李洪超

（吉林油田公司油氣工程研究院 吉林松原 138000）

光纖溫度傳感技術(shù)在稠油電加熱井上的研究與應(yīng)用

李洪超

（吉林油田公司油氣工程研究院 吉林松原 138000）

針對吉林油田稠油開發(fā)區(qū)塊應(yīng)用電加熱井電熱能耗大、加熱效率低、舉升不配套的技術(shù)需求，本文對空心桿電加熱舉升方式井筒溫度場進(jìn)行了分析建模，得到了完整的井筒溫度分布曲線，并進(jìn)行了稠油生產(chǎn)井井下連續(xù)溫度剖面監(jiān)測，運(yùn)用實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算曲線對比分析，對所建立的理論溫度場模型進(jìn)行了驗(yàn)證與完善，利用所建立的空心桿電加熱仿真模型及溫度理論模型，分析各電加熱參數(shù)對井筒溫度分布的影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)井的電加熱參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)選，實(shí)現(xiàn)提高加熱效率降低能耗的目的。

電加熱舉升;井筒溫度分布;仿真模型;光纖傳感技術(shù)

吉林油田高凝稠油具有規(guī)模儲量，其儲層流體具有高凝固點(diǎn)、較高粘度等特殊油品性質(zhì)，運(yùn)用常規(guī)舉升手段出現(xiàn)頻繁卡井、舉升不配套等一系列問題，嚴(yán)重影響油井的正常生產(chǎn)時(shí)率。為了能夠合理優(yōu)化電加熱工作制度，提高加熱效率、利用最小的能耗實(shí)現(xiàn)最佳的加熱效果，需要進(jìn)行井下溫度場分析及井下溫度剖面監(jiān)測。光纖傳感器由于抗干擾能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)在線分布監(jiān)測，逐漸取代了常規(guī)測溫手段，在井下測溫領(lǐng)域日益受到重視。

1 電加熱高凝稠油井筒溫度分布理論模型建立

基于電磁學(xué)原理分析管狀導(dǎo)體加熱集膚效應(yīng)原理，建立其截面徑向電流分布理論模型；針對油管集膚效應(yīng)仿真分析，與理論計(jì)算進(jìn)行對比，得到合理的油管集膚效應(yīng)仿真模型；在油管集膚效應(yīng)的基礎(chǔ)上對空心桿內(nèi)集膚效應(yīng)進(jìn)行仿真分析。然后擬基于傳熱學(xué)原理分析空心桿電加熱過程產(chǎn)液在舉升過程中與電熱空心桿及井筒溫度場的熱流耦合效應(yīng)，以產(chǎn)液微元體為研究單元，建立電加熱過程井筒傳熱模型，進(jìn)而采用微元迭代和循環(huán)計(jì)算的分析方法，得到電加熱過程井筒沿井深方向以及徑向的溫度分布，并進(jìn)一步分析得到影響電加熱效果的電加熱參數(shù)，以便進(jìn)行加熱效率研究。

2 高凝稠油電加熱井下溫度測試系統(tǒng)

為成功實(shí)現(xiàn)高凝稠油電加熱井下測溫，要求傳感器有如下特點(diǎn)：

（1）能實(shí)現(xiàn)全井段的分布式溫度測量，且一些井監(jiān)測長度達(dá)到3000 m，最高溫度可達(dá)150℃，空間分辨率達(dá)到0.5 m，溫度精度要求為1~2℃；

（2）能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，獲得各個(gè)時(shí)刻井下溫度分布數(shù)據(jù)，防止井下油流由于溫度過低而產(chǎn)生結(jié)蠟現(xiàn)象，同時(shí)避免傳統(tǒng)手段需停產(chǎn)才能測量溫度的弊端；

（3）由于電加熱井井下工況復(fù)雜惡劣，要求耐腐蝕，抗電磁干擾。

普通機(jī)械式及電子式溫度傳感器已不能滿足該類井井下溫度在線監(jiān)測要求。而拉曼傳感技術(shù)以它獨(dú)有的特點(diǎn)，成為一種優(yōu)先選擇。

在拉曼光纖傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上研究一種能實(shí)現(xiàn)電加熱井井下油套環(huán)空內(nèi)溫度全分布式在線測量的監(jiān)測方法，并研制適于電加熱井井下溫度監(jiān)測要求的全分布式拉曼光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)該類井下油套環(huán)空內(nèi)溫度全分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測，為驗(yàn)證空心桿電加熱井井下溫度分布理論模型提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，該監(jiān)測系統(tǒng)主要包括兩部分：拉曼測溫光纖和R O T D R解調(diào)儀。油井電加熱過程拉曼光纖分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖如圖1所示：

