油井結(jié)蠟規(guī)律及熱洗方式對比研究

林日億, 張建亮, 李軒宇, 王新偉, 楊 勇, 許德廣, 張 江

(1.中國石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國石油大學(xué)(華東)山東省油氣儲運(yùn)安全省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266580; 3.中海油田服務(wù)股份有限公司,天津 300459; 4.中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機(jī)械制造分公司,遼寧盤錦 124209; 5.中國石化集團(tuán)勝利石油管理局有限公司新能源開發(fā)中心,山東東營 257000;6.中國石化勝利油田分公司現(xiàn)河采油廠,山東東營 257000)

史深100區(qū)塊的主要特點(diǎn)之一為含蠟量高,溫度較高時,蠟組分完全溶解在原油中,隨著開采出的原油在井筒中上升,原油中的蠟含量超出了溶解飽和度,蠟組分便開始結(jié)晶析出,形成結(jié)蠟層。這會導(dǎo)致井筒流通通道減小,降低油井產(chǎn)量,甚至造成油井停產(chǎn)[1]。該區(qū)塊2017年年度需求1 512井次,制約熱洗參數(shù)優(yōu)化和技術(shù)界限確定的主要原因有兩個:一是油井結(jié)蠟規(guī)律的不明確;二是不同熱洗方式溫度場分布規(guī)律不明確。目前熱流體循環(huán)清蠟工藝是現(xiàn)河采油廠解決油井結(jié)蠟難題的主導(dǎo)工藝。許多學(xué)者對結(jié)蠟機(jī)制及規(guī)律做了相應(yīng)研究,Burger等[2]和Bhattacharya 等[3]給出了考慮分子擴(kuò)散和剪切彌散效應(yīng)的蠟沉積公式;Hamouda等[4]引入蠟沉積傾向系數(shù)概念;Hsu等[5]引入臨界蠟強(qiáng)度的定義;黃啟玉等[6-7]通過試驗(yàn)給出考慮分子擴(kuò)散和剪切剝離的蠟沉積計(jì)算公式。對于井筒溫度場的計(jì)算,Ramey等[8]提出總傳熱系數(shù)這一概念;Willhite等[9]在Ramey的基礎(chǔ)上修正了環(huán)空流體對流換熱系數(shù)及環(huán)空流體的輻射系數(shù);劉杰等[10]基于能量守恒傳熱理論,得到了單相流體和氣液兩相流的溫度分布;蘇泉等[11]建立了井筒溫度、壓力場耦合數(shù)學(xué)模型;肖香嬌等[12]的研究表明井底至井口的溫度計(jì)算模型精確度更高;張韜[13]修正了環(huán)空內(nèi)流體對流換熱和輻射換熱系數(shù);張智等[14]探究了油、套管、水泥環(huán)和地層的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系。井筒溫度場模型及結(jié)蠟?zāi)Ｐ椭苯討?yīng)用于史深100區(qū)塊熱洗清蠟工藝計(jì)算精度偏差較大,筆者探究史3-3-11井的油樣主要性質(zhì),采用黃啟玉等結(jié)蠟?zāi)Ｐ蛯τ蜆舆M(jìn)行結(jié)蠟速率確定,確定熱洗周期;建立井筒溫度場模型,得到不同熱洗方式對應(yīng)的熱洗時間及用水量;對熱洗結(jié)果進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性及能耗分析,確定最佳的熱洗參數(shù)。

1 樣品性質(zhì)及析蠟規(guī)律

1.1 油樣的黏溫性質(zhì)和析蠟點(diǎn)測定

試驗(yàn)原料為現(xiàn)河油井史3-3-11的油樣,首先將油樣在50～60 ℃的烘箱中將油樣烘開,攪拌均勻,裝入旋轉(zhuǎn)黏度管中;接通恒溫水循環(huán)器與旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測量系統(tǒng),將試樣升溫至50～60 ℃,恒溫10 min;以1 ℃/min的速率連續(xù)降溫,同時開動旋轉(zhuǎn)黏度計(jì),測定各溫度下的黏度;繪制各溫度下所對應(yīng)的黏度,即可得到試樣的黏溫曲線,結(jié)蠟的對應(yīng)溫度即為原油的析蠟點(diǎn),具體操作步驟參照SY/T 0522-2008《原油析蠟點(diǎn)測定旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法》,每個溫度點(diǎn)下原油黏度進(jìn)行了4組試驗(yàn)取算術(shù)平均值,得到樣品的黏溫曲線,如圖1所示。

