稠油开采双管拌热传热过程研究.pdf

第1 5 卷第4 期 断块油气 田 F A U I j I - B L O C K0 I L e A Sn E L D2 0 0 8 年7 月 文章编号1 0 0 5 8 9 0 7 2 0 0 8 l ㈣8 7 棚 稠油开采双管拌热传热过程研究 罗威1 廖锐全 文静t谢远伟- 侯文刚2 1 ．长江大学石油工程学院，湖北荆州4 3 4 0 2 3 ；2 ．新疆油田公司采气一厂，新疆克拉玛依8 3 4 0 c r 7 摘要 为了进一步了解采用双管拌热技术开采稠油油藏时的井筒温度分布情况，利用井筒热传导机理研究了主管 内流体温度和压力的变化情况。双管拌热技术开采过程是先通过主油管向油层注入大量蒸汽，随后焖井数天，使蒸汽和地层 充分进行热交换；然后，在副管拌热条件下由主管采出。对采出过程建立了双管拌热中温度场的数学模型，并对国内某油田 提供的实验井数据进行了数值模拟和分析。 关键词双管拌热；热传导机理；温度场；数学模型 中图分类号T E 3 4 5文献标识码A A n a I y s i so fh e a t i n gp r o c e d u r ei nd u a lt u b i n gp r o d u c t i o no ft h i c ko 订 L 帅w e i P e t m I e 啪E n g i n 雌r i 呜C o I l e g 岛Y a n g t z eU I I i v e 巧i t y ，J i n g z h 伽4 3 4 0 2 3 ，C h i n a ，L i a oR l l i q u a I l W e nJ i n 舀“a L I no r d e rt ok n o wf u r t h e ra b o u tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nw e l l b o r eo fd u a lt u b i n gp r o d u c t i o nw i t hs u bh e a t 晒c i n gi n d e V e l o p i n gt h i c ko i lr e s e r v o i 毪t h i sp a p e rs t u d i e s ￡h ea l t e m a t j o no ft e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei nt h em a i nw e l l b o r e ’sf l u i db yu s i n g h e a tc o n d u c t i o nm e c h a n i s m ．T h ed e v e l o p i n gp r o c e d u r eo fd u a l t u b i n gp m d u c t i o nw i t hs u bh e a tt r a c i n gt u b i n gi st h a tl a r g ea m o u n to f s t e a mi si n j e c t e di n t oo i ll a y e ra tf i r s tf 0 U o w e db yas h u td o 咖“s e v e r a ld a y sf o r t h es t e a mh a v i n gaf u l lh e a t i l l ge x c h a n g ei nt h e s t I | a t u I I l ，a n df i n a l l yp m d u c i n gt h eo i lf 而mt h em a j nt u b i n g ’I r i t hh e l p “s u bh e a tt r a c i n gt u b i n 昏T h ep 印e ra l s oc r e a t e sa m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft e m p e r a t u r e ‰l di nd u a lt u b i n gp 刚u c t i o nw i t hs u bh e a tt r a c i n gt u b i n gf o rt h er e c o v e r yp m c e s s ，a n dm a k e 8 n u m e “c a ls i m u l a t i o na n da n a l y s i sf o rt h ed a t ao fe x P e r i m e n t a lw e np r o v i d e db yad o m e s t i co i m e l d ． K e yw o r d s ．