海上稠油油田電加熱改善原油流動(dòng)性技術(shù)研究

任維娜

(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)

張慶華，魏裕森

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067)

邢洪憲，李昂

(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)

海上稠油油田多采用電潛泵生產(chǎn)，電潛泵吸入口處溫度低，稠油黏度大，導(dǎo)致原油入泵困難，增加電機(jī)負(fù)荷。井筒電加熱工藝可以有效地解決該問題，同時(shí)也能提高油井產(chǎn)量。目前常用的電加熱工藝可以分為地層電加熱和井筒電加熱：地層電加熱應(yīng)用較多的為井下篩管式電加熱；井筒電加熱常用的有電纜伴熱、空心桿電加熱、油管電加熱等。井下篩管式電加熱器加工長度最大只有50m，只適用于直井和定向井；空心桿電加熱主要適用于有桿泵采油，用于電泵井需要額外下入空心桿，并且需要改造井口，經(jīng)濟(jì)性較低；電纜伴熱可以有效解決泵上井筒流體流動(dòng)阻力大的問題，不能改善流體進(jìn)泵困難、泵效低等問題[1～5]。

針對海上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，結(jié)合目前地層電加熱和井筒電加熱方式，研發(fā)了一種礦物絕緣電纜全井段電加熱工藝。將礦物絕緣加熱電纜置入水平井全井段，水平段電纜以大功率加熱篩管及地層原油，提高地層出液溫度，降低泵入口原油黏度；水平段電纜以外井筒部分以小功率伴熱，補(bǔ)償混合液在舉升過程中的熱損失，實(shí)現(xiàn)水平井全井段加熱，改善全井筒原油流動(dòng)性，提高電潛泵舉升效率，釋放油井產(chǎn)能，提高油田開發(fā)效益。

1 全井段電加熱技術(shù)原理

圖1 礦物絕緣加熱電纜結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 礦物絕緣加熱電纜全井段電加熱工藝示意圖

1.1 電纜加熱原理

礦物絕緣加熱電纜由發(fā)熱導(dǎo)體、緊密壓實(shí)的氧化鎂粉及金屬護(hù)套構(gòu)成[6]，導(dǎo)體一般為銅、銅鎳合金及鎳鉻合金，護(hù)套一般為銅、不銹鋼及825合金，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

礦物絕緣加熱電纜為整體式連續(xù)電纜，常用的有單芯電纜、雙芯電纜、三芯電纜。通電后，電纜依靠導(dǎo)體自身電阻產(chǎn)生熱量，熱量通過耐高溫礦物絕緣層和護(hù)套傳遞給原油，從而實(shí)現(xiàn)加熱降黏。礦物絕緣加熱電纜為長線型純電阻發(fā)熱，幾乎100%將電能轉(zhuǎn)換為熱能，發(fā)熱效率高。

1.2 全井段電加熱工藝

全井段電加熱工藝由礦物絕緣加熱電纜、過電纜封隔器穿越組件、井口密封組件、地面升壓變壓器以及地面控制柜構(gòu)成(圖2)。井下礦物絕緣加熱電纜由水平加熱段、泵下伴熱段、泵上伴熱段組成，水平加熱段和泵下伴熱段為以不同材料做導(dǎo)體的整根三芯電纜。水平加熱段以銅鎳合金為導(dǎo)體，內(nèi)置于油井水平段篩管，通電后急劇持續(xù)發(fā)熱，以大功率加熱地層原油，使篩管和原油溫度達(dá)到析蠟點(diǎn)以上，從而防止篩孔被析蠟或凝膠堵塞，保持油道暢通，同時(shí)提高原油入泵溫度，降低原油入泵黏度，提高泵效。泵下伴熱段以銅為導(dǎo)體，從水平段根部到過電纜封隔器以小功率伴熱。泵上伴熱段為以銅為導(dǎo)體的三根單芯電纜，從過電纜封隔器到井口以小功率伴熱，補(bǔ)償混合液在舉升過程中的熱損失，使井口出液溫度維持在一定溫度。泵上伴熱段和泵下伴熱段為井筒原油伴熱的同時(shí)也為熱段提供外部電源。泵上伴熱段和泵下伴熱段通過過電纜封隔器穿越組件相連，泵上伴熱段從井口采油樹大四通底部偏心法蘭引出，采用井口密封組件實(shí)現(xiàn)密封。地面控制柜和升壓變壓器為井下電纜提供工頻50Hz交流電源。

