空心抽油桿熱水循環工藝用于稠油開采的影響因素研究

王小兵，王多琦，李 森，龔浩宇，劉 陽，呂雷綱，杜明智

常州大學石油工程學院，江蘇常州 213016

在油田開采過程中，當原油從井底流向井口時，由于地層溫度不斷遞減，在油管壁和抽油桿上易出現結蠟現象[1]。空心抽油桿（以下簡稱空心桿） 熱水循環技術可以對井下油管、套管及原油進行加熱，防止稠油結蠟現象的發生，在降低采出液黏度的同時，也極大地提高了原油采出率[2]。遼河油田坨28-35 井中原油50 ℃時的黏度為115.7 mPa·s，其凝固點為28 ℃，屬于稠油、中凝油。為實現對稠油、高凝油的有效舉升[3-7]，空心桿熱水循環技術利用地面加熱鍋爐將循環水加熱至一定溫度，再由循環水泵將熱水以一定的流速在空心內管與空心桿間循環并與油管內的地層產出流體進行熱交換，以此來提高產出液溫度[8]。

本文以遼河油田坨28-35 井為實例，根據井深結構特點，建立起在無限大地層條件[9-10]下的多物理場耦合模型[11]。通過對數值模擬結果的分析得出不同注入水溫度、產液量、動液面位置，以及空心內管、空心桿及油管內液體的溫度變化情況[12]，這對實際生產工作有重要的指導作用。

1 數值模擬

根據無限大地層及井下空心桿熱水循環系統結構的特點，考慮注入熱水以及采出液的流體物性參數，設計相應的模型，利用模擬軟件對模型進行流體和傳熱的耦合[13]。首先，建立起井下部分結構幾何模型；然后，進行網格劃分、邊界條件的設定、數值模擬，對模擬結果進行可視化后處理，完成圖表及曲線的繪制及描述；最后，與遼河油田坨28-35 井的實際生產數據進行對比，以此來檢驗數值計算結果是否合理。

為簡化計算，本文假設：流體在流動過程中與井壁不發生摩擦生熱，地層為均質地層，地層溫度分布是線性的，只考慮溫度場在井筒徑向方向上的變化，不考慮沿垂直井軸向方向的變化，井筒及地層內的傳熱均為穩態傳熱[14]。

1.1 幾何模型

為保障計算結果的可靠性，建立起與遼河油田坨28-35 井井下結構參數相同的熱水循環工藝簡化幾何模型（見圖1），模型由空心內管、空心桿、油管、隔熱層、套管、水泥環及外部巖層構成。

圖1 熱水循環工藝簡化模型

1.2 控制方程

本文設定注入熱水的傳熱方式為熱傳導和對流換熱問題，且注入水和產出液也以湍流的形式進行流動，具體所需的控制方程如下。

湍流控制方程：

式中：ρ 為流體密度，kg/m3；u 為流速，m/s；g 為重力加速度；m/s2；F 為體積力矢量，N/m3；I 為單位張量；K 為黏性應力張力，Pa；p 為壓力，Pa；ε 為湍流耗散率；k 為湍流動能，J；μ 為流體動力黏度，Pa·s；μt為湍流動力黏度，Pa·s；T 為溫度，K；Pk為流體平均速度梯度而引起的湍流動能的產生項；σk為模型常數，取1.0；σε為模型常數，取 1.2；Cε1為模型常數，取 1.43；Cε2為模型常數，取1.92；Cμ為模型常數，常取0.09。

傳熱控制方程：

式中：ρ0為流體密度，kg/m3；Cp為介質定壓比熱容，J/（kg·K）；q 為熱流密度，J/（m3·K）；Q 為熱源項，W/m3；δ 為導熱系數，W/（m·K）。

1.3 網格劃分

由于實際部分的幾何結構較小，因此計算的網格選擇采用較細化網格形式，并對流體變化較復雜的地方進行邊界層加密，對于在井底流體流動復雜區域和無限大地層域網格的劃分采用自由三角形網格，然后通過映射完成剩下域的網格劃分（見圖2）。

