海上熱采井氮?dú)飧魺嶙⒌獏?shù)的優(yōu)化

張 磊, 楊 陽(yáng), 于繼飛, 林珊珊, 顧啟林, 仝春玥

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司, 北京 100028; 2.中海油田服務(wù)股份有限公司, 天津 300459)

0 引 言

渤海稠油油田地質(zhì)儲(chǔ)量非常豐富,開(kāi)發(fā)方式以常規(guī)開(kāi)發(fā)為主,對(duì)于普通稠油Ⅰ-2類(lèi)黏度高于350 mPa·s的稠油、特稠油和超稠油動(dòng)用率低,開(kāi)發(fā)效果差[1-2]。自2008年以來(lái),先后在南堡35-2、旅大27-2、旅大21-2和旅大5-2N油田開(kāi)展了蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)等稠油熱采先導(dǎo)試驗(yàn)和規(guī)?；_(kāi)采[3-6],近年來(lái),稠油油田熱采開(kāi)發(fā)初上規(guī)模,主要以蒸汽吞吐開(kāi)發(fā)方式為主。稠油熱采井在注汽過(guò)程中熱損失很大,為了減小蒸汽在井筒中的熱損失,保證注入井底的熱流體的熱焓,井筒需要采取隔熱措施,陸上最常用的隔熱措施為隔熱油管+封隔器[7-8],海上油田一般采用隔熱油管+環(huán)空注氮的隔熱措施[9-14],這種方式是蒸汽和氮?dú)夥謩e通過(guò)油管和油套環(huán)空注入井筒中,蒸汽和氮?dú)庠诰掠凸艹隹谔幓旌虾笞⑷氲貙印－h(huán)空注氮的隔熱方式可以降低蒸汽在井筒中的熱損失,進(jìn)一步提高蒸汽達(dá)到井底的干度,有效加熱地層,同時(shí)也可以在井下抑制油管中注入的蒸汽通過(guò)油套環(huán)空上返加熱套管,有效的保護(hù)套管,延長(zhǎng)套管的使用壽命。

目前,海上稠油熱采油田對(duì)于環(huán)空隔熱注氮參數(shù)設(shè)計(jì)多以現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)為主,缺乏必要的理論支撐與數(shù)據(jù)支持,沒(méi)有形成規(guī)律認(rèn)識(shí),因此,急需對(duì)環(huán)空注氮隔熱參數(shù)進(jìn)行研究,指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。筆者建立了環(huán)空注氮井筒傳熱系數(shù)計(jì)算模型,通過(guò)軟件分析不同注氮參數(shù)對(duì)井底蒸汽干度、套管溫度、進(jìn)入地層熱量的影響,優(yōu)化環(huán)空注氮參數(shù),為海上稠油熱采井現(xiàn)場(chǎng)注氮參數(shù)的設(shè)計(jì)提供依據(jù),從而經(jīng)濟(jì)高效的開(kāi)發(fā)稠油油田。

1 環(huán)空注氮井筒傳熱系數(shù)計(jì)算模型

環(huán)空注氮時(shí),井筒傳熱過(guò)程包含了隔熱油管導(dǎo)熱和強(qiáng)制對(duì)流換熱、油套環(huán)空注氮的輻射傳熱和自然對(duì)流傳熱、套管和水泥環(huán)的導(dǎo)熱以及地層的傳熱等方面。環(huán)空注氮井筒剖面如圖1所示。

圖1 環(huán)空注氮井筒剖面Fig.1 Annular nitrogen injection wellbore profile

假設(shè)條件如下:

(1)注入過(guò)程中,注汽速度、注汽干度、注汽壓力保持不變。

(2)地層熱傳熱系數(shù)、地溫梯度、地層導(dǎo)熱系數(shù)不變。

(3)蒸汽到水泥環(huán)的傳熱為一維穩(wěn)態(tài)傳熱,地層傳熱為一維非穩(wěn)態(tài)傳熱。

(4)井筒傳熱只考慮徑向傳熱,不考慮軸向傳熱。

環(huán)空注氮時(shí)隔熱油管至地層的傳熱系數(shù)K1[15]表示為

(1)

式中:hi——蒸汽與內(nèi)油管內(nèi)壁的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù),W·m-2·K-1;

dti——隔熱油管內(nèi)管內(nèi)徑,m;

dto——隔熱油管內(nèi)管外徑,m;

ddo——隔熱油管外徑,m;

λp——油管導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

λins——隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

ddi——隔熱油管外管內(nèi)徑,m;

ddo——隔熱油管外管外徑,m;

dci——套管內(nèi)徑,m;

dco——隔熱油管套管外徑,m;

dh——水泥環(huán)外徑,m;

λce——水泥環(huán)導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

Re——環(huán)空熱阻,m·K/W;

