稠油水平井油層段電加熱工藝技術(shù)研究

任維娜，鄒信波，楊 光，熊書權(quán)，李勇鋒，李 凡，黃 鋮

(1. 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；2. 中海石油(中國)有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518067)

稠油油田水平井一般用電潛泵生產(chǎn)，由于原油黏度高，使得近井地帶及井筒原油流動(dòng)阻力增加，導(dǎo)致原油入泵困難，增加電機(jī)負(fù)荷，降低油井產(chǎn)量。目前常用的井筒流動(dòng)性保障技術(shù)有井筒熱力降黏技術(shù)、井筒摻稀降黏技術(shù)、井筒化學(xué)降黏技術(shù)等。熱力降黏技術(shù)是目前國內(nèi)外普遍采用的井筒降黏技術(shù)之一，包括井筒電加熱(有電纜、無電纜)技術(shù)，以及井筒熱流體(熱水、熱油、蒸汽)循環(huán)技術(shù)。井筒電加熱技術(shù)應(yīng)用較多的主要有空心桿電加熱，以及油管電纜伴熱，在遼河油田、勝利油田以及渤海金縣1-1油田均有成功應(yīng)用。但是，加熱深度僅限于到采油泵位置的井筒，無法對(duì)油層進(jìn)行加熱。井筒熱流體循環(huán)降黏技術(shù)主要有泵上摻熱流體循環(huán)以及泵下?lián)綗崃黧w循環(huán)，能降低井筒原油黏度，加熱深度同樣達(dá)不到油層段。摻稀油降黏技術(shù)，以及化學(xué)降黏技術(shù)都是通過特殊的管柱組合把稀油、化學(xué)藥劑注入到井筒，使稀油或化學(xué)藥劑與稠油混合，降低原油黏度后被采出，加熱范圍僅限于井筒，均不能實(shí)現(xiàn)水平井油層段的加熱降黏，不能有效改善近井地帶原油的流動(dòng)性[1-10]。

本文針對(duì)稠油油田水平井生產(chǎn)過程中井筒原油流動(dòng)性差的問題，克服現(xiàn)有工藝技術(shù)中的不足，研發(fā)一種水平井油層段電加熱工藝。該工藝管柱可以對(duì)水平井井筒進(jìn)行選擇性加熱，懸掛封隔器以下水平段采用大功率導(dǎo)體均勻加熱，電泵以下懸掛封隔器以上的斜井段采用小功率導(dǎo)體伴熱，有效改善井筒及近井地帶原油流動(dòng)性，降低入泵原油黏度，提高油田開發(fā)效益。

1 水平井油層段電加熱工藝管柱

1.1 管柱結(jié)構(gòu)

水平段電加熱工藝是借助油管將礦物絕緣加熱電纜放置于稠油水平井的油層段。工藝管柱主要由油管、套管、過電纜封隔器、Y接頭、電潛泵、供電電纜、礦物絕緣加熱電纜、電纜導(dǎo)入組件、電纜轉(zhuǎn)換接頭、帶孔油管、懸掛封隔器以及定位插入密封等部件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 水平井油層段電加熱工藝管柱結(jié)構(gòu)示意

電纜導(dǎo)入組件中設(shè)置有電纜固定裝置，可將加熱電纜固定在電纜導(dǎo)入組件中，實(shí)現(xiàn)重力支撐。電纜導(dǎo)入組件及帶孔油管中的油層段加熱電纜通過電纜導(dǎo)入組件中的電纜轉(zhuǎn)換接頭與油管外的供電電纜連接，實(shí)現(xiàn)電力傳輸。電纜導(dǎo)入組件及帶孔油管中的礦物絕緣加熱電纜是采用不同材料作為導(dǎo)體的整根電纜，可以實(shí)現(xiàn)井筒選擇性加熱，懸掛封隔器以下的油層段加熱電纜采用大功率導(dǎo)體均勻加熱，電泵以下懸掛封隔器以上的斜井段的泵下伴熱電纜采用小功率導(dǎo)體伴熱。帶孔油管的打孔段分別設(shè)置在定位插入密封上部及水平段末端，地層產(chǎn)出液從水平段末端的打孔段進(jìn)入油管，之后從定位插入密封上部的打孔段進(jìn)入油套環(huán)空，再經(jīng)電泵舉升至井口。水平段末端打孔，可以有效避免水平段根部采出液突進(jìn)。

