重力热管式抽油杆柱吸收地热加热井筒技术

刘永建，范英才，，李 勇，李 巍

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318； 2.辽河油田分公司欢喜岭采油厂，辽宁盘锦 124010）

重力热管式抽油杆柱吸收地热加热井筒技术

刘永建1，范英才1，2，李 勇2，李 巍1

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318； 2.辽河油田分公司欢喜岭采油厂，辽宁盘锦 124010）

针对目前蒸气吞吐井采用的电加热及热流体循环工艺存在的能耗大、运行成本高及井下作业复杂等问题，依据热管原理，将机抽井中的空心抽油杆经过加工处理改制成具有高效传热功能的重力热管，形成利用抽油杆柱吸收地热加热井筒新技术；介绍油井现场制造重力热管式抽油杆柱的操作工艺；依据辽河油田3口试验井资料分析加热井筒新技术适用条件及影响因素.结果表明：对于油层深度＜1 300m、油层流体温度为100～120℃、油层条件下原油黏度＜10 Pa·s、周期注气量≥2 000m3及产液量≥15m3／d，在产液量20m3／d以上的蒸气吞吐井应用这种新技术可以取得加热井筒的好效果.

蒸气吞吐；加热井筒；重力热管；空心抽油杆；吸收地热

在稠油井或高含蜡油井的产出液由井底流向地面井口过程中，由于散热降温致使其黏度和上流阻力急剧增加，近井口部位易出现产出液析蜡、滞留甚至堵塞，导致抽油机负荷过载，影响油井的正常生产.油田现场解决此问题的办法是对井内流体加热升温，普遍采用电加热及热流体循环等工艺措施，可以取得好的效果，但存在能耗大、生产运行成本高及井下作业工艺复杂等严重缺陷.

近年来，人们依据热管原理设计并初步试验了一种新的井筒加热方式［1－9］，按照李菊香等人［10］的观点可称之为地热利用法或地热能自平衡井筒加热技术.因为该技术提出较晚，所以存在很多问题急待解决，如：（1）液池深度太深，液体处于过冷状态使热管可能失去沸腾条件；（2）蒸气流速高，管径小使热管可能遭遇携带极限的屏障；（3）蒸气流动路径长、阻力太大使热管内蒸气可能难以流动到终点.针对以热管原理为指导的加热井筒新技术现存问题，笔者结合辽河油田蒸气吞吐井实际情况，采用试验的手段，研究利用井上空心抽油杆柱制造热管的方法，并在分析应用效果及影响因素的基础上，确定加热井筒新技术的使用条件，以形成一套重力热管式抽油杆柱吸收地热加热井筒新技术.

1 技术原理

加热井筒技术是一种将热管传热原理应用到油井中的抽油杆上，将细长的空心抽油杆柱改制成重力热管，使其不仅在机抽系统中有杆柱基本用途，而且具有从下往上高效传热功能的技术.油管中连续向上流出的产出液（原油或油水）既是空心抽油杆热管（以下简称“热管”）的热源又是冷源.在油井下部，当产出液的温度较高时，其是热管的热源，热量由产出液传给热管；在油井上部，当向上流动的产出液温度逐渐降低时，在井筒上部某一位置处，产出液的温度开始低于热管内的介质温度，热量由热管传向产出液，对产出液进行加热.热管吸热部分称为蒸发段，放热部分称为冷凝段.热管内的工质在蒸发段吸热气化，蒸气由蒸发段流向冷凝段，流到冷凝段受到冷却使蒸气凝结成液体，这时热管放出热量，并且凝结液再回流到蒸发段重新吸热，这个过程循环不已，从而将热量从井底传递到井口.

对于重力热管式抽油杆柱，这种小内径的、超长的且充装特殊工质的重力热管，与典型的重力热管不同，其蒸发段和冷凝段的分界点不是人为控制的，而是由各种传热因素自行决定的，具有自适应自平衡性.不论是在蒸发段还是在冷凝段，热源或冷源温度与热管内温度的传热温差是随热管高度逐渐变化的.在蒸发段，该温差由下往上逐渐减少，进入冷凝段之后，该温差又逐渐增大.因此，可用于井筒加热的由空心抽油杆柱制成的重力热管在井下不同深度处通过油管壁面的热流密度是不同的.

另外，由空心抽油杆制成的重力热管，其超长特性是在热管研究和应用领域未曾遇到的新问题，不仅其内部工质的两相流可能遇到各种难以克服的阻力和障碍，而且热管内部填充的工质本身会承受由其自重而产生很高的静液柱压力.在这样高的压力下，工质能否产生沸腾和蒸发还有待于确定.因此，适用的工质是决定技术成功与否的关键因素之一.

