海上稠油热采井井筒温度场模型研究及应用Word文件下载.docx
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网络出版地址:
李伟超,齐桃,管虹翔,等.海上稠油热采井井筒温度场模型研究及应用[J].西南石油大学学报:
自然科学版,2012,34（3:
105–110.LiWeichao,QiTao,GuanHongxiang,etal.ResearchandApplicationofWellboreTemperatureFieldModelsforThermalRecoveryWellinOffshoreHeavyOilfield[J].JournalofSouthwestPetroleumUniversity:
Science&
TechnologyEdition,2012,34（3:
105–110.
引言
在海上油田稠油开采过程中,由于受到环境条件、作业空间、操作成本等因素的影响,陆地油田常规热采开发方式和工艺技术[13]的应用受到很大限制,其开采难度远远高于陆上稠油油田。
目前,渤海海域已发现了丰富的稠油储量,如何低成本并高效地开发这些资源是海上稠油油田面临的难题和挑战[46]。
为了实现海上稠油油田的高效开发,并探索适用于海上稠油油田的热采工艺技术,在渤海湾M油田开展了海上稠油多元热流体吞吐采油的矿场试验并取得了成功[7,8]。
海上稠油多元热流体吞吐采油技术是将高温高压的水蒸汽、热水、二氧化碳、氮气等热流体注入地层,通过加热降黏及注气提高采收率等机理实现稠油井高效开发的一种新型热采方法[9]。
本文以M油田热采实验井为例,对海上稠油油田多元热流体吞吐工艺参数设计方法进行研究,以期得出一些有益的结论,为海上稠油油田热力采油工艺方案设计起到指导性作用。
1多元热流体注入井井筒温度计算模型
1.1井筒传热过程分析
海上稠油热流体吞吐井传热过程见图1[10],注热流体时,热量通过以下几个环节完成传递[11,12]:
（1高温热流体→隔热油管壁→（真空或惰性气体;
（2真空（或惰性气体→隔热油管外管壁→油套管环空氮气;
（3油套管环空氮气→套管壁→水泥环;
（4水泥环→地层等。
*收稿日期:
2012–02–16网络出版时间:
2012–05–17基金项目:
国家“十二五”重大专项（2011ZX05024–005–001。
106西南石油大学学报（自然科学版2012年
图1海上稠油热流体吞吐井传热过程
Fig.1Heattransferprocessofthermalfluidhuffandpuffwellinoffshore
1.2热流体注入井井筒温度分布模型研究
1.2.1假设条件
计算过程采用以下基本假设:
（1将注入的多元热流体看作稳定的成分,忽略N2、CO2在水中的溶解;
（2从井筒内的热流体到水泥环外缘间的热传递过程是稳态的,从水泥层到地层深处的导热过程是非稳态的;
（3隔热油管密封良好,不考虑接箍对环形空间尺寸的影响。
1.2.2井筒中传热模型建立
以井筒中长度为dl（图2的部分为研究对象,
建立传热模型。
图2热流体吞吐井井筒结构图
Fig.2Wellboreconfigurationofthermalfluidhuffandpuffwell
（1油管中心到水泥环外缘的稳态传热
油管中心到水泥环外缘的传热可以认为是稳态传热过程,假设在单位时间内,dl井筒长度上传递的热量为dQ,由稳态传热公式得[13]
dQ=2πrtoUto（Tf−Thdl（1式中
rto—油管外径,m;
Tf—井筒热流体温度,℃;
Th—水泥环外缘温度,℃;
Uto—油管外表面至水泥环外缘的总传热系数,W/（m2·
℃。
（2水泥环外缘到地层的非稳态传热
由于水泥环外缘至地层进行的是非稳态热传导,热量随时间变化,根据Ramey的近似公式有[14]
dQ=
2πλe（Th−Tr
f（t
dl（2Tr=Ti+gT·
l（3式中,λe—地层导热系数,W/（m·
℃;
Tr—井底原始地层温度,℃;
Ti—地表温度,℃;
f（t—无因次地层导热时间函数,可按ChiuK等人提出的方法计算[15];
gT—地温梯度,℃/m;
l—井深,m。
由于油管中心至水泥环外缘传递的热量与水泥环外缘至地层传递的热量相等,因此可得水泥环外缘温度Th及套管内表面温度Tci为
Th=
λeTr+TfrtoUtof（t
rtoUtof（t+λe
（4
第3期李伟超,等:
海上稠油热采井井筒温度场模型研究及应用107
Tci=Th+
rtoUtoln
rh
rco（Tf−ThKcem
（5
式中,rh—井轴到水泥环外缘的距离,
m;
rto—油管外径,m;
rco—套管外径,m;
Kcem—套管内氮气的辐射传热系数,可按文献[16]的方法计算。
2总传热系数Uto的计算
根据图2的模型,通过详细的推导,可以得到热流体吞吐井的总传热系数计算公式
Uto=[rto
orti+rtoGlnrtorti+1（hrc
+rtocaslnrcorci+rtocemlnrhrco
]−1（6
式中,λo—热流体与隔热油管内管内壁的传
热系数,W/（m2·
λG—隔热油管导热系数,W/（m·
hr—环空中充满氮气时,环空内的辐射传热系数,其值可由文献[11]介绍的方法求得;