1.2 礦物絕緣加熱電纜

水平井油層段電加熱工藝中應(yīng)用的礦物絕緣加熱電纜為三芯一體化加熱電纜，加熱回路由內(nèi)部相互絕緣的發(fā)熱導(dǎo)體、三相星型連接的尾端及首端密封組件構(gòu)成。三相50 Hz電源引入礦物絕緣加熱電纜內(nèi)部的導(dǎo)體，通過尾端發(fā)熱導(dǎo)體焊接成的電氣三相星接點(diǎn)構(gòu)成電熱回路，使電纜內(nèi)部的導(dǎo)體發(fā)熱。發(fā)熱導(dǎo)體與金屬護(hù)套之間，以及尾端的發(fā)熱導(dǎo)體三相星接點(diǎn)與金屬護(hù)套之間采用氧化鎂粉絕緣，尾端套管與加熱電纜的金屬護(hù)套之間采用氬弧環(huán)焊封閉，如圖2。礦物絕緣加熱電纜的金屬護(hù)套單獨(dú)與電氣接地回路連接，各回路組件的電氣連接可靠。

圖2 三芯一體化礦物絕緣加熱電纜尾端結(jié)構(gòu)示意

礦物絕緣加熱電纜具有以下特性：

1) 電纜內(nèi)部發(fā)熱導(dǎo)體材料有銅、銅鎳合金、鎳鉻合金等，電纜利用導(dǎo)體自身均勻分布的電阻特性，根據(jù)電流的熱效應(yīng)原理直接發(fā)熱，不存在電磁損耗的問題。

2) 電纜護(hù)套材料為不銹鋼或825高溫耐蝕合金，允許長期運(yùn)行的最高使用溫度可達(dá)800 ℃，井下允許長期運(yùn)行的加熱功率可達(dá)250 W/m以上。

3) 電纜構(gòu)成材料全部為無機(jī)物，不存在有機(jī)材料的老化失效問題。

4) 采用常規(guī)50 Hz交流電源，利用電壓調(diào)整器進(jìn)行軟啟動(dòng)及加熱溫度的精確控制，不存在變頻環(huán)節(jié)。

1.3 下井方式

稠油水平井完井后，先下入帶孔油管，之后下入通過電纜轉(zhuǎn)換接頭與供電電纜連接的泵下伴熱電纜及油層段加熱電纜，并將泵下伴熱電纜固定在電纜導(dǎo)入組件上，實(shí)現(xiàn)重力支撐。電纜轉(zhuǎn)換接頭置于電纜導(dǎo)入組件中，并將供電電纜從電纜導(dǎo)入組件中引出，電纜導(dǎo)入組件連接在帶孔油管上一起下入。之后，依次下入電潛泵、Y接頭、滑套、過電纜封隔器、井下安全閥，電泵電纜及供電電纜固定在油管上一起下入，并穿過過電纜封隔器穿越組件。

2 關(guān)鍵工具設(shè)計(jì)

2.1 電纜導(dǎo)入組件

電纜導(dǎo)入組件在油層段電加熱工藝管柱中起到承上啟下的作用，上端連接Y接頭73.0 mm(2英寸)旁通管，內(nèi)部放置電纜轉(zhuǎn)換接頭，下端連接73.0 mm(2英寸)帶孔油管。電纜導(dǎo)入組件主要由轉(zhuǎn)換上接頭、轉(zhuǎn)換下接頭、旋轉(zhuǎn)壓帽、鍵以及螺釘組成，其中下接頭中設(shè)置有電纜固定裝置，可以將下部礦物絕緣三芯電纜(泵下伴熱電纜)固定在下接頭上，實(shí)現(xiàn)承重。電纜導(dǎo)入組件結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 電纜導(dǎo)入組件結(jié)構(gòu)示意

電纜導(dǎo)入組件的技術(shù)參數(shù)：外徑為153 mm，長度為1 309.68 mm，連接扣型為2″UP TBG BXP，主體材質(zhì)為35CrMo，耐溫120 ℃，耐壓35 MPa。

