耐高溫封隔器熱分析研究

楊萬有，牛貴鋒，2

耐高溫封隔器熱分析研究

楊萬有1，牛貴鋒1，2

（1．中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452；2．西南石油大學機電工程學院，成都610500）

蒸汽吞吐井井筒溫度分布研究是進行耐高溫封隔器密封單元設計的基礎。為了比較準確地確定蒸汽參數分布、熱采封隔器的溫度分布以及熱損失，對注汽井內耐高溫封隔器溫度分布進行精細模擬計算。根據傳熱學、熱力學和兩相流理論，通過數值求解，可以確定封隔器承受的溫度分布。對封隔器-套管-水泥環-地層系統溫度分布進行了詳細闡述，為海上油田稠油熱采井下工具的設計提供理論指導。

稠油熱采；注蒸汽；熱力分析；耐高溫封隔器

在海上油田稠油開采過程中，由于受到環境條件、作業空間、操作成本等因素的影響，陸地油田常規熱采開發方式和工藝技術的應用受到很大限制，其開采難度遠遠高于陸上稠油油田。目前，渤海海域已發現了豐富的稠油儲量，如何高效、低成本地開發這些資源是海上稠油油田面臨的難題和挑戰。

為了實現海上稠油油田的高效開發，探索適用于海上稠油油田的熱采工藝技術，在渤海灣M油田開展了海上稠油蒸汽吞吐采油的礦場試驗并取得了成功。海上稠油蒸汽吞吐采油技術是將高溫高壓的水蒸汽、熱水等熱流體注入地層，通過加熱降黏及注汽提高采收率等機理實現稠油井高效開發的一種方法［1］。在采油過程中，高溫流體通過油管注入地層，井底套管、水泥環和地層溫度升高，由于套管和水泥環或地層的膨脹系數不同，從而有可能因套管與水泥環因受熱伸長量的不同，致使膠結面失效，存在氣竄的隱患。同時，井筒內的高溫對井下采油工具的耐溫性能提出更高的要求。特別是對于耐高溫封隔器，若封隔器的溫度過高，則易引起封隔器橡膠的老化，致使封隔器坐封失效，甚至無法坐封，影響油田生產。因此，有必要開展稠油熱采過程中封隔器-套管-水泥環-地層系統的溫度場數值模擬研究，分析封隔器、套管、水泥環和地層巖石在注采過程中的溫度變化規律，為海上油田稠油熱采井下工具的設計提供理論指導。

1 耐高溫封隔器熱分析原理及有限元模型

1．1 三維傳熱數學模型［2-5］

采用Green和Naghdi能量平衡方程，有

熱傳導傅里葉定律為

由標準伽遼金方法得到的能量平衡方程為

式中：V為物質體積；S為物質表面積；ρ為物質密度；U 為內能的材料時間變化率；q為單位面積上物體內部的熱流量；r為單位體積上由外部流向物質內部的熱流量；f為熱流量；x為坐標位置；k為熱傳導矩陣，是溫度θ的函數；δθ為滿足邊界條件的任意場變量。

1．2 有限元模型建立

1．2．1 模型簡化

耐高溫熱采封隔器結構較為復雜，為了便于有限元模型的建立，節約計算量，需要對其進行結構簡化［6-7］。去除耐高溫熱采封隔器中的局部結構，保留封隔器膠筒、封隔器卡瓦、封隔器內蒸汽通道、封隔器內電纜孔和封隔器內部分空隙。同時，由于分析耐高溫熱采封隔器的溫度場分布時，必須同時考慮環空-套管-水泥環-地層系統的影響，因此建立了耐高溫熱采封隔器熱分析的有限元簡化模型，如圖1所示。

圖1　簡化后的坐封封隔器模型（剖視圖）

1．2．2 有限元模型

為了模擬耐高溫熱采封隔器-套管-水泥環-地層系統的溫度場分布，建立了系統的有限元分析模型，如圖2所示。

圖2　耐高溫封隔器熱分析的有限元模型

為了便于材料屬性的賦予，將封隔器的所有鋼制材料建立成為1個部件。蒸汽通道專門建立1個部件，以便于網格的劃分。將電纜孔、封隔器內蒸汽管外側的空腔、封隔器下方與卡瓦之間的環空和卡瓦下方的環空視為充滿井液，建立成井液部件。封隔器上方充滿氮氣的環空、封隔器內的2個空隙、封隔器膠筒、套管、水泥環、地層分別建立成1個部件。將以上所有部件裝配即建立了耐高溫熱采封隔器-套管-水泥環-地層系統熱分析的有限元模型。耐高溫封隔器坐封于?244．5 mm（9英寸）套管內，井眼尺寸為?311．2 mm（12英寸）。蒸汽溫度為350℃，地層溫度為20℃。均采用二階DC3D8六面體單元，該類型的傳熱單元含有8個網格節點，具有較好的適應性。為了數值模擬的準確性，對封隔器、氮氣層、套管和水泥環處網格進行加密，共劃分二階四面體網格單元119 840個。模型中多個接觸區域采用共節點劃分方法，例如：井液、封隔器、氮氣層、套管、水泥環和地層兩兩交界面處，采用共點方式實現熱傳導，在不影響計算結果的情況下，大幅節約了計算時間，也使模型簡化。350℃高溫從蒸汽通道內傳入，整個模型的初始環境溫度為20℃。

