空心抽油杆杆式电加热技术在高含蜡井的应用

尹丹 罗日蕾（大庆油田有限责任公司第七采油厂）

1 概况

在油井开采过程中，原油从油层流入井底，再从井底沿井筒举升到井口时，压力、温度随之逐渐下降，当压力降低到一定程度时，使有助于溶解石蜡和胶质的轻质组分逐渐损失，结果破坏了石油溶解在原油中的平衡条件。即轻组分的逸出导致原油对蜡的溶解能力下降，温度的降低使蜡的溶解度进一步降低，致使石蜡结晶析出并黏附于油井设施的金属表面，造成油井结蜡[1]。大庆油田采油七厂目前主要清防蜡手段为高压热洗，平均单井化清周期约200 d，年均化清工作量5 500井次，在考虑人工、设备折旧以及油料成本的情况下，单井高压热洗费用约为0.1万元，年热洗费用约550万元。高压热洗能够解决全厂绝大部分机采井清防蜡问题，但仍有部分区(断)块的部分位置含蜡量高，其机采井易结蜡，高压热洗不能很好解决这部分井清防蜡问题，给生产管理带来较大困难。经统计，这部分井约有74口，平均清蜡周期15 d。同时，这些区（断）块存在不同程度的地层能量不足现象，高压热洗会导致热洗后恢复产油慢、伤害地层等问题。合理的清防蜡措施是保障油井正常生产的必要手段。大庆油田开发以来，采油七厂乃至全油田范围内应用过多种清防蜡技术，同时清防蜡新技术也不断出现。不同清防蜡技术在机采井上不同程度地试验、推广，甚至持续应用，并开展不同清防蜡方式技术经济评价，部分试验已初见成效，其中空心抽油杆杆式电加热技术试验取得了尤为显著的经济效益和社会效益。

2 空心抽油杆杆式电加热技术

2.1 技术组成

空心抽油杆杆式电加热设备主要由专用控制柜、井口悬接器、专用防喷盒、电磁加热电缆、空心抽油杆、终端器和变扣接头等部分组成。

专用控制柜主要技术参数为加热深度：0～2 500 m（选配）；额定功率：0～75 kW（选配）；电源电压：三相四线380 V±10%50 Hz；输出电压：单相100～1 800 V可调、200～2 000 Hz可调；功率因数：≥0.95；控制方式：1拖N智能自动化控制；保护功能：缺相、过载、过流、过热、短路、电压异常。

空心抽油杆由杆头和杆体组成，利用特殊焊接技术焊接而成。利用空心抽油杆中空的特性，可将电磁加热电缆下入其中。电磁加热杆主要技术参数为杆体外径：36 mm；接箍外径：49 mm；长度：8 000 mm。可根据每口井结蜡深度选择空心抽油杆根数。

电磁加热电缆主要技术参数为最大外径：17 mm；耐温等级：≤300℃；额定功率：≥100 W/m；抗拉强度：≥2.5 t；绝缘强度：≥8 000 V；绝缘电阻：≥2 500 MΩ；使用寿命：≥10 a。

2.2 技术原理

该装置是特殊制造的电磁加热电缆由空心抽油杆下入井下，电缆通过电磁加热杆到油井结蜡位置，在油井结蜡位置与抽油杆短路连接。高频电流通过特种加热电缆与空心抽油杆，在电磁感应、集肤效应和邻近效应的作用下，电流不是均匀沿着管壁流动的，电流只集中在空心抽油杆内表面，外表面的电压、电流均为零，自身形成绝缘结构。在管壁阻抗的作用下，空心抽油杆内壁发热，经热传导使油管内原油温度升高，起到清防蜡和提高原油流动性的效果。

感应加热的原理就是遵循电磁感应、集肤效应、热传导三个基本原则。感应加热用一个模拟的单匝短路次级线圈来说明。以圆柱体加热的方式为例，工件和感应器的组合可以看做是一台具有多匝初级线圈（感应器线圈）和单匝短路次级线圈（圆柱体工件）的变压器，初级线圈和次级线圈彼此间由较小的空气间隙隔开。通电时在工件内将产生频率相同、方向与感应器中相反的感应电流，即涡流[2]。当电流频率较高时，由于表面效应的作用，使涡流集中在工件表面，产生“集肤效应”。

集肤效应（又称驱肤效应）是指导体中有交流电或交变电磁场的时候，导体内部的电流分布不均匀的一种现象。随着与导体表面的距离逐渐增加，导体内部的电流密度呈指数递减，即导体内的电流会集中在导体的表面。从与电流方向垂直的横切面来看，导体的中心部分电流强度基本为零，即几乎没有电流通过，只在导体的边缘部分会产生电流。简而言之就是电流集中在导体的表面“皮肤”部分，所以就称为“集肤效应”[3]。

邻近效应就是当高频电流在两个导体中彼此反向流动或者在一个往复导体中流动时，电流会集中在导体邻近侧流动的一种物理现象[4]。

当空心抽油杆内电缆通以高频交流电后，在电磁感应、集肤效应和邻近效应的作用下，产生内集肤效应，电流在电磁加热杆内壁流动，外壁基本无电流，可视为绝缘体，保证工作安全[5]。

