注蒸汽开发稠油油藏中的井筒热损失分析

・４４　・　钻　采　工　艺　２００６年７月　Ｊｕｌｙ　２００６　ＤＲＩＬＬＩＮＧ＆ＰＲ０ＤＵＣＴ１０Ｎ　ＴＥＣＨＮ０Ｕ　Ｙ　注蒸汽开发稠油油藏中的井筒热损失分析　曾玉强　，李晓平　，陈　礼２，鲁小会３，王　琴　（１西南石油大学２辽河油田分公司欢喜岭采油厂工艺研究所　３新疆油田分公司重油开发公司）　曾玉强等．注蒸汽开发稠油油藏中的井筒热损失分析．钻采工艺，２００６，２９（４）：４４—４６　摘要：注蒸汽开发稠油油藏过程中，为了预测沿井深和随时间变化的蒸汽温度分布、干度分布和蒸汽压力　分布、套管和地层温度分布，以及焖井、开井生产过程中温度、压力的变化，首先必须建立注入过程中的井筒一地层　温度分布模型。而这一模型建立的基础是井筒热损失的计算分析。文中应用热传递基本理论，通过井筒内能量守　恒定理建立起注蒸汽井井筒热损失计算预测模型，重点分析了井筒总传热系数Ｕ　和注汽速度对井筒热损失和井　底蒸汽干度的影响，对注蒸汽开发稠油油藏有一定的指导作用。　关键词：稠油油藏；注蒸汽；井筒；热损失；温度　中图分类号：ＴＥ　３４５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—７６８Ｘ（２００６）０４—００４４—０３　稠油热采时，井筒热损失分析是一项很重要的　内容。分析和预测蒸汽温度分布、干度分布和蒸汽　压力分布，都以此为基础。蒸汽注入阶段中，湿蒸汽　沿井筒向下流动为气液两相流，在建立注入过程中　的温度分布模型中，有以下的基本假设条件：（１）湿　１．１求Ｒａｍｅｙ时间函数…　厂（￡）＝ｌｎ（２　．一０．２９　（１）　研究证实［　，当ｔ　＞１１　ｄ时ｆ（ｔ）精度很高，当　注汽仅一天时误差大约为１１％。　１．２水泥环外壁温度　＝Ｔ疗＋０．５ｇｆＨ；　蒸汽沿油管向下稳定流动，不对外做功；（２）油管、隔　热管和套管同心；（３）使用耐热封隔器，蒸汽不窜入　油套环空；（４）不考虑接箍、扶正器等的影响；（５）初　始地层温度按地温梯度分布；（６）井筒为一维径向稳　定传热，地层为一维稳定传热。　一Ｔｈ：　』　一　枣　、　厂（　）＋　Ａｅ　（＼　２）／　、方法研究　的计算　１．３套管温度　１．井筒总传热系数　当忽略强迫对流热阻、油管及套管壁热阻时，套　管温度计算公式为：　ｒ　．。Ｉｎ　在热流体注入过程中，井筒的径向热损失量，即　由井筒径向流向井筒周围地层的热流量。热损失计　算方法是先确定具体井筒结构条件下的总传热系数　Ｕ，ｏ，在计算环空液体或气体的热对流、热传导以及　辐射都存在的条件下的环空传热系数是很困难的，　Ｔｃ　＝Ｔｈ＋—　１．４辐射传热系数　（　—　）　（３）　ｈ，＝　ｄ［　（是）　＋　（是）　）］×［　（是）＋　（ｋ）］　（４）　是油管外壁表面向套管内壁表面辐射散热　因为它与油管外表面性质、液体的物理性质、油管外　壁与套管内壁之间的温度和距离、套管内壁表面性　质等因素都有关系。根据传热学原理，结合具体注　汽井身结构和注汽参数，计算　的详细步骤如下：　的有效系数，它代表了吸收辐射的能力，对于井筒传　热条件，其计算如下：　收稿日期：２００５—１２—０２；修回日期：２００６—０６—１２　基金项目：该项目受油气藏地质及开发工程国家重点实验室基金项目（ＰＬＮ０１４１）资助。　作者简介：曾玉强（１９７９一），在读博士研究生，油气田开发。地址：（６１０５００）四川成都新都区西南石油大学研究生院博士２００４级，电话　０２８—８３０３２４６．８３０３０４０４，Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｅｎｇ３４０７＠１６３．