重力热管式抽油杆柱加热井筒技术现场试验

范英才,蒋生健,王铁强,刘永建

(1.东北石油大学,黑龙江 大庆 163318;2.中油辽河油田公司,辽宁 盘锦 124010)

重力热管式抽油杆柱加热井筒技术现场试验

范英才1,2,蒋生健2,王铁强2,刘永建1

(1.东北石油大学,黑龙江 大庆 163318;2.中油辽河油田公司,辽宁 盘锦 124010)

目前蒸汽吞吐井采用的电加热及热流体循环工艺,存在能耗大、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,并形成了利用抽油杆柱吸收地热加热井筒新技术。介绍了油井现场制造重力热管式抽油杆柱的操作工艺,依据辽河油区 3口试验井资料,分析了该技术的适用条件及影响因素。结果表明：对于油层深度低于 1 300 m、油层流体温度为 100～120℃、油层条件下原油黏度小于 10 000 mPa·s、周期注汽量不低于 2 000 m3及产液量不低于 15 m3/d(最好在 20 m3/d以上)的蒸汽吞吐井,应用该技术可取得加热井筒的好效果。

蒸汽吞吐;加热井筒;重力热管;空心抽油杆;吸收地热

1 技术原理

加热井筒技术是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。其在机抽系统中有杆柱的基本用途,且具有从下往上高效传热的功能。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;而在油井上部,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,其放热部分称为冷凝段。热管内的工质在蒸发段吸热汽化,其蒸汽由蒸发段流向冷凝段后,受到冷却,使蒸汽凝结成液体,这时热管放出热量,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而言,这种小内径、超长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由各种传热因素自行决定,具有自适应自平衡性。在蒸发段及冷凝段,热源或冷源温度与热管内温度的传热温差随热管高度是逐渐变化的。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。另外仍需特别指出,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,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,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是一个有待确定的问题。因此,适用的工质是决定该技术成功的关键因素之一。

在采油工程领域用空心抽油杆制成重力热管,从原理上讲属于相变传热,具有热管的特性,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,必须根据差别再创新热管制造工艺和应用技术[1-8]。

2 制造工艺

2.1 管壳选择

管壳选用辽河石油勘探局总机械厂生产的KG W36-60DZ空心抽油杆。其规格为 ø36 mm×5.5 mm,内径为 25 mm。欢 127-26-34井泵挂深为 780 m,空心抽油杆下深为 770 m,每根空心抽油杆长 8 m,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井所需空心杆数量分别为 133根。

2.2 工质确定

选用东北石油大学和辽河油区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%。

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,均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 20 MPa。3个无缝不绣钢三通,内径为 1.27 cm。4根无缝不锈钢管,共长 10 cm,内径为 1.27 cm。1个不锈钢变扣,长 20 cm,其一端为外螺纹G1型,外径为 1.27 cm,另一端为内螺纹 G1型,内径为 1.27 cm。

(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,德国普罗名特流体控制公司生产。每小时最大注入量为 55 L,最大注入压力为 16.8 MPa。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 2 L/s,极限真空度为 6 ×10-2Pa。

2.4 施工工艺

(1)筛选和清洗空心抽油杆,逐根进行密封试验。密封压力不低于 15MPa,保持 10 min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号杆,依次往上接入的空心抽油杆记为 2号杆,…,n号杆。空心杆丝扣端面抹密封胶后再逐根连接,一直接到设计长度(根数)为止。所用密封胶为东北石油大学和辽河油区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 1个抽真空、注工质的闭环系统 (图 1)。

(4)开启图 1所示系统的阀 1～4。

(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 5～10 min,其值不变方可进行下一步骤。

(6)关阀 4,然后关闭真空泵。

(7)启动注工质用计量泵,缓慢开启储液罐的阀 5,观察压力表值为 5～10 MPa。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。

图1 井上重力热管式抽油杆柱抽真空注工质系统

(8)注工质结束后,先关闭阀 5;计量泵继续运行 2～3 min后停泵,之后关阀 3。

(9)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。

(10)缓慢开启阀 4,放掉软管线路内全部残留工质。

(11)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。

(12)挂光杆卡子,抽油机起抽即可。

综上可知,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一样接入机抽系统即可。该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

3.1 试验井概况

欢 127-26-34井位于辽河油区欢 127块。该井开采兴隆台油层,油层厚为 18.8 m。人工井底深为 911 m,井深 500 m处井斜最大,为 27°46’,套管规格为 ø177.8 mm。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 2 305.74 mPa·s。2009年 9月 2日开始试验,周期为第 11轮吞吐。本周期注汽量为 1 808 m3。泵挂深度为780 m,重力热管式抽油杆柱长度为 770 m,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 1 280～1 490 m,分 4层,人工井底深 1 499.7 m,井深 1 279.11 m处井斜最大,为 94°30’,套管规格为 ø177.8 mm。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1 413.9 mPa·s。2009年 12月 10日开始试验,周期为第 4轮吞吐。本周期注汽量为 2 501 m3,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 1 282.7～1 297.8 m,平均厚度为 10.6 m。人工井底深为 1 317 m,井深1 045 m处井斜最大 ,为 17°23’,套管规格为 ø177.8 mm。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 10 583 mPa·s。2009年 12月 25日开始试验,周期为第 12轮吞吐。注汽量为 1 760 m3,泵挂深度为 1 250 m,重力热管式抽油杆柱长度为 1 000 m,泵挂处井温约为 80℃。

未采用热管技术前,上述 3口试验井均采用电加热或掺热油降黏措施进行生产。截至 2010年 7月,欢 127-26-34井和欢 127-莲 H4井周期结束,齐 108-20-26井继续生产。3口井井口平均温度均比上周期提高 10℃以上。下面以典型井欢127-26-34井为例进行分析总结。

