古城油田泌淺10區(qū)注熱水熱損失計算研究

馬道祥，石 璐，周文健，王繼軍，馬迎菊，吉素華

（1.中國石化河南油田分公司第二采油廠，河南唐河 473400；2.中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院）

古城油田泌淺10區(qū)注熱水熱損失計算研究

馬道祥1，石 璐2，周文健1，王繼軍1，馬迎菊1，吉素華1

（1.中國石化河南油田分公司第二采油廠，河南唐河 473400；2.中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院）

為了開展古城油田泌淺10區(qū)注蒸汽開采后轉(zhuǎn)熱水驅(qū)試驗，了解注熱水沿程熱損失的分布情況，開展了地面、井筒沿程各節(jié)點熱損失研究，主要分析了地面管線保溫層厚度、材料、不同季節(jié)、不同熱水流量以及井筒隔熱、注熱水時間等對沿程溫度的影響，提出了最佳的地面管線保溫和井筒隔熱參數(shù)，優(yōu)選確定了四個注熱水井組各節(jié)點的溫度值，為下步工程方案設計提供了理論依據(jù)。

古城油田；注水熱損失；熱水驅(qū)

1 注熱水過程中地面熱損失研究

以井口溫度為約束條件，建立注熱水時地面管線熱損失數(shù)學模型，研究不同保溫措施下地面設備注熱參數(shù)。

1.1 地面熱損失模型

1.1.1 熱損失計算模型［1－2］

由穩(wěn)態(tài)傳熱理論可得熱損失計算基本公式：

式中：ql——單位時間內(nèi)單位長度管線中的熱損失，kJ／（m·d）；Ta——大氣溫度，℃；R——單位長度管線上的熱阻，kJ／（m·d·℃）－1；hp——污垢層對流換熱系數(shù)，kJ／（m2·d·℃）；ri——管線內(nèi)半徑，m；λp——管線的導熱系數(shù)，kJ／（m·d·℃）；ro——管線外半徑，m；λins——保溫層的導熱系數(shù)，kJ／（m·d·℃）；rins——保溫層外半徑，m；hfc——保溫層外表面上強迫對流放熱系數(shù)，kJ／（m2·d·℃）；Vw——風速，km／h。

1.1.2 沿程溫度計算模型

設熱水質(zhì)量流量為G（m3／d），在經(jīng)過dl這一小段距離后，熱水溫度下降了dt，在穩(wěn)定傳熱過程中，忽略摩擦熱的影響，因此dl段內(nèi)管線的熱平衡關系為：

式中：c——水的比熱，由于不同溫度下水的比熱變化并不大，因此這里取平均值4.250 kJ／（kg·℃）；T1——下一段地面管線的熱水溫度。通過求解上述微分方程再加上初始條件：T0＝TR，即可獲得地面管線的沿程溫度分布。

1.2 影響地面熱損失的主要因素計算分析

1.2.1 不同保溫層厚度管線沿程溫度計算

假設鍋爐出口熱水溫度為150℃，根據(jù)表1數(shù)據(jù)，分別計算不同保溫層厚度對地面熱水管線的沿程溫度的影響：隨著保溫層厚度的增加，管線的保溫性能增強，熱損失逐漸減小，沿程溫度逐漸升高；而當保溫層厚度增加到一定值時，管線出口端溫度的增幅和百米熱損失率的降幅逐漸減小，最佳保溫層厚度為0.03～0.04 m，見圖1。

表1 泌淺10區(qū)地面熱損失基礎數(shù)據(jù)

1.2.2 不同保溫材料管線沿程溫度計算

通過改變保溫層導熱系數(shù)的計算，得知不同保溫材料對地面熱水管線沿程溫度的影響：隨著導熱系數(shù)的增大，管線熱損失增大；而管線出口端溫度和百米熱損失率成直性下降和上升關系。見圖2。

圖1 出口端溫度及百米熱損失率隨保溫層厚度變化曲線

圖2 出口端溫度及百米熱損失率隨導熱系數(shù)變化曲線

1.2.3 不同熱水質(zhì)量流量管線沿程溫度計算

由圖3可知，隨著流量的增大，管線沿程溫度逐漸升高；但隨著流量的進一步增大，升溫幅度越來越緩；當流量增加到一定程度時，管線出口端溫度升高幅度和百米熱損失率降低幅度趨于平緩，最佳流量為40～60 m3／d。

