蒸汽吞吐注汽过程中井筒径向热损失注主要模型概述

李志威

(长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100)



蒸汽吞吐注汽过程中井筒径向热损失注主要模型概述

李志威

(长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100)

稠油热采一般采用热力开采，其中最常用的是蒸汽吞吐，即把蒸汽注入油层的加热方式。为了有效地减少其在注汽过程中径向热损失，提高稠油热采效率，需要对注汽过程的能量变化进行理论分析和研究。在已有理论基础上，相继建立了吻和较好的理论模型，为实际生产提供了更多的理论支持。

稠油热采；注汽井筒；热采效率；径向热损失

0 前 言

本文首先在传热学理论基础上，建立了井筒注汽过程径向热损失的计算公式[1]。根据公式主要求解有：以r2外表面为基准面的总传热系数U；蒸汽温度Tf；泥环外壁温度Th。其中，U的求解主要涉及传热学的知识，而Tf、Th的求解相对复杂，需建立了相应的模型[2]。井筒结构如图1所示。

图1 井筒微元结构示意

取dz段，根据传热学，其径向热损失：

dQ=2πr2dzU(Tf-Th)

(1)

其中，dQ为井筒径向热损失，kJ/h；r2为隔热油管内管外半径，m；Tf为蒸汽温度，℃；Th为水泥环外壁温度，℃；U为以r2外表面为基准面的总传热系数，W/(m2·℃)。

若井筒内隔热管抽真空(若充惰性气体，则在3处并联一个隔热管内气体对流换热热阻)，则热阻连接图见图2。

图2 井筒内隔热管抽真空热阻示意

则：

(2)

其中，A2为以r2外表面为基准的面积；R1为蒸汽凝结环换热热阻；R2为隔热管壁导热热阻；R3为隔热管内气体辐射换热热阻；R4为环空辐射换热热阻；R5为环空对流热热阻；R6为套管壁导热热阻；R7为水泥导热热阻。R1～R7可根据传热学及相关参数计算。

1 Ramey模型

Ramey[3]是井筒传热研究工作的先驱。忽略流体流动过程中摩擦和动能的影响，他根据能量守恒定律，把时间和井深对井筒液体温度的影响加入了模型。

对流体：

Tf(z,t)=aT+tb-aTA+(Tf+aTA-tb)e-z/A

(3)

对气体：

(4)

-0.29。

由式(3)和(4)知，蒸汽温度Tf中包含了井深和时间两个量，使得计算更精确了。但其局限有：要求注入时间超过一周，限制了时间精度；假设物性参数不随温度变化；仅给出了单相流的情况。

2 Hasan和Kabir模型

Hasan和Kabir[4]通过实验与理论结合，把Ramey单相流扩展到两相流模型，其井筒液体温度的关系式如下。

(5)

其中，Te=tb+αTz，tb为地表温度，Te为地层温度，αT为地温梯度，式中的参数φ与流体流速、气液比、井口压力等因素有关。

3 Eickmeier J R模型

EickmeierJR[5]通过计算蒸汽压力和蒸汽干度建立模型，间接计算了流体温度，其模型主要由两个非线性微分方程组成。

(6)

(7)

式(6)～(7)较复杂，需要迭代才能求解。优点：精确地计算了热损失及蒸汽物性(随时间和深度)变化；增加了水泥壳的影响。缺点：模型用到了Ramey模型中的地层时间函数，适用精度受到一定限制。

4 Satter模型

通过分析Ramey模型[6]，Satter在考虑注汽过程中的蒸汽相变影响后，提出了预测冷凝流体干度随时间及深度变化的计算方法。

(8)

结合式(8)，考虑到冷凝的影响，模型给出了冷凝流体干度计算的近似方法，间接计算井筒径向热损失。此模型偏于理论，仍需与生产实践结合进一步验证。

5 Farouq模型

Farouq[7]在考虑了两相流流动状态和气体滑脱后，建立了可用于计算井筒压力降及蒸汽干度的竖直非等温两相流的综合模型。

(9)

结合能量平衡方程和湿蒸汽焓的关系式，得井筒内蒸汽干度的常微分方程：

(10)