d u a lt u b i n gp r o d u c t i o nw i t 王ls u bh e a tt r a c i n gt u b i n g ’h e a tc o n d u c t i o nm e c h a n i n kt e m p e m t u r ef i e l d ，m a t l l e m a t i c a l m o d e l ． 双管拌热技术是针对浅层超稠油油藏油稠、井浅、 地温低的特点，为解决原油在井筒中的持续流动性而 设计的一种井筒降黏T 艺。目前，这种工艺已经成熟。 在某油田已得到了应用，并将进一步推广。该油田在相 应区块做了单管环空蒸汽拌热、电加热和双管拌热实 验。结果表明在同等条件下双管拌热与电加热井相比 效果差不多，与常规环空拌热相比。生产效果明显见 好。从经济上分析，双管拌热只是电加热经济拌热界限 的一半，因此是非常可行的。 1 方法原理 1 ．1热传导机理分析传热过程【l 】 建立双管拌热模型 见图l ，图中量符号与下文公 式相同 ，考虑到蒸汽拌热量较少，认为副管注入蒸汽 完全与井底流体混合，没有进入油套环空内。由于焖井 结束，开始开采时，井底流体初始温度较高。在蒸汽注 入过程中．由于存在热量损失．副管温度沿井壁不断下 降，到达一定深度后温度可能会低于主管温度，出现主 管逆向散热，即会向副管、套管及水泥环散热。 图1副管外壁温度高于主管的双管拌热剖面 当副管外壁温度高于主管外壁温度时。在副管注 汽过程中会向主管和套管传递热量。其间的传热包括 热辐射和自然对流传热 热传导及自然对流 Ⅲ。辐射 收稿日期2 0 0 7 一1 0 一1 9 ；改回日期2 0 0 8 一0 4 0 2 。 作者简介罗威，男，1 9 8 6 年生，油气田开发专业在读硕士研究 生，主要从事稠油开采研究。E m a i l 1 u o m i c h a I l g 1 6 3 ．c o m 。 万方数据 传热与辐射面积有关。从图1 可以看出，副管与主管之 间的热量传递存在一个角度加的辐射面，副管与套管 之间的辐射传热面为2 订一加。因此，当副管与主管、套 管之间的相对位置确定后．就可以计算出它们之问的 辐射面积和辐射传热系数。副管与主管、套管之间还通 过环空介质的自然对流和热传导进行传热，可以将双 管拌热中的不规则环空介质等效为等体积、规则的环 空介质．即将环空等效为一个以副管为中心的同心环 空，半径为R 。则可以根据定义分别计算出副管与主 管、套管之间的自然对流传热系数。 1 ．1 ．1 主管 M a i nO i lT u b i n g 传热过程 在副管注入蒸汽过程中，副管外壁到主管的传递 热流量Q 。及总的传热系数‰为 ‰ Q 。 2 耵k U 。 L 一瓦 缸 毒芒 吝 1 2 式中r “ 为副管外半径，m ；气为副管外壁温度，℃；瓦为 主管流体温度，℃；虬为轴向网络块长度，m ；r 。为主管 外半径m ；r 。i 为主管内半径，m ； ，为主油管内壁强迫 对流换热系数，l 【J m 2 h ℃ 一；K 。曲为主管导热系数， l 【J m h ℃ q ；k 为副管与主管之间的辐射传热系数， l 【J m 2 ．h ℃ 一； 。为副管与主管之间的自然对流传热 系数，I 【J m 2 h ℃ 一。 1 ．1 ．2 套管水泥环及地层传热过程 在副管注入蒸汽过程中，副管外壁到套管、水泥 环和地层的传递热流量仉及总的传热系数以为 Q 。 2 砜玩 咒一瓦 缸 3 蛤ii 两 4 式中瓦为水泥环与地层接触面温度，℃；k 为套管外 半径，m ；％为套管内半径，m ；r h 为水泥环外半径，m ；k 为副管与套管间的自然对流传热系数Ⅺ m 2 h ℃ _ ；k 为副管与套管间的辐射传热系数，k J m 2 h ℃ 一； 氏为套管导热系数，k J m h ℃ ’1 ；屯为水泥环导热 系数，l 【J m h ℃ 一。 1 ．1 ．3 副管 S u bO i lT u b i n g 传热过程 ‘在蒸汽注入过程中，副管中径向热流量及副管内 蒸汽到副管外壁的总传导系数为 Q ． 2 订‰ t L 缸 5 乩l1 ．。n 詈I 6 乩 k 兰f 6 l 以。kJ 式中k 为副管内半径，m ；t 为蒸汽温度，℃；以为副管 内壁强迫对流换热系数，k J m 2 ．h ℃ - 1 ；K 蜕| l b 为副管 导热系数，k J m h ℃ 一。 总的传热系数满足 亩2 亡 击 ∽ 以乩。％ 以； ⋯7 由于在生产过程中，井底有一个初始温度，所以在 一定深度可能会出现主管外壁温度高于副管外壁温 度，这时可求出总的传热系数 见图2 。 图2 主管外壁温度高于副管的双管拌热剖面 副管传热过程是在注入蒸汽过程中．到达注气点 前的一个径向传热过程。研究这个传热过程可以计算 出注气点蒸汽温度、干度和压强等相关参数，还可以分 析副管、主管、套管及水泥环各部分沿程的温度分布。 1 ．2基本方程及源汇项 1 ．2 ．1热传导方程[ 3 ] } 軎降 等 乏 氏c m 鲁㈣ 式中r 为半径，m ；r 为温度，℃；Z 为深度，m ；Q 为源汇 项，l J h 。