圖1 史3-3-11油樣黏溫曲線Fig.1 Shi 3-3-11 oil sample viscosity-temperature curve

試驗(yàn)測得史3-3-11油樣的析蠟點(diǎn)為52.1 ℃,圖1為史3-3-11油樣的黏溫曲線。當(dāng)油溫高于60 ℃時,原油無蠟晶析出,黏度隨溫度變化影響不大。隨著油溫降低,原油在50 ℃左右出現(xiàn)析蠟,黏度逐漸增大,當(dāng)油溫降低至35 ℃左右時,黏度隨溫度的降低開始迅速增大。

1.2 旋轉(zhuǎn)式原油結(jié)蠟速率確定

圖2為控制應(yīng)力型旋轉(zhuǎn)式原油結(jié)蠟試驗(yàn)裝置,主要由扭矩傳感器、電機(jī)傳送帶、外筒(樣品筒)、內(nèi)筒(結(jié)蠟筒)、升降機(jī)構(gòu)、恒溫水浴(2個)以及冷卻系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等組成。

圖2 旋轉(zhuǎn)式原油結(jié)蠟裝置Fig.2 Rotary crude oil waxing device

試驗(yàn)時,將史3-3-11的油樣(約1.5 L)放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中,50 ℃保溫,以使油樣成分、溫度混合均勻;調(diào)節(jié)恒溫水浴,從而使內(nèi)筒(結(jié)蠟筒)外壁的壁溫略低于外筒(樣品筒)內(nèi)壁附近油溫且小于原油油樣的析蠟點(diǎn);通過配套軟件設(shè)定不同樣品筒轉(zhuǎn)速;把結(jié)蠟簡溫度設(shè)為冷卻盤管水溫后，通過結(jié)蠟筒升降機(jī)構(gòu)將結(jié)蠟筒慢慢降入樣品筒中,維持1 h;試驗(yàn)結(jié)束后,通過升降機(jī)構(gòu)迅速將結(jié)蠟筒升至導(dǎo)軌頂端,用卷尺測出結(jié)蠟層高度,當(dāng)液態(tài)油不再從內(nèi)筒外壁底部滴下時,用試驗(yàn)用紙將壁面上的沉積物擦凈,進(jìn)而可以稱量出在給定試驗(yàn)條件下結(jié)蠟筒壁面產(chǎn)生的沉淀物和凝油層的質(zhì)量,對其作差除以2便得到單位時間結(jié)蠟量,根據(jù)結(jié)蠟桶的壁面面積,求得試驗(yàn)條件下蠟沉積速率。由旋轉(zhuǎn)式原油結(jié)蠟試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表1)，按照黃啟玉等[6]文中的原油普適性結(jié)蠟?zāi)Ｐ?用最小二乘法進(jìn)行線性擬合,得到該模型的3個參數(shù)k、m和n,分別為 15.6、-0.178和0.339 2,從而得到原油蠟沉積模型為

(1)

表1 史3-3-11原油結(jié)蠟試驗(yàn)數(shù)據(jù)

式中,W為結(jié)蠟速率,g/(m2·h);τ為管壁剪切應(yīng)力,Pa;μ為管壁處原油黏度,mPa·s;dC/dT為蠟晶溶解度系數(shù),10-3/℃;dT/dr為管壁處溫度梯度,℃/mm。

表2為井史3-3-11采用空心桿和實(shí)心桿結(jié)構(gòu)時在不同天數(shù)下的結(jié)蠟計(jì)算結(jié)果。

表2 史3-3-11不同結(jié)構(gòu)結(jié)蠟計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of paraffin deposit of Shi 3-3-11 in different structure

2 數(shù)學(xué)模型建立

2.1 熱洗原理

圖3為空心桿熱洗及套管熱洗的工藝示意圖,熱洗過程中熱水通過空心桿或油套環(huán)空注入。由圖3可以看出,采用空心桿熱洗方式時,熱水在電泵處與產(chǎn)出液混合經(jīng)油管到達(dá)井口;采用套管熱洗方式時,熱水從套管注入,在電泵處與產(chǎn)出液混合經(jīng)油管到達(dá)井口。沿程的混合流體溫度高于蠟的熔點(diǎn)溫度,可達(dá)到除蠟?zāi)康摹?/p>

