矿物绝缘电缆在超深超稠油开采中的应用

侯献海，李 璐，李柏颉，王磊磊

(中国石化西北油田分公司 采油二厂，新疆 轮台 841604)

塔河油田油藏主要是奥陶系碳酸盐油藏，埋深5 400～7 000 m，黏度1 500～1 800 000 mPa·s，属于超深超稠油藏[1-2]。塔河稠油随着举升过程中温度降低，黏度会逐步增大，至一定深度后完全失去流动性，需采取井筒降黏工艺[3-4]。目前掺稀降黏是塔河稠油开发的主要方式[5-6]，但是稀油资源的使用会大幅影响油田经济效益[7-8]。塔河油田温敏性强，电加热降黏具有较大潜力[9]，但是常规的电加热降黏工艺存在加热深度受限、功率利用率低、故障率高的问题[10-11]。近年来，采油二厂引进了新型的矿物绝缘加热电缆加热技术，结合塔河油田稠油井井况，对该设备的材料、结构、配套等方面进行了优化，并进行7井次的现场应用评价。

1 结构与原理

矿物绝缘加热电缆由发热导体、氧化镁粉绝缘层及无缝金属护套组成，构成材料全部为无机物，其结构示意如图1所示。在电缆内部实现尾端星型连接，单根超长无外观接点、整体等径，方便常用下井设备施工作业，具有发热效率高、导热快、功率特性好、温度范围宽、电气控制方便的特点。该设备通入加热电缆发出的均匀热量直接加热空心抽油杆，简洁均匀加热油管内的原油，一方面补偿出油过程中的热损，另一方面加热原油使其达到合适的出油温度，达到降低原油黏度的目的。

2 工艺优化

2.1 结构优化

结构由电缆配套空心杆改进为发热导体、绝缘层及护套为一体的实心杆，方便施工，提高时效、稳定性。常规电加热与矿物绝缘电缆加热对比如表1所示。

表1 不同加热方式对比表

2.2 材质优化

通过优选发热导体、绝缘材料，优化电缆密封方式，实现加热功率在300～400 kW，大幅提高加热效率。1)优选发热导体：按照250 kW发热功率要求导体电阻>4 Ω，为保证发热导体直径最小，优选每米电阻率最小的T2铜作为发热线芯，保证发热效率，降低杆体直径，不同材料的电阻率如图2所示；2)优选绝缘材料：根据电缆的用途不同，矿物绝缘电缆绝缘材料为氧化镁，其厚度应符合GB/T 20841—2007《额定电压300/500 V生活设施加热和防结冰用加热电缆》规定。优选耐温高(熔点2 800 ℃)、绝缘电阻高(电阻≥100 MΩ)、加工流动性好的氧化镁作为绝缘层；3)护套选用Ni-Cr-Ti耐温耐腐蚀的321不锈钢，根据国家标准GB/T 13033.1—2007规定电缆护套厚度不低于0.50 mm。优选的护套参数为：电缆外径Φ=21.4 mm，护套厚度=2.14 mm，抗拉强度≥520 MPa，屈服强度σ0.2≥205 MPa；4)通过优选焊接方式，优化设计电缆护套和采用线芯星接，优化首尾段密封方式。

2.3 设备节电增效优化

矿物绝缘电缆加热稠油技术具有节约稀油、提高油井产能的作用，但存在能耗高，使用档位调整温度变化大，易对生产造成较大波动等问题。为实现对温度的微调，有效降低能耗，采油二厂和久盛电气联合研发了无极调功柜。无极调功柜采用大功率可控硅模块，实现根据温度进行无级调压控制加热。该产品具有缓启、缓停、过流保护、超温保护等功能，适用电阻性负载和电感性负载，特别适用于变压器负载。

3 矿物绝缘电缆功率计算

为确保井筒液体井口温度达到生产需求，需实现总功率Q总，要求如下：

总加热功率：

Q总=Q升+Q散

(1)

式中，Q升为升温功率，W；Q散为散热功率，W。

3.1 升温功率计算

升温功率计算公式为：

Q升=0.011 57×m×C×(ty-t0)

(2)

式中，m为日出油量，kg；C—原油比热容，取2.5 kJ/kg·K；ty—加热区平均油温，℃；t0—加热区平均岩层温度，按梯度2.2 ℃/100 m、年平均气温11 ℃取值。带入数据，则(2)式变为

Q升=0.058×m×(ty-t0)

(3)

3.2 散热功率计算

散热功率计算公式为：

(4)

式中，λ为加热区岩层综合导热系数，W/m·k；h为加热区长度，m；D为油井套管直径，mm；δ为岩层计算厚度，mm。

Q散=k×(ty-t0)×h

(5)

