JOURNAL
油化工高等学校学报
UNIVERSITIES
Vol.2 9 No. 5
2016年10月OF PETROCHEMICAL Oct. 2016
文章编号：1006-396XX2016)05-0077-06 投稿网址：http://journal.lnpu.cdu.cn
乳化稠油电加热井筒举升边界条件研究
张丁涌S
于光松2,
李美蓉2,
万惠平S
马倩倩3,
刘
凯
1
(1中国石化胜利油田现河采油厂，山东东营257026;2中国石油大学（华东）理学院，山东青岛266580;
3中国石油大学（华东）化学工程学院，山东青岛266580)
..
.
摘要：井筒电加热降黏技术在国内的各大油田应用非常广泛，随着胜利油田现河采油厂特超稠油井的开
发，井筒电加热配套井数也逐渐增多，为解决采油厂井筒电加热配套井数增多，造成能耗过大的问题，以胜利油田现 河采油厂稠油为研究对象，开展稠油乳状液黏度-温度-含水变化规律研究，总结出了现河采油厂稠油的黏温特性以 及拐点温度、含水分布等规律。以拐点温度作为临界温度，确定乳化稠油电加热井筒举升的黏度边界为1 10 000
mPa • s,低于此黏度的稠油乳状液无需开启电加热就能顺利从井筒举升到地面。最终根据黏度边界制定出乳化稠
油井筒举升优化图版，以指导稠油高效节能开采。
关键词：井筒电加热；乳化转相点；黏度边界中图分类号：TE345
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.l006-396X.2016.05.013
Research on Boundary Condition of the Wellbore Electric
Heating Lifting the Emulsified Heavy Oil
Zhang Dingyong1，Yu Guangsong2，If Meirong2，Wan Huiping1，Ma Qianqian3，Tfu Kai1
(\\ .Xianhe OH Production Plant of Sinopec Shengli Oilfield Bhcnar，Dongying Shandong 25026, China ; 2.College of Science，China University of Petroleum (East China)，Qingdao Shandong 266580, China；3. Cole ge of Chemical Engineering，China University of Petroleum (East China)，Qingdao Shandong 266o80 ^ China)
Abstract： T'he technology of wellbore electric heating was widely used in major domestic oilfields. With the development ofthe super-heavy oil in Xianhe oil
production plant
of Shengii oilfield，the
number of
wells matching
the
wellbore
was increased. In order to solve the problem of the increasing number of wells matching the wellbore electric heating andexcessive energy consumption， the heavy oil of Xianhe oil production plant had been studied as the research object to carry outthe
heavy oil
emulsion viscosity-temperature-water
variation research. The
regular pattern of viscosity-temperature
characteristics， the inflection point temperature and moisture distribution were summarized through deep analysis. The inflection pointwas used as the critical temperature todetermine the viscosityboundaryof emulsificdhcavyoil lifted by thewellbore electric heating.
T'he
viscosity boundary was 110 000 mPa • s. If the
viscosity of emulsified
heavy
oil was le
1 10 000 mPa • s， the heavy oil could be lifted from the wellbore to the ground smoothly without opening the electrical heating.F'inally according to
the
viscosity boundary，
the
emulsified
heavy oil shatt
lifting
optimization
high efficiency and energy saving of heavy oil exploitation.