圖2 部分網格劃分示意

1.4 邊界條件設定

本文研究的是在穩態情況下油井徑向方向的對流換熱問題，邊界條件根據空心桿熱水循環系統的實際參數進行設定，計算所需基礎數據按照遼河油田坨28-35 井實際生產參數進行相應的調整。

基礎數據：注入速率為24 m3/d；地溫梯度為0.03 ℃/m；空心桿熱水循環系統井下結構參數及物性參數見表1、2。

表1 井下結構參數

表2 井下物性參數

2 不同注入水溫度對井筒溫度場影響結果分析

2.1 不同注入水溫度對井筒溫度場分布的影響

為分析注入水的溫度對井筒溫度場分布的影響，設定在相同地溫梯度下，井口注入速度及其他工況一定的情況下，對比不同注入水溫度（65、70、80、90、100 ℃） 下的井筒內不同部位（空心內管、空心桿和油管） 內流體的溫度分布情況（見圖3 ～5），以此分析不同注入水溫度對采出液加熱降黏機理及效率的影響。

圖3 不同注入水溫度對空心內管內液體溫度的影響

圖4 不同注入水溫度對空心桿內液體溫度的影響

圖5 不同注入水溫度對油管內液體溫度的影響

由圖3 可以看出，在其他邊界條件和工況相同的情況下，空心內管內液體溫度場最主要的影響因素是井口注入水溫度，空心內管的流體整體溫度隨著注入水溫度的提高而上升；當注入水溫度不同時，空心內管內的液體溫度變化趨勢基本一致，而隨著井深的增加地層溫度升高，空心內管內的液體受到地層溫度的影響，溫度的減小趨勢也越來越緩慢；當注入的液體接近井底時，由于空心內管內液體溫度與地層溫度差越來越小，則液體溫度逐漸趨于穩定。

空心內管內的液體注入到井底后，通過空心桿返排出井口，通過圖4 可知不同溫度的注入水從井底到井口排出的過程中，溫度變化的趨勢均為上升。溫度為100、90、80 ℃的注入水從井深1 200 m到1 000 m 的注入過程中，溫度變化趨勢是先小幅度的降低，然后達到穩定，這是由于在其他外界條件一定的情況下，影響空心桿內液體溫度的主要因素分別是注入水溫度、地層溫度和空心內管溫度，在1 200 m 井深處的地層溫度大約是55 ℃左右，而溫度為100、90、80 ℃的注入水到達井底處的溫度依然大于井底處的地層溫度，所以上排階段是液體對地層的放熱過程；溫度為65 ℃和70 ℃的注入水在井深為1 200 m 到1 000 m 這個范圍內，在地層溫度和空心內管溫度兩者作用下，溫度基本保持不變；從井深1 000 m 到井口這段距離內，不同溫度的注入水整體溫度均處于上升趨勢，這是由于空心內管內液體在外界環境的作用下整體處于放熱狀態，隨著距離井口越近，空心內管內液體的溫度越高，對空心桿內液體的影響也越明顯，所以在同一井深處空心內管內注入水的溫度越高對相同位置處空心桿內的液體加熱現象也越顯著。

了解油管內液體的溫度場的變化，對無限大地層中的稠油降黏及防止油管管壁處結蠟有重要的意義。由圖5 可知，當注入水溫度為65 ℃和70 ℃時，油管內液體溫度整體的變化幅度不大。從井深1 200 m 到1 100 m 井深段，溫度曲線呈現出上升趨勢。在1 000 m 到600 m 井深段注入水為70 ℃時的油管內液體溫度基本保持穩定狀態，而注入水為65 ℃時液體在這個階段內溫度有小幅度的下降，這是由于油管內液體溫度的主要影響因素是地層溫度、空心內管的溫度和空心桿的溫度，在相同井深處地層溫度是相等的，在這個井段，注入水溫度為70 ℃時，油管內液體對地層的放熱和吸收來自空心桿內液體的熱量，通過兩個過程作用，使得油管內溫度處于平衡狀態，所以溫度可以基本維持不變[15]；在注入65 ℃的熱水時，通過空心桿內液體所吸收的的熱量少于油管對地層釋放的熱量，所以油管內液體溫度會有微小的下降；同理可以得出，當注入水溫度為80、90、100 ℃時，油管從空心桿處吸收到的熱量明顯大于向地層釋放熱量，因此這3 條溫度曲線整體的上升速率越來越大，而且注入溫度越高，從井底到井口上升的速率也越快。5個不同溫度注入水到達井底的溫度相等是因為在1 200 m 處油管的溫度等于此處的地層溫度。

