井口电磁加热器在青海尕斯库勒油田的应用

井口电磁加热器在青海尕斯库勒油田的应用
青海尕斯库勒油田原油的含蜡量高,属于典型的高凝油,由于地处高寒地区,年温差大,原油的流动性差,增加了单井集输的难度。

此前采用了几种加热方式,都存在不足之处,特别是能耗较高。

近年来,石油企业对“节能减排”、“降本增效”越来越重视,为此,在实际生产中探索出一套“工艺简单、能耗低”的高凝油的单井地面集输流程和设施就显得格外重要。

经试验,电磁加热器可以满足这一要求。

1高凝油的单井集油流程简述
1.1掺轻质原油集油流程
掺轻质原油集油流程就是在高凝原油中掺入轻质、低含蜡原油。

虽然降凝效果好,但需要投入运行的设备较多,计量、管理难度大;而且掺入的轻质原油需经过处理,掺入量大,成本高。

目前,在实际生产过程中几乎不采用该流程。

1.2井口加药集油流程
井口加药集油流程是在采油井井口加入降凝剂,降低原油在输送过程中的凝固点,便于集输。

虽然井口加药集油流程可以有效降低凝固点,但是这种流程存在2 个缺点。

a)加药装置较分散,不易管理。

b)加药浓度大,药剂成本较高,运行成本也比较高。

1.3掺热水集油流程
掺热水集油流程就是在井口掺入热水,具有以下特点:
a) 降凝效果好。

b) 井口无辅助运行设备。

c) 掺入的水为清水,很难乳化。

这种集油流程的设计比较复杂,需要建设掺水阀组、掺水管线、掺水加热炉、掺水提升泵和储水罐等设施,一次性投入比较大,而且后续系统维护、运营费用较大。

1.4 井口直接加热集油流程
井口直接加热集油流程有3 种加热方法。

a) 井口加热炉加热法
井口加热炉又分为燃油加热炉和燃气加热炉2 种。

由于燃油加热炉所需辅助设备较多,管理不方便,现很少使用;燃气加热炉只有在油田天然气充足的情况下才考虑这种流程,而且这种流程使用的加热炉太多,发生故障的可能性大、概率高,生产管理不方便，而且存在安全隐患，因此不能大面积使用。

b) 掺蒸汽或蒸汽伴热法是指敷设一条蒸汽伴热管线,即可选择进行蒸汽伴热,也可选择直接掺入蒸汽,这种集油方式在稠油油田开采中已广泛应用。

c)井口电加热法是近年来发展的一套集油流程,油井生产出来的原油进入井口电磁加热器加热后集输。

目前,应用较普遍的是掺热水集油流程和井口直接加热流程中的掺蒸汽或蒸汽伴热法和电加热法。

其中，掺热水集油流程和掺蒸汽或蒸汽伴热集油流程主要适用于成片投入生产的原油物性较好的油田,但需要的辅助
设备较多,一次性投入成本比较高,而且能耗大,运行维护成本高。

对于小区块、原油物性差异较大的油田不适用。

电加热法集油流程正好可以克服这些弱点,目前使用效果较好的方法就是在采油井井口安装电磁加热器,通过电磁加热集油。

2 电磁加热器结构和工作原理
2.1 结构(如图1)
2.2工作原理
电磁加热器是一种利用电磁感应原理将电能转换为热能的装置。

电磁加热控制器将220 V ,50/ 60Hz 的交流电整流变成直流电,再将直流电转
换成频率为20～40 kHz 的高频高压电,高速变化的高频高压电流流过线圈会产生高速变化的交变磁场,当磁场内的磁力线通过导磁性电磁加热器内的金属料筒时会在金属金属料筒内产生无数的小涡流,使金属料筒高速发热,从而使金属料筒内的油井采出液受热而降低粘度,增加流动性。

