蒸汽吞吐注汽過(guò)程中井筒徑向熱損失注主要模型概述

李志威

(長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

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蒸汽吞吐注汽過(guò)程中井筒徑向熱損失注主要模型概述

李志威

(長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

稠油熱采一般采用熱力開(kāi)采，其中最常用的是蒸汽吞吐，即把蒸汽注入油層的加熱方式。為了有效地減少其在注汽過(guò)程中徑向熱損失，提高稠油熱采效率，需要對(duì)注汽過(guò)程的能量變化進(jìn)行理論分析和研究。在已有理論基礎(chǔ)上，相繼建立了吻和較好的理論模型，為實(shí)際生產(chǎn)提供了更多的理論支持。

稠油熱采；注汽井筒；熱采效率；徑向熱損失

0 前 言

本文首先在傳熱學(xué)理論基礎(chǔ)上，建立了井筒注汽過(guò)程徑向熱損失的計(jì)算公式[1]。根據(jù)公式主要求解有：以r2外表面為基準(zhǔn)面的總傳熱系數(shù)U；蒸汽溫度Tf；泥環(huán)外壁溫度Th。其中，U的求解主要涉及傳熱學(xué)的知識(shí)，而Tf、Th的求解相對(duì)復(fù)雜，需建立了相應(yīng)的模型[2]。井筒結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 井筒微元結(jié)構(gòu)示意

取dz段，根據(jù)傳熱學(xué)，其徑向熱損失：

dQ=2πr2dzU(Tf-Th)

(1)

其中，dQ為井筒徑向熱損失，kJ/h；r2為隔熱油管內(nèi)管外半徑，m；Tf為蒸汽溫度，℃；Th為水泥環(huán)外壁溫度，℃；U為以r2外表面為基準(zhǔn)面的總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

若井筒內(nèi)隔熱管抽真空(若充惰性氣體，則在3處并聯(lián)一個(gè)隔熱管內(nèi)氣體對(duì)流換熱熱阻)，則熱阻連接圖見(jiàn)圖2。

圖2 井筒內(nèi)隔熱管抽真空熱阻示意

則：

(2)

其中，A2為以r2外表面為基準(zhǔn)的面積；R1為蒸汽凝結(jié)環(huán)換熱熱阻；R2為隔熱管壁導(dǎo)熱熱阻；R3為隔熱管內(nèi)氣體輻射換熱熱阻；R4為環(huán)空輻射換熱熱阻；R5為環(huán)空對(duì)流熱熱阻；R6為套管壁導(dǎo)熱熱阻；R7為水泥導(dǎo)熱熱阻。R1～R7可根據(jù)傳熱學(xué)及相關(guān)參數(shù)計(jì)算。

1 Ramey模型

Ramey[3]是井筒傳熱研究工作的先驅(qū)。忽略流體流動(dòng)過(guò)程中摩擦和動(dòng)能的影響，他根據(jù)能量守恒定律，把時(shí)間和井深對(duì)井筒液體溫度的影響加入了模型。

對(duì)流體：

Tf(z,t)=aT+tb-aTA+(Tf+aTA-tb)e-z/A

(3)

對(duì)氣體：

(4)

-0.29。

由式(3)和(4)知，蒸汽溫度Tf中包含了井深和時(shí)間兩個(gè)量，使得計(jì)算更精確了。但其局限有：要求注入時(shí)間超過(guò)一周，限制了時(shí)間精度；假設(shè)物性參數(shù)不隨溫度變化；僅給出了單相流的情況。

2 Hasan和Kabir模型

Hasan和Kabir[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)合，把Ramey單相流擴(kuò)展到兩相流模型，其井筒液體溫度的關(guān)系式如下。

(5)

其中，Te=tb+αTz，tb為地表溫度，Te為地層溫度，αT為地溫梯度，式中的參數(shù)φ與流體流速、氣液比、井口壓力等因素有關(guān)。

3 Eickmeier J R模型

EickmeierJR[5]通過(guò)計(jì)算蒸汽壓力和蒸汽干度建立模型，間接計(jì)算了流體溫度，其模型主要由兩個(gè)非線性微分方程組成。

(6)

(7)

式(6)～(7)較復(fù)雜，需要迭代才能求解。優(yōu)點(diǎn)：精確地計(jì)算了熱損失及蒸汽物性(隨時(shí)間和深度)變化；增加了水泥殼的影響。缺點(diǎn)：模型用到了Ramey模型中的地層時(shí)間函數(shù)，適用精度受到一定限制。

4 Satter模型

通過(guò)分析Ramey模型[6]，Satter在考慮注汽過(guò)程中的蒸汽相變影響后，提出了預(yù)測(cè)冷凝流體干度隨時(shí)間及深度變化的計(jì)算方法。

(8)

結(jié)合式(8)，考慮到冷凝的影響，模型給出了冷凝流體干度計(jì)算的近似方法，間接計(jì)算井筒徑向熱損失。此模型偏于理論，仍需與生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)合進(jìn)一步驗(yàn)證。

5 Farouq模型

Farouq[7]在考慮了兩相流流動(dòng)狀態(tài)和氣體滑脫后，建立了可用于計(jì)算井筒壓力降及蒸汽干度的豎直非等溫兩相流的綜合模型。

(9)

