海上井筒電加熱清防蠟工藝研究

胡厚猛，孫玉豹，馬增華，顧啟林，王 通，姬 輝

（中海油服油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459）

油氣井產(chǎn)出流體在井筒流動過程中，由于地層溫度的變化，沿程流體溫度會逐漸降低，流體中的含蠟組分會析出，對于含蠟量較高的油氣井就會導(dǎo)致井筒堵塞、油井產(chǎn)量降低甚至停產(chǎn)的問題。渤海油田存在眾多的高含蠟油氣井，以XX-B 油田為例，在20 口生產(chǎn)井中，有6 口蠟堵井，年關(guān)停時間100 多天，影響產(chǎn)量3 000 m3左右，對油田的正常生產(chǎn)造成了很大影響。目前海上常用的清防蠟工藝（鋼絲作業(yè)通井、熱洗、連續(xù)油管通井）存在著作業(yè)成本高、有效期短、影響油井產(chǎn)量等缺點，針對目前低油價的寒冬期，迫切需要一種低成本、高效率的井筒清防蠟工藝。陸地油田在用的井筒電加熱清防蠟工藝多針對桿式泵的舉升方式，對于海上油井的潛油電泵的舉升方式存在不適用的問題，需要對相應(yīng)的加熱設(shè)備、管柱結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)進行相應(yīng)的優(yōu)化。

1 電加熱工藝原理

井筒電加熱工藝是將加熱電纜下入井筒內(nèi)，通過電纜通電發(fā)熱來加熱井筒內(nèi)的流體，避免流體內(nèi)的蠟質(zhì)析出，保障井筒流動順暢[1，2]。加熱電纜在通電時與外部鋼管通過趨膚效應(yīng)產(chǎn)生熱量（見圖1）。當(dāng)電流通過內(nèi)部導(dǎo)線和外部鋼管時，鋼管內(nèi)產(chǎn)生磁通，在此交變磁通作用下產(chǎn)生渦流，回路電流I1 和I2 與渦流I3 和I4的方向如圖所示，如果忽略漏磁通的影響，那么I2=I4，但方向相反，互相抵消，實際上作用在導(dǎo)線芯和鋼管上的電流只有I1 和I3。

圖1 趨膚效應(yīng)示意圖Fig.1 Skin effect diagram

集膚效應(yīng)作用的優(yōu)點：（1）使電流通過鋼管的截面積減小，交流阻抗增加，因此用較小的加熱電流便可獲得較大的加熱功率；（2）鋼管外表面只有漏電壓和漏電流，加熱系統(tǒng)十分安全。

2 配套設(shè)備

2.1 加熱電纜

針對海上油氣井井斜大、多采用電潛泵采油的特點，選用了鋼鎧電纜（見圖2）作為加熱電纜，它采用銅質(zhì)線性電阻，外敷絕緣材料及不銹鋼管護套。

圖2 鋼鎧電纜結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Composition of steel armoured cable

對比傳統(tǒng)采用在抽油桿內(nèi)下入的加熱電纜（性能數(shù)據(jù)見表1），鋼鎧電纜采用了傳輸、加熱一體化設(shè)計，鋼管護套可下入性好、整體強度高、外表皮不帶電安全、整體質(zhì)量在3 t 以內(nèi)滿足海上吊裝施工要求。

2.2 中頻電源

程控中頻電源是井筒電加熱裝置的核心部分,應(yīng)用IGBT 把50 Hz 的三相工頻電流轉(zhuǎn)換成單相中頻電流。它采用集成電路芯片，可以實現(xiàn)電氣控制保護和電氣參數(shù)顯示功能，其結(jié)構(gòu)是由主回路和控制回路兩部分組成。逆變電壓經(jīng)中頻變壓器隔離輸出后，由火線送至油井加熱電纜。零線輸出端，經(jīng)電流傳感器送至連續(xù)管。控制回路的原理是采集電壓、電流、溫度信號，然后送專用集成電路，并進行數(shù)碼顯示，同時與相應(yīng)設(shè)定值進行比較，并送出相應(yīng)的越限信號、亮燈（見圖3）。