利用連續(xù)油管高強(qiáng)度且具有一定柔度的特點(diǎn)，借助連續(xù)油管完成礦物絕緣加熱電纜水平井的下井作業(yè)。連續(xù)油管底部安裝導(dǎo)向器用于連續(xù)油管的下井導(dǎo)向，上端與電纜導(dǎo)入組件通過絲扣連接。礦物絕緣加熱電纜通過導(dǎo)入組件引入連續(xù)油管，并固定在引入口上實(shí)現(xiàn)重力支撐。

2 全井段電加熱井筒傳熱理論模型及計(jì)算

2.1 井筒流體溫度場理論模型

1)井底至電潛泵吸入口處溫度場 全井段電加熱工藝水平段電纜加熱功率恒定，從而保證儲(chǔ)層段出液溫度恒定。從水平段根部到電潛泵吸入口處可認(rèn)為是電纜伴熱，根據(jù)能量守恒定律，建立微分方程如下[7]：

-Wdt+q1dl=K1t-(tr-ml)dl

(1)

式中：W為產(chǎn)出液水當(dāng)量，W/℃；t為產(chǎn)液溫度，℃；K1為套管到地層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；q1為泵下伴熱段電纜單位長度放出的熱量，W/m；l為從井底向上計(jì)算的距離，m；tr為井底地層溫度，℃；m為地溫梯度，℃/m。

解方程得到井底至電潛泵吸入口處溫度分布為：

(2)

式中：tj為水平段出液溫度，℃。

圖3 電潛泵裝置示意圖

2)電潛泵內(nèi)溫度場 電潛泵內(nèi)原油熱量來源包括電機(jī)發(fā)熱和電纜散熱。由于電機(jī)管相對較短，可直接用溫度變化量表示，不計(jì)算沿程分布情況，電潛泵裝置如圖3所示。

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，故泵出口處的原油溫度可以表示為：

(3)

式中：to為泵出口外厚油溫度，℃；tb為流體到達(dá)機(jī)組前的溫度，℃；Δttm為BC段電機(jī)發(fā)熱使流體產(chǎn)生的溫升，℃；Δttc為DC段小扁電纜發(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，1；Q為產(chǎn)出流體的質(zhì)量流量，kg/s；C為流體比熱，J/(kg·℃)；Ls為小扁電纜的總長度，m;qs為小扁電纜單位長度發(fā)出的熱量，W/m。

3)泵出口至井口溫度場 泵出口至井口井筒原油接受電潛泵大扁電纜和礦物絕緣加熱電纜的散熱，能量守恒方程式如下：

-Wdt+qL+q2dls=K2[t-(tep-mls)]dls

(4)

式中：K2為從油管到地層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；q2為泵上伴熱段電纜單位長度發(fā)出的熱量，W/m；qL為大扁電纜單位長度發(fā)出的熱量，W/m；tep為泵出口處的地層溫度，℃；ls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：

(5)

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算

井筒傳熱過程主要有熱流體與油管內(nèi)壁對流傳熱、油管內(nèi)外壁之間的熱傳導(dǎo)、環(huán)空的熱對流和熱輻射、套管內(nèi)外壁之間的熱傳導(dǎo)、水泥環(huán)的熱傳導(dǎo)、地層的熱傳導(dǎo)[8]。對于海上結(jié)蠟油井，在計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，需考慮隔水管外海水或空氣對導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

導(dǎo)熱系數(shù)K1計(jì)算公式為：

(6)

導(dǎo)熱系數(shù)K2計(jì)算公式為：

(7)