ｔｏｎｉ　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２９卷第４期　Ｖ０１．２９　Ｎｏ．４　ＤＲＩＬＬＩＮＧ＆ＰＲ０ＤＵＣＴ１０Ｎ　ＴＥＣＨＮＯＵ　Ｙ　钻　采　工　艺　・４５・　｝１：　１＋　（　￡ｔｏ　ｒｃｉ一ｆｃｉ　￡ｃｉ　１）　（５）　一Ｔｆ；）Ｈ一　］　（１２）　１．５　自然对流传热系数　ｈ，＝—　Ｌ　ｒｔ０Ｉｎ　Ｆｃ　／　ｒｏ（６）　文献［　］、［　］中采用的近似计算方法，经笔者验　证认为不可取仅可做很粗略的估计。　２．２井筒热损失率　１０　０Ｑ式中：　，一自然对流传热系数，ｗ／（ｍ２．Ｋ）；　一环空液体的等效导热系数，即在环空平均　７　７：　２．３井底干度　＝　＿ｈｚ　（１３）¨　　温度和压力下，包括自然对流影响的环空液体的综　合导热系数，ｗ／（ｍ・Ｋ）；在自然对流很小时，　舡＝　蛔，　是环空液体或气体的导热系数。　根据Ｄｒｏｐｋｉｎ等人试验数据处理，在井筒条件　下有：　Ａｈ￣ｃ、：０．０４９（Ｇ　）。　Ｐｒ。。　（７）　其中，格拉绍夫（Ｇｒａｓｈｏｆ）数Ｇ　和普朗特　（Ｐｒａｎｄｔ１）Ｐｒ数分别为：　Ｇ，：　唾　：　（８）　ＭＰｒ：—＿ａｒｉ—ａｎ　（９）　对于环空中为常压空气时，　＝（　＋Ｔｒ　）／２，　＝１／Ｌ　（志）。　１．６　总传热系数的计算　（１）当井筒中仅有光油管，下端有封隔器，油套　环空为液体或气体时，由于油管内热水及蒸汽的强　迫对流传热系数（也称水膜传热系数），高达２　７９１～　１１　１６５　ｗ／（ｍ２．Ｋ），而钢材的导热系数高达４３～　４６．５　ｗ／（ｍ・Ｋ），所以热阻可以忽略。此时总传热　系数用式（１０）求解：　Ｉｎ　［　＋　（１０）　（２）当井筒中油管柱是双层隔热管，下端有封隔　器，环空是液体或气体时，同样根据（１）中的条件，总　传热系数简化为用式（１）求解：　［　＋　＋　］　（１１）…）　式（１１）右边第一项是隔热管的热阻，对总传热　系数的影响最大，ｈ，和ｈ　是有隔热管时的系数。　２．井底蒸汽参数的确定　有了前面的计算结果后，利用能量守恒原理，就　可以计算和预测井１２Ｉ至井底的热损失、蒸汽温度和　蒸汽干度等参数的分布。　２．１井筒热损失速度　先求出井底蒸汽干度是否大于０，其判别式为：　Ｑ＾，＜Ｍｓ‘Ｘ　ｒｆ　Ｌ　（１４）　如果式（１４）成立，则平均的井底蒸汽干度可以　表示为：　：ｘ　一　（１５）　２．４井底蒸汽温度　Ａ：　“　２Ｕ　（１６），ｒ　ｆ　Ｐ　Ｔ（Ｈ，ｔ）＝ｇｉｌｌ＋Ｔ　一ｇｆＡ＋（Ｔｓ＋ｇｉＡ—Ｔ　）　（一Ｈ／Ａ　（１７）　二、井筒热损失分析　笔者查阅了大量文献，但均未找到既公布注蒸　汽井现场测试数据，又附带井身结构数据和注汽参　数的资料，只在文献【５］中提及到可供计算的Ｂｌｅａｋ—　ｌｅｙ提供的６１～ＯＭａｒｔｈａ　Ｂｉｇｐｏｎｄ　Ｗｅｌｌ数据，但无法　得到注汽７１　ｈ的温度剖面数据和１１７　ｈ的压力剖面　数据，因而无法进行不同井深温度的曲线对比，唯一　确定的是该井注汽７１　ｈ后在井底４８７　ｍ处测得的　蒸汽温度为１８２．２２℃，而文献【５　Ｊ中冯少波计算的数　据是１８７．０９℃。用本文的模型通过６次迭代得到　该井的总传热系数为７．３８３　ｗ／（ｍｚ．Ｋ）（其误差小　于万分之一），热损失为２１．０４７％，井底干度为６１．　２３％，井底蒸汽温度为１８０．３４℃，与实测值十分接　近，误差仅为１．０３％，这一精度满足工程要求。　１．总传热系数的影响　基于文献Ｌ５Ｊ中的数据，不同总传热系数下，井　筒热损失和井底干度在不同井深条件下的变化情况　见表１。　不难看出，Ｕ　值越高，井筒热损失越大，蒸汽干　度越小；随着井深增加，井筒热损失也增加，井底蒸　汽干度越小。　２．注汽速度的影响　利用上面的数据，改变注汽速度，计算出不同井　深条件下的井筒热损失与注汽速度之间的关系如表　维普资讯 http://www.cqvip.com

