重力热管式抽油杆柱吸收地热加热井筒技术

收稿日期 ： 编辑 ： 关开澄 ２ ０ １ ０ ７ ０； ０ ２ ， 刘永建 （ 男， 博士 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从事采油采气化学理论与工程方面的研究 ． １ ９ ５ ５－ ） 作者简介 ： ·６ ５·
大 庆 石 油 学 院 学 报 第 ３ ４ 卷 ２ ０ １ ０年
（ 黑龙江 大庆 １ 辽宁 盘锦 １ １．东北石油大学 石油工程学院 ， ６ ３ ３ １ ８； ２ ４ ０ １ ０） ２．辽河油田分公司 欢喜岭采油厂 ， 针对目前蒸气吞吐井采用的电加热及热流体循 环 工 艺 存 在 的 能 耗 大 、 运 行 成 本 高 及 井 下 作 业 复 杂 等 问 题， 摘 要 ： 依据热管原理 ， 将机抽井中的空心抽油杆经过加工处理改制成具有高效传热功能的 重 力 热 管 ， 形成利用抽油杆柱吸收地 热加热井筒新技术 ； 介绍油井现场制造重力热管式抽油杆柱的操作工艺 ； 依据辽河 油 田 ３ 口 试 验 井 资 料 分 析 加 热 井 筒 新 技术适用条件及影响因素 ． 结果表明 ： 对于油层深度 ＜１ 油层流体温度为 １ 油 层 条 件 下 原 油 黏 度 ＜１ ３ ０ ０ｍ、 ０ ０～１ ２ ０ ℃、 ０
］ １－９ １ ０］ ， 近年来 ， 人们依据热管原理设计并 初 步 试 验 了 一 种 新 的 井 筒 加 热 方 式 ［ 按 照 李 菊 香 等 人［ 的观
因 为 该 技 术 提 出 较 晚， 所以存在很多问题急待解 点可称之为地热利用法或地热能自平 衡 井 筒 加 热 技 术 ． （ ） （ 决， 如： 液池深度太深 ， 液体处于过冷状态使热管可能失去沸腾条件 ； 蒸气 流 速 高 ， 管径小使热管可 １ ２） （ ） 能遭遇携带极限的屏障 ； 蒸气流动路径长 、 阻力太大使热管内蒸气可能难以流动到终点 ． 针对以热管原 ３ 理为指导的加热井筒新技术现存问题 ， 笔者结合辽河油田蒸气吞吐井实际 情 况 ， 采 用 试 验 的 手 段， 研究利 用井上空心抽油杆柱制造热管的方法 ， 并在分析应用效果及影响因素的基础上 ， 确定加热井筒新技术的使 用条件 ， 以形成一套重力热管式抽油杆柱吸收地热加热井筒新技术 ．
在稠油井或高含蜡油井的产出液由井底流向地面井口过程中 ， 由于散 热 降 温 致 使 其 黏 度 和 上 流 阻 力 近井口部位易出现产出液析蜡 、 滞留甚至堵塞 ， 导致抽油机负 荷 过 载 ， 影 响 油 井 的 正 常 生 产． 油 急剧增加 ， 田现场解决此问题的办法是对井内流体加热升温 ， 普遍采用电加热及热流体循环等工艺措施 ， 可以取得好 的效果 ， 但存在能耗大 、 生产运行成本高及井下作业工艺复杂等严重缺陷 ．
发段 ， 该温差由下往上逐渐减少 ， 进入冷凝段之后 ， 该温差又逐渐增大 ． 因 此， 可用于井筒加热的由空心抽 油杆柱制成的重力热管在井下不同深度处通过油管壁面的热流密度是不同的 ． 另外 ， 由空心抽油杆制成的重力热管 ， 其超长特性是在热管研究和 应 用 领 域 未 曾 遇 到 的 新 问 题 ， 不仅 其内部工质的两相流可能遇到各种难以克服的阻力和障碍 ， 而且热管内部填充 的 工 质 本 身 会 承 受 由 其 自 在这样高的压力下 ， 工质能否产生沸腾和蒸发还有待于确定 ． 因此 ， 适用的工 重而产生很高的静液柱压力 ． 质是决定技术成功与否的关键因素之一 ． 在采油工程领域用空心抽油杆制成重力热管 ， 虽然从原理上讲属 于 相 变 传 热 ， 具 有 热 管 的 特 性， 但实 它本身与典型热管存在着巨大差异 ． 为了使抽油杆热管能够真正运行 起 来 ， 将井筒下部从油藏获得 际上 ， 的热量传递给油井上部需要加热的原油 ， 不能直接套用典型热管的生产经验和处理办法 ， 必须再研究新热 管制造工艺和应用技术 ．
