連續(xù)油管電纜加熱新技術(shù)研究

賈俊敏

（中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010）

連續(xù)油管電纜加熱清蠟工藝采用的中頻加熱方式，采用的是電伴熱中的集膚效應(yīng)原理。集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)中存在兩種效應(yīng)：一個(gè)是集膚效應(yīng)，一個(gè)是鄰近效應(yīng)。集膚效應(yīng)是指高頻電流通過鐵磁性導(dǎo)體時(shí)，電流集中于導(dǎo)體表面的現(xiàn)象；鄰近效應(yīng)則是指電流在流動過程中，受到附近的導(dǎo)體中電流產(chǎn)生的時(shí)變磁場，從而產(chǎn)生場量分布變化的現(xiàn)象。在集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)中，由于上述兩種現(xiàn)象，電流在伴熱管中的主要集中在內(nèi)表面流動。

集膚效應(yīng)電伴熱的興起是在20世紀(jì)60年代，最初應(yīng)用于日本，后來美國和加拿大應(yīng)用。國內(nèi)最早在20世紀(jì)70年代，大慶油田就成功地將該技術(shù)應(yīng)用于油井清堵及地面管線加熱。20世紀(jì)年80代，寶鋼集團(tuán)一條長10km的重油管線也采用了集膚效應(yīng)電伴熱方法進(jìn)行加熱。2002年，渤海油氣田的渤中13-1平臺向渤中26-2平臺進(jìn)行海底輸油的管道（長約13km）同樣采用了該技術(shù)，但應(yīng)用的均為國外技術(shù)。近年來，國內(nèi)也有許多企業(yè)開始研究和應(yīng)用集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)，但由于連續(xù)油管生產(chǎn)無法國產(chǎn)化的限制，之前并沒有國內(nèi)企業(yè)能將連續(xù)油管與電纜結(jié)合生產(chǎn)出加熱管纜。根據(jù)塔里木油田的實(shí)際工況，研制了材質(zhì)為2205，外徑為31.8，用于防蠟清蠟的連續(xù)管纜，該種連續(xù)管纜由于是國內(nèi)首創(chuàng)，配套研制了連續(xù)油管懸掛器。

1 連續(xù)油管電纜加熱工藝

博孜氣田凝析油蠟含蠟量較高，開采中存在高壓凝析氣井凝析油析蠟造成井筒結(jié)蠟堵塞油管的情況,同時(shí)存在水合物堵塞情況，博孜1JS井試采僅64天三次由于結(jié)蠟及水合物等原因造成管柱堵死而被迫關(guān)井，博孜101、博孜102井生產(chǎn)過程中有不同程度的結(jié)蠟現(xiàn)象，博孜101井投產(chǎn)后生產(chǎn)不到3個(gè)月即蠟堵，清蠟過程中發(fā)現(xiàn)采油樹內(nèi)有大量天然氣水合物和蠟的混合物，現(xiàn)場確認(rèn)，水合物在上升過程中推動安全閥板關(guān)閉造成安全閥控制管線被憋爆，以致目前無法打開井下安全閥，管柱完整性受到破壞。目前，針對高壓凝析氣井國內(nèi)外還沒有成熟可靠、安全的清防蠟工藝技術(shù)。

針對上述問題，如圖1所示，在天然氣生產(chǎn)管柱中下入連續(xù)管纜，利用電感應(yīng)加熱原理將連續(xù)油管變成熱載體，加熱通過油管和連續(xù)管纜環(huán)空的天然氣，使得井筒流體的溫度升高，高于析蠟溫度，實(shí)現(xiàn)消除結(jié)蠟。系統(tǒng)采用懸掛密封井口，加熱連續(xù)管纜,地面配套電源。

2 配套設(shè)備研制及校核

該工藝配套裝置包括連續(xù)管纜專用懸掛器以及井下連續(xù)管纜。如圖2，連續(xù)管纜專用懸掛器主要包括殼體與芯軸兩大部分，其中殼體包括三通懸掛器殼體。根據(jù)博孜區(qū)塊工況要求，連續(xù)管纜加熱井口密封與承載性能需要達(dá)到其設(shè)定的指標(biāo)。密封井口檢測項(xiàng)目為密封井口殼體靜水壓強(qiáng)度、密封井口殼體氣密封測試、密封芯軸與管纜間氣密封性能、密封芯軸與殼體密封性能、三通氣密封測試、密封井口抗上頂/懸掛性能、電纜拉斷實(shí)驗(yàn)。用氣體增壓機(jī)為芯軸打氮?dú)?，打壓?05MPa，穩(wěn)壓15min， 壓 降 1.25MPa，無氣泡，測試合格。通過上頂力測試，測試力12t，保持10分鐘，滑移量小于2mm，卡瓦牙未發(fā)現(xiàn)明顯損傷，測試合格；通過懸掛測試，測試力15t，保持10分鐘，滑移量小于2mm，卡瓦牙未發(fā)現(xiàn)明顯損傷，測試合格；用手壓泵連接拉拔液缸，加壓至引出電纜拉斷或拉出為止，手動試壓泵打壓至10MPa，電纜桿順利拉出，達(dá)到設(shè)計(jì)要求(≤21MPa)。

