蒸汽吞吐注汽過程中井筒徑向熱損失注主要模型概述

李志威

(長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430100)

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蒸汽吞吐注汽過程中井筒徑向熱損失注主要模型概述

李志威

(長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430100)

稠油熱采一般采用熱力開采，其中最常用的是蒸汽吞吐，即把蒸汽注入油層的加熱方式。為了有效地減少其在注汽過程中徑向熱損失，提高稠油熱采效率，需要對注汽過程的能量變化進行理論分析和研究。在已有理論基礎上，相繼建立了吻和較好的理論模型，為實際生產提供了更多的理論支持。

稠油熱采；注汽井筒；熱采效率；徑向熱損失

0 前 言

本文首先在傳熱學理論基礎上，建立了井筒注汽過程徑向熱損失的計算公式[1]。根據公式主要求解有：以r2外表面為基準面的總傳熱系數U；蒸汽溫度Tf；泥環外壁溫度Th。其中，U的求解主要涉及傳熱學的知識，而Tf、Th的求解相對復雜，需建立了相應的模型[2]。井筒結構如圖1所示。

圖1 井筒微元結構示意

取dz段，根據傳熱學，其徑向熱損失：

dQ=2πr2dzU(Tf-Th)

(1)

其中，dQ為井筒徑向熱損失，kJ/h；r2為隔熱油管內管外半徑，m；Tf為蒸汽溫度，℃；Th為水泥環外壁溫度，℃；U為以r2外表面為基準面的總傳熱系數，W/(m2·℃)。

若井筒內隔熱管抽真空(若充惰性氣體，則在3處并聯一個隔熱管內氣體對流換熱熱阻)，則熱阻連接圖見圖2。

圖2 井筒內隔熱管抽真空熱阻示意

則：

(2)

其中，A2為以r2外表面為基準的面積；R1為蒸汽凝結環換熱熱阻；R2為隔熱管壁導熱熱阻；R3為隔熱管內氣體輻射換熱熱阻；R4為環空輻射換熱熱阻；R5為環空對流熱熱阻；R6為套管壁導熱熱阻；R7為水泥導熱熱阻。R1～R7可根據傳熱學及相關參數計算。

1 Ramey模型

Ramey[3]是井筒傳熱研究工作的先驅。忽略流體流動過程中摩擦和動能的影響，他根據能量守恒定律，把時間和井深對井筒液體溫度的影響加入了模型。

對流體：

Tf(z,t)=aT+tb-aTA+(Tf+aTA-tb)e-z/A

(3)

對氣體：

(4)

-0.29。

由式(3)和(4)知，蒸汽溫度Tf中包含了井深和時間兩個量，使得計算更精確了。但其局限有：要求注入時間超過一周，限制了時間精度；假設物性參數不隨溫度變化；僅給出了單相流的情況。

2 Hasan和Kabir模型

Hasan和Kabir[4]通過實驗與理論結合，把Ramey單相流擴展到兩相流模型，其井筒液體溫度的關系式如下。

(5)

其中，Te=tb+αTz，tb為地表溫度，Te為地層溫度，αT為地溫梯度，式中的參數φ與流體流速、氣液比、井口壓力等因素有關。

3 Eickmeier J R模型

EickmeierJR[5]通過計算蒸汽壓力和蒸汽干度建立模型，間接計算了流體溫度，其模型主要由兩個非線性微分方程組成。

(6)

(7)

式(6)～(7)較復雜，需要迭代才能求解。優點：精確地計算了熱損失及蒸汽物性(隨時間和深度)變化；增加了水泥殼的影響。缺點：模型用到了Ramey模型中的地層時間函數，適用精度受到一定限制。

4 Satter模型

通過分析Ramey模型[6]，Satter在考慮注汽過程中的蒸汽相變影響后，提出了預測冷凝流體干度隨時間及深度變化的計算方法。

(8)

結合式(8)，考慮到冷凝的影響，模型給出了冷凝流體干度計算的近似方法，間接計算井筒徑向熱損失。此模型偏于理論，仍需與生產實踐結合進一步驗證。

5 Farouq模型

Farouq[7]在考慮了兩相流流動狀態和氣體滑脫后，建立了可用于計算井筒壓力降及蒸汽干度的豎直非等溫兩相流的綜合模型。

(9)

結合能量平衡方程和濕蒸汽焓的關系式，得井筒內蒸汽干度的常微分方程：

(10)