Rf——地層熱阻,m·K/W。

環(huán)空注氮時(shí)環(huán)空的傳熱熱阻考慮輻射傳熱和對(duì)流傳熱熱阻的并聯(lián)。

(2)

式中:Re——環(huán)空熱阻,m·K/W;

Rc——環(huán)空氮?dú)鈱?duì)流傳熱熱阻,m·K/W;

Rr——氮?dú)廨椛鋫鳠釤嶙?m·K/W。

地層傳熱熱阻Rf為

(3)

式中:λe——地層導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

f(t)——地層導(dǎo)熱的時(shí)間函數(shù)。

依據(jù)文獻(xiàn)[16],地層導(dǎo)熱的時(shí)間函數(shù)f(t)為

(4)

(5)

式中:τD——無(wú)量綱時(shí)間;

a——地層的導(dǎo)溫系數(shù),m2/s;

τ——注汽時(shí)間,s;

rh——水泥環(huán)外半徑,m。

2 注氮參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

2.1 注氮排量

根據(jù)海上X油田蒸汽吞吐井實(shí)際參數(shù),確定了注氮排量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算條件,如表1所示,其中,PG為注汽壓力,γ為注汽干度,θG為注汽溫度,v為注汽速度,pN2為環(huán)空注氮壓力,θN2為環(huán)空注氮溫度,V為注氮排量。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際注氮排量300 m3/h左右的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展,采用自主研發(fā)的井筒熱力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件,分別對(duì)注氮排量為100、200、300、400、500、1000 m3/h這6個(gè)符合工程實(shí)際的排量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),形成規(guī)律認(rèn)識(shí),確定最優(yōu)注氮排量范圍。

表1 注氮排量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算條件

在不同注氮排量下,對(duì)井筒熱損失、井筒沿程干度、套管沿程溫度、井底蒸汽和氮?dú)鉄崃靠偤?、井底蒸汽干度和套管溫度進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 不同注氮排量下井筒及套管沿程參數(shù)Fig.2 Wellbore and casing parameters along wellbore under different nitrogen injection rates

由圖2～3可知,注氮排量的增加會(huì)明顯影響油套環(huán)空中氮?dú)饬鲬B(tài)的變化。隨著注氮排量增加,氮?dú)饬魉偬岣?雷諾數(shù)增大,流態(tài)由層流逐漸向過(guò)渡流發(fā)展并最終形成紊流流動(dòng)。此時(shí)輻射換熱量總體變化不大,對(duì)流換熱系數(shù)增加使對(duì)流換熱量增加,導(dǎo)致井筒沿程熱損失增加,蒸汽干度降低。同時(shí)由于氮?dú)獯祾咦饔?套管溫度降低,井底蒸汽和氮?dú)饪偀崃肯仍黾雍蠼档汀?/p>

與注氮排量100 m3/h相比,注氮排量500 m3/h時(shí)井底蒸汽干度降低1.4%,熱損失增加0.4%,套管溫度降低10 ℃;當(dāng)注氮排量為200～500 m3/h時(shí),進(jìn)入地層的熱量相對(duì)較多。

綜合考慮井底干度、進(jìn)入地層的熱量、套管溫度,建議注氮排量控制在200～500 m3/h之間,在這個(gè)注氮排量區(qū)間內(nèi)進(jìn)入地層熱量較多,蒸汽井底干度維持在一個(gè)較高水平,同時(shí)套管溫度維持在一個(gè)較低水平,對(duì)套管也起到較好的保護(hù)。

2.2 注氮溫度

根據(jù)海上X油田蒸汽吞吐井實(shí)際參數(shù),確保表1中各參數(shù)不變,選取環(huán)空注氮排量為300 m3/h,在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際注氮溫度50 ℃左右的基礎(chǔ)上,采用自主研發(fā)的井筒熱力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件分別對(duì)注氮溫度為5、30、50、70、100、300 ℃這6個(gè)符合工程實(shí)際的注氮溫度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),同時(shí),拓展到氮?dú)鈽O限溫度500 ℃進(jìn)行研究,形成規(guī)律認(rèn)識(shí),確定最優(yōu)注氮溫度范圍。

在不同注氮溫度下,對(duì)井筒熱損失、井筒沿程干度、套管沿程溫度、井底蒸汽和氮?dú)鉄崃靠偤?、井底蒸汽干度和套管溫度進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 不同注氮溫度下井筒及套管沿程參數(shù)Fig.4 Wellbore and casing parameters along wellbore under different nitrogen injection temperatures

圖5 不同注氮溫度下井底熱量、干度和溫度Fig.5 Bottom hole heat, dryness and temperature under different nitrogen injection temperatures

