一种确定过空心抽油杆加热电缆下入深度的方法.pdf

确定过空心抽油杆加热电缆下入深度的方法，应用于油田高凝高蜡原油井，利用空心抽油杆的空心中下入加热电缆伴热升温采油。首先采集准备下入空心抽油杆的油井参数和空心抽油杆的技术参数；然后建立常规抽油井温降模型、建立有热源抽油井温降模型；最后依据模型计算出的下入深度进行施工，最后校核抽油机悬点载荷。效果是：满足抽油机最大悬点载荷的前提下，实现了凝固点大于35℃的油井正常生产；不热洗、不加药，油井有效时率平均提高10个百分点，节省了生产运行成本，减轻了员工的劳动强度。

1.  一种确定过空心抽油杆加热电缆下入深度的方法，其特征在于：
步骤1、采集准备下入空心抽油杆的油井参数和空心抽油杆的技术参 数：
(1)油井井口回压P，单位：MPa；
(2)油管外径D，单位：mm；
(3)油层中部度x，单位：m；
(4)原油倾点温度t，单位：℃；
(5)井口出油温度T_井口，单位：℃；
(6)油井产油量Q_o，单位：t/d；
(7)油井产水量Q_w，单位：t/d；
(8)油井综合含水百分数fw；
(9)地温梯度g_T，单位：℃/m；
(10)油层温度t，单位：℃；
(11)加热电缆的功率q_i：单位W/m；
步骤2、建立常规抽油井温降模型
将采集的参数带入油井的数学模型一。得到油层产出液沿油管上升途 中温度降至原油倾点温度时距井底的高(x)与油流温度(t)的关系函数 F(t，x)。利用Visual Basic 6.0语言编制了计算软件，通过迭代法计 算出油管出液温度达到原油倾点的位置距井底的深度(x的零点坐标在井 底油层中部，x向上为正)；
模型一：
F ( t , x ) = ( t d - t r + g T 100 x ) exp ( - KDπ QC x ) + ( t r - g T 100 x ) ]]>
式中：
Q——产出液质量流量，kg/s；
fw——产出液含水率；
Q＝Q_o+Q_w
Q_o——产出液中油的质量流量，kg/S；
Q_w——产出液中水的质量流量，kg/s；
C——采出液的比热容，J/(kg.℃)；
C＝C_o×(1-f_w)+C_w×f_w
C_o——油的比热容，J/(kg.℃)；
C_w——水的比热容，J/(kg.℃)；
K——计算管道(油管)传热系数，W/(m².℃)；
D——计算管道(油管)直径，m；
x——距井底距离，m；
t_r——沿井筒计算零点处地层温度，℃；
t_d——沿井筒计算零点处产液温度，℃；
g_T——温度梯度，℃/100m；
步骤3、建立有热源抽油井温降模型
将采集的相关数据代入电缆加热井筒温度分布数学模型(模型二)。 得到有内热源时油管内液体温度(T)随深度变化的关系函数G(T，X)(X 的零点坐标在油管内原油温度为倾点处，X向上为正。数学模型中的深度 要通过迭代法才能计算，因为一个深度对应一个井口温度)；
模型二：
G ( T , X ) = ( t - t r + g T 100 X ) exp ( - KDπ QC X ) + q i QC X + ( t r - g T 100 X ) ]]>
式中：
q_i——单位长度内热源散热功率，W/m；
t——原油倾点温度，℃；
其它参量意义同步骤2，不再赘述；
所述的井口出油温度，具体计算方法是通过迭代法求解。迭代是数值 分析中通过从一个初始估计出发寻找一系列近似解来解决问题(一般是解 方程或者方程组)的过程，为实现这一过程所使用的方法统称为迭代法。 迭代法是一种数值计算处理方法，是技术人员所熟知的方法，在此不作详 述；
步骤4、依据步骤3计算出的下入深度X及井口出油温度T和施工 设计，下入油井管柱和带有过空心抽油杆加热电缆的油井杆柱包括：油 井管柱自井口从上至下依次螺纹连接有外径为73mm的加厚油管、外径为 73mm的平式油管、抽油泵泵筒、外径为73mm的筛管、外径为73mm的导 锥；
油井杆柱自井口从上至下依次螺纹连接有外径为36mm的空心抽油 杆、外径为36mm变外径为25mm的抽油杆变扣接头、外径为25mm的D级 抽油杆、外径为22mm的HY级抽油杆、外径为19mm的HY级抽油杆和抽油 泵柱塞，抽油泵柱塞在油井管柱的抽油泵泵筒内。最后，加热电缆经过 电加热空心抽油光杆连接装置(专利号：CN201220688482.0)，沿空心抽 油杆的内孔下入井内；
