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注空气开采海上稠油井筒传热模型研究

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空气 开采 海上 油井 传热 模型 研究
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第16卷第1期 2009年2月 特种油气藏 il o.1 009 文章编号:1006—6535(2009)01—0087—05 引言 注空气开采海上稠油井筒传热模型研究 唐晓东 ,陈广明 ,王治红 ,张 文 ,曾 林 (1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室西南石油大学,四川 成都610500; 2.西南石油大学,四川成都610500) 摘要:为计算海上稠油井筒中的热量损失,在基本假设条件下,运用质量传递和热量传递原理 对井筒传热过程进行分析,计算井筒总传热系数,并建立了数学模型。把整个井筒划分为等距 的微元,在横向上根据能量守恒定律得出计算公式;在纵向上通过积分的方法计算出各个区域 的热量损失。实例计算结果显示,根据井底需要的温度可为井口注气参数提供依据,为进一步 从技术、经济等角度分析注空气采油井井筒传热奠定了基础。 关键词:井筒传热;热量损失;数学模型;注空气;稠油 中图分类号: 文献标识码:A 随着我国石油需求的急剧增长,海上稠油开采 越来越引起人们的重视。海上发现的石油储量中 70%属于稠油,如南堡35—2油田是目前渤海已开 发油田中原油粘度最大的一个油田,地下原油粘度 大于700 ,是海洋石油开发的难点¨ 。海 上稠油开采由于受诸多因素如空间、成本等条件限 制,无法采用陆地热采开发方式,其开采难度远远 高于陆上稠油油田。大量开采那些难于动用、投资 费用较高的海上稠油已成为必然。海上稠油注空 气缓和催化氧化采油技术是集热采(高温空气与 稠油换热,稠油缓和氧化放热直接加热油层)、烟 道气驱油、羧化降粘与表面活性剂驱油等4种采油 机理于一体的新型、高效、低成本的海上稠油采油 技术,由于其对开采海上稠油具有一定的优势,越 来越受到人们的关注。在向油井内注入高温高压 空气时,由于注入空气和地层间存在温度差造成热 量损失 ,井筒中的热量损失直接影响着稠油开 采效果,而不合理的井口注入参数也会造成不必要 的能量损失。因此,有必要计算流体在井筒中的能 量损失,为得出合理的注气参数提供依据 ' 。 有热量的传递。热量会自发的从高温物体传向低 温物体而导致热量损失 J。井筒中流动着高温高 压的空气,流体与周围地层间的温度差异使热量沿 井筒向地层传递。热量通过以下几个环节完成传 递 J:①高温空气一隔热油管壁一真空(或惰性气 体);②真空(或惰性气体)一隔热油管外管壁一油 套管环空空气;③油套管环空空气一套管壁一水泥 环;④水泥环一地层等。各环节间的换热关系及热 力分析 见图1。 图1井筒传热热阻结构连接 l 井筒传热过程分析 在建立传热模型之前,做以下基本假设:①井 根据传热学理论,只要有温度差存在就必然伴 筒为若干圆管组成的结构;②从油管内的空气到水 收稿日期:2008—10—10:改回151期:2008—11—10 基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)(20066作者简介:唐晓东(1963一),男,教授,1985毕业于西南石油学院应用化学专业,现从事石油天然气加工、稠油开采等方面的研究工作。 88 特种油气藏 第环外缘间的热量传递为一维稳态传热,从水泥环 外缘到地层间的热量传递为一维非稳态传热 ; ③地层中的物理参数为常数,忽略其深度和时间的 变化;④视油管中的空气为一维均质流体;⑤隔热 管为双层,管柱密封良好,油管环空充人低压空气 或海水;⑥整个井筒分为若干段,每段内空气的物 性参数不变。 1.1油管中心到水泥环外缘的稳态传热 取微元长度为位,建立井筒传热模型 ,井 筒微元结构见图2。 