基于溫度補償的電泵井電加熱清防蠟技術

摘要：

電泵井結蠟后泵出口壓力激增，產液量下降，電機頻繁高溫，嚴重時井口不出液，制約了油井高效生產。為降低井筒結蠟對油井生產的影響，建立一種油管內電加熱清防蠟系統，補償井液在產出過程中熱量損失。針對目前采取的清防蠟措施，存在污染儲層、效率低和適應性差等缺點，開展基于集膚效應、鄰近效應作用原理，形成油管內電加熱集成工藝系統，對加熱管纜、井口懸掛密封和中樞控制系統進行設計；以井口出液溫度不低于析蠟點溫度為目標，優化加熱工作制度，自動調節系統運行功率，補償井液在產出過程中熱量損失。2口井試驗應用表明，可實現帶壓不停井施工，工藝投入運行后，A1井出液溫度由24.5 ℃提高至43.0 ℃，產液量實現翻倍，產油量提高64.5%，防結蠟效果明顯；A2井筒堵塞無液產出，中樞控制系統啟動后，產液量恢復至33.6 m3/d，產氣量3 600 m3/d，出液溫度提高至63.7 ℃，清蠟效果顯著。現場試驗井的成功應用，保證產出液的流動性，利于非常規油井連續生產。基于溫度補償的電泵井電加熱清防蠟技術豐富了清防蠟技術序列，應用前景廣闊。

關鍵詞：

電泵井；清防蠟；溫度補償；加熱管纜；井口懸掛密封；中樞控制系統；非常規油井

中圖分類號：TE355

文獻標識碼：A

202408058

Electric Heating Paraffin Removal and Control Technology for Electric

Pump Wells Based on Temperature Compensation

Zheng Dongzhi Sun Yan’an Qian Kun Li Qiang Zhang Deshi Lu Chengguo Wu Ning

（Daqing Oilfield Production Technology Institute； Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Stimulation； State Key Laboratory of Continental Shale Oil）

文獻標識碼：After paraffin deposition occurs in electric pump wells，the pump discharge pressure increases sharply，the liquid production decreases，the motor frequently heats up，and in severe cases，liquid is not produced from the well，which restricts the efficient production of oil wells.To reduce the influence of paraffin deposition in wellbore on oil well production，an electric heating paraffin removal and control system inside tubing was established to compensate for the heat loss of well fluid in the course of production.To overcome the shortcomings of the current paraffin removal and control measures，such as reservoir damage，low efficiency and poor adaptability，an integrated process system for electric heating inside tubing was developed based on the mechanism of skin effect and proximity effect，and the heating cable，wellhead suspension seal and central control system were designed.Taking the wellhead fluid producing temperature not lower than the wax precipitation point temperature as the target，the heating working system was optimized，and the operating power of the system was automatically adjusted to compensate for the heat loss of well fluid during the production process.The test application in two wells shows that no well off under pressure construction can be achieved.After the process has been put into operation，the produced fluid temperature of Well A1 increases from 24.5 ℃ to 43.0 ℃，the fluid production doubles，the oil production increases by 64.5%，and the paraffin deposition prevention effect is obvious.In Well A2，after the central control system has been started，the fluid production is restored from no fluid production due to wellbore blockage to 33.6 m3/d，the gas production rate is 3 600 m3/d，the produced fluid temperature improves to 63.7 ℃，and the paraffin removal effect is obvious.The successful application in test wells ensures the flowability of the produced fluid，which is favorable for the continuous production of unconventional oil wells.The electric heating paraffin removal and control technology for electric pump wells based on temperature compensation enriches the paraffin removal and control technology series，and has broad application prospects.

electric pump well；paraffin removal and control；temperature compensation；heating cable；wellhead suspension seal；central control system；unconventional oil well

0 引 言

近年來，非常規油藏勘探開發不斷深入，頁巖油、頁巖氣在現有經濟條件下展現出巨大的資源潛力［1］。壓裂后排采階段保證儲層油流連續產出至關重要，但受產量降低和井液流體特性影響，排采后期沿程井液溫度降低明顯，含蠟組分會析出，逐漸附著在油管壁上，嚴重時導致井筒阻塞［2-8］。電泵井表現為泵出口壓力高、電機溫度陡升、效率降低、井口壓力和產量降低等現象，電泵井無法正常生產。為了避免油流中的蠟析出，常用的井筒清防蠟技術主要有防蠟油管、熱洗、機械刮蠟及注入化學藥劑等。防蠟油管主要通過涂層技術防止石蠟分子吸附和沉積在油管內部，具有操作簡單和管理方便的特點，但防蠟效果一般，不適用于結蠟嚴重井；熱洗防蠟效果直接，可根據結蠟情況提高注入量，但增加了水處理成本，對非常規油藏儲層存在一定傷害；機械刮蠟利用清蠟工具刮除管壁上的蠟，但常常清蠟不徹底、無法保證及時性，結蠟嚴重井操作頻繁；化學清防蠟適應范圍廣，可根據結蠟特點配備對應化學藥劑，因非常規井壓力高，需要配套高壓注入系統，現場實施成本高。