3 電加熱參數(shù)計算

鋼鎧電纜加熱屬于沿程線性加熱，假設(shè)線性加熱放出的熱量均勻分布于全井筒，看做是一內(nèi)熱源[3，4]。

同樣在井筒上截取dl 長的微元，取向上的坐標(biāo)l為正方向，地層流體在井筒流動的過程中，考慮了內(nèi)熱源q1的能量守恒方程為：

其中：teqd=ted-mZ1

式中：q1-通過有關(guān)的內(nèi)熱源強度，W/m。

上述微分方程的通解為：

表1 鋼鎧電纜性能參數(shù)表Tab.1 Parameter table of steel armoured cable

圖3 中頻電源電氣原理圖Fig.3 Electrical schematic diagram of medium frequency power supply

根據(jù)邊界條件，x=0（加熱起點處）時，θ=θds（加熱起點處油管內(nèi)流體溫度），由通解可以得到加熱井段的井筒溫度分布為：

圖4 P-I 曲線Fig.4 P-I curve

通過井筒溫度分布就可以對保持地層流體溫度在析蠟溫度之上所需要的電加熱功率進行優(yōu)化計算，根據(jù)所需的加熱功率和鋼鎧電纜的P-I 曲線（見圖4）、V-I 曲線（見圖5）就可以得出鋼鎧加熱電纜實際工作的電參數(shù)。

4 實例

圖5 V-I 曲線Fig.5 V-I curve

圖6 X-A11 井生產(chǎn)曲線Fig.6 Production curve of BZ-X-A11

A11 井為X 油田A 平臺的一口氣源井，2011 年2月19 日自噴投產(chǎn)，采取衰竭式開采，下入自噴合采生產(chǎn)管柱，114.3 mm 優(yōu)質(zhì)篩管礫石充填方式防砂。該井下有壓力計，下入深度2 515.6 m，垂深1 247 m。投產(chǎn)后保持了較高的生產(chǎn)能力，但從2014 年12 月起油井產(chǎn)液量和產(chǎn)氣量出現(xiàn)較大波動，并一度關(guān)停，目前日產(chǎn)液7.5 m3，日產(chǎn)氣1.89×104m3，井口溫度30 ℃（見圖6）。經(jīng)過對該井產(chǎn)出流體進行組分分析，含蠟量9.4 %，結(jié)蠟溫度為42 ℃。

圖7 電加熱設(shè)備布置Fig.7 Arrangement of electric heating equipmen

4.1 整體方案

在油井生產(chǎn)過程中利用帶壓注入設(shè)備下入一條鋼鎧電纜（見圖7），使用中頻電源給鋼鎧電纜進行供電，在集膚效應(yīng)、臨近效應(yīng)作用下將電能轉(zhuǎn)換成熱能，對井筒內(nèi)原油加熱，防止原油析蠟堵塞，加熱一定時間后提出鋼鎧電纜，油井恢復(fù)原樣，方案要點（見表2）。

4.2 電加熱參數(shù)設(shè)計

根據(jù)流體的結(jié)蠟溫度和井筒的溫度分布，加熱深度為1 200 m，為了保證沿程溫度都在析蠟溫度之上，對單位長度的加熱功率進行了敏感性分析，可以發(fā)現(xiàn)，加熱功率為100 W/m 時井筒溫度在析蠟溫度之上，保證井筒流動的穩(wěn)定性（見圖8）。

表2 電加熱方案關(guān)鍵點Tab.2 Key points of electric heating scheme

選用150 kVA 的中頻電源，最大加熱功率135 kW。每米最大加熱功率112.5 W，運行電流96 A，所需電壓2 112 V。

圖8 井筒溫度分布Fig.8 Wellbore temperature distribution

5 結(jié)論

（1）針對海上油氣井狀況優(yōu)選了鋼鎧電纜作為發(fā)熱源，能夠?qū)崿F(xiàn)在保證加熱功率的情況，在大斜度井也具有優(yōu)良的起下性能。

（2）井筒電加熱清防蠟工藝與其他清防蠟方式相比具有占地小、作業(yè)時間短、見效快的優(yōu)點，適合在海上油田進行應(yīng)用。