海上稠油热采井井筒温度场模型研究及应用.doc

西南石油大学学报 (自然科学版
2012年 6月 第 34卷 第 3期
Journal of Southwest Petroleum University (Science &Technology Edition
V ol. 34No. 3Jun. 2012
编辑部网址:http ://
文章编号:1674– 5086(2012 03– 0105– 06DOI :10. 3863/j.issn. 1674– 5086. 2012. 03. 015
中图分类号:TE355文献标识码:A
海上稠油热采井井筒温度场模型研究及应用 *李伟超, 齐 桃, 管虹翔, 于继飞, 隋先富
中海油研究总院, 北京 东城 100027
摘 要:海上稠油油田的开发越来越受到人们的重视, 多元热流体吞吐是一项集热采、 烟道气驱等采油机理于一体的 新型、 高效稠油开采技术, 该技术在渤海油田进行了现场试验并取得了成功。以渤海 M 油田多元热流体吞吐实验井 为例, 介绍了海上稠油油田多元热流体吞吐工艺的特点; 研究了热流体吞吐井各传热环节及井筒温度场分布模型, 建 立了井筒综合传热系数的计算方法, 并以海上实际热流体吞吐井为例进行了计算。在此基础上, 模拟了隔热油管导热 系数、 下入深度、 多元热流体组成等工艺参数对热采效果的影响, 并得到了一些有益的结论, 为海上稠油油田规模化热 力采油工艺方案优化设计起到指导性作用。
关键词:海上油田; 稠油; 多元热流体; 吞吐; 热采
网络出版地址:http ://
李伟超, 齐 桃, 管虹翔, 等. 海上稠油热采井井筒温度场模型研究及应用 [J ]. 西南石油大学学报:自然科学版, 2012, 34(3 :105– 110. Li Weichao, Qi Tao, Guan Hongxiang, et al . Research and Application of Wellbore Temperature Field Models for Thermal Recovery Well in Offshore Heavy Oilfield [J ]. Journal of Southwest Petroleum University :Science &Technology Edition , 2012, 34(3 :105– 110.
引 言
在海上油田稠油开采过程中, 由于受到环境条 件、 作业空间、 操作成本等因素的影响, 陆地油田常 规热采开发方式和工艺技术 [13]的应用受到很大限 制, 其开采难度远远高于陆上稠油油田。目前, 渤 海海域已发现了丰富的稠油储量, 如何低成本并高 效地开发这些资源是海上稠油油田面临的难题和 挑战 [46]。
为了实现海上稠油油田的高效开发, 并探索适 用于海上稠油油田的热采工艺技术, 在渤海湾 M 油 田开展了海上稠油多元热流体吞吐采油的矿场试 验并取得了成功 [7, 8]。海上稠油多元热流体吞吐采 油技术是将高温高压的水蒸汽、 热水、 二氧化碳、 氮 气等热流体注入地层, 通过加热降黏及注气提高采 收率等机理实现稠油井高效开发的一种新型热采 方法 [9]。
本文以 M 油田热采实验井为例, 对海上稠油油 田多元热流体吞吐工艺参数设计方法进行研究, 以 期得出一些有益的结论, 为海上稠油油田热力采油 工艺方案设计起到指导性作用。
1多元热流体注入井井筒温度计算 模型
1.1井筒传热过程分析
海上稠油热流体吞吐井传热过程见图 1[10], 注 热流体时, 热量通过以下几个环节完成传递 [11, 12]: (1高温热流体→隔热油管壁→ (真空或惰性 气体 ;
(2真空 (或惰性气体 →隔热油管外管壁→油 套管环空氮气;
(3油套管环空氮气→套管壁→水泥环;
(4水泥环→地层等。
*收稿日期:2012– 02– 16网络出版时间:2012– 05– 17基金项目:国家 “十二五” 重大专项 (2011ZX05024– 005– 001 。
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图 1海上稠油热流体吞吐井传热过程
Fig. 1Heat transfer process of thermal fluid huff and puff well in offshore
1.2热流体注入井井筒温度分布模型研究
1.2.1假设条件
计算过程采用以下基本假设:
(1 将注入的多元热流体看作稳定的成分, 忽 略 N 2、 CO 2在水中的溶解;
(2 从井筒内的热流体到水泥环外缘间的热传 递过程是稳态的, 从水泥层到地层深处的导热过程 是非稳态的;
(3 隔热油管密封良好, 不考虑接箍对环形空 间尺寸的影响。
1.2.2井筒中传热模型建立
以井筒中长度为 d l (图 2 的部分为研究对象,

