劉永建，范英才，，李 勇，李 巍

（1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318； 2.遼河油田分公司歡喜嶺采油廠，遼寧盤錦 124010）

重力熱管式抽油桿柱吸收地?zé)峒訜峋布夹g(shù)

劉永建1，范英才1，2，李 勇2，李 巍1

（1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318； 2.遼河油田分公司歡喜嶺采油廠，遼寧盤錦 124010）

針對目前蒸氣吞吐井采用的電加熱及熱流體循環(huán)工藝存在的能耗大、運(yùn)行成本高及井下作業(yè)復(fù)雜等問題，依據(jù)熱管原理，將機(jī)抽井中的空心抽油桿經(jīng)過加工處理改制成具有高效傳熱功能的重力熱管，形成利用抽油桿柱吸收地?zé)峒訜峋残录夹g(shù)；介紹油井現(xiàn)場制造重力熱管式抽油桿柱的操作工藝；依據(jù)遼河油田3口試驗(yàn)井資料分析加熱井筒新技術(shù)適用條件及影響因素.結(jié)果表明：對于油層深度＜1 300m、油層流體溫度為100～120℃、油層條件下原油黏度＜10 Pa·s、周期注氣量≥2 000m3及產(chǎn)液量≥15m3／d，在產(chǎn)液量20m3／d以上的蒸氣吞吐井應(yīng)用這種新技術(shù)可以取得加熱井筒的好效果.

蒸氣吞吐；加熱井筒；重力熱管；空心抽油桿；吸收地?zé)?/p>

在稠油井或高含蠟油井的產(chǎn)出液由井底流向地面井口過程中，由于散熱降溫致使其黏度和上流阻力急劇增加，近井口部位易出現(xiàn)產(chǎn)出液析蠟、滯留甚至堵塞，導(dǎo)致抽油機(jī)負(fù)荷過載，影響油井的正常生產(chǎn).油田現(xiàn)場解決此問題的辦法是對井內(nèi)流體加熱升溫，普遍采用電加熱及熱流體循環(huán)等工藝措施，可以取得好的效果，但存在能耗大、生產(chǎn)運(yùn)行成本高及井下作業(yè)工藝復(fù)雜等嚴(yán)重缺陷.

近年來，人們依據(jù)熱管原理設(shè)計(jì)并初步試驗(yàn)了一種新的井筒加熱方式［1－9］，按照李菊香等人［10］的觀點(diǎn)可稱之為地?zé)崂梅ɑ虻責(zé)崮茏云胶饩布訜峒夹g(shù).因?yàn)樵摷夹g(shù)提出較晚，所以存在很多問題急待解決，如：（1）液池深度太深，液體處于過冷狀態(tài)使熱管可能失去沸騰條件；（2）蒸氣流速高，管徑小使熱管可能遭遇攜帶極限的屏障；（3）蒸氣流動(dòng)路徑長、阻力太大使熱管內(nèi)蒸氣可能難以流動(dòng)到終點(diǎn).針對以熱管原理為指導(dǎo)的加熱井筒新技術(shù)現(xiàn)存問題，筆者結(jié)合遼河油田蒸氣吞吐井實(shí)際情況，采用試驗(yàn)的手段，研究利用井上空心抽油桿柱制造熱管的方法，并在分析應(yīng)用效果及影響因素的基礎(chǔ)上，確定加熱井筒新技術(shù)的使用條件，以形成一套重力熱管式抽油桿柱吸收地?zé)峒訜峋残录夹g(shù).