在采油工程领域用空心抽油杆制成重力热管，虽然从原理上讲属于相变传热，具有热管的特性，但实际上，它本身与典型热管存在着巨大差异.为了使抽油杆热管能够真正运行起来，将井筒下部从油藏获得的热量传递给油井上部需要加热的原油，不能直接套用典型热管的生产经验和处理办法，必须再研究新热管制造工艺和应用技术.

2 制造工艺

结合辽河油田欢127－26－34、欢127－莲H4和齐108－20－26等3口试验井，介绍在油田现场制造超长抽油杆热管实施工艺.

2.1 管壳选择

管壳选用辽河石油勘探局总机械厂生产的KGW36－60DZ空心抽油杆.抽油杆规格为φ38mm×6 mm，径长26mm.欢127－26－34井泵挂深780m，空心抽油杆下深为770m，每根空心抽油杆长8m，共需空心抽油杆96根和1根空心光杆.欢127－莲H4井及齐108－20－26井所需空心杆数量各为133根.

2.2 工质确定

选用东北石油大学和辽河油田欢喜岭采油厂联合研制的A液作为抽油杆热管填充用的工质，其填充率为10%～20%，见表1.

2.3 施工设备

油田现场制作重力热管式抽油杆柱所需施工设备主要包括杆柱顶端密封连接装置、注工质装置及抽真空装置等.

（1）顶端密封连接装置.顶端密封连接装置由专用阀门、不锈钢管、不锈钢三通及不锈钢变扣组成，为山东阜宁石油机械加工厂生产.针形不锈钢单向注气阀门包括1个角阀和2个直阀，其耐压为20MPa.无缝不绣钢三通3个，内径为1.27cm.无缝不锈钢管4根，总长为10cm，内径为1.27cm.不锈钢变扣1个，长为20cm，其一端为外螺纹G1型，外径为1.27cm，另一端为内螺纹G1型，内径为1.27cm.

（2）灌注工质装置.灌注工质装置由计量泵、工质储罐、压力表及耐压软管组成.主要部件是计量泵，型号为MaKroTZKa计量泵，德国普罗名特流体控制公司生产.每小时最大注入量为55×10－3m3，最大注入压力为16.8MPa.计量泵在应用之前要经过标定.

（3）抽真空装置.采用真空泵抽真空，其型号为2X－2旋片式，抽气速率为2L／s，极限真空度为6× 10－2Pa.

2.4 施工工艺

在确定井号及抽油泵下入深度后，采油井现场制造重力热管式抽油杆柱的施工工艺：

（1）筛选和清洗空心抽油杆，然后逐根进行密封试验.密封压力≥15MPa，保持10min无渗漏.

（2）下抽油泵.泵上接1～2根实心杆后接空心抽油杆，并将此抽油杆记为1＃杆，依次往上接入的空心抽油杆记为2＃杆，3＃杆，…，n＃杆.空心杆丝扣端面抹密封胶后再逐根连接，直到接到设计长度（根数）为止.所用密封胶为东北石油大学和辽河油田欢喜岭采油厂联合研制.

（3）安装顶端密封连接装置.将连接完好的空心抽油杆柱下放到驴头下止点，将其悬吊或坐牢在油井井口上，再使其与其他装置相连，组成一个抽真空、注工质的闭环系统，见图1.

表1 欢127－26－34等3口试验井热管工质充液量

图1 井上重力热管式抽油杆柱抽真空注工质系统

（4）开启系统的阀1～4（见图1）.

（5）启动真空泵，将整个系统抽真空至所用设备的极限真空度.真空度维持在5～10min之间，其值不变方可进行下一步骤.

（6）关阀1，然后缓慢开启工质储罐阀5.

（7）关阀4，然后停掉真空泵.

（8）启动注工质用计量泵，实时观察压力表值＜5～10MPa.

（9）缓慢开启阀1，观察压力表值＜5～10MPa.当观察到空心杆出现瞬间结霜现象时，证明注工质开始，这时开始计时，直到注工质达到设计量时为止.

（10）注工质结束时，先关闭工质储罐阀5；计量泵继续运行2～3min后停泵，之后关阀3.

（11）卸开与真空泵连接处的软管丝扣，将软管此端甩到施工者下风口一侧.

（12）缓慢开启阀4，放掉软管线路内全部残留工质.

（13）卸掉与阀3相连接的全部注工质系统配件，阀3被卸掉其上的手柄轮后留在空心杆上.至此，重力热管式抽油杆柱制作完毕.

（14）挂光杆卡子，抽油机起抽即可.