圖3 出口端溫度及百米熱損失率隨熱水流量變化曲線

1.2.4 不同季節(jié)地面管線沿程溫度計算

假定河南省南陽市冬季和夏季室外平均溫度為10℃和25℃，計算表明：冬季溫差大，熱損失大，沿程溫度低，夏季溫差小，熱損失小，沿程溫度相對較高，但1 000 m管線溫度損失相差也就2℃左右，總體影響相對較小。

2 注熱水過程中井筒熱損失研究

以井底溫度為約束條件，建立注熱水時井筒熱損失數(shù)學模型，研究不同隔熱管柱和環(huán)空條件下井口注熱參數(shù)。

2.1 井筒熱損失模型［1－2］

2.1.1 熱損失計算模型

根據(jù)穩(wěn)態(tài)傳熱理論可得油管中心至水泥環(huán)外緣的傳熱量計算公式：

式中：Th——水泥環(huán)外緣處溫度，℃；dz——井筒長度，m；dQ1——單位時間內(nèi)dz長度上的熱損失，W；λtub——油管導熱系數(shù)，W／（m·K）；λins——絕熱層材料導熱系數(shù)，W／（m·K）；r1——內(nèi)管內(nèi)半徑，m；r2——內(nèi)管 外 半 徑，m；r3——外 管 內(nèi) 半 徑，m；r4——外管外半徑，m；hc——環(huán)空內(nèi)自然對流換熱系數(shù)，W／（m2·K）；hr——環(huán)空內(nèi)輻射換熱系數(shù)，W／（m2·K）；λcas——套管導熱系數(shù)，W／（m·K）；rco——套管 外 半徑，m；rci——套管內(nèi)半徑，m；λcem——水泥環(huán)導熱系數(shù)，W／（m·K）；rh——水泥環(huán)外緣半徑，m。

水泥環(huán)外緣至地層是非穩(wěn)態(tài)傳熱，隨著時間變化。開始注熱水時地層溫度較低，熱損失較大，隨著注熱水過程的繼續(xù)，地層溫度逐漸增加，溫度差異減小，熱損失降低。用公式表示為：

式中：Te——計算井深處的初始地層溫度，Te＝Ta＋a·z，℃；a——地溫梯度，K／m；λe——地層導熱系數(shù)，W／（m·K）；f（t）——地層導熱時間函數(shù)，無因次。

井筒微元段的總的熱損失為：

2.1.2 井筒沿程溫度計算模型

單位時間井筒微元的熱損失為dQ，設熱水質(zhì)量流量為G（m3／d），在經(jīng)過dz這一小段距離后，熱水溫度下降了dt，忽略摩擦熱的影響，因此dz段內(nèi)管線的熱平衡關系為：

式中：T1——下一段井筒微元的熱水溫度。

通過求解上述微分方程再加上初始條件：T0＝TR，即可獲得井筒的沿程溫度分布。

2.2 影響井筒熱損失的主要因素計算分析

2.2.1 不同絕熱層材質(zhì)井筒沿程溫度計算

假設井口熱水溫度為120℃，根據(jù)表2數(shù)據(jù)，分別計算不同絕熱層導熱系數(shù)對注熱水井筒沿程溫度的影響：隨著絕熱層導熱系數(shù)的增加，熱損失增大，井筒沿程溫度逐漸降低；當導熱系數(shù)進一步增大時，井底熱水溫度降幅和百米熱損失增幅逐漸減小，最佳導熱系數(shù)為0.05 W／（m·℃），見圖4。

表2 泌淺10區(qū)轉(zhuǎn)熱水驅(qū)井筒熱損失基礎數(shù)據(jù)