式中：dti、dto分別為油管內(nèi)徑和外徑，m；dci、dco分別為套管內(nèi)徑和外徑，m；dh為水泥環(huán)外緣直徑，m；dc1i、dc1o分別為隔水管內(nèi)徑和外徑，m；λtub、λr、λcas、λcem、λf分別為油管、環(huán)空、套管、水泥環(huán)、地層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；h、hw、ha分別為井筒流體與油套管、海水、空氣的對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；a為地層的導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s；τ為加熱作用時(shí)間，s；Hbrk為泵入口深度，m；Hbck為泵出口深度，m；Hr為井深，m；Hnm為泥面深度，m；Hhpm為海平面深度，m。

2.3 井筒流體壓力場計(jì)算

基于井筒多相管流的Beggs-Brill壓降計(jì)算方法，綜合考慮海上稠油油井的生產(chǎn)特點(diǎn)，建立了井筒流體壓力計(jì)算方程。井筒流體壓降是消耗于混合物靜水壓頭的壓力梯度、克服管壁流動(dòng)阻力消耗的壓力梯度和由于動(dòng)能變化而消耗的壓力梯度之和[9]。

(8)

式中：p為混合流體的絕對壓力，Pa；ρl為油水兩相混合密度，kg/m3；ρg為氣相的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Hl為持液率，1；f為流動(dòng)過程中的摩擦阻力系數(shù)，1；G為油氣水三相混合流體的質(zhì)量流量，kg/s；A為油管截面積，m2；vm為混合流體的流速，m/s；vsg為氣相的表觀流速，m/s。

克服管壁流動(dòng)阻力消耗的壓力梯度用下式表示：

(9)

2.4 實(shí)例計(jì)算

以E油田3口稠油生產(chǎn)井(A03井、A05井、A12井)為例，采用所建立的井筒傳熱模型計(jì)算了3口生產(chǎn)井進(jìn)行電加熱前后的井口溫度，并將計(jì)算結(jié)果與采用Neotec-wellflo軟件計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了比較，見表1。由表1可以看出，模型計(jì)算的加熱前的井口溫度與實(shí)測數(shù)據(jù)基本相符，精度平均為96.6%；模型計(jì)算的加熱后的井口溫度與成熟商業(yè)軟件的結(jié)果基本相符，精度平均為96.14%，證明所建立的理論模型準(zhǔn)確可靠。

表1 井筒傳熱理論模型實(shí)例計(jì)算結(jié)果

3 電加熱改善原油流動(dòng)性效果評價(jià)

井筒原油溫度變化導(dǎo)致其黏度和摩阻梯度發(fā)生變化，從而帶來壓降和流動(dòng)性的改變。全井段電加熱工藝改善井筒原油流動(dòng)性效果可以從溫度、黏度、摩阻梯度3方面來評價(jià)。以E油田A01井為例，對該井進(jìn)行了全井段電加熱模擬計(jì)算。A01井井深2345m，垂深1406m，儲(chǔ)層溫度76℃。水平段長度643m，?8.5in(1in=2.54cm)井眼裸眼完井，?5in ICD控水篩管，電潛泵下深1113m。目前日產(chǎn)液39.7m3，含水率4.38%，井口溫度42℃，井口壓力0.77MPa，泵吸入口溫度62℃，泵吸入口壓力5.4MPa。

圖4 A01井黏溫曲線

根據(jù)A01井實(shí)測黏溫曲線(圖4)，泵入口原油溫度53.7℃，對應(yīng)的黏度在600mPa ·s左右；井口溫度42℃，對應(yīng)的黏度在2050mPa ·s左右。原油黏度隨溫度變化非常敏感，泵吸入口處溫度低，原油黏度大，入泵困難。隨井筒溫度的降低，自電潛泵出口至井口原油黏度大幅增加，流動(dòng)阻力大幅增加，舉升困難。筆者計(jì)算了全井段電加熱地層出液溫度90℃后井筒溫度、黏度、摩阻梯度變化情況，評價(jià)了流動(dòng)性改善效果及油井增產(chǎn)效果。

