電加熱抽油井筒的溫度預(yù)測及功率確定

史正剛，王東國

（中國石化勝利油田分公司 東辛采油廠，山東 東營 257000）

電加熱抽油井筒的溫度預(yù)測及功率確定

史正剛，王東國

（中國石化勝利油田分公司 東辛采油廠，山東 東營 257000）

針對石油開采過程中稠油黏度高，凝固點也高，開采和集輸難度大等問題，可以采取抽油桿電加熱方法來進行降黏處理。用有限差分的控制容積法對井筒溫度進行模擬預(yù)測，建立合理的物理和數(shù)學(xué)模型，對抽油筒中油溫度分布進行預(yù)測，以確定合理的加熱參數(shù)。結(jié)果表明：未采用加熱措施時，井口溫度低于拐點溫度，影響生產(chǎn)；選用85 k W的電源功率后，井溫保持在拐點溫度以上，能滿足稠油井的開采需要。

溫度預(yù)測；有限差分；稠油開采；功率確定

由于稠油具有特殊的高黏度和高凝固點特性，因此在生產(chǎn)過程中，抽油桿柱下沖程時易出現(xiàn)驢頭“打架”現(xiàn)象 ，上沖程時驢頭負荷增加，嚴重時會使抽油桿卡死在油管中，甚至造成抽油桿斷裂等井下事故［1］。為此，在稠油開采過程中要進行降黏處理。空心抽油桿的電加熱降黏方法具有可連續(xù)操作、污染小、使用安全、管理方便、一次性投資少等特點，成為稠油開采重要的工藝手段之一［2］。稠油從油層流到井底，再由井底舉升到地面是一個降壓、脫氣、降溫、變稠的過程，而稠油對溫度有較強的敏感性，會出現(xiàn)拐點溫度。對于不同類型的稠油，其拐點溫度不同，對應(yīng)的黏度也不同。要使稠油井在自噴或舉升過程中具備較好的流動性，油流溫度要保持在拐點溫度以上。筆者通過建立物理和數(shù)學(xué)模型，對抽油筒中油溫度分布進行預(yù)測，以確定合理的加熱參數(shù)。

1 物理模型的建立

1.1 電加熱抽油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電加熱抽油系統(tǒng)（圖1）主要由電加熱管、電纜、電源部分組成。電纜從空心桿內(nèi)通過并與空心桿構(gòu)成回路?？招某橛蜅U既起抽油桿的作用，又是加熱主體。在空心抽油桿內(nèi)產(chǎn)生工頻集膚效應(yīng)使電流集中在管壁極薄層內(nèi)流過，從而大幅度增加電流阻抗，使原油被加熱，增加原油流動性，較好地解決了高黏稠油進泵困難及油井結(jié)蠟等問題［1］。

圖1 電加熱抽油系統(tǒng)

1.2 假設(shè)條件

（1）系統(tǒng)以抽油桿中線為對稱軸，溫度分布對稱；抽油桿、井筒、巖層各向同性。

（2）原始地層溫度呈線性分布。

（3）模型系統(tǒng)中的熱物性參數(shù)恒定，不隨溫度變化。

（4）油水混合物的物性由下式計算：

式中，C混合為混合物的比熱，J／（kg·℃）；C水為水的比熱，J／（kg·℃）；ηw為原油含水率；C油為油的比熱，J／（kg·℃）；ρ混合為混合物的密度，kg／m3；ρ水為水的密度，kg／m3；ρ油為油的密度，kg／m3。

（5）電加熱抽油桿加熱功率恒定，加熱溫度場情況穩(wěn)定。

（6）流體對外不做功，流速恒定。

1.3 抽油桿、井筒、地層幾何單元劃分

應(yīng)用有限差分法求解偏微分方程時，首先應(yīng)在感興趣的整個區(qū)域內(nèi)建立網(wǎng)格，而覆蓋在區(qū)域上的網(wǎng)格線的交點稱為節(jié)點［3－4］。本文采用有限差分法的均勻網(wǎng)格劃分［5－6］將系統(tǒng)離散。橫坐標(biāo)r方向的離散由i來標(biāo)定，縱坐標(biāo)Z方向的離散由j來標(biāo)定，節(jié)點記為（i，j）。其幾何單元劃分如圖2所示。

圖2 幾何單元劃分

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 基本方程推導(dǎo)