l \ / 空、 隔一 环 水 地 气 热 泥 \ 层 空 层 层 / . —— 一 五 /'4 】 图2井筒微元结构 注热空气过程中,井筒中径向热流是由油管柱 径向流向井筒周围地层的热流量,即井筒热损失 量。在稳定热流状态下,井简单元径向热流量与油 管中空气和套管外水泥环外缘的差值成正比,也与 该单元长度内油管的外表面积成正比 由稳定传热,油管内空气到水泥环外缘在出 段内的传热量为: "U(K)1) 式中: 为总传热系数,W/(m·℃);,qC;r 。为油管外径, .2从水泥环外缘到地层的非稳态传热 从水泥环外缘到地层的非稳态传热是不稳定 的热传导,因此它随时间而变化。对地层的热损失 开始比较大,但随着注气的进行,地层温度增加,传 热动力温度差△ 将减小,导致热损失降低,即: 7 一 )d t) (2) =l· (3) 式中: 为地层温度,为地温梯度,oC/m,通 常取.030—0.035oC/m; 为井深,113;A 为 地层导热系数,W/(m·温度,(t)为无量纲时间函数; 为地表温 度,℃。 在出了f(t) 的经验表达式 11,12]: ):0.9821nf l+1.81 1 (4) \ 式中: 为地层热扩散系数,m /h; 为注空气时间, h; 为井轴到水泥环外缘的距离,m。 由热量传递的连续性原理可知,油管中心到水 泥环外缘传递的热量等于水泥环外缘至地层传递 的热量,故水泥环外缘温度为: = ㈤ 同时也可得套管内表面温度: l' 一 ) i= +——— —一(6) 式中:m;K 为套管内空气的辐射 传热系数;U 。为总传热系数。 应该指出,公式(6)只在 为常数(不随时间 变化)时才成立。因此,只有在井口条件不剧烈变 化(如定井1:3注入条件)时,才能使用公式(5)来计 算 。 2井筒总传热系数的计算 根据总传热系数的定义列出口 : U 。=——7) 27 式中: 为从油管内到地层处各个部分的热阻, W/(m·℃)。 下面则分别列出各项热阻的式子: (1)空气与管内壁的热对流阻力,即: = = 1q (8) , , 式中: 。为油管内壁温度,℃;油管内半径,m; 为空气与管内壁的对流传热热阻,W/(m ·℃); 为空气与管内壁的对流传热系数。 (2)管内外壁之间的热传导阻力,即: g= = 1 n 9) 式中:71l。为油管外壁温度, 为油管导热系 数,W/(m·K);R 为管内外壁之间的热阻,W/(m 第1期 唐晓东等:注空气开采海上稠油井筒传热模型研究 89 (3)绝热层热传导阻力,即: g= =忐 n 0) 式中:;r;为绝热管内半 径,m;绝热层导热系数,W/(m·K);R 为绝 热层热阻,W/(m·℃)。 (4)绝热管壁的热传导热阻,即: . g= = 1 ln 11) 式中: 为绝热管外壁温度,℃;,为绝热管壁的热传导热阻,W/(m·℃)。 (5)环空热对流热阻,即: q= = 式中: 为环空辐射传热系数,W/(m ·K);h 为 环空自然对流传热系数,W/(1K);R 为环空 热对流热阻,w/(m·℃)。 (6)套管壁热传导热阻,即: 9= = 1 n (13) 式中:套管导热系数,W/();r 半径,o。为套管内壁温度,℃; 为套管壁热 传导热阻,w/(m· (7)水泥环的热传导热阻,即: q= = 1 ln 4) 式中: 。 为水泥环导热系数,W/(m·K);马为水泥环 的热传导热阻,W/(m· (8)地层热传导热阻,即: q= = d\-/ (15) q , e 2 A: D) 式中:R 为地层热传导热阻,W/(m·℃)。 当井筒中仅有光油管,下端有分隔器,油管环 空为液体或气体时,总传热系数U 。按下式计算: 等+ +芸+芸j (16) 式中:h 为井筒流体和油管内表面之间的传热系 数。式中括号内各项分别为油管内壁强迫对流传 热热阻,油管壁热阻,环空液体或气体的热阻,套管 壁热阻及水泥环的热阻。 根据井筒流体和油管 内表面之间的传热系数h 是非常大的,因而其热 阻可以忽略。油管和套管的导热系数相对水泥环 和地层的导热系数要大得多,且由于油管壁和套管 壁厚度一般很薄,可以忽略油管和套管造成的温度 降。这样可以将公式(16)简化为: :f (17) +h 。J 若井筒中油管柱是双层隔热管,下端有分隔 器,环空是液体或气体时,总传热系数U 。