空心抽油桿桿式電加熱技術(shù)在高含蠟井的應(yīng)用

尹丹 羅日蕾（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

1 概況

在油井開采過程中，原油從油層流入井底，再從井底沿井筒舉升到井口時(shí)，壓力、溫度隨之逐漸下降，當(dāng)壓力降低到一定程度時(shí)，使有助于溶解石蠟和膠質(zhì)的輕質(zhì)組分逐漸損失，結(jié)果破壞了石油溶解在原油中的平衡條件。即輕組分的逸出導(dǎo)致原油對(duì)蠟的溶解能力下降，溫度的降低使蠟的溶解度進(jìn)一步降低，致使石蠟結(jié)晶析出并黏附于油井設(shè)施的金屬表面，造成油井結(jié)蠟[1]。大慶油田采油七廠目前主要清防蠟手段為高壓熱洗，平均單井化清周期約200 d，年均化清工作量5 500井次，在考慮人工、設(shè)備折舊以及油料成本的情況下，單井高壓熱洗費(fèi)用約為0.1萬元，年熱洗費(fèi)用約550萬元。高壓熱洗能夠解決全廠絕大部分機(jī)采井清防蠟問題，但仍有部分區(qū)(斷)塊的部分位置含蠟量高，其機(jī)采井易結(jié)蠟，高壓熱洗不能很好解決這部分井清防蠟問題，給生產(chǎn)管理帶來較大困難。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，這部分井約有74口，平均清蠟周期15 d。同時(shí)，這些區(qū)（斷）塊存在不同程度的地層能量不足現(xiàn)象，高壓熱洗會(huì)導(dǎo)致熱洗后恢復(fù)產(chǎn)油慢、傷害地層等問題。合理的清防蠟措施是保障油井正常生產(chǎn)的必要手段。大慶油田開發(fā)以來，采油七廠乃至全油田范圍內(nèi)應(yīng)用過多種清防蠟技術(shù)，同時(shí)清防蠟新技術(shù)也不斷出現(xiàn)。不同清防蠟技術(shù)在機(jī)采井上不同程度地試驗(yàn)、推廣，甚至持續(xù)應(yīng)用，并開展不同清防蠟方式技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，部分試驗(yàn)已初見成效，其中空心抽油桿桿式電加熱技術(shù)試驗(yàn)取得了尤為顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 空心抽油桿桿式電加熱技術(shù)

2.1 技術(shù)組成

空心抽油桿桿式電加熱設(shè)備主要由專用控制柜、井口懸接器、專用防噴盒、電磁加熱電纜、空心抽油桿、終端器和變扣接頭等部分組成。

專用控制柜主要技術(shù)參數(shù)為加熱深度：0～2 500 m（選配）；額定功率：0～75 kW（選配）；電源電壓：三相四線380 V±10%50 Hz；輸出電壓：單相100～1 800 V可調(diào)、200～2 000 Hz可調(diào)；功率因數(shù)：≥0.95；控制方式：1拖N智能自動(dòng)化控制；保護(hù)功能：缺相、過載、過流、過熱、短路、電壓異常。

空心抽油桿由桿頭和桿體組成，利用特殊焊接技術(shù)焊接而成。利用空心抽油桿中空的特性，可將電磁加熱電纜下入其中。電磁加熱桿主要技術(shù)參數(shù)為桿體外徑：36 mm；接箍外徑：49 mm；長度：8 000 mm?？筛鶕?jù)每口井結(jié)蠟深度選擇空心抽油桿根數(shù)。

電磁加熱電纜主要技術(shù)參數(shù)為最大外徑：17 mm；耐溫等級(jí)：≤300℃；額定功率：≥100 W/m；抗拉強(qiáng)度：≥2.5 t；絕緣強(qiáng)度：≥8 000 V；絕緣電阻：≥2 500 MΩ；使用壽命：≥10 a。

2.2 技術(shù)原理

該裝置是特殊制造的電磁加熱電纜由空心抽油桿下入井下，電纜通過電磁加熱桿到油井結(jié)蠟位置，在油井結(jié)蠟位置與抽油桿短路連接。高頻電流通過特種加熱電纜與空心抽油桿，在電磁感應(yīng)、集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的作用下，電流不是均勻沿著管壁流動(dòng)的，電流只集中在空心抽油桿內(nèi)表面，外表面的電壓、電流均為零，自身形成絕緣結(jié)構(gòu)。在管壁阻抗的作用下，空心抽油桿內(nèi)壁發(fā)熱，經(jīng)熱傳導(dǎo)使油管內(nèi)原油溫度升高，起到清防蠟和提高原油流動(dòng)性的效果。

