高凝油油田原油舉升階段節(jié)能技術(shù)的研究

文_信明利 勝利油田東勝精攻石油開發(fā)集團股份有限公司

濰北油田工區(qū)面積880km2，油田探明含油面積24.11km2，地質(zhì)儲量1824.44×104t，累采油195.2×104t，采出程度10.7%。含油層系為孔一段、孔二段、孔三段，其中孔一段和孔二段為主要含油層系，原油物性具有高含蠟、高凝固點的特點。

目前有油井211口，生產(chǎn)油井123口，日產(chǎn)液835t/d，日產(chǎn)油280t/d，百米噸液耗電1.41kWh，高于臨近油田生產(chǎn)過程中百米噸液耗電的平均水平，僅空心桿電加熱用電量就站全年總用電量的64%以上，過高的單井耗能和多數(shù)單井液量不高一直是油田生產(chǎn)過程中的一個矛盾問題。

1 濰北油田原油舉升技術(shù)分析

濰北油田開發(fā)初期，產(chǎn)能水平較低，因其為小斷快油藏，對油藏儲量覆蓋情況難以把握，同時，油藏油品整體偏差，普遍含有大量的膠質(zhì)、蠟質(zhì)成分，原油物性特點為高含蠟（29.3%）、高凝固點（35～44℃），屬于典型的高凝油油藏。因此，油田開發(fā)過程中，如何將高凝油采出是一個技術(shù)難點。

1.1 濰北油田原油舉升技術(shù)分析

針對油藏原油物性差，開采難度大的特點，油田先后應(yīng)用過周期性熱油洗井、蒸汽吞吐、套管灌熱水、添加淸防蠟劑等藥劑以及使用井下電磁爐、井口電磁脈沖防蠟裝置等技術(shù)措施來提高管柱內(nèi)原油流通性，完成原油舉升工作。但是效果一直不理想，導(dǎo)致油田生產(chǎn)過程中，油井因結(jié)蠟造成抽油桿卡、活塞卡泵等躺井因素一直居高不下，油田整體躺井率較高，單井生產(chǎn)時長大大縮短，嚴重影響油藏的經(jīng)營開發(fā)效果，成為制約油藏開發(fā)效益最大化的主要因素之一。

1.2 井筒電加熱使用情況

隨著電能轉(zhuǎn)化熱力能技術(shù)的發(fā)展，濰北油田開始試驗空心桿電加熱技術(shù)。目前濰北油田使用空心桿電加熱的技術(shù)來進行原油舉升的有86口井。空心桿電加熱原油舉升技術(shù)是依據(jù)集膚效應(yīng)原理，通過在空心桿內(nèi)下入特制電纜，通過電纜通電發(fā)熱來實現(xiàn)將電能轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)能的過程，從而不停地提高空心桿本體及井筒內(nèi)液體的溫度（目前峰值可到150℃），可以有效溶解空心桿外壁、油管內(nèi)壁上沉積的蠟晶，降低原油的粘度，提高井筒內(nèi)井下電纜最深部位以上部分原油的流動性，使原油能夠正常從井內(nèi)流出、油井達到正常生產(chǎn)條件。空心電熱桿技術(shù)主要由電熱桿、電三通、稠油中頻電加熱控制裝置等組成，與其它井筒加熱技術(shù)相比，該技術(shù)具有投資少、一次投資長期受益、熱效率高、對地層無損害、延長檢泵周期等特點，大大提高高凝油油藏的經(jīng)濟效益。

但在使用常規(guī)舉升技術(shù)時，井下400m處為井筒內(nèi)液體溫度的轉(zhuǎn)折點，即在400m處液體溫度低于原油凝固點溫度，此時，原油中的蠟質(zhì)開始出現(xiàn)析出的現(xiàn)象，隨著時間的推移，液體上移溫度持續(xù)下降，從而蠟質(zhì)不斷析出，而抽油桿不停地上下運移對析出的蠟質(zhì)造成了擠壓作用，使得抽油桿壁結(jié)蠟厚度不斷增加，最終導(dǎo)致卡井風(fēng)險逐步增高；而采用空心桿電加熱技術(shù)后，可以實現(xiàn)井下400m至井口溫度都高于原油凝固點溫度，從而實現(xiàn)原油的正常生產(chǎn)。

