高凝固點油井電纜電加熱制度優(yōu)化

鄭丹（大慶石油管理局有限公司技術(shù)監(jiān)督中心）

1 問題提出

大慶油田某區(qū)塊高凝固點油井因高含蠟、高含膠、高凝固點，導(dǎo)致頻繁卡泵，舉升能耗高。

該區(qū)塊屬于高凝固點油井區(qū)塊，其開采不同層位原油性質(zhì)見表1。未解決上述生產(chǎn)難題并研究降低生產(chǎn)能耗的有效方法，經(jīng)過對比，選取了2 口試驗井，其平均熱洗周期僅30 天，平均含水恢復(fù)期5 天。

這種經(jīng)常性的作業(yè)已嚴(yán)重影響了該區(qū)塊的原油正常生產(chǎn)，同時，區(qū)塊開采成本過高，統(tǒng)計該區(qū)塊的單井日耗電高達(dá)531.0 kWh。為此，在該區(qū)塊2 口油稠井上開展電纜電加熱技術(shù)試驗[1-6]。

表1 不同層位原油性質(zhì)對比

2 電加熱參數(shù)設(shè)計

2.1 技術(shù)工藝原理

電加熱技術(shù)原理是在井內(nèi)生產(chǎn)油管外部綁定電纜，通過電纜芯線發(fā)出的熱量，對油管內(nèi)流體進(jìn)行加熱，達(dá)到降黏、消除井筒結(jié)蠟的目的，油管外電纜加熱技術(shù)的基本構(gòu)成見圖1。

圖1 油管外電纜加熱技術(shù)的基本構(gòu)成

2.2 電加熱功率的確定

原油從井底流出井筒的過程，是井筒原油與地層之間不斷熱交換過程。根據(jù)理論分析，電加熱功率滿足生產(chǎn)的充分條件為加熱后的井口產(chǎn)液溫度高于析蠟溫度，此時整個井筒均不會結(jié)蠟，而將井口溫度加熱到析蠟溫度所需的熱能換算后的功率，即為電纜電加熱功率[7-10]，見式（1）。2 口試驗井電加熱功率測算結(jié)果，見表2。

能量守恒：

式中：Tm為井口產(chǎn)液溫度，℃；Ta為析蠟溫度，取39 ℃；C為產(chǎn)液比熱容，取4.5 J/(kg·℃)；m為日產(chǎn)液，t/d；Pm為電加熱功率，kW；t為時間，取3 600 s。

表2 電加熱功率測算

2.3 電加熱帶下入深度確定

為達(dá)到理想清蠟效果，設(shè)計把電加熱帶下入到析蠟溫度處，黑帝廟層析蠟溫度45 ℃，由式（2）得出井溫剖面，電纜下入深度為700 m。

式中：Tm為井口溫度，取10 ℃；Ta為析蠟溫度，取 45.0 ℃； ΔT為地溫梯度，取4.9 ℃/100 m；H為電加熱帶下入深度，m。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

對試驗的2 口井應(yīng)用了電纜電加熱，措施后抽油機(jī)電流和載荷明顯下降，在無需熱洗的前提下實現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)。其中試驗井A 由原來不能正常生產(chǎn)，在平均功率14.2 kW 下連續(xù)生產(chǎn)；試驗井B 上電流由22 A 下降至15 A，抽油機(jī)上載荷由62 kN 下降至43 kN，電加熱應(yīng)用效果對比見表3。

通過應(yīng)用電纜電加熱解決了油井頻繁卡泵的問題，初步實現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)，但是單井綜合能耗大幅升高。因此，還需在解決油井頻繁卡泵保障連續(xù)生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實現(xiàn)節(jié)能生產(chǎn)。

為實現(xiàn)抽油機(jī)的舉升能耗與電加熱裝置的總能耗下降，在保證油井不結(jié)蠟、連續(xù)生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，通過綜合分析加熱功率和加熱時間對總能耗的影響，對電加熱的功率和加熱時間進(jìn)行了優(yōu)選優(yōu)化。