２ 制造工艺
结合辽河油田欢 １ 欢１ 介绍在油田现场制 ２ ７－２ ６－３ ４、 ２ ７－ 莲 Ｈ ４和 齐 １ ０ ８－２ ０－２ ６ 等 ３ 口 试 验 井， 造超长抽油杆热管实施工艺 ． ２． １ 管壳选择 管壳选用辽河石油勘探局总 机 械 厂 生 产 的 ＫＧＷ 抽 油 杆 规 格 为 ３ ６－６ ０ Ｄ Ｚ 空 心 抽 油 杆． ３ ８ ｍｍ×６ 径长 ２ 欢１ 空心抽油杆下深为 ７ 每根空心抽油杆长 ８ ｍ， 共 ６ｍｍ． ２ ７－２ ６－３ ４ 井泵挂深 ７ ８ ０ｍ， ７ ０ｍ， ｍｍ， 需空心抽油杆 ９ 欢１ ６ 根和 １ 根空心光杆 ． ２ ７－ 莲 Ｈ ４ 井及齐 １ ０ ８－２ ０－２ ６ 井所需空心杆数量各为 １ ３ ３根． ２． ２ 工质确定 选用东北石油大学和辽河油田欢喜岭采油厂联 其填 合研制的 Ａ 液作为抽油杆热管填充用 的 工 质 ， 充率为 １ 见表 １． ０％ ～２ ０％ ， ２． ３ 施工设备 油田现场制作重力热管式抽油杆柱所需施工设 备主要包括杆柱顶端密封连接装置 、 注工质装置及抽真空装置等 ． （ ） 顶端密封连接装置 ． 顶端密封连接装置由专用阀门 、 不锈钢管 、 不 锈 钢 三 通 及 不 锈 钢 变 扣 组 成， 为 １ 山东阜宁石油机械加工厂生产 ． 针形不锈钢单向注气阀门包括 １ 个角阀和 ２ 个直阀 ， 其耐压为 ２ 无 ０ ＭＰ ａ ． 缝不绣钢三通 ３ 个 ， 内径为 １． 无缝不锈钢管 ４ 根 ， 总长为 １ 内径为 １． 不锈钢变扣 １ 个 ， ２ ７ｃ ｍ． ０ｃ ｍ， ２ ７ｃ ｍ． 长为 ２ 其一端为外螺纹 Ｇ 外径为 １． 另一端为内螺纹 Ｇ 内径为 １． ０ｃ ｍ， １型， ２ ７ｃ ｍ， １型， ２ ７ｃ ｍ． （ ） 灌注工质装置 ． 灌注工质装置由计量泵 、 工质储罐 、 压力表及耐压软管组成 ． 主要部件是计量泵 ， 型 ２ －３ ３ 号为 Ｍ 德国普罗名特流 体 控 制 公 司 生 产 ． 每小时最大注入量为５ 最大注 ａ Ｋ ｒ ｏ Ｔ Ｚ Ｋ ａ计量泵 ， ５×１ ０ ｍ， 入压力为 １ 计量泵在应用之前要经过标定 ． ６． ８ ＭＰ ａ ． （ ） ／ ， 抽真空装置 ． 采用真空泵抽真 空 ， 其型号为２ 抽 气 速 率 为 ２Ｌ 极 限 真 空 度 为 ６× ３ Ｘ－２ 旋 片 式 ， ｓ ａ ． １ ０ Ｐ ２． ４ 施工工艺 在确定井号及抽油泵下入深度后 ， 采油井现场制造重力热管式抽油杆柱的施工工艺 ： （ ） ， 筛选和清洗空心抽油杆 ， 然后逐根进行密封试验 ． 密封压力 ≥１ 保持 １ １ ５ ＭＰ ａ ０ｍ ｉ ｎ 无渗漏 ． （ ） 下抽油泵 ． 泵上接 １～２ 根实心杆后 接 空 心 抽 油 杆 ， 并 将 此 抽 油 杆 记 为 １＃ 杆 ， 依次往上接入的空 ２ …， 心抽油杆记 为 ２＃ 杆 ， 空心杆丝扣端面抹密封胶后再逐根连接， 直到接到设计长度（ 根 ３＃ 杆 ， ｎ＃ 杆 ． 数） 为止 ． 所用密封胶为东北石油大学和辽河油田欢喜岭采油厂联合研制 ． （ ） 安装顶端密封连接装置 ． 将连接完好的空心抽油杆柱下放到驴头下 止 点 ， 将其悬吊或坐牢在油井 ３ 井口上 ， 再使其与其他装置相连 ， 组成一个抽真空 、 注工质的闭环系统 ， 见图 １．
第 ５ 期 刘永建等 ： 重力热管式抽油杆柱吸收地热加热井筒技术
