耐高溫封隔器熱分析研究

楊萬有，牛貴鋒，2

耐高溫封隔器熱分析研究

楊萬有1，牛貴鋒1，2

（1．中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452；2．西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都610500）

蒸汽吞吐井井筒溫度分布研究是進(jìn)行耐高溫封隔器密封單元設(shè)計的基礎(chǔ)。為了比較準(zhǔn)確地確定蒸汽參數(shù)分布、熱采封隔器的溫度分布以及熱損失，對注汽井內(nèi)耐高溫封隔器溫度分布進(jìn)行精細(xì)模擬計算。根據(jù)傳熱學(xué)、熱力學(xué)和兩相流理論，通過數(shù)值求解，可以確定封隔器承受的溫度分布。對封隔器-套管-水泥環(huán)-地層系統(tǒng)溫度分布進(jìn)行了詳細(xì)闡述，為海上油田稠油熱采井下工具的設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

稠油熱采；注蒸汽；熱力分析；耐高溫封隔器

在海上油田稠油開采過程中，由于受到環(huán)境條件、作業(yè)空間、操作成本等因素的影響，陸地油田常規(guī)熱采開發(fā)方式和工藝技術(shù)的應(yīng)用受到很大限制，其開采難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸上稠油油田。目前，渤海海域已發(fā)現(xiàn)了豐富的稠油儲量，如何高效、低成本地開發(fā)這些資源是海上稠油油田面臨的難題和挑戰(zhàn)。

為了實現(xiàn)海上稠油油田的高效開發(fā)，探索適用于海上稠油油田的熱采工藝技術(shù)，在渤海灣M油田開展了海上稠油蒸汽吞吐采油的礦場試驗并取得了成功。海上稠油蒸汽吞吐采油技術(shù)是將高溫高壓的水蒸汽、熱水等熱流體注入地層，通過加熱降黏及注汽提高采收率等機(jī)理實現(xiàn)稠油井高效開發(fā)的一種方法［1］。在采油過程中，高溫流體通過油管注入地層，井底套管、水泥環(huán)和地層溫度升高，由于套管和水泥環(huán)或地層的膨脹系數(shù)不同，從而有可能因套管與水泥環(huán)因受熱伸長量的不同，致使膠結(jié)面失效，存在氣竄的隱患。同時，井筒內(nèi)的高溫對井下采油工具的耐溫性能提出更高的要求。特別是對于耐高溫封隔器，若封隔器的溫度過高，則易引起封隔器橡膠的老化，致使封隔器坐封失效，甚至無法坐封，影響油田生產(chǎn)。因此，有必要開展稠油熱采過程中封隔器-套管-水泥環(huán)-地層系統(tǒng)的溫度場數(shù)值模擬研究，分析封隔器、套管、水泥環(huán)和地層巖石在注采過程中的溫度變化規(guī)律，為海上油田稠油熱采井下工具的設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

1 耐高溫封隔器熱分析原理及有限元模型

1．1 三維傳熱數(shù)學(xué)模型［2-5］

采用Green和Naghdi能量平衡方程，有

熱傳導(dǎo)傅里葉定律為

由標(biāo)準(zhǔn)伽遼金方法得到的能量平衡方程為

式中：V為物質(zhì)體積；S為物質(zhì)表面積；ρ為物質(zhì)密度；U 為內(nèi)能的材料時間變化率；q為單位面積上物體內(nèi)部的熱流量；r為單位體積上由外部流向物質(zhì)內(nèi)部的熱流量；f為熱流量；x為坐標(biāo)位置；k為熱傳導(dǎo)矩陣，是溫度θ的函數(shù)；δθ為滿足邊界條件的任意場變量。