鑒于此，電加熱清防蠟以其熱效率高，可根據現場結蠟情況調整加熱功率，清防蠟效果優于比其他方式，相關理論研究和工藝技術在國內外均得到創新發展。國外油氣資源豐富的國家，因結蠟油井開采難度大、成本高，一般直接采用封井處理，關于電加熱清防蠟技術方面的研究相對較少［9］。20世紀60年代，加拿大開始探索應用電阻加熱器開采稠油，但因加熱效果差，無法保持原油舉升過程溫度，未大規模推廣應用。經技術迭代升級發展，利用“介電加熱”原理加熱井筒溫度，在稠油井試驗取得成功，將原產量由68桶/d提高至170桶/d，同時每桶油僅消耗20 kW·h的電能，達到了良好的加熱效果。哈里伯頓油氣服務公司和美國能源部開展了射頻電加熱試驗，并相繼獲得了成功［10-11］。國內自20世紀90年代，科研人員依托國家重大攻關項目，在高含蠟油井井筒溫度分布規律、數值模擬和電加熱工藝方面取得了許多研究成果。欒智勇等［12］建立閉式熱流體循環井筒傳熱模型及其邊界條件，并編寫了相應的模型求解程序，為采用循環熱載體降黏清防蠟工藝方案的實施提供借鑒意義。周趙川等［13］根據能量守恒定理和傳熱學原理，建立了海上采油井筒溫度計算數學模型，基于理論研究優化隔熱管柱設計，有效避免井筒結蠟。付強等［14］通過對抽油桿下行力的分析以及與實際生產情況相結合，利用電加熱與改變抽油機沖次相配合的方式，有效降低了因結蠟問題造成的檢泵次數。周洪亮［15］建立了油管電加熱降黏舉升工藝數學模型，通過給油管通電，利用油管的阻抗形成熱源，達到降低原油黏度和消除井筒結蠟的目的。

本文在前人的研究基礎上，提出的油管內電加熱清防蠟技術適用于結蠟嚴重的自噴井或無桿泵井，通過連續管作業機將加熱管纜注入油管內，可實現不停井作業，加熱管纜外壁發熱提高產出液溫度，清防蠟效果顯著。結合區塊地溫梯度、含蠟量以及檢泵井結蠟情況，依托井下井筒溫度場預測模型，確定加熱管纜下入深度，以井口產出液溫度高于析蠟點為中樞控制系統調控目標，動態調整加熱制度，實現了全井筒不結蠟。該技術加熱效率和熱傳遞效率高，能為結蠟油井提高產能提供可靠技術保障。

1 基于溫度補償的井筒溫度場計算模型

1.1 井筒內流體溫度分布數學模型

油井井筒內主要為油-氣-水三相流動，且為非穩態流動［16-19］。目前，計算溫度分布的數學模型主要歸納為2種：一種是根據傳熱學基本理論，依據流體的運動平衡方程、質量和能量守恒方程，建立井筒內的溫度場數學模型；一種是Ramey經過理論推導，得到計算井筒溫度分布的指數溫降模型［20］。表達式如下：

T（L，t）=0.3aL+b-0.3aA+

0.56（1.8T0+0.55aA-1.8b）e-LA（1）

A=ρW5 912.3k+1 802.1riUf（t）c2πriUk（2）

式中：T（L，t）為井筒內流體溫度，℃；A為時間函數，m；a為地溫梯度，℃/m；b為地表溫度，℃；L為深度，m；T0為入井溫度，℃；W為產液量，m3/d；c為比熱容，J/（kg·℃）；ri為油管內徑，m；U為井筒內半徑和套管外半徑之間的綜合傳熱系數，W/（m2·℃）；k為地層導熱系數，W/（m·℃）；f（t）為地層無量綱瞬時傳熱導函數；t為生產時間，d；ρ為產出液密度，kg/m3。

1.2 基于溫度補償加熱功率模型

1.2.1 溫度補償功率的確定

井液自地層流至井口過程中，熱量會向管壁-油套環空-水泥環-地層等外部環境散失。若井口處井液剩余溫度高于析蠟點溫度，全井筒不會因結蠟影響生產；若低于析蠟點時，應采取措施防止井筒結蠟。為有效防止因井液溫度低，原油蠟析出、聚結和沉積，以井口出液溫度不低于析蠟點溫度為目標，在井筒溫度降至析蠟點溫度處開始補償井液熱量散失。電加熱補償溫度的計算式如下：

