基于CIFLog平臺注蒸汽剖面解釋軟件的研發與應用

2014-12-01 07:33:18李恒郭海敏石耀朱濤長江大學地球物理與石油資源學院湖北武漢430100

長江大學學報(自科版) 2014年28期

李恒，郭海敏，石耀，朱濤（長江大學地球物理與石油資源學院，湖北武漢430100）

目前注蒸汽熱采技術在稠油油田被廣泛地應用，在高溫高壓蒸汽沿地面管線及井筒注入油藏的過程中，必然伴隨著熱量損失，直接影響熱采的效果，蒸汽參數也會隨之發生變化。因此，需要了解蒸汽參數在地面管線和井筒內的變化規律以及整個注汽過程的熱損失情況，判斷吸汽效果好壞，指導注汽參數的調整，從而達到增產的目的。前人開發的注蒸汽解釋軟件大多是獨立運行的軟件，且計算的參數不夠完整。一體化網絡測井平臺（CIFLog）是首個基于Java－NetBeans前沿計算機技術建立的第三代大型測井處理解釋系統，能夠在不同操作系統上高效運行，實現了勘探測井、生產測井和水淹層評價一體化［1］。筆者結合高溫吸汽剖面監測技術的特點，應用熱傳遞基本理論，在前人研究的基礎上，建立了地面管線和井筒的溫度、壓力、干度、熱損失及各吸汽層的吸汽百分比等主要參數的計算模型，基于CIFLog平臺，采用Java語言，研制了注蒸汽剖面解釋軟件，經過對多口實例井資料進行處理對比，結果表明該軟件應用效果較好。

1 計算模型

根據注入蒸汽流動的實際過程，將蒸汽從始端蒸汽發生器到目的層整個流動過程，分成地面管線和井筒2個部分。在地面管線中的流動為水平流，而在井筒中流動為下降流，筆者以鍋爐出口蒸汽溫度、壓力、干度及流量為定值和計算的起始點，用管線長度作為計算循環步長，計算地面管線壓力降、熱損失和干度，得到井口的蒸汽壓力、干度等參數作為井筒計算的起點，再以井筒深度作為計算循環步長，得到井筒中蒸汽壓力、干度和熱損失隨井深變化關系。計算過程中主要采用了以下數學模型。

1.1 地面管線數學模型

蒸汽在地面管線內流動受諸多因素的影響，為了使問題簡化，做出以下假設：①地面管線水平布置且橫截面積不變；②濕蒸汽在地面管線中的流動是一維穩態流動；③鍋爐出口蒸汽參數（注汽速率、壓力、溫度及干度）保持不變［2］。

1）地面管線熱損失計算模型地面管線內供熱介質的熱量通過管道內表面向管道外表面傳遞，然后從保溫結構的內表面傳到外表面，再從保溫結構的外表面向空氣傳遞。傳熱方式先是導熱然后是對流［3］。根據穩態傳熱理論可得熱損失基本計算公式為：

式中，Q為管線傳熱量，W；K為總傳熱系數，W／（m2·℃）；rins為保溫層外半徑，m；ΔL為單位管道長度，m；Tp為管道內介質平均溫度，℃；Ta為管道外空氣溫度，℃；ro為管線外半徑，m；ri為管線內半徑，m；λ1為管線的導熱系數，W／（m·℃）；λ2為保溫層的導熱系數，W／（m·℃）；a為保溫層外表面強迫對流換熱系數，W／（m2·℃）；a1為保溫層外表面對流換熱系數，W／（m2·℃）；a2為保溫層外表面輻射換熱系數，W／（m2·℃）。

干度可用能量平衡原理進行計算，即單位時間內熱量的損失等于單位時間內蒸汽內能的改變。在求出了管線每一點的熱損失的基礎上，可得管線中某點蒸汽干度計算式：

式中，h為蒸汽流量，kg／s；Lv為某壓力下的汽化潛熱，kJ／kg。

2）地面管線壓力降計算模型取鍋爐出口為坐標原點，蒸汽眼管線流動方向為Z軸方向，總壓降主要由摩擦阻力壓降、加速壓降組成，即：

其中，摩擦阻力壓降為：

加速度壓降為：

式（7）中若忽略混合物液相的壓縮性等因素，結合連續性方程M＝ρmvmA＝常數，可得：

并將式（6）和式（8）代入式（5）中整理可得地面管線濕蒸汽壓降計算公式：

式中，d為管線內徑，m；A為管道截面的面積，m2；fm為蒸汽流體的摩擦阻力系數，vm為蒸汽平均流速，m／s，ρm為蒸汽流體的密度，kg／m3；is為蒸汽質量流量，kg／h；qg為蒸汽體積流量，m3／h，qg＝is／ρm。