利用空心抽油杆制成的重力热管吸收地热加热井筒技术，不需要改变稠油采油井现有的机抽系统，只是将现有的空心抽油杆进行特殊工艺处理，再进行填充工质、抽真空、密封连接制成具有重力热管功能的空心抽油杆柱；然后将这个特殊功能管柱与常规加热技术同时接入机抽系统.这种技术的机抽系统结构简单，操作方便，成本低廉，无需维护，利用井下地热自行运转.

3 现场应用及效果分析

2009年，在辽河油田欢喜岭采油厂辖区内3口蒸气吞吐井上应用了重力热管式空心抽油杆柱吸收地热加热井筒技术，这种非水工质的重力热管无论是现场制造还是入井试用属当今国内外首例.3口井应用热管技术后，井口温度与上周期相比平均增温10℃以上；井筒与地层的自适应条件得到了改善，延长了油井正常生产时间，增加了周期产油量.

3.1 试验井概况

欢127－26－34井位于辽河油田欢127块.该井开采兴隆台油层，油层厚18.8m.人工井底深911m，最大井斜为27°46＇／500m，套管规格为φ177.8mm.油层温度为35.6～36.4℃，含蜡质量分数为11.08%，胶质和沥青质质量分数为22.58%，地层原油黏度为2 305.74mPa·s.2009年9月2日开始试验，试验周期为第11轮吞吐.周期注气量为1 808m3；泵挂深度为780m，重力热管式抽油杆柱长度为770m，井温测试显示泵挂深度处井温约为60℃.

欢127－莲H4井位于辽河油田欢127莲花区块.该井开采莲花油层，油层为1 280～1 490m，分4层，人工井底深1 499.7m，最大井斜为94°30＇／1 279.11m，套管规格为φ177.8mm.油层温度为39℃，含蜡质量分数为2.75%，胶质和沥青质质量分数为28.26%，地层原油黏度为1 413.9mPa·s.2009年12月10日开始试验，试验周期为第4轮吞吐.周期注气量为2 501m3，泵挂处井温约为86℃.

齐108－20－26井位于辽河油田齐108块.该井开采莲花油层，油层为1 282.7～1 297.8m，平均厚度为10.6m.人工井底深1 317m，最大井斜为17°23＇／1 045m，套管规格为φ177.8mm.油层温度为39℃，含蜡质量分数为6.68%，胶质和沥青质质量分数为29.94%，地层原油黏度为10 583mPa·s.2009年12月25日开始试验，试验周期为第12轮吞吐.周期注气量为1 760m3，泵挂深度为1 250m，重力热管式抽油杆柱长度为1 000m，泵挂处井温约为80℃.

未采用热管技术前，3口试验井采用电加热或掺热油降黏措施进行生产.

截至2010年3月23日，欢127－26－34井进入新一轮热采，目前正在注气.在试验周期该井生产191 d，热管有效工作时间（井口温度＞51℃）为155d.欢127－莲H4井、齐108－20－26井在试验周期生产中，井口平均温度高于上周期井口平均温度10℃以上.

因欢127－莲H4、齐108－20－26井没到周期末，所以以分析和讨论欢127－26－34井资料为主.

3.2 欢127－26－34井

2009年9月1日由辽河油田分公司钻采工艺研究院实测的欢127－26－34井井温数据见表2.9月2日晚8∶00时欢127－26－34井启动抽油机起抽开始试验周期采油生产.该井上周期产出液井口平均温度为41℃，试验周期应用研制的重力热管式抽油杆柱后产出液井口平均温度为51℃，至2010年1月30日实测该井井口温度为49℃.欢127－26－34井试验周期生产情况与相关对比结果见图2和表3.

表2 欢127－26－34井井温实测数据

图2 欢127－26－34井试验周期与上周期井口温度曲线

由图2和表3可知，井口出现的稳定、持续较高的温度，证明井下重力热管式抽油杆柱不仅起到它在机抽系统的原始功能，而且起到了吸收地热加热井筒的重力热管作用；在试验井条件下，这种重力热管能启动并且由井口持续高温可证明其工作状态良好，确实可将井底高温传到井口；文中给出的各种技术参数和现场制作工艺可行，可以实现蒸气吞吐井无能耗自平衡吸收地热加热井筒，进行低成本采油生产.

3.3 影响因素

重力热管式抽油杆柱是井筒加热技术领域的新突破、新事物，有待深入研究的问题很多，影响其工作效果的因素也十分复杂.文中结合3口井试验结果讨论部分问题.

3.3.1 杆柱长度

3口试验井入井的重力热管式抽油杆柱长度分别为欢127－26－34井770m，欢127－莲H4井1 070 m及齐108－20－26井1 000m.3种不同长度的热管能正常启动工作，传热效果对长度不是特别敏感，这一结果与文献［3］的分析不相符.