2009年 9月 2日晚 8时欢 127-26-34井启动抽油机起抽开始本试验周期采油生产。该井上周期产出液井口平均温度为 41℃,本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仍为 49℃。欢 127-26-34井本试验周期生产情况与相关对比结果见图 2。

图2 欢 127-26-34井本试验周期井口温度与上周期对比

分析试验结果可知：井口出现稳定、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;表明在本试验井条件下,这种重力热管能启动,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;试验结果表明,给出的各种技术参数和现场制作工艺可行。采用抽油杆柱吸收地热加热井筒新技术,可实现蒸汽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。

3.2 影响因素分析

3.2.1 杆柱长度

现场试验中,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 770 m,欢127-莲 H4井 1 070 m,齐 108-20-26井 1 000 m。3种不同长度的热管均能正常启动工作,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。根据热管的吸液极限理论[9]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。因此,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好坏的敏感因素。3.2.2 油层温度

试验的 3口井油层温度经实测可知：欢 127-26-34井油层深度 830.09m处温度为 99.74℃;欢127-莲 H4井油层深度 1 280 m处温度为 115℃;齐 108-20-26井 1 282.7 m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,则地面注汽量越多,采油成本越高[10]。结合试验结果,油层深度小于 1 300 m,采用蒸汽吞吐的常规注汽量约为 2 500 m3,维持油层温度为 100～120℃,即可使热管正常启动和工作。3.2.3 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。可见,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。特别是当产液量大于 20 m3/d时,井出口流体温度增高更明显。初步分析可知,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,油管内上部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。

图3 欢 127-26-34井口温度与产液量的关系实测结果

3.2.4 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、10 583 mPa·s。分析结果可知 ：在试验条件下,含蜡量对热管传热效果影响不敏感,含蜡11.08%的欢 127-26-34井比另外 2口井传热效果好;胶质和沥青质含量低、黏度低的原油有利于热管高效率传热。

4 结 论

(1)现场试验取得了预期效果：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。这对今后进一步完善和应用抽油杆柱吸收地热加热井筒新技术有重要的指导意义。

(2)给出的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。

(3)研究认为,重力热管式抽油杆柱吸收地热加热井筒技术的条件是：蒸汽吞吐井,周期注汽量不低于 2 000 m3;油层条件下原油黏度小于10 000 mPa·s;产液量不低于 15 m3/d,最好在20 m3/d以上;油层深度小于 1 300 m,油层流体温度为 100～120℃。

[1]马春红,吴晓东,等 .热管改善油井井筒流体温度分布的理论研究[J].石油学报,2006,27(1)：114-118.

[2]吴晓东,马春红,石崇兵,等 .井筒重力热管传热技术在蒸汽吞吐井中的应用[J].石油钻采工艺,2006,28(1)：60-63.

[3]张玉丰,吴晓东,李伟超 .重力热管伴热方式可行性分析[J].石油勘探与开发,2007,34(4)：483-487.

[4]李伟超,吴晓东,等 .重力热管伴热改善稠油井井筒传热损失的研究[J].西南石油大学学报,2007,29(6)：75-79.

[5]吴晓东,张玉丰,马春红,等 .井筒重力热管室内实验与矿场试验研究 [J].西南石油大学学报：自然科学版,2008,30(1)：140-142.

[6]毕勇,刘永建,刘纪福 .重力热管抽油杆室内试验研究[J].油气田地面工程,2008,27(4)：34-35.

[7]刘永建,黄禄鹏,等 .重力热管式抽油杆柱传热分析与计算[J].低温建筑技术,2010,139(1)：40-42.

[8]李菊香,王良虎.稠油油田井下作业的热管利用可行性探讨[J].能源研究及利用,1995,7(5)：21-24.

[9]庄骏,张红 .热管技术及其工程应用 [M].北京：化学工业出版社,2000：41-66.

[10]汪弘 .电加热井的井筒温度场数学模型[J].油气井测试,2003,12(3)：1-3.

Field exper iment of wellbore heating by sucker rod string of gravity heat pipe

FAN Ying-cai1,2,J IANG Sheng-jian2,WANG Tie-qiang2,L IU Yong-jian1
(1.Northeast Petroleum University,Daqing,Heilongjiang163318,China;2.Liaohe O ilfield Company,PetroChina,Panjin,Liaoning124010,China)

The currently used process of electric heating and hot fluid circulating for cyclic steam stimulation wells has problems of high energy consumption,high operation cost and complex downhole operation,etc.Based on the principle of heat pipe,hollow sucker rod is processed into gravity heatpipewhich is highly efficient in heat transfer,thus developed a new technology of absorbing geothermal energy to heatwellbore by sucker rod string.Thispaper describes in detail the on sitemanufacturing processof the sucker rod string of gravity heat pipe.The application conditions and influence factors of this technology are analyzed based on the data from 3 testwells in the Liaohe oilfield.The result shows that this technology can successfully heat the steam stimulated wells with the conditions of reservoir depth＜1 300 m,reservoir fluid temperature at 100～120℃,reservoir oil viscosity ＜10 000 mPa·s,cyclic steam injection volume≥2 000 m3,and mass production≥15 m3/d(over 20 m3/d would be best).

cyclic steam stimulation;wellbore heating;gravity heat pipe;hollow sucker rod;geothermal energy absorbing

TE355

A

1006-6535(2011)01-0117-04

20100817;改回日期：20101028

国家科技重大专项“提高稠油蒸汽驱效率技术”(2008ZX05012-001)

范英才 (1963-),男,硕士,高级工程师,本刊编委,1980年毕业于江汉石油地质学院石油地质勘探专业,2003毕业于长江大学油气田开发工程专业,现主要从事油气田开发与提高采收率方面的研究工作。

编辑王 昱