1 ；K 。为导热系数，l 【J m h ℃ 一护。为密度， k g n 1 ．3 ；c m 为比热容，k J k g ℃ 一；t 为时间，h 。 主油管内流体的换热由能量守恒方程描述。 Q 一竿吉 c m w 一t ．。熹 p 。r 9 式中肘为质量流量，k g s 。1 ；A 为流动面积，m 2 ；g 为重 力加速度．m s 。2 。 1 ．2 ．2源汇项的处理 流体换热系数 的源汇项p 为 璧k监k 万方数据 第1 5 卷第4 期 罗威，等稠油开采双管拌热传热过程研究 2 0 0 8 年7 月 Q 2 1 T r 。i △￡ k L 一2 1 『L △工 疋一丁 1 0 1 ．2 ．3 边界条件及初始条件 由于采用轴坐标。r 0 时的内边界条件为绝热边界 条件；r r 。时的外边界条件为恒地温边界条件，其中r m 为足够远的外边界半径。初始条件用生产过程中某一 阶段井筒的温度作为双管拌热的初始条件。 1 ．3 求解方法 式 1 一 6 的求解计算，可以参照刘文章编著的 稠油注蒸汽热采工程计算总传导系数和井筒热损 失的方法。式 7 、 8 采用五点有限差分方法离散化，再 采用全隐式方法求解，以保证方程组收敛的稳定性㈨ 。 2应用实例 某油田基本数据为1 油层温度4 5 ℃，油层深度 7 8 0m ，地表温度8 ℃，地层导热系数1 ．7 5W m ℃ ～，地 温梯度0 ．0 4 ℃m ～2 主油管的注汽J i 三力6 ．8M P a ，注汽 温度2 8 3 ．8 4 ℃，注汽速度1 5l _ h ～。注汽时问5d 。蒸汽干 度0 ．7 2 ；3 副油管的注汽压力0 ．1 5M P a ，注汽温度1 1 2 ℃，注汽速度0 ．0 6t h - I ，注汽时间5d 。蒸汽十度0 ．7 5 4 油管、套管及水泥环参数主油管内径0 ．0 6 2m ，外径 O ．0 7 3m ，导热系数1 4 2 ．3 5k J m - h ℃ 一；副油管内径 O ．0 4 3 5 吐外径0 ．0 5 0 8m ，导热系数1 6 7 4 7k J m h ℃ _ ； 套管内径O ．1 6 18m ，外径0 ．1 7 78n l ，导热系数1 6 7 ．4 7 k J m h ℃ 一；水泥环内径0 ．1 8m ，夕h 径0 ．2 4m ，导热系 数2 ．9 3k J m h ℃ 一；5 累积产油量2 0 0m 3 。累积产水 量2 4 0m 3 ，累积产油时间4d 。产液速度6 0m 3 d ～。井I j 压强1 ．5M P a ，泄油半径5 0m ，抽油杆深度5 0 0m ，抽油 杆半径0 ．0 0 4m 。 图3 为主油箭流体、主油管、副油管、套管及水泥 环的温度随深度变化曲线。丌始时副管温度高，既向主 管又向水泥环散热．副管温度随深度增加不断降低．主 管流体及主管温度向上随加热Ⅱ寸间的增长而／f 断上 升，■副管温度低于丰管温度时，副管由原来向外传递 热量变为吸收热母，温度下降变慢，并逐步回升，而主 管同时向套管及副管的散热温度下降很快。当副管温 度高时，要考虑副管向套管及水泥环传递热量．当主管 温度高时，则要考虑主管向它传递热量。 图4 为主管流体随深度变化的压力曲线。开始的 压力为井『I 压力，随着深度的增加，流体压力不断卜升， 到达抽油泵后，由于抽油泵的作用使得抽油泵上下压 力不能传递，因此有一个明显的压力变化。随着深度增 加，流体压力又丌始上升。直至到达井底．这时的井底 压力即为地层平均压力。 图3 温度一深度关系曲线 3结论 深度／m 图4 压力一深度关系曲线 1 副管注蒸汽过程中会向外传递热量。由于主管 和副管问的传热系数较高．所以不能忽略主管吸收热 量。计算表明主管过程传热总系数略低于套管过程传 热总系数，符合副管拌热加热上管流体温度开采稠油 的情况．验证了传热过程计算方法的正确性。 2 副管巾蒸汽温度随井深向下逐渐变低。如果井 底温度比较高，在井底以上的一段距离，可能副管温度 低丁主管温度，{ } ；现主管向副管、套管和水泥环传热的 逆过程，椐此进行数值模拟。计算焖井结束、开采数天 时及当前轮次的井筒温度压力分布情况。由于井底初 始温度仍然较高，所以．计算出来的流体在井口的温度 稍微偏高，但基本七符合事实。 参考文献 [ 1 ] 刘义章．稠油注蒸汽热采工程[ M ] 一E 京石油r 业出版社，1 9 9 6 3 4 一1 7 7 ． 【2 ] 俞佐甲．传热学[ M ] ．北京人民教育出版礼，1 9 8 0 l 1 0 3 ． [ 3 ] 原庆银．电加热抽油杆柱的设计与分析I I ] ．人连大连理丁学院， 2 0 0 5 4 5 5 5 ． [ 4 ]查巾伟．数学物理偏微分办程[ MJ ．成都两南交通大学f f 版社， 2 0 0 4 1 5 2 2 1 4 ． [ 5 ]克岁丈特I R ．利利DG ．传热的有限差分方程计算[ M ] ．J E 京冶 金T 业出版利．1 9 8 2 l 一1 3 4 ． 编辑姬美兰 万方数据