1 技術(shù)原理

加熱井筒技術(shù)是一種將熱管傳熱原理應(yīng)用到油井中的抽油桿上，將細(xì)長的空心抽油桿柱改制成重力熱管，使其不僅在機(jī)抽系統(tǒng)中有桿柱基本用途，而且具有從下往上高效傳熱功能的技術(shù).油管中連續(xù)向上流出的產(chǎn)出液（原油或油水）既是空心抽油桿熱管（以下簡稱“熱管”）的熱源又是冷源.在油井下部，當(dāng)產(chǎn)出液的溫度較高時(shí)，其是熱管的熱源，熱量由產(chǎn)出液傳給熱管；在油井上部，當(dāng)向上流動(dòng)的產(chǎn)出液溫度逐漸降低時(shí)，在井筒上部某一位置處，產(chǎn)出液的溫度開始低于熱管內(nèi)的介質(zhì)溫度，熱量由熱管傳向產(chǎn)出液，對產(chǎn)出液進(jìn)行加熱.熱管吸熱部分稱為蒸發(fā)段，放熱部分稱為冷凝段.熱管內(nèi)的工質(zhì)在蒸發(fā)段吸熱氣化，蒸氣由蒸發(fā)段流向冷凝段，流到冷凝段受到冷卻使蒸氣凝結(jié)成液體，這時(shí)熱管放出熱量，并且凝結(jié)液再回流到蒸發(fā)段重新吸熱，這個(gè)過程循環(huán)不已，從而將熱量從井底傳遞到井口.

對于重力熱管式抽油桿柱，這種小內(nèi)徑的、超長的且充裝特殊工質(zhì)的重力熱管，與典型的重力熱管不同，其蒸發(fā)段和冷凝段的分界點(diǎn)不是人為控制的，而是由各種傳熱因素自行決定的，具有自適應(yīng)自平衡性.不論是在蒸發(fā)段還是在冷凝段，熱源或冷源溫度與熱管內(nèi)溫度的傳熱溫差是隨熱管高度逐漸變化的.在蒸發(fā)段，該溫差由下往上逐漸減少，進(jìn)入冷凝段之后，該溫差又逐漸增大.因此，可用于井筒加熱的由空心抽油桿柱制成的重力熱管在井下不同深度處通過油管壁面的熱流密度是不同的.

另外，由空心抽油桿制成的重力熱管，其超長特性是在熱管研究和應(yīng)用領(lǐng)域未曾遇到的新問題，不僅其內(nèi)部工質(zhì)的兩相流可能遇到各種難以克服的阻力和障礙，而且熱管內(nèi)部填充的工質(zhì)本身會(huì)承受由其自重而產(chǎn)生很高的靜液柱壓力.在這樣高的壓力下，工質(zhì)能否產(chǎn)生沸騰和蒸發(fā)還有待于確定.因此，適用的工質(zhì)是決定技術(shù)成功與否的關(guān)鍵因素之一.

在采油工程領(lǐng)域用空心抽油桿制成重力熱管，雖然從原理上講屬于相變傳熱，具有熱管的特性，但實(shí)際上，它本身與典型熱管存在著巨大差異.為了使抽油桿熱管能夠真正運(yùn)行起來，將井筒下部從油藏獲得的熱量傳遞給油井上部需要加熱的原油，不能直接套用典型熱管的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和處理辦法，必須再研究新熱管制造工藝和應(yīng)用技術(shù).

2 制造工藝

結(jié)合遼河油田歡127－26－34、歡127－蓮H4和齊108－20－26等3口試驗(yàn)井，介紹在油田現(xiàn)場制造超長抽油桿熱管實(shí)施工藝.

2.1 管殼選擇

管殼選用遼河石油勘探局總機(jī)械廠生產(chǎn)的KGW36－60DZ空心抽油桿.抽油桿規(guī)格為φ38mm×6 mm，徑長26mm.歡127－26－34井泵掛深780m，空心抽油桿下深為770m，每根空心抽油桿長8m，共需空心抽油桿96根和1根空心光桿.歡127－蓮H4井及齊108－20－26井所需空心桿數(shù)量各為133根.

2.2 工質(zhì)確定

選用東北石油大學(xué)和遼河油田歡喜嶺采油廠聯(lián)合研制的A液作為抽油桿熱管填充用的工質(zhì)，其填充率為10%～20%，見表1.

2.3 施工設(shè)備

油田現(xiàn)場制作重力熱管式抽油桿柱所需施工設(shè)備主要包括桿柱頂端密封連接裝置、注工質(zhì)裝置及抽真空裝置等.

