空心抽油桿熱洗清蠟工藝井筒溫度場計算

傅作均，韓軍，張建民，張永軍

（吐哈油田公司機械廠，新疆 哈密 839000）

溫米油區有低壓井機采井約80口，井深2600m，平均粘度5～10mPa·s，原油平均蠟含量12%。常規油套反洗清蠟工藝會造成嚴重漏失和污染，目前采用刮蠟器機械清蠟。空心抽油桿熱洗清蠟工藝是針對油田低壓機采井的熱洗清蠟問題而開發，2019年開始在溫米油區進行試驗。熱洗過程中井筒溫度高低是評價該工藝清蠟效果的重要依據，但目前無檢測方法，只能通過油井載荷變化來籠統判定清蠟效果。國內對該工藝井筒溫度場分布的相關研究較少，難度較大，筆者通過有限元法對該工藝井筒溫度場進行研究。

1 空心抽油桿熱洗工藝有限元模型

1．1 工藝流程

工藝流程如圖1，熱介質從空心抽油桿注入，經井下單流進入油管并返回地面流程管線。

1．2 基本控制方程

流體溫度場計算方程包括連續性方程、標準κ-ε模型湍動能和耗散率方程、能量方程。

圖1

標準κ-ε模型湍動能和耗散率方程：

能量方程：

1．3 計算假設

（1）套管氣溫度與地層溫度相同并呈線性分布，假設氣體溫度恒定不變，由于氣體導熱系數很低，忽略套管氣、套管、地層巖石間的換熱。

（2）假設材料熱物性參數恒定不變。

（3）假設流體為單相不可壓縮。

1．4 模型建立與網格劃分

溫米油區油井結蠟段為200～800m井段，空心抽油桿深1000m，使用φ36×6空心抽油桿和2-7/8英寸油管，熱洗介質為清水。

建立1015m井段軸對稱2D模型，用線模擬空心抽油桿、油管的管壁厚度，采用Block法劃分四邊形網格，在各固體壁面附近提高單元密度，模型單元總數為556751。

1．5 模擬條件

入口溫度和流量是影響井筒溫度場的主要因素，本文分別計算比較在入口溫度為100℃時，2m3/h、6.5m3/h、10m3/h三種入口流量條件下和在入口流量為6.5m3/h時，80℃、100℃、120℃三種入口溫度條件下的井筒溫度場分布。

地溫梯度2.3℃/100m，恒溫層溫度11.3℃，使用軟件UDF功能設置套管氣溫度。出口壓力0.5MPa，管壁粗糙度0.3mm。

2 計算結果與討論

2．1 入口流量對井筒溫度場的影響

圖3為入口溫度100℃，入口流量2m3/h、6.5m3/h條件下的空心抽油桿/油管井溫曲線。

圖2 不同入口流量下空心抽油桿/油管介質溫度曲線

從圖2知，100℃-2m3/h入口條件下，由于流速慢，介質熱量在0～300m井段全部損耗，油管內水溫降至22℃，300-1000m井段的地層溫度已高于井筒溫度，地層加熱井筒，溫度緩慢升高至25℃，出口溫度為76℃，清蠟深度不到50m。

100℃-6.5m3/h入口條件下，由于流速加快，更多熱量進入井筒下段，800m處油管水溫為55℃，出口溫度91℃，滿足溫米油井清蠟要求。

100℃-10m3/h入口條件下，出口溫度92℃，1000m處油管水溫65℃，清蠟深度達1000m。

計算結果表明，井筒溫度隨著井深而逐漸降低，相同入口溫度下，油管介質溫度隨入口流量增加而增加，因此，流量越大，清蠟效果越好。

2．2 入口溫度對井筒溫度場的影響

圖3為6.5m3/h入口流量，入口溫度80℃、120℃條件下的空心抽油桿/油管介質井溫曲線。

從圖3知：80℃-6.5m3/h入口條件下，出口溫度70℃，350m處油管介質溫度為55℃。

120℃-6.5m3/h入口條件下，出口溫度達106℃，1000m處油管介質溫度為55℃。

計算結果表明，入口流量相同，井筒溫度隨著入口溫度的增加而增加，溫度越高，清蠟效果越好，但超過100℃后，由于熱損失加劇，井底溫度升幅不到2℃，因此，入口溫度超過100℃時，繼續升高溫度對井底清蠟效果影響不大。

圖3 不同入口溫度下空心抽油桿/油管介質溫度曲線

3 現場試驗

按照100℃-6.5m3/h入口條件，在溫西3-205井進行試驗，用液18m3，出口溫度達88℃，熱洗4h，洗后最大載荷降低2.28kN，最小載荷降低6.7kN，效果良好。

4 結語

（1）模擬了空心抽油桿熱洗清蠟工藝在不同入口工藝參數下井筒溫度分布情況和變化規律，為該工藝選擇合理工藝參數有一定參考價值。

（2）通過計算得出，入口排量超過6.5m3/h、溫度超過100℃，清蠟深度能達到800m，經現場試驗，滿足溫米油區油井的清蠟要求，入口排量越大、溫度越高，效果越好。