2.2 電纜轉(zhuǎn)換接頭

水平段電加熱工藝中應(yīng)用電纜轉(zhuǎn)換接頭將加熱電纜與供電電纜建立連接，實(shí)現(xiàn)電力傳輸，是工藝管柱中的重要組成部分。電纜轉(zhuǎn)換接頭由變扣、上接頭、本體、銅套等組成，其結(jié)構(gòu)如圖4。單芯電泵電纜(供電電纜)和單根加熱電纜冷線(泵下伴熱電纜)在轉(zhuǎn)換接頭本體中通過銅套連接，之后在本體中填充耐高溫環(huán)氧樹脂，實(shí)現(xiàn)絕緣。電纜轉(zhuǎn)換接頭外徑為55 mm，長度為278 mm。

圖4 電纜轉(zhuǎn)換接頭結(jié)構(gòu)示意

為確保電纜轉(zhuǎn)換接頭在井下高溫高壓環(huán)境下正常應(yīng)用，要求接頭耐溫不低于120 ℃，耐壓不低于35 MPa，絕緣電阻值不低于20 MΩ。筆者設(shè)計(jì)了地面高溫高壓條件下轉(zhuǎn)換接頭的絕緣阻值測(cè)試工裝。試驗(yàn)工裝內(nèi)裝滿水，工裝殼體纏繞加熱電纜，通過加熱工裝殼體進(jìn)而加熱工裝內(nèi)液體。堵頭安裝測(cè)溫螺釘并連接鉑熱電阻，實(shí)時(shí)測(cè)量工裝內(nèi)液體溫度。工裝加壓口連接壓力計(jì)，實(shí)時(shí)測(cè)量工裝內(nèi)壓力。絕緣電阻測(cè)量表連接電泵電纜露出的線芯與工裝殼體，實(shí)時(shí)測(cè)量電纜轉(zhuǎn)換接頭絕緣阻值。

工裝內(nèi)壓力按5、15、25和35 MPa進(jìn)行提升，工裝內(nèi)液體加熱至120 ℃，各壓力點(diǎn)處穩(wěn)壓5 min，進(jìn)行1次絕緣電阻測(cè)量并記錄介質(zhì)溫度。在35 MPa，120 ℃條件下，電纜轉(zhuǎn)換接頭的絕緣阻值為325 MΩ，滿足絕緣要求，試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 電纜轉(zhuǎn)換接頭絕緣試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 水平井電加熱井筒流體溫度場(chǎng)計(jì)算

3.1 油層段溫度場(chǎng)

以水平井油層段末端為起點(diǎn)，根據(jù)能量守恒定律，建立微分方程。

-Wdt=K0(t-tr)dl1+q0dl1

(1)

式中：W為產(chǎn)出液水當(dāng)量，W/℃；t為井液溫度，℃；K0為油層裸眼段井筒到地層的傳熱系數(shù)(單位管長)，W/(m·℃)；q0為油層段加熱電纜單位長度放出的熱量，W/m；l1為從油層段末端向水平段根部計(jì)算的距離，m；tr為油層段地層溫度(tr認(rèn)為是定值)，℃，。

解方程得到油層段電加熱溫度分布為

(2)

3.2 水平段根部至電泵吸入口處溫度場(chǎng)

從水平段根部到電潛泵吸入口處考慮泵下伴熱電纜伴熱，根據(jù)能量守恒定律，建立微分方程[11-12]

-Wdt+q1dl2=K1(t-tr+ml2)dl2

(3)

式中：K1為套管到地層的傳熱系數(shù)(單位管長)，W/(m·℃)；q1為泵下伴熱段電纜單位長度放出的熱量，W/m；l2為從水平段根部向上計(jì)算的距離，m；te為沿井筒地層溫度，℃；tr為油層段地層溫度，℃；m為地溫梯度，℃/m；tj為段油層段出液溫度，℃。

解方程得到井底至電泵吸入口處溫度分布為

(4)

3.3 電潛泵內(nèi)溫度場(chǎng)

泵出口處原油溫升來源于電機(jī)發(fā)熱及小扁電纜發(fā)熱[13]，泵出口處原油的溫度可以表示為

(5)