3.1 流動(dòng)性改善效果分析

稠油中的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)在偶極作用、電荷轉(zhuǎn)移、氫鍵作用等各種作用力下形成膠束結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度升高，稠油體系獲得足夠的能量時(shí)，膠質(zhì)與瀝青質(zhì)分子間的π鍵和氫鍵被破壞，稠油黏度大幅度降低。室內(nèi)試驗(yàn)表明，溫度升高10℃，稠油黏度可降低50%左右[10]。黏度降低之后，原油密度降低，因重力勢能導(dǎo)致的壓力降減小，同時(shí)黏度的減小導(dǎo)致在井筒中克服桿管的摩擦流動(dòng)阻力也降低，摩擦壓力梯度也減小。

A01井實(shí)施電加熱措施后，泵吸入口溫度由53.7℃提高到68.4℃，井口溫度由42℃提高到63℃，見圖5(a)。井口壓力由1.08MPa提高到2.7MPa，見圖5(b)。泵吸入口摩阻梯度由0.021kPa/m降低到0.011kPa/m，井口摩阻梯度由0.094kPa/m降低到0.04kPa/m，見圖5(c)。電加熱措施可以明顯提高井筒原油溫度，降低流動(dòng)阻力，減小井筒壓降。

圖5 A01井電加熱前后井筒流體參數(shù)隨垂深的變化

3.2 提高泵效分析

電潛泵在油、氣、水三相流體中工作的特性曲線可以從純水特性曲線進(jìn)行校核得到，必須考慮油、氣、水三相的混合液黏度。黏度校正系數(shù)可以通過黏度校正系數(shù)圖版[11]得到，利用式(10)即可得到輸送稠油時(shí)的泵效[11]:

Evis=CE×η

(10)

式中：Evis為泵舉升黏度液體時(shí)的效率，%；η為純水特性曲線上對應(yīng)的泵效，%；CE為泵效校正系數(shù),1。

黏度校正系數(shù)隨黏度增大而逐漸減小，因此電潛泵舉升稠油時(shí)，排量、揚(yáng)程以及泵效會(huì)隨著吸入口原油黏度增大而降低。電加熱措施后，泵吸入口原油黏度由624.3mPa·s降低到325.2mPa·s，見圖6，加熱后的原油更有利于電潛泵機(jī)組的運(yùn)行，減小電潛泵機(jī)組負(fù)荷，提高泵效。

3.3 增產(chǎn)效果分析

利用節(jié)點(diǎn)分析的方法，以井底為求解點(diǎn)，計(jì)算電加熱措施前后油井產(chǎn)量。地層出液溫度加熱到90℃，在不改變生產(chǎn)制度的前提下產(chǎn)液量由39.7m3/d增加到45.8m3/d，增幅為15.4%，見圖7。由于地層巖石部分溫度較高，加熱過程中近井地帶液體與地層溫差較小，熱傳導(dǎo)較少，因此電加熱功率基本用于提高原油和篩管溫度。確保篩管和原油溫度達(dá)到析蠟點(diǎn)以上，可有效防止篩孔的析蠟或凝膠堵塞，保持油道暢通，促進(jìn)地層原油產(chǎn)出，加之井筒流動(dòng)性改善，達(dá)到油井增產(chǎn)效果。

圖6 A01井電加熱前后井筒流體黏度隨垂深的變化 圖7 A01井電加熱前后流入流出動(dòng)態(tài)曲線

4 結(jié)論

1)海上稠油水平井全井段電加熱工藝?yán)秒娎|電阻發(fā)熱原理加熱原油，水平段篩管內(nèi)大功率加熱地層原油，井筒段以小功率進(jìn)行電纜伴熱，從而實(shí)現(xiàn)全井段加熱。

2)根據(jù)能量守恒定律，建立了電泵井全井段電加熱井筒流體溫度計(jì)算模型，對E油田A01井電加熱措施進(jìn)行了模擬分析，采用全井段電加熱工藝后，泵吸入口原油溫度由53.7℃提高到68.4℃，泵吸入口流體黏度由624.3mPa·s降低至325.2mPa·s，井口溫度由42℃提高到63℃，油井產(chǎn)量增加了15.4%。

3)全井段電加熱工藝可有效改善井筒原油流動(dòng)性，降低泵入口原油黏度，提高舉升效率，更好地釋放油井產(chǎn)能，提高油田開發(fā)效益。