（检测技术与自动化装置专业论文）基于分布式光纤的稠油井筒模拟实验装置开发.pdf

摘要 井筒中的温度和压力是评价注蒸汽热力采油效果的重要参数，而井下温度和压力的 测量一直是油藏监测中的难题，传统电子传感器难以在复杂恶劣的井下环境中长期稳定 地工作。近年来发展起来的基于布里渊散射的分布式光纤传感测量是一种有广阔应用前 景的测量技术，本文设计了一套稠油井模拟井筒地面实验装置，用来满足布里渊散射分 布式光纤测井所需的实验环境要求。 本课题在分析注蒸汽热力采油工艺特点的基础上，深入研究了注入蒸汽过程中井下 环境特点，并根据传热综合模型、汽水两相流流动状态，建立了井筒的蒸汽温度、压力 的数学模型，采用数值迭代的方法，对模型进行了求解，并用一个计算实例进行了验证。 根据对模拟实验环境的要求，研制了一套稠油井筒模拟实验装置，包括模拟井筒釜 体、压力控制系统、恒温循环系统三部分。釜体选用内外三层的结构形式，以增压器获 取所需高压，以外循环恒温槽控制温度，井筒内压力和温度连续可调、可控，实现对井 下压力和温度环境的模拟。 针对温度控制系统的大惯性和滞后特性，重点研究了温控系统可选用的控制算法。 建立好温控模型后，利用m a t l a b 的s i m u l i n k 开发环境和模糊逻辑工具箱对p i d 控制、 模糊控制和参数自整定模糊p i d 控制三种方案进行研究和仿真分析，通过比较得到了最 佳控制方案为参数自整定模糊p i d 控制。 完成了模拟实验装置的压力自动控制系统的方案设计。执行机构采用电液伺服的力 控系统，并对各分立元件建模，得出压力控制系统的数学模型。同时考虑了温度变化对 压力的影响，将温度对压力的影响作为压力控制中的干扰量引入到模型中，并验证了所 设计的压力控制系统的稳态特性。 最后利用m s c o m m 控件在v b 6 0 环境下实现串行通信的方法，借助智能仪表提供 的标准接口，为模拟实验装置设计了配套的数据采集管理系统，实现装置与计算机之间 的高速可靠通讯，并可实现对数据的操作、管理等一系列功能。 关键词：稠油热采，模拟井筒，模糊p i d 控制，液压控制，智能仪表通信 d e v e l o p m e n to fs i m u l a t i v ea n de x p e r i m e n t a lf a c i l i t yf o rh e a v y o i l w e l l b o r eb a s e do nd i s t r i b u t e do p t i cf i b e r z h a n g x i n d o n g ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i o nd e v i c e ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n gp i n g a b s t r a c t t h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei nh e a v yo i lw e l l b o r ea r ei m p o r a n tp a r a m e t e r st oe v a l u a t e t h ee f f e c t so ft h e r m a lr e c o v e r yb ym e a n so fi n je c t i n gs t e a m t h em e a s u r e m e n to ft h ea b o v e t w op a r a m e t e r sh a sb e e nad i f f i c u l tp r o b l e mf o ral o n gt i m e ，t r a d i t i o n a le l e c t r o n i c a ls e n s o r s c a l l tk e e pal o n ga n ds t a b l ew o r kc o n d i t i o ni ni n t r i c a t ea n ds e v e r ee n v i r o n m e n t t h e m e a s u r e m e n tb a s e do nb r i l l o u i ns c a t t e r i n go p t i cf i b e rs e n s o rw h i c hi sd e v e l o p e di nr e c e n t y e a r sw i l lb e aw i d e l ya p p l i e dt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e ，s ot h ep a p e rd e s i g n sas e to f e x p e r i m e n t a lg r o u n dd e v i c e as i m u l a t i o n w e l l b o r ef o rh e a v yo i lw e l l s ，t om e e tt h e e x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n tr e q u i r e m e n t so fl o g g i n gw i t ho p t i cf i b e rs e n s o rb a s e d o nb r i l l o u i n s c a t t e r i n g b a s e do na n a l y z i n gt h et e c h n i c sc h a r a c t e r i s t i co fh e a v yo i lt h e r m a le x t r a c t i o nb y 蠲e c t i n gs t e a m ，t h ep a p e r s t u d i e sf e a t u r e so fw e l l o r ee n v i r o n m e n t ，s e t su pt h ew e l l b o r em o d e l o ft e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ea c c o r d i n gt ot h e r m a lt r a n s f e ra n ds t e a mw a t e rt w o p h a s ef l o w i n g c o n d i t i o n s ，t h e ns o l v e st h em o d e lb yu s i n gn u m e r i c a li t e r a t i o n ，a tl a s tv a l i d a t e si tb yd i mo fa c o m p u t i n ge x a m p l e a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fe x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n t ，t h ep a p e rd e s i g n sa s e to f e x p e r i m e n t a ld e v i c e as i m u l a t i o nw e l l b o r ef o rh e a v yo i lw e l l s ，w h i c hc o n t a i n st h r e ep a r t s ：a s i m u l a t i o nw e l l b o r e ，ac o n t r o ls y s t e mo fp r e s s u r e ，at e m p e r a t u r et h e r m o s t a tb a t h t h eh i 曲 p r e s s u r ec o n t a i n e ra d