・４６・　钻　采　工　艺　２００６年７月　］ｕｔｙ　２００６　ＤＲＩＬＬＩＮＧ＆ＰＲ０ＤＵＣＴ１０Ｎ　ＴＥＣＨＮ０Ｕ　ＧＹ　２所示。　表１　总传热系数　对井筒热损失和井底干度的影响　井简热损失　：％）　井底蒸汽干度（％）　（Ｗ　・Ｋ）　３８７　ｉｎ　４８７　ｉｎ　５８７　ｉｎ　３８７　ｉｎ　４８７　ｉｎ　５８７　ｉｎ　３．３８６　８．０４　９．９９　ｌ１．８９　７２．８３　７１．０９　６９．４　５．３８６　１１．８４　１４．７１　１７．４９　６９．４４　６６．８８　６４．４　７．３８６　１５．１２　１８．７７　２２．３２　６６．５１　６３．２５　６０．０９　９．３８６　１７．９７　２２．３１　２６．５２　６３．９３　６０．１　５６．３４　１１．３８６　２０．４８　２５．４２　３０．２２　６１．７３　５７．３３　５３．０５　１３．３８６　２２．７０　２８．１７　３３．４９　５９．７５　５４．８７　５０．１３　表２注汽速度对井简热损失和井底干度的影响　注汽速度　井简热损失（％）　井底蒸汽干度（％）　（ｔ／ｈ）　３８７　ｉｎ　４８７　ｉｎ　５８７　ｉｎ　３８７　ｉｎ　４８７　ｉｎ　５８７　ｉｎ　１．２　２７．７２３　３４．４１８　４０．９２ｌ　５５．２７　４９．３　４３．５　２．２　１５．１２１　１８．７７３　２２．３２　６６．５１　６３．２５　６０．０９　３．２　１０．３９６　１２．９０６　１５．３４５　７０．７３　６８．４９　６６．３ｌ　４．２　７．９２　９．８３３　１１．６９１　７２．９４　７１．２３　６９．５７　５．２　６．３９７　７．９４２　９．４４３　７４．２９　７２．９２　７１．５８　６．２　５．３６５　６．６６１　７．９２　７５．２１　７４．０６　７２．９４　表２可以得出，注汽速度较小时井筒热损失很　大；随着注汽速度的增加，热损失减小的趋势变缓，　当注汽速度大于４　ｔ／ｈ后热损失趋于恒定。其它条　件相同时，注汽速度越高，蒸汽干度越大，当注汽速　度大于４　ｔ／ｈ后井底干度对注汽速度的增加就不是　很敏感了；随着井深增加，同一注汽条件下井底蒸汽　干度越小。　三、结论与建议　（１）利用本文的模型可以计算和预测沿井筒温　度分布，实例计算和分析表明该方法有较好的精度，　满足工程要求。　（２）　值越高，井筒热损失越大，蒸汽干度越　小；随着井深增加，井筒热损失也增加，井底蒸汽干　度越小。　（３）注汽速度较小时井筒热损失很大；随着注汽　速度的增加，热损失减小的趋势变缓，当注汽速度大　于某一值后（本文是４　ｔ／ｈ）热损失趋于恒定。　（４）注汽速度越高，蒸汽干度越大，当注汽速度　大于某一值后（本文是４　ｔ／ｈ）后井底干度对注汽速　度的增加就不是很敏感了；随着井深增加，同一注汽　条件下井底蒸汽干度越小。　（５）使用高质量的隔热管，提高蒸汽干度以及优　化注汽速度，对注蒸汽开发稠油油藏有重要的现实　意义。　符号说明　厂（ｔ）一随时间变化的导热传热函数；ａ一地层平均散热　速度，ｍ２／ｄ；ｔｉ一注汽时间，ｄ；ｒ　一井眼半径（也是水泥环半　径），ｍ；　一水泥环外壁温度，℃；Ｔ　一蒸汽温度，℃；　一油　层导热系数，ｗ／（ＩＴＩ・Ｋ）；ｒｔｏ一油管外半径，ｍ；　一井筒总　传热系数，ｗ／（ｎ１２・Ｋ）；　一未受热地层的平均温度，℃；　Ｔ　—地表正常温度，℃；ｇ厂地温梯度，℃／１００　ｍ；Ｈ一井　深，ｍ；　一套管壁温度，℃；　一套管外径，ｍ；Ｔ　一油管外　壁温度，℃，注意，Ｔ，ｏ≈Ｔｔ　≈　（，ｆｆ　是油管内壁温度）；　一　水泥导热系数，ｗ／（ｉｎ・Ｋ）；ｈｒ一辐射传热系数，ｗ／　（ｍ２・Ｋ）；　一Ｓｔｅｆａｎ—Ｂｏｌｚｍａｎｎ常数，５．