一是優(yōu)選連續(xù)電加熱情況下的功率。通過逐漸降低加熱功率，觀測抽油機(jī)載荷變化，以抽油機(jī)和電加熱兩部分綜合能耗最低為目標(biāo)，尋找合理加熱功率。試驗井A 在功率11.5 kW 時，出現(xiàn)了載荷上升結(jié)蠟傾向，若長時間生產(chǎn)，結(jié)蠟加重，不能維持生產(chǎn)；在12.5 kW 時，載荷穩(wěn)定，綜合能耗較低，試驗井A 不同加熱方式綜合能耗對比見表4。因此12.5 kW 為該井連續(xù)電加熱時的最節(jié)能功率，對應(yīng)日綜合能耗361.8 kWh，較優(yōu)化前降低169.6 kWh。同理，試驗井B 采取同樣方式，確定了該井連續(xù)電加熱時的最節(jié)能功率為12.1 kW，日綜合能耗355 kWh，優(yōu)化后日節(jié)電140 kWh。

二是確實固定電加熱功率下的最佳間歇電加熱時間。考慮到電加熱裝置連續(xù)運轉(zhuǎn)會降低設(shè)備運行壽命，同時增加發(fā)生故障的可能性，同時間歇加熱會進(jìn)一步降低生產(chǎn)總能耗，因此生產(chǎn)實際過程傾向于將加熱方式從連續(xù)加熱改為間歇加熱。

為進(jìn)一步降低綜合能耗，將試驗井A 從連續(xù)加熱改為間歇加熱，在選取間歇加熱時的電加熱功率時，綜合考慮到電加熱裝置的熱效率和穩(wěn)定性因素，結(jié)合生產(chǎn)實際，將電加熱功率設(shè)置為18 kW，對比此加熱功率下不同的加熱時間下電動機(jī)能耗變化，以油井不結(jié)蠟和總能耗低于連續(xù)生產(chǎn)時為基本條件，尋找更滿足生產(chǎn)實際的總能耗最低點，即為合理間歇加熱時間。

通過現(xiàn)場實踐，觀察電動機(jī)能耗（載荷）和電加熱能耗的變化，得出在功率18 kW 時，采用開2 h關(guān)1 h 的間歇加熱制度，能夠滿足生產(chǎn)，采油井不結(jié)蠟，且綜合日耗電較連續(xù)加熱時進(jìn)一步降低了10.8 kWh，試驗井A 不同加熱方式綜合能耗對比見表5。

表3 電加熱應(yīng)用效果對比

表4 試驗井A 不同加熱方式綜合能耗對比

表5 試驗井A 不同加熱方式綜合能耗對比

4 節(jié)能效益

通過對比，按照優(yōu)選電加熱功率、優(yōu)化設(shè)計電加熱時間的方案，加熱功率采用18 kW，加熱時間為加熱2 h 停止1 h，單井日綜合耗電從連續(xù)電加熱的531.4 kWh 下降到351.0 kWh，日節(jié)電180.4 kWh。

試驗區(qū)塊年均開井?dāng)?shù)為13 口井，區(qū)塊日節(jié)電效益為2 345 kWh，區(qū)塊年節(jié)電效益（按照開井360天計算）844 272 kWh，節(jié)電效益約44.7 萬元。

5 結(jié)論

1）依據(jù)熱傳導(dǎo)和能量守恒理論計算的電加熱深度及使用功率，能夠滿足生產(chǎn)需要，保證了稠油井的正常生產(chǎn)，為其他區(qū)塊稠油開采提供了指導(dǎo)。

2）在滿足油井正常生產(chǎn)前提下，以綜合能耗最低為目標(biāo)，優(yōu)化了電加熱功率和間歇加熱制度，大幅降低了抽油機(jī)和電加熱能耗。

3）電加熱優(yōu)化制度應(yīng)綜合考慮電加熱功率和加熱時間，可以根據(jù)抽油機(jī)實際載荷不降低、加熱時間減少，而生產(chǎn)能力不受影響且綜合能耗降低等要素確定合理的電加熱功率。

4）通過優(yōu)選電加熱功率、優(yōu)化設(shè)計電加熱時間，試驗區(qū)塊單井日單井日綜合耗電從531.4 kWh下降到351.0 kWh，日節(jié)電180.4 kWh。