閉式熱水循環舉升技術在樂安油田的應用

石明明，張丁涌，馮慶偉，張曉芳，萬惠平，許德廣

（中國石化勝利油田現河采油廠工藝研究所，山東東營 257000）

1 稠油降黏技術分析

井筒降黏技術[1]是指通過熱力、化學、稀釋等措施使得井筒中的流體保持低黏度，從而達到改善井筒流體的流動性，提高稠油開采效果的采油工藝技術。目前國內所采用的稠油井筒降黏技術主要分為化學降黏和熱力降黏，其原理不同，應用范圍不同，現場應用各有優勢與局限，詳見表1。

表1 兩類稠油降黏技術原理和適用范圍對比

樂安油田稠油油藏原油黏度1～10萬 mPa·s，溫度敏感性較強，不適用于化學降黏，而且化學降黏工作量較大，主要應用井筒電加熱舉升技術。常規的智能中頻井筒電加熱技術利用稠油對溫度敏感的特點，在空心抽油桿內下入電纜，提高井筒產液溫度，以降低其黏度，改善流動性。

截至2016年1月，樂安油田井筒電加熱平均單井日耗電高達725 kW·h，嚴重制約樂安油田生產提質增效。加熱降黏工藝對比見表2。

為降低稠油開采能耗，提高經濟效益，樂安油田提出了閉式熱水循環替代井筒電加熱降黏技術，通過對井筒加熱工藝進行改造，實現降低成本、提高能效的目標。

2 閉式熱水循環舉升技術

閉式循環加熱技術[2]是一項成熟的井筒加熱技術，具有節能降耗、安全可靠、自動化程度高的特點。閉式熱水循環降黏工藝見圖1。

工作原理：該技術是在井筒桿柱的空心桿內下入連續不銹鋼內管，利用地面加熱和加壓流程，實現熱載體在空心桿內閉式循環。由自動加熱裝置將循環熱載體加熱到設定溫度，然后經循環泵升壓，再通過地面緩沖過濾裝置、氣體分離裝置、輸入管、四通接頭、不銹鋼保溫連續管，將熱載體輸送到空心抽油桿底部，高溫介質將熱量傳遞給稠油使其降黏，在循環泵壓力的作用下返回加熱裝置中形成循環。

表2 三種加熱降黏工藝對比

圖1 閉式熱水循環降黏工藝

2.1 傳熱機理

井筒熱量傳遞方式比較復雜，自內向外有注入熱載體（氣體、油、水）與保溫連續管內壁之間對流換熱，保溫連續管外側和空心桿內側環空的對流換熱，空心桿外側和油管內側的對流換熱，油套管環空中對流輻射同時作用的換熱以及水泥環的導熱等環節；這些熱阻徑向串并聯組成“井筒內”的傳熱[3]，詳見圖2。

熱載體從保溫連續管中注入，從保溫連續管和空心抽油桿之間的環空返回；原油從空心抽油桿和油管環空流出，二者之間進行了熱量的傳遞[4]。沿井深方向取微元長度，根據能量平衡可得：

圖2 閉式熱流體循環工藝傳熱機理

式中kl1，kl2，kl3為保溫連續管內外流體間、油管內外流體間、環形空間流體與地層間的傳熱系數，W/（m·℃）；為循環熱水的質量流量，kg/s；為產出液的質量流量，kg/s；ts為保溫連續管內熱水的溫度，℃；ths為空心抽油桿內循環熱水回水溫度，℃；tcy為油管內產出液的溫度，℃；Cps、Cpcy分別為熱水比熱、產出液當量比熱，J/（kg·℃）；dq1為熱水向循環回水的傳熱量，W；dq2為循環回水向產出液的散熱量，W；dq3為產出液向地層的散熱量，W；z為井深，m；te為初始地層溫度。te＝ta＋adz，K；ta為地表溫度，K；ad為地溫梯度，K/m；z為井深，m。

熱能平衡方程的建立，為接下來技術應用參數的確定提供有力的理論支撐。

2.2 技術特點

一是“小溫差換熱技術”，為使稠油井正常生產，從井口至加熱深度，液溫越高地層熱損失越大，但任意井深產液溫度應大于要求的最低液溫，該溫差越小，熱損失越小。通過優化保溫管參數，使得加熱段任一位置實際液溫與要求的最低液溫之差小于技術上允許的最小溫差（比如5℃），保證熱損盡可能小。該技術保證閉式循環加熱工藝實現最大程度降低耗電量。實驗表明，井口液溫相同條件下，井筒電加熱液溫明顯高于閉式循環加熱井，熱損失大。閉式循環加熱與井筒電加熱沿程溫度與熱損失對比見圖3、4。