感應(yīng)加熱的原理就是遵循電磁感應(yīng)、集膚效應(yīng)、熱傳導(dǎo)三個(gè)基本原則。感應(yīng)加熱用一個(gè)模擬的單匝短路次級(jí)線圈來說明。以圓柱體加熱的方式為例，工件和感應(yīng)器的組合可以看做是一臺(tái)具有多匝初級(jí)線圈（感應(yīng)器線圈）和單匝短路次級(jí)線圈（圓柱體工件）的變壓器，初級(jí)線圈和次級(jí)線圈彼此間由較小的空氣間隙隔開。通電時(shí)在工件內(nèi)將產(chǎn)生頻率相同、方向與感應(yīng)器中相反的感應(yīng)電流，即渦流[2]。當(dāng)電流頻率較高時(shí)，由于表面效應(yīng)的作用，使渦流集中在工件表面，產(chǎn)生“集膚效應(yīng)”。

集膚效應(yīng)（又稱驅(qū)膚效應(yīng)）是指導(dǎo)體中有交流電或交變電磁場的時(shí)候，導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布不均勻的一種現(xiàn)象。隨著與導(dǎo)體表面的距離逐漸增加，導(dǎo)體內(nèi)部的電流密度呈指數(shù)遞減，即導(dǎo)體內(nèi)的電流會(huì)集中在導(dǎo)體的表面。從與電流方向垂直的橫切面來看，導(dǎo)體的中心部分電流強(qiáng)度基本為零，即幾乎沒有電流通過，只在導(dǎo)體的邊緣部分會(huì)產(chǎn)生電流。簡而言之就是電流集中在導(dǎo)體的表面“皮膚”部分，所以就稱為“集膚效應(yīng)”[3]。

鄰近效應(yīng)就是當(dāng)高頻電流在兩個(gè)導(dǎo)體中彼此反向流動(dòng)或者在一個(gè)往復(fù)導(dǎo)體中流動(dòng)時(shí)，電流會(huì)集中在導(dǎo)體鄰近側(cè)流動(dòng)的一種物理現(xiàn)象[4]。

當(dāng)空心抽油桿內(nèi)電纜通以高頻交流電后，在電磁感應(yīng)、集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的作用下，產(chǎn)生內(nèi)集膚效應(yīng)，電流在電磁加熱桿內(nèi)壁流動(dòng)，外壁基本無電流，可視為絕緣體，保證工作安全[5]。

2.3 適用范圍

“三高”原油既高凝、高黏、高含蠟原油采輸難度大，主要存在井下結(jié)蠟嚴(yán)重，抽油桿負(fù)荷重，原油出口溫度低等問題?？招某橛蜅U桿式電加熱裝置利用電加熱產(chǎn)生的熱能，對(duì)油管內(nèi)的原油進(jìn)行全程加熱，從而降低原油黏度，防止油管內(nèi)結(jié)蠟，提高原油流動(dòng)性[6]?？捎行У慕鉀Q“三高”原油開采過程中面臨的各種技術(shù)難題，達(dá)到油井增產(chǎn)、增效的目的。

3 空心抽油桿桿式電加熱技術(shù)

在設(shè)備檢查正常后，就可以通電預(yù)熱，預(yù)熱時(shí)長由原油物性決定一般預(yù)熱1～3 h。待溫度達(dá)到要求后，方可啟動(dòng)抽油機(jī)，調(diào)整好防噴盒壓帽，以原油不噴出為原則，禁止將壓帽調(diào)節(jié)過緊，造成光桿摩擦過熱[7]。油井啟抽工作正常后，監(jiān)測電控系統(tǒng)溫度、定時(shí)調(diào)整是否合適，應(yīng)在抽油機(jī)上下行程電流均達(dá)到要求后，方可投入正常生產(chǎn)[8]。

油井正常生產(chǎn)后，需每天檢查電纜情況，防止電纜過緊造成電纜拉斷破皮現(xiàn)象發(fā)生。在抽油機(jī)停止工作或桿式電加熱裝置出現(xiàn)故障時(shí)，同時(shí)也應(yīng)停止空心抽油桿桿式電加熱裝置的加熱[9]。

當(dāng)原油黏度不高、凝固點(diǎn)不高時(shí)，該設(shè)備不需定時(shí)加熱，只需在清蠟時(shí)通電加熱[10]。如原油黏度大、凝固點(diǎn)高時(shí)，應(yīng)在初始安裝使用時(shí)做好記錄，針對(duì)不同井根據(jù)油井電流變化情況進(jìn)行個(gè)性化定制適用于每口井的加熱制度，以保證空心抽油桿桿式電加熱設(shè)備通電時(shí)間最短且油井不發(fā)生卡井正常運(yùn)行。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