2 井筒電加熱優(yōu)勢、劣勢分析

使用空心桿電加熱后，油田的原油舉升工作更加順暢，同時，油井因結(jié)蠟卡井的現(xiàn)象逐漸減少，降低了躺井率，原油生產(chǎn)效率大大提升。但是，為了保證原油正常生產(chǎn)，空心桿電加熱在使用過程中都是24h開啟。伴隨著油藏開發(fā)的逐漸成熟、產(chǎn)量日益升高，生產(chǎn)油井數(shù)量逐漸增多，空心桿電加熱技術(shù)雖然可以保證原油的正常采出，但是居高不下的高用電量、高耗能也逐漸顯現(xiàn)。

3 解決井筒電加熱舉升技術(shù)中高耗能問題的措施

3.1 優(yōu)化控制柜，使用中頻控制柜

空心桿電加熱技術(shù)在使用之初采用的控制系統(tǒng)為工頻系統(tǒng)，該系統(tǒng)簡單、便捷、一鍵操作、加熱功率始終不變、加熱效果突出。但是，通過控制系統(tǒng)對比（圖1）可以看出,使用工頻控制柜時單井日耗電達到1372kWh，耗電量大。隨著變頻器等電器控制設(shè)備的應(yīng)用，開始試驗中頻、調(diào)功儀等設(shè)備，經(jīng)過使用對比，發(fā)現(xiàn)中頻在正常生產(chǎn)中的單井日耗電為851kWh，調(diào)功儀在正常生產(chǎn)中的單井日耗電為616kWh，但是調(diào)功儀與中頻單價差距較大，結(jié)合耗能、操作及單價等因素，最終可以看出使用中頻控制系統(tǒng)來控制空心桿電加熱裝置是效益最大和人工操作最方便的。

3.2 建立節(jié)能模型，依據(jù)實際情況確定井口溫度、電加熱功率，實現(xiàn)一井一策

針對井口溫度與耗電量的關(guān)系，進行井筒溫度場、粘溫關(guān)系和懸點載荷的分析，并建立節(jié)能模型，如圖1。

圖1 節(jié)能模型

3.2.1 空心桿電加熱溫度場

空心桿電加熱屬于沿程加熱，假設(shè)空心桿電加熱釋放的熱量均勻分布整個井筒，將空心桿電加熱看作為一個內(nèi)熱源。同樣在井筒上截取di長的微元，取向上的坐標i為正方向進行能量平衡分析。地層流體在井筒流動的過程中，考慮內(nèi)熱源qd

i條件下的能量守恒微分方程為：

式中qid為 通過油管的內(nèi)熱源強度(W·m-1)。

依據(jù)邊界條件，=0(加熱起點處)時， =(加熱起點處流體溫度)，由通解得線性加熱井段(加熱起點到加熱終點)的井筒溫度分布為：

3.2.2 粘溫關(guān)系

選取單井含水差距較大的油井的油樣（其中包含1份含水50%），加入質(zhì)量分數(shù)為1%的油溶性復(fù)合降粘劑，待充分反應(yīng)后測出油樣在70℃時的粘度，從而獲得粘度與溫度間的關(guān)系。

3.2.3 懸點載荷的計算

在只考慮理想狀態(tài)的情況下，由最大懸點載荷和最小懸點載荷計算公式可知，摩擦力對最大載荷做正功，摩擦力對最小載荷做負功。當流體溫度升高、黏度降低時，摩擦力和摩擦力均呈現(xiàn)下降趨勢，對應(yīng)的和分別表現(xiàn)為降低和增大。

