馬 磊,王 臣,王爾鈞,張 偉,梅明陽,任松濤
(1.中國海油(中國)有限公司湛江公司,廣東 湛江 524057;2.中海能源發(fā)展常州院上海環(huán)境工程公司,廣東 湛江 524057;3.中國海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)湛江分公司,廣東 湛江,524057)
對于含蠟量大、結(jié)蠟?zāi)厅c低的油井,結(jié)蠟堵塞是油管失效的主要風(fēng)險[1,2]。前人大多采用建立模型和數(shù)值計算來進(jìn)行分析和預(yù)測,主要聚焦在結(jié)蠟周期和結(jié)蠟厚度[3~6]。但不同油井的原油組成差異性大,結(jié)蠟量和結(jié)蠟位置各不相同,防蠟、清蠟措施千差萬別。目前常用的防蠟技術(shù)主要有化學(xué)防蠟、隔熱油管防蠟、涂層防蠟和磁防蠟等[7~11];清蠟措施主要有化學(xué)清蠟、機(jī)械清蠟、熱洗清蠟和電加熱清蠟等[12~16]。上述防蠟措施維護(hù)成本高,且清蠟周期頻繁,不利于低品質(zhì)油田開采和傳送。
保溫涂層具有良好的隔熱效果,可防止井筒原油輸送過程中溫度高于析蠟點,從而降低油管壁面析蠟風(fēng)險。該措施只需要外保溫涂層的熱導(dǎo)率滿足油井隔熱要求,從而保證油井的出口溫度大于析蠟點即可。文中基于國內(nèi)某含蠟油井的實際工況,對保溫涂層的傳熱效果進(jìn)行模擬計算,包括:導(dǎo)熱系數(shù)、涂覆長度和涂層厚度等以防止現(xiàn)場油井內(nèi)壁結(jié)蠟現(xiàn)象,提高原油傳送效率。
(1)原油在管道內(nèi)部為單向的一維流動,流速和溫度沿管道截面均勻分布,流動參數(shù)考慮沿輸油方向的變化;
(2)管壁及管外傳熱采用熱傳導(dǎo)模型。
熱油的瞬態(tài)流動數(shù)學(xué)模型包含連續(xù)性方程、動量方程及能量方程。
1.1.1 連續(xù)性方程
式中p—壓力,Pa;t—時間,s;V—流速,m/s;z—軸向距離,m;ρ—熱油密度,kg/m3;a—流體壓力波傳輸速度,m/s;k—流體體積彈性系數(shù),Pa;A—管道截面積,m2;E—管道楊氏彈性模量,Pa,鋼管可取2.07×1011Pa;D—管道直徑,m;δ—管道壁厚,m;C—修正系數(shù)。
1.1.2 動量方程
式中g(shù)—重力加速度,9.8 m/s2;θ—管道傾角,rad;λ—水力摩阻系數(shù)。
1.1.3 能量方程
式中q—單位時間單位面積,控制體內(nèi)流體向外界散熱量,w/m2;u—單位流體的內(nèi)能,J/kg;h—單位質(zhì)量流體的焓值,J/kg;s—管道截面中心相對固定水平面的高程,m。
1.1.4 管道非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)微分方程
(1)控制方程:
油管:
保溫層:
空氣層(或完井液):
(2)連接條件:
管內(nèi)流體與內(nèi)管壁界面:
內(nèi)管外壁與保溫層界面:
保溫層與空氣層界面:
式中ρ—密度,kg/m3;c—比熱容,J/(kg?℃);T—溫度,℃;t—時間,s;Θ—壁厚,m;λ—導(dǎo)熱系數(shù),W/(m?℃);r、R—管道半徑,m;α—對流換熱系數(shù),W/(m?℃);Tw—壁面溫度,℃。
模擬基于實際工況,井筒由套管和采油管組成,之間為完井液,導(dǎo)熱系數(shù)為0.6 W/(m·K)。井底原油初始溫度130℃,原油析蠟點48℃,原油凝固點33℃。因此,現(xiàn)場井口溫度保持在40℃以上可減少析蠟量,防止原油凝固。采油管道材質(zhì)為碳鋼,熱導(dǎo)率50 W/(m·K),恒壓熱容為475 J/K,密度7 850 kg/m3。原油熱導(dǎo)率為0.104 3 W/(m·K),恒壓熱容為2 038 J/K,密度829.7 kg/m3,粘度為0.001 839 Pa·s。根據(jù)原油量和管口直徑計算管道內(nèi)流速為2 522 kg/h。原油輸送過程中,溫降主要由熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對流導(dǎo)致,其中熱傳導(dǎo)與熱對流是主要的溫降因素。油井參數(shù)見表1。