建立传热模型。
图 2热流体吞吐井井筒结构图
Fig. 2Wellbore configuration of thermal fluid huff and puff well
(1油管中心到水泥环外缘的稳态传热
油管中心到水泥环外缘的传热可以认为是稳态 传热过程, 假设在单位时间内, d l 井筒长度上传递 的热量为 d Q , 由稳态传热公式得 [13]
d Q =2πr to U to (T f − T h d l (1 式中
r to — 油管外径, m ;
T f — 井筒热流体温度, ℃ ;
T h — 水泥环外缘温度, ℃ ;
U to — 油管外表面至水泥环外缘的总传热系数, W/(m 2·℃ 。
(2水泥环外缘到地层的非稳态传热
由于水泥环外缘至地层进行的是非稳态热传 导, 热量随时间变化, 根据 Ramey 的近似公式有 [14]
d Q =
2πλe (T h − T r
f (t
d l (2 T r =T i +g T ·l (3 式中, λe — 地层导热系数, W/(m ·℃ ; T r — 井底原 始地层温度, ℃ ; T i — 地表温度, ℃ ; f (t — 无因次 地层导热时间函数, 可按 Chiu K 等人提出的方法 计算 [15]; g T — 地温梯度, ℃ /m; l — 井深, m 。 由于油管中心至水泥环外缘传递的热量与水泥 环外缘至地层传递的热量相等, 因此可得水泥环外 缘温度 T h 及套管内表面温度 T ci 为
T h =
λe T r +T f r to U to f (t
r to U to f (t +λe
(4
第 3期 李伟超, 等:海上稠油热采井井筒温度场模型研究及应用 107
T ci =T h +
r to U to ln
r h
r co (T f − T h K cem
(5
式中, r h — 井轴到水泥环外缘的距离,
m ; r to — 油管 外径, m ; r co — 套管外径, m ; K cem — 套管内氮气的 辐射传热系数, 可按文献 [16]的方法计算。
2总传热系数 U to 的计算
根据图 2的模型, 通过详细的推导, 可以得到 热流体吞吐井的总传热系数计算公式
U to =[r to
o r ti +r to G ln r to r ti +1(h r c
+r to cas ln r co r ci +r to cem ln r h r co
]− 1(6
式 中, λo — 热 流 体 与 隔 热 油 管 内 管 内 壁 的 传

热 系 数, W/(m 2·℃ ; λG — 隔 热 油 管 导 热 系 数, W/(m ·℃ ; h r — 环空中充满氮气时, 环空内的辐 射传热系数, 其值可由文献 [11]介绍的方法求得; h c — 环空中充满氮气时, 环空内的对流传热系数, 其 值 可 由 文 献 [11]介 绍 的 方 法 求 得; λcas — 套 管 导热系数, W/(m ·℃ ; λcem — 水泥环的导热系数, W/(m ·℃ 。
以海上热流体吞吐井 M1井为例, 分别用本文 建立的模型及三种常用的采油工程软件对该井的总 传热系数进行了计算, 计算所需参数见表 1及表 2, 计算结果见表 3。
表 1
M1井套管程序及管材
Tab. 1
Casing program of Well M1钻头尺寸 ×井深
套管尺寸 ×套管下深 套管规范 已锤入 20” 导管 ×45m “入泥” X5217-1/2” ×202.00m 13-3/8” ×200.00m K55, 68#, ER 12-1/4” ×1503.00m
9-5/8” ×1498.00m
TP100H , 47#, BUTT
表 2
总传热系数计算所需热物性参数
Tab. 2
Thermophysical parameters for overall heat
transfer coefficient
参数名称
数值 地层导热系数 /(W/(m ·℃ 2.10环空氮气导热系数 /(W/(m ·℃ 0.04隔水管导热系数 /(W/(m ·℃ 50.00水泥导热系数 /(W/(m ·℃ 0.90隔热油管导热系数 /(W/(m ·℃ 0.02套管导热系数 /(W/(m ·℃
50.00
表 3不同方法计算得到的 M1井总传热系数
Tab. 3
Overall heat transfer coefficient of Well M1
calculation by different method 方法 U to /(W/(m 2·℃
本文模型 0.88PIPESIM 1.01WELLFLOW
0.68NEOTEC-WELLFLO
0.91
3实际算例
以渤海 M 油田热采实验井 M1井为例, 采用本 文建立的井筒传热模型计算了该井注热时的井筒温 度分布情况, 并将计算结果与采用 PIPSIM 软件计
算的结果进行了比较 (见图 3 。 M1井实际测得的 井底温度为 127℃ 左右, 从计算结果可以看出, 与 传统软件相比, 应用本文方法计算得到的温度与实 测点温度更为接近, 更符合现场生产实际。
126.5
127.5
128.5
129.5
130.5
200
400
600800
1000
1200
/m
/℃
图 3
M1井注热阶段温度剖面计算结果
Fig. 3
Temperature pro result for heat injection
phase of Well M1
4热流体吞吐井井筒温度场影响因素 研究
以 M1井为例, 应用本文建立的多元热流体吞 吐井井筒温度计算模型对影响井筒温度场分布的主 要因素进行了研究。
4.1隔热油管导热系数的影响
隔热油管导热系数对井筒温度场的影响如图 4所示。从图 4可以看出, 油管的导热系数越大, 对 应的热采井的井底温度越低。隔热油管的导热系数 从 0.01增加到 0.05, 对应的井底温度下降了 4℃ 左 右, 因此, 在选择隔热油管时, 应充分考虑隔热油管
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导热系数与井筒温度分布之间的关系 [17, 18]
, 使隔热
油管的选型既经济又能满足注热的要求。