P=GoCo+GwCwT2-T1（3）

式中：P為從井筒析蠟點處到井口流動過程中井液向地層等周圍環境傳熱所損失的功率，kW；Go、Gw分別為原油和水的質量流量，kg/s；Co、Cw分別為原油和水的比熱容，J/（kg·℃）；T1、T2分別為井液流至井口剩余溫度和析蠟點溫度，℃。

1.2.2 溫度補償位置的確定

油管內下入加熱電纜補償熱量損失，可根據電泵井傳感器所處井筒位置、配套傳感器監測溫度和井口出液溫度，計算補償位置公式：

Lc=（T2-T1）/a（4）

a=（T3-T1）/Lesp（5）

式中：Lc為加熱管纜下入垂深位置，m；T3傳感器所處位置監測溫度，℃；Lesp為傳感器所處井筒位置，m。加熱管纜入井存在彎曲現象，應考慮增加加熱管纜的入井長度。

2 電泵井油管內電加熱清防蠟工藝

2.1 工藝管柱及原理

電泵井油管內電加熱清防蠟工藝管柱如圖1所示。井下部分主要為φ19.05 mm（3/4 in）不銹鋼加熱管纜，地面部分包括井口懸掛密封裝置、接線腔室、動力電纜、基于溫度補償控制系統及配套相關部件。其中懸掛密封裝置下端與井口采用卡箍連接，可實現氣、液兩相密封。

該工藝現場實施應用連續管作業機將加熱管纜下入油管內，地面動力電纜與加熱管纜在接線腔室進行電氣連接，火線連接鎧體，零線連接輸電線芯。在集膚效應和鄰近效應原理作用下，電流集中在鎧體內表層通過，鎧體表層發熱，井筒內液體獲得熱量。應用油管內電加熱清防蠟技術與其他方式的對比情況如表1所示。

從表1可以看出，油管內電加熱技術能夠實現帶壓不關井作業，可根據現場地面管匯壓力和產出液溫度變化情況，實時調整加熱功率，加熱管纜為均勻散熱的熱源，釋放熱量被其外部流體完全吸收，可實現防蠟、清蠟和解堵。同時，避免了對儲層造成二次污染，易于實現智能化，降低人工成本，綜合效益顯著。

2.2 關鍵部件及配套裝置

2.2.1 加熱管纜

加熱管纜采用連續管制造工藝，由內至外主要由芯線、絕緣層、填充層和外鎧4部分組成，結構示意圖見圖2，性能描述見表2。整體外徑19.05 mm，屈服強度345 MPa，抗拉強度1 003 MPa，斷裂載荷120 kN，使用溫度范圍-30～80 ℃。

2.2.2 井口懸掛密封裝置

加熱管纜由連續管作業機注入井筒內，達到指定位置后需要進行懸掛和密封，以保障油井正常投產后加熱管纜的穩定性和井口的密封。懸掛密封裝置主要由密封盤根、固定螺栓、卡瓦底座、卡瓦壓環、連接管等部分組成，結構示意圖如圖3所示。

完井后，密封底座與轉換法蘭連接，將井口懸掛密封裝置固定于井口上方，通過緊固密封螺栓，在密封滑塊和密封盤根作用下，實現加熱管纜密封；上緊壓帽，擠壓卡瓦抱緊加熱管纜，實現加熱管纜懸掛。該裝置額定工作壓力24.5 MPa，懸掛力不低于30 kN，工作溫度-35～150 ℃。

2.2.3 中樞控制系統

中樞控制系統主要由主回路和控制回路2部分組成：主回路包括三相橋式整流裝置、濾波器、逆變器、中頻變壓器；控制回路包括信號檢測、采集、傳輸與顯示單元、電氣控制保護單元、微處理器單元以及控制元器件和控制面板等。現場需提供電源為380 V/50 Hz，變壓器容量120 kW·A，經三相橋式整流裝置和濾波處理后變成直流電源，再逆變成50～6 000 Hz的單相交流電，通過中頻變壓器輸送于井下加熱管纜。系統結構框圖如圖4所示。

微處理器作為系統中央控制單元，通過人機界面輸入預期產液溫度，自動改變加熱功率，精確實現閉環溫控，使沿程井筒流體的溫度高于析蠟點。同時系統具備短路、過溫、過流和斷路保護功能，運行安全可靠。