表1 溫度場模擬條件
采用Landmark軟件對原油管道內(nèi)部溫度場進(jìn)行模擬計算,即可獲得油管各部位隨深度變化的溫度分布規(guī)律,從而明確保溫涂層涂覆的最佳油管部位及涂層應(yīng)具備的最佳導(dǎo)熱系數(shù)。
裸油管(無涂層)內(nèi)壁在不同產(chǎn)油量下且井底溫度統(tǒng)一設(shè)置為130℃時的溫度變化規(guī)律見圖1。
圖1 (a)高產(chǎn)量和(b)低產(chǎn)量、無保溫涂層時井深與出口溫度模擬
從圖1可見,油管內(nèi)溫度從井底至出口逐漸減小,與預(yù)期結(jié)果相符。在高產(chǎn)量下(100 m3/d)井出口溫度為58℃,遠(yuǎn)大于析蠟點溫度(48℃),因此不需采用涂層保溫即可防止出口結(jié)蠟;低產(chǎn)量時,由于熱傳導(dǎo)過程中大量熱損失,導(dǎo)致出口溫度只有29℃,需進(jìn)行保溫防蠟措施,提高原油輸送效率。
利用Landmark軟件模擬計算日產(chǎn)量與油井出口溫度變化規(guī)律,見圖2。
圖2 油井溫度隨日產(chǎn)量變化規(guī)律
上述分析表明原油日產(chǎn)量對油井出口溫度具有較大的影響,因此存在臨界日產(chǎn)量使得油井出口溫度高于40℃以有效防止結(jié)蠟。從圖中可以清晰地看出,當(dāng)日產(chǎn)量低于60 m3/d時,出口溫度低于40℃,需進(jìn)行保溫防蠟措施。在裸油管工作情況下,必須保證產(chǎn)量大于60 m3/d,以防止油管內(nèi)壁結(jié)蠟,影響原油傳送效率。但隨著油井開采到中后期,日產(chǎn)量會逐漸下降,當(dāng)?shù)陀?0 m3/d時,需要考慮保溫防蠟。
基于實際工況,設(shè)置油管4 000 m深處的原油溫度為130℃,油管前500 m涂覆保溫層,保溫層厚度為13 mm。隨著保溫層導(dǎo)熱系數(shù)降低,即0.1 W/(m·K)→0.02W/(m·K),油管口的出油溫度不斷升高。當(dāng)保溫層熱導(dǎo)率為0.1 W/(m·K),0.07 W/(m·K)和0.02 W/(m·K)時,油管出口溫度分別為59.81℃、60.07℃和62.22℃,均大于結(jié)蠟溫度可以保證油管正常運行其規(guī)律見圖3。
圖3 (a)高產(chǎn)量下油井溫度隨涂層導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律,(b)局部放大圖
低產(chǎn)量下油井底部溫度依然設(shè)置為130℃,低產(chǎn)量下無保溫涂層時,油井出口溫度為29℃;當(dāng)涂層涂覆長度為500 m時,油井出口溫度為36℃,見圖4;當(dāng)涂層涂覆長度為850 m時,出口溫度41℃,達(dá)到防析蠟要求(大于40℃)。
圖4 低產(chǎn)量下涂覆保溫涂層時井深與出口溫度模擬。
該結(jié)果與預(yù)期值相符,說明在低產(chǎn)量下,只要在油管從井口往底部涂覆850 m保溫涂層(總長為4 000 m),即可起到防止結(jié)蠟的效果,有效保證原油正常輸送。
(1)通過模擬計算確定了烏石某油田需要進(jìn)行保溫防蠟的臨界產(chǎn)量為60 m3/d。利用landmark軟件,基于烏石某油田實際運行工況,對管道內(nèi)壁溫度進(jìn)行模擬計算。結(jié)果表明該模型可用于預(yù)測出口溫度與油井日產(chǎn)量的關(guān)系,并確定了烏石某油田需要進(jìn)行保溫防蠟的臨界產(chǎn)量為60 m3/d。
(2)對于相同產(chǎn)量日、相同厚度的保溫涂層,導(dǎo)熱系數(shù)越低,油井出口溫度越高。
(3)對于相同產(chǎn)量日、涂覆相同厚度保溫涂層的油管,未涂覆保溫涂層時油井出口溫度為29℃;涂覆0.03 W/(m·K)保溫涂層(厚度13 mm)850 m可保證出口溫度大于析蠟點(40℃),達(dá)到工程開采防析蠟要求。