1．2 有限元模型建立

1．2．1 模型簡化

耐高溫?zé)岵煞飧羝鹘Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了便于有限元模型的建立，節(jié)約計算量，需要對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化［6-7］。去除耐高溫?zé)岵煞飧羝髦械木植拷Y(jié)構(gòu)，保留封隔器膠筒、封隔器卡瓦、封隔器內(nèi)蒸汽通道、封隔器內(nèi)電纜孔和封隔器內(nèi)部分空隙。同時，由于分析耐高溫?zé)岵煞飧羝鞯臏囟葓龇植紩r，必須同時考慮環(huán)空-套管-水泥環(huán)-地層系統(tǒng)的影響，因此建立了耐高溫?zé)岵煞飧羝鳠岱治龅挠邢拊喕Ｐ停鐖D1所示。

圖1　簡化后的坐封封隔器模型（剖視圖）

1．2．2 有限元模型

為了模擬耐高溫?zé)岵煞飧羝?套管-水泥環(huán)-地層系統(tǒng)的溫度場分布，建立了系統(tǒng)的有限元分析模型，如圖2所示。

圖2　耐高溫封隔器熱分析的有限元模型

為了便于材料屬性的賦予，將封隔器的所有鋼制材料建立成為1個部件。蒸汽通道專門建立1個部件，以便于網(wǎng)格的劃分。將電纜孔、封隔器內(nèi)蒸汽管外側(cè)的空腔、封隔器下方與卡瓦之間的環(huán)空和卡瓦下方的環(huán)空視為充滿井液，建立成井液部件。封隔器上方充滿氮氣的環(huán)空、封隔器內(nèi)的2個空隙、封隔器膠筒、套管、水泥環(huán)、地層分別建立成1個部件。將以上所有部件裝配即建立了耐高溫?zé)岵煞飧羝?套管-水泥環(huán)-地層系統(tǒng)熱分析的有限元模型。耐高溫封隔器坐封于?244．5 mm（9英寸）套管內(nèi)，井眼尺寸為?311．2 mm（12英寸）。蒸汽溫度為350℃，地層溫度為20℃。均采用二階DC3D8六面體單元，該類型的傳熱單元含有8個網(wǎng)格節(jié)點，具有較好的適應(yīng)性。為了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，對封隔器、氮氣層、套管和水泥環(huán)處網(wǎng)格進(jìn)行加密，共劃分二階四面體網(wǎng)格單元119 840個。模型中多個接觸區(qū)域采用共節(jié)點劃分方法，例如：井液、封隔器、氮氣層、套管、水泥環(huán)和地層兩兩交界面處，采用共點方式實現(xiàn)熱傳導(dǎo)，在不影響計算結(jié)果的情況下，大幅節(jié)約了計算時間，也使模型簡化。350℃高溫從蒸汽通道內(nèi)傳入，整個模型的初始環(huán)境溫度為20℃。

封隔器鋼材料、蒸汽管、封隔器膠筒、井液、氮氣層、套管、水泥環(huán)和地層的參數(shù)如表1所示。

表1　耐高溫?zé)岵煞飧羝?套管-水泥環(huán)-地層系統(tǒng)參數(shù)

2 耐高溫?zé)岵煞飧羝鳠岱治鼋Y(jié)果

對整個系統(tǒng)進(jìn)行熱計算分析，耐高溫封隔器承受熱的作用，受力情況復(fù)雜［8］。耐高溫?zé)岵煞飧羝?套管-水泥環(huán)-地層系統(tǒng)的溫度場如圖3所示；耐高溫?zé)岵煞飧羝鞯臏囟葓鋈鐖D4所示；耐高溫?zé)岵煞飧羝髂z筒的溫度場如圖5所示；耐高溫?zé)岵煞飧羝髡羝艿臏囟葓鋈鐖D6所示。

圖3　耐高溫?zé)岵煞飧羝?套管-水泥環(huán)-地層系統(tǒng)的溫度場

由圖3可知：在封隔器膠筒上方，由于氮氣注入封隔器與套管之間的環(huán)空，井眼周圍水泥環(huán)和地層溫度較低，這是由于氮氣的絕熱性能要優(yōu)于井液所致。在封隔器膠筒處井眼周圍的溫度也略有減小。