3 电磁加热器的特点
a) 结构简单、便于安装维护。

b) 加热速度快,效率高;输出温度可以自行设定且便于修改。

c) 适应温度范围宽,可以在- 40 ～40 ℃的环境中使用,使用寿命长。

d) 由于高频电磁场的作用,极大地削弱了油水混合液中金属离子的结合力,可使液体中钙、钠、镁等金属离子有序排列而不结合,不易结垢,因此不会影响热交换,同时有利于油井生产。

e) 电磁加热器可实现智能控制,自动采集出口温度调节输出功率,做到夏季小功率输出,冬季大功率工作,真正实现节能的目的。

4 安装方式
电磁加热器外形是杆状设备,既可以立式安装,也可以卧式安装。

但考虑电磁加热器的稳定性,为了便于安装和维护,应选择卧式安装为宜,安装方式如图2 。

5 应用及先导性试验
青海油田的尕斯库勒油田地处青藏高原,属高寒地区,年温差较大,最低温度为- 30 ℃以下。

该油田产出的原油含蜡量较高,凝固点平均在38 ℃以上,有的油井采出的原油凝固点高达50℃,属于典型的高凝油。

从尕斯库勒油田的单井原油集输模式“油井→集油阀组→加热接转站→联合站”可以发现,地面集输系统的主要问题集中在单井集油流程上。

按照中国石油天然气股份公司“新油田优化、老油田简化”的指示精神,青海油田公司对尕斯库勒油田的地面集输系统进行了简化改造,彻底停运了双管掺热水集油流程,大部分油井实现了单井原油常温集输。

但仍有一部分油井由于出油温度低(低于38 ℃) 、产液量低(日产夜量小于10 m3 ) 无法实现常温集输进集油阀组,需要进行加热集油[3 ] 。

2005 年冬季,根据尕斯库勒油田单井原油常温集输的边界条件:产液量≥10 m3 / d ,出油温度
≥38℃(尕斯库勒油田原油凝点为38 ℃) 的油井采出的原油可以常温集油;产液量< 10 m3 / d ,出油温度<38 ℃的油井(该部分油井后简称“困难井”) 采出的原油需要加热集油。

结合油田生产实际,决定在出油条件最差(最低出油温度30 ℃,日产液量< 10m3 ) 的油井进行试验。

5.1 电磁加热器功率计算
尕斯库勒油田油井采出液物性参数:采出水比热容C水= 4 187 J / ( kg 〃℃) ,密度ρ水= 1 000 kg/m3 ;采出原油比热容C油= 1 880 J / ( kg 〃℃) ,密度ρ油= 850 kg/ m3 ;采出液的综合含水率平均为60 %。

通过一元线性拟合计算出油井采出液的比热容C 和密度ρ
C = C水×60 % + C油×40 %= 3 264 J / (kg ℃)
ρ=ρ水×60 % +ρ油×40 %= 940 kg/ m3
假设换热效率为100 % ,电磁加热器1 h 产生的热量等于1 h 通过电磁加热器的液量加热到设计温度需要的热量。

因此,只需计算出通过电磁加热器的1 h 的液量加热到设计温度需要的热量,即可计算出电磁加热器的功率[4 ] 。

由公式P t = Q = Cm △T = Cρv △T
推导出P = Q/ t = cρv △T/ t = 8. 87 kW
式中,m 为质量, kg ; Q 为热量,J ; t 为时间, h ,根据功率定义,取t = 1 h ; P 为功率,kW; C 为比热, C =3 264 J / (kg 〃℃) ;ρ为密度,ρ= 940 kg/ m3 ; v 为油井每小时产液量, v = (10/ 24) m3 / h ; △T 为拟加热温度,尕斯库勒油田油井出油实测温度最低为30℃,考虑到气温和其他不利因素的影响,设计经电磁加热器加热后的温度为55 ℃,
△T = 55 - 30 = 25 ℃。

通过计算,选用功率为8. 87 kW 的电磁加热器即可满足尕斯库勒油田“困难井”的加热集输要求。

考虑到油井出油温度、日产液量波动较大,将电磁加热器的功率确定为10 kW。

5.2 先导性试验效果
2005年2月下旬,在尕斯库勒油田选择了5 口“困难井”安装10 kW 电磁加热器,进行了井口电磁加热集油先导性试验。

a) 5 口试验井采出液经电磁加热器加热后的温度全能达到设计要求,而且最高温度可达到65℃,满足加热集油要求。

b) 电磁加热器的出口温度可以调节,而且能够自动检测温度,实现“开”、“关”控制,达到节能的目的。

6 应用效果评价
截至目前,在尕斯库勒油田安装了80 台10 kW电磁加热器,以解决“困难井”的加热集油问题。

改造前,尕斯库勒油田的原油集输模式为:油井→计量站→联合站,单井原油采用双管掺热水集油流程生产,热水由计量站的掺水加热炉供给掺水阀组,掺水阀组将热水分配给每口单井;尕斯库勒油田共计有36 台1250 kW 掺水加热炉,掺水加热炉一用一备。

