高凝油井筒溫度分布的影響因素

陳　曦，王常斌，郭道宏，蔡　亮，于　濤

（1．東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江　大慶163318；2．中國計(jì)量學(xué)院　計(jì)量測試工程學(xué)院，杭州310018；3．遼河油田公司沈陽采油廠，遼寧　新民110316）①

高凝油井筒溫度分布的影響因素

陳曦1，王常斌2，郭道宏3，蔡亮1，于濤1

（1．東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2．中國計(jì)量學(xué)院計(jì)量測試工程學(xué)院，杭州310018；3．遼河油田公司沈陽采油廠，遼寧新民110316）①

井筒溫度分布是高凝油冷采工藝可行性研究的一個(gè)重要參數(shù)。運(yùn)用傳熱學(xué)和兩相流的基礎(chǔ)理論，根據(jù)能量守恒定律建立了高凝油常規(guī)冷采時(shí)的井筒溫度分布模型，研究了產(chǎn)液量、含水率、隔熱油管導(dǎo)熱系數(shù)、隔熱油管下深以及動(dòng)液面位置對(duì)井筒溫度分布的影響。結(jié)果表明，產(chǎn)液量、隔熱油管導(dǎo)熱系數(shù)、隔熱油管下深以及動(dòng)液面位置對(duì)井筒溫度分布的影響較大，而原油的含水率對(duì)井筒的溫度分布基本無影響。

高凝原油；隔熱油管；溫度分布；影響因素

高凝油流動(dòng)性差，屬黏塑性非牛頓流體，對(duì)溫度有較強(qiáng)的敏感性［1］，如溫度增加8～9℃，黏度可減少一半［2］。高凝油的這一特點(diǎn)使得稠油熱采技術(shù)成為世界上提高稠油采收率實(shí)際應(yīng)用規(guī)模最大且效果最好的開采技術(shù)［3］。沈陽油田是國內(nèi)最大的高凝油生產(chǎn)基地，主要采用井筒拌熱舉升工藝開采，但該工藝能耗較高［4］。隨著油井進(jìn)入中、高含水期，油、水在井筒中處于分離狀態(tài)；低能耗采油工藝的研究進(jìn)入一個(gè)新的階段，而冷采的技術(shù)關(guān)鍵是保證高凝油從井筒到地面的全過程溫度高于凝固點(diǎn)［5］。

1　數(shù)學(xué)模型

1．1 井筒溫度場控制方程

假定井筒內(nèi)的傳熱方式為傳導(dǎo)和對(duì)流換熱，井筒內(nèi)流體為連續(xù)介質(zhì)；應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)中的能量方程，可得生產(chǎn)油井井筒內(nèi)的溫度場在二維柱坐標(biāo)系下的控制方程為［6］

式中：λ1為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m2·℃）；ρ1為流體密度，kg／m3；vz為流體沿井筒向上的運(yùn)動(dòng)速度，m／s；T為溫度，℃；z為軸向坐標(biāo)；r為徑向坐標(biāo)；t為時(shí)間，s；c1為流體熱容量，J／（mol·℃）。

由于靠近井底的一層圍巖對(duì)應(yīng)的井筒內(nèi)的流體沒有流動(dòng)，所以沒有對(duì)流傳熱［7］，故將井筒內(nèi)這一段溫度場的傳熱看成只有導(dǎo)熱過程的傳熱。這一段溫度場的控制方程為

1.2 井軸溫度場控制方程

由于井軸處的情況較為特殊，為絕熱邊界條件，

生產(chǎn)油井井筒內(nèi)井軸處溫度場的控制方程為

與底層圍巖對(duì)應(yīng)的井筒內(nèi)井軸處溫度場的控制方程為

穩(wěn)態(tài)傳熱是指溫度場不隨時(shí)間變化的物體內(nèi)部所進(jìn)行的熱傳遞過程，基本假設(shè)條件是：在任一時(shí)間內(nèi)，通過每個(gè)熱阻的熱量都相等，總溫降等于各個(gè)熱阻溫降之和［8］。地層流體在進(jìn)入井筒以后，在垂直舉升的過程中，注入流體、產(chǎn)出液和地層之間要不斷進(jìn)行熱量交換，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，假設(shè)油井井筒中流體與流體及流體與地層之間的熱傳遞過程為穩(wěn)態(tài)傳熱過程，井筒單元徑向熱流量Qs與油管中產(chǎn)液溫度To和套管外水泥環(huán)、地層交界面之間溫度Th的差值（To－Th）成正比，也與該單元段長Δl形成的油管外表面積（2πDtoΔl）成正比，即：

式中：Qs為熱流量，W；Dto為油管外徑，m；Ut為油管中流體與水泥環(huán)上表面的總傳熱系數(shù)，W／（m2·℃）；To為油管中流體的溫度，℃；Th為套管外水泥環(huán)、地層交界面之間溫度，℃。