步骤5、确定空心抽油杆及加热电缆下入深度后，校核抽油机悬点 载荷。检验所用地面抽油机功率和提升力是否满足需要；
P_max＝P_空杆+P_杆+P_液+P_缆
式中：P_max为抽油机悬点最大载荷，t；P_空杆为空心抽油杆在液体中的重量， t；P_杆为普通杆在液体中的重量，t；P_液为作用在活塞上的液柱载荷，t； P_缆为下井加热电缆的重量，t。

一种确定过空心抽油杆加热电缆下入深度的方法
技术领域
本发明涉及油田采油技术领域，特别涉及在高凝高蜡原油井，利 用过空心抽油杆加热采油技术领域，是一种确定过空心抽油杆加热电 缆下入深度的方法。
背景技术
高凝高蜡原油井在生产过程中，因原油物性差容易造成抽油机悬 点载荷增大，在停电停井的情况下重新起抽困难，增加了油井维护的 难度，同时，有的井不采取井筒加热技术，根本不能正常生产。在油 井中下入一定深度的空心抽油杆辅助电缆加热能解决现场实际问题， 但是其下入深度往往是凭经验进行，不利于提高油井的高凝高蜡原油 开采效果，也不能达到节能降耗目的。
史正刚，王东国等人发表在2011年第3期《中国石油大学胜利 学院学报》上的“电加热抽油井筒的温度预测及功率确定”一文，只 提出了加热电缆配备功率的问题，未提到合理下入深度的问题。
李胜彪张振华等人发表在2005年第1期《油气田地面工程》杂 志上的“井筒电加热技术在稠油开采中的应用”一文，论述了空心抽 油杆电加热装置结构及原理、工艺特点、适用范围及施工技术要求和 现场应用取得效益等。
上述文献中对电加热杆的应用效果都进行了充分的论述，但是 未提及电加热杆下入深度。目前，管柱的连接关系已经具备，但没有 技术人员能确定电加热杆下入井内的最适合的深度，大家凭经验确定 下入深度。下入深过大，会增加抽油机悬点负荷和耗电，也会造成加 热电缆和空心抽油杆浪费；下入深度不足，起不到充分的加热作用， 油井不能正常生产。
发明内容
本发明的目的是：提供一种确定过空心抽油杆加热电缆下入深度的 方法。建立井口出油温度和深度的数学模型并求解，确定空心抽油杆 加热电缆下入最适合的深度，充分发挥加热电缆热源效率，确保油管 内的原油充分加热，降低高凝高蜡原油的粘度，降低抽油载荷，克服 采出高凝高蜡原油时，在井筒中举升困难、能耗高的不足。
一种确定过空心抽油杆加热电缆下入深度的方法，其特征在于：
步骤1、采集准备下入空心抽油杆的油井参数和空心抽油杆的技 术参数：
(1)油井井口回压P，单位：MPa；
(2)油管外径D，单位：mm；
(3)油层中部度x，单位：m；
(4)原油倾点温度t，单位：℃；
(5)井口出油温度T_井口，单位：℃；
(6)油井产油量Q_o，单位：t/d；
(7)油井产水量Q_w，单位：t/d；
(8)油井综合含水百分数fw；
(9)地温梯度g_T，单位：℃/m；
(10)油层温度t，单位：℃；
(11)加热电缆的功率q_i：单位W/m。
步骤2、建立常规抽油井温降模型
将采集的参数带入油井的数学模型一。得到油层产出液沿油管上 升途中温度降至原油倾点温度时距井底的高(x)与油流温度(t)的 关系函数F(t，x)。利用Visual Basic 6.0语言编制了计算软件， 通过迭代法计算出油管出液温度达到原油倾点的位置距井底的深度(x 的零点坐标在井底油层中部，x向上为正)。
模型一：
F ( t , x ) = ( t d - t r + g T 100 x ) exp ( - KDπ QC x ) + ( t r - g T 100 x ) ]]>
式中：
Q——产出液质量流量，kg/s；
fw——产出液含水率；
Q＝Q_o+Q_w
Q_o——产出液中油的质量流量，kg/S；
Q_w——产出液中水的质量流量，kg/s；
C——采出液的比热容，J/(kg.℃)；
C＝C_o×(1-f_w)+C_w×f_w
C_o——油的比热容，J/(kg.℃)；
C_w——水的比热容，J/(kg.℃)；
K——计算管道(油管)传热系数，W/(m².℃)；
D——计算管道(油管)直径，m；
