螺杆泵配套同轴双空心抽油杆在稠油开采中的应用

付 亚 荣

（中国石油华北油田分公司第五采油厂，河北辛集 052360）

螺杆泵配套同轴双空心抽油杆在稠油开采中的应用

付 亚 荣

（中国石油华北油田分公司第五采油厂，河北辛集 052360）

为解决50 ℃地面原油黏度大于10 000 mPa·s的稠油开采难题，依据稠油开采理论，对泽70-9X1等5口稠油井的黏温特性及流变特性进行分析，建立了泽70-9X1井同轴双空心杆循环热水降黏换热模型，分析了循环热水、原油在举升过程中温度分布、原油沿程黏度变化情况，在现场生产实践中将循环水进口温度控制在一定的范围，满足了5口稠油井正常生产，为同类构造边部稠油开采提供借鉴。

稠油；双空心抽油杆；螺杆泵；黏温特性；数值模拟

抽油机井应用同轴双空心抽油杆［1］解决高凝油和稠油开采井筒降黏举升问题，得到了国内诸多学者［2-6］的认可；螺杆泵配套油层降黏处理、泵下掺水、空心杆泵上掺稀油降黏、电热抽油杆加热降黏等工艺［7-10］解决了部分稠油井的开采问题。但对于50 ℃地面原油黏度大于10 000 mPa·s的稠油，国内外常用的蒸汽吞吐、蒸汽驱、火烧油层等方法［11］对油藏构造边部的稠油开采不适用，致使油井处于常停状态。例如：泽70-9X1井1998年5月9日完钻，人工井底2 491.0 m，同年12月2日射开Ed3Ⅱ油组6#、7# 投产未成，2000年6月20日补开Ed3Ⅱ油组3#～5#层后不能正常生产；50 ℃、9 s−1下黏度20 221.64 mPa·s，20 ℃密度0.996 3 g/cm3，凝固点37℃，含蜡4.65%，胶质沥青69.05%。2012年应用螺杆泵配套同轴双空心抽油杆［12］实现了泽70-9X1等5口稠油井的正常开采。

1 影响稠油黏度的因素

学者研究普遍认为［13-14］：存在于胶质沥青中的金属微量元素Ni、V是影响稠油黏度的关键因素，含水与黏度关联程度很大，除去或降低稠油中Ni和V的含量及其赖以存在的沥青质和胶质必将大大降低稠油黏度。在对泽70-9X1井应用SARA法［15］研究表明：稠油中分散相由胶带中心（沥青质）和其表面或内部吸附的可溶物质构成，以超分子结构状态存在的沥青质从小到大包含许多相对分子质量数约为1 000的结构单元薄片，并不存在截然变化的相界面，超分子结构并不是紧密堆积的，低层次的结构在某种分子间力作用下可以连接、聚集形成较高层次与分子芳香性及杂原子含量有关的超分子结构。集中在胶质、沥青质组分中的S、N、O等杂原子含量决定了分子极性和形成—OH和—NH键的能力，增大分散相的体积。沥青质胶粒具有较大的空间延展度，造成稠油的高黏性。

2 泽70-9X1井稠油的黏温特性及流变特性

2.1 稠油的黏温特性

稠油微观结构的复杂性在宏观上表现为黏温特性及流变特性的复杂性，将泽70-9X1稠油加热至80℃恒温1 h，连续以1.0 ℃/min的温度梯度降温，在剪切速率9 s−1下，用德国哈克公司RS3000旋转黏度计测量在不同温度下的黏度值，结果如表1。

表1 泽70-9X1井剪切速率9 s−1不同温度下黏温特性

当温度低于50 ℃时，随着温度的升高黏度呈剧烈降低趋势。其黏温回归关系较好地符合Arrhenius方程，这与文献［16-17］的结论是一致的，即温度越低，稠油黏度对温度变化越敏感。这说明在泽70-9X1井稠油内部粒子间的作用力在温降过程中不仅仅是范德华力，而且稠油的内部微观结构也发生了变化，导致稠油黏度随温度降低而急剧升高。

2.2 稠油的流变特性

泽70-9X1井稠油在80 ℃时黏度988.36 mPa·s，但是表现为牛顿流体仍有宽的温区“窗口”，研究表明其反常点41 ℃，当温度高于41 ℃时表现为牛顿流体的分散胶体体系；低于41 ℃时表现为非牛顿流体，体系中超分子结构形成的胶体体系增强，蜡晶析出参与颗粒聚集体，具有剪切变稀的非牛顿特性。同时测得41 ℃、35 ℃、30 ℃、25 ℃的黏温关系表明，其流变模型遵从宾汉姆流型模式。

