井筒注热流体热力计算的通用模型研究

摘 要：注热流体是目前开采稠油最经济有效手段。注入的热流体从早期的热水、到后来的湿蒸汽，再到目前的过热蒸汽，其目的是不断增加单位质量热流体所携带的热能，已达到有效加热地层的目的。

关键词：注蒸汽；统一模型；热力采油

目前，国内外稠油热采普遍采用湿蒸汽吞吐或湿蒸汽驱，辽河油田、胜利油田、河南油田等在稠油开采过程中都试验了注过热蒸汽技术，有关湿蒸汽物性参数的计算理论体系相对完善，而稠油热采注过热蒸汽开发尚处于试验阶段，关于注过热蒸汽井筒物性参数计算体系没有建立，对过热蒸汽物性参数在井筒中的变化规律认识尚不清楚。如何确定蒸汽从井口到井底的状态变化、对应的控制方程和求解变量的切换，把注过热蒸汽、热水和湿蒸汽统一起来，建立综合模型，方便地体现蒸汽相态变化的研究尚未见报道。

一、井筒注蒸汽热力计算的统一模型

注汽井内流体热力参数变化的原因在于散热和摩擦导致的压力和温度变化，进而导致蒸汽状态的改变。摩擦和重力影响井筒内流体的压力分布，而散热则影响流体的温度、干度和相态分布。假设蒸汽流动过程中摩擦产生的热量可以忽略不计，则蒸汽在井筒内热力参数变化服从动量和能量守恒方程。

物理模型的建立

1、动量守恒方程的建立。这里的注汽井为竖直井，在井筒z处取一长为dz的微元体，通过对微元体受力分析可知作用在微元体上的外力应等于动量的变化。而作用在微元体上的外力有压力、重力和管壁阻力，由此得到动量方程。微元体内的液体受到的质量力是重力，方向竖直向下，表面力是微元体上下端面的压力和微元体与井筒的切应力，压力方向垂直于端面指向微元体，切应力方向沿井筒表面与蒸汽流动方向相反。

2、能量守恒方程的建立。注蒸汽热力采油工艺是目前稠油开发的经济、有效手段之一，它是将高温高压的湿蒸汽通过井筒注入到油层中，利用蒸汽凝结时放出的热量加热油层，达到降低稠油粘度、改善其在油层和井筒内流动性的目的。因此，注蒸汽时必须最大限度地减少井筒热损失，以保证较高的井底蒸汽干度。

分析井筒内的热量传递过程首先必须了解井筒结构，井筒内蒸汽至地层的热量传递过程是复杂的，从内向外依次为：蒸汽与隔热油管内表面的对流传热、隔热油管内管的导热、隔热油管隔热层内伴有辐射的导热、隔热油管外管的导热、油套环空内对流传热和辐射传热同时存在的热量传递、套管内的导热、水泥环内的导热以及地层内的导热等。从根本上讲，由于地层无限大特性，从流体到地层的热量传递过程是非稳态的，井内不同位置处的温度及热流量不仅随位置而异，而且也随时间变化。为便于计算，Scatter[1]对实际的传热过程进行了简化，认为地层内的热量传递是非稳态的，而井筒内的传热是稳态的，Holst详细论证了这一假设的合理性[2]。当然，井筒内稳态传热的假设并不意味着井筒内的温度、传热量不随时间变化。

二、模型求解的程序设计

过冷水和过热蒸汽状态，可以选用p和T，或者选取p和h，湿饱和蒸汽可以选取p和T或者p和h。由此可以看出，无论蒸汽处于什么样的状态，都可以选压力p，比焓 h作为独立变量进行求解，温度和于度利用相态特性和热力学关系确定，这样就把注蒸汽井简热力计算的求解方法统一起来。

由于井筒较长，分段较多且采用迭代的方法计算，所以必须编程，借助C语言程序来完成计算过程。计算思路如下：

（一）根据井口干度确定蒸汽所处状态，若x≥1则为过热蒸汽，若0

（二）根据入口的压力、干度或压力、焓并假设压降和焓降，可以计算出管段的平均压力p=（p1+p2）/2、平均温度T=（T1+T2）/2、平均比焓h=（h1+h2）/2。管长为L，计算管段为dl，计算深度为l；

（三）根据《水和蒸汽的性质》找出密度与压力和温度的关系，根据平均压力和平均温度求出蒸汽的密度，再根据质量流量不变，G=ρuA，求出平均速度；求解蒸汽的粘度根据Re=ud/v判断所处流态，求根据流体所处流态下的相关方程出摩阻系数f，计算出摩阻系数后转入6）；

（四）将dp/dz写成（pi-pi-1）/dz的形式，dh/dz写成（hi-hi-1）/dz根据动量守恒方程和能量守恒方程求出此段的压降和焓降；

（五）将所求值与假设值比较，若相差不大证明假设正确继续计算，若相差较大说明假设不正确，将所求值赋给假设值继续计算直到符合要求。

（六）依次计算出以后节点的温度、压力和焓，若最后管段处L-l

三、结论

通过以上的分析可以得知提高井底温度和干度的方法，得到如下的结果：

（一）其他条件相同时，传热系数越小，即保温效果越好，蒸汽到达井底的干度越大，温度越高，加热效果越好，所以应尽量采用隔热油管；

（二）其他条件相同时，压力越大，蒸汽到达井底的干度越大，温度越高，所以加热效果越好，所以条件允许时可适当提高注汽压力；

（三）其他条件相同时，流量越大，蒸汽到达井底的干度越大，温度越高，所以加热效果越好；

（四）其他条件相同时，井筒直径越大，蒸汽到达井底的干度越大，温度越高，所以加热效果越好。

参考文献：

[1]Sze-Foo Chien.EMpairical Correlations of Saturated Steam Properties，SPE，1992：205-303.

[2]王弥康.注蒸汽井井筒热传递的定量计算.石油大学学报：自然科学版， 1994， 18（4）： 77-82.

推荐访问:井筒 流体 热力 模型 通用