Keywords： Wellbore electric heating； Emulsification turning point； Viscosity boundary
稠油开采困难主要是由于进人井筒后温度的散 失，导致稠油黏度增大，流动性变差，难以顺利被井 筒举升至地面[1]。目前井筒电加热降黏措施是解决 稠油开采举升难题的主导工艺[25]。电加热降黏工
收稿日期=2016-07-07
修回日期：2016-07-21
艺其实质是补偿井筒内的散热，使得井筒内的稠油 温度保持在一定的温度以上，稠油能一直保持流动 状态，从而顺利地举升到井口[6]。
胜利油田现河采油厂稠油主要分布在乐安油田
基金项目：中石化胜利油田分公司科研项目“现河油区深层低渗敏感稠油储层开发技术研究”资助（Y K C15 01)。 作者简介：张丁涌（1 97 1-)
，
男，高级工程师，从事采油工程工艺技术研究；E-mail :zhangdingyong.slyt@sinopcc.com。
通信联系人：李美蓉（1966-)，女，颂士，教授，从事分析化学及油田化学方向研究；E-mail: lmrong888@l 63.com。
78石油化工高等学校学报第29卷
和王家岗油田，黏度在10 000〜100 000 mPa.s。 自2009年以来，随着王152、草33、草20西北部等 特超稠油区块的幵发，配套井筒电加热装置的井数 由最初的50 口增加到目前的190 口，耗电量也由最 初的1811万度增加至2 310万度，造成能耗增多， 经济成本加大。
稠油高黏的内因是稠油中含有大量的胶质和沥 青质，而胶质、沥青质是稠油中极性较强的两个组 分，其分子内及分子间极容易发生缔合，增大了稠油 的黏度[7]。稠油高黏的外因之一为温度，稠油对温 用Dis-n型石油含水电脱分析仪将稠油脱水 得到净化油，并用DV-n+Pro型数显黏度计测定 脱水稠油在不同温度下的黏度，并做温度-黏度曲 线，绘制黏温曲线。
1.2.2稠油乳化特性曲线的测定在不同温度下， 以800 r/min的转速通过机械搅拌将稠油和水乳化 配置成具有不同含水率的乳状液，用RV7转子，在 转速10r/min下测定各乳状液的黏度，绘制含7水率-黏度曲线。
度有着极强的敏感性，在温度较低时，稠油黏度较 大，并且流动性差，随着温度的升高，稠油黏度变小， 并可以正常流动[8_9]。原油在幵采和运输过程中，在 流经管路、阀门等一些机械装置时，在机械力的作用 下会使得原油与水发生强烈的搅拌形成W/O型乳 状液，随着含水率的增大，稠油乳状液黏度呈先增大 后减小的趋势，并且黏度存在一个最大值，此时黏度 最大值所对应的含水率定义为乳化转相点，乳化转 相点后稠油乳状液由W/O型乳状液转相变为0/ W型乳状液，稠油乳状液黏度减小[10-11]，因此应尽 量避免在稠油乳化转相点附近进行幵采[2]。
因稠油黏度是影响稠油举升的关键因素，稠油 乳状液黏度与自身性质、温度以及含水有关，而在幵 采过程中，稠油的自身性质是无法改变的，但可通过 控制稠油的温度以及稠油乳状液的含水情况来改变 稠油乳状液的黏度，故需要幵展稠油加热辅助降黏 的产出液黏度边界条件研究，找出稠油幵采过程中 的温度-含水边界，最终确定出不同乳化稠油井筒举 升技术图版，指导稠油井筒举升技术的优化，实现稠 油高效节能幵采。
1 实验部分
1.1试剂及仪器
胜利油田稠油油样（由胜利油田现河采油厂提 供）分别为草南平40、草20-平131、草20-平149、 草20-平124、王140-平17 5种稠油；DIS-n型石油 含水电脱分析仪，山东中石大石仪科技有限公司; Brookfield DV-n + Pro型数显黏度计，美国 BROOKFIELD公司；TDA-8002型电热恒温水浴， 山东省龙口市先科仪器公司；AE-200型电子分析天 平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司JJ-4六联 电动搅拌器，常州赛普实验仪器厂。1.2 实验方法
1.2.1脱水稠油的制备以及黏温曲线的测定
2
结果与讨论
2.1
綱油的黏温特性
低温条件下，稠油表现为非牛顿流体特性，对温