通過井筒管壁、套管壁及水泥環(huán)的熱流是以熱傳遞方式發(fā)生的［9］，根據(jù)多層圓筒壁傳熱原理可得相應(yīng)的熱流量方程。

通過油管壁的熱流量：

式中：Dti為油管內(nèi)徑，m；Tt1為油管內(nèi)壁溫度，℃；Tto為油管外壁溫度，℃；λtub為油管導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·℃）。

通過套管壁的熱流量：

式中：Dco為套管外徑，m；Dci為套管內(nèi)徑，λcas為套管導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·℃）。

通過水泥環(huán)的熱流量：

式中：Dh為井徑，m；λcem為水泥環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·℃）。

整個(gè)井筒傳熱系統(tǒng)的溫度變化可表示為

由穩(wěn)定傳熱假設(shè)［10］，式（6）～（8）中的Qs應(yīng)相等，將方程式中的溫度帶入式（9）可得：

單位面積井筒總傳熱系數(shù)可表示為

式中：hf為油管中流體與油管壁間的傳熱系數(shù)，W／（m2·℃）；hr為環(huán)空流體輻射傳熱系數(shù)，W／（m2·℃）；hc為環(huán)空流體對(duì)流傳熱系數(shù)，W／（m2·℃）。

2　影響因素分析

2．1 產(chǎn)液量的影響規(guī)律

油井產(chǎn)量對(duì)井筒溫度有很大的影響。產(chǎn)量高，流速就高，單位時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充的熱流量就大，井筒溫度就高。為研究流量對(duì)井筒溫度分布的影響規(guī)律性，根據(jù)井筒傳熱模型，在其他條件相同的情況下，計(jì)算了5個(gè)產(chǎn)量值的井筒溫度分布，產(chǎn)液量對(duì)于井筒溫度分布的影響曲線如圖1所示，其中1000m處的拐點(diǎn)為動(dòng)液面處，下同。

圖1　產(chǎn)量對(duì)井筒溫度分布的影響

由圖1可見，產(chǎn)液量對(duì)井溫分布的影響很大，是影響井筒溫度的重要因素。此外，在不同深度處產(chǎn)液量對(duì)井筒溫度的影響是不同的，越是接近井口，產(chǎn)液量的影響越重要。因此，提高油井產(chǎn)量，井口溫度大幅升高。

2．2 含水率的影響規(guī)律

含水率的影響表現(xiàn)在油水混合物的水當(dāng)量上。在其他條件相同的情況下，對(duì)含水率不同的油井進(jìn)行了計(jì)算，如圖2所示。

計(jì)算結(jié)果表明，含水在86%～94%，含水率的增大使井筒溫度有所上升，但變化幅度不大。這是因?yàn)殡S著含水率的增大，混合物的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)同時(shí)增大，使得其對(duì)于井筒溫度的影響相互抵消。

2．3 動(dòng)液面的影響規(guī)律

高凝油的舉升工藝采用有桿泵采油。以動(dòng)液面為界，在同等條件下，由于動(dòng)液面上下的傳熱條件不同，必將影響井筒的溫度分布；動(dòng)液面位置對(duì)井筒溫度分布的影響如圖3所示。

圖2含水率對(duì)井筒溫度分布的影響

圖3　動(dòng)液面位置對(duì)井筒溫度分布的影響

由圖3可見，動(dòng)液面位置不同，對(duì)井筒溫度分布的影響很大；隨著動(dòng)液面深度的增加，井筒溫度升高。這是由于動(dòng)液面的存在，在油、套環(huán)形空間中存在一定高度的油水混合物，由于液體的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于氣體，使得在動(dòng)液面以下管段比動(dòng)液面以上管段的傳熱量大，因此，動(dòng)液面高度越高，井筒溫度越低。

2．4 隔熱油管導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律

油田中油管的種類繁多，各油管的導(dǎo)熱系數(shù)也不盡相同。在其他條件相同的情況下，本文采用5種導(dǎo)熱系數(shù)的油管計(jì)算其下入時(shí)的井筒溫度分布情況，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4　保溫管的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)井筒溫度分布的影響

由圖4可見，隔熱油管導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)于井筒溫度分布的影響較大，隨著保溫油管導(dǎo)熱系數(shù)的減小，井筒溫度升高；這種影響在導(dǎo)熱系數(shù)為0．05W／（m·℃）以下時(shí)更為明顯，隨著導(dǎo)熱系數(shù)的減小，井筒溫度變化趨勢變大。

2．5 隔熱油管下入深度的影響規(guī)律

隔熱油管下入深度不同，井筒的溫度分布就不同，井口的剩余溫度也將有很大的差別。對(duì)不同保溫管下入深度下的井筒溫度進(jìn)行分段計(jì)算，控制其他條件不變，井筒溫度如圖5所示。

由圖5可見，隔熱管的下入深度對(duì)井筒溫度分布的影響非常大。隨著隔熱管下入深度的增加，井筒的溫度明顯上升，這也是高凝油實(shí)現(xiàn)常規(guī)冷采的重要因素。