6 王弥康模型

王弥康[8]以传热原理为基础，建立了井筒到地层传热的数学模型。

井筒内稳态传热：

dQ=2πr2dzU(tf-th)

(11)

地层内非稳态导热：

(12)

式中：t=f(r,τ)为地层内某处温度，涉及到Ramey、Butle、Hasan和Chiu4个地层时间函数。利用半解析法与解析法计算的值对比，可得出Hasan公式最接近解析解，Ramey公式效果最差，故多选Hasan公式进行计算。

7 新算法

顾浩等[9]根据能量守恒、质量守恒以及传热学基本理论，从干度的定义直接出发，忽略了蒸汽—水流动的方向性，建立了计算井筒沿程蒸汽压力、温度、干度和热损失模型[10]。

(13)

其中， ρs、ρw分别为蒸汽和水的密度；fs为蒸汽体积分数；Rem雷诺数；ε内管粗糙度；A无因次参数；VSS和VSW分别为蒸汽和水的表观流速；μs、μw和μm分别为蒸汽、水和混合物的粘度；x为蒸汽的干度。

沿程蒸汽的温压存在以下关系：

Tf=210.2367Pf0.21-30

(14)

其中，Pf为蒸汽压力。

沿程干度方程(定义式)：

(15)

这种处理方法有两大优点：使沿程干度计算更准确；加快了整个模型的求解速度。

8 结 论

综上所述，已有的计算模型是把Ramey模型作为框架基础，经Setter、Farouq、王弥康等的创新和发展，逐步建立渐近完善的模型。为蒸汽吞吐注汽过程中井筒热损失计算提供了理论依据，减少了注汽过程热损失和采油的成本，提高了稠油热采效率和经济效益，为石油领域做出了巨大贡献。

[1] 王志国, 马一太, 李东明, 等. 注汽过程井筒传热及热损失计算方法研究[J]. 特种油气藏, 2003, 10(5): 38-41.

[2] 鲁港, 李新强, 杨兆臣, 等. 井筒热损失计算的改进算法[J]. 特种油气藏, 2006, 13(3): 99-101.

[3]RameyHJ.WellboreHeatTransmission[J].JPT, 1962, 14(4): 427-435.

[4]HasanAR,KabirCS.AspectsofWellboreHeatTransferDuringTwo-PhaseFlow[J].SPE, 1994, 22948.

[5]EickmeierJR,ErsoyD,RameyHJJr.WellboreTemperaturesandHeatLossesDuringProductionorInjection[J].Cdn.Pet.Tech, 1970, 9(2): 115.

[6]SetterA.HeatlossesDuringFlowofSteamDownaWellbore[J].JPT, 1965, 17(7): 845-851.

[7]FarouqAli,SM.AComprehensiveWellboreSteam/WaterFlowModelforSteamInjectionandGeothermalApplications[J].SPEJ, 1981: 527.

[8] 王弥康. 隔热油管注蒸汽井井筒总传热系数的确定[J]. 石油钻采工艺, 1985, 8(6): 75-85.

[9] 顾浩, 程林松, 黄世军. 注蒸汽井筒沿程热物性参数及热损失新算法[J]. 计算物理, 2014(4): 449-454.

[10] 王丰. 稠油井筒注汽过程热损计算[D]. 黑龙江：大庆石油学院, 2008.

An Overview of Main Models of Mellbore Radial Heat Loss in Steam Injection Process

LI Zhiwei

(SchoolofPetroleumEngineering,YangtzeUniversity,Wuhan,Hubei430100,China)

This is the general use of thermal recovery of heavy oil thermal recovery, which is the most commonly used steam stimulation, as is used in the steam injection heating oil. In order to effectively reduce the radial heat loss in steam injection process, we have improved the efficiency of thermal recovery of heavy oil, the theory analysis and research of. Based on the theories, more theoretical models have been established to provide for actual production.

Thermal recovery of heavy oil; Steam injection well; Thermal recovery efficiency; Radial heat loss

2016-10-06

李志威(1991-)，男，安徽颍上人，在读硕士研究生，研究方向：城市油气输配技术及稠油热采，手机：15827495568，E-mail：1915470652@qq.com.

TE345

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.05.041