度极其敏感，即使温度变化很小，但其黏度变化巨 大；高温条件下，稠油表现为牛顿流体特性，对温度 敏感性降低，温度变化对稠油黏度的影响较小。故 只要将温度提升到一个特定的温度值，稠油则会从 非牛顿流体转变为牛顿流体，而这个特定的温度值 则被称为拐点温度[3]。在直角坐标中，稠油的黏温 曲线是一条光滑的曲线，拐点温度在黏温曲线图上 不明显。但将其数据绘制在半对数坐标系中，由于 流体的状态不同，则其黏度与温度的关系也不一样， 在半对数坐标图中则表现为两条相交的直线[14]，其 交点坐标所对应的温度则为拐点温度。只要保证井 底到井口的温度均在拐点温度以上就可以满足稠油 在井筒内的流动性，所以只要保证井口温度大于拐 点温度，就能保证油井的正常生产。2.1.1
稠油拐点温度的确定特稠油和超稠油黏
温曲线如图1、所示。根据图1及图2的实验结果 可知，草20-平124、王140-平17、草20-平149为特 稠油，草20-平131、草南平40为超稠油。由5种稠 油的黏温曲线可知，稠油的拐点温度在40〜60°C， 不同性质的稠油具有不同的拐点温度[3]。
10
Ml/Tol
鵷
30 40
50 60 70 80 90 100
温度/°C图1
特稠油黏温曲线
Fig.1 The viscosity-temperature curve of ultra-heavy oil
第5期张丁涌等.乳化稠油电加热井筒举升边界条件研究79
图3是在半对数坐标系中，根据3 口特稠油井及2 口超稠油井的黏温数据绘制的拐点温度分布图。
利用数学方法，可计算得到不同类型稠油拐点 温度近似值公式t
：
= 22.5lg//一45.7 (1)
式中，//为50°C时的原油黏度，mPa • st为拐点温度，。C。
通过公式（1)分别计算5 口稠油井的拐点温度， 结果如表1所示，根据黏温曲线半对数坐标中找出 的交点值与公式计算得到的拐点温度误差在5%以 内。
表1
5种油样的拐点温度
Table 1
The turning point temperature of five heavy oil
拐点温度/C
误差/
油样
交点值
计算值
%王140-平1745.946.71.7草20-平12446.947.92.1草20-平14950.952.93.9草20-平13164.064.20.3草南平40
65.5
65.7
0.3
2.1.2拐点温度与油层温度的对比现河采油厂5
口稠油井的油层温度和拐点温度分布情况如图4所 示。从图4中可以看出，各稠油井的地层温度均在 70C左右，相差不大；而稠油的拐点温度却相差较 大，超稠油的拐点温度均高于特稠油的拐点温度。 另外稠油井的油层温度普遍高于拐点温度，说明稠 油在地层条件下可自由流动，但进入井筒后，因会发 生热量损失，使得稠油温度降低，导致稠油黏度增 大，不利于幵采。
Fig. 4 The comparison between turning point temperature
and reservoior temperature of five heavy oii
2.2不同綱油的温度和含水边界的确定
2.2.1不同稠油乳化现状对现河采油厂5种稠 油进行乳化实验，结果如图5所示。在井筒温度范 围内，草20-平124稠油井的乳化转相点为含水率为 40%，含水率在40%之前，稠油乳状液黏度随着含 水率增加，黏度增大;含水率在40 %之后，随着含水 率的增大，稠油乳状液黏度减小；含水率在40%周
围的稠油乳状液黏度最大。其它稠油井黏度与含水 之间的关系与草20-平124井类似，其中草20-平 149、草20-平131以及草南平40的乳化转相点为 40%，而王140-平17的乳化转相点为50%。
Fig.5
The moisture content-viscosity curve of five heavy oil (50 ^ )
2.2.2温度、含水边界的确定稠油在井筒举升的 过程中，在流经管路、阀门等装置时，会形成油包水 型乳状液，随着含水率的不同，稠油黏度也会发生相 应的变化，虽乳化转相点附近稠油黏度相对较大，在 幵采过程中需避免幵采乳化转相点附近的稠油乳状
80石油化工高等学校学报
表2
Table 2
第29卷
