空心抽油杆蒸汽伴热稠油开采工艺.pdf

空心抽油杆蒸汽伴热稠油开采工艺 第六图书馆 在稠油井蒸汽吞吐生产中后期,利用空心抽油杆掺入中低压蒸汽方法进行井筒加热,能大幅度提高近井口处的产液温度,改善油井工作 条件,从而延长生产周期,建立了描述该工艺井筒温度分布的数学模型,并提出了相应的求解方法。在稠油井蒸汽吞吐生产中后期,利用 空心抽油杆掺入中低压蒸汽方法进行井筒加热,能大幅度提高近井口处的产液温度,改善油井工作条件,从而延长生产周期,建立了描述 该工艺井筒温度分布的数学模型,并提出了相应的求解方法。稠油开采 空心抽油杆 蒸汽吞吐 数学模型石油大学学报自然科 学版梁金国 樊玉新 [1]石油大学机械系 [2]新疆石油管理局1996第六图书馆 第六图书馆 1996 _ 蕾 增 第 2 D卷 刊 石 油大 学学 报 自然科 学 版 J o u r l a l D ，z Un i v e r s i t y 0 ，Pe t r o { e u m，Ch i n a Vo 1 ．2 0 Su p p l J“ ． 96 空心抽油杆蒸汽伴热稠油开采工 艺 ‘ ，目 梁金国 徐明海任瑛王弥康樊垂堑邓 琪 ／ 一，f 一 一 臼 I 石 油大 学 机 械系 ， 山东 东 营2 5 7 0 6 2 新 疆 石 油管 理 局 f 于 一 ＼ ‘提要在稠油井蒸汽吞吐生产中后期，利用空心抽油杆掺人中低压蒸汽方法进行井筒加热，能大幅 度提高近井 口处的产液温度 ，改善油井工作 条件 ．从而延长生产周期．建立了描述该工艺井 筒温 度 分 布的数学模型 ，井提 出了相应的求解方法． 用数值模拟 方法分析 了蒸汽参数对井简 温场及抽 汲工 况 的 影响．结果表明．随伴汽量的增加 ，井简的有效加热深 度也增加 ．有效加热 范围内的产液温 度和 井 口 油温也台明显提高 ．该工艺特别适用于中浅层稠油生产井． 、。 斗一 主 题 词 里 ； 窑 立 虹； 墓 盗 蚕 ； 墼 堂 搓 型TE -J 一 中 国 田 书 资 料 分类 法 分 类 号 T E 3 5 7 7’ r F 2 第一作者简介粱金国．男，1 9 6 3 年生，副教授．1 9 8 7 年毕业手石油天学北京研究生部井获得硕士 学位．现在石油大学 华东从事热力采油 和热能工程 的教学与科研工作 0 引言 为延长新疆克拉玛依油 田注 蒸汽 后的采油期 ，应用了空 心抽 油杆掺入 中低压蒸汽 井筒 加 热技术．所掺入的低压蒸汽从高 压注 汽管钱 中分离 出来井在 联合 站集 中分配 ，采 出的原 油从 井 口送至联合站进行脱水和计量 输出．从联台站输送至井 口的掺入蒸汽采用 热伴 随方式 ，与 集 油管道共 同包在一个保温壳内井埋入地 下 由于蒸 汽在空 心抽 油杆 内凝结 ，可 以使套管保 持在较低的可 以承受的温度 范围内 ，又能较多地提 高井筒 中原油 的温度 ，并保持产 出原油 中 掺入最少的水．实践表 明 ，该工 艺通过改善原油在 井筒的流动性 ，能使蒸汽 吞吐生产周期 延 长一个月．本文根 据井筒能量平衡原理 ，建立 了反映蒸 汽在空心抽油杆 内冷凝及凝结液体进 一 步被冷却从而使加热产出的原 油顺利流 出井筒的能量平衡方程组 ，并建立 了易于求解的简 化 数学模 型． 1 数学模型的建立与求解 空心 抽油杆掺入蒸汽进行 采油 ，其井身结 构如 图 1所示 蒸汽通过地面管线 被送 至井 口 后进入空 心抽 油杆 中，在泵上与油层 中产 出的油气水混合物掺混后 ，在抽油泵的抽汲作用 下 流 向井口．在空心抽油杆上部 ．蒸汽通过凝结换热放 出汽化潜热 ，直至蒸汽 全 部凝 结 成水 ， 其干度 一0 ； 在抽油杆下部 就变成热水的冷却放热．因此井简加热段 可分 为 蒸汽 冷凝 段 和热 水冷却段 ． 在蒸汽玲 凝段 ，假 定蒸 汽在空心杆 中的重力梯度与摩阻损失相抵 消，即蒸汽 在空心杆 内 保持 压力 不变 ．于是 ，蒸汽温度 即为该压力下的饱和温度 z 。 ， 蒸汽冷 凝段的 能量平衡方程组 收稿 日期 1 9 9 4 1 1 2 9 3 6 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 为 f G ， 塑 d l ￡ ， 一 I l 一 等 lI 一 日 一 一 z m ] l ‘L 一 。 式 中 ，G 为 由空 心抽 油杆 中掺 入 的蒸 汽 量 ，k g ／s ； r 为蒸 汽 的 汽 化 潜 热 t J ／k g ； 为井 深 ，m； K ， 和 分别 为 空心 杆 内外流 体 间和 油管 内产 液与地层间的传热 系数 ，w／ m ℃ ； 日 为 油管 内产液温 度 ，℃； 为 产液水当量 ，w／℃ ； ￡ 沩 地表温度 ，℃； m为地温梯度 ，℃／m． 热水冷却段的能量平衡 方程 组为 f 一 ． ． 一 l a 2 1一 d O lI￡一 日 一 8 -- to m 1 ] 式 中 ， 沩 空心抽 油 杆 内热 水的 水 当量 ，w／℃ ； 为空 心 杆 内水 的温 度 ， c． 流体物 性 参 数和 传热 系 数按 常 数考虑 时 ，可 以 丹别 列 出 方 程 组 1 和方程组 2 的通解 0 ≤f ≤ ⋯ ⋯ ≤ ≤ 图 l 空心抽油杆掺燕 3 汽的井筒结构 式 中 ，c ， c ， c ， 和 c ． 均 为积 分常 数 ； ⋯ 为蒸汽 全 部凝 结 成 水时 的位 置 ，m； 2 为 掺 八 深 度 t i t _ c _ ， ％ c ． 和 f 必须按下列定解条件同时确定下来，即 c l ， c 2 ， 0 一 ‰ c 】 ， c 2 ， f ， 0 0 ” 5 五 c J ， c 2 ， 一 o c “c { ， 一 0 I f 1 一 鲁 鲁似一 式中 ， 为井 口掺入蒸汽的干度 ；日 r 为产液从井 底流 至 泵上掺 水 阀处 与 热 水掺 混 前 的温度 ， ℃ ． 可 以根据产液井底 温度求 出． 由于 ， ， 和 本身是非常复杂 的函数 ，上述 计算方法 尽管 在 理论 上 是可 行 的 ．但 实 现起来非常困难．同时这种处理方法还未能考虑流体物性参数与传热系数沿深度 f 的变化． 因而采取一种变通 的处理方法 ，即将进入空心抽油杆蒸汽的潜热 以显热方式表示 出来．为保 证计算收敛 ，以显热方式表示的全部蒸汽潜热所对应 的温度 变 化取 为 1 ℃． 于是 得到 掺 入蒸 汽在玲凝段 中相 当的水 当量为 w 一 G 6 而 冷却段水 的水 当量为 W G c ． 7 “． “ c c c ， ， r ， ㈣ 一 日 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 式中 ，c ． 为水 的比热 J ／ k g℃ ． 冷凝 段与 冷却段 的分界处即为蒸汽温度变化 1 ℃所对 应的深度 值 ．经过 以上处理 ，方 程组 2 即适用于整个井 简加热段．但冷凝段与冷却 段的水当 量 I r 相 差悬 殊 ，必 须 用数 值法 进行 求 解 ．把 井 筒 加热 段 由上而 下 分 成 n 段 ，共 1 个节点 如 图 2所示 ．在第 { 段 ，即在 区间[ f ． ， l ] 其 中 t 一 1 ． 2 ⋯ ， n 内．能量平衡方程组 2 离散化为 一 ⋯ f 一 w 一 ㈤ l i l ／1[ 一 什 m ] 边界 条件 为 l ￡ 一 ． 一 “ 式 8 与 式 9 形成一个五条带矩阵方 程组 ，利 用高斯消元法即可 求 出空心 抽 油杆 内蒸汽 水 的温度分布和油管内产液的温度分布．而空心抽油杆 内 0 I ． -f -L f J -f l 。 - 一 ‘ ． j 圄2井筒节点剖 分示意图 流体 温度 从 座 化至 ． 一l时所对应的位置即为蒸汽全部凝结 为水时的位置 l ． 2 计算示例与分析 某注汽生产井 产量 为 1 2 t ／d 含 1 5 0 水 d 0 ， 油层中部深 5 5 0m． 采用空心抽 油丰 蒸汽伴热采油工 艺进行生产 ，井底 出油温度 9 0 “C， 泵下 至油层中 部 ，伴 热p⋯ 至井 底． 