礦物絕緣電纜在超深超稠油開(kāi)采中的應(yīng)用

侯獻(xiàn)海，李 璐，李柏頡，王磊磊

(中國(guó)石化西北油田分公司 采油二廠，新疆 輪臺(tái) 841604)

塔河油田油藏主要是奧陶系碳酸鹽油藏，埋深5 400～7 000 m，黏度1 500～1 800 000 mPa·s，屬于超深超稠油藏[1-2]。塔河稠油隨著舉升過(guò)程中溫度降低，黏度會(huì)逐步增大，至一定深度后完全失去流動(dòng)性，需采取井筒降黏工藝[3-4]。目前摻稀降黏是塔河稠油開(kāi)發(fā)的主要方式[5-6]，但是稀油資源的使用會(huì)大幅影響油田經(jīng)濟(jì)效益[7-8]。塔河油田溫敏性強(qiáng)，電加熱降黏具有較大潛力[9]，但是常規(guī)的電加熱降黏工藝存在加熱深度受限、功率利用率低、故障率高的問(wèn)題[10-11]。近年來(lái)，采油二廠引進(jìn)了新型的礦物絕緣加熱電纜加熱技術(shù)，結(jié)合塔河油田稠油井井況，對(duì)該設(shè)備的材料、結(jié)構(gòu)、配套等方面進(jìn)行了優(yōu)化，并進(jìn)行7井次的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用評(píng)價(jià)。

1 結(jié)構(gòu)與原理

礦物絕緣加熱電纜由發(fā)熱導(dǎo)體、氧化鎂粉絕緣層及無(wú)縫金屬護(hù)套組成，構(gòu)成材料全部為無(wú)機(jī)物，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。在電纜內(nèi)部實(shí)現(xiàn)尾端星型連接，單根超長(zhǎng)無(wú)外觀接點(diǎn)、整體等徑，方便常用下井設(shè)備施工作業(yè)，具有發(fā)熱效率高、導(dǎo)熱快、功率特性好、溫度范圍寬、電氣控制方便的特點(diǎn)。該設(shè)備通入加熱電纜發(fā)出的均勻熱量直接加熱空心抽油桿，簡(jiǎn)潔均勻加熱油管內(nèi)的原油，一方面補(bǔ)償出油過(guò)程中的熱損，另一方面加熱原油使其達(dá)到合適的出油溫度，達(dá)到降低原油黏度的目的。

2 工藝優(yōu)化

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)由電纜配套空心桿改進(jìn)為發(fā)熱導(dǎo)體、絕緣層及護(hù)套為一體的實(shí)心桿，方便施工，提高時(shí)效、穩(wěn)定性。常規(guī)電加熱與礦物絕緣電纜加熱對(duì)比如表1所示。

表1 不同加熱方式對(duì)比表

2.2 材質(zhì)優(yōu)化

通過(guò)優(yōu)選發(fā)熱導(dǎo)體、絕緣材料，優(yōu)化電纜密封方式，實(shí)現(xiàn)加熱功率在300～400 kW，大幅提高加熱效率。1)優(yōu)選發(fā)熱導(dǎo)體：按照250 kW發(fā)熱功率要求導(dǎo)體電阻>4 Ω，為保證發(fā)熱導(dǎo)體直徑最小，優(yōu)選每米電阻率最小的T2銅作為發(fā)熱線(xiàn)芯，保證發(fā)熱效率，降低桿體直徑，不同材料的電阻率如圖2所示；2)優(yōu)選絕緣材料：根據(jù)電纜的用途不同，礦物絕緣電纜絕緣材料為氧化鎂，其厚度應(yīng)符合GB/T 20841—2007《額定電壓300/500 V生活設(shè)施加熱和防結(jié)冰用加熱電纜》規(guī)定。優(yōu)選耐溫高(熔點(diǎn)2 800 ℃)、絕緣電阻高(電阻≥100 MΩ)、加工流動(dòng)性好的氧化鎂作為絕緣層；3)護(hù)套選用Ni-Cr-Ti耐溫耐腐蝕的321不銹鋼，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13033.1—2007規(guī)定電纜護(hù)套厚度不低于0.50 mm。優(yōu)選的護(hù)套參數(shù)為：電纜外徑Φ=21.4 mm，護(hù)套厚度=2.14 mm，抗拉強(qiáng)度≥520 MPa，屈服強(qiáng)度σ0.2≥205 MPa；4)通過(guò)優(yōu)選焊接方式，優(yōu)化設(shè)計(jì)電纜護(hù)套和采用線(xiàn)芯星接，優(yōu)化首尾段密封方式。