（1）頂端密封連接裝置.頂端密封連接裝置由專用閥門、不銹鋼管、不銹鋼三通及不銹鋼變扣組成，為山東阜寧石油機(jī)械加工廠生產(chǎn).針形不銹鋼單向注氣閥門包括1個(gè)角閥和2個(gè)直閥，其耐壓為20MPa.無縫不繡鋼三通3個(gè)，內(nèi)徑為1.27cm.無縫不銹鋼管4根，總長為10cm，內(nèi)徑為1.27cm.不銹鋼變扣1個(gè)，長為20cm，其一端為外螺紋G1型，外徑為1.27cm，另一端為內(nèi)螺紋G1型，內(nèi)徑為1.27cm.

（2）灌注工質(zhì)裝置.灌注工質(zhì)裝置由計(jì)量泵、工質(zhì)儲(chǔ)罐、壓力表及耐壓軟管組成.主要部件是計(jì)量泵，型號(hào)為MaKroTZKa計(jì)量泵，德國普羅名特流體控制公司生產(chǎn).每小時(shí)最大注入量為55×10－3m3，最大注入壓力為16.8MPa.計(jì)量泵在應(yīng)用之前要經(jīng)過標(biāo)定.

（3）抽真空裝置.采用真空泵抽真空，其型號(hào)為2X－2旋片式，抽氣速率為2L／s，極限真空度為6× 10－2Pa.

2.4 施工工藝

在確定井號(hào)及抽油泵下入深度后，采油井現(xiàn)場制造重力熱管式抽油桿柱的施工工藝：

（1）篩選和清洗空心抽油桿，然后逐根進(jìn)行密封試驗(yàn).密封壓力≥15MPa，保持10min無滲漏.

（2）下抽油泵.泵上接1～2根實(shí)心桿后接空心抽油桿，并將此抽油桿記為1＃桿，依次往上接入的空心抽油桿記為2＃桿，3＃桿，…，n＃桿.空心桿絲扣端面抹密封膠后再逐根連接，直到接到設(shè)計(jì)長度（根數(shù)）為止.所用密封膠為東北石油大學(xué)和遼河油田歡喜嶺采油廠聯(lián)合研制.

（3）安裝頂端密封連接裝置.將連接完好的空心抽油桿柱下放到驢頭下止點(diǎn)，將其懸吊或坐牢在油井井口上，再使其與其他裝置相連，組成一個(gè)抽真空、注工質(zhì)的閉環(huán)系統(tǒng)，見圖1.

表1 歡127－26－34等3口試驗(yàn)井熱管工質(zhì)充液量

圖1 井上重力熱管式抽油桿柱抽真空注工質(zhì)系統(tǒng)

（4）開啟系統(tǒng)的閥1～4（見圖1）.

（5）啟動(dòng)真空泵，將整個(gè)系統(tǒng)抽真空至所用設(shè)備的極限真空度.真空度維持在5～10min之間，其值不變方可進(jìn)行下一步驟.

（6）關(guān)閥1，然后緩慢開啟工質(zhì)儲(chǔ)罐閥5.

（7）關(guān)閥4，然后停掉真空泵.

（8）啟動(dòng)注工質(zhì)用計(jì)量泵，實(shí)時(shí)觀察壓力表值＜5～10MPa.

（9）緩慢開啟閥1，觀察壓力表值＜5～10MPa.當(dāng)觀察到空心桿出現(xiàn)瞬間結(jié)霜現(xiàn)象時(shí)，證明注工質(zhì)開始，這時(shí)開始計(jì)時(shí)，直到注工質(zhì)達(dá)到設(shè)計(jì)量時(shí)為止.

（10）注工質(zhì)結(jié)束時(shí)，先關(guān)閉工質(zhì)儲(chǔ)罐閥5；計(jì)量泵繼續(xù)運(yùn)行2～3min后停泵，之后關(guān)閥3.