近年來，空心抽油桿桿式電加熱技術(shù)在國內(nèi)外各大油田都有廣泛應(yīng)用，應(yīng)用效果顯著?？招某橛蜅U桿式電加熱技術(shù)目前在大慶油田采油七廠主要在稠油、高含蠟井上開展試驗(yàn)，自2020年11月以來，共應(yīng)用7口井，試驗(yàn)前平均單井清蠟周期8.8 d，試驗(yàn)后在措施情況下無故障運(yùn)行344 d；C井于2021年2-11月配合鉆井拆機(jī)。設(shè)備加熱周期可以根據(jù)單井電流變化情況進(jìn)行個(gè)性化制定，7口井空心抽油桿桿式電加熱平均啟運(yùn)周期：啟6 h停35 h，日均啟3.5 h停20.5 h，應(yīng)用后平均單井上電流下降6 A，有功功率下降0.71 k W。桿式電加熱應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 桿式電加熱應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical table of application effect of rod electric heating

5 綜合經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

1）空心抽油桿桿式電加熱設(shè)備1口井一次性需要投入空心抽油桿與地面專用控制柜設(shè)備，平均單井應(yīng)用抽油桿791.55 m，一次性投入13.61萬元?？招某橛蜅U專用短接0.5 m單價(jià)62.83元，1 m單價(jià)81.42元，1.5 m單價(jià)102.65元，2 m單價(jià)128.32元。單井桿式電加熱投入情況統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 單井桿式電加熱投入情況統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of rod electric heating for single well

2）空心抽油桿桿式電加熱單井平均運(yùn)行功率為37 k W，單井平均日加熱3.5 h，單井日均耗電129.5 kWh，單井年新增耗電量4.662×104k Wh，按照電費(fèi)每度0.637元計(jì)算，年新增耗電費(fèi)用為2.97萬元。

3）空心抽油桿桿式電加熱停運(yùn)后單井平均上電流下降6 A，有功功率下降0.71 kW，單井在空心抽油桿桿式電加熱不啟用時(shí)日可以節(jié)約電量17.04 k Wh，單井年節(jié)電0.613×104k Wh，按照電費(fèi)每度0.637元計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)0.39萬元。

4）應(yīng)用空心抽油桿桿式電加熱前7口井平均單井清蠟周期為8.8 d，單井全年需進(jìn)行高壓熱洗41次。應(yīng)用該技術(shù)后不需要熱洗，單次熱洗費(fèi)用綜合考慮人工工時(shí)、車輛折舊、油料，每井次高壓熱洗按0.1萬元計(jì)算，單井年減少高壓熱洗費(fèi)用為4.1萬元。

5）7口試驗(yàn)井平均單井日產(chǎn)液量12.2 t，日產(chǎn)油量3.7 t，單次熱洗水量為10 t，單井單次壓產(chǎn)天數(shù)為0.5 d，影響產(chǎn)油量為1.85 t。單井全年壓產(chǎn)影響產(chǎn)油量為75.85 t。按照2021年原油銷售平均價(jià)格3 236.24元/t、噸油操作成本1 761元計(jì)算，單井年增加原油效益為11.18萬元。綜合考慮單井一次性投資及產(chǎn)生的效益核算投資回收期為1.06 a。

6 結(jié)論

1）空心抽油桿桿式電加熱技術(shù)工藝簡單，性能可靠，安裝、管理方便。應(yīng)用該技術(shù)前，因原油黏度大導(dǎo)致油井需頻繁熱洗、加藥等工序，也因?yàn)槌碛陀绊憣?dǎo)致易卡井，增加作業(yè)頻次，增加管井人工作量。應(yīng)用該技術(shù)后，油井不需要熱洗工序，有效延長了洗井周期。7口井在應(yīng)用該技術(shù)兩年內(nèi)均未進(jìn)行熱洗工序，也減少了結(jié)蠟卡井導(dǎo)致的作業(yè)。

2）空心抽油桿桿式電加熱技術(shù)有增產(chǎn)效果。應(yīng)用空心抽油桿桿式電加熱技術(shù)后，油井不需要熱洗，減少了熱洗過程中壓產(chǎn)、扣產(chǎn)。原油在熱能作用下降低了原油黏度增加了原油流動(dòng)性，因此，油井產(chǎn)量也有相應(yīng)提高。

3）空心抽油桿桿式電加熱技術(shù)清蠟效果好，不傷地層。該技術(shù)通過對(duì)原油加熱，使原油溫度升高防止了蠟晶因溫度降低而析出，該技術(shù)僅對(duì)原油加熱，無化學(xué)藥劑，不會(huì)傷害地層。

4）空心抽油桿桿式電加熱技術(shù)帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。采油七廠對(duì)空心抽油桿桿式電加熱技術(shù)在清蠟周期30 d以內(nèi)的7口井上應(yīng)用見到了較好效果，技術(shù)適應(yīng)性較強(qiáng)。在高含蠟、熱洗周期短井的應(yīng)用投資回收期為1年，在應(yīng)用期間未進(jìn)行高壓熱洗，有效延長了熱洗周期，減少了熱洗油料損耗和人力的投入，為原油生產(chǎn)帶來了非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。