工 作制 度 冲程 为 1 ． 8m 冲三 次 为 9次 ／rai n 泵径 5 6mm． 5 0 C脱 气 8 o 原 油 粘 度 为 7 2 2 5m P a s 油 气 比 为 l 7 ． 图 3 示 出了井 口伴 汽 干度 为 0 ． 5时 空心抽 油杆内汽 水温度 和油管内产液温 度随井深的变化 曲线 ．从图中可 见 ，随 井 罐 ／ 伴 汽量 的 增 加 ，井 筒 有效 加 热深 度 增 圉 3 蒸汽伴热生产井沿井筒的沮度分布 大 ，有效加热范 围内产液温度和 井 口出油温度亦有 明显提高 ．考虑到空心抽 油杆 内汽水的对 流换热系数远高 于油管内产液的对流换热 系数值 故空心抽 油杆杆壁温度将非常接近于空心 杆 内的汽水 温度 即空心杆 外壁 能维持较高的温度．这有利 于空心抽 油杆 的往复运动和壁面 摩 阻的降低 ．从 图中亦 可看 出 ，在计算条件下 ，有效加热范 围一般在近井 口 3 0 0 m以 内 ，对 于 深井亦 大致如此． 表 1 给 出了两种伴 汽条件下 的油井抽 汲生产工况与 常规抽汲 生产 伴汽量为零 情况下 的计算结果．从表 中可 以看 出 ，在给定油井生产条件下 ，常规抽汲 生产时 的临界冲程速度小 于实际 冲程速度 1 ． 8 9 1 6 ． 2 m／mi n 悬点最小载荷出现负值．这说 明常规抽汲 生产将 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 不可避 免地 出现抽 油杆下行程运动速度 低于驴头 运 动速度 ，导致抽 油杆飘浮现 象 ，并引发抽 油杆 柱 冲击 和断脱等一系列生产事 故．而采用空心抽 油杆井筒伴热采油方 式进 行生产 ，由于提高了近 井 口处产液的温 度 ，改善 了井筒流动条件 ，从而 使抽 油机 和抽 油杆柱工 作状 况得 到改善 ，保证 了 表 1 不同伴汽量下油井抽汲工况对比 伴汽量 临界冲速 }悬点载荷／k N 最大折算应力 ／t d 一 ／m ra i n 一 最 大 最 小 ／Nmil l 一 0 8 ．4 1 6 6 g1 1 7 6 3 1 5 1 6 ． 8 7 4 9 ． 06 0 ． 5 5 3 ． 5 3 d 95 3 9 45 7 ． 0 g 油井 的正 常生产 ，在蒸汽吞吐生产过程 中将大大延长吞吐生产周期 和提 高周期产 油量． 3 结束 语 1 利用空心抽 油杆掺人 中低压蒸汽井简加热采 油工 艺 ，能大 幅度提高近井 口数百米范 围内原油的温度 ，改善井简生产工况． 特别适用于 中浅层稠油蒸汽吞吐生产 中后期 ，以延长 吞 吐生产周期 ，提高周期产量． 2 由于蒸汽加 热深度有限 故空心抽油杆下入深度 不宜太 大．其下部可连接尺寸较小 的实心抽油杆 ，以改善抽 油机和抽油杆拄的工 作条件． 3 在 我国北部地区 ，为防止寒冷季节地 面蒸汽伴热管线冻结事故的发生 ，应采取有效 措施确保伴热蒸汽管线的连续运行． 参考文献 1 任瑛 ，粱金 国．井筒加热在稠油与高凝油开采 中的应用．见杨光华主编 ．石油高等 教育四十年科学研究论 文集． 东营石油大学出版社 ．1 9 8 3 5 8 6 7 HEAVY OI L PROD UCTI ON BY BLEN DI NG W I TH S TEA M DOW NH OLE TH ROUGH H OLLOW SUCKER R0D Li aa g Ji a f u o Xu M i n gh ai Re u Yi n g W a n g M i k a n g Uni ve r s i t y of Pe t r ol e u m ． Do ng yi ng Ch i na 257 0 6 2 F a n Yu x i a D e n g 0l Xi nj i a n g P e t r o l e u m B u r e a u Abs t r a c t Dur i ng t he l a t e r p r od u ct i on pe r i od of s t e am s t i m u l a t i ng ．