高凝油井筒溫度分布的影響因素

陳　曦，王常斌，郭道宏，蔡　亮，于　濤

（1．東北石油大學石油工程學院，黑龍江　大慶163318；2．中國計量學院　計量測試工程學院，杭州310018；3．遼河油田公司沈陽采油廠，遼寧　新民110316）①

高凝油井筒溫度分布的影響因素

陳曦1，王常斌2，郭道宏3，蔡亮1，于濤1

（1．東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶163318；2．中國計量學院計量測試工程學院，杭州310018；3．遼河油田公司沈陽采油廠，遼寧新民110316）①

井筒溫度分布是高凝油冷采工藝可行性研究的一個重要參數。運用傳熱學和兩相流的基礎理論，根據能量守恒定律建立了高凝油常規冷采時的井筒溫度分布模型，研究了產液量、含水率、隔熱油管導熱系數、隔熱油管下深以及動液面位置對井筒溫度分布的影響。結果表明，產液量、隔熱油管導熱系數、隔熱油管下深以及動液面位置對井筒溫度分布的影響較大，而原油的含水率對井筒的溫度分布基本無影響。

高凝原油；隔熱油管；溫度分布；影響因素

高凝油流動性差，屬黏塑性非牛頓流體，對溫度有較強的敏感性［1］，如溫度增加8～9℃，黏度可減少一半［2］。高凝油的這一特點使得稠油熱采技術成為世界上提高稠油采收率實際應用規模最大且效果最好的開采技術［3］。沈陽油田是國內最大的高凝油生產基地，主要采用井筒拌熱舉升工藝開采，但該工藝能耗較高［4］。隨著油井進入中、高含水期，油、水在井筒中處于分離狀態；低能耗采油工藝的研究進入一個新的階段，而冷采的技術關鍵是保證高凝油從井筒到地面的全過程溫度高于凝固點［5］。

1　數學模型

1．1 井筒溫度場控制方程

假定井筒內的傳熱方式為傳導和對流換熱，井筒內流體為連續介質；應用連續介質中的能量方程，可得生產油井井筒內的溫度場在二維柱坐標系下的控制方程為［6］

式中：λ1為流體的導熱系數，W／（m2·℃）；ρ1為流體密度，kg／m3；vz為流體沿井筒向上的運動速度，m／s；T為溫度，℃；z為軸向坐標；r為徑向坐標；t為時間，s；c1為流體熱容量，J／（mol·℃）。

由于靠近井底的一層圍巖對應的井筒內的流體沒有流動，所以沒有對流傳熱［7］，故將井筒內這一段溫度場的傳熱看成只有導熱過程的傳熱。這一段溫度場的控制方程為

1.2 井軸溫度場控制方程

由于井軸處的情況較為特殊，為絕熱邊界條件，

生產油井井筒內井軸處溫度場的控制方程為

與底層圍巖對應的井筒內井軸處溫度場的控制方程為

穩態傳熱是指溫度場不隨時間變化的物體內部所進行的熱傳遞過程，基本假設條件是：在任一時間內，通過每個熱阻的熱量都相等，總溫降等于各個熱阻溫降之和［8］。地層流體在進入井筒以后，在垂直舉升的過程中，注入流體、產出液和地層之間要不斷進行熱量交換，最終達到穩定狀態，假設油井井筒中流體與流體及流體與地層之間的熱傳遞過程為穩態傳熱過程，井筒單元徑向熱流量Qs與油管中產液溫度To和套管外水泥環、地層交界面之間溫度Th的差值（To－Th）成正比，也與該單元段長Δl形成的油管外表面積（2πDtoΔl）成正比，即：

式中：Qs為熱流量，W；Dto為油管外徑，m；Ut為油管中流體與水泥環上表面的總傳熱系數，W／（m2·℃）；To為油管中流體的溫度，℃；Th為套管外水泥環、地層交界面之間溫度，℃。