王140-平17温度-含水边界表
液，但随着温度的升高，相同含水条件下，稠油乳状 液的黏度减小，并非所有在转相点附近的稠油都难 以举升至地面，其还与稠油所处的温度环境有关。 故需考察不同含水条件下稠油的黏温关系以及不同 温度下稠油乳状液含水率-黏度规律，以拐点温度作 为临界温度，找出临界黏度，确定出温度、含水边界。
不同含水率和温度下王140-平17黏度曲线如 图6、所示。由图6可知，含水率为50%时其稠油 乳状液的黏度是最大的；由图7可知，王140-平17 井的乳化反相点在50%左右；且此口井的拐点温度 506070Temperature-water boundary of Wangl 40-Pingl 7 oil
含水率/%
温度/C
-----------------------------------------------10
3040
xxxxx20xxxxx30Vxxxx40VVxxx50VVxxx60VVxxx70Vxxxx80xxxxx为45.9°C，只要保持稠油井筒的温度在拐点温度以 上，稠油乳状液就可以顺利的采出。在图6中还可 以看出，在拐点温度45.9 C时，含水率为50%时的 稠油乳状液黏度最大，为90 000 mPa • s。以90 000 mPa*s作为乳化稠油井筒举升的黏度边界，只要 黏度在90 000 mPa *s以下的稠油乳状液就可以顺 利采出，王140-平17的幵采过程中的温度-含水边 界数据如表2所示。
0 10 --------20 1-------30 1-----140
50 I ^60 70 80 ---------90
l
温度/°C
图6
不同含水条件下王140-平17的黏温曲线
Fig. 6
The viscosity-temperature curve of wangl40-pingl7
oil in different water saturations condition
o °0C0C
o
0CC
C
(
o° ro £o
m>l2 x
鵷w
0
20 40
60 80
含水率/%
图7
不同温度下王140-平17含水率-黏度曲线
Fig. 7
The viscosity-temperature curve of Wangl40-Pingl7
oii in different temperature condition
总结3 口特稠油井以及两口超稠油井的数据， 其黏度边界如表3所示，特稠油与超稠油的黏度边 界均在110 000 mPa.s左右。在此黏度以下的稠 油乳状液可以顺利地举升至井口。
80
x
x
x
x
x
x
x
x
注：x为不需加热即可完成生产；V为需要加热才可完 成生产。
表3
不同乳化稠油井筒举升黏度边界
Table 3
The viscosity boundary of different emulsified
heavy oil wellbore lift
黏度边界/
平均黏度边
类型
井号
(mPa • s)界/(mPa • s)
王140-平17
90 000 特稠油
草20-平124 120 000 110 000
草20-平149120 000草20-平131
95 000
超稠油
112 500
草南平40
130 000
2.3不同乳化稠油井筒举升技术图版及应用2.3.1不同乳化稠油井筒举升技术图版的确定
根据实验结果建立了不同乳化稠油的井筒举升 技术图版，如表4所示。
表4
不同乳化稠油井筒举升技术图版
Table 4 The technology chart of different emulsified
heavy oii wellbore lift
井口温度/C
类型
含水率/
%30405060708010VVxxxx20
VVxxxx30VVVxxx40VVVxxx特稠油
VVVxxx(王 140、草 33)
5060VVxxxx70VVxxxx80Vxxxxx90
V
x
x
x
x
x
第5期
张丁涌等.乳化稠油电加热井筒举升边界条件研究81
续表4
含水率/
井口温度/C
类型
%30405060708010VVXXXX20VVVXXX30VVVVXX40
V
V
V
V
XX超稠油50X
X(草20、草南）