6 王彌康模型

王彌康[8]以傳熱原理為基礎，建立了井筒到地層傳熱的數學模型。

井筒內穩態傳熱：

dQ=2πr2dzU(tf-th)

(11)

地層內非穩態導熱：

(12)

式中：t=f(r,τ)為地層內某處溫度，涉及到Ramey、Butle、Hasan和Chiu4個地層時間函數。利用半解析法與解析法計算的值對比，可得出Hasan公式最接近解析解，Ramey公式效果最差，故多選Hasan公式進行計算。

7 新算法

顧浩等[9]根據能量守恒、質量守恒以及傳熱學基本理論，從干度的定義直接出發，忽略了蒸汽—水流動的方向性，建立了計算井筒沿程蒸汽壓力、溫度、干度和熱損失模型[10]。

(13)

其中， ρs、ρw分別為蒸汽和水的密度；fs為蒸汽體積分數；Rem雷諾數；ε內管粗糙度；A無因次參數；VSS和VSW分別為蒸汽和水的表觀流速；μs、μw和μm分別為蒸汽、水和混合物的粘度；x為蒸汽的干度。

沿程蒸汽的溫壓存在以下關系：

Tf=210.2367Pf0.21-30

(14)

其中，Pf為蒸汽壓力。

沿程干度方程(定義式)：

(15)

這種處理方法有兩大優點：使沿程干度計算更準確；加快了整個模型的求解速度。

8 結 論

綜上所述，已有的計算模型是把Ramey模型作為框架基礎，經Setter、Farouq、王彌康等的創新和發展，逐步建立漸近完善的模型。為蒸汽吞吐注汽過程中井筒熱損失計算提供了理論依據，減少了注汽過程熱損失和采油的成本，提高了稠油熱采效率和經濟效益，為石油領域做出了巨大貢獻。

[1] 王志國, 馬一太, 李東明, 等. 注汽過程井筒傳熱及熱損失計算方法研究[J]. 特種油氣藏, 2003, 10(5): 38-41.

[2] 魯港, 李新強, 楊兆臣, 等. 井筒熱損失計算的改進算法[J]. 特種油氣藏, 2006, 13(3): 99-101.

[3]RameyHJ.WellboreHeatTransmission[J].JPT, 1962, 14(4): 427-435.

[4]HasanAR,KabirCS.AspectsofWellboreHeatTransferDuringTwo-PhaseFlow[J].SPE, 1994, 22948.

[5]EickmeierJR,ErsoyD,RameyHJJr.WellboreTemperaturesandHeatLossesDuringProductionorInjection[J].Cdn.Pet.Tech, 1970, 9(2): 115.

[6]SetterA.HeatlossesDuringFlowofSteamDownaWellbore[J].JPT, 1965, 17(7): 845-851.

[7]FarouqAli,SM.AComprehensiveWellboreSteam/WaterFlowModelforSteamInjectionandGeothermalApplications[J].SPEJ, 1981: 527.

[8] 王彌康. 隔熱油管注蒸汽井井筒總傳熱系數的確定[J]. 石油鉆采工藝, 1985, 8(6): 75-85.

[9] 顧浩, 程林松, 黃世軍. 注蒸汽井筒沿程熱物性參數及熱損失新算法[J]. 計算物理, 2014(4): 449-454.

[10] 王豐. 稠油井筒注汽過程熱損計算[D]. 黑龍江：大慶石油學院, 2008.

An Overview of Main Models of Mellbore Radial Heat Loss in Steam Injection Process

LI Zhiwei

(SchoolofPetroleumEngineering,YangtzeUniversity,Wuhan,Hubei430100,China)

This is the general use of thermal recovery of heavy oil thermal recovery, which is the most commonly used steam stimulation, as is used in the steam injection heating oil. In order to effectively reduce the radial heat loss in steam injection process, we have improved the efficiency of thermal recovery of heavy oil, the theory analysis and research of. Based on the theories, more theoretical models have been established to provide for actual production.

Thermal recovery of heavy oil; Steam injection well; Thermal recovery efficiency; Radial heat loss

2016-10-06

李志威(1991-)，男，安徽潁上人，在讀碩士研究生，研究方向：城市油氣輸配技術及稠油熱采，手機：15827495568，E-mail：1915470652@qq.com.

TE345

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.05.041