隔熱涂層與真空技術(shù)在稠油熱采中的應(yīng)用探討

林　濤，張　偉，鄒　劍，孫永濤，宋宏志，劉海濤

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)研究院，天津塘沽 300450；2.中海石油(中國)天津分公司渤海石油研究院)

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隔熱涂層與真空技術(shù)在稠油熱采中的應(yīng)用探討

林濤1，張偉2，鄒劍2，孫永濤1，宋宏志1，劉海濤1

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)研究院，天津塘沽 300450；2.中海石油(中國)天津分公司渤海石油研究院)

在稠油井注熱流體吞吐開采過程中，井筒隔熱工藝一般以減小熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流為主，而對(duì)熱輻射的控制考慮較少。為此提出了一種隔熱涂層與真空技術(shù)相結(jié)合的隔熱技術(shù)，該技術(shù)可將油套環(huán)空內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)降到最低，通過降低油管外壁發(fā)射系數(shù)達(dá)到降低熱輻射的作用。通過WELLFLOW軟件計(jì)算結(jié)果表明，該隔熱技術(shù)可使井筒熱損失相比傳統(tǒng)井筒隔熱工藝減小67%～80%，并且流程簡單、設(shè)備便捷，在海上油田熱采中具有很大的推廣潛力。

海上油田；井筒隔熱；隔熱涂層；真空技術(shù)

1　問題的提出

稠油黏度大、流動(dòng)性差，常規(guī)冷采技術(shù)不能滿足油田高效開發(fā)的需求，因此，注熱流體(熱水、蒸汽或者蒸汽與非凝析氣的混合物)已成為國內(nèi)外開采稠油主要技術(shù)之一。近年來，稠油熱采技術(shù)在海上油田得到應(yīng)用，目前主要以多元熱流體吞吐熱采為主。多元熱流體熱采技術(shù)是一種新型熱采技術(shù)，符合當(dāng)前熱采技術(shù)的發(fā)展趨勢，其是通過燃燒產(chǎn)生高溫高壓水蒸汽、CO2及N2氣等混合氣體驅(qū)油[1-3]，具有氣體混相驅(qū)(氮?dú)怛?qū)、二氧化碳驅(qū))和熱力采油(蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū))的特點(diǎn)[4-6]，適合在海上稠油油田的開發(fā)。

在稠油井注熱流體吞吐開采過程中，井筒隔熱工藝是其中關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。如果井筒隔熱效果不理想，隨著吞吐輪次的增加，套管多次經(jīng)受高溫、高壓熱應(yīng)力作用而損壞變形，將嚴(yán)重影響油井的正常生產(chǎn)；同時(shí)，隨著套管溫度升高，熱量向地層散失加快，熱能利用率降低，影響熱采增油效果。在注熱過程中如何保證套管安全和盡可能減少井筒熱損失是注熱開采稠油的重要環(huán)節(jié)之一。海上油田的作業(yè)環(huán)境與陸地油田不同，渤海稠油油田油井一般較深，井筒外部的環(huán)境包括空氣-海水-地層三段，而且海上油田對(duì)油井套管安全等級(jí)有更高的要求，同時(shí)在工藝管柱設(shè)計(jì)上要求井下工具結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用[7]。目前海上油田熱采主要采取隔熱油管加上環(huán)空連續(xù)注氮隔熱工藝。本文提出了一種解決井筒隔熱的新工藝，不僅可以有效減小熱量在井筒的熱損失，而且地面工藝簡單，適用性強(qiáng)。

2　技術(shù)分析

在油套環(huán)空中存在三種傳熱方式，即熱傳導(dǎo)、熱輻射及熱對(duì)流，這三種方式在不同情況下所占的比重是不同的。根據(jù)能量守恒定律，以Ramey關(guān)于非穩(wěn)態(tài)熱傳遞的計(jì)算方法為基礎(chǔ)[8,9]，建立井筒傳熱數(shù)學(xué)模型。

井筒及地層的徑向的熱傳導(dǎo)方程[6]可表示為下式：

(1)

式中:θ為溫度，℃；t為時(shí)間，s；r為距離井筒中心的徑向距離，m；λ為等效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；M為地層的熱容，J/(m3·℃)；Qi為內(nèi)熱源/匯的熱流體密度，W/m3。

從能量方程上分析，沿井筒徑向傳熱是一個(gè)變M和λ的導(dǎo)熱問題；從流體熱量傳導(dǎo)上需考慮多元熱流體的密度。

結(jié)合傳熱的理論公式，油套環(huán)空內(nèi)介質(zhì)的傳熱屬于典型的有限空間內(nèi)的傳熱，包括自然對(duì)流換熱和環(huán)空內(nèi)外壁之間的輻射換熱，環(huán)空輻射換熱系數(shù)hr的計(jì)算公式為：

(2)

式中：εto、εci——油管外壁、套管內(nèi)壁的發(fā)射系數(shù)；rto、rci——油管外徑、套管內(nèi)徑，m；Tto、Tci——油管外壁溫度、套管內(nèi)壁溫度，℃。

因此總體上講，隔熱工藝受到等效導(dǎo)熱系數(shù)λ，地層的熱容M，內(nèi)熱源/匯的熱流體密度Qi，油管外壁、套管內(nèi)壁的發(fā)射系數(shù)εto、εci的影響。為保證注熱的效果，熱流體密度需要按照工藝設(shè)計(jì)要求實(shí)施，一般不進(jìn)行調(diào)整。剩余的參數(shù)中最常采用的方法是減小等效導(dǎo)熱系數(shù)，目前常用的隔熱方法有三種：一是采用高熱阻的真空隔熱管，減少熱量從油管內(nèi)壁向油管外壁的傳遞速度，；二是在油管和套管的環(huán)空中充入惰性氣體，降低油管和套管間環(huán)空的導(dǎo)熱系數(shù)，減少熱量從油管外壁向套管的傳遞速度；三是采用隔熱油管，同時(shí)配合環(huán)空連續(xù)注入氮?dú)獾姆绞絒10]。

