双管注汽工艺条件下热采井筒温度场计算方法研究

【摘 要】 双管注汽的井筒沿程蒸汽参数与双注汽管的注汽方式、注汽参数以及管柱尺寸等有较大关系，平行双管注采时，环空中充低压空气/氮气，若将主管看作原来单管中的注汽管，则双管的环空部分多了一个采油管柱（副管），计算热损失时需要综合考虑主副管的内径差异，井身周围温度场也是有差异的。本文考虑双管注汽方式与常规笼统注汽方式的差异，基于能量守恒、动量守恒和质量守恒原理，建立了稠油油藏热采井的双管注气井井筒沿程温度场计算模型，该模型稳定可靠，易于求解。

【关键词】 双管注气工艺 注气参数 热损失 温度场

随着海上油气的不断勘探，复杂稠油油气藏也将会不断出现，针对如何对不同稠油油藏的油气进行充分挖掘，如何有效控制不同稠油油藏热采作业的风险和降低作业成本，提出了双管注气工艺。双管注气工艺可以实现注入、放喷、机采共用一趟管柱，减少动管柱作业的次数，从而减少了作业费用，降低成本。但对于平行双管热采井的蒸汽注入井筒沿程参数计算，传统的单管蒸汽注入模型已不再适用，此时需要充分考虑两注汽管之间的温度场耦合效应。本文作者在热传递理论与能量守恒原理的基础上，建立了双管注汽工艺条件下的蒸汽参数计算模型。

1 模型建立

双管注气井筒传热过程由以下几个部分组成：主管自身的热传递，主管到副管的热辐射，主管到套管的热辐射，套管与水泥环、水泥环与地层之间的热传递。

模型建立之前，需作如下假设条件：

（1）注汽时，井筒中的主副管位置上下一致；

（2）地温梯度恒定；

（3）此时未注汽管管内为空气，环空流体为空气；

（4）忽略转换接头处的管径差异。

其结构示意如图1、2所示。

注汽过程中，主管通过热传导、热对流、热辐射进行传热，当仅有主管注汽时，其对副管的辐射角系数为，同样对套管内壁的辐射角系数为，副管对套管的辐射角系数为 ，其传热过程由以下几个部分组成：主管自身的热传递，主管到副管的热辐射，主管到套管的热辐射，套管与水泥环、水泥环与地层之间的热传递。

（1）主管自身的热传递。

注汽过程中，主管径向热流量及内壁到外壁的总传热系数为：

（1）

（2）

（2）主管到副管再到环空的热辐射过程。

主管外壁到副管的热流量和总传热系数为：

（3）

（4）

（3）主管与套管、套管与水泥换之间的传热。

主管外壁与套管、水泥环之间的热流量和总传热系数为：

（5）

（6）

（4）水泥环与地层之间的热传导。

该部分的传热与单管注汽相同。

（7）

上式中f（t）的计算方法仍采用Hasan公式。

将各部分的传热效果简化，可以得到主管至水泥环外缘的总传热系数Ut。

（8）

进而可以得到dz段从主管到水泥环外缘的总热流量为：

（9）

根据连续性方程，由式（7）与（9）可以得到：

（10）

2 模型求解

由于总传热系数中的环空辐射换热系数和对流换热系数与环空壁面的温度有关，因此需要迭代计算出总传热系数，然后计算出水泥环外缘温度，进一步计算出热损。迭代步骤为：

（1）设定总传热系数的初值，一般为0.5。

（2）根据（10）公式计算出。

（3）根据（9）计算出单位长度传热量。

（4）计算隔热管外壁的温度套管内壁的温度。

（11）

（12）

（5）计算环空对流换热系数和辐热系数。

（13）

（14）

（6）由式（8）重新计算总传热系数。

（7）判断是否满足精度要求。若不满足要求，以作为初值，重复2）～7），直至满足精度为止，此过程中求得单位长度井筒的热损失量，进一步计算出上热损失量。

3 结语

井筒传热计算包含了水蒸汽热物性计算、空气热物性与迁移性质计算、两相流计算、非稳态传热计算等四大类复杂计算问题。这些计算跨越了流体力学与工程热物理两大学科，计算难度很大。之所以要进行上述复杂计算，根本目标是要通过计算，认识稠油热采井注蒸汽过程井筒中各种参数的变化规律，为分析套管变形计算奠定基础。

考虑到传统注汽井筒参数计算模型的局限性，本文在充分考虑各注汽管间热场耦合的基础上，建立了双管注汽工艺条件下井筒的温度场计算模型，并根据模型编制相应的软件，采用迭代法对模型进行求解，该模型稳定可靠，易于求解。

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