圖5　隔熱管下入深度對(duì)井筒溫度分布的影響

3　實(shí)例計(jì)算

為驗(yàn)證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，對(duì)遼河油田沈陽采油廠的10口油井進(jìn)行計(jì)算，其中D ti＝62mm，D to＝73mm，D ci＝127．3mm，D co＝139．7mm，λtub＝0．03W／（m·℃），λcem＝0．9W／（m·℃），其他參數(shù)根據(jù)各井實(shí)際情況選取，計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)場實(shí)測溫度值如表1所示。

由表1可知，選取的計(jì)算模型及各項(xiàng)參數(shù)符合遼河油田沈陽采油廠的實(shí)際情況，計(jì)算與實(shí)測的平均誤差為4．3%。

表1　實(shí)驗(yàn)井井口實(shí)測溫度與計(jì)算溫度

4　結(jié)論

1） 產(chǎn)液量對(duì)產(chǎn)出液溫度的影響較大。產(chǎn)液量越大，產(chǎn)出液溫度越高。

2） 含水率對(duì)產(chǎn)出液溫度的影響極小。但總體趨勢是隨著含水率的增大產(chǎn)液溫度升高。

3） 動(dòng)液面深度對(duì)產(chǎn)出液溫度的影響較大。隨著動(dòng)液面深度的增加，產(chǎn)出液溫度明顯上升。

4） 隔熱油管的導(dǎo)熱系數(shù)是影響產(chǎn)出液溫度的重要因素。保溫管導(dǎo)熱系數(shù)越小，產(chǎn)出液溫度越高，沈陽采油廠選用的C級(jí)保溫管保溫效果較好。

5） 隔熱油管的下入深度對(duì)于產(chǎn)出液溫度的影響非常大，是實(shí)現(xiàn)常規(guī)冷采的重要因素。

6） 選取的計(jì)算模型及相關(guān)參數(shù)符合遼河油田的實(shí)際情況，為遼河油田沈陽采油廠高凝油常規(guī)冷采提供參考。

［1］ 夏洪權(quán)，李輝，劉翎，等．稠油拐點(diǎn)溫度測算方法研究［J］．特種油氣藏，2006（6）：49－51．

［2］ 譚克，王帥，曹放．稠油、超稠油熱采技術(shù)研究進(jìn)展［J］．當(dāng)代化工，2014（1）：9799．

［3］ 龐永鑫．淺析現(xiàn)行主要稠油熱采技術(shù)及發(fā)展趨勢［J］．中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013（7）：159．

［4］ 王立軍．沈陽油田采油工藝發(fā)展及工藝措施方向［J］．特種油氣藏，2005，12（增刊）：6670．

［5］ 張琪．采油工程原理與設(shè)計(jì)［M］．東營：中國石油大學(xué)出版社，2003．

［6］ Kaviany M．Principles of heat transfer［M］．New York：John Wiley＆Sons，Inc．2002．

［7］ 任瑛，梁金國，楊雙虎．稠油與高凝油熱力開采問題的理論與實(shí)踐［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2001．

［8］ 唐曉東，陳廣明，王治紅，等．注空氣開采海上稠油井筒傳熱模型研究［J］．特種油氣藏，2009（1）：8791．

［9］ Jakob M．Heat transfer［M］．New York：John Wiley＆Sons，Inc．1949．

［10］Patankar S V．傳熱與流體流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算［M］．張政譯．北京：科學(xué)出版社，1984．

①

Influence Factors of Wellboretemperature Distribution of High Pourpoint Oil

CHEN Xi1，WANG Changbin1，GUO Daohong2，CAI Liang1，YU Tao1
（1．College of Petroleum Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China；
2．College of Metrological and Measurement Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China；3．Shenyang Oil Production Plant，Liaohe Oilfield Company，Xinmin 110316，China）

Wellboretemperature distribution is an important parameter in feasibility study of cold production of high pourpoint oil．The wellboretemperature distribution model in conventional cold production of high pourpoint oil was established by using the basic theory of heat transfer and twophase flow as well as the law of conservation of energy．On this basis，the liquid production，water cut，thermal conductivity of heatresistant tube，setting depth of heatresistant tube and working fluid level position in order to find the effects of them on wellboretemperature distribution were studied．The results show that liquid production，thermal conductivity of heatresistant tube，setting depth of heatresistant tube and working fluid level position have great influence on wellboretemperature distribution，while water cut makes no difference basically．The results above can be offered as a reference for conventional cold production process of high pourpoint oil．

high pourpoint oil；heatresistant tube；produced fluid temperature；influence factor

TE931．2

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．09．004

1001－3482（2015）09－0014－05

①2015－03－24

陳 曦（1990－），黑龍江大慶人，碩士研究生，主要從事復(fù)雜流體流動(dòng)的研究，E－mail：chenxi1202179＠126．com。

2015－05－18

黑龍江省高?？萍汲晒a(chǎn)業(yè)化前期研發(fā)培育項(xiàng)目（1253CGZH24）

任福深（1976-），男，遼寧遼陽人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事石油機(jī)械設(shè)計(jì)理論與控制研究，E-mail：renfushen ＠126．com．