式中：tb為流體到達(dá)機(jī)組前的溫度，℃；Dtm為電機(jī)發(fā)熱使流體產(chǎn)生的溫升，℃；Dtc為小扁電纜發(fā)熱使流體產(chǎn)生的溫升，℃；Nm為電機(jī)輸入功率，kW；ηm為電機(jī)效率，小數(shù)；Q為產(chǎn)出流體的質(zhì)量流量，kg/s ；C為流體比熱容，J/(kg· ℃)；I為電機(jī)的工作電流，A ；R為小扁電纜單位長度電阻，Ω；LS為小扁電纜的總長度，m。

3.4 泵出口至井口溫度場(chǎng)

泵出口至井口段考慮電泵電纜和供電電纜的散熱，能量守恒方程為[14-15]：

-Wdt+(qL+q2)dl3=K2(t-tep-ml3)dl3

(6)

式中：K2為從泵上油管到地層的傳熱系數(shù)(單位管長)，W/(m·℃)；q2為供電電纜單位長度發(fā)出的熱量，W/m；qL為電泵電纜單位長度發(fā)出的熱量，W/m；tep為泵出口處的地層溫度，℃；l3為從泵出口向上計(jì)算的距離，m。

解方程得到泵出口至井口的溫度分布為

(7)

4 典型井工藝應(yīng)用設(shè)計(jì)

以P油田H05井為例，對(duì)該井進(jìn)行油層段電加熱模擬計(jì)算。H05井井深2 747 m，垂深1 415 m，儲(chǔ)層溫度64 ℃。水平段長度545 m，215.9 mm(8英寸)井眼裸眼完井，139.7 mm(5英寸)ICD控水篩管。電潛泵下深986 m。2020-05-06，H05井泵入口溫度60.8 ℃，井口溫度 55.5 ℃，日產(chǎn)油121 m3/d，日產(chǎn)氣0.018×104m3/d，日產(chǎn)水6.55 m3/d。H05井實(shí)測(cè)原油黏溫曲線如圖6。

圖5 H05井原油黏溫曲線

圖6 H05井不同油層段出液溫度下的井筒溫度分布曲線

油層段電加熱工藝實(shí)施后，可以明顯提高泵入口溫度和井口溫度，降低原油黏度及井筒摩阻。油層段流體溫度由64 ℃加熱到105 ℃，井口溫度由55.5 ℃提高到84.9 ℃，泵入口溫度由60.8 ℃提高到91.3 ℃，井口原油黏度由1 056.2 mPa·s降低到186.5 mPa·s，泵入口原油黏度由777.3 mPa·s降低到127.8 mPa·s，井筒摩阻由186.2 kPa降低到62.6 kPa。隨加熱功率增加，泵入口溫度及井口溫度增加，泵入口黏度及井口黏度降低，井筒摩阻降低，如圖7～8。可見油層段電加熱工藝可以保證油層段原油溫度處于析蠟點(diǎn)以上，降低原油黏度，改善井筒原油流動(dòng)性。

表2 H05井不同加熱功率下原油流動(dòng)性參數(shù)

圖7 H05井不同油層段出液溫度下的原油黏度分布曲線

5 結(jié)論

1) 稠油水平井油層段電加熱工藝?yán)玫V物絕緣加熱電纜加熱井筒原油，實(shí)現(xiàn)井筒選擇性加熱。懸掛封隔器以下水平段采用大功率導(dǎo)體均勻加熱，電泵以下懸掛封隔器以上的斜井段采用小功率導(dǎo)體伴熱。

2) 油層段電加熱工藝中的關(guān)鍵工具為電纜轉(zhuǎn)換接頭，經(jīng)高溫高壓環(huán)境下絕緣電阻測(cè)試，其絕緣性能滿足井下使用要求。

3) 根據(jù)能量守恒定律，建立了水平井油層段電加熱井筒流體溫度場(chǎng)計(jì)算模型，對(duì)H05井進(jìn)行電加熱工藝設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)。隨加熱功率增加，泵入口溫度及井口溫度增加，泵入口原油黏度及井口原油黏度降低，井筒摩阻降低。

4) 油層段電加熱工藝可以提高井筒原油溫度，降低井筒原油黏度，改善井筒原油流動(dòng)性。