用倒推法评价隔热管隔热性能

摘要:本文针对注汽井井下蒸汽参数的常规计算方法存在的问题,提出了用倒推法评价隔热管隔热性能的方法,通过一段可知实际热损失情况的井筒,推算隔热管的平均隔热参数,并将该系数引申到全井或同一组管柱的其它井进行井下蒸汽参数计算,使计算过程摒弃了多种隔热因素的影响,解释结果更贴近实际,误差更小。

关键词:热采;注汽;热损失;测试;隔热管

一、前言

在注蒸汽热力采油工艺中,采取在注汽过程中测取井筒剖面的方法,观察蒸汽在井筒内的性状变化情况,从而掌握井下蒸汽的焓值,获得可释放的热能参数。综合国内外获得井底流体焓值的方法包括两个步骤,即首先判断井底蒸汽干度是否为0;然后根据构成锅炉出口到井口管线以及井口至井底油管的材质、导热参数等推算热损失量,从而获得井下的蒸汽焓值,并依据焓值计算出所对应的干度。这种方法可以直观的理解井下蒸汽干度的计算过程。但是,由于影响井筒散热的因素多而复杂,难以做到数据精准,计算往往存在较大误差,井下干度降为0值的深度判断(常称为“液面”)与计算结果发生矛盾。

采用倒推法评价热损失情况以及隔热管隔热性能是通过井下无干度段的温度变化,计算该段的热损失情况,再结合地层温度、水泥环、套管等次要参数推算隔热管在该段的平均隔热系数。将这个系数推广到全井或下一口应用这组管柱的井(如果全井干度≥0),可以更加准确地计算井下的实际焓值和干度,也可以综合应用平均隔热参数,分析隔热管性能变化的特点。

二、采用介质参数计算的方法及存在的主要问题

1、采用介质参数计算热损失的方法

蒸汽注入阶段中,湿蒸汽沿井筒向下流动为气液两相流,在建立注入过程中的温度分布模型中,有以下六个基本假设条件:a、湿蒸汽沿油管向下稳定流动,不对外做功;b、油管、隔热管和套管同心;c、使用耐热封隔器,蒸汽不窜入油套环空;d、不考虑接箍、扶正器等的影响;e、初始地层温度按地温梯度分布;f、井筒为一维径向稳定传热,地层为一维稳定传热。(见图1)

根据传热学原理,在稳定热流状态下,井筒单元径向热流速度ΦS(W/h)与油管中蒸汽温度TS与套管外水泥环和地层交界面温度Th之间的差值(TS -Th)成正比。即方程式

式中

ΦS——井筒单元径向热流速度

Uto——由隔热管外表面至水泥环外表面间的总传热系数〔kW/(m2.K)〕

Rto——隔热管外径

TS——油管中蒸汽温度

Th——套管外水泥环和地层交界面温度

ΔL——计算段长度

结合Ramey的近似公式,可将井筒径向热流速度简化为

式中

λh——介质的导热系数

根据井筒径向的三种传热方式,分别计算其传热速度。采用介质参数计算井下蒸汽参数主要包括两个步骤,即计算井筒总传热系数Uto和确定井底蒸汽参数。

(1)井筒总传热系数Uto的计算:根据传热学原理,结合具体注汽井身结构和注汽参数,将井筒中压力、Ramey时间函数、水泥环外壁温度、套管温度、辐射传热系数、自然对流传热系数等参数按照方程组合起来,通过迭代方法进行逼近计算,最终算得总传热系数Uto。

(2)井底蒸汽参数的确定:通过以上计算,利用能量守恒原理,就可以计算和预测井口至井底的热损失、蒸汽温度和蒸汽干度等参数的分布。主要包括:井筒热损失速度、井筒热损失率、井底干度、井底蒸汽温度等。

2、采用介质参数计算方法存在的主要问题

上述计算方法存在的主要问题包括两个方面:一是假设条件无法完全满足,二是用到各种介质参数难以做到精准。

在模型建立的基础方面,现场实践要严格满足假设条件b、c、d、e、f是很困难的,尤其是“油管、隔热管和套管同心”、“使用耐热封隔器,蒸汽不窜入油套环空”、“不考虑接箍、扶正器等的影响”等,由于节箍的存在和隔热管的不均匀性,“井筒为一维径向稳定传热,地层为一维稳定传热”条件也无法完全满足。

在介质参数方面,管体所采用的材质、厚度导热系数等参数并不十分标准或准确,如:隔热材料热传导系数、环空气体、液体热传导系数、隔热材料厚度、计算段的长度、隔热管结箍有无衬套等。而且,所采用的保温材料或隔热材料将随着时间和环境的变化而发生改变,井筒周围地层的热传导参数也很难准确掌握。对于地面数十米乃至数百米和井下上千米的管路而言,参数误差将会给最终结果带来很大的偏差。

三、倒推计算的基本方法

根据孤东油田注汽情况,在大部分的井中,都存在干度为0的液态段。结合蒸汽特性,当干度为0时,焓值与压力、温度值一一对应,可以应用经验公式,计算段内各深度的焓值,比较各深度的焓值,可计算各深度间的热损失量,从而得到段内平均的热损失速度。在地层温度、水泥环及环空介质确定的情况下,可以计算隔热管柱单位长度的平均热阻。

1、将液态段的平均热损失参数推广到气液混合段

HLKD5N18为蒸汽稠油开发井,注汽情况一直比较稳定,注汽压力6.5MPa,温度283℃,干度30.8%,流量180 t/d。2008年9月28日测试,根据蒸汽饱和压力和温度-压力对应特征,计算得到该井液面约在606.5米。

根据热损失表,计算606.4米以下液面至仪器下深1350米之间液态热焓变化,得到该隔热管的热损失变化规律。公式为

dP=0.0025dT - 0.3175

式中

dP——热损失量(103kJ/kg.h.m.℃)

dT——温差(℃)

根据所得公式,将参数运用于全井,运用倒推法计算井口参数为27.58%。而采用介质参数计算方法所得的干度值为11.08%。因此,倒推法计算结果更接近实际井口干度30.65%。

2、将一组隔热管热阻参数推广到本组隔热管应用的其他井上

由于注汽井注汽效果较好,井底仍有干度的井,借鉴以往该隔热管的热损理论公式,应用于此井中。如KD18-20-12井,根据蒸汽饱和温度判断,蒸汽到达井底时,干度刚好降为0。但采用介质参数计算法推算井底干度为28.22%,解释结果见表3。运用理论公式计算热损失为717.18kJ/kg,井底蒸汽的焓为1570.49kJ/kg,对应干度<0.1%。

通过以上对比,可见采用倒推计算方法所得结果较介质参数计算方法更接近现场实际,各项数据更为准确。

四、结论

综上所述,运用倒推算法在井底干度为0、和井底干度大于0两种不同的模型中进行验证,所得的计算结果比常规计算方法计算的结果,更贴近实际,结论更准确。即通过实际热损失计算隔热管的平均热阻系数,将此井系数应用于整个井筒的隔热管柱,也可应用于采用同一组隔热管在其他井内,进行计算。通过实践证明这种方法准确可靠,尤其是对于使用时间长、井次多的隔热管,确定准确的隔热管热阻系数、分析隔热管热阻变化特点、评价隔热管性能,从而指导油田注汽开发。

参考文献

1、万仁溥罗英俊主编 《采油技术手册》石油工业出版社1996-12

2.(德)W.瓦格纳 项红卫[同译《水和蒸汽的性质》科学出版社2003 年3月

注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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