春光油田热采井双空心杆蒸汽循环降黏工艺研究

武雅黎，姚　振 ，李　洲，杨　孝

(1.中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院，河南南阳 473132；2.中国石化河南油田油气技术服务公司；3.中国石油长庆油田分公司油藏评价处)

春光油田热采井双空心杆蒸汽循环降黏工艺研究

武雅黎1，姚振2，李洲1，杨孝3

(1.中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院，河南南阳 473132；2.中国石化河南油田油气技术服务公司；3.中国石油长庆油田分公司油藏评价处)

摘要：在春光油田1 000 m左右深度的特、超稠油油藏开采过程中，随着井筒温度降低，原油黏度增大，油井无法维持生产，同时对地面输油造成困难。为此研究应用了热采井双空心杆蒸汽循环降黏工艺，利用蒸汽吞吐区管网内的高热焓蒸汽作为双空心杆内循环介质，实现井筒和地面降黏，通过建立数学模型，计算出循环蒸汽量、压力和温度等参数。该工艺和电加热工艺比较，日运行费用节约60%以上，为实现中深特、超稠油经济有效开采提供了新的技术方向。

关键词：春光油田；特、超稠油；井筒降黏；双空心杆蒸汽循环

特、超稠油在开采过程中，随着流动中温度降低，原油黏度增大，逐渐失去流动性，使油井无法维持生产，生产中需要采取井筒降黏措施。目前春光油田中深层特、超稠油井井筒降黏采用电加热和井筒掺稀工艺。电加热工艺存在能耗高、不能实现注采一体、起下管柱作业成本高等问题；井筒掺稀工艺存在轻质油和重质油混合后变为中质油、销售价格降低等问题。因此，针对中深层特、超稠油目前井筒降黏工艺成本高问题，开展了双空心杆蒸汽循环加热工艺研究。

1双空心杆蒸汽循环降黏工艺原理

抽油机井双空心杆热流体闭式循环举升工艺原理是：热流体注入同轴式双空心杆的空心通道，流至双空心杆尾端，再进入另一个通道，在抽油杆上下运行过程中，热量经空心杆传递给环形空间中的原油，达到增温降黏、改善其流动性、提高油井举升效果的目的，保证油井的正常生产。整个过程中，由于循环热流体不进入井筒，所以该工艺为闭式循环工艺。

本工艺利用蒸汽吞吐区管网内的高热焓蒸汽作为双空心杆循环介质，从空心杆进入后加热井筒流体，而从空心杆返出的蒸汽(热流体)进入回油管线，利用余热再次实现辅助地面降黏的目标，工艺流程见图1。

2蒸汽循环参数设计

蒸汽循环参数设计关键有两点：一是井筒要加热到什么温度，二是如何计算蒸汽参数。

图1　工艺原理图

2.1井筒加热温度确定

井筒加热温度确定的目标是能满足油井正常举升。实现正常举升需满足两个条件：一是上冲程时,抽油机最大悬点载荷能够满足抽油机机型要求。春光油田现场抽油机均为CYJ10型抽油机，额定载荷为100 kN，因此计算时,设定最大载荷小于100 kN。二是下冲程时，抽油杆下行能够克服稠油的摩擦阻力。

蒸汽吞吐井生产初期井筒温度高，不需要采取井筒降黏措施；生产到中后期，井筒温度下降，原油黏度增加，摩擦力增加，举升困难，需要采取井筒降黏措施。

结合春光油田生产参数(见表1)，计算结果表明，当空心杆下入深度为900 m，既满足最大载荷，又能克服下行阻力时井筒液体黏度为1 780 mPa·s，见表2。

表1　油井生产参数

表2　满足举升条件时井筒流体黏度值

结合春光油油田原油黏温测试数据，原油黏度为1 780 mPa·s时，井筒流体的平均温度为80.6 ℃。

2.2循环参数计算

计算双空心杆循环蒸汽量参数，需要结合井筒传热分析，建立热传导模型，即建立井筒流体温度计算模型，依据模型计算满足井筒温度要求条件的蒸汽参数，包括蒸汽压力和蒸汽量。

2.2.1建立井筒流体温度计算模型

井筒结构主要是由双空心抽油杆、隔热油管、套管、水泥环、封隔器等几部分组成，其结构如图2所示。蒸汽温度高于周围地层温度时，空心杆中所循环蒸汽的热量会有一部分沿径向通过双空心杆、隔热油管、套管、水泥环传至地层，造成径向热量损失。

根据热量守恒原理和传热学理论，建立正循环方式下井筒中流体的温度计算模型。

2πr6K2(Tout-Tfout)