125.0
126.5
128.0
129.5
131.0
260
520
780
1040
1300
/m
/℃
图 4
隔热油管导热系数对井筒温度场的影响
Fig. 4
Influence of insulated tubing heat conduction coefficient
on temperature pro Well M1
4.2隔热油管下入深度的影响
图 5是隔热油管下如深度对井筒温度场的影响 曲线。从图 5可以看出, 隔热油管下入深度越深, 得到的井底温度越高, 但同时需要指出的是:由于 受到设备能力的限制, 海上热流体吞吐井的井口注 入温度一般较低, 因此, 与蒸汽吞吐相比, 热损失相 对要小。以图 5为例, 隔热油管下入深度从 1185m 减小到 585m , 井底的温度只降低了 3∼ 4℃ , 因此 对于海上热流体吞吐井, 在保证井底温度的情况下 应当对隔热油管下入深度进行优化, 尽量降低开发 成本。

124.5
126.0
127.5
129.0
130.5
260
520
780
1040
1300
/℃
/m
图 5
隔热油管下如深度对井筒温度场的影响
Fig. 5
Influence of insulated tubing setting depth on temperature
pro Well M1
4.3热流体组成的影响
热流体组成对井筒温度场也有影响 (图 6 , 从 图 6可以看出, 当热流体中水的摩尔分数从 0.9变 化到 0.3, 对应的井底温度几乎没有变化, 只是在中 间井段部分, 温度场曲线的下降幅度略有不同。
127.5
128.0128.5
129.0129.5
130.0130.50
261300
/℃
/m
图 6
热流体组成对井筒温度场的影响
Fig. 6
Influence of multiple thermal fluid compositions on
temperature pro Well M1
5结 论
(1对稠油井注热流体过程各传热环节进行了 研究, 建立了注热流体井筒温度场及综合传热系数 计算模型, 为稠油井多元热流体吞吐工艺参数设计 及优化打下了基础。
(2对影响热流体吞吐井开采效果的主要工艺 参数进行了研究, 通过研究可知, 隔热油管的导热 系数越大, 对应的热采井井底温度越低; 隔热油管 下入深度越深, 得到的井底温度越高; 热流体中水 组分的含量对井底温度的影响不大。
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作者简介
李伟超 , 1980年生, 男, 汉族, 陕 西 凤 翔 人, 工 程 师, 博 士, 2009年 毕 业 于 中 国 石 油 大 学 (北 京 , 主 要 从 事 油 气 田 开 发 及 采 油 工 程 方 面 的 研 究 工 作。 E-mail :li-
110 西南石油大学学报 （ 自然科学版 ） 齐 桃， 1957 年生， 女， 汉族， 河南 南阳人， 高级工程师， 硕士， 1981 年毕业于华东石油学院， 主要从事 油气田开发方面的生产和科研工 作。E-mail： 2012 年 于继飞， 1982 年生， 男， 汉族， 山东 枣庄人， 工程师， 硕士， 2007 年毕 业于中国石油大学 （北京） ， 主要从 事油气田开发方面的生产科研工 作。E-mail： 隋 先 富， 1982 年 生， 男， 汉 族， 山 东 高 密 人，工 程 师，博 士，2010 年毕业于中国石油大学 （ 北 京） ， 主要从事油气田开发及采油 工 程 方 面 的 研 究 工 作。 E-mail： 管虹翔， 1980 年生， 男， 汉族， 山东 潍坊人， 工程师， 硕士， 2006 年毕 业于西南石油大学， 主要从事油 气田开发方面的生产科研工作。 E-mail： Research and Application of Wellbore Temperature Field Models for Thermal Recovery Well in Offshore Heavy Oilfield Li Weichao, Qi Tao, Guan Hongxiang, Yu Jifei, Sui Xianfu CNOOC Research Institute， Dongcheng， Beijing 100027， China Abstract：With the development of oil economy， the exploitation of offshore heavy oil is getting more and more attention. Multiple thermal fluid huff and puff is an efficient and economic heavy oil production technology， which has been applied with success in Bohai Oilfield. In this paper， based on the experimental wells of M Oilfield， the technology characteristics and the production effect are introduced； wellbore temperature distribution model and complex heat transfer coefficient calculation method are studied. In addition， the optimum design method for several important process parameters of the multiple thermal fluid huff and puff are presented such as insulated tubing heat conduction coefficient， insulated tubing setting depth and multiple thermal fluid compositions. Through the study， some useful conclusions of multiple thermal fluid huff and puff have been acquired， which could be used to guide the thermal recovery plan optimization design of offshore. Key words：offshore oilfield； heavy oil； multiple thermal fluid； huff and puff； thermal recovery 编 辑： 张云云；编辑部网址：http： //

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