封隔器鋼材料、蒸汽管、封隔器膠筒、井液、氮氣層、套管、水泥環和地層的參數如表1所示。

表1　耐高溫熱采封隔器-套管-水泥環-地層系統參數

2 耐高溫熱采封隔器熱分析結果

對整個系統進行熱計算分析，耐高溫封隔器承受熱的作用，受力情況復雜［8］。耐高溫熱采封隔器-套管-水泥環-地層系統的溫度場如圖3所示；耐高溫熱采封隔器的溫度場如圖4所示；耐高溫熱采封隔器膠筒的溫度場如圖5所示；耐高溫熱采封隔器蒸汽管的溫度場如圖6所示。

圖3　耐高溫熱采封隔器-套管-水泥環-地層系統的溫度場

由圖3可知：在封隔器膠筒上方，由于氮氣注入封隔器與套管之間的環空，井眼周圍水泥環和地層溫度較低，這是由于氮氣的絕熱性能要優于井液所致。在封隔器膠筒處井眼周圍的溫度也略有減小。

圖4　耐高溫熱采封隔器的溫度場

由圖4可知：在耐高溫熱采封隔器的上方溫度較高，下方溫度較低，這是由于井液的導熱性能高于氮氣，致使溫度向套管-水泥環-地層擴散。

圖5　耐高溫熱采封隔器膠筒的溫度場

由圖5可知：耐高溫熱采封隔器膠筒的溫度為153．9～349．0℃，靠近蒸汽通道一側的溫度高于另一側溫度；膠筒外側的溫度要明顯低于膠筒內側的溫度，這是由于膠筒具有較強的隔熱能力所引起的，外側溫度約為內側溫度的1／2。

圖6　耐高溫熱采封隔器蒸汽管的溫度場

由圖6可知：耐高溫熱采封隔器蒸汽通道的溫度分布與膠筒的類似，也是上方溫度較高，下方溫度較低，但其整體溫度均高于膠筒的溫度。

3 結論

1)建立了耐高溫熱采封隔器-套管-水泥環-地層系統的熱分析有限元模型。

2)耐高溫封隔器膠筒的溫度為153．9～349．0℃，靠近蒸汽管一側的溫度高于另一側溫度；膠筒外側的溫度要明顯低于膠筒內側的溫度，這是由于膠筒具有較強的隔熱能力所引起的，外側溫度約為內側溫度的1／2。

3)在耐高溫封隔器的上方溫度較高，下方溫度較低。耐高溫封隔器蒸汽通道的溫度分布與膠筒的類似，也是上方溫度較高，下方溫度較低，其溫度為336．9～350．0℃。

［1］陳月明．注蒸汽熱力采油［M］．東營：石油大學出版社，1996．

［2］王照亮，梁金國．注汽井井筒溫度分布的模擬計算［J］．石油大學學報，2003，27（1）：91-94．

［3］陳建濱．濱南單56塊注汽井筒熱力分析與隔熱技術評價［D］．北京：中國石油大學，2007．

［4］王照亮，梁金國．一種求解復合圓筒壁非穩態導熱問題的新方法［J］．石油大學學報，2005，29（2）：89-92．

［5］陳勇，練章華，劉永輝，等．熱采井井筒熱應力耦合的數值模擬［J］．石油礦場機械，2007，36（6）：3-6．

［6］石亦平，周玉蓉．ABAQUS有限元分析實例詳解［M］．北京：機械工業出版社，2006：209-225．

［7］馬春紅．注汽井氮氣隔熱效果數學物理模擬研究［J］．石油大學學報，2005，29（5）：62-66．

［8］高學仕，潘迪超．熱采井筒瞬態溫度場的數值模擬分析［J］．石油大學學報，2001，25（2）：67-69．

Thermal Analysis on High Temperature Packer

YANGWanyou1，NIUGuifeng1，2
（1．Ener Tech-Drilling&Production Co．，CNCCC，Tianjin 300452，China；2．College of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum Uniuersity，Chengdu 610500，China）

A study of steam huff-puff wells well bore temperature distribution is the basis of high temperature resistance packer unit design．In order to determine the steam distribution，temperature distribution of heat recovery packer and heat loss more correctly，a stimulation calculation has been made for high temperature packer temperature distribution in steam injection well．Based on heat transfer，thermodynamics and two-phase flow theory，and through numerical solution，the packer resistance in temperature distribution can be determined．The temperature distribution along packer-casing-cement sheath-stratum system is introduced in detail，which can be used as theory base for heavy oil thermal recovery on offshore oil field．

heavy oil thermal recovery；steam injection well；thermal analysis；high temperature packer

TE931．2

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．017

1001-3482（2015）04-0070-04

2014-10-21

國家科技重大專項“海上稠油熱采采油技術研究”（2011ZX05024-005-003）

楊萬有（1967-），男，黑龍江拜泉人，高級工程師，碩士，主要從事油氣田開發與開采方面的研究及管理工作，E-mail：yangwy3＠cnooc．com．cn。