圖4 井底溫度及百米熱損失率隨導熱系數(shù)變化曲線

2.2.2 不同地層井筒沿程溫度計算

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，計算砂巖、頁巖、石灰?guī)r地層條件下的井筒沿程溫度。頁巖地層的熱物性參數(shù)偏小，保溫性能較好，井筒沿程溫度較高；灰?guī)r地層的熱物性參數(shù)較大，保溫性能差，井筒沿程溫度較低；砂巖則介于二者之間。但總的來講，地層對熱水驅(qū)井筒溫度的影響不大，三種地層相差不超過0.5℃。

表3 不同巖石的熱物性參數(shù)數(shù)據(jù)

2.2.3 不同熱水質(zhì)量流量井筒沿程溫度計算

由圖5可知，隨著流量的增加，井筒沿程溫度逐漸升高，但隨著流量進一步增加，井底熱水溫度的增加和百米熱損失率的下降趨勢變得較為平緩，最佳流量為40～60 m3／d。

圖5 井底溫度及百米熱損失率隨熱水流量變化曲線

2.2.4 注熱時間的影響

由圖6可知，自注熱措施開始后，在很短的時間內(nèi)（2 d），井底熱水溫度就穩(wěn)定下來。

圖6 不同注熱時間井底熱水溫度變化曲線

3 泌淺10區(qū)熱水驅(qū)井組熱損失計算

3.1 轉(zhuǎn)熱水驅(qū)井組管網(wǎng)基本情況

泌淺10區(qū)注汽管網(wǎng)（即轉(zhuǎn)熱水驅(qū)的注水管網(wǎng)）分布是：注汽鍋爐產(chǎn)出的蒸汽（熱水）→干線→注汽站→支線→單井。預計轉(zhuǎn)熱水驅(qū)4個井組中G5819、G5917和G51118、G51120水井分別由13＃和20＃注汽站控制，基本參數(shù)見表4、5、6。

3.2 注入溫度優(yōu)化計算結(jié)果

根據(jù)《稠油油藏注蒸汽開采后期轉(zhuǎn)熱水驅(qū)雙模研究》成果，普通稠油Ⅱ類熱水驅(qū)的最佳注入溫度為120℃。為了達到地質(zhì)方案設計要求，通過優(yōu)化計算得知，鍋爐出口溫度為130℃時就能滿足地質(zhì)要求，此時轉(zhuǎn)熱水驅(qū)四個井組的水井井底溫度均可達到120℃以上，沿程各節(jié)點溫度分布見表7。綜合考慮季節(jié)等因素的影響，推薦轉(zhuǎn)熱水驅(qū)鍋爐出口熱水溫度為130～135℃較好。

表4 泌淺10區(qū)轉(zhuǎn)熱水驅(qū)井組注汽干線基本參數(shù)

表5 泌淺10區(qū)轉(zhuǎn)熱水驅(qū)井組單井管線基本參數(shù)

表6 泌淺10區(qū)轉(zhuǎn)熱水驅(qū)井組單井井筒基本參數(shù)

表7 泌淺10區(qū)鍋爐出口溫度為130℃時轉(zhuǎn)驅(qū)水井沿程溫度優(yōu)選結(jié)果

［1］ 帕拉茨 M（美）.熱力采油［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1989：80－120.

［2］ 張銳.稠油熱采技術［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1998：110－150.

In order to carry out hot water flooding test after steam injection in BQ－10 block of Gucheng oilfield，it is necessary to make clear the distribution status of heat loss.Therefore，the study on heat loss calculation by water injcetion has been carried out.The factors，such as the thickness of the ground line thermal insulation layer，its materials，in different seasons，different hot water flow，wellbore heat insulation and water flooding time，on influencing temperatures during the process have been mainly analyzed.In the end，the optimal ground line temperature and insulation parameters of wellbore have been put forward and four temperature values of each node during hot water flooding have been determined，which provides theory basis for engineering design in the next step.

116Study on heat loss calculation by water injcetion in BQ－10block of Gucheng oilfield

Ma Daoxiang et al（Henan Oilfield Branch Company No.2 Production Plant，Sinopec，Tanghe，Henan 473400）

Gucheng oilfield；water injcetion heat loss；hot water flooding

TE41

A

1673－8217（2012）03－0116－04

2011－12－20

馬道祥，工程師，1962年生，2008年畢業(yè)于重慶科技學院石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事油田開發(fā)技術工作。

李金華