結(jié)合能量平衡方程和濕蒸汽焓的關(guān)系式，得井筒內(nèi)蒸汽干度的常微分方程：

(10)

6 王彌康模型

王彌康[8]以傳熱原理為基礎(chǔ)，建立了井筒到地層傳熱的數(shù)學(xué)模型。

井筒內(nèi)穩(wěn)態(tài)傳熱：

dQ=2πr2dzU(tf-th)

(11)

地層內(nèi)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：

(12)

式中：t=f(r,τ)為地層內(nèi)某處溫度，涉及到Ramey、Butle、Hasan和Chiu4個(gè)地層時(shí)間函數(shù)。利用半解析法與解析法計(jì)算的值對(duì)比，可得出Hasan公式最接近解析解，Ramey公式效果最差，故多選Hasan公式進(jìn)行計(jì)算。

7 新算法

顧浩等[9]根據(jù)能量守恒、質(zhì)量守恒以及傳熱學(xué)基本理論，從干度的定義直接出發(fā)，忽略了蒸汽—水流動(dòng)的方向性，建立了計(jì)算井筒沿程蒸汽壓力、溫度、干度和熱損失模型[10]。

(13)

其中， ρs、ρw分別為蒸汽和水的密度；fs為蒸汽體積分?jǐn)?shù)；Rem雷諾數(shù)；ε內(nèi)管粗糙度；A無(wú)因次參數(shù)；VSS和VSW分別為蒸汽和水的表觀流速；μs、μw和μm分別為蒸汽、水和混合物的粘度；x為蒸汽的干度。

沿程蒸汽的溫壓存在以下關(guān)系：

Tf=210.2367Pf0.21-30

(14)

其中，Pf為蒸汽壓力。

沿程干度方程(定義式)：

(15)

這種處理方法有兩大優(yōu)點(diǎn)：使沿程干度計(jì)算更準(zhǔn)確；加快了整個(gè)模型的求解速度。

8 結(jié) 論

綜上所述，已有的計(jì)算模型是把Ramey模型作為框架基礎(chǔ)，經(jīng)Setter、Farouq、王彌康等的創(chuàng)新和發(fā)展，逐步建立漸近完善的模型。為蒸汽吞吐注汽過(guò)程中井筒熱損失計(jì)算提供了理論依據(jù)，減少了注汽過(guò)程熱損失和采油的成本，提高了稠油熱采效率和經(jīng)濟(jì)效益，為石油領(lǐng)域做出了巨大貢獻(xiàn)。

[1] 王志國(guó), 馬一太, 李東明, 等. 注汽過(guò)程井筒傳熱及熱損失計(jì)算方法研究[J]. 特種油氣藏, 2003, 10(5): 38-41.

[2] 魯港, 李新強(qiáng), 楊兆臣, 等. 井筒熱損失計(jì)算的改進(jìn)算法[J]. 特種油氣藏, 2006, 13(3): 99-101.

[3]RameyHJ.WellboreHeatTransmission[J].JPT, 1962, 14(4): 427-435.

[4]HasanAR,KabirCS.AspectsofWellboreHeatTransferDuringTwo-PhaseFlow[J].SPE, 1994, 22948.

[5]EickmeierJR,ErsoyD,RameyHJJr.WellboreTemperaturesandHeatLossesDuringProductionorInjection[J].Cdn.Pet.Tech, 1970, 9(2): 115.

[6]SetterA.HeatlossesDuringFlowofSteamDownaWellbore[J].JPT, 1965, 17(7): 845-851.

[7]FarouqAli,SM.AComprehensiveWellboreSteam/WaterFlowModelforSteamInjectionandGeothermalApplications[J].SPEJ, 1981: 527.

[8] 王彌康. 隔熱油管注蒸汽井井筒總傳熱系數(shù)的確定[J]. 石油鉆采工藝, 1985, 8(6): 75-85.

[9] 顧浩, 程林松, 黃世軍. 注蒸汽井筒沿程熱物性參數(shù)及熱損失新算法[J]. 計(jì)算物理, 2014(4): 449-454.

[10] 王豐. 稠油井筒注汽過(guò)程熱損計(jì)算[D]. 黑龍江：大慶石油學(xué)院, 2008.

An Overview of Main Models of Mellbore Radial Heat Loss in Steam Injection Process

LI Zhiwei

(SchoolofPetroleumEngineering,YangtzeUniversity,Wuhan,Hubei430100,China)

This is the general use of thermal recovery of heavy oil thermal recovery, which is the most commonly used steam stimulation, as is used in the steam injection heating oil. In order to effectively reduce the radial heat loss in steam injection process, we have improved the efficiency of thermal recovery of heavy oil, the theory analysis and research of. Based on the theories, more theoretical models have been established to provide for actual production.

Thermal recovery of heavy oil; Steam injection well; Thermal recovery efficiency; Radial heat loss

2016-10-06

李志威(1991-)，男，安徽潁上人，在讀碩士研究生，研究方向：城市油氣輸配技術(shù)及稠油熱采，手機(jī)：15827495568，E-mail：1915470652@qq.com.

TE345

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.05.041