圖1 油井電加熱過程拉曼光纖分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖

3 溫度模型的計(jì)算與現(xiàn)場溫度監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

采用MA T L A B實(shí)現(xiàn)理論模型計(jì)算。制定傳感器下井方案，搭建井下分布式拉曼光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)，對空心桿電加熱實(shí)驗(yàn)井電加熱過程中的溫度實(shí)施監(jiān)測，得到電加熱過程油管溫度分布曲線。

將現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和本文所建立的空心桿電加熱井筒溫度分布模型計(jì)算得到的理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證所建立數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。利用建立的空心桿電加熱井溫度分布模型以及空心桿集膚效應(yīng)A N S Y S模型可分析各電加熱參數(shù)與電加熱深度對溫度分布曲線的影響，針對電加熱井的實(shí)際工況嘗試對電加熱參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，提高電加熱效率，在減少能耗的同時(shí)，獲得理想的井筒油流溫度分布。

圖2 MATLAB參數(shù)化程序計(jì)算曲線

在伊通油田現(xiàn)場選取一口空心桿電加熱井作為實(shí)驗(yàn)井，利用分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)對該空心桿電加熱實(shí)驗(yàn)井采集井下溫度分布數(shù)據(jù)，分析電加熱過程中井筒溫度分布規(guī)律，并與理論模型計(jì)算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對比?？招臈U電加熱井拉曼光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)全局結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示：

利用所搭建的全分布式拉曼光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)井井筒溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，得到電加熱過程中井筒的溫度分布曲線如圖4所示。其中橫坐標(biāo)代表監(jiān)測點(diǎn)與井底的距離，縱坐標(biāo)代表電加熱過程油套環(huán)空中油管外壁處的溫度。圖5所示為MA T L A B參數(shù)化程序計(jì)算得到的油管內(nèi)油液與油管溫度對比曲線。由于油管導(dǎo)熱系數(shù)以及其與油管內(nèi)油液間的傳熱系數(shù)很大，而且油管材料的比熱很小，故油管的溫度是比較接近油液溫度的。

圖3 空心桿電加熱井拉曼光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)全局結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 溫度監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)測與濾波曲線圖

圖5 MATLAB參數(shù)化程序計(jì)算得到的油管內(nèi)油液與油管溫度對比曲線

4 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模型計(jì)算結(jié)果對比

為了驗(yàn)證所建立的空心桿電加熱井溫度理論數(shù)值模型的正確性，針對吉林油田伊通地區(qū)某實(shí)驗(yàn)井，結(jié)合實(shí)驗(yàn)監(jiān)測地溫梯度數(shù)據(jù)，利用本文所建的井筒溫度分布數(shù)值模型進(jìn)行了理論計(jì)算。

圖6 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果對比

其中A部分和B部分加熱點(diǎn)附近的偏差是由于在理論數(shù)值模型計(jì)算過程中忽略了油液向?qū)嵭某橛蜅U的徑向傳熱損失，而且理論模型在計(jì)算時(shí)假設(shè)初始未電加熱抽油階段井底部分的油層溫度是與地層溫度相等，但實(shí)際上由于油層對流運(yùn)動(dòng)的存在，泵掛位置附近的初始油溫要稍高于地層溫度，因此實(shí)際抽油過程中加熱點(diǎn)前的油液向大地傳熱的徑向熱損失會大于理論計(jì)算的徑向熱損失，因此實(shí)驗(yàn)監(jiān)測得到的井筒溫度會比理論計(jì)算的下降地更快?？傮w來說，本文提出的理論模型具有良好的計(jì)算精度，完全滿足指導(dǎo)實(shí)際空心桿電加熱井生產(chǎn)的需要，可用于空心桿電加熱井加熱效率研究。

5 結(jié)論

針對目前電加熱井能耗大加熱效率低的問題及現(xiàn)有井下溫度場理論不全面、現(xiàn)有傳感器不能實(shí)現(xiàn)電加熱井全井段溫度剖面監(jiān)測的難題，基于電磁學(xué)、傳熱學(xué)原理，通過仿真及理論分析建立了空心桿電加熱井井筒溫度場分布模型，將所搭建的井下拉曼光纖全分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于電加熱井井下溫度剖面監(jiān)測，驗(yàn)證了空心桿電加熱理論模型的可行性，為指導(dǎo)實(shí)際空心桿電加熱井生產(chǎn)提供了參考依據(jù)，具有較大的學(xué)術(shù)研究及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。