为: [ + + + 矗 + o+ h h K 18) 一 一 一}f l X 1 ( + ) 。 。 式(18)中括号内第3项是隔热管的热阻,这 一项对总传热系数的影响最大。同样可以化简为: U,o: + +芒 =[ + + ] ( 9) 计算以下温度:①油管内壁温度为s— R。g;②油管外壁温度为 。= i—R:q;③绝热管 内壁温度为。一R,q;④绝热管外壁温度为 = —R g;⑤水泥环外缘温度为 =。q;⑥ 套管外壁温度为 g;⑦套管内壁温度 为。一计算环空辐射传热系数: 一F:———L— f 一1 ——+——(——一 ) (2】1) 凡 =一 【 ) F( 一 :) 、 式中: 。。为油管外壁辐射系数; 。数。 计算环空自然对流传热系数: h: : ! ! ! —— l J c 33 0 074 G = (r i—r 。)。g 。一 i) P—.C....g....e—a— 一A (23) (24) 特种油气藏 第16卷 式中:9.81 m/s ;p 为环空液体 或气体在平均压力和温度下的密度,kg/m ;/z 为环 空液体或气体在平均压力和温度下的粘度,; 卢 为环空液体或气体的体积膨胀系数;C 为环空液 体或气体在平均温度下的热容量,J/();A 为环空液体或气体的导热系数, (m·K),P 为普 兰特准数;G 为格拉斯霍夫准数。 Q ,再计算各处温度;重新计算传热系数 ,再计 算 内热损失Q,当l Q—Q l< ,计算终止,否 则Q=Q,,重新计算。 (4)根据P、U、处温度。 (5)当i=算结束。 (6)计算总能量损耗和其他相关数据。 3井筒热损失模型的求解方法4计算实例 在井筒纵向能量传递过程中,油管(隔热油管) 结构从井口到井底基本一样,可采用均分方法 划 分整个井筒。根据需要先将井筒划分成段 内井筒的总传热系数、套管温度、地层温度等可认为 定值;以井口空气参数为初值,计算不同时刻、不同 深度井筒内空气压力、温度及井筒总传热系数、隔热 管外壁温度、套管温度等。具体计算过程如下: 利用编制软件对渤海湾近海区一般油井情况 进行计算:海水深100 m,井深1 000 m。①井筒参 数:油管内径62 管外径73 热管内径 114 热管外径123 管内径161 管外径177 泥环外径246//1//1;②井口注入空 气参数:注入空气温度为140℃,注入压力为6 注入速率为5×10 m /d,注气体时间为7 d;③物性 (1)根据井深,每段长 参数:油管及套管导热系数为43.2 W/(m·℃),水 度 =z/Ⅳ。为保证计算精度,Ⅳ应足够大。 泥环导热系数为0.35 W/(m·℃),地层导热系数 (2)以井口空气参数(压力、温度及注入速率 为0.026 75 W/(),地层热扩散系数为0.027, 等)为计算起点。 地表温度为25℃,油管外壁辐射系数为0.9,套管内 (3)假定一传热系数 ,,先计算 内热损失 壁辐射系数为0.5,计算结果见表1。 表1井筒计算结果汇总 从表1可看出,采用注空气采油时,在注入空 气过程中,总换热系数并不随井深的增加而发生变 化,主要影响温度变化的是地层温度以及井口注入 时空气的性质,因此,可根据井底要求的气体温度 来确定井口注入参数即空气的性质。 5结论 (1)应用传热的基本原理,在基本假设条件 下,运用能量守恒、热量守恒、动量守恒等理论对井 筒内传热过程进行分析的基础上,针对系统热平 衡、动量平衡等特点,建立了空气注入过程的模拟 计算模型。 (2)采用井筒横向、纵向计算相结合的方法, 把整个井筒划分为等距的微元。在横向上通过分 析计算出总的传热系数,然后运用能量守恒得出热 损失量。纵向上通过积分的方法 计算出各个区域的热量损失。 (3)编制了通用计算软件,为进一步从技术、 经济等角度分析注空气采油井井筒传热奠定了基 础 参考文献: [1]刘学强,杜夏英,孔令海.南堡35—2稠油处理工艺介 绍[J].中国海洋平台,2008,23(2):49~53. 第1期 唐晓东等:注空气开采海上稠油井筒传热模型研究 9 1 [2] J.].J ,1962,14 (4):427~435. 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