楊銳（中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中心）

我國(guó)的一些油田原油含膠質(zhì)瀝青、石臘較高，在開(kāi)采這種稠油時(shí)，會(huì)使抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率加大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀電動(dòng)機(jī)，甚至造成拉斷抽油桿使油井報(bào)廢的事故。對(duì)稠油井加熱是解決這一問(wèn)題的最常用方法。以前采用的多是工頻電加熱，因?yàn)閱蜗喙ゎl電加熱會(huì)造成電網(wǎng)不平衡對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，智能式中頻電熱采油技術(shù)解決了這一問(wèn)題，并且采油效率高、能耗低。

1 技術(shù)裝置的構(gòu)成與工作原理

1.1 構(gòu)成

智能式中頻電加熱采油技術(shù)裝置，由四大部分構(gòu)成：程控中頻電源、空心抽油桿、鋼鎧電纜和空心抽油泵，見(jiàn)圖1。

圖1 智能式中頻電熱采油系統(tǒng)示意圖

1）程控中頻電源。程控中頻電源分左右兩室，左室為機(jī)芯、斷路器和控制板；右室為環(huán)形中頻變壓器和電容，彼此用隔板隔開(kāi)，上下方均有散熱通風(fēng)道。它是一種用電力電子器件－IGBT把50 Hz的工頻電流轉(zhuǎn)換成中頻電流的裝置。

2）空心抽油桿[1]。空心抽油桿除了將抽油機(jī)的動(dòng)力傳給抽油泵，抽吸井液外，可讓加熱器－鋼鎧電纜穿過(guò)泵筒，下到泵下加熱深度。通電后加熱井筒油流，降粘減阻。目前應(yīng)用的空心抽油桿，均為連結(jié)式，其規(guī)格性能見(jiàn)表1。

表1 空心抽油桿規(guī)格、性能

3）鋼鎧電纜。鋼鎧電纜又稱(chēng)電加熱器，它是用金屬無(wú)縫管做護(hù)套，以Φ6.5 TV-1型銅棒為芯線，環(huán)空以耐高溫絕緣材料充填壓實(shí)，并配以結(jié)構(gòu)件組成。鋼鎧電纜是本裝置的核心加熱部件，其主要技術(shù)特點(diǎn)：耐溫-30～＋250℃，耐交流電壓2000V，抗拉強(qiáng)度390N/mm2，使用壽命大于等于2年。

4）空心環(huán)流泵?？招沫h(huán)流泵是實(shí)現(xiàn)泵下加熱、降黏的關(guān)鍵技術(shù)，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。主要由泵筒系統(tǒng)和柱塞系統(tǒng)組成。泵筒系統(tǒng)包括泵筒、固定閥外殼、導(dǎo)流擋塊、護(hù)管等組成；柱塞系統(tǒng)由加長(zhǎng)桿、柱塞中心桿、柱塞、柱塞閥座、柱塞閥體、固定閥體、滑動(dòng)密封套、滑動(dòng)密封桿等組成。其主要技術(shù)參見(jiàn)表2。

圖2 空心環(huán)流泵結(jié)構(gòu)示意圖

表2 空心泵主要技術(shù)參數(shù)

1.2 中頻電熱采油工作原理

首先，將輸入380 V、50Hz的工頻電流，經(jīng)三相橋式整流，濾波后變成530 V直流電，再經(jīng)主回路和控制回路逆變成500～2500 Hz的單相交流電，最后由中頻變壓器的副邊輸送到油井加熱電纜，為集膚效應(yīng)電熱采油提供電源見(jiàn)圖3。通過(guò)鋼纜芯線直到井底（加熱深度點(diǎn)）。再通過(guò)回路接頭與其外護(hù)管形成回路。通電后，使兩個(gè)載流導(dǎo)體，基本上形成電流方向相反，大小相等的條件。

圖3 智能式程控中頻電源工作原理簡(jiǎn)圖

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)中頻電流通過(guò)鋼纜芯線時(shí)，在電磁場(chǎng)的作用和影響下產(chǎn)生磁力線切割外導(dǎo)體，使護(hù)套鋼管產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)并垂直于感應(yīng)線。

表面內(nèi)引起感應(yīng)電流（渦流），使鋼管發(fā)熱，其電熱（E）可由公式（1）算出：

式中：k—綜合系數(shù)；f—交流電的頻率；∮—交變磁通量的最大值。

由于這種回路的特殊結(jié)構(gòu)，可同時(shí)產(chǎn)生：

◇集膚效應(yīng)：使電流集中在外護(hù)管內(nèi)膚壁較薄層流出，從而大幅度增加了交流阻抗。

◇親近效應(yīng)：即使護(hù)管外表面不帶電，漏磁通少。

◇發(fā)熱效應(yīng)：即當(dāng)f大于等于500 Hz時(shí)的中心導(dǎo)體－芯線幾乎不發(fā)熱。

在感應(yīng)電勢(shì)作用下，外護(hù)管內(nèi)壁產(chǎn)生的渦流（I），環(huán)路電阻（R），環(huán)路電抗（X），有如下關(guān)系：