由圖4～5可知,隨著環(huán)空注氮溫度的升高,會(huì)導(dǎo)致氮?dú)鈱?dǎo)熱系數(shù)增大,傳熱熱阻下降,井筒熱損失增加,井底蒸汽干度降低。原因是溫度升高加劇了氣體分子運(yùn)動(dòng),氣體分子間的不間斷碰撞概率增加,引起分子間熱傳遞能力增強(qiáng),宏觀上表現(xiàn)為氮?dú)鈱?dǎo)熱系數(shù)增加。雖然套管溫度升高,但環(huán)空隔熱效果下降不明顯,這是由于氮?dú)獗葻嵝　y帶熱量低,隨著溫度增加導(dǎo)熱系數(shù)增加有限,注氮溫度變化對(duì)井筒熱損失影響甚微。

與注氮注溫度5 ℃相比,注氮注溫度300 ℃時(shí)井底蒸汽干度降低2.8%,熱損失增加0.8%,套管溫度升高9 ℃。注氮溫度在50～100 ℃時(shí),進(jìn)入地層熱量較多。注氮溫度超過(guò)100 ℃后,進(jìn)入地層的熱量變化幅度變小。

綜合考慮井底干度、進(jìn)入地層的熱量、套管溫度,建議注氮溫度在50～100 ℃之間,在該溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)入地層熱量較多,蒸汽井底干度維持在一個(gè)較高水平,同時(shí)套管溫度維持在一個(gè)較低水平,對(duì)套管也起到較好的保護(hù)作用。

2.3 注氮壓力

根據(jù)海上X油田蒸汽吞吐井實(shí)際參數(shù),確保表1中各參數(shù)不變,選取環(huán)空注氮排量為300 m3/h,注氮溫度為50 ℃,在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際注氮壓力17 MPa左右的基礎(chǔ)上,采用自主研發(fā)的井筒熱力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件分別對(duì)注氮壓力5、10、15、20、30 MPa這5個(gè)符合工程實(shí)際的壓力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),形成規(guī)律認(rèn)識(shí),確定最優(yōu)注氮壓力范圍。

在不同注氮壓力下,對(duì)井筒熱損失、井筒沿程干度、套管沿程溫度、井底蒸汽和氮?dú)鉄崃靠偤?、井底蒸汽干度和套管溫度進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 不同注氮壓力下井筒及套管沿程參數(shù)Fig.6 Wellbore and casing parameters along wellbore under different nitrogen injection pressure

圖7 不同注氮壓力下井底熱量、干度和溫度Fig.7 Bottom hole heat, dryness and temperature under different nitrogen injection pressure

由圖6、7可知,在環(huán)空流速一定的條件下,注氮壓力增加會(huì)引起氣體分子間距減小,加劇對(duì)流換熱。隨著環(huán)空注氮壓力的升高,套管管壁溫度和環(huán)空平均溫度升高,輻射換熱和對(duì)流換熱共同作用使環(huán)空等效導(dǎo)熱系數(shù)增大,進(jìn)而導(dǎo)致井筒徑向換熱量增加,熱損失增大,井底蒸汽干度降低,套管溫度升高。

注氮壓力20 MPa與5MPa相比,井底蒸汽干度降低3%,熱損失增大0.8%,套管溫度升高8 ℃,進(jìn)入地層總熱量降低。

綜合考慮不同注氮壓力對(duì)井底干度、進(jìn)入地層的熱量、套管溫度的影響,建議在能注入地層并能抑制蒸汽環(huán)空上返的條件下,盡量降低注氮壓力,以保持較高的井底干度、進(jìn)入地層熱量較多,同時(shí)套管溫度也較低。

3 結(jié) 論

(1)建立了綜合考慮導(dǎo)熱、輻射和對(duì)流傳熱的環(huán)空注氮井筒傳熱系數(shù)計(jì)算模型,確保井筒傳熱系數(shù)計(jì)算準(zhǔn)確,為井筒干度和溫度分析奠定基礎(chǔ)。

(2)不同注氮參數(shù)影響井底蒸汽干度、套管溫度和進(jìn)入地層熱量,注氮排量在200～500 m3/h之間,注氮溫度在50～100 ℃之間,在能注入地層并能抑制蒸汽環(huán)空上返的條件下,盡量降低注氮壓力時(shí),有利于提升井底蒸汽干度,降低套管溫度,增加熱量進(jìn)入地層,起到較好的氮?dú)飧魺嵝Ч?保護(hù)套管和水泥環(huán)。

(3)形成的環(huán)空注氮參數(shù)規(guī)律認(rèn)識(shí),能夠進(jìn)一步降低井筒沿程熱損失,提高注汽質(zhì)量,保障井筒完整性,對(duì)于海上多輪次吞吐提質(zhì)增效具有重要的意義,建議在海上熱采井推廣應(yīng)用。