（11）卸開與真空泵連接處的軟管絲扣，將軟管此端甩到施工者下風(fēng)口一側(cè).

（12）緩慢開啟閥4，放掉軟管線路內(nèi)全部殘留工質(zhì).

（13）卸掉與閥3相連接的全部注工質(zhì)系統(tǒng)配件，閥3被卸掉其上的手柄輪后留在空心桿上.至此，重力熱管式抽油桿柱制作完畢.

（14）掛光桿卡子，抽油機(jī)起抽即可.

利用空心抽油桿制成的重力熱管吸收地?zé)峒訜峋布夹g(shù)，不需要改變稠油采油井現(xiàn)有的機(jī)抽系統(tǒng)，只是將現(xiàn)有的空心抽油桿進(jìn)行特殊工藝處理，再進(jìn)行填充工質(zhì)、抽真空、密封連接制成具有重力熱管功能的空心抽油桿柱；然后將這個(gè)特殊功能管柱與常規(guī)加熱技術(shù)同時(shí)接入機(jī)抽系統(tǒng).這種技術(shù)的機(jī)抽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成本低廉，無需維護(hù)，利用井下地?zé)嶙孕羞\(yùn)轉(zhuǎn).

3 現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

2009年，在遼河油田歡喜嶺采油廠轄區(qū)內(nèi)3口蒸氣吞吐井上應(yīng)用了重力熱管式空心抽油桿柱吸收地?zé)峒訜峋布夹g(shù)，這種非水工質(zhì)的重力熱管無論是現(xiàn)場制造還是入井試用屬當(dāng)今國內(nèi)外首例.3口井應(yīng)用熱管技術(shù)后，井口溫度與上周期相比平均增溫10℃以上；井筒與地層的自適應(yīng)條件得到了改善，延長了油井正常生產(chǎn)時(shí)間，增加了周期產(chǎn)油量.

3.1 試驗(yàn)井概況

歡127－26－34井位于遼河油田歡127塊.該井開采興隆臺(tái)油層，油層厚18.8m.人工井底深911m，最大井斜為27°46＇／500m，套管規(guī)格為φ177.8mm.油層溫度為35.6～36.4℃，含蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.08%，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.58%，地層原油黏度為2 305.74mPa·s.2009年9月2日開始試驗(yàn)，試驗(yàn)周期為第11輪吞吐.周期注氣量為1 808m3；泵掛深度為780m，重力熱管式抽油桿柱長度為770m，井溫測試顯示泵掛深度處井溫約為60℃.

歡127－蓮H4井位于遼河油田歡127蓮花區(qū)塊.該井開采蓮花油層，油層為1 280～1 490m，分4層，人工井底深1 499.7m，最大井斜為94°30＇／1 279.11m，套管規(guī)格為φ177.8mm.油層溫度為39℃，含蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.75%，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28.26%，地層原油黏度為1 413.9mPa·s.2009年12月10日開始試驗(yàn)，試驗(yàn)周期為第4輪吞吐.周期注氣量為2 501m3，泵掛處井溫約為86℃.

齊108－20－26井位于遼河油田齊108塊.該井開采蓮花油層，油層為1 282.7～1 297.8m，平均厚度為10.6m.人工井底深1 317m，最大井斜為17°23＇／1 045m，套管規(guī)格為φ177.8mm.油層溫度為39℃，含蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.68%，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.94%，地層原油黏度為10 583mPa·s.2009年12月25日開始試驗(yàn)，試驗(yàn)周期為第12輪吞吐.周期注氣量為1 760m3，泵掛深度為1 250m，重力熱管式抽油桿柱長度為1 000m，泵掛處井溫約為80℃.

未采用熱管技術(shù)前，3口試驗(yàn)井采用電加熱或摻熱油降黏措施進(jìn)行生產(chǎn).

截至2010年3月23日，歡127－26－34井進(jìn)入新一輪熱采，目前正在注氣.在試驗(yàn)周期該井生產(chǎn)191 d，熱管有效工作時(shí)間（井口溫度＞51℃）為155d.歡127－蓮H4井、齊108－20－26井在試驗(yàn)周期生產(chǎn)中，井口平均溫度高于上周期井口平均溫度10℃以上.