1.2 井筒傳熱數學模型

1）井筒熱損失計算模型井筒內蒸汽的熱損失比地面管線的熱損失計算要復雜得多，井筒結構如圖1所示。

假定井筒內熱損失的徑向傳熱是由油管中心到水泥環外緣（井筒內）的一維穩態傳熱和水泥環外緣到地層之間（地層內）的非穩態傳熱2部分組成。由穩定傳熱公式和Ramey近似式可得，井筒內一微元段dz的徑向傳熱量為：

式中，Te為地層溫度，℃；Ts為套管水泥環和地層交界面之間的溫度，℃；rto為油管外半徑，m；Ke為地層導熱系數，W／（m·℃）；Uto為總傳熱系數，W／（m2·℃）；f（τD）為無因次地層時間函數。文獻［4］分別列舉了4個解析關系式，其中Hasan公式計算結果最精確，因此筆者采用該公式。Hasan公式為：

τD為無因次變量：

式中，α為地層熱擴散率，m2／s；τ為計算時間，s；rh為井眼半徑，m。

套管內表面溫度為：

式中，Kcem為水泥環導熱系數，W／（m·℃）；rco為套管外半徑，m；rh為井眼半徑，m。

在井筒有隔熱管的條件下，總傳熱系數Uto為：

圖1 井筒徑向結構與溫度分布示意圖

式中，Kins為隔熱油管的導熱系數，W／（m·℃）；hc為環空熱傳導和自然對流傳熱系數，W／（m2·℃）；hr為環空輻射傳熱系數，W／（m2·℃）。

計算Uto的難點在于hc和hr的確定，因為計算hc和hr需要知道套管的溫度，而套管溫度的計算又需要計算總傳熱系數，因此總傳熱系數Uto要經過迭代確定。

2）井筒壓力降計算模型井筒中濕蒸汽壓力降由摩擦阻力壓降、加速壓降和重力壓降組成，其中摩擦阻力壓降和加速壓降與地面管線計算方法相同，因此總壓力降可以表示為：

2 軟件實現

基于上述計算模型，筆者設計并開發了注蒸汽剖面解釋軟件，該軟件是基于CIFLog基礎平臺，利用其提供的數據接口，采用Java語言在NetBeans6.8集成開發環境中開發的一個獨立的應用系統，可以分析計算注汽過程中管道與井筒的熱損失，壓力損失等參數，還能計算儲油層吸汽量、吸汽百分數并生成吸汽剖面。該軟件界面友好、操作方便、流程簡單，能夠在WindowsXP、Windows7及Windows8操作系統上運行，主要有4個功能模塊：

1）基礎參數分析。井的基本信息錄入與保存，包括井名、油層頂底深度、管柱信息、井口溫度、壓力、注汽量等參數。

圖2 地面管線熱損失計算界面

2）地面管線熱損失分析。該功能為軟件的核心部分，設置了3個頁面，包括管線參數設置、熱損失計算和曲線圖繪制，界面如圖2所示。主要采用迭代法計算地面管線的沿程壓力、熱損失、干度等參數并繪制管道熱損失、干度損失曲線圖。

3）井筒熱損失分析。該功能為軟件的核心部分，包括井筒測試數據的導入，迭代計算井筒不同深度點的套管溫度、壓力、熱損失、干度等參數，繪制井筒熱損失、干度損失曲線圖。界面如圖3所示。

4）吸汽剖面分析。包括射孔層信息錄入；渦輪流量計實測數據導入；計算各個油層吸汽百分數、吸汽量、吸汽強度等參數，自動判斷吸汽效果；計算結果表查看、修改和保存；生成吸汽剖面。

圖3 井筒熱損失計算界面

3 實例應用

哈薩克斯坦Karazhanbas油田X井的基本數據如下：

1）地面管線參數。管線長度251m，管線內直徑0.08m，管道外直徑0.09m，保溫層厚度0.01m；保溫層導熱系數0.05W／（m·℃），環境溫度2℃，當地風速0m／s，保溫層外表面黑度0.25；鍋爐出口蒸汽參數：溫度303.5℃，壓力9MPa，速率160t／d，干度26%。

2）井筒熱注參數。井眼半徑0.13m，套管外半徑0.085m，套管內半徑0.08m，油管外半徑0.036m，隔熱材料厚度0.01m，地層平均散熱系數9.972×10－7m2／s，地層導熱系數2.65W／（m·℃），水泥環導熱系數0.52W／（m·℃），隔熱材料導熱系數0.04W／（m·℃），油管外壁輻射系數0.65，套管內壁輻射系數1；地表溫度2℃，地溫梯度0.03℃／m；井口注入參數：溫度298℃，壓力8.3MPa，蒸汽干度23%，注汽時間8d。

利用解釋軟件對該井注汽過程中地面管線和井筒沿程溫度、壓力、熱損失和干度進行計算，其中地面管線計算的井口壓力溫度和干度可以與井口測試結果進行對比，對比結果如表1所示，可以看出誤差均在5%以內，計算結果可靠。由于沒有井筒現場實測數據，將結果與國外同類軟件進行了對比，如表2所示，可以看出，誤差均在4%以內。