６７３×１０　ｗ／（ｒｎ２・　Ｋ４）；　（走）、　（走）一Ｔ，ｏ和　的绝对温度，＋２７３．１５；ｅ　一　油管外壁的辐射系数（黑度），无因次；　一套管内壁的辐射　Ｉ］二Ｊ系数（黑度），无因次；ｒｃｉ一套管内半径，ｍ；ｇ一重力加速度，　ｍ／ｈ２；　一环空液体或空气在平均温度　及压力Ｐ下的　密度，　／ｍｊ；　一环空液体或空气在平均温度　及压力　Ｐ下的粘度，ｍＰａ・ｓ；　一环空液体或气体在平均温度下的体　积膨胀系数；舰　一环空液体或气体在平均温度下的热容　量，ｋＪ／（１（ｇ・Ｋ）；　一式（１３）中，蒸汽注入井筒过程中的热量　总损失，ｋＪ；Ｄ一产层深度，ｍ；　一地层导热系数，ｋＪ／（ｉｎ・　ｄ・℃）；口一地层导温系数，ｍ２／ｄ；ｒｒ一套管半径，ｍ；　、Ｔｉ一　蒸汽和原始地层温度，℃；　井筒热损失率，％；　一注入　的蒸汽质量流速，ｋｇ／ｈ；Ｘ　一井口蒸汽干度；Ｌ　一井口蒸汽　的汽化潜热，ｋＪ／ｋｇ；　一井口注入温度下水的热焓，ｋＪ／ｋｇ；　一井底蒸汽干度，％；ｘ　一井口蒸汽干度，％；Ｃ厂注入　流体比热，ｋＪ／（　・Ｋ）。　参考文献　Ｐａｕｌ　Ｗｉｌｌｈｉｔｅ　Ｇ．Ｏｖｅｒ—ａｌｌ　Ｈｅａｔ　Ｔｒａｎｓ￣ｒ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ　ｉｎ　Ｓｔｅａｍ　Ａｎｄ　Ｈｏｔ　Ｗａｔｅｒ　Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　Ｗｅｌｌ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍａｙ．１９６７：６０７—６１５．　张锐．稠油热采技术［Ｍ］．北京：石油工业出版社，　１９９９．　Ｊｅｆｆ　Ｊｏｎｅｓ．Ｃｙｃｌｉｃ　Ｓｔｅａｍ　Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　Ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　Ｖｉｓｃｏｕｓ　Ｏｉｌ，　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｄｅｐｌｅｔｅｄ，Ｇｒａｖｉｔｙ　Ｄｒａｉｎａｇｅ　Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ［Ｊ］．ＳＰＥ　６５４４，１９７７．　Ｂｏｂｅｒｇ　Ｔ　Ｃ　ａｎｄ　Ｌａｎｔｚｓ　Ｒ　Ｂ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃ—　ｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ａ　ｔｈｅｒｍａｌｌｙ　ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ　ｗｅｌｌ［Ｊ］．Ｊ．Ｐｅｔ．Ｔｅｃｈ．　１９６６：１６１３—１６２３．　冯少波．注蒸汽井温度场分布和套管热应力分析（硕士　学位论文）［Ｄ］．西南石油学院，２００２．　Ｇｒｏｓ　Ｒ　Ｐ，ｅｔ　ａ１．Ｓｔｅａｍ　Ｓｏａｋ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　Ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．　ＳＰＥ１４２４０．１９８５．　（编辑：黄晓川）　　Ｊ］Ｊ