圖3 不同注水流量下井筒溫度場分布及對應(yīng)的熱洗時間和用水量Fig.3 Temperature field distribution of wellbore at different water injection and corresponding heat wash time and water consumption

2.2 溫度場計(jì)算模型

為簡化井筒的復(fù)雜情況,做出一定假設(shè)如下:①井口產(chǎn)出液的壓力、溫度保持不變,動液面在一定時間內(nèi)保持不變;②油管與套管形成的環(huán)形空間充滿低壓空氣;③將井筒的徑向傳熱看作是由油管中心到水泥環(huán)外緣的一維穩(wěn)態(tài)傳熱和水泥環(huán)外緣到地層之間的一維非穩(wěn)態(tài)傳熱;④忽略地層導(dǎo)熱系數(shù)沿井深方向的變化,并視為一個常數(shù);⑤油井以定量生產(chǎn);⑥井筒管柱材料、結(jié)構(gòu)、尺寸和熱物理性質(zhì)均勻一致;⑦考慮結(jié)蠟引起的油管傳熱系數(shù)改變,且溫度高于析蠟點(diǎn)的蠟層的導(dǎo)熱系數(shù)為恒定。

采用空心桿熱洗方式時,熱水從空心桿中注入,從油管返回,空心桿中的熱水向油管中流動的導(dǎo)熱量為Q1,油管中流體向地層的傳熱量為Q2;對于套管熱洗,熱水從油套環(huán)空注入,從油管中返回,油套環(huán)空中的熱水向油管中流體傳熱,并向地層傳熱。以空心桿熱洗過程為例,根據(jù)圖3(a),熱水從空心抽油桿中注入,從油管中返回,油管中的流體為水油混合物。沿井深方向取微元長度dz,根據(jù)能量平衡[15]可得

(2)

其中

te=ta+adz.

3 計(jì)算實(shí)例

史3-3-11井的生產(chǎn)參數(shù)如下:井深3 200 m,空心桿下入深度600 m,產(chǎn)液量7.7 m3/d,產(chǎn)油量5.6 m3/d,含水率26%,原油黏度(平均)33.3 mPa·s,泵掛深度1 800 m,動液面1 547 m;管柱參數(shù):空心抽油桿內(nèi)徑22 mm,空心抽油桿外徑36 mm,油管外徑89 mm,套管外徑139.7 mm;機(jī)采參數(shù):泵徑44 mm,沖程3.93 m,沖次2.11次/min。其他參數(shù):地表溫度20 ℃,地溫梯度0.033 ℃/m,地層導(dǎo)熱系數(shù)3.13 W/(m·℃),水泥環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)0.35 W/(m·℃),空心桿熱系數(shù)42.9 W/(m·℃),空心桿下降深度600 m。將計(jì)算得到的史3-3-11結(jié)蠟情況嵌入到模型中,迭代計(jì)算井筒溫度場、熔蠟時間及熱洗用水量,分析不同熱洗參數(shù)的敏感性。

3.1 注水溫度敏感性

以空心桿熱洗的方式為例,其他條件不變時,只改變注水溫度這一因素,探究不同的注水溫度(80 ℃的注水溫度為保證井筒溫度場可以正常熔蠟的最低溫度)對井筒進(jìn)回水溫度場和熱洗用水量的影響,見圖4。井筒溫度場受油、套管導(dǎo)熱系數(shù)、注水溫度、原油黏度及注水流量的影響,油管與套管導(dǎo)熱系數(shù)的誤差通常小于10%,注水溫度的誤差取±0.5 ℃,注水流量的誤差取5%。圖4中用誤差棒表示溫度場、用水量及熱洗時間波動范圍。由圖4(a)可以看出,注水溫度分別為80、90、100 ℃時,油管產(chǎn)出液的溫度分別為62.5、69.3、75.9 ℃,產(chǎn)出液溫度的提升幅度由10.9%降低至9.5%,這是由于升高注水溫度過程中油管產(chǎn)出液與地層的溫差變大導(dǎo)致井筒散熱增加,產(chǎn)出液的溫度場增加速度逐漸變小,較高的產(chǎn)出液溫度場能降低熱洗時間及用水量,但會增加鍋爐加熱成本。圖4(b)為結(jié)蠟50 d后不同注水溫度下空心桿熱洗結(jié)果,注水溫度分別為80、90、100 ℃時,熱洗時間及用水量分別為2.338 h(4.676 t)、2.091 h(4.182 t)和1.906 h(3.812 t);注水溫度由80 ℃提升至90 ℃時,用水量降低10.56%,注水溫度由90 ℃提升至100 ℃時,用水量降低8.8%。因此隨注水溫度上升,用水量的成本收益逐漸降低且鍋爐加熱成本增加,這說明較高的注水溫度會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性收益變差。