如圖3所示，連續(xù)管纜設(shè)計(jì)參數(shù)為：內(nèi)芯95mm2（直徑10.7mm）的銅絞線；絕緣材料4.8mm+填充材料+0.4mm鋼帶裝鎧，耐溫200℃；規(guī)格為31.8mm×2.8mm 2205-90連續(xù)油管。

對井口懸掛裝置進(jìn)行了受力計(jì)算，壓力載荷傳遞流程圖如圖4所示，載荷傳遞主要包括井壓作用受力傳遞和連續(xù)油管重力受力傳遞兩部分，通過對芯軸頂絲等部件進(jìn)行校核，均滿足強(qiáng)度要求。

圖1 連續(xù)管纜電加熱防清蠟工藝技術(shù)原理圖

圖2 連續(xù)管纜專用懸掛器設(shè)計(jì)圖

圖3 連續(xù)管纜設(shè)計(jì)截面圖

圖4 壓力載荷傳遞流程圖

芯軸受力計(jì)算如圖5所示，F(xiàn)1為頂絲壓緊力，F(xiàn)2為芯軸整體上頂力，F(xiàn)3為油管上頂力，F(xiàn)4為芯軸上頂力，芯軸密封面直徑72mm，F(xiàn)5為油管自重，管纜3.618kg/m，下深2000m，井口最大壓力105MPa，F(xiàn)1與F5夾角50°，經(jīng) 計(jì) 算 F2=427291N，F(xiàn)3=83090N（ 管 纜 外 徑 31.75mm），F(xiàn)4=344201N，F(xiàn)5=70913N，頂絲的壓緊力F1=92404N，滿足強(qiáng)度要求。

圖5 芯軸受力分析圖

頂絲強(qiáng)度校核如圖6所示，X軸受力平衡方程:F0＝70785N，頂絲上緊力矩T=337N.m，K為接觸系數(shù)0.2，D為螺紋大徑23.8mm，頂絲X軸向的剪切F1＇=F1cosθ=59396N，頂絲剪切強(qiáng)度τs=800MPa許用剪切應(yīng)力[τ]=530MPa，頂絲剪切應(yīng)力τ=327.5MPa＜[τ]=530MPa，頂絲工作時(shí)剪切截面直徑15.2mm滿足要求。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)及效果

圖6 頂絲受力分析圖

博孜XXX井生產(chǎn)套管7?”寸下深至6167m，5?”尾管下深至6950m；生產(chǎn)油管4?”下至4536m，3?”下至6886m；井底溫度127.7℃，壓力116.1MPa；日產(chǎn)氣10×104m3，日產(chǎn)液10m3，含水4%。取鋼材換熱系數(shù)50 W/m/K，水換熱系數(shù)6W/m/K，地層導(dǎo)熱系數(shù)1.9W/m/K，蠟導(dǎo)熱系數(shù)0.12W/m/K，地層恒溫外徑787mm，如表1所示，該井2018年3月放噴，油壓31MPa，溫度15.32～12.64℃,產(chǎn)氣1.61×104m3/d,產(chǎn)液40m3/d,含水57%。

表1 博孜XXX井生產(chǎn)初始生產(chǎn)數(shù)據(jù)

根據(jù)該井工藝參數(shù)進(jìn)行了井口溫度計(jì)算（見表2），計(jì)算輸入功率0kW時(shí)溫度與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)相同。該井8月29日通井，9月1日下完連續(xù)管纜，9月2日完成安裝，并通電調(diào)試，9月3日15:00開井放噴，16:45開加熱，功率100kW。9月3日測試油壓63.5MPa,產(chǎn)量12.2×104m3,井口溫度24.5℃，與設(shè)計(jì)計(jì)算井口接近，9月4日16:00關(guān)井完成測試，測試階段井口溫度變化如圖7所示，實(shí)際井口溫度超過了該井結(jié)蠟溫度，也超過了水合物形成臨界溫度，達(dá)到了預(yù)期效果。

表2 計(jì)算不同功率下井口溫度

圖7 井口溫度監(jiān)測曲線

4 結(jié)論及建議

（1）氣井中下入連續(xù)管纜進(jìn)行加熱可以有效地提高井筒溫度，防止井筒結(jié)蠟或形成水合物，避免井筒堵塞，對于高壓氣井生產(chǎn)有重要意義。

（2）高壓氣井井口連續(xù)油管電纜懸掛裝置能夠耐壓105MPa，滿足高壓氣井井筒完整性要求。

（3）現(xiàn)場試驗(yàn)效果良好，達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)，該技術(shù)可推廣應(yīng)用，建議進(jìn)一步完善工藝參數(shù)設(shè)計(jì)方法。