當(dāng)環(huán)空中是液體時(shí)，除傳導(dǎo)熱外，對(duì)流傳熱是主要的傳熱方式，這是由于油套壁間溫度差引起的液體密度差產(chǎn)生的自然對(duì)流很劇烈所致。當(dāng)環(huán)空中是氣體時(shí)，輻射熱占很大比重，甚至是主導(dǎo)的，取決于油管外壁及套管內(nèi)壁的表面狀況及散熱與吸熱特征。當(dāng)環(huán)空變?yōu)檎婵諘r(shí)，真空條件下無法進(jìn)行熱傳導(dǎo)，同時(shí)由于真空中幾乎沒有流體，也就不存在對(duì)流傳熱，熱輻射是主要的傳熱方式。由此可見，當(dāng)環(huán)空為真空時(shí)，其等效導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)降到最低，同時(shí)降低油管外壁發(fā)射系數(shù)，可使整個(gè)隔熱效果達(dá)到最佳。本文方法正是采用該原理，將隔熱涂層與真空技術(shù)應(yīng)用到海上稠油熱采中。

3　工藝設(shè)計(jì)

該工藝的主要設(shè)計(jì)方法為：對(duì)隔熱油管的外壁進(jìn)行隔熱涂層處理，在油套環(huán)空的指定位置下入耐高溫高壓封隔器，使用真空泵通過采油樹的套管翼閥對(duì)油套環(huán)空進(jìn)行抽真空，達(dá)到要求后可開始注熱作業(yè)。在套管翼閥上安裝有真空表，可在注熱期間監(jiān)測油套環(huán)空的真空度，可根據(jù)需要再進(jìn)行補(bǔ)抽真空。該工藝主要技術(shù)特點(diǎn)是：

(1)在隔熱油管的外壁增加隔熱涂層，可顯著降低隔熱油管向外輻射熱量，同時(shí)涂層的低導(dǎo)熱性也減小熱傳導(dǎo)；

(2)在油套環(huán)空指定位置下入耐高溫高壓封隔器后形成一個(gè)封閉的油套環(huán)空，通過真空泵對(duì)油套環(huán)空進(jìn)行抽真空，降低熱對(duì)流系數(shù)；

(3)可對(duì)油套環(huán)空的真空度進(jìn)行監(jiān)測，可根據(jù)需要適時(shí)抽真空；

(4)地面工藝比較簡單，僅需要一臺(tái)真空泵；

(5)適用于海上稠油熱采高強(qiáng)度注熱的特點(diǎn)，有效降低套損發(fā)生的概率，延長套管使用壽命。

該環(huán)空隔熱工藝的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工藝流程為：根據(jù)井深結(jié)構(gòu)、注熱參數(shù)(注入速度、注入溫度及注入量)優(yōu)選隔熱油管及隔熱涂層； 下入耐高溫高壓封隔器； 下入注熱管柱，安裝高溫高壓注熱井口裝置；連接注熱管線和抽真空管線。注熱管線加裝保溫層，減少熱損失，防止人員燙傷，抽真空管線采用高壓硬管線； 試壓，確保兩條管線及井口裝置不發(fā)生刺漏；打開采油樹套管翼閥，開啟真空泵進(jìn)行抽真空，待壓力不大于0.01 Pa時(shí)，可開始注熱；熱流體注入期間，監(jiān)測套管翼閥處的真空表。

圖1　隔熱涂層與真空技術(shù)結(jié)合的隔熱工藝結(jié)構(gòu)

4　效果對(duì)比

以渤海A油田的熱采井M井為例，對(duì)隔熱油管加環(huán)空充氮的方式、環(huán)空連續(xù)注氮?dú)飧魺岬姆绞胶筒捎酶魺嵬繉蛹迎h(huán)空抽真空的方式進(jìn)行對(duì)比，在相同的注入工藝下，采用WELLFLOW軟件計(jì)算這三種隔熱工藝的總熱損失，見表1。可以看出，采用隔熱涂層加環(huán)空抽真空的方式的熱損失更少，相比傳統(tǒng)的隔熱工藝熱損失可以減少67%～80%，起到更好的隔熱效果。

表1　不同隔熱方式下井筒熱損失對(duì)比

5　結(jié)論

(1)通過對(duì)稠油井環(huán)空傳熱的三種方式進(jìn)行分析，提出采用隔熱涂層與真空技術(shù)相結(jié)合的方式，該方式可使井筒的熱損失降到最低，起到更好的隔熱效果。

(2)隔熱涂層與真空技術(shù)相結(jié)合的隔熱技術(shù)，具有工藝簡單、設(shè)備便捷、隔熱效果好的優(yōu)點(diǎn)，在海上稠油熱采中具有較好的應(yīng)用前景。

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[9]WILLHITE G P.Over-all heat transfer coefficients in steam and water injection wells[C]. SPE 1449,1967.

[10]孫永濤，林濤.海上熱采環(huán)空連續(xù)注氮輔助隔熱方法：102071915A[P]. 2011-05-25.

編輯：李金華

1673-8217(2016)05-0127-03

2016-04-12

林濤，工程師，1983年2月生， 2008年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院油氣田開發(fā)工程專業(yè)，現(xiàn)從事海上油田稠油開采技術(shù)方面的研究。

中海石油(中國)有限公司生產(chǎn)科研項(xiàng)目“老井多元熱流體增產(chǎn)技術(shù)研究”(CCL2015TJRWYST0002L)的部分研究成果。

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