图2　井筒结构示意图简图

2πr8K3[Tfout-(T0+ml)]

式中：G——注入蒸汽速率，kg/s；Lv——蒸汽的汽化潜热，J/kg；x——蒸汽干度；Ts——掺入蒸汽温度，℃；W1——掺入热水当量，W/℃；W2——井筒中地层产出流体的热水当量， W/℃；Tin——掺入热水在掺入段的温度，℃；Tout——掺入热水在返出段的温度，℃；Tfout——井筒中产出液被加热后的温度，℃；l——以井口为起点的任一井筒深度，m；K1——空心杆内管内外传热系数，W/(m2·℃)；K2——空心杆外管内外传热系数，W/(m2·℃)；K3——井筒中地层产出流体与地层间的传热系数W/(m2·℃) ；T0——地表恒定温度，℃；m——地温梯度，℃/m。

2.2.2双空心杆蒸汽循环参数计算

(1)计算基础参数。计算双空心杆循环蒸汽参数时，需结合加热温度和加热起始温度，确定蒸汽参数，同时需考虑压力保持循环畅通。结合春光油田井况，加热起始最低温度为77.2 ℃，油井生产末期，产液量为5～10 t/d，计算蒸汽不同注入压力下，井筒流体加热所需蒸汽量，计算基础参数见表3。

(2)蒸汽压力和蒸汽量计算结果。蒸汽能量包含蒸汽潜热值和液相显热值。热流体分布有两种模式，模式一是蒸汽在外管发生相变，即内管为蒸汽，外管有一部分蒸汽和水；模式二是蒸汽在内管就发生相变，即内管有一部分蒸汽和水，外管全为水。

表3　计算基础参数表

计算产液量5 t/d时需要的蒸汽压力和蒸汽量，蒸汽参数既能保证热流体循环畅通，又能使井筒流体温度大于80.6 ℃，计算结果见表4和表5。对比两种模式，模式一对蒸汽需求量更少，更经济，因此，选择热流体按模式一循环。产液量5 t/d时，注入蒸汽参数为压力4 MPa，蒸汽量为1.05 t/d。油管流体温度剖面见图3。同样条件下产液量为10 t/d时，需要蒸汽量1.17 t/d，可保持井筒温度大于80.6 ℃，油管流体温度剖面见图4。

表4　蒸汽量计算(模式一)

表5　蒸汽量计算(模式二)

图3　5 m3/d产液量时油管流体温度剖面

图4　10 m3/d产液量时油管流体温度剖面

3推广应用前景分析

井下电加热采用井下加热电缆对油管内的原油在举升过程进行加热，降低原油黏度，解决井筒降黏的问题。由于空心抽油杆在注汽时高温高压密封问题未得到有效解决，现场注汽、转抽时需作业起下空心杆及电缆，增加作业费用，且日耗能高，加热功率50～100 kW，实测效率60%，日耗电1 440 kW·h，按照地方电价0.52元/(kW·h)，日耗电费374～748元。

双空心杆循环蒸汽降黏工艺，固定投入和井下电加热相近，油井日产液5～10 t/d，循环蒸汽1.05～1.17 t/d，按照燃煤注汽费用126元/t，运行费用仅132～147元/d。

通过对比，双空心杆循环蒸汽可有效降低井筒降黏费用，该工艺在中深特、超稠油井上有较好的推广应用前景。

4结论

(1)结合井筒传热分析，根据热量守恒和传热学理论，建立了空心杆循环蒸汽热传导计算模型， 为下一步实现空心杆蒸汽循环工艺提供理论计算基础。

(2)春光油田吞吐中后期，产液量为5～10 t/d，空心杆下入最大深度900 m时，循环蒸汽工艺日运行费用较电加热工艺节约60%以上，具有较好的推广应用前景，为中深特、超稠油经济有效开发提供了新的技术方向。

备注：蒸汽传热系数(经验值85～200 W/(m2·℃))和冷凝水传热系数(经验值650～800 W/(m2·℃))变化范围大，导致不同传热系数油管流体温度剖面变化大，因此需结合实际井下试验数据进一步完善工艺计算模型。本文计算传热系数选取85 W/(m2·℃)计算。

参考文献

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编辑：崔林

文章编号：1673-8217(2016)03-0134-03

收稿日期：2015-10-15

作者简介：武雅黎，工程师，1981年生，2006年毕业于长江大学石油工程专业，现从事采油工程方案设计工作。

中图分类号：TE355.9

文献标识码：A