通過井筒管壁、套管壁及水泥環的熱流是以熱傳遞方式發生的［9］，根據多層圓筒壁傳熱原理可得相應的熱流量方程。

通過油管壁的熱流量：

式中：Dti為油管內徑，m；Tt1為油管內壁溫度，℃；Tto為油管外壁溫度，℃；λtub為油管導熱系數，W／（m·℃）。

通過套管壁的熱流量：

式中：Dco為套管外徑，m；Dci為套管內徑，λcas為套管導熱系數，W／（m·℃）。

通過水泥環的熱流量：

式中：Dh為井徑，m；λcem為水泥環導熱系數，W／（m·℃）。

整個井筒傳熱系統的溫度變化可表示為

由穩定傳熱假設［10］，式（6）～（8）中的Qs應相等，將方程式中的溫度帶入式（9）可得：

單位面積井筒總傳熱系數可表示為

式中：hf為油管中流體與油管壁間的傳熱系數，W／（m2·℃）；hr為環空流體輻射傳熱系數，W／（m2·℃）；hc為環空流體對流傳熱系數，W／（m2·℃）。

2　影響因素分析

2．1 產液量的影響規律

油井產量對井筒溫度有很大的影響。產量高，流速就高，單位時間內補充的熱流量就大，井筒溫度就高。為研究流量對井筒溫度分布的影響規律性，根據井筒傳熱模型，在其他條件相同的情況下，計算了5個產量值的井筒溫度分布，產液量對于井筒溫度分布的影響曲線如圖1所示，其中1000m處的拐點為動液面處，下同。

圖1　產量對井筒溫度分布的影響

由圖1可見，產液量對井溫分布的影響很大，是影響井筒溫度的重要因素。此外，在不同深度處產液量對井筒溫度的影響是不同的，越是接近井口，產液量的影響越重要。因此，提高油井產量，井口溫度大幅升高。

2．2 含水率的影響規律

含水率的影響表現在油水混合物的水當量上。在其他條件相同的情況下，對含水率不同的油井進行了計算，如圖2所示。

計算結果表明，含水在86%～94%，含水率的增大使井筒溫度有所上升，但變化幅度不大。這是因為隨著含水率的增大，混合物的比熱容和導熱系數同時增大，使得其對于井筒溫度的影響相互抵消。

2．3 動液面的影響規律

高凝油的舉升工藝采用有桿泵采油。以動液面為界，在同等條件下，由于動液面上下的傳熱條件不同，必將影響井筒的溫度分布；動液面位置對井筒溫度分布的影響如圖3所示。

圖2含水率對井筒溫度分布的影響

圖3　動液面位置對井筒溫度分布的影響

由圖3可見，動液面位置不同，對井筒溫度分布的影響很大；隨著動液面深度的增加，井筒溫度升高。這是由于動液面的存在，在油、套環形空間中存在一定高度的油水混合物，由于液體的導熱系數遠大于氣體，使得在動液面以下管段比動液面以上管段的傳熱量大，因此，動液面高度越高，井筒溫度越低。

2．4 隔熱油管導熱系數的影響規律

油田中油管的種類繁多，各油管的導熱系數也不盡相同。在其他條件相同的情況下，本文采用5種導熱系數的油管計算其下入時的井筒溫度分布情況，計算結果如圖4所示。

圖4　保溫管的導熱系數對井筒溫度分布的影響

由圖4可見，隔熱油管導熱系數對于井筒溫度分布的影響較大，隨著保溫油管導熱系數的減小，井筒溫度升高；這種影響在導熱系數為0．05W／（m·℃）以下時更為明顯，隨著導熱系數的減小，井筒溫度變化趨勢變大。

2．5 隔熱油管下入深度的影響規律

隔熱油管下入深度不同，井筒的溫度分布就不同，井口的剩余溫度也將有很大的差別。對不同保溫管下入深度下的井筒溫度進行分段計算，控制其他條件不變，井筒溫度如圖5所示。

由圖5可見，隔熱管的下入深度對井筒溫度分布的影響非常大。隨著隔熱管下入深度的增加，井筒的溫度明顯上升，這也是高凝油實現常規冷采的重要因素。

圖5　隔熱管下入深度對井筒溫度分布的影響

3　實例計算

為驗證計算模型的準確性，對遼河油田沈陽采油廠的10口油井進行計算，其中D ti＝62mm，D to＝73mm，D ci＝127．3mm，D co＝139．7mm，λtub＝0．03W／（m·℃），λcem＝0．9W／（m·℃），其他參數根據各井實際情況選取，計算結果及現場實測溫度值如表1所示。