x——距井底距离，m；
t_r——沿井筒计算零点处地层温度，℃；
t_d——沿井筒计算零点处产液温度，℃；
g_T——温度梯度，℃/100m。
步骤3、建立有热源抽油井温降模型
将采集的相关数据代入电缆加热井筒温度分布数学模型(模型 二)。得到有内热源时油管内液体温度(T)随深度变化的关系函数G (T，X)(X的零点坐标在油管内原油温度为倾点处，X向上为正。数学 模型中的深度要通过迭代法才能计算，因为一个深度对应一个井口温 度)。
模型二：
G ( T , X ) = ( t - t r + g T 100 X ) exp ( - KDπ QC X ) + q i QC X + ( t r - g T 100 X ) ]]>
式中：
q_i——单位长度内热源散热功率，W/m；
t——原油倾点温度，℃；
其它参量意义同步骤2，不再赘述。
所述的井口出油温度，具体计算方法是通过迭代法求解。迭代是数 值分析中通过从一个初始估计出发寻找一系列近似解来解决问题(一 般是解方程或者方程组)的过程，为实现这一过程所使用的方法统称为 迭代法。迭代法是一种数值计算处理方法，是技术人员所熟知的方法， 在此不作详述。
步骤4、依据步骤3计算出的下入深度X及井口出油温度T和 施工设计，下入油井管柱和带有过空心抽油杆加热电缆的油井杆柱包 括：油井管柱自井口从上至下依次螺纹连接有外径为73mm的加厚油 管、外径为73mm的平式油管、抽油泵泵筒、外径为73mm的筛管、外 径为73mm的导锥。
油井杆柱自井口从上至下依次螺纹连接有外径为36mm的空心抽 油杆、外径为36mm变外径为25mm的抽油杆变扣接头、外径为25mm 的D级抽油杆、外径为22mm的HY级抽油杆、外径为19mm的HY级抽 油杆和抽油泵柱塞，抽油泵柱塞在油井管柱的抽油泵泵筒内。最后， 加热电缆经过电加热空心抽油光杆连接装置(专利号： CN201220688482.0)，沿空心抽油杆的内孔下入井内。
步骤5、确定空心抽油杆及加热电缆下入深度后，校核抽油机 悬点载荷。检验所用地面抽油机功率和提升力是否满足需要。
P_max＝P_空杆+P_杆+P_液+P_缆
式中：P_max为抽油机悬点最大载荷，t；P_空杆为空心抽油杆在液体中的 重量，t；P_杆为普通杆在液体中的重量，t；P_液为作用在活塞上的液柱 载荷，t；P_缆为下井加热电缆的重量，t。
所述的校核抽油机悬点载荷是油田技术人员熟悉的方法，不在详 述；
所述的过空心抽油杆加热电缆就是油田常说的电加热抽油杆或电 热杆。
本发明有益的效果：本发明确定过空心抽油杆加热电缆下入深度的方 法，能确定空心抽油杆下入井内的最适合的深度，在满足抽油机最大 悬点载荷的前提下，实现了凝固点大于35℃的油井正常生产；不热 洗、不加药，油井有效时率平均提高10个百分点，节省了生产运行 成本，减轻了员工的劳动强度。
具体实施方式
以雁63-159井确定过空心抽油杆加热电缆下入深度为例，进行 详细说明。
雁63-159井原油物性：20℃时密度，0.932g/cm3，50℃黏度 956.4mPa.s，凝固点37℃，含蜡量31.8％，井深2995.7m，日产油 12t/d，日产13t/d，下泵参数φ38mmx1929.28m。
步骤1、采集准备下入空心抽油杆的油井参数、空心抽油杆的技 术参数和加热电缆的技术参数：
1、油管外径D，73mm；
2、原油倾点温度t，37℃；
3、井口出油温度T_井口，40℃；
4、油井产油量Q_o，12t/d；
5、油井产水量Q_w，13t/d；
6、地温梯度g_T，3℃/100m；
7、油层温度t，89℃；
8、加热电缆的功率q_i，取5W/m、6W/m、7W/m进行试算，当不能满 足井口出油温度时，再选功率或大或小的加热电缆试算；
步骤2、将采集的参数带入油井的数学模型一。得到油层产出液 沿油管上升途中温度降至原油倾点温度时距井底的高(x)与油流温度 (t)的关系函数F(t，x)。
F ( t , x ) = ( t d - t r + g T 100 x ) exp ( - KDπ QC x ) + ( t r - g T 100 x ) ]]>
式中：