3.2.4 模型應(yīng)用

選取WBCH3-X13這口井作為實例進行分析，通過模型對該井井口溫度在100℃、95℃、85℃、80和75℃時的電加熱能耗、電機功率及懸點受力情況進行分析。

建立模型發(fā)現(xiàn)，最大懸點載荷隨著溫度下降先緩慢升高，在井口溫度達到85℃后載荷上升速度加劇。抽油機電機功率隨著井口的溫度降低先緩慢升高，在85℃后升高趨勢顯著加快。而電加熱功率隨著井口溫度降低而持續(xù)下降。總功率伴隨著井口溫度降低逐步下降，在85℃時出現(xiàn)總功率最小值，此后隨著溫度下降，總功率呈現(xiàn)上升的趨勢。分析原因為：在90℃以前，懸點載荷的變化主要由空心桿電加熱功率為主要影響要素，90℃以后電機功率呈現(xiàn)迅猛增加，此后由空心桿電加熱功率和電機功率兩者共同影響，最終在井口溫度達到85℃時兩者出現(xiàn)“均衡狀態(tài)”，總和出現(xiàn)最小值。此時抽油機最大載荷為52.02kN。

通過模型搭建和對抽油機最大懸點載荷及總功率的綜合考慮，認為井口溫度在85℃左右為WBCH3-X13井在模擬生產(chǎn)條件下最節(jié)能的井口溫度。

3.3 利用信息化手段，優(yōu)化間開制度，實現(xiàn)避峰就谷

近幾年，隨著自動化、智能化技術(shù)的應(yīng)用，原油生產(chǎn)過程中實現(xiàn)遠程啟停、問題預(yù)警、大數(shù)據(jù)分析、推送措施，在實踐應(yīng)用中取得了較好的效果。目前，應(yīng)用的生產(chǎn)指揮系統(tǒng)是一個各項生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集合系統(tǒng)，針對油井生產(chǎn)可以對實時生產(chǎn)參數(shù)進行跟蹤、匯總，因此，可以通過生產(chǎn)指揮系統(tǒng)匯總的數(shù)據(jù)，依據(jù)空心桿電加熱作用原理可以研判出空心桿電加熱對單井加熱后，其加熱效果達到峰值的時間點和生產(chǎn)參數(shù)（電流、回壓、載荷等）發(fā)生波動的時間點，從而可以更加精確地確定空心桿電加熱的單次使用時長，實現(xiàn)能源使用的優(yōu)化。同時，結(jié)合加熱時間和當?shù)貙﹄妰r的峰谷設(shè)置可以實現(xiàn)合理的加熱時間段的調(diào)配，從而在節(jié)能降耗的基礎(chǔ)上實現(xiàn)生產(chǎn)降本提效。

4 結(jié)語

作為高凝油油藏，原油舉升需要高耗能和油藏經(jīng)營需要降耗、節(jié)能、提效之間一直存在著矛盾，因此，只能通過技術(shù)的不斷進步、管理的不斷完善使原油舉升措施得到優(yōu)化來提高經(jīng)濟效益，實現(xiàn)節(jié)能、降耗。

文中涉及的建立空心桿電加熱井采油能耗模型，通過模擬可預(yù)測油井生產(chǎn)時的井筒溫度場、粘度場、懸點載荷、電加熱功率等。通過對比分析不同井口溫度下的總耗電功率及最大懸點載荷變化關(guān)系，可以確定電加熱油井最節(jié)能的井口溫度。實例分析結(jié)果表明，在最節(jié)能溫度點生產(chǎn)時節(jié)能效益可觀。

此項技術(shù)也正在向智能油田并入，通過將模型植入生產(chǎn)指揮系統(tǒng)，實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)云采集、模型建立云計算，使得相關(guān)參數(shù)觀察更便利，為相關(guān)技術(shù)人員提供及時研判的數(shù)據(jù)支持，最終實現(xiàn)一井一策一分析，單井實現(xiàn)效益最大化。