礦物絕緣電纜在超深超稠油開采中的應用

侯獻海，李 璐，李柏頡，王磊磊

(中國石化西北油田分公司 采油二廠，新疆 輪臺 841604)

塔河油田油藏主要是奧陶系碳酸鹽油藏，埋深5 400～7 000 m，黏度1 500～1 800 000 mPa·s，屬于超深超稠油藏[1-2]。塔河稠油隨著舉升過程中溫度降低，黏度會逐步增大，至一定深度后完全失去流動性，需采取井筒降黏工藝[3-4]。目前摻稀降黏是塔河稠油開發的主要方式[5-6]，但是稀油資源的使用會大幅影響油田經濟效益[7-8]。塔河油田溫敏性強，電加熱降黏具有較大潛力[9]，但是常規的電加熱降黏工藝存在加熱深度受限、功率利用率低、故障率高的問題[10-11]。近年來，采油二廠引進了新型的礦物絕緣加熱電纜加熱技術，結合塔河油田稠油井井況，對該設備的材料、結構、配套等方面進行了優化，并進行7井次的現場應用評價。

1 結構與原理

礦物絕緣加熱電纜由發熱導體、氧化鎂粉絕緣層及無縫金屬護套組成，構成材料全部為無機物，其結構示意如圖1所示。在電纜內部實現尾端星型連接，單根超長無外觀接點、整體等徑，方便常用下井設備施工作業，具有發熱效率高、導熱快、功率特性好、溫度范圍寬、電氣控制方便的特點。該設備通入加熱電纜發出的均勻熱量直接加熱空心抽油桿，簡潔均勻加熱油管內的原油，一方面補償出油過程中的熱損，另一方面加熱原油使其達到合適的出油溫度，達到降低原油黏度的目的。

2 工藝優化

2.1 結構優化

結構由電纜配套空心桿改進為發熱導體、絕緣層及護套為一體的實心桿，方便施工，提高時效、穩定性。常規電加熱與礦物絕緣電纜加熱對比如表1所示。

表1 不同加熱方式對比表

2.2 材質優化

通過優選發熱導體、絕緣材料，優化電纜密封方式，實現加熱功率在300～400 kW，大幅提高加熱效率。1)優選發熱導體：按照250 kW發熱功率要求導體電阻>4 Ω，為保證發熱導體直徑最小，優選每米電阻率最小的T2銅作為發熱線芯，保證發熱效率，降低桿體直徑，不同材料的電阻率如圖2所示；2)優選絕緣材料：根據電纜的用途不同，礦物絕緣電纜絕緣材料為氧化鎂，其厚度應符合GB/T 20841—2007《額定電壓300/500 V生活設施加熱和防結冰用加熱電纜》規定。優選耐溫高(熔點2 800 ℃)、絕緣電阻高(電阻≥100 MΩ)、加工流動性好的氧化鎂作為絕緣層；3)護套選用Ni-Cr-Ti耐溫耐腐蝕的321不銹鋼，根據國家標準GB/T 13033.1—2007規定電纜護套厚度不低于0.50 mm。優選的護套參數為：電纜外徑Φ=21.4 mm，護套厚度=2.14 mm，抗拉強度≥520 MPa，屈服強度σ0.2≥205 MPa；4)通過優選焊接方式，優化設計電纜護套和采用線芯星接，優化首尾段密封方式。

2.3 設備節電增效優化

礦物絕緣電纜加熱稠油技術具有節約稀油、提高油井產能的作用，但存在能耗高，使用檔位調整溫度變化大，易對生產造成較大波動等問題。為實現對溫度的微調，有效降低能耗，采油二廠和久盛電氣聯合研發了無極調功柜。無極調功柜采用大功率可控硅模塊，實現根據溫度進行無級調壓控制加熱。該產品具有緩啟、緩停、過流保護、超溫保護等功能，適用電阻性負載和電感性負載，特別適用于變壓器負載。

3 礦物絕緣電纜功率計算

為確保井筒液體井口溫度達到生產需求，需實現總功率Q總，要求如下：

總加熱功率：

Q總=Q升+Q散

(1)

式中，Q升為升溫功率，W；Q散為散熱功率，W。

3.1 升溫功率計算

升溫功率計算公式為：

Q升=0.011 57×m×C×(ty-t0)

(2)

式中，m為日出油量，kg；C—原油比熱容，取2.5 kJ/kg·K；ty—加熱區平均油溫，℃；t0—加熱區平均巖層溫度，按梯度2.2 ℃/100 m、年平均氣溫11 ℃取值。帶入數據，則(2)式變為

Q升=0.058×m×(ty-t0)

(3)

3.2 散熱功率計算

散熱功率計算公式為：

(4)

式中，λ為加熱區巖層綜合導熱系數，W/m·k；h為加熱區長度，m；D為油井套管直徑，mm；δ為巖層計算厚度，mm。

Q散=k×(ty-t0)×h

(5)