Q——产出液质量流量，kg/s；
fw——产出液含水率；
Q＝Q_o+Q_w
Q_o——产出液中油的质量流量，kg/S；
Q_w——产出液中水的质量流量，kg/s；
C——采出液的比热容，J/(kg.℃)；
C＝C_o×(1-f_w)+C_w×f_w
C_o——油的比热容，J/(kg.℃)；
C_w——水的比热容，J/(kg.℃)；
K——计算管道(油管)传热系数，W/(m².℃)；
D——计算管道(油管)直径，m；
x——距井底距离，m；
t_r——沿井筒计算零点处地层温度，℃；
t_d——沿井筒计算零点处产液温度，℃；
g_T——温度梯度，℃/100m。
步骤3、将采集的相关数据代入电缆加热井筒温度分布数学模型 (模型二)。得到有内热源时油管内液体温度(T)随深度变化的关系 函数G(T，X)(X的零点坐标在油管内原油温度为倾点处，X向上为正。 数学模型中的深度要通过迭代法才能计算，因为一个深度对应一个井 口温度)。
模型二：
G ( T , X ) = ( t - t r + g T 100 X ) exp ( - KDπ QC X ) + q i QC X + ( t r - g T 100 X ) ]]>
式中：
q_i——单位长度内热源散热功率，W/m；
t——原油倾点温度，℃；
其它参量意义同步骤2，不再赘述。
通过求解表明。雁63-159井空心抽油杆下入深度为850～ 950m之间，能满足凝固点为37℃原油的生产要求。凝固点为37℃ 的原油井口出油温度必须大于此旁温度。
步骤4、依据步骤3计算出的下入深度X及井口出油温度T，下 入油井管柱和带有空心抽油杆的油井杆柱包括：油井管柱自井口从 上至下依次螺纹连接有外径为73mm的外加厚油管长度为900m，73mm 外加厚油管的最下端深度为900m；外径为73mm的外加厚油管下接 外径为73mm的平式油管长度为1021.92m，外径为73mm的平式油 管最下端深度为1921.92m；抽油泵泵筒长度为7.76m，抽油泵泵 筒的最下端深度为1929.68m；外径为73mm的筛管长度为20.31m， 外径为73mm的筛管最下端深度为1948.99m；外径为73mm的导锥 长度为29.55m，外径为73mm的导锥的下端深度为1978.54m。 油井杆柱自井口从上至下依次螺纹连接有外径为36mm的空心抽油杆 长度为908.14m，外径为36mm的空心抽油杆长度为908.14m，最下端 深度为908.14m；外径为36mm变外径为22mm的抽油杆变扣接头 长度为0.5m，抽油杆变扣接头的最下端深度为908.64m；外径为 22mm的HY级抽油杆长度为375.38m，外径为22mm的HY级抽油 杆最下端深度1284.02m；外径为19mm的HY级抽油杆长度为 520.58m，外径为19mm的HY级抽油杆的最下端深度为1804.6m； 外径为25mm的D级抽油杆长度为101.36m，外径为25mm的D级抽 油杆最下端深度为1905.96m；抽油泵柱塞长度为1.5m，抽油泵柱 塞的最下端深度为1907.46m。抽油泵柱塞在油井管柱的抽油泵泵筒 内。在空心抽油杆的上端端有电加热空心抽油光杆连接装置(专利号： CN201220688482.0)，加热电缆经过连接装置导入沿空心抽油杆的内孔 下入井内。空心抽油杆内径为24mm，电缆的外径为19mm，能够下入杆 内。
步骤5、确定同轴式双空心抽油杆下入深度后，校核抽油机悬 点载荷。
P_max＝P_空杆+P_杆+P_液+P_缆
其中：
1、每千米D36mm空心抽油杆的质量为4600kg/km；
2、每千米加热电缆的质量为680kg/km；
3、每千米D19mm空心抽油杆的质量为2350kg/km；
4、每千米D22mm空心抽油杆的质量为3136kg/km；
5、每千米D25mm空心抽油杆的质量为4091kg/km；
经过校核空心杆及加热电缆下入深度908.14m，下泵深度 1929.68m，抽油机悬点载荷在8.749t，14型抽油机能满足生产要 求。雁63-159井起抽后，实现了油井24小时连续正常生产；油井 不热洗、不加药，油井有效时率平均提高13.8个百分点，减轻了员 工的劳动强度。