2.3 設(shè)備節(jié)電增效優(yōu)化

礦物絕緣電纜加熱稠油技術(shù)具有節(jié)約稀油、提高油井產(chǎn)能的作用，但存在能耗高，使用檔位調(diào)整溫度變化大，易對(duì)生產(chǎn)造成較大波動(dòng)等問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的微調(diào)，有效降低能耗，采油二廠和久盛電氣聯(lián)合研發(fā)了無(wú)極調(diào)功柜。無(wú)極調(diào)功柜采用大功率可控硅模塊，實(shí)現(xiàn)根據(jù)溫度進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)壓控制加熱。該產(chǎn)品具有緩啟、緩?fù)！⑦^(guò)流保護(hù)、超溫保護(hù)等功能，適用電阻性負(fù)載和電感性負(fù)載，特別適用于變壓器負(fù)載。

3 礦物絕緣電纜功率計(jì)算

為確保井筒液體井口溫度達(dá)到生產(chǎn)需求，需實(shí)現(xiàn)總功率Q總，要求如下：

總加熱功率：

Q總=Q升+Q散

(1)

式中，Q升為升溫功率，W；Q散為散熱功率，W。

3.1 升溫功率計(jì)算

升溫功率計(jì)算公式為：

Q升=0.011 57×m×C×(ty-t0)

(2)

式中，m為日出油量，kg；C—原油比熱容，取2.5 kJ/kg·K；ty—加熱區(qū)平均油溫，℃；t0—加熱區(qū)平均巖層溫度，按梯度2.2 ℃/100 m、年平均氣溫11 ℃取值。帶入數(shù)據(jù)，則(2)式變?yōu)?/p>

Q升=0.058×m×(ty-t0)

(3)

3.2 散熱功率計(jì)算

散熱功率計(jì)算公式為：

(4)

式中，λ為加熱區(qū)巖層綜合導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·k；h為加熱區(qū)長(zhǎng)度，m；D為油井套管直徑，mm；δ為巖層計(jì)算厚度，mm。

Q散=k×(ty-t0)×h

(5)

3.3 綜合散熱系數(shù)推算

綜合散熱系數(shù)k值因參數(shù)較多，難以直接計(jì)算，需進(jìn)行推算。以前期試驗(yàn)井TH12258為例，探討k值推算過(guò)程。錄取該井相關(guān)計(jì)算參數(shù)，該井加熱長(zhǎng)度2 000 m，環(huán)境溫度11 ℃，使用前井口溫度57.8 ℃，使用后井口溫度74 ℃，稀油摻入溫度62 ℃，日摻稀油45.5 t，日產(chǎn)原油46 t，日出油量為91.5 t。

實(shí)際功率：

(6)

加熱區(qū)中心點(diǎn)巖層溫度：

t0=11+0.022×2 000/2=33 ℃

(7)

使用前加熱區(qū)中心點(diǎn)油溫：

ty0=57.8+0.022×2 000/2=79.8 ℃

(8)

使用前加熱區(qū)起點(diǎn)油溫：

t′y0=57.8+0.022×2 000=101.8 ℃

(9)

使用后加熱區(qū)中心點(diǎn)油溫：

ty1=(74+101.8)/2=87.9 ℃

(10)

原油升溫功率：

Q升1=0.058×m×(ty-t0)=0.058×46×(74-57.8)/2=21.6 kW

(11)

稀油升溫功率：

Q升2=0.029×m×(ty-t0)=0.058×45.5×(74-62)/2=15.8 kW

(12)

散熱功率：

Q散1=Q總1-(Q升1+Q升2)=96-(21.6+15.8)=58.6 kW

(13)

由式(5)計(jì)算綜合散熱系數(shù)：

k=Q散1/[(ty1-t0)×h]=58.6×1 000/[(87.9-33)×2 000]=0.534 W/m·K

(14)