圖4 不同熱洗方式、熱洗條件下熱洗時間及用水量對比Fig.4 Comparison of hot washing time and water consumption by different hot washing methods under different hot washing conditions

3.2 注水流量敏感性

以空心桿熱洗方式為例,其他條件不變時,只改變注水流量這一因素,研究不同的注水流量(2 t/h的注水流量為保證油田罐車可以正常周轉(zhuǎn)的最低流量)對井筒進(jìn)回水溫度場和熱洗用水量的影響(圖5)。誤差分析與注水溫度敏感性的分析方法相同,由圖5(a)可以看出,注水流量分別取2、3和 4 t/h時,油管產(chǎn)出液的溫度分別為62.8、67.1和69.6 ℃,產(chǎn)出液溫度得到提升,這是由于隨注水流量增加,流體的質(zhì)量流量變大,油管內(nèi)產(chǎn)出液的熱焓值增加,因此產(chǎn)出液的溫度場相應(yīng)變高,這會降低熱洗時間,有利于清蠟,但會增加用水及鍋爐加熱成本。圖5(b)為史3-3-11結(jié)蠟50 d時不同注水流量下空心桿熱洗結(jié)果,注水溫度分別為2、3和4 t/h時,熱洗時間及用水量分別為2.338 h(4.676 t)、1.879 h(5.637 t)和1.649 h(6.596 t),表明隨注水流量上升,熱洗時間雖然降低,但熱洗用水量明顯增加,經(jīng)濟(jì)性收益變差。

圖5 不同熱洗參數(shù)下洗井費(fèi)用及熱效率Fig.5 Well washing cost and thermal efficiency under different heat washing parameters

3.3 不同熱洗方式結(jié)果對比

以結(jié)蠟50 d的蠟層厚度為例進(jìn)行空心桿和套管熱洗計(jì)算,圖6中橫坐標(biāo)80和2分別為80 ℃注水溫度及2 t/h的注水流量。由圖6可以看出,采用空心桿熱洗方式的熱洗時間和熱洗用水量明顯低于套管熱洗方式,空心桿熱洗的用水量相當(dāng)于套管熱洗用水量的20%～30%,空心桿熱洗時間相當(dāng)于套管熱洗時間的60%～80%。當(dāng)熱洗過程注水溫度為100 ℃,注水流量為4 t/h時,熱洗時間最短為1.2 h;當(dāng)熱洗過程注水溫度為100 ℃,注水流量為2 t/h時,用水量最少為3.6 t。但熱洗過程的經(jīng)濟(jì)性主要由用水成本及鍋爐加熱成本決定,較高的注水溫度,會提高井筒進(jìn)回水溫度場,降低熱洗時間,降低用水量,但會增加鍋爐加熱成本;較大注水流量也可以間接提高進(jìn)回水溫度場,降低熱洗時間,但會增大用水量成本和鍋爐成本。

圖6 不同熱洗方式、熱洗條件下熱洗時間及用水量對比Fig.6 Comparison of hot washing time and water consumption by different hot washing methods under different hot washing conditions

3.4 經(jīng)濟(jì)性分析

對熱洗過程中不同的注水溫度及流量進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析,清蠟過程中消耗的洗井液為

Mh=Qht.