因歡127－蓮H4、齊108－20－26井沒到周期末，所以以分析和討論歡127－26－34井資料為主.

3.2 歡127－26－34井

2009年9月1日由遼河油田分公司鉆采工藝研究院實(shí)測的歡127－26－34井井溫?cái)?shù)據(jù)見表2.9月2日晚8∶00時(shí)歡127－26－34井啟動(dòng)抽油機(jī)起抽開始試驗(yàn)周期采油生產(chǎn).該井上周期產(chǎn)出液井口平均溫度為41℃，試驗(yàn)周期應(yīng)用研制的重力熱管式抽油桿柱后產(chǎn)出液井口平均溫度為51℃，至2010年1月30日實(shí)測該井井口溫度為49℃.歡127－26－34井試驗(yàn)周期生產(chǎn)情況與相關(guān)對比結(jié)果見圖2和表3.

表2 歡127－26－34井井溫實(shí)測數(shù)據(jù)

圖2 歡127－26－34井試驗(yàn)周期與上周期井口溫度曲線

由圖2和表3可知，井口出現(xiàn)的穩(wěn)定、持續(xù)較高的溫度，證明井下重力熱管式抽油桿柱不僅起到它在機(jī)抽系統(tǒng)的原始功能，而且起到了吸收地?zé)峒訜峋驳闹亓峁茏饔?；在試?yàn)井條件下，這種重力熱管能啟動(dòng)并且由井口持續(xù)高溫可證明其工作狀態(tài)良好，確實(shí)可將井底高溫傳到井口；文中給出的各種技術(shù)參數(shù)和現(xiàn)場制作工藝可行，可以實(shí)現(xiàn)蒸氣吞吐井無能耗自平衡吸收地?zé)峒訜峋?，進(jìn)行低成本采油生產(chǎn).

3.3 影響因素

重力熱管式抽油桿柱是井筒加熱技術(shù)領(lǐng)域的新突破、新事物，有待深入研究的問題很多，影響其工作效果的因素也十分復(fù)雜.文中結(jié)合3口井試驗(yàn)結(jié)果討論部分問題.

3.3.1 桿柱長度

3口試驗(yàn)井入井的重力熱管式抽油桿柱長度分別為歡127－26－34井770m，歡127－蓮H4井1 070 m及齊108－20－26井1 000m.3種不同長度的熱管能正常啟動(dòng)工作，傳熱效果對長度不是特別敏感，這一結(jié)果與文獻(xiàn)［3］的分析不相符.

表3 歡127－26－34井試驗(yàn)周期生產(chǎn)情況與相關(guān)對比結(jié)果

根據(jù)熱管的吸液極限理論［11］可知，若重力熱管垂直放置，忽略毛細(xì)管力作用，這時(shí)從理論上講重力熱管長度不是影響熱管傳熱效果的重要因素，試驗(yàn)結(jié)果也說明了這一點(diǎn).所以，理論和試驗(yàn)結(jié)果表明重力熱管式抽油桿柱長度不是影響其傳熱效果的敏感因素.

3.3.2 油層溫度

3口井油層溫度經(jīng)實(shí)測可知：歡127－26－34井830.09m油層深度處溫度為99.74℃；歡127－蓮H4井1 280m油層深度處溫度為115℃；齊108－20－26井1 282.7m油層深度處溫度為105℃.根據(jù)熱管工作原理和所用工質(zhì)，可知油層溫度越高，熱管傳遞能量越大；反之，其傳遞的能量越小.油層溫度越高，地面注氣量越多，采油成本越高.對于油層深度＜1 300m情況，采用蒸氣吞吐的常規(guī)注氣量（約為2 500m3）維持油層溫度在100～120℃即可使熱管正常啟動(dòng)和工作.