圖3 閉式循環加熱與井筒電加熱沿程溫度對比

圖4 閉式循環加熱與井筒電加熱沿程熱損失對比

二是“重力熱管技術”，循環加熱裝置采用常壓鍋爐，安全可靠，應用重力熱管技術，導熱系數大，表面溫度梯度小，可得到高等溫的表面，溫差1～3℃，保證了加熱裝置在＜0.1 MPa的額定工作壓力下，額定出水溫度達到118℃，熱效率大于97.6%。

2.3 選井原則

根據閉式熱水循環的相關技術特點和應用界限，結合樂安油田實際油藏情況[5]、原油物性、經濟效益等多方面因素，制定相應選井條件。

1）黏度原則

根據現場試驗、原油乳化增黏實驗和閉式循環加熱技術工藝的適應性，優選油井正常含水下乳化原油黏度低于5萬mPa·s，且電加熱運行的稠油井。

2）單井效益評價原則[6]

根據單井電加熱年實際運行時間、電費按0.647 8元/kW·h計算，對年運行費用、維修費用、連續桿起下費用、折舊費等因素進行分析，再參考分公司產能項目內部收益率不低于12%的要求，選擇測算內部收益率高于12%的電加熱井進行改造。

2.4 運行參數優化

1）產出液井口溫度

根據樂安油田稠油流變特性及黏溫關系，普通稠油溫度拐點在35～50℃之間，特稠油的溫度拐點在50℃左右，超稠油區塊轉化為牛頓流體的溫度拐點在70～90℃之間。參考現場密閉循環加熱實施井和電加熱實施井加熱后生產狀況，井口溫度控制在50～70℃。

2）循環水量

圖5為計算出的產出液溫度隨循環水量的變化規律。由圖5可以看出，循環量水越大，產出液溫度越高。這是因為，循環量水越大，上返液的溫度越高，傳遞給產出液的熱量越多。

圖5 不同循環水流量下產液溫度分布

循環泵功率4 kW，揚程260 m，額定流量3 m3/h。通過試驗得出，加熱深度從900～1 200 m，熱水循環量為1.2～1.5 m3/h。

3）循環水注入溫度

采用密閉熱水循環參數模擬軟件分析，計算出不同循環水注入溫度下產出液溫度分布規律，見圖6。由圖6可以看出，隨著循環水注入溫度的升高，產出液溫度相應升高。

特稠油油藏：日產液量5～25 t/d，含水50%～95%，原油黏度5 000～50 000 mPa·s（50℃），加熱深度1 000 m，循環量1.2 m3/h，熱載體為軟化水。模擬結果表明，循環水出口溫度在80～105℃，可達到設計產出液溫度要求。

圖6 不同循環水注入溫度下產液溫度分布

4）循環深度

考慮到整個管柱的質量和空心抽油桿的強度，通常水循環深度控制在1 200 m以內（考慮到Ф42 mm“空心桿約5.5 kg/m、Ф19 mm不銹鋼連續內管約1.0 kg/m、循環水約667 kg/1 000 m，因此循環加熱深度為1 200 m時，Ф42 mm空心桿、Ф19 mm不銹鋼連續內管以及循環水的質量約為8.6 t，再加上Ф22 mm抽油桿、閥式泵以及井液的質量載荷超過10 t，700型皮帶機最大載荷為12 t，因此循環加熱深度控制在1 200 m以內），同時為提高熱交換效率，采用Ф42 mm空心桿柱配套Ф19 mm不銹鋼連續內管。

3 應用效果

據統計，選取的15口井改造前日合計耗電量為12 306 kW·h，改造后日合計耗電量為4 530 kW·h，日節電7 776 kW·h，年累計節電159.41 萬 kW·h，減排CO2481.95 t。按照電價0.7元/kW·h計算，年節約電費111.58萬元。

4 結論

閉式熱水循環舉升技術作為一種節能環保油井生產技術，在保證油井正常生產的情況下，可以提高產量、降低生產成本，提高礦區整體管理水平，并且措施簡單、經濟效益明顯，建議進一步深入研究和推廣。