對整個系統(tǒng)剖面建立平面坐標(biāo)系，該問題可抽象為有內(nèi)熱源的二維非穩(wěn)態(tài)問題。由熱傳導(dǎo)方程可得［7］

式中，Km為導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·℃）；Cm為比熱，J／（kg·℃）；Q為內(nèi)熱源，電桿放出的熱量，W／m；t為時間，s；ρm為密度，kg／m3；T 為溫度，℃；Z 為縱向深度，m；r為橫向半徑，m。

流體對外不做功，則流體上升過程中的能量守恒方程［7］為

式中，E 為流體總的能量，J；M 為質(zhì)量流量，kg／s；A為流動面積，m2。

由假設(shè)流速恒定，則

式中，v為流體的速度，m／s；g 為重力加速度，m／s2。將式（5）代入式（4）可得

式中，T1、T2、T3分別為抽油桿、流體和油管的溫度，℃；r1和r2分別為抽油桿外半徑、油管內(nèi)半徑，m；ΔZ為軸向網(wǎng)格塊長度，m；h為強迫對流換熱系數(shù)，W／（m2·℃）。

2.2 邊界條件

r＝0時的內(nèi)邊界條件為絕熱邊界條件，r＝rm時的邊界條件為恒地溫邊界條件，其中rm為外邊界半徑。

2.3 初始條件

整個系統(tǒng)的初始溫度均為原始地層溫度，按溫度梯度分布。

3 有限差分方程的建立

二維有限差分網(wǎng)格劃分為均勻網(wǎng)格，熱傳導(dǎo)方程的離散采用菱形五點控制容積法。為提高精確性，用顯式公式法將熱傳導(dǎo)方程（3）展開［7－9］，即

式中，Δ為網(wǎng)格間距，Δ＝Δr＝ΔZ，m；Ti，j為節(jié)點（i，j）處的溫度值，℃；T′i，j為節(jié)點（i，j）處新時刻的溫度值，℃。

所有已知時刻的值都在時間t取值，式（8）可化為

4 計算分析及工程驗證

以某油井為例，油井參數(shù)為：井深1 200 m，油管內(nèi)半徑0.031 m，外半徑0.036 5 m，套管內(nèi)半徑0.062 13 m，外半徑0.069 85 m，空心抽油桿內(nèi)半徑0.01 m，外半徑0.015 m，水泥環(huán)半徑0.12 m，地溫梯度2℃／（100m），動液面500 m，含水率45%，油層溫度70℃，稠油拐點溫度50℃，原油比熱0.45 kJ／（kg·℃），原油密度860 kg／m3。取加熱功率為83 k W。井筒溫度分布曲線見圖3。

圖3 電加熱后流體溫度曲線

圖中曲線1、2分別為電加熱后曲線和井筒原始溫度曲線。從曲線2可以看出，在自然條件下井筒溫度始終低于黏度拐點溫度，到井口只有26℃，遠低于稠油拐點溫度，該井不具備直接生產(chǎn)條件。由曲線1可知，油井加熱后井筒溫度始終大于黏度拐點溫度，油井能正常生產(chǎn)。

綜合考慮各種因素，取加熱功率為85 k W進行實際抽油驗證，結(jié)果表明井筒溫度為55℃。

5 結(jié)束語

借助有限元方法實現(xiàn)了對抽油筒溫度的模擬并借助工程現(xiàn)場驗證其正確性，為電加熱參數(shù)的選擇提供參考。結(jié)果表明：未采用加熱措施時，井口溫度低于拐點溫度，影響生產(chǎn)；選用85 k W的電源功率后，井溫保持在拐點溫度以上，滿足稠油井的開采需要。

［1］ 劉文章.稠油注蒸汽熱采工程［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1998：123－135.

［2］ 徐丕東，王麗霞，蘇玉亮.黏彈性稠油的驅(qū)替特征及其影響因素分析［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報，2008，30（6）：113－118.

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［8］ 盧祥國，李文甫.空心抽油桿滲水熱時桿及井筒溫度分布研究［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報，1993，17（1）：36－42.

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TE933.1 < class="emphasis_bold">［文獻標(biāo)識碼］A［文章編號］

1673－5935（2011）03－0013－03

2011－06－10

史正剛（1971－），男，山東章丘人，中國石化勝利油田分公司東辛采油廠經(jīng)濟師，主要從事油田采油工程研究。

［責(zé)任編輯］ 時鳳霞