圖4　耐高溫?zé)岵煞飧羝鞯臏囟葓?/p>

由圖4可知：在耐高溫?zé)岵煞飧羝鞯纳戏綔囟容^高，下方溫度較低，這是由于井液的導(dǎo)熱性能高于氮氣，致使溫度向套管-水泥環(huán)-地層擴(kuò)散。

圖5　耐高溫?zé)岵煞飧羝髂z筒的溫度場

由圖5可知：耐高溫?zé)岵煞飧羝髂z筒的溫度為153．9～349．0℃，靠近蒸汽通道一側(cè)的溫度高于另一側(cè)溫度；膠筒外側(cè)的溫度要明顯低于膠筒內(nèi)側(cè)的溫度，這是由于膠筒具有較強(qiáng)的隔熱能力所引起的，外側(cè)溫度約為內(nèi)側(cè)溫度的1／2。

圖6　耐高溫?zé)岵煞飧羝髡羝艿臏囟葓?/p>

由圖6可知：耐高溫?zé)岵煞飧羝髡羝ǖ赖臏囟确植寂c膠筒的類似，也是上方溫度較高，下方溫度較低，但其整體溫度均高于膠筒的溫度。

3 結(jié)論

1)建立了耐高溫?zé)岵煞飧羝?套管-水泥環(huán)-地層系統(tǒng)的熱分析有限元模型。

2)耐高溫封隔器膠筒的溫度為153．9～349．0℃，靠近蒸汽管一側(cè)的溫度高于另一側(cè)溫度；膠筒外側(cè)的溫度要明顯低于膠筒內(nèi)側(cè)的溫度，這是由于膠筒具有較強(qiáng)的隔熱能力所引起的，外側(cè)溫度約為內(nèi)側(cè)溫度的1／2。

3)在耐高溫封隔器的上方溫度較高，下方溫度較低。耐高溫封隔器蒸汽通道的溫度分布與膠筒的類似，也是上方溫度較高，下方溫度較低，其溫度為336．9～350．0℃。

［1］陳月明．注蒸汽熱力采油［M］．東營：石油大學(xué)出版社，1996．

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［3］陳建濱．濱南單56塊注汽井筒熱力分析與隔熱技術(shù)評價［D］．北京：中國石油大學(xué)，2007．

［4］王照亮，梁金國．一種求解復(fù)合圓筒壁非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的新方法［J］．石油大學(xué)學(xué)報，2005，29（2）：89-92．

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Thermal Analysis on High Temperature Packer

YANGWanyou1，NIUGuifeng1，2
（1．Ener Tech-Drilling&Production Co．，CNCCC，Tianjin 300452，China；2．College of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum Uniuersity，Chengdu 610500，China）

A study of steam huff-puff wells well bore temperature distribution is the basis of high temperature resistance packer unit design．In order to determine the steam distribution，temperature distribution of heat recovery packer and heat loss more correctly，a stimulation calculation has been made for high temperature packer temperature distribution in steam injection well．Based on heat transfer，thermodynamics and two-phase flow theory，and through numerical solution，the packer resistance in temperature distribution can be determined．The temperature distribution along packer-casing-cement sheath-stratum system is introduced in detail，which can be used as theory base for heavy oil thermal recovery on offshore oil field．

heavy oil thermal recovery；steam injection well；thermal analysis；high temperature packer

TE931．2

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．017

1001-3482（2015）04-0070-04

2014-10-21

國家科技重大專項“海上稠油熱采采油技術(shù)研究”（2011ZX05024-005-003）

楊萬有（1967-），男，黑龍江拜泉人，高級工程師，碩士，主要從事油氣田開發(fā)與開采方面的研究及管理工作，E-mail：yangwy3＠cnooc．com．cn。