閉式熱水循環加熱井筒傳熱過程分析

王志堅 高志衛 孫立柱

摘 要：為了提升稠油井筒加熱的經濟性，實現對井筒傳熱節能精細化管理，需要開展稠油井筒傳熱規律精細描述和運行參數優化研究。因此本文在閉式熱水循環傳統換熱模型的基礎上，對加熱井筒傳熱過程進行模擬分析。建立閉式熱水循環加熱井筒傳熱過程的物理模型、數學模型，模擬研究了能流參數對產液溫度的影響。

關鍵詞：閉式熱水循環；能流參數；產液溫度

閉式循環加熱工藝利用循環水為載體，加以隔熱管對熱水進行保溫，將熱量源源不斷的輸送到井底，使產液溫度得以提升，能夠很好的在對稠油進行保溫和降粘的同時降低注入的循環量，節約能耗的效果十分明顯。閉式熱流體循環工藝適用于原油粘度大、含蠟多、高凝固點的油井。該技術是通過在井筒中建立循環通道，通過熱流體在井筒內的循環，來實現對原油的加熱，從而防止原油析蠟凝固[1，2]。由于超稠油的特殊性質，在開采時給井筒加熱配套的需求增加很多難度，而優化運行參數是減少井筒加熱耗能的有效方法。目前電加熱運行參數優化主要依靠觀察光桿上下行變化進行摸索。閉式循環加熱技術雖然較井筒電加熱耗電量大幅下降，但循環深度、井口循環流體溫度等運行參數優化還缺少理論依據，依然有優化空間。在井筒加熱技術的應用方面，在配套決策、運行參數優化和運行時段優化等方面還有較大的提升空間。因此需要實現井筒傳熱節能精細化管理，為實現稠油井筒加熱舉升降低能耗做出一定的指導[3]。

1 物理模型

如圖1所示為閉式熱水循環結構圖，可以看到在閉式熱水循環系統中，熱源為流入保溫管的循環熱水，在循環熱水向下流動的過程中將熱能傳遞給保溫管外上反的循環水，上反液從注入液中吸收熱量再通過空心桿傳遞給油管內的油氣水混合產液，油氣水混合產液在吸收了上反液傳遞的熱量之后流動性增強，在油管內向地面舉升，產液將熱量經由油管、油套環空層、套管、水泥環最后傳向地層。

2 數學模型

2.1 數學模型

圖2所示為計算的典型的閉式熱流體循環的產液溫度分布。由圖可以看出，在非加熱段（1181～1662m），由于產液在流經井筒時將熱量散耗，產液溫度隨深度的減小而慢慢減小；當產液流經井筒加熱部分時，產液溫度明顯上升。在加熱初始階段，由于產液從上反的循環水中獲得的熱量不足以彌補產液向地層耗散的熱量，故在加熱初始階段會出現產液溫度略微下降的現象。之后，隨著井深的減小，產液與上反循環水之間的換熱量增加，產液溫度慢慢升高[4]。

2.2 傳熱系數的確定

3 能流參數計算與分析

設計條件為產油量0.87t/d，含水率0.7，油氣比15，產液的粘度14014mPa·s，油層深度1662m，動液面深度1333m，下泵深度1494m，傳熱深度為1181 m，地表溫度15℃。

3.1 注入溫度的影響

如圖4，由于循環水未將熱量傳遞給井底產液，所以在非加熱段產液溫度與原始溫度相同并未發生改變，在加熱段，由于循環水將熱量傳遞給了產液，所以產液在吸收熱量之后溫度逐漸上升，且循環水的注入溫度越高產液溫度也將越高[6]。

3.2 循環量的影響

圖5循環水的循環量對產液溫度沿井深分布的影響曲線。由圖可以看出：在非加熱段產液溫度與原始溫度相同并未發生改變。在加熱段，由于循環量增大使得循環水的溫度也相應升高，進而使得循環水將更多的熱量傳遞給產液，因此，加大循環水的流量可以使產液溫度相應升高[7，8]。

3.3 產出液量的影響

由圖6可以看出，產出液量的變化對井筒溫度分布的影響分為兩個部分，加熱段以下產出液溫度隨著產出液量的增大而增大。加熱段部分，隨著產液量增大，每增大1℃所消耗的熱流增大，而熱流體攜帶的熱量是一定的，所以產出液溫度隨產液量增大而減小。特別的，當產出液量非常小時，由于產出液流動太慢，使得各段傳熱系數減小，減弱傳熱效果。盡管加熱開始階段產液溫度高，但由于傳熱系數小，產出液溫度降低[9]。

4 結論

本文通過建立閉式熱水循環加熱井筒傳熱過程的物理模型、數學模型以及計算幾種能流參數（循環水注入溫度、循環水循環量、產出液量）對產液溫度的影響，來分析幾種參數對油井溫度分布的影響。得到以下結論：

1）隨注入溫度的升高，非加熱段時三種循環水溫對產液溫度的影響不明顯，但在加熱段，因為產液吸收溫度后溫度上升，所以循環水注入溫度越高相應產液溫度也將越高；

2）與循環水注入溫度的影響相同，在非加熱段產液溫度與原始溫度相同并未發生改變。而加熱段，隨循環水量的增加，循環水溫也升高，因此增加循環水量會提高產液溫度；

3）在加熱段，產液量溫度與產出量成正相關，隨產液量的增加，產出液反而減小，并且，當產出液量極小時，產出液流速較小，導致傳熱效果較差，產出液溫度降低。

參考文獻

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[2]劉廣友.熱流體閉式循環井筒的加熱降黏.油氣田地面工程，2014（6）：106-106.

[3]董睿，司江濤，郭濤，等.密閉熱水循環降粘工藝的改進與應用.石油礦場機械，2011，40（5）：81-82.

[4]梁金國，張炘.空心抽油桿閉式熱載體循環井溫計算與采油工藝研究.2006.

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[7]張洪寶.稠油熱采閉式熱流體循環井筒溫度場分析.工業，2016（11）：00061-00061.

[8]向剛.稠油井桿中管摻熱流體閉式循環舉升工藝設計.中國石油大學（華東），2011.

[9]宋輝.高凝稠油油井瞬態溫度場研究.石油鉆采工藝，2004，26（s1）：1-4.

作者簡介

王志堅（1968-），高級工程師，新春公司采油工程首席專家，主要從事采油工藝技術及采油工程管理工作。