雙管注汽工藝條件下熱采井筒溫度場(chǎng)計(jì)算方法研究

劉加偉 李佳 謝仁軍 賈立新 邢歡 徐國(guó)賢 吳怡 焦金剛

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)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(chǎng)計(jì)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(guó)賢2吳怡2焦金剛2

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)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(shù)與雙注汽管的注汽方式、注汽參數(shù)以及管柱尺寸等有較大關(guān)系,平行雙管注采時(shí),環(huán)空中充低壓空氣/氮?dú)?若將主管看作原來(lái)單管中的注汽管,則雙管的環(huán)空部分多了一個(gè)采油管柱(副管),計(jì)算熱損失時(shí)需要綜合考慮主副管的內(nèi)徑差異,井身周圍溫度場(chǎng)也是有差異的。本文考慮雙管注汽方式與常規(guī)籠統(tǒng)注汽方式的差異,基于能量守恒、動(dòng)量守恒和質(zhì)量守恒原理,建立了稠油油藏?zé)岵删碾p管注氣井井筒沿程溫度場(chǎng)計(jì)算模型,該模型穩(wěn)定可靠,易于求解。

雙管注氣工藝 注氣參數(shù) 熱損失 溫度場(chǎng)

隨著海上油氣的不斷勘探,復(fù)雜稠油油氣藏也將會(huì)不斷出現(xiàn),針對(duì)如何對(duì)不同稠油油藏的油氣進(jìn)行充分挖掘,如何有效控制不同稠油油藏?zé)岵勺鳂I(yè)的風(fēng)險(xiǎn)和降低作業(yè)成本,提出了雙管注氣工藝。雙管注氣工藝可以實(shí)現(xiàn)注入、放噴、機(jī)采共用一趟管柱,減少動(dòng)管柱作業(yè)的次數(shù),從而減少了作業(yè)費(fèi)用,降低成本。但對(duì)于平行雙管熱采井的蒸汽注入井筒沿程參數(shù)計(jì)算,傳統(tǒng)的單管蒸汽注入模型已不再適用,此時(shí)需要充分考慮兩注汽管之間的溫度場(chǎng)耦合效應(yīng)。本文作者在熱傳遞理論與能量守恒原理的基礎(chǔ)上,建立了雙管注汽工藝條件下的蒸汽參數(shù)計(jì)算模型。

1 模型建立

圖1 雙管注汽管柱結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 偏心注入管徑計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖3 雙管注汽井筒傳熱過(guò)程

雙管注氣井筒傳熱過(guò)程由以下幾個(gè)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(huán)、水泥環(huán)與地層之間的熱傳遞。

模型建立之前,需作如下假設(shè)條件:

(1)注汽時(shí),井筒中的主副管位置上下一致;

(2)地溫梯度恒定;

(3)此時(shí)未注汽管管內(nèi)為空氣,環(huán)空流體為空氣;

(4)忽略轉(zhuǎn)換接頭處的管徑差異。

其結(jié)構(gòu)示意如圖1、2所示。

注汽過(guò)程中,主管通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射進(jìn)行傳熱,當(dāng)僅有主管注汽時(shí),其對(duì)副管的輻射角系數(shù)為同樣對(duì)套管內(nèi)壁的輻射角系數(shù)為副管對(duì)套管的輻射角系數(shù)為σac=1-απ,其傳熱過(guò)程由以下幾個(gè)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(huán)、水泥環(huán)與地層之間的熱傳遞。

(1)主管自身的熱傳遞。

注汽過(guò)程中,主管徑向熱流量及內(nèi)壁到外壁的總傳熱系數(shù)為:

(2)主管到副管再到環(huán)空的熱輻射過(guò)程。

主管外壁到副管的熱流量和總傳熱系數(shù)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(huán)之間的熱流量和總傳熱系數(shù)為:

(4)水泥環(huán)與地層之間的熱傳導(dǎo)。

該部分的傳熱與單管注汽相同。

上式中f(t)的計(jì)算方法仍采用Hasan公式。

將各部分的傳熱效果簡(jiǎn)化,可以得到主管至水泥環(huán)外緣的總傳熱系數(shù)Ut。

進(jìn)而可以得到dz段從主管到水泥環(huán)外緣的總熱流量為:

根據(jù)連續(xù)性方程,由式(7)與(9)可以得到:

2 模型求解

由于總傳熱系數(shù)中的環(huán)空輻射換熱系數(shù)和對(duì)流換熱系數(shù)與環(huán)空壁面的溫度有關(guān),因此需要迭代計(jì)算出總傳熱系數(shù),然后計(jì)算出水泥環(huán)外緣溫度,進(jìn)一步計(jì)算出熱損。迭代步驟為:

(1)設(shè)定總傳熱系數(shù)的初值,一般為0．5。

(2)根據(jù)(10)公式計(jì)算出Tw。

(3)根據(jù)(9)計(jì)算出單位長(zhǎng)度傳熱量qz。

(4)計(jì)算隔熱管外壁的溫度套管內(nèi)壁的溫度。

(5)計(jì)算環(huán)空對(duì)流換熱系數(shù)和輻熱系數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

井筒傳熱計(jì)算包含了水蒸汽熱物性計(jì)算、空氣熱物性與遷移性質(zhì)計(jì)算、兩相流計(jì)算、非穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算等四大類復(fù)雜計(jì)算問題。這些計(jì)算跨越了流體力學(xué)與工程熱物理兩大學(xué)科,計(jì)算難度很大。之所以要進(jìn)行上述復(fù)雜計(jì)算,根本目標(biāo)是要通過(guò)計(jì)算,認(rèn)識(shí)稠油熱采井注蒸汽過(guò)程井筒中各種參數(shù)的變化規(guī)律,為分析套管變形計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

考慮到傳統(tǒng)注汽井筒參數(shù)計(jì)算模型的局限性,本文在充分考慮各注汽管間熱場(chǎng)耦合的基礎(chǔ)上,建立了雙管注汽工藝條件下井筒的溫度場(chǎng)計(jì)算模型,并根據(jù)模型編制相應(yīng)的軟件,采用迭代法對(duì)模型進(jìn)行求解,該模型穩(wěn)定可靠,易于求解。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“海上稠油熱采井口升高控制技術(shù)研究”(2011ZX05024-005-007);“海上熱采井口升高監(jiān)測(cè)技術(shù)及方案研究”。

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