3.3 綜合散熱系數推算

綜合散熱系數k值因參數較多，難以直接計算，需進行推算。以前期試驗井TH12258為例，探討k值推算過程。錄取該井相關計算參數，該井加熱長度2 000 m，環境溫度11 ℃，使用前井口溫度57.8 ℃，使用后井口溫度74 ℃，稀油摻入溫度62 ℃，日摻稀油45.5 t，日產原油46 t，日出油量為91.5 t。

實際功率：

(6)

加熱區中心點巖層溫度：

t0=11+0.022×2 000/2=33 ℃

(7)

使用前加熱區中心點油溫：

ty0=57.8+0.022×2 000/2=79.8 ℃

(8)

使用前加熱區起點油溫：

t′y0=57.8+0.022×2 000=101.8 ℃

(9)

使用后加熱區中心點油溫：

ty1=(74+101.8)/2=87.9 ℃

(10)

原油升溫功率：

Q升1=0.058×m×(ty-t0)=0.058×46×(74-57.8)/2=21.6 kW

(11)

稀油升溫功率：

Q升2=0.029×m×(ty-t0)=0.058×45.5×(74-62)/2=15.8 kW

(12)

散熱功率：

Q散1=Q總1-(Q升1+Q升2)=96-(21.6+15.8)=58.6 kW

(13)

由式(5)計算綜合散熱系數：

k=Q散1/[(ty1-t0)×h]=58.6×1 000/[(87.9-33)×2 000]=0.534 W/m·K

(14)

4 現場應用效果

4.1 礦物絕緣電纜應用效果

4.1.1 選井原則

結合礦物絕緣加熱電纜特點及油田現狀，選擇自噴井和機抽井進行現場應用效果評價。自噴井選井要求：①摻稀比1.5～2.5；②自噴井，油壓大于3 MPa；③混合產液量50～100 t/d，且生產穩定；④含水<5%。機抽井選井要求：①摻稀比1.5～2.5；②機抽井，考慮抽油機型號；③混合產液量50～80 t/d，且生產穩定；④含水<5%。

4.1.2 降黏試驗方案

在保證產量不發生明顯遞減和稠油上返條件下，下調摻稀比，直至井口產液黏度與試驗前持平。現場試驗過程中，最佳摻稀比的確定以井口回壓不超過2 MPa、油井產量無明顯遞減且井口產液黏度與加熱前持平，將該摻稀比作為油井最佳摻稀比，并作為試驗結束后保持油井穩定生產的摻稀比。

4.1.3 應用效果

對選擇應用的7口井進行現場應用評價，礦物絕緣電纜應用效果如表2所示。從表2可以看出，應用了礦物絕緣電纜的7口井均出現了摻稀量降低，6口井產油量增加，平均日增油率26.6%，節約稀油率24.9%。通過現場應用取得如下認識：1)溫度提升能夠降低稀油用量，平均單井節約稀油30 t；2)生產穩定可以增加油井產能，平均單井增加產油8 t；3)功率無法精細調整、能耗較高，平均單井日耗電約5 500 kW·h。

表2 礦物絕緣電纜應用效果表

4.2 無極調功柜應用效果

4.2.1 試驗方案

在保證產量穩定和稠油不上返的條件下，調整無極調功柜的功率，進行不同溫度的調整探索，最終

確定在一定的功率的條件下，生產情況和耗電量匹配效果好。然后對比該功率下使用無極調功柜前后，該井的井口溫度、日產油、日摻稀、日均耗電量和耗電量下降率等參數的變化，對應用效果進行評價。結合生產和能耗情況，選擇在S99、TH12386、TH12445 3口井進行試驗。

4.2.2 應用效果

1)對比無極調功柜使用前，S99井使用后的井口溫度由78 ℃下降到62 ℃，日產油量和日摻稀量基本持平，日均耗電量由4 040 kW·h下降至2 710 kW·h，下降幅度達到32.9%。

2)對比無極調功柜使用前，TH12386井使用后井口溫度由78 ℃下降到72 ℃，日產油量和日摻稀量和基本持平，日均耗電量由4 690 kW·h下降至3 790 kW·h，下降幅度15.3%。

3)對比無極調功柜使用前，TH12445井使用后井口溫度由68 ℃下降到62 ℃，日產油量基本持平，通過精細優化摻稀，摻稀量由60 t下降至57 t，稀稠比由2.4下降至2.2，日均耗電量由6 500 kW·h 下降至5 720 kW·h，下降幅度12%。3口井在使用無極調功柜前后，平均日耗電量降低1 505 kW·h，平均下降率達到20.1%，節約電量效果明顯。

5 結論

礦物絕緣電纜在塔河油田應用7井次，平均單井節約稀油率24.9%，增油率26.6%，節約稀油、增油效果明顯，滿足了超深、超稠油井降黏生產需要。配套的無極調功柜在塔河油田應用3井次，平均單井日耗電量下降率20.1%，節約電量效果較好，彌補了礦物絕緣電纜能耗高的缺點。對于超深、超稠油、高液量油井，礦物絕緣電纜具有良好應用前景。