2.2 不同產液量對井筒溫度場分布的影響

為研究油管產液量對井筒內空心內管、空心桿和油管內液體溫度分布的影響規律，本文設定注入水溫度為90 ℃、油管液體含水率為50%，以及其他影響因素和外界條件一定的情況下，計算了6 個不同產液量 （5、10、15、20、25、30 m3/d） 對井下系統的影響規律，見圖6 ～8。

圖6 不同產液量對空心內管內液體溫度的影響

圖7 不同產液量對空心桿內液體溫度的影響

圖8 不同產液量對油管內液體溫度的影響

由于圖6 可見，當油管產液量不同時，空心內管內液體的溫度變化趨勢基本一致，產液量越大空心內管內液體的溫度下降速率越大，到達井底時空心內管內液體的溫度也越低。這是由于隨著產液量的增高，油管內液體攜帶走油管周圍環境的熱量也增多，油管附近的溫度與空心內管的溫差增大，使得空心內管沿程熱量耗散的也越多，溫度整體下降的速度也越快。同時可以發現，隨著產液量的增加，空心內管內液體的溫度變化曲線逐漸放緩，說明產液量增加到一定值后，空心內管內液體的溫度也不再隨產液量的增加而降低。

由圖7 可知，不同產液量對空心桿內液體溫度整體的影響趨勢基本一致。隨著井深的增加，空心桿內液體溫度逐漸減小。在其他外界條件不變的情況下，影響空心桿內液體溫度最重要的三個因素分別是空心內管的溫度、油管的溫度以及地層溫度，空心內管整體溫度大于空心桿溫度，所以空心桿從空心內管處吸收熱量，同理空心桿整體溫度大于油管溫度，油管從空心桿處吸收熱量。隨著井深的增加，地層溫度逐漸增大，當空心桿溫度大于地層溫度時，空心桿向周圍地層環境放熱；當空心桿溫度小于地層溫度時，空心桿向周圍地層環境吸熱。在同一井深處地層的溫度是定值，而且注入水的溫度也恒定，隨著產液量的增加，在同一地層深度處空心桿內的溫度反而降低，說明產液量越高，油管內液體與周圍環境熱交換的速度也越快，攜帶走周圍環境熱量也越多，使得油管周圍環境的溫度也越低，空心桿與周圍環境的溫差變大，所以更容易發生熱量傳遞，而空心桿內液體的溫度也更低。隨著產液量的進一步增加，空心桿內液體的溫度變化幅度越來越小，最后逐漸趨于平衡。這個原因與空心內管情況相似，都是由于隨著產液量增加，油管內液體攜帶走的熱量達到飽和狀態，最后達到穩定，空心桿與周圍環境的溫差達到恒定，空心桿內流體的溫度不再隨產液量的增加而發生變化。

從圖8 可以發現，產液量的不同對油管溫度影響較為直接。從井底到井口，油管內液體溫度變化趨勢逐漸增大。當產液量不同時，從井深1 000 m到井口這個過程中，產液量越大，油管內的溫度變化曲線越平緩，且井口與井底溫差越小。在同一地層深度處，產液量越高，油管內液體的溫度越低，而且溫度的下降速率逐漸減緩，這是由于產液量越大，在相同管徑的油管內液體的流速也越快，熱交換不夠充分，因此流體的整體溫度也就越低。從井深1 200 m 到井深1 000 m 這段范圍內，產液量為5 m3/d 的溫度上升的速率最大，隨著產量的增加，溫度上升速率逐漸減小，說明此井段在地溫和加熱系統共同作用下，產量較少時油管內流體更容易被升溫。而且從圖8 可以得出，從井底到井口整個井段，產液量與油管內液體溫度幾乎不呈線性關系。