b l e nd i ng s t e a m of m i d dl e t o l ow p r e s s ur e t hr ou g h h ol l o w s u c k e r r o d c a n g r e a t l y i nc r e a s e t he t e m p e r a t u r e of t h e p r od uc e d l i qu i d i n t h e u p pe r s e c t i on of t he w e l l hor e． i m p r ove t he wor k i ng c ond i t i on s of p r od uc t i on w e l l s ． p r o l ong t h e p r od u ct i on pe r i od a n d i n cr e a s e t he c um ul a t i ve oi l p r od u ct i on． I n t hi s p a p e r ， a m a t h e m a t i c al m od e l f o r de s c r i b i ng t he w e l l bo r e t e m pe r at u r e i s e s t a b l i s he d a nd a P r o ce du r e i s pr e s e nt e d t o s ol ve t h e m o de 1 ． T h e i nf l un c e s of s t e am p a r a m e t er s on t he w e l l b or e t e m p e r a t u r e p r of i l e s a nd t h e w o r k i n 【 g c ond i t i o n s of t he pu m p i ng u ni t and t he s uc k e r r od ar e a na l yz e d． I t i s c one l ud e d t h at t he t e c hni q ue i s e s pe ci a l l y s u i t a bl e f or t h e p r od uc t i on of ol l we l l s at m i d d l e de pt h a nd s h a l l ow f or m a t i on． S u b j e c t wo r d s Vi s c o u s o i l r e c o v e r y H o l l o w r o d St e a m s o a k i n g Ma t h e ma t i c a l mo d e 1 b o ut t h e f i r s t a ut h or L i a n g J i n g u o ． ma l e ， d s b o r n i n i 9 6 3 ． He o b t a i n e d M 8 d e g r e e O m e B e i j i n g Gr a d u a l e 8 c h o o l o f t h e Uu i v e r s i t y o f P e t r o l e u m j 9 8 7 ． He i s d a s s o c i a t e 。 { e s 。 r a t t h e D e a v t me n t o y Me c h a a i c a l En g i n e e r i n g i N t h e U n i v e r s i t y o f Pe t v o l e u r a ． Ch i n a ． 责 任 编 辑叶 秋 敏 39 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