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

4.1 礦物絕緣電纜應(yīng)用效果

4.1.1 選井原則

結(jié)合礦物絕緣加熱電纜特點(diǎn)及油田現(xiàn)狀，選擇自噴井和機(jī)抽井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)。自噴井選井要求：①摻稀比1.5～2.5；②自噴井，油壓大于3 MPa；③混合產(chǎn)液量50～100 t/d，且生產(chǎn)穩(wěn)定；④含水<5%。機(jī)抽井選井要求：①摻稀比1.5～2.5；②機(jī)抽井，考慮抽油機(jī)型號(hào)；③混合產(chǎn)液量50～80 t/d，且生產(chǎn)穩(wěn)定；④含水<5%。

4.1.2 降黏試驗(yàn)方案

在保證產(chǎn)量不發(fā)生明顯遞減和稠油上返條件下，下調(diào)摻稀比，直至井口產(chǎn)液黏度與試驗(yàn)前持平?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，最佳摻稀比的確定以井口回壓不超過(guò)2 MPa、油井產(chǎn)量無(wú)明顯遞減且井口產(chǎn)液黏度與加熱前持平，將該摻稀比作為油井最佳摻稀比，并作為試驗(yàn)結(jié)束后保持油井穩(wěn)定生產(chǎn)的摻稀比。

4.1.3 應(yīng)用效果

對(duì)選擇應(yīng)用的7口井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用評(píng)價(jià)，礦物絕緣電纜應(yīng)用效果如表2所示。從表2可以看出，應(yīng)用了礦物絕緣電纜的7口井均出現(xiàn)了摻稀量降低，6口井產(chǎn)油量增加，平均日增油率26.6%，節(jié)約稀油率24.9%。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得如下認(rèn)識(shí)：1)溫度提升能夠降低稀油用量，平均單井節(jié)約稀油30 t；2)生產(chǎn)穩(wěn)定可以增加油井產(chǎn)能，平均單井增加產(chǎn)油8 t；3)功率無(wú)法精細(xì)調(diào)整、能耗較高，平均單井日耗電約5 500 kW·h。

表2 礦物絕緣電纜應(yīng)用效果表

4.2 無(wú)極調(diào)功柜應(yīng)用效果

4.2.1 試驗(yàn)方案

在保證產(chǎn)量穩(wěn)定和稠油不上返的條件下，調(diào)整無(wú)極調(diào)功柜的功率，進(jìn)行不同溫度的調(diào)整探索，最終

確定在一定的功率的條件下，生產(chǎn)情況和耗電量匹配效果好。然后對(duì)比該功率下使用無(wú)極調(diào)功柜前后，該井的井口溫度、日產(chǎn)油、日摻稀、日均耗電量和耗電量下降率等參數(shù)的變化，對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)合生產(chǎn)和能耗情況，選擇在S99、TH12386、TH12445 3口井進(jìn)行試驗(yàn)。

4.2.2 應(yīng)用效果

1)對(duì)比無(wú)極調(diào)功柜使用前，S99井使用后的井口溫度由78 ℃下降到62 ℃，日產(chǎn)油量和日摻稀量基本持平，日均耗電量由4 040 kW·h下降至2 710 kW·h，下降幅度達(dá)到32.9%。

2)對(duì)比無(wú)極調(diào)功柜使用前，TH12386井使用后井口溫度由78 ℃下降到72 ℃，日產(chǎn)油量和日摻稀量和基本持平，日均耗電量由4 690 kW·h下降至3 790 kW·h，下降幅度15.3%。

3)對(duì)比無(wú)極調(diào)功柜使用前，TH12445井使用后井口溫度由68 ℃下降到62 ℃，日產(chǎn)油量基本持平，通過(guò)精細(xì)優(yōu)化摻稀，摻稀量由60 t下降至57 t，稀稠比由2.4下降至2.2，日均耗電量由6 500 kW·h 下降至5 720 kW·h，下降幅度12%。3口井在使用無(wú)極調(diào)功柜前后，平均日耗電量降低1 505 kW·h，平均下降率達(dá)到20.1%，節(jié)約電量效果明顯。

5 結(jié)論

礦物絕緣電纜在塔河油田應(yīng)用7井次，平均單井節(jié)約稀油率24.9%，增油率26.6%，節(jié)約稀油、增油效果明顯，滿(mǎn)足了超深、超稠油井降黏生產(chǎn)需要。配套的無(wú)極調(diào)功柜在塔河油田應(yīng)用3井次，平均單井日耗電量下降率20.1%，節(jié)約電量效果較好，彌補(bǔ)了礦物絕緣電纜能耗高的缺點(diǎn)。對(duì)于超深、超稠油、高液量油井，礦物絕緣電纜具有良好應(yīng)用前景。