降低稠油空心桿電加熱能耗

中國石化勝利油田地質科學研究院

降低稠油空心桿電加熱能耗

宋勝男中國石化勝利油田地質科學研究院

通過對稠油電加熱油井能耗節點分析，找出能耗影響因素，建立了井口溫度與能耗模型。對王莊油田A區塊油井的地面效率統計分析表明，其正常生產抽油機井的地面效率平均值為49.3%。綜合考慮抽油機最大懸點載荷及總功率，認為85℃左右為該井在模擬生產條件下最節能的井口溫度。由于井筒內流體流態較為復雜，受溫度、壓力、含水、溶解二氧化碳等多種因素影響，建議下一步開展井筒內多因素復合作用下流體物性研究，增強能耗模型的可靠性。

能耗；黏度；空心桿；電加熱；稠油

井筒電加熱抽油桿開采技術配合其他工藝能較好地適應稠油油藏的開發[1]。空心桿電加熱能有效地保障井筒內流體的溫度，進而降低稠油舉升過程中的黏度，使原油順利舉升到井口。然而，當前對于井筒內溫度的變化如何影響電加熱功率和電機功率，以及對總功率的影響，能耗與井口溫度的關系尚無相關研究。

1 溫度與能耗關系模型

王莊油田X區塊為特超稠油油藏，50℃地面原油黏度高達110×104mPa·s。采用電加熱井筒降黏舉升方式，電加熱功率80～120 kW。電加熱抽油機井的總能耗是抽油系統能耗與電加熱能耗之和，一般情況下，井筒溫度越高，抽油系統的能耗就越小。通過對稠油電加熱油井能耗節點分析，找出能耗影響因素，建立了井口溫度與能耗模型，如圖1所示。

圖1 溫度與能耗關系理論模型

通過對生產井生產參數的模擬計算，比較不同井口溫度的能耗情況，確定其合適的井口生產溫度。

2 降耗方法

為了研究總耗電與井口溫度的關系，依次開展井筒溫度場、黏溫關系和懸點載荷的研究，最終建立節能模型[2]，如圖2所示。

圖2 電加熱節能降耗模型

2.1空心桿電加熱溫度場

空心桿電加熱屬于沿程加熱，假設電加熱放出的熱量均勻分布于全井筒，將其看作是一內熱源。同樣在井筒上截取d i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，考慮內熱源qi條件下的能量守恒微分方程為

其中teqd=ted-mZi

式中qi為通過油管的內熱源強度（W·m-1）。

根據邊界條件，x=0(加熱起點處)時，θ=θds（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

2.2黏溫關系

在不同含水率的稠油中加入質量分數為1%油溶性復合降黏劑，充分作用后測定含水稠油70℃時黏度。再通過實驗測定含水50%稠油在加入1%復合降黏劑降黏后的黏溫關系。

王莊油田某區塊稠油使用降黏劑后，黏度—溫度—含水線性回歸方程為

其中μ為原油黏度（mPa·s）；φ為原油含水率（%）；T為溫度（℃）。

2.3懸點載荷計算

為方便計算，本文只考慮了液柱靜載荷、抽油桿柱靜載荷、慣性載荷和摩擦載荷。懸點最大、最小載荷[3]計算一般公式為

由最大懸點載荷Pmax和最小懸點載荷Pmin計算公式可知，摩擦力Ftl對最大載荷做正功，摩擦力Frl對最小載荷做負功。當流體溫度升高、黏度降低時，摩擦力Ftl和摩擦力Frl均呈現下降趨勢，對應的Pmax和Pmin分別表現為降低和增大。

2.4電機效率

對區塊抽油機電機功率和光桿功率進行統計分析，統計結果見表1。由王莊油田A區塊油井的地面效率統計分析表明，其正常生產抽油機井的地面效率平均值為49.3%。

表1 王莊油田X區塊部分抽油機地面效率統計

整個電加熱抽油系統耗能為

為對能耗系統進行研究，編制了電加熱抽油系統耗能軟件模型。

3 應用實例

選取P21井油井基本生產參數進行軟件模擬分析。運用軟件分別模擬P21井口溫度為100、95、90、85、80和75℃時油井的能耗及懸點受力情況。

結果發現，最大懸點載荷隨著溫度下降先緩慢上升，在85℃后載荷上升速度加劇。電機功率隨著井口溫度降低先緩慢上升，在85℃后上升趨勢顯著加快。電加熱功率隨著井口溫度降低而持續下降。總功率隨著井口溫度降低逐漸下降，在85℃時出現總功率最小值，此后隨著溫度下降，總功率出現上升的趨勢。分析原因為：90℃以前，懸點載荷主要以電加熱功率影響為主，90℃以后電機功率迅猛增加，此后以電加熱功率和電機功率兩者共同影響，在85℃時兩者出現“平衡”，總和出現最小值。此時抽油機最大載荷為71.02 kN。

綜合考慮抽油機最大懸點載荷及總功率，認為85℃左右為該井在模擬生產條件下最節能的井口溫度。

4 效益估算

根據分析結果，P21井在第一周期含水40%、日產液20.4 t時，用軟件計算得出井口溫度85℃為最佳節能生產溫度，對最佳節能生產溫度和非最佳節能生產溫度點能耗情況進行經濟評價。經過模擬對比，抽油機在最佳節能溫度點運行可節電95 kW·h/d。

5 結論與建議

建立空心桿電加熱井采油能耗模型，通過模型可預測油井生產時的井筒溫度場、黏度場、懸點載荷、電加熱功率和電機功率。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，可以確定電加熱油井最節能的井口溫度。實例分析結果表明，在最節能溫度點生產時節能效益可觀。

由于井筒內流體流態較為復雜，受溫度、壓力、含水、溶解二氧化碳等多種因素影響，本文由于獲取資料局限性，僅對溫度、含水等影響因素進行了研究，建議下一步開展井筒內多因素復合作用下流體物性研究，增強能耗模型的可靠性。

[1]宋時權，張公社，李晶晶，等．電加熱桿抽油井溫度分布計算[J]．斷塊油氣田，2008（3）：121-123.

[2]高云松，村志遠，丁亮亮，等．稠油空心桿電加熱井井筒溫度場數值模擬[J]．油氣田地面工程，2010，29（5）：37-38.

[3]張琪．采油工程原理與設計[M]．北京：石油工業出版社，2000.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.1.001