表3 欢127－26－34井试验周期生产情况与相关对比结果

根据热管的吸液极限理论［11］可知，若重力热管垂直放置，忽略毛细管力作用，这时从理论上讲重力热管长度不是影响热管传热效果的重要因素，试验结果也说明了这一点.所以，理论和试验结果表明重力热管式抽油杆柱长度不是影响其传热效果的敏感因素.

3.3.2 油层温度

3口井油层温度经实测可知：欢127－26－34井830.09m油层深度处温度为99.74℃；欢127－莲H4井1 280m油层深度处温度为115℃；齐108－20－26井1 282.7m油层深度处温度为105℃.根据热管工作原理和所用工质，可知油层温度越高，热管传递能量越大；反之，其传递的能量越小.油层温度越高，地面注气量越多，采油成本越高.对于油层深度＜1 300m情况，采用蒸气吞吐的常规注气量（约为2 500m3）维持油层温度在100～120℃即可使热管正常启动和工作.

3.3.3 产液量

欢127－26－34井产出液和井口流体温度的实测结果见图3.由图3可知，在其他条件确定之后，油井产量越高，井出口流体的温度越高，重力热管式抽油杆柱传热效果越好.特别是当产液量＞20m3／d时，井出口流体温度增高更明显.油井产量越高，油管与抽油杆间流体纵向的对流换热强度加大，油管内上流液体的温度普遍升高，从而增加了重力热管式抽油杆柱吸热段和放热段吸收及释放的热量.因此，井出口处产出液温度进一步升高.

3.3.4 原油物性

3口试验井含蜡质量分数分别为11.08%，2.75%，6.68%；胶质和沥青质质量分数分别为22.58%，28.26%，29.94%；黏度分别为2 305.74，1 413.90，10 583mPa·s.分析3口井试验结果可知，在试验条件下，含蜡质量分数对热管传热效果影响不敏感，含蜡质量分数11.08%的欢127－26－34井不比另外2口井传热效果差；胶质和沥青质质量分数低、黏度低的原油有利于热管高效率传热，如欢127－26－34井.3.3.5 适用条件

图3 欢127－26－34井口温度与产量的关系实测结果

依据热管基本理论和3口试验井效果，建议重力热管式抽油杆柱吸收地热加热井筒技术的条件：（1）蒸气吞吐井，周期注气量≥2 000m3；（2）油层条件下原油黏度＜10Pa·s；（3）产液量≥15m3／d，最好在20m3／d以上；（4）油层深度＜1 300m，油层流体温度为100～120℃.

4 结论

（1）重力热管式抽油杆柱制造工艺可行，采用的特制工质和端面密封胶可以保证热管有效启动和工作.

（2）重力热管式抽油杆柱吸收地热加热井筒新技术的适用条件：油层深度＜1 300m，油层流体温度为100～120℃，油层条件下原油黏度＜10Pa·s，周期注气量≥2 000m3，产液量≥15m3／d，最好在20m3／d以上.

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Technology of well－bore heating with geothermal energy transferred by gravity heatpipe suck rod string／2010，34（5）：65－70

LIU Yong－jian1，FAN Ying－cai1，2，LI Yong2，LI Wei1
（1.College of Petroleum Engineering，NortheastPetroleum University，Daqing，Heilongjiang 163318，China；2.Huanxiling Oil Production Plant，Liaohe Oilfield Company，Panjin，Liaoning 124010，China）

High energy consumption，high operation costand complex downhole operation pose greatdifficulties in the presentproduction method of steam stimulated well using electric heating and hotfluid circulating.Based on the principle of heatpipe，the hollow suck rod was processed into the gravity heatpipe with high heattransfer efficiency，and the technology of absorbing geothermal energy to heatwellbore by suck rod string was putforward.This paper described in detail the operation process to make on－site the gravity heatpipe suck rod string.The applicable conditions and influence factors of this well－bore heating technology were analyzed with data from 3testwells in Liaohe oilfield.Itis shown thatgood effectof well－bore heating can be achieved by using this technology on the steam stimulated well with the conditions of formation depth＜1 300m，formation fluid temperature at100～120℃，oil viscosity atformation temperature＜10 000mPa·s，periodic steam injection volume≥2 000m3，liquid－producing rate≥15m3／d，20m3／d being more favorable.

steam stimulation；well－bore heating；gravity heatpipe；hollow suck rod；geothermal energy absorbing

book=5,ebook=291

TE355

A

1000 1891（2010）05 0065 06

2010 07 20；编辑：关开澄

刘永建（1955－），男，博士，教授，博士生导师，主要从事采油采气化学理论与工程方面的研究.