2.3 适用范围

“三高”原油既高凝、高黏、高含蜡原油采输难度大，主要存在井下结蜡严重，抽油杆负荷重，原油出口温度低等问题。空心抽油杆杆式电加热装置利用电加热产生的热能，对油管内的原油进行全程加热，从而降低原油黏度，防止油管内结蜡，提高原油流动性[6]。可有效的解决“三高”原油开采过程中面临的各种技术难题，达到油井增产、增效的目的。

3 空心抽油杆杆式电加热技术

在设备检查正常后，就可以通电预热，预热时长由原油物性决定一般预热1～3 h。待温度达到要求后，方可启动抽油机，调整好防喷盒压帽，以原油不喷出为原则，禁止将压帽调节过紧，造成光杆摩擦过热[7]。油井启抽工作正常后，监测电控系统温度、定时调整是否合适，应在抽油机上下行程电流均达到要求后，方可投入正常生产[8]。

油井正常生产后，需每天检查电缆情况，防止电缆过紧造成电缆拉断破皮现象发生。在抽油机停止工作或杆式电加热装置出现故障时，同时也应停止空心抽油杆杆式电加热装置的加热[9]。

当原油黏度不高、凝固点不高时，该设备不需定时加热，只需在清蜡时通电加热[10]。如原油黏度大、凝固点高时，应在初始安装使用时做好记录，针对不同井根据油井电流变化情况进行个性化定制适用于每口井的加热制度，以保证空心抽油杆杆式电加热设备通电时间最短且油井不发生卡井正常运行。

4 现场应用效果

近年来，空心抽油杆杆式电加热技术在国内外各大油田都有广泛应用，应用效果显著。空心抽油杆杆式电加热技术目前在大庆油田采油七厂主要在稠油、高含蜡井上开展试验，自2020年11月以来，共应用7口井，试验前平均单井清蜡周期8.8 d，试验后在措施情况下无故障运行344 d；C井于2021年2-11月配合钻井拆机。设备加热周期可以根据单井电流变化情况进行个性化制定，7口井空心抽油杆杆式电加热平均启运周期：启6 h停35 h，日均启3.5 h停20.5 h，应用后平均单井上电流下降6 A，有功功率下降0.71 k W。杆式电加热应用效果统计见表1。

表1 杆式电加热应用效果统计Tab.1 Statistical table of application effect of rod electric heating

5 综合经济效益评价

1）空心抽油杆杆式电加热设备1口井一次性需要投入空心抽油杆与地面专用控制柜设备，平均单井应用抽油杆791.55 m，一次性投入13.61万元。空心抽油杆专用短接0.5 m单价62.83元，1 m单价81.42元，1.5 m单价102.65元，2 m单价128.32元。单井杆式电加热投入情况统计见表2。

表2 单井杆式电加热投入情况统计Tab.2 Statistics of rod electric heating for single well

2）空心抽油杆杆式电加热单井平均运行功率为37 k W，单井平均日加热3.5 h，单井日均耗电129.5 kWh，单井年新增耗电量4.662×104k Wh，按照电费每度0.637元计算，年新增耗电费用为2.97万元。

3）空心抽油杆杆式电加热停运后单井平均上电流下降6 A，有功功率下降0.71 kW，单井在空心抽油杆杆式电加热不启用时日可以节约电量17.04 k Wh，单井年节电0.613×104k Wh，按照电费每度0.637元计算，年节约电费0.39万元。

4）应用空心抽油杆杆式电加热前7口井平均单井清蜡周期为8.8 d，单井全年需进行高压热洗41次。应用该技术后不需要热洗，单次热洗费用综合考虑人工工时、车辆折旧、油料，每井次高压热洗按0.1万元计算，单井年减少高压热洗费用为4.1万元。

5）7口试验井平均单井日产液量12.2 t，日产油量3.7 t，单次热洗水量为10 t，单井单次压产天数为0.5 d，影响产油量为1.85 t。单井全年压产影响产油量为75.85 t。按照2021年原油销售平均价格3 236.24元/t、吨油操作成本1 761元计算，单井年增加原油效益为11.18万元。综合考虑单井一次性投资及产生的效益核算投资回收期为1.06 a。

6 结论

1）空心抽油杆杆式电加热技术工艺简单，性能可靠，安装、管理方便。应用该技术前，因原油黏度大导致油井需频繁热洗、加药等工序，也因为稠油影响导致易卡井，增加作业频次，增加管井人工作量。应用该技术后，油井不需要热洗工序，有效延长了洗井周期。7口井在应用该技术两年内均未进行热洗工序，也减少了结蜡卡井导致的作业。

2）空心抽油杆杆式电加热技术有增产效果。应用空心抽油杆杆式电加热技术后，油井不需要热洗，减少了热洗过程中压产、扣产。原油在热能作用下降低了原油黏度增加了原油流动性，因此，油井产量也有相应提高。

3）空心抽油杆杆式电加热技术清蜡效果好，不伤地层。该技术通过对原油加热，使原油温度升高防止了蜡晶因温度降低而析出，该技术仅对原油加热，无化学药剂，不会伤害地层。

4）空心抽油杆杆式电加热技术带来了一定的经济效益和社会效益。采油七厂对空心抽油杆杆式电加热技术在清蜡周期30 d以内的7口井上应用见到了较好效果，技术适应性较强。在高含蜡、热洗周期短井的应用投资回收期为1年，在应用期间未进行高压热洗，有效延长了热洗周期，减少了热洗油料损耗和人力的投入，为原油生产带来了非常可观的经济效益和社会效益。