hc—环空中充满氮气时,环空内的对流传热系数,其值可由文献[11]介绍的方法求得;
λcas—套管导热系数,W/（m·
λcem—水泥环的导热系数,W/（m·
以海上热流体吞吐井M1井为例,分别用本文建立的模型及三种常用的采油工程软件对该井的总传热系数进行了计算,计算所需参数见表1及表2,计算结果见表3。
表1
M1井套管程序及管材
Tab.1
CasingprogramofWellM1钻头尺寸×
井深
套管尺寸×
套管下深套管规范已锤入20”导管×
45m“入泥”X5217-1/2”×
202.00m13-3/8”×
200.00mK55,68#,ER12-1/4”×
1503.00m
9-5/8”×
1498.00m
TP100H,47#,BUTT
表2
总传热系数计算所需热物性参数
Tab.2
Thermophysicalparametersforoverallheat
transfercoefficient
参数名称
数值地层导热系数/（W/（m·
℃2.10环空氮气导热系数/（W/（m·
℃0.04隔水管导热系数/（W/（m·
℃50.00水泥导热系数/（W/（m·
℃0.90隔热油管导热系数/（W/（m·
℃0.02套管导热系数/（W/（m·
℃
50.00
表3不同方法计算得到的M1井总传热系数
Tab.3
OverallheattransfercoefficientofWellM1
calculationbydifferentmethod方法Uto/（W/（m2·
本文模型0.88PIPESIM1.01WELLFLOW
0.68NEOTEC-WELLFLO
0.91
3实际算例
以渤海M油田热采实验井M1井为例,采用本文建立的井筒传热模型计算了该井注热时的井筒温度分布情况,并将计算结果与采用PIPSIM软件计
算的结果进行了比较（见图3。
M1井实际测得的井底温度为127℃左右,从计算结果可以看出,与传统软件相比,应用本文方法计算得到的温度与实测点温度更为接近,更符合现场生产实际。
126.5
127.5
128.5
129.5
130.5
200
400
600800
1000
1200
/m
/℃
图3
M1井注热阶段温度剖面计算结果
Fig.3
Temperatureproresultforheatinjection
phaseofWellM1
4热流体吞吐井井筒温度场影响因素研究
以M1井为例,应用本文建立的多元热流体吞吐井井筒温度计算模型对影响井筒温度场分布的主要因素进行了研究。
4.1隔热油管导热系数的影响
隔热油管导热系数对井筒温度场的影响如图4所示。
从图4可以看出,油管的导热系数越大,对应的热采井的井底温度越低。
隔热油管的导热系数从0.01增加到0.05,对应的井底温度下降了4℃左右,因此,在选择隔热油管时,应充分考虑隔热油管
108西南石油大学学报（自然科学版
2012年
导热系数与井筒温度分布之间的关系[17,18]
使隔热
油管的选型既经济又能满足注热的要求。
125.0
128.0
131.0
260
520
780
1040
1300
图4
隔热油管导热系数对井筒温度场的影响
Fig.4
Influenceofinsulatedtubingheatconductioncoefficient
ontemperatureproWellM1
4.2隔热油管下入深度的影响
图5是隔热油管下如深度对井筒温度场的影响曲线。
从图5可以看出,隔热油管下入深度越深,得到的井底温度越高,但同时需要指出的是:
由于受到设备能力的限制,海上热流体吞吐井的井口注入温度一般较低,因此,与蒸汽吞吐相比,热损失相对要小。
以图5为例,隔热油管下入深度从1185m减小到585m,井底的温度只降低了3∼4℃,因此对于海上热流体吞吐井,在保证井底温度的情况下应当对隔热油管下入深度进行优化,尽量降低开发成本。
124.5
126.0
129.0
图5
隔热油管下如深度对井筒温度场的影响
Fig.5
Influenceofinsulatedtubingsettingdepthontemperature
proWellM1
4.3热流体组成的影响
热流体组成对井筒温度场也有影响（图6,从图6可以看出,当热流体中水的摩尔分数从0.9变化到0.3,对应的井底温度几乎没有变化,只是在中间井段部分,温度场曲线的下降幅度略有不同。
128.0128.5
129.0129.5
130.0130.50
261300
图6
热流体组成对井筒温度场的影响
Fig.6
Influenceofmultiplethermalfluidcompositionson
temperatureproWellM1
5结论
（1对稠油井注热流体过程各传热环节进行了研究,建立了注热流体井筒温度场及综合传热系数计算模型,为稠油井多元热流体吞吐工艺参数设计及优化打下了基础。
（2对影响热流体吞吐井开采效果的主要工艺参数进行了研究,通过研究可知,隔热油管的导热系数越大,对应的热采井井底温度越低;
隔热油管下入深度越深,得到的井底温度越高;
热流体中水组分的含量对井底温度的影响不大。
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