目前尕斯库勒油田共有油井485 口,安装电磁加热器的单井有80 口。

截止到2007 ,80 台电磁加热器全部投入使用;与此同时,停运了尕斯库勒油田的36 台1250kW 掺水加热炉,停用了采油井的双管掺热水集输流程。

采油井采出的原油采用常温密闭输送为主,电磁加热器加热为辅的
集输流程。

按照新模式运行6个多月来,原油生产正常,显现出良好的经济效益。

a) 节能改造前,采油井原油集输采用掺水加热炉伴热集输,36 台1250 kW 加热炉1/ 2 工作、1/ 2 备用,80 口“困难井”采用掺水加热集油时,能耗功率为1 250 ×36/ 2 ×80/ 485 = 3 711 kW“困难井”采出的油液实现电磁加热集油后,仅使用了80 台10 kW 电磁加热器,所用电磁加热器按全天候满负荷运行计算,能耗功率为10 ×80 = 800 kW，节能比率为(3711 - 800)/3711 ×100%= 78.44 %
b) 节水改造前,单井原油采用掺热水加热集输,热源为清水,每口单井每天掺水量按5 m3(2007年及以前统计数据平均值)计算,每天可节省清水用量5m3 ×80= 400m3
c) 节省运营费，由于尕斯库勒油田油井采出水与掺入清水的配伍性较差,而且采出水与清水混和升温后,腐蚀性极强,而且易结垢,经常出现单井集油管道结垢堵塞和腐蚀穿孔的情况。

改造前运营费主要包括电费(掺水提升泵电费)、设备维护费、管道更新费3 个部分。

电磁加热器使用至目前,管道结垢堵塞、腐蚀穿孔的情况还未发生,其运营费用主要是电费(电磁加热器电费)、设备维护费。

可见,电磁加热器投入使用后,也节省管道更换费用。

改造前,每年尕斯库勒油田更换的<76 mm×4 mm 无缝钢管(20号)有101450 km (由前几年管线更换统计数据计算得知),电磁加热器使用后,每年少使用钢管长度为10.450km×80/ 485 =1.724km
d) 其他电磁加热器投入使用后,尕斯库勒油田的单井集输流程得到简化和优化,彻底停运了掺水伴热系统,减少了管理环节和巡回检查点;而
且,使管道结垢堵塞和腐蚀穿孔频发的现象得到了有效改善,大大减小了维护工作量、减轻了工人的劳动强度,具有显著的社会效益。

7 结论
1) 电磁加热器结构简单、紧凑,便于安装及维护。

2) 电磁加热器适用于油井采出原油加热集输流程,尤其是高寒地区高凝油,对于小区块高凝油田的加热集油更为适用。

3) 电磁加热器解决了不能实现单井常温集油的困难,而且也解决了常用双管掺热水流程能耗高的问题。

4) 采用电磁加热器加热集油,工艺流程简单,无需其他辅助设施,一次性投资小,而且维护成本低。

5) 对于不能实现常温集油的高凝油,使用电磁加热器能很好地解决了加热集油问题,而且可极大节省能耗,降低生产成本,减轻工人劳动强度,值得大范围推广使用。

参考文献:
[1 ] GB50350 - 2005 ,油气集输设计规范[ S] .
[2 ] 蔡春知. 油气储运工艺[M] . 北京:石油工业出版社,1994.
[3 ] 中国石油规划总院. 青海油田尕斯油区地面系统调整改造可行性研究[ R] . 2006.
[4 ] 杨世铭,陶文铨. 传热学[M]13 版. 北京:高等教育出版社,1998.。