林日億, 張建亮, 李軒宇, 王新偉, 楊 勇, 許德廣, 張 江

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)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(guó)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(pán)錦 124209; 5.中國(guó)石化集團(tuán)勝利石油管理局有限公司新能源開(kāi)發(fā)中心,山東東營(yíng) 257000;6.中國(guó)石化勝利油田分公司現(xiàn)河采油廠,山東東營(yíng) 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(shí),蠟組分完全溶解在原油中,隨著開(kāi)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(kāi)始結(jié)晶析出,形成結(jié)蠟層。這會(huì)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(gè):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(chǎng)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(duì)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(guò)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(duì)于井筒溫度場(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)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?duì)油樣進(jìn)行結(jié)蠟速率確定,確定熱洗周期;建立井筒溫度場(chǎng)模型,得到不同熱洗方式對(duì)應(yīng)的熱洗時(shí)間及用水量;對(duì)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(cè)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(kāi),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(cè)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(shí)開(kāi)動(dòng)旋轉(zhuǎn)黏度計(jì),測(cè)定各溫度下的黏度;繪制各溫度下所對(duì)應(yīng)的黏度,即可得到試樣的黏溫曲線,結(jié)蠟的對(duì)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(cè)定旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法》,每個(gè)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(cè)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(shí),原油無(wú)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(shí),黏度隨溫度的降低開(kāi)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(gè))以及冷卻系統(tǒng)、測(cè)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(shí),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(guò)配套軟件設(shè)定不同樣品筒轉(zhuǎn)速;把結(jié)蠟簡(jiǎn)溫度設(shè)為冷卻盤(pán)管水溫后，通過(guò)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(guò)升降機(jī)構(gòu)迅速將結(jié)蠟筒升至導(dǎo)軌頂端,用卷尺測(cè)出結(jié)蠟層高度,當(dāng)液態(tài)油不再?gòu)膬?nèi)筒外壁底部滴下時(shí),用試驗(yàn)用紙將壁面上的沉積物擦凈,進(jìn)而可以稱(chēng)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(duì)其作差除以2便得到單位時(shí)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(gè)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(shí)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(guò)程中熱水通過(guò)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(shí),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(shí),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(chǎng)分布及對(duì)應(yīng)的熱洗時(shí)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(chǎng)計(jì)算模型

為簡(jiǎn)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(dòng)液面在一定時(shí)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(gè)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(shí),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(dòng)的導(dǎo)熱量為Q1,油管中流體向地層的傳熱量為Q2;對(duì)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(guò)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(zhǎng)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(dòng)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(chǎng)、熔蠟時(shí)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(shí),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(chǎng)可以正常熔蠟的最低溫度)對(duì)井筒進(jìn)回水溫度場(chǎng)和熱洗用水量的影響,見(jiàn)圖4。井筒溫度場(chǎng)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(chǎng)、用水量及熱洗時(shí)間波動(dòng)范圍。由圖4(a)可以看出,注水溫度分別為80、90、100 ℃時(shí),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(guò)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(chǎng)增加速度逐漸變小,較高的產(chǎn)出液溫度場(chǎng)能降低熱洗時(shí)間及用水量,但會(huì)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(shí),熱洗時(shí)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(shí),用水量降低10.56%,注水溫度由90 ℃提升至100 ℃時(shí),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(shuō)明較高的注水溫度會(huì)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(shí)間及用水量對(duì)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(shí),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(chē)可以正常周轉(zhuǎn)的最低流量)對(duì)井筒進(jìn)回水溫度場(chǎng)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(shí),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(chǎng)相應(yīng)變高,這會(huì)降低熱洗時(shí)間,有利于清蠟,但會(huì)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(shí)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(shí),熱洗時(shí)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(shí)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(duì)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(shí)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(shí)間相當(dāng)于套管熱洗時(shí)間的60%～80%。當(dāng)熱洗過(guò)程注水溫度為100 ℃,注水流量為4 t/h時(shí),熱洗時(shí)間最短為1.2 h;當(dāng)熱洗過(guò)程注水溫度為100 ℃,注水流量為2 t/h時(shí),用水量最少為3.6 t。但熱洗過(guò)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(huì)提高井筒進(jìn)回水溫度場(chǎng),降低熱洗時(shí)間,降低用水量,但會(huì)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(chǎng),降低熱洗時(shí)間,但會(huì)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(shí)間及用水量對(duì)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(duì)熱洗過(guò)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(guò)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(guò)程中的注水質(zhì)量流量,kg/s;t為熱洗時(shí)間,s。

假設(shè)洗井液從20 ℃開(kāi)始加熱,加熱到穩(wěn)定溫度Th時(shí)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(guò)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(dòng)打壓功能的洗井車(chē)洗井時(shí)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(guò)程中洗井車(chē)所需要的費(fèi)用為

C1=KctS.

(5)

式中,C1為洗井車(chē)所需要費(fèi)用,元;Kc為洗井車(chē)工作時(shí)的平均功率,kW/s;t為洗井車(chē)工作時(shí)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(lái)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(duì)清蠟過(guò)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(kāi)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(guò)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(shí),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(shí),增大注水流量,會(huì)增加洗井費(fèi)用,降低熱效率,因此流量越小越好,但流量過(guò)小會(huì)增加洗井時(shí)長(zhǎng),使有限的油田罐車(chē)工作效率過(guò)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(shí),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(duì)現(xiàn)河地區(qū),為滿足結(jié)蠟深度的井筒溫度場(chǎng)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(shí),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(huì)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(duì)比空心桿熱洗與套管熱洗的熱洗時(shí)間及用水量,空心桿熱洗降低了熱洗時(shí)間,大大降低用水量,提高熱洗效率,針對(duì)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)。