由表1可知，選取的計算模型及各項參數符合遼河油田沈陽采油廠的實際情況，計算與實測的平均誤差為4．3%。

表1　實驗井井口實測溫度與計算溫度

4　結論

1） 產液量對產出液溫度的影響較大。產液量越大，產出液溫度越高。

2） 含水率對產出液溫度的影響極小。但總體趨勢是隨著含水率的增大產液溫度升高。

3） 動液面深度對產出液溫度的影響較大。隨著動液面深度的增加，產出液溫度明顯上升。

4） 隔熱油管的導熱系數是影響產出液溫度的重要因素。保溫管導熱系數越小，產出液溫度越高，沈陽采油廠選用的C級保溫管保溫效果較好。

5） 隔熱油管的下入深度對于產出液溫度的影響非常大，是實現常規冷采的重要因素。

6） 選取的計算模型及相關參數符合遼河油田的實際情況，為遼河油田沈陽采油廠高凝油常規冷采提供參考。

［1］ 夏洪權，李輝，劉翎，等．稠油拐點溫度測算方法研究［J］．特種油氣藏，2006（6）：49－51．

［2］ 譚克，王帥，曹放．稠油、超稠油熱采技術研究進展［J］．當代化工，2014（1）：9799．

［3］ 龐永鑫．淺析現行主要稠油熱采技術及發展趨勢［J］．中國石油和化工標準與質量，2013（7）：159．

［4］ 王立軍．沈陽油田采油工藝發展及工藝措施方向［J］．特種油氣藏，2005，12（增刊）：6670．

［5］ 張琪．采油工程原理與設計［M］．東營：中國石油大學出版社，2003．

［6］ Kaviany M．Principles of heat transfer［M］．New York：John Wiley＆Sons，Inc．2002．

［7］ 任瑛，梁金國，楊雙虎．稠油與高凝油熱力開采問題的理論與實踐［M］．北京：石油工業出版社，2001．

［8］ 唐曉東，陳廣明，王治紅，等．注空氣開采海上稠油井筒傳熱模型研究［J］．特種油氣藏，2009（1）：8791．

［9］ Jakob M．Heat transfer［M］．New York：John Wiley＆Sons，Inc．1949．

［10］Patankar S V．傳熱與流體流動的數值計算［M］．張政譯．北京：科學出版社，1984．

①

Influence Factors of Wellboretemperature Distribution of High Pourpoint Oil

CHEN Xi1，WANG Changbin1，GUO Daohong2，CAI Liang1，YU Tao1
（1．College of Petroleum Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China；
2．College of Metrological and Measurement Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China；3．Shenyang Oil Production Plant，Liaohe Oilfield Company，Xinmin 110316，China）

Wellboretemperature distribution is an important parameter in feasibility study of cold production of high pourpoint oil．The wellboretemperature distribution model in conventional cold production of high pourpoint oil was established by using the basic theory of heat transfer and twophase flow as well as the law of conservation of energy．On this basis，the liquid production，water cut，thermal conductivity of heatresistant tube，setting depth of heatresistant tube and working fluid level position in order to find the effects of them on wellboretemperature distribution were studied．The results show that liquid production，thermal conductivity of heatresistant tube，setting depth of heatresistant tube and working fluid level position have great influence on wellboretemperature distribution，while water cut makes no difference basically．The results above can be offered as a reference for conventional cold production process of high pourpoint oil．

high pourpoint oil；heatresistant tube；produced fluid temperature；influence factor

TE931．2

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．09．004

1001－3482（2015）09－0014－05

①2015－03－24

陳 曦（1990－），黑龍江大慶人，碩士研究生，主要從事復雜流體流動的研究，E－mail：chenxi1202179＠126．com。

2015－05－18

黑龍江省高校科技成果產業化前期研發培育項目（1253CGZH24）

任福深（1976-），男，遼寧遼陽人，教授，博士生導師，主要從事石油機械設計理論與控制研究，E-mail：renfushen ＠126．com．