3 泽70-9X1井同轴双空心杆循环热水降黏换热模型

依据泽70-9X1井稠油的黏温、流变特性及周广厚螺杆泵开采重油理论［18］，采用史维秀提出的降黏方法［19］研究螺杆泵配套同轴双空心抽油杆工艺循环热水降黏，建立井筒举升换热模型（图1），选取循环水入口温度85 ℃、80 ℃、75 ℃、70 ℃考察原油在举升过程中的温度分布及降黏效果。同轴双空心抽油杆下深1 200 m，内管（隔热管）外径25 mm、内径17 mm，外管内径42 mm。

图1 采油管柱示意图

假设计算模型为稳态、不可压缩牛顿流体，井筒内任意位置初始时刻的温度值为其对应位置的地温，x、y、z方向上的能量守恒方程［20］

式中，u为流向速度；v为法向速度；w为展向速度；ρ为流体（原油）密度，g/cm3；θ为井筒内任意位置的温度，℃；ST为黏性耗散项；cp为流体（原油）比热；λ为流体（原油）导热率。

循环水加热后由井口从热导率很小的内管进入输送至1 200 m处改变方向井口流动，热水向原油传热，温度大幅度下降，原油从泵出口往井口流动的过程中，最初温度迅速升高，达到峰值后降低。循环热水及原油举升过程中温度变化是热水、原油及大地温度耦合的结果。

由表2数据可知：循环热水入口温度为85 ℃、80 ℃、75 ℃时，随着循环热水入口温度的降低，原油温度峰值出现的位置远离泵出口，但原油需要举升更远换热才能达到峰值。

表2 泽70-9X1井同轴双空心杆循环热水降黏换热数值计算结果

原油往井口举升过程中黏度不断发生变化，但不能量化降黏效果。依据天津大学史维秀提出的目标函数对数据进行处理，得到不同循环热水入口温度时原油整个举升过程的降黏率

计算结果表明：循环热水入口温度为85 ℃、80℃、75 ℃、70 ℃时，原油整个举升过程降黏率分别为96.89%、96.53%、94.67%和94.18%。随着循环热水入口温度升高，原油降黏率增大，但降黏率增大幅度变小。在现场生产实践中将循环水进口温度控制在一定的范围，能达到既节能又能满足生产的要求。

4 现场应用

泽70-9X1井在油层中部径向钻井施工完成后，向油层内挤注500 m3含路易士碱的降黏剂，关井降压后，下入生产管柱，螺杆泵GLB75-47A×1 204.68 m，同轴双空心抽油杆Ø42 mm×1 179.48 m、短节Ø42 mm×7.4 m；配套Ø89 mm加厚一级油管。循环热水入口温度控制在75～80 ℃，井口出油温度40～41 ℃，螺杆泵转速50 r/min，日产液4.5 m3，日产油3.2 t。

5 结论

（1）对泽70-9X1井的黏温特性及流变特性进行剖析，分析了循环热水、原油在举升过程中温度分布、原油沿程黏度变化情况，提出了现场生产实践中将循环水进口温度控制在一定的范围，能达到既节能又能满足生产的要求。

（2）螺杆泵配套同轴双空心杆采用循环热水加热是原油降黏一种很好的方法，能满足50 ℃地面原油黏度大于10 000 mPa·s的稠油开采。为同类构造边部稠油开采提供了技术借鉴。

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（修改稿收到日期 2013-10-15）

〔编辑 付丽霞〕

Application of screw pump matched coaxial double hollow sucker rod in heavy oil recovery

FU Yarong
（Fifth Oil Production Plant of Huabei Oilfield Company, PetroChina, Xinji 052360, China）

In order to solve the problem of heavy oil exploitation which oil viscosity greater than 10 000 mPa·s under the condition of 50 degree ground, according to the theory of heavy oil development, a coaxial double hollow sucker rod model with viscosity reduction by circulating hot water and heat exchange was proposed for Well Ze70-9X1. And the model was established based on the analysis of viscosity-temperature characteristics and rheological properties for 5 heavy oil wells like Well Ze70-9X1. Following that, the temperature distribution of circulating hot water and oil in the lifting process were analyzed, and the crude oil viscosity changes along the way were also studied in detail. Making the circulating water inlet temperature control in a certain range can meet the need of five heavy oil wells normal production in the field production practice. The success provides technical reference for heavy oil recovery of similar reservoirs in structure edge.

heavy oil; double hollow sucker rod; screw pump; viscosity-temperature characteristic; numerical simulation

付亚荣. 螺杆泵配套同轴双空心抽油杆在稠油开采中的应用［J］.石油钻采工艺，2013，35（6）： 115-117.

TE355.5

B

1000 – 7393（ 2013 ） 06 – 0115 – 03

中国石油华北油田公司科技重大专项“华北油田采油采气工艺技术研究”（编号：2013-HB-Z0807）。

付亚荣，1965年生。1987年毕业于重庆石油学校油田应用化学专业，现从事油气田开发技术研究与应用工作，高级工程师。电话：13932142145。E-mail：cy5_fyr@petrochina.com.cn。