(3)

式中,Mh為消耗的洗井液,kg;Qh為熱洗過程中的注水質(zhì)量流量,kg/s;t為熱洗時間,s。

假設(shè)洗井液從20 ℃開始加熱,加熱到穩(wěn)定溫度Th時不再加熱,則消耗的洗井液熱能為

Qj=cMh(Th-20).

(4)

式中,Qj為熱洗過程消耗熱能,kJ;c為水的比熱容,kJ·(kg·K)-1;Th為熱洗液終溫,℃。

配備補(bǔ)水自動打壓功能的洗井車洗井時的平均功率為2 W/s,工業(yè)用電費(fèi)用按照1元/(kW·h),則洗井過程中洗井車所需要的費(fèi)用為

C1=KctS.

(5)

式中,C1為洗井車所需要費(fèi)用,元;Kc為洗井車工作時的平均功率,kW/s;t為洗井車工作時間,h;S為工業(yè)用電每度電的費(fèi)用,元。

為了方便計(jì)算,將熱能消耗全部假設(shè)為電能消耗來計(jì)算洗井費(fèi)用,則用水量反映出的費(fèi)用為

C2=QjS/3 600.

(6)

式中,C2為用水量反映出的用電費(fèi)用,元。

則總費(fèi)用C為

C=C1+C2.

(7)

對清蠟過程中不同的熱洗參數(shù)進(jìn)行熱效率分析,不同深度所結(jié)的蠟熔化需要的熱量為

(8)

式中,x1為開始結(jié)蠟的深度,m;x2為井口深度,m;t1和t2分別為蠟的初始溫度和熔化溫度,℃。

蠟層的初始溫度t1與深度x有關(guān),取地層溫度梯度為3.133,則蠟層初始溫度為

t1=D+3.133x.

(9)

式中,D為地表溫度,℃;x為蠟層所處井筒深度,m。

熱洗效率為

η=Ql/Qj.

(10)

式中,η為熱洗效率;Ql為洗井過程中蠟吸收的熱量,kJ。

圖7為不同熱洗參數(shù)下洗井費(fèi)用及熱效率。從圖7中可以看出,空心桿熱洗的費(fèi)用明顯低于套管熱洗,熱效率明顯高于套管熱洗。當(dāng)注水溫度為80 ℃,注水流量為2 t/h時,單次熱洗的費(fèi)用最低,為363元,熱效率最高,為4.53%。當(dāng)注水溫度一定時,增大注水流量,會增加洗井費(fèi)用,降低熱效率,因此流量越小越好,但流量過小會增加洗井時長,使有限的油田罐車工作效率過低,根據(jù)現(xiàn)河地區(qū)的實(shí)際情況,取最小注水流量為2 t/h。流量一定時,隨熱洗溫度升高,熱洗費(fèi)用小幅增加,熱效率緩慢下降,針對現(xiàn)河地區(qū),為滿足結(jié)蠟深度的井筒溫度場高于熔蠟點(diǎn),最低注水溫度取80 ℃,因此80 ℃的注水溫度,2 t/h的注水流量為現(xiàn)河地區(qū)空心桿熱洗的最佳熱洗參數(shù)。

圖7 不同熱洗參數(shù)下洗井費(fèi)用及熱效率Fig.7 Well washing cost and thermal efficiency under different heat washing parameters

4 結(jié) 論

(1)井史3-3-11油樣黏度較高,當(dāng)溫度低于40℃時,原油黏度較高,原油析蠟點(diǎn)為52.1 ℃,井筒結(jié)蠟現(xiàn)象較為嚴(yán)重;得到黏溫曲線及溶解度曲線,獲得溫度梯度和速度梯度及該井在不同天數(shù)、不同熱洗結(jié)構(gòu)下的結(jié)蠟情況。

(2)空心桿熱洗充分利用油套環(huán)空的隔熱效果防止熱量大量向地層散失,使產(chǎn)出液在井筒中維持較高的溫度;另外空心桿的體積較小,該工藝也會使循環(huán)熱水量減少,空心桿熱洗相比于套管熱洗節(jié)能降耗的效果明顯;對比空心桿熱洗與套管熱洗的熱洗時間及用水量,空心桿熱洗降低了熱洗時間,大大降低用水量,提高熱洗效率,針對某地區(qū)井史3-3-11,80 ℃的注水溫度以及2 t/h的注水流量為最佳熱洗參數(shù)。