從上式看出：回路系統(tǒng)內(nèi)所產(chǎn)生的渦流（I）的大小與感應(yīng)電勢(shì)成正比，與回路阻抗成反比。當(dāng)回路阻抗確定的情況下，則發(fā)熱量與感應(yīng)電勢(shì)（E）成正比，而（E）僅與f有關(guān)。尤其f值，工頻與中頻相差10～50倍，故中頻電熱效率高。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，f值應(yīng)選擇合理范圍。

2 技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍

2.1 技術(shù)特點(diǎn)

智能中頻電熱采油技術(shù)，是在工頻電熱采油技術(shù)基礎(chǔ)上研制的。因此，除具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，調(diào)整靈活的技術(shù)特點(diǎn)外還有：

1）適應(yīng)范圍大，泵上、泵下均可加熱，且加熱深度可達(dá)2500m，耐溫達(dá)280℃。

2）既可保證電網(wǎng)平衡，又節(jié)能。多口井現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)試驗(yàn)表明比工頻電熱采油節(jié)能20%～40%。

3）抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行可靠，使用壽命長(zhǎng)。

4）空心環(huán)流泵的柱塞閥是采用機(jī)械強(qiáng)制性開(kāi)閉，而固定閥是靠磨擦力和自重半機(jī)械化開(kāi)啟，泵的充滿(mǎn)系數(shù)高，可防止氣鎖，因此泵效高。同時(shí)在提泵時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泄油，不用泄油器。

5）該裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)井口加熱溫度，或加熱電流，進(jìn)行智能控制。

智能中頻電熱采油技術(shù)的特點(diǎn)表明，該技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)外電熱采油技術(shù)的方法中是最先進(jìn)的。

2.2 應(yīng)用范圍

智能中頻電熱采油技術(shù)，當(dāng)然也適用泵上電熱采油。由于加熱深度、加熱功率可根據(jù)油井的實(shí)際生產(chǎn)狀況來(lái)調(diào)整、控制。耐溫性能好，因此其應(yīng)用范圍較廣，凡是稠油、高凝油生產(chǎn)井，在生產(chǎn)過(guò)程中，需要對(duì)井筒油流加熱降粘的井均可應(yīng)用[2]。

3 電熱采油主要技術(shù)參數(shù)的確定

智能中頻電熱采油配套裝置，輸出功率范圍大（≤140 kW），完全可以滿(mǎn)足各類(lèi)稠油井、高凝油井的生產(chǎn)需要。由于每口電熱采油井的生產(chǎn)條件不同，故在生產(chǎn)運(yùn)行中電熱采油的技術(shù)參數(shù)亦不同。這就需要根據(jù)油井的具體地質(zhì)、采油條件，來(lái)確定相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)。主要包括：加熱深度、井口出油溫度和所需加熱電功率。這些參數(shù)的確定，是選擇程控中頻電源的規(guī)格和正常運(yùn)行參數(shù)調(diào)整、控制的基礎(chǔ)。

3.1 加熱深度的確定

對(duì)于淺井（井深小于1000m），因油層埋藏淺、自然溫度低、油稠，特別是高凝油，甚至低于凝固點(diǎn)溫度。其加熱深度一般要求在油層部位。這樣既能對(duì)井底原油加熱，又可以對(duì)近井地帶油層產(chǎn)生熱影響。

對(duì)于中深井（井深1000～2000m），這些井一般油層自然溫度較高，甚至在稠油的拐點(diǎn)溫度以上（或高凝油凝固點(diǎn)以上），流動(dòng)性相對(duì)好一些。其加熱深度可控制在目前技術(shù)允許的范圍內(nèi)。如果把稠油的拐點(diǎn)溫度確定為井筒油流的最低溫度時(shí)，可根據(jù)公式（3），來(lái)計(jì)算任一口井所需的加熱深度。

式中：

L——所需加熱深度，m；

a——常數(shù)（地區(qū)年平均地表溫度），℃；

d——該油區(qū)的地溫梯度，℃/100m；

T——本井稠油的拐點(diǎn)溫度，℃。

計(jì)算結(jié)果，當(dāng)L≥油井深度時(shí)，則說(shuō)明該井所需加熱深度均為油層深度。圖4是根據(jù)不同的地溫梯度和相應(yīng)的稠油拐點(diǎn)溫度繪制的L、T、d關(guān)系曲線（當(dāng)a=10℃）。如果已知a、d和T值就可以查出相應(yīng)的L值，即加熱深度值。

由圖4看出，在地溫梯度相同的條件下，稠油的拐點(diǎn)溫度越高，則所要求的加熱深度越深。如果稠油的拐點(diǎn)溫度相同，那么地溫梯度越小，則所需加熱深度越深。

