雙管注汽工藝條件下熱采井筒溫度場計算方法研究

劉加偉 李佳 謝仁軍 賈立新 邢歡 徐國賢 吳怡 焦金剛

(1.中國石油大學(北京)石油工程學院,北京 102200;2.中海油研究總院,北京 100027)

雙管注汽工藝條件下熱采井筒溫度場計算方法研究

劉加偉1李佳1謝仁軍2賈立新1邢歡1徐國賢2吳怡2焦金剛2

(1.中國石油大學(北京)石油工程學院,北京 102200;2.中海油研究總院,北京 100027)

雙管注汽的井筒沿程蒸汽參數與雙注汽管的注汽方式、注汽參數以及管柱尺寸等有較大關系,平行雙管注采時,環空中充低壓空氣/氮氣,若將主管看作原來單管中的注汽管,則雙管的環空部分多了一個采油管柱(副管),計算熱損失時需要綜合考慮主副管的內徑差異,井身周圍溫度場也是有差異的。本文考慮雙管注汽方式與常規籠統注汽方式的差異,基于能量守恒、動量守恒和質量守恒原理,建立了稠油油藏熱采井的雙管注氣井井筒沿程溫度場計算模型,該模型穩定可靠,易于求解。

雙管注氣工藝 注氣參數 熱損失 溫度場

隨著海上油氣的不斷勘探,復雜稠油油氣藏也將會不斷出現,針對如何對不同稠油油藏的油氣進行充分挖掘,如何有效控制不同稠油油藏熱采作業的風險和降低作業成本,提出了雙管注氣工藝。雙管注氣工藝可以實現注入、放噴、機采共用一趟管柱,減少動管柱作業的次數,從而減少了作業費用,降低成本。但對于平行雙管熱采井的蒸汽注入井筒沿程參數計算,傳統的單管蒸汽注入模型已不再適用,此時需要充分考慮兩注汽管之間的溫度場耦合效應。本文作者在熱傳遞理論與能量守恒原理的基礎上,建立了雙管注汽工藝條件下的蒸汽參數計算模型。

1 模型建立

圖1 雙管注汽管柱結構示意圖

圖2 偏心注入管徑計算簡圖

圖3 雙管注汽井筒傳熱過程

雙管注氣井筒傳熱過程由以下幾個部分組成:主管自身的熱傳遞,主管到副管的熱輻射,主管到套管的熱輻射,套管與水泥環、水泥環與地層之間的熱傳遞。

模型建立之前,需作如下假設條件:

(1)注汽時,井筒中的主副管位置上下一致;

(2)地溫梯度恒定;

(3)此時未注汽管管內為空氣,環空流體為空氣;

(4)忽略轉換接頭處的管徑差異。

其結構示意如圖1、2所示。

注汽過程中,主管通過熱傳導、熱對流、熱輻射進行傳熱,當僅有主管注汽時,其對副管的輻射角系數為同樣對套管內壁的輻射角系數為副管對套管的輻射角系數為σac=1-απ,其傳熱過程由以下幾個部分組成:主管自身的熱傳遞,主管到副管的熱輻射,主管到套管的熱輻射,套管與水泥環、水泥環與地層之間的熱傳遞。

(1)主管自身的熱傳遞。

注汽過程中,主管徑向熱流量及內壁到外壁的總傳熱系數為:

(2)主管到副管再到環空的熱輻射過程。

主管外壁到副管的熱流量和總傳熱系數為:

(3)主管與套管、套管與水泥換之間的傳熱。

主管外壁與套管、水泥環之間的熱流量和總傳熱系數為:

(4)水泥環與地層之間的熱傳導。

該部分的傳熱與單管注汽相同。

上式中f(t)的計算方法仍采用Hasan公式。

將各部分的傳熱效果簡化,可以得到主管至水泥環外緣的總傳熱系數Ut。

進而可以得到dz段從主管到水泥環外緣的總熱流量為:

根據連續性方程,由式(7)與(9)可以得到:

2 模型求解

由于總傳熱系數中的環空輻射換熱系數和對流換熱系數與環空壁面的溫度有關,因此需要迭代計算出總傳熱系數,然后計算出水泥環外緣溫度,進一步計算出熱損。迭代步驟為:

(1)設定總傳熱系數的初值,一般為0．5。

(2)根據(10)公式計算出Tw。

(3)根據(9)計算出單位長度傳熱量qz。

(4)計算隔熱管外壁的溫度套管內壁的溫度。

(5)計算環空對流換熱系數和輻熱系數。

3 結語

井筒傳熱計算包含了水蒸汽熱物性計算、空氣熱物性與遷移性質計算、兩相流計算、非穩態傳熱計算等四大類復雜計算問題。這些計算跨越了流體力學與工程熱物理兩大學科,計算難度很大。之所以要進行上述復雜計算,根本目標是要通過計算,認識稠油熱采井注蒸汽過程井筒中各種參數的變化規律,為分析套管變形計算奠定基礎。

考慮到傳統注汽井筒參數計算模型的局限性,本文在充分考慮各注汽管間熱場耦合的基礎上,建立了雙管注汽工藝條件下井筒的溫度場計算模型,并根據模型編制相應的軟件,采用迭代法對模型進行求解,該模型穩定可靠,易于求解。

國家科技重大專項“海上稠油熱采井口升高控制技術研究”(2011ZX05024-005-007);“海上熱采井口升高監測技術及方案研究”。

劉加偉(1989—),男,山東日照人,中國石油大學(北京)石油工程學院在讀碩士研究生,主要從事鉆完井工程、數值計算研究工作。