井組為例，該井組油井?dāng)?shù)6 口，安裝前，日產(chǎn)液量14.95 m3/d，日產(chǎn)油6.73 t/d；安裝后，日產(chǎn)液量15.58 m3/d，日產(chǎn)油7 t/d；日增液量0.63 m3/d，日增油0.27 t/d。150 天增產(chǎn)94.5 m3，增油40.5 t，每噸油按照3 000 元計(jì)算，增產(chǎn)效益12.15 萬元。

4） 機(jī)采能耗降低。以蘆49-71 井組為例，使用8 型抽油機(jī)，電動機(jī)功率11 kW，安裝前測量單井有功功率3.8 kW，安裝后測量有功功率3.6 kW，有功功率下降0.2 kW，日節(jié)電4.8 kWh。以運(yùn)行150 天為準(zhǔn)，單井節(jié)能720 kWh。該井組6 口井，每千瓦時(shí)按照0.6 元計(jì)算，節(jié)約電費(fèi)2 592 元。

5） 延長了盤根使用壽命。井口壓力在3 MPa以上運(yùn)行，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，盤根的使用周期為7 天；當(dāng)井口的壓力在1 MPa 以下運(yùn)行時(shí)，盤根的使用周期為45 天左右。以蘆49-71 井組為例，6 口井，按照150 天計(jì)算，節(jié)約盤根108 個(gè)。每個(gè)按照7.8 元計(jì)算，節(jié)約費(fèi)用842.4 元。

6） 投資回收期計(jì)算。該裝置總投資12 萬元，150 天運(yùn)行電費(fèi)1.687 5 萬元。

表5 安裝前后回壓及熱洗周期對比

綜上所述，該裝置安裝后，150 天可節(jié)約費(fèi)用熱洗費(fèi)用、井口產(chǎn)量、能耗費(fèi)用、盤根費(fèi)用共14.8萬元。投資回收期為11.1 月，即一年可收回投資。

5 結(jié)論

1） 該裝置可滿足長慶油田冬季現(xiàn)場生產(chǎn)需求，有效降低單井管線生產(chǎn)壓力，應(yīng)用效果良好，具有推廣價(jià)值。

2）降低了冬季油井生產(chǎn)的安全風(fēng)險(xiǎn)。可有效延長管線熱洗周期或省略熱洗，減輕了員工勞動強(qiáng)度，降低了熱洗管線的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3）降低了油井生產(chǎn)的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)行壓力降低后，減少了井口、管線刺漏以及安全環(huán)保、水土污染事故事件發(fā)生的概率，同時(shí)減少了污油泥的產(chǎn)生。

4）該裝置可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停及數(shù)據(jù)監(jiān)控，可根據(jù)天氣狀況適時(shí)調(diào)整溫度等參數(shù)的設(shè)定以及啟停作業(yè)，滿足智慧化油田建設(shè)需求及高效管理。