3.3.3 產(chǎn)液量

歡127－26－34井產(chǎn)出液和井口流體溫度的實(shí)測結(jié)果見圖3.由圖3可知，在其他條件確定之后，油井產(chǎn)量越高，井出口流體的溫度越高，重力熱管式抽油桿柱傳熱效果越好.特別是當(dāng)產(chǎn)液量＞20m3／d時(shí)，井出口流體溫度增高更明顯.油井產(chǎn)量越高，油管與抽油桿間流體縱向的對流換熱強(qiáng)度加大，油管內(nèi)上流液體的溫度普遍升高，從而增加了重力熱管式抽油桿柱吸熱段和放熱段吸收及釋放的熱量.因此，井出口處產(chǎn)出液溫度進(jìn)一步升高.

3.3.4 原油物性

3口試驗(yàn)井含蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為11.08%，2.75%，6.68%；膠質(zhì)和瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為22.58%，28.26%，29.94%；黏度分別為2 305.74，1 413.90，10 583mPa·s.分析3口井試驗(yàn)結(jié)果可知，在試驗(yàn)條件下，含蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)對熱管傳熱效果影響不敏感，含蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)11.08%的歡127－26－34井不比另外2口井傳熱效果差；膠質(zhì)和瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低、黏度低的原油有利于熱管高效率傳熱，如歡127－26－34井.3.3.5 適用條件

圖3 歡127－26－34井口溫度與產(chǎn)量的關(guān)系實(shí)測結(jié)果

依據(jù)熱管基本理論和3口試驗(yàn)井效果，建議重力熱管式抽油桿柱吸收地?zé)峒訜峋布夹g(shù)的條件：（1）蒸氣吞吐井，周期注氣量≥2 000m3；（2）油層條件下原油黏度＜10Pa·s；（3）產(chǎn)液量≥15m3／d，最好在20m3／d以上；（4）油層深度＜1 300m，油層流體溫度為100～120℃.

4 結(jié)論

（1）重力熱管式抽油桿柱制造工藝可行，采用的特制工質(zhì)和端面密封膠可以保證熱管有效啟動(dòng)和工作.

（2）重力熱管式抽油桿柱吸收地?zé)峒訜峋残录夹g(shù)的適用條件：油層深度＜1 300m，油層流體溫度為100～120℃，油層條件下原油黏度＜10Pa·s，周期注氣量≥2 000m3，產(chǎn)液量≥15m3／d，最好在20m3／d以上.

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Technology of well－bore heating with geothermal energy transferred by gravity heatpipe suck rod string／2010，34（5）：65－70

LIU Yong－jian1，F(xiàn)AN Ying－cai1，2，LI Yong2，LI Wei1
（1.College of Petroleum Engineering，NortheastPetroleum University，Daqing，Heilongjiang 163318，China；2.Huanxiling Oil Production Plant，Liaohe Oilfield Company，Panjin，Liaoning 124010，China）

High energy consumption，high operation costand complex downhole operation pose greatdifficulties in the presentproduction method of steam stimulated well using electric heating and hotfluid circulating.Based on the principle of heatpipe，the hollow suck rod was processed into the gravity heatpipe with high heattransfer efficiency，and the technology of absorbing geothermal energy to heatwellbore by suck rod string was putforward.This paper described in detail the operation process to make on－site the gravity heatpipe suck rod string.The applicable conditions and influence factors of this well－bore heating technology were analyzed with data from 3testwells in Liaohe oilfield.Itis shown thatgood effectof well－bore heating can be achieved by using this technology on the steam stimulated well with the conditions of formation depth＜1 300m，formation fluid temperature at100～120℃，oil viscosity atformation temperature＜10 000mPa·s，periodic steam injection volume≥2 000m3，liquid－producing rate≥15m3／d，20m3／d being more favorable.

steam stimulation；well－bore heating；gravity heatpipe；hollow suck rod；geothermal energy absorbing

book=5,ebook=291

TE355

A

1000 1891（2010）05 0065 06

2010 07 20；編輯：關(guān)開澄

劉永建（1955－），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事采油采氣化學(xué)理論與工程方面的研究.