张朋举, 项红军, 张佩玉, 任松林, 崔智超, 王小龙, 刘福刚
(1中国石油集团石油管工程技术研究院 2中国石油西部钻探吐哈井下作业公司 3中国石油吐哈油田分公司 4中国石油技术开发有限公司)
三塘湖盆地二叠系致密油勘探主要集中在马朗和条湖凹陷,勘探面积3 200 km2,发现条湖组、芦草沟两套致密油层,预测有利勘探面积486 km2,资源规模4.2×108t。马中区块二叠系条湖组地面原油性质:地面原油密度0.88~0.91 g/cm3,平均0.900 7 g/cm3,原油黏度79.91~186.2 mPa·s(50℃),凝固点平均15℃~20℃,含蜡量19.2%~32.5%。整体表现为中质、高黏、高蜡、中凝的特点。二叠系条湖组地层原油性质:地层原油密度0.85~0.87 g/cm3,平均0.86 g/cm3,地层原油黏度37.1~81.9 mPa·s,地层流体表现为密度大、黏度较高的特点。按中国稠油分类标准,马7区块原油从黏度主要指标来看,属于普通稠油亚类[1]。为了实现该区块原油的顺利举升,分别在典型井上应用空心抽油杆电加热采油工艺进行原油举升试验。
目前,稠油开采方式主要有物理降黏和化学降黏[2],这两种方法。物理降黏主要是利用温度对稠油的敏感特性,当温度达到某一数值时,稠油的黏度骤然降低,在采油工程上,将其称之为“拐点温度”。空心抽油杆电加热技术是基于集肤效应原理产生热量,当交变电流流过空心抽油杆时,空心抽油杆周围变化的磁场在空心抽油杆中产生感应电流,从而使得沿空心抽油杆截面的电流分布不均匀,尤其当频率较高时,电流几乎集中在管壁极薄层流过,从而大幅度增加电流阻抗,使空心抽油杆杆体温度升高[3-4]。通过控制频率和加热时间,可以实现对空心抽油杆杆体温度的控制,有资料显示:提高电加热频率或增加通电时间均可使空心抽油杆杆体温度升高,可以采用变频、中频或者改变通电时间来开采不同性质稠油[4]。
空心抽油杆电加热采油系统分为中频电源部分、整体(加热)电缆部分、终端接触器、井口悬接器、二次电缆(回路)。结构示意图如图1所示。
图1 空心抽油杆电加热示意图
1.1 中频电源
中频电源柜的功能是将输入的380 V/50 Hz的三相交流电经整流滤波转变成500 V、800 V、1 000 V的直流电压,再经过逆变电路变成400~1 000 Hz的单相中频电压,再通过中频变压器输送到油井加热电缆输入端,经终端接触器与空心抽油杆形成回路。
1.2 整体(加热)电缆部分
整体(加热)电缆部分,其主要功能是作为导体将电流输送至井底终端接触器,其次由于线缆在井下具有一定的深度,必须具备一定的抗拉强度,保证电缆在悬垂状态下保持良好的供电功能。设计的电缆性能参数如表1所示。
表1 整体(加热)电缆部分
井口悬挂部分是为了实现加热电缆能够顺利进入空心抽油杆内孔,并且具备与抽油杆拉杆之间顺利连接的功能。既能确保有杆举升系统的正常运转,又能实现加热电缆与空心抽油杆举升系统在结合过程中,不会出现磨、割电缆的现象,结构如图2所示。
图2 井口悬挂器
1.4 井底接触器
井底接触器是保证通电线缆与空心抽油杆的接触。保证电流传输至空心抽油杆,让“集肤效应”顺利发生,其结构如图3所示。
图3 井底接触器
基本原理是利用集肤效应,而集肤效应是电流在高频下的一种分布特征[5-6]。以上介绍的电控柜就实现了这种效应,将三相工业用电380 V、50 Hz,通过升压变压器变成单相电流,频率设计为宽幅可调,电流从井口经过加热电缆输送至井底,当交变电流通过导线时,导线周围变化的磁场也要在导线中产生感应电流,从而使沿导线截面的电流分布不均匀。当电流经过空心抽油杆内部时,在“集肤效应”作用下,尤其当频率较高时,此电流几乎是在空心抽油杆内壁表面附近的薄层中流动。显然,这种效应使电流流过空心抽油杆的有效截面积减小,从而导致等效电阻增加,空心抽油杆本体发出的热量也就很大。热量通过空心抽油杆壁传导给周围的原油,原油吸收热量后,黏度显著下降,井筒油流阻力降低,从而确保油井的顺利举升。
在三塘湖马7区块选出五口井进行空心抽油杆电加热试验,对五口井的原油黏度测试,检测标准为SY/T 7549-2000《原油粘温曲线的确定旋转粘度计法》,检测设备为AR-G2型流变仪。测试结果如表2所示。
表2 三口井黏温测定
当油井的拐点温度被确定为井筒原油流动的最低温度时,任何一口井所需的加热深度可表示为:
L=(Φ-Φave)/m
(1)
式中:L—加热深度m;Φ—稠油的拐点温度,℃;Φave—井口年平均温度,℃;m—地层温度梯度℃/100 m[7]。
马7区块二叠系条湖组油藏地层平均温度65.3℃,地温梯度2.5℃/100m,地层平均压力21.74 MPa,压力系数1.013,属于异常低温正常压力系统。通过计算可以发现,这三口井的加热深度在1 100~1 200 m之间,考虑到原油脱气、井口年平均温度的误差,最终三口井的设计加热深度为1 200 m。
2.1 频率
根据“集肤效应”原理,如式(2)所示:
S=K(1/fc)1/2
(2)
式中:S—“集肤效应”深度,m;K—修正系数;fc—频率,Hz[8]。
当fc增大时,S变小,则集肤效应深度越浅,同时交流阻抗也变大,在相同数值的电流作用下,负载获得的能量越高,电流和线路的消耗也会变小,加热效率将提高。设计时,采用变频技术,使得频率的变化范围在400~1 000 Hz之间变化,输出脉冲的占空比为16%~93%。
2.2 功率
稠油在开采过程中,一般要求原油出口温度大于拐点温度5℃~10℃。根据相关资料显示,可以按照稠油分类确定,一般稠油的加热功率为50~60 W/m[9]。根据该经验,1 200 m加热深度所需功率为60 kW,由于现场油井含水率、设备损耗、安全系数等综合因素,现场应用的设备设计最大功率为100 kW。
分别在三塘湖马朗区块的5口井井下采用该装置,人工举升系统及电加热系统运行之后的参数如表3所示。目前使用该装置的5口井,已经运行1 766 d,运行正常。
表3 试验井运行参数
根据三塘湖马朗和条湖凹陷致密油区块原油的基本物理性质,选择了空心抽油杆电加热采油工艺作为开发工艺;在分析空心抽油杆电加热基本原理的基础上,设计确定了中频电源、加热电缆的系列参数,根据现场实际设计了井口悬挂器、井底接触器;选择典型井5口完成了矿场试验,并且已经正常运行1 766 d,累计生产原油达15 474 t,证明采用空心抽油杆电加热采油技术可以满足该区块的开发。