60VVVVXX70VVXXXX80VVXXXX90
V
V
X
X
X
X
注：X为不需加热即可完成生产；V为需要加热才可完 成生产。
23.根据制定的不同乳化稠油井筒举升技术版 图指导实际生产
(1)分生产阶段优化电加热启停时机。
稠油的幵采具有三个阶段:转轴初期排液阶段、 中期平稳生产阶段、末期维持生产阶段。在不同的 生产阶段，其稠油的含水以及温度都不同，应根据不 同的含水温度范围启停电加热装置，从而达到节能 减排的效果。
()分区块压减配套井数。
结合实际油井的生产情况，对高液量、高含水的 油井关停、拨出电加热装置。在高含水条件下，不需 要配套电加热装置，电缆可以拔出，减轻载荷，有利于生产。
现河采油厂电加热幵停情况统计如图8和图9 所示。
含水率/%
图8
特稠油电加热井不同含水率电加热使用情况
Fig. 8
The using condition of electric heating
equipment in ultra-heavy oil
由图8及图9可知，现河采油厂目前幵采的稠 油的含水率均在30%以上，特稠油井在含水率50% 〜80%的稠油乳状液幵启电加热的井数最多，含水 率超过80%之后，只要少量井需幵启电加热；超稠
油井中几乎大部分的稠油井都需幵启电加热，与图
版基本吻合。
16
12
^ 8
含水率/%
图9
超稠油电加热井不同含水率电加热使用情况
Fig. 9
The using condition of electric heating
equipment in super-heavy oii
23.3实际应用王140-平9井稠油50°C下黏度为
13 330 mPa • s属于特稠油。根据不同乳化稠油井 筒举升版图对王140-平9进行幵停电加热前后情况 进行对比，结果如表5所示。
表5
王140-平9停电加热前后对比
Table 5
The comparison of stopping electric heating
anteroposterior of Wangl40-Ping9
停电加热
停电 加热 项目
对比
之前
之后
日产液/(t • d—1)42.240.8— 1.4日产油/(t • d—1)
1.51.6+ 0.1含水率/%96.696.0— 0.6最大载荷/kN46.734.4— 12.3日耗电八kW • h)
1 128
528
— 600
王140-平9的含水率在90%以上，可见属于高
含水稠油，根据版图可以看出，处于此含水率条件 下，可以停用电加热装置。停用电加热装置后，日液 量与日油量及含水率变化不大，最大载荷由46.7
kN
减小至34. 4kN，日耗电量由停电加热之前的
1128kW. h
减小到528kW
.h。
可见，根据版图
取消电加热可以正常生产，并且耗电量减小，实现了 稠油高效节能幵采。
草
20-平109
井稠油
50 C
下黏度为
17 600
mPa*s
属于特稠油。其生产情况为：日产液量为
7.8 t/d，日产油量为1.5 t/d，含水率为80%，井口温
度为49C，根据表4
的图版可知，此生产条件下可
以取消电加热，现场取消电加热后生产正常。
3结论
(1)在稠油幵采过程中，需保持井筒内的温度
高于拐点温度，稠油才可以在井筒内保持流动状态，
82石油化工高等学校学报第29卷
不同种类稠油其拐点温度不同，50°C下稠油黏度越 大，其拐点温度越高。
(2)现河采油厂特超稠油乳化转相点在40%〜 50%,在转相点附近的稠油乳状液黏度较大，不利于 开采；稠油黏度又对温度有较强的敏感性，在开采过 程中，需考虑温度与含水对黏度的双重影响，并找出
适宜开采稠油的临界黏度为110 000 mPa • s,在此 黏度以下，稠油可以顺利被举升至地面。
()根据乳化稠油举升图版可以优化电加热启 停时机，根据稠油井的含水及温度情况合理开启电 加热装置。对于高含水稠油井，可以关停电加热装 置，达到节能降耗的目的。
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(编辑王亚新）
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