3.2 加熱溫度的確定

原油由井底舉升到地面，是一個(gè)降壓、脫氣、降溫、稠變的過(guò)程。而稠油對(duì)溫度有較高的敏感性，即當(dāng)稠油的溫度達(dá)到一定值后，其黏度將隨著溫度下降而急劇上升，迅速稠化，通常把這個(gè)定值溫度叫做稠油的拐點(diǎn)溫度。實(shí)踐資料證明，不同類(lèi)型的稠油，其拐點(diǎn)溫度不同，拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的黏度也不同，圖5是不同類(lèi)型稠油的黏溫關(guān)系曲線。由曲線明顯看出隨著原油的性質(zhì)變好，其拐點(diǎn)溫度下降。某油田區(qū)塊35-40井、冷41井為超稠油，拐點(diǎn)溫度64～68℃，而34-20井、37-168井為特稠油，拐點(diǎn)溫度為60～62℃，其余為普通稠油，拐點(diǎn)溫度小于55℃。要使稠油在舉升過(guò)程中，能具有較好的流動(dòng)性，并防止由于井筒溫度低于拐點(diǎn)溫度而急劇變稠，使抽油機(jī)負(fù)荷突然增大而帶來(lái)危害，保證油井正常生產(chǎn)。因此要求在舉升過(guò)程中，油流溫度要保持在拐點(diǎn)溫度以上，這樣才能獲得較好的生產(chǎn)效果[3]。

3.3 加熱電功率的確定

根據(jù)電、熱能量的轉(zhuǎn)換原理，其所需加熱電功率（P），應(yīng)等于油流從井底舉升到井口增溫所消耗的電功率P1，與在該過(guò)程中向地層方向所損失的電功率P2之和，即:

由電熱平衡原理知：

式中：

Q——產(chǎn)量，kg/s；

λ——原油的比熱容，λ=2.09 kJ/（kg·K）；T1、T0——分別為井口和井底原油溫度（加熱深度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的），K；

R——徑向總熱阻（即從油管內(nèi)壁至巖層自然溫度點(diǎn)的總熱阻），Ω；

Δt——油管內(nèi)壁到巖層的自然溫度點(diǎn)的溫差，K；

L——加熱深度，m。

所以，

式中Δt/R值從理論上是可以計(jì)算出來(lái)的，但過(guò)程復(fù)雜，需要求出各傳熱介質(zhì)的導(dǎo)熱能力，加熱后井筒溫度場(chǎng)的分布變化規(guī)律，影響因素較多，有些參數(shù)很難確定，為此，對(duì)（7）式進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

假設(shè)井底和井口溫度相等，即沿軸向熱能不變，則公式（7）可簡(jiǎn)化為：

即加熱功率全部用來(lái)彌補(bǔ)井筒徑向熱損失。也可以說(shuō)這是泵電加熱的最低加熱功率。若令Δt/R=A，則P=AL，或A=P/L，此時(shí)A值的含意是：?jiǎn)挝患訜嵘疃葟较蚬β氏摹?/p>

根據(jù)智能中頻電熱采油井的生產(chǎn)運(yùn)行資料分析，在一定條件下（地質(zhì)、完井情況相近），在生產(chǎn)過(guò)程中，單位加熱深度徑向熱損失，即A值，一般在0.07～0.10（kW/m）。表3為曙一區(qū)6口電熱井A值統(tǒng)計(jì)表。平均A值為0.087 kW/m。這樣，對(duì)某油區(qū)油井設(shè)計(jì)所需加熱功率時(shí)，將A值代入公式（8），即可得出。

表3 部分電熱井A值統(tǒng)計(jì)

實(shí)踐資料說(shuō)明：油井電加熱過(guò)程中，有80%多的功率是用來(lái)彌補(bǔ)徑向熱損失。真正用在井筒油流增溫降粘的功率很少。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

智能中頻電加熱采油技術(shù)與原工頻加熱相比，節(jié)電效果十分明顯。對(duì)某油田46-40井、44-40井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，節(jié)電效果如下：

46－40井：原工頻加熱功率為102.0 kW；中頻加熱功率為57.6 kW。年節(jié)電量為319 680 kWh(注：空心抽油桿加熱年運(yùn)行時(shí)間以300天計(jì)算)，如每度電按0.5元計(jì)算，每年可節(jié)約電費(fèi)159840元。

44－40井：原工頻加熱功率為93.1 kW；中頻加熱功率為44.0 kW。年節(jié)電量為353 520 kWh，每年可節(jié)約電費(fèi)176 760元。

由此可見(jiàn)，中頻電加熱采油技術(shù)與工頻相比節(jié)電效果十分明顯。而每套設(shè)備與原工頻相比只需增加一臺(tái)中頻電源6萬(wàn)元，最多半年即可收回投資。

5 結(jié)語(yǔ)

智能中頻電熱采油配套裝置可以滿(mǎn)足各類(lèi)稠油井、高凝油井的生產(chǎn)需要，運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)能高效。目前該項(xiàng)技術(shù)已在吉林油田、遼河油田、勝利油田等稠油開(kāi)采上推廣應(yīng)用，應(yīng)用井?dāng)?shù)達(dá)上千口，取得了十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]夏洪權(quán).空心抽油桿越泵電熱采油技術(shù)[J].油氣田地面工程,1999(4):16-20.

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