图 １ 井上重力热管式抽油杆柱抽真空注工质系统
） （ ） 开启系统的阀 １～４ 见图 １ ４ ． （ （ ） ， 真空度维持在 ５～１ 其值不 ５ 启动真空泵 将整个系统抽真空至所用设备的极限真空度 ． ０ｍ ｉ ｎ 之间 ， 变方可进行下一步骤 ． （ ） 关阀 １， 然后缓慢开启工质储罐阀 ５． ６ （ ） ， 关阀 ７ ４ 然后停掉真空泵 ． （ ） 启动注工质用计量泵 ， 实时观察压力表值 ＜５～１ ８ ０ ＭＰ ａ ． （ ） ， ， 缓慢开启阀 观察压力表值 当观察到空心杆出现瞬间结霜现象时 证明注工质开 ９ １ ０ ＭＰ ａ ． ＜５～１ 始， 这时开始计时 ， 直到注工质达到设计量时为止 ． （ ） 注工质结束时 ， 先关闭工质储罐阀 ５； 计量泵继续运行 ２～３ｍ 之后关阀 ３． １ ０ ｉ ｎ 后停泵 ， （ ） 卸开与真空泵连接处的软管丝扣 ， 将软管此端甩到施工者下风口一侧 ． １ １ （ ） 缓慢开启阀 ４， 放掉软管线路内全部残留工质 ． １ ２ （ ） 卸掉与阀 ３ 相连接的全部注工质系统配件 ， 阀 ３ 被卸掉其上的 手 柄 轮 后 留 在 空 心 杆 上 ． 至 此， 重 １ ３ 力热管式抽油杆柱制作完毕 ． （ ） 挂光杆卡子 ， 抽油机起抽即可 ． １ ４ 利用空心抽油杆制成的重力热管吸收地热加热井筒技术 ， 不需要改变稠油采油井现有的机抽系统 ， 只 是将现有的空心抽油杆进行特殊工艺处理 ， 再进行填充工质 、 抽真空 、 密封连 接 制 成 具 有 重 力 热 管 功 能 的 空心抽油杆柱 ； 然后将这个特殊功能管柱与常规加热技术同时接入机抽系统 ． 这种技术的机抽系统结构简 单， 操作方便 ， 成本低廉 ， 无需维护 ， 利用井下地热自行运转 ．
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表 １ 欢 １ ２ ７－２ ６－３ ４ 等 ３ 口试验井热管工质充液量
井号 欢１ ２ ７－２ ６－３ ４井 欢１ ２ ７－ 莲 Ｈ ４井 齐１ ０ ８－２ ０－２ ６井
３ 容积 ／ １ ０－３ ｍ
质量／ ｋ ｇ ４ ６． ７ ８ ６ ５． ２ ４ ６ ５． ２ ４
８ ０． ７ １ １ ２． ５ １ １ ２． ５
１ 技术原理
加热井筒技术是一种将热管传热原理应用到油井中的抽油杆上 ， 将细 长 的 空 心 抽 油 杆 柱 改 制 成 重 力 热管 ， 使其不仅在机抽系统中有杆柱基本用途 ， 而且具有从下往上高效传热 功 能 的 技 术 ． 油管中连续向上 ） 流出的产出液 （ 原油或油水 ） 既是空心抽油杆热管 （ 以下简称 “ 热管 ” 的热源又是冷源 ． 在油井下部 ， 当产出 液的温度较高时 ， 其是热管的热源 ， 热量由产出液传给热管 ； 在油井上部 ， 当向上流动的产出液温度逐渐降 低时 ， 在井筒上部某一位置处 ， 产出液的温度开始低于热管内的介质温度 ， 热量由热管传向产出液 ， 对产出 液进行加热 ． 热管吸热部分称为蒸发段 ， 放热部分称为冷凝段 ． 热管内的工质在蒸发段吸热气化 ， 蒸气由蒸 发段流向冷凝段 ， 流到冷凝段受到冷却使蒸气凝结成液体 ， 这时热管放出热 量 ， 并且凝结液再回流到蒸发 段重新吸热 ， 这个过程循环不已 ， 从而将热量从井底传递到井口 ． 对于重力热管式抽油杆柱 ， 这种小内径的 、 超长的且充装特殊工质 的 重 力 热 管 ， 与典型的重力热管不 同， 其蒸发段和冷凝段的分界点不是人为控制的 ， 而是由各种传热因素自行决定的 ， 具有自适应自平衡性 ． 不论是在蒸发段还是在冷凝段 ， 热源或冷源温度与热管内温度的传热温差是随热管高度逐渐变化的 ． 在蒸