3.3 综合散热系数推算

综合散热系数k值因参数较多，难以直接计算，需进行推算。以前期试验井TH12258为例，探讨k值推算过程。录取该井相关计算参数，该井加热长度2 000 m，环境温度11 ℃，使用前井口温度57.8 ℃，使用后井口温度74 ℃，稀油掺入温度62 ℃，日掺稀油45.5 t，日产原油46 t，日出油量为91.5 t。

实际功率：

(6)

加热区中心点岩层温度：

t0=11+0.022×2 000/2=33 ℃

(7)

使用前加热区中心点油温：

ty0=57.8+0.022×2 000/2=79.8 ℃

(8)

使用前加热区起点油温：

t′y0=57.8+0.022×2 000=101.8 ℃

(9)

使用后加热区中心点油温：

ty1=(74+101.8)/2=87.9 ℃

(10)

原油升温功率：

Q升1=0.058×m×(ty-t0)=0.058×46×(74-57.8)/2=21.6 kW

(11)

稀油升温功率：

Q升2=0.029×m×(ty-t0)=0.058×45.5×(74-62)/2=15.8 kW

(12)

散热功率：

Q散1=Q总1-(Q升1+Q升2)=96-(21.6+15.8)=58.6 kW

(13)

由式(5)计算综合散热系数：

k=Q散1/[(ty1-t0)×h]=58.6×1 000/[(87.9-33)×2 000]=0.534 W/m·K

(14)

4 现场应用效果

4.1 矿物绝缘电缆应用效果

4.1.1 选井原则

结合矿物绝缘加热电缆特点及油田现状，选择自喷井和机抽井进行现场应用效果评价。自喷井选井要求：①掺稀比1.5～2.5；②自喷井，油压大于3 MPa；③混合产液量50～100 t/d，且生产稳定；④含水<5%。机抽井选井要求：①掺稀比1.5～2.5；②机抽井，考虑抽油机型号；③混合产液量50～80 t/d，且生产稳定；④含水<5%。

4.1.2 降黏试验方案

在保证产量不发生明显递减和稠油上返条件下，下调掺稀比，直至井口产液黏度与试验前持平。现场试验过程中，最佳掺稀比的确定以井口回压不超过2 MPa、油井产量无明显递减且井口产液黏度与加热前持平，将该掺稀比作为油井最佳掺稀比，并作为试验结束后保持油井稳定生产的掺稀比。

4.1.3 应用效果

对选择应用的7口井进行现场应用评价，矿物绝缘电缆应用效果如表2所示。从表2可以看出，应用了矿物绝缘电缆的7口井均出现了掺稀量降低，6口井产油量增加，平均日增油率26.6%，节约稀油率24.9%。通过现场应用取得如下认识：1)温度提升能够降低稀油用量，平均单井节约稀油30 t；2)生产稳定可以增加油井产能，平均单井增加产油8 t；3)功率无法精细调整、能耗较高，平均单井日耗电约5 500 kW·h。

表2 矿物绝缘电缆应用效果表

4.2 无极调功柜应用效果

4.2.1 试验方案

在保证产量稳定和稠油不上返的条件下，调整无极调功柜的功率，进行不同温度的调整探索，最终

确定在一定的功率的条件下，生产情况和耗电量匹配效果好。然后对比该功率下使用无极调功柜前后，该井的井口温度、日产油、日掺稀、日均耗电量和耗电量下降率等参数的变化，对应用效果进行评价。结合生产和能耗情况，选择在S99、TH12386、TH12445 3口井进行试验。

4.2.2 应用效果

1)对比无极调功柜使用前，S99井使用后的井口温度由78 ℃下降到62 ℃，日产油量和日掺稀量基本持平，日均耗电量由4 040 kW·h下降至2 710 kW·h，下降幅度达到32.9%。

2)对比无极调功柜使用前，TH12386井使用后井口温度由78 ℃下降到72 ℃，日产油量和日掺稀量和基本持平，日均耗电量由4 690 kW·h下降至3 790 kW·h，下降幅度15.3%。

3)对比无极调功柜使用前，TH12445井使用后井口温度由68 ℃下降到62 ℃，日产油量基本持平，通过精细优化掺稀，掺稀量由60 t下降至57 t，稀稠比由2.4下降至2.2，日均耗电量由6 500 kW·h 下降至5 720 kW·h，下降幅度12%。3口井在使用无极调功柜前后，平均日耗电量降低1 505 kW·h，平均下降率达到20.1%，节约电量效果明显。

5 结论

矿物绝缘电缆在塔河油田应用7井次，平均单井节约稀油率24.9%，增油率26.6%，节约稀油、增油效果明显，满足了超深、超稠油井降黏生产需要。配套的无极调功柜在塔河油田应用3井次，平均单井日耗电量下降率20.1%，节约电量效果较好，弥补了矿物绝缘电缆能耗高的缺点。对于超深、超稠油、高液量油井，矿物绝缘电缆具有良好应用前景。