2.3 不同動液面深度對井筒溫度場分布的影響

遼河油田坨28-35 井對于稠油的開采方式為有桿泵采油，而動液面位置不同，勢必會影響井筒環境的導熱系數，動液面的深度對井下加熱系統各部分的影響如圖9 ～11 所示。

如圖9 所示，不同動液面深度對空心內管的溫度影響不大，動液面深度越小，空心內管的溫度下降速率越快。這主要是由于液體與空氣的導熱系數的不同，而動液面的變化對油管內液體溫度影響最大，進而對空心桿內液體溫度產生影響，空心桿溫度的變化又會對空心內管內液體溫度產生影響。

圖9 不同動液面深度對空心內管內液體溫度的影響

圖10 不同動液面深度對空心桿內液體溫度的影響

圖11 不同動液面深度對油管內液體溫度的影響

如圖10 所示，相比于空心內管，動液面深度的變化對空心桿內液體溫度的影響較為明顯。隨著動液面深度的增加，即動液面位置越靠近井底。空心桿內液體溫度下降的速率逐漸減緩。這是由于，動液面的變化對油管溫度影響最為直接，油管內液體的溫度變化又會對油管周圍環境產生影響，進而影響空心桿溫度發生變化。

從圖11 可以發現，動液面深度的不同對油管內液體溫度的影響最為明顯，隨著井深的增加油管內液體的溫度整體變化都有所下降，且動液面深度越小，油管溫度下降越快。當動液面深度為900 m 時，從井口到井深900 m 這個井段都沒有液體存在，所以影響油管溫度的因素主要是地層溫度與空心桿溫度，其次是油管和套管環形空間中的油水混合物也會對周圍環境的導熱性能產生影響，使得不同動液面深度條件下，每條油管內液體溫度曲線下降的速率不同。由于液體的導熱系數遠大于氣體，因此，動液面到井底這段范圍由于液體的存在，要比動液面到井口這段范圍內傳遞的熱量多。所以油管內液體從動液面相同位置處到井底這個過程中，溫度下降較快。降低到一定范圍后，由于地層溫度的增加，油管內液體又開始從地層及周圍環境吸收熱量，直到與1 200 m處的井底地層溫度達到一致。

3 計算結果驗證

為驗證計算模型的準確性，將遼河油田坨28-35 井的計算溫度與實際生產測試溫度進行對比（見表3），其中注入速率為24 m3/d；地溫梯度為0.03 ℃/m；油管產液量為13 m3/d；其他參數根據實際生產參數而設定。由表3 可得出：計算溫度與實測溫度的平均誤差為6.3%。

表3 計算溫度與實測溫度對比

4 結論

（1） 動液面位置對油管內液體溫度變化的影響較大，對空心內管和空心桿內液體的溫度產生間接影響。

（2） 注入水溫度越高，油管內液體溫度整體溫度也越高，總體趨勢幾乎一致。隨著井深的增加，當注入水溫度分別為65 ℃和70 ℃時，油管內液體的溫度先下降，接近井底時，再有微小的上升，而且變化幅度不大；當注入水溫度分別為80、90、100 ℃時，前期溫度下降的很快，后來變緩和，在接近井底的位置，溫度下降速率又增大。經過對比分析發現，溫度越高，加熱降黏效果越明顯，與能源消耗問題綜合考慮發現，80 ℃的熱水注入能效比較高。

（3） 隨著產液量的增加，空心內管、空心桿和油管內液體的溫度逐漸減小，且減小的速率逐漸放緩，最后液體溫度達到恒定，不再隨產液量的增加而變化。

（4） 計算結果與實際生產參數相比較誤差不大，符合實際情況，可為類似的稠油、高凝原油的開采提供了理論參考依據。