3 現場試驗

3.1 原油物性化驗分析

某油田非常規油藏A區塊油藏中深2 500 m左右，地層溫度110～120 ℃，自2021年開始自噴求產，初期產液量高，井口監測溫度超過60 ℃，保持較高的生產能力。1年后人工舉升設備介入生產，隨著產液量降低，其中5口井產液量下降趨勢明顯，井筒存在阻塞風險，已影響正常生產。經過對產出液體組分分析，原油黏度1.9～2.9 mPa·s，含蠟量15.7%～18.0%。化驗分析及產液量情況見表3。

3.2 加熱管纜下入井深優化設計

為了保證全井筒產出液具有較好流動性，以產出液井口處溫度高于析蠟點為目標，確定加熱管纜下入深度和設置合理加熱功率。

L=Taim-TupΔt×100（6）

式中：L為加熱管纜下入深度，m；Taim為析蠟點溫度，℃；Tup為未下入加熱管纜前井口處產出液溫度，℃；Δt為每100 m地溫梯度，℃。

非常規油藏A區塊A1和A3電泵井平均下泵位置斜深2 310 m，垂深2 245 m，井底對應的地層溫度120.6 ℃，到達井口處井液溫度最低僅剩26.3 ℃，全井筒溫降為96.6 ℃，平均每100 m溫降速率為4.2 ℃。按照式（6）計算加熱管纜下入深度分別為440和484 m，考慮到下入過程中彎曲、井口流程散熱和后期產液量降低等影響，現場試驗井下入深度增加至600 m。

3.3 施工步驟

（1）施工前進行井筒清潔作業，確保加熱管纜順利注入，懸掛裝置、防噴裝置及其他密封裝置進行試壓，試壓合格后進入現場。

（2）按照連續管作業施工擺放施工設備（見圖5），相關設備檢查滿足井控和安全要求后開始施工。

（3）連續管作業機夾持加熱管纜作業時，在深度0～50 m注入速度＜5 m/min，剩余深度注入速度＜10 m/min，減少對防噴裝置內部膠芯的磨損。

（4）加熱管纜到達預定井深后，啟動懸掛裝置和防噴裝置，旋緊頂絲后緩慢下放加熱管纜，作業機懸重指示表歸零，井口處無滲流，即完成井口懸掛密封。

（5）恢復井口流程，再次驗證密封性能，拆卸相關作業設備和井控設備。

（6）連接地面供電系統、控制系統后進行整體調試，一切正常后開始投產運行。

3.4 現場試驗情況

3.4.1 A1電泵井現場試驗

A1井因受結蠟影響，產液量低于35 m3/d，井口處監測溫度僅為24.5 ℃。電泵機組運行時，泵出口壓力持續升高，電泵機組多次出現高溫停機，存在蠟堵風險。2022年6月15日進行現場試驗，工藝現場實施如圖6所示。投產后井口溫度提高至析蠟點以上，產液恢復至70 m3/d以上，井口溫度提高至43 ℃，平均日產油由16.9 m3提高至27.8 m3，產油量提升顯著。A1電泵生產井應用電加熱前、后生產曲線見圖7。

3.4.2 A3電泵井現場試驗

A3電泵井在2024年4月17日無液產出，產氣量僅為1 410 m3/d，單日內油壓由9.24 MPa陡降至0.60 MPa，潛油電機運行10 min左右高溫保護停機，機組無法重啟生產。啟動中樞控制系統，按照設定程序提升至100 kW，加熱井筒內液體近4 h后啟動潛油電泵生產，產液量33.6 m3/d，產氣量3 600 m3/d，井口出液溫度提高至63.7 ℃，油壓恢復至6.18 MPa，有效保障了油井連續生產。A3電泵生產井應用電加熱前、后生產曲線見圖8。

4 結 論

（1）依托井筒內流體溫度分布數學模型，建立基于溫度補償的控制加熱制度，補償井液在產出過程中熱量損失。

（2）現場實施電泵井油管內電加熱工藝管柱結果表明，可實現帶壓作業，其配套工具可靠性和密封性得到驗證。

（3）利用連續管作業機注入加熱管纜至電泵井筒內，加熱管纜溫度升高形成熱源，以加熱油管內被舉升的液體，達到了降黏、消除井筒結蠟目的，可大幅提高結蠟油井的產液量。

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第一鄭東志，工程師，生于1988年，2015年畢業于遼寧石油化工大學機械設計及理論專業，獲碩士學位，現主要從事高效無桿舉升排采新技術新工藝新裝備研究工作。地址：（163453）黑龍江省大慶市。電話：（0459）5981076。email：zhengdongzhi@chinapertro.com.cn。2024-08-192024-09-28劉 鋒