o p t st h r e el a y e r ss t r u c t u r e ，u s i n gas u p e r c h a r g e ra n da l le x t e r n a lc i r c l e t e m p e r a t u r et h e r m o s t a tb a t h t oa c h i e v et h ed e s i r e dh i g h p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e ，t h e p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ei ni tc a nb ea d j u s t e dc o n t i n u o u s l ya n dc o n t r o l l e d ，t os i m u l a t et h e w e l l b o r ee n v i r o n m e n t i na l l u s i o nt ot h et i m ei n e r t i aa n dd e l a yo ft e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，t h ep a p e rs t u d i e s c o n t r o la r i t h m e t i ct ob eu s e a b l e f i n i s hs e t t i n gu pt h em o d e lo ft e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ， t h ep i dc o n t r o ls y s t e m ，f u z z yc o n t r o ls y s t e ma n df u z z yp i dw i t hp a r a m e t e r ss e l ft u n i n ga r e s i m u l a t e db yu s i n gs i m u l i n ka n df u z z yl o g i ct o o l si nm a t l a b ，t h e nf u z z yp i dw i t h p a r a m e t e r ss e l ft u n i n gi ss e l e c t e da sa r to p t i m a lc o n t r o lm e t h o d t h ep a p e rd e s i g n sa na u t o m a t i cp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mi nt h e o r y t h ea c td e v i c ea d o p t s e l e c t r i c a l h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ，b u i l d sm o d e l sf o re a c hs e p a r a t e dp a r t s ，a n dg e t st h e m a t h e m a t i c a lm o d e l so fp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m a f t e ra n a l y z i n ge x p e r i m e n t a ld a t a , t a k et h e c h a n g eo ft e m p e r a t u r ea sad i s t u r b a n c ef o rt h ep r e s s u r ei nt h em o d e l ，f i n a l l yt h ep r e s s u r e c o n t r o ls y s t e mi sp r o v e ds t a b l yb ys i m u l a t i o n f i n a l l yt h ep a p e ri m p l e m e n t so ns e r i a lc o m m u n i c a t i o nw i t hm s c o m mi nv b 6 0 ，b y m e a n so fs t a n d a r di n t e r f a c es u p p l i e db yi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s ，d e v e l o p sa nd a t aa c q u i r e s y s t e mf o ra ne x p e r i m e n t a lw e l l b o r ef a c i l i t y ，c o m m u n i c a t e sa tah i 曲s p e e da n ds t a b l y b e t w e e nt h ed e v i c ea n dc o m p u t e r s ，r e a l i z e sas e r i e so ff u n c t i o n , s u c ha sd a t ac o l l e c t i o n , m a n a g e m e n ta n ds oo n k e y w o r d s ：t h e r m a lr e c o v e r yo fh e a v yo i l ，s i m u l a t i o nw e l i b o r e ，f u z z yp i dc o n t r o l ， h y d r a u l i cc o n t r o l ，i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tc o m m u n i c a t i o n 关于学位论文的独创l 生声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 7 乱铂不 日期：2 缈7 年 月2 7 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 苏么采 日期：2 0 0 7 年 日期：2 0 0 ( 7 年 月2 7 日 f 岁月卵日 f 中困石油大学f 华东) 硕士学位论文 1 1 课题来源及研究意义 第1 章前言 1 1 1 课题来源 长期以来，稠油热采井的井下温度和压力的测量一直是油藏监测工作中的难题，井 下环境具有高温、高压、化学腐蚀强以及电磁干扰强等特点，传统的电子传感器无法长 期在井下恶劣环境中工作。基于分布式光纤的传感技术具有连续、大动态、长距离精确 测量的特点并与被测量介质有极强的亲和性，面基于布里渊散射的分布式光纤传感器还 能实现温度和压力的同时分布测量。因此，这种技术一经出现便广受关注，即被认为具 有广阔的应用前景【1 】，也是在未来油田生产测井中理想的选择，为此“基于保偏光纤布 里渊散射的分布式测井技术”被列为国家十一五期间高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 的研究课题。 目前进入实用的分布式光纤传感器均未真正实现温度和压力的同时测量，开展相关 研究具有重要的学术和应用价值。本课题正是为了满足基于布里渊散射的分布式光纤测 井技术的实验环境要求，以稠油热采井温度和压力的动态监测为背景，设计一套稠油井 筒模拟地面装置，为开展保偏光纤布里渊散射的相关实验研究、验证相关理论和技术提 供一个稳定可靠的平台。 1 1 2 课题研究意义 世界上稠油资源极为丰富，在世界油气资源中占有较大的比例，其分布也十分广泛。 我国是稠油资源大国，仅探明的稠油储量就高达十几亿吨，是世界闻名的稠油区之一。 自2 0 世纪6 0 年代开采稠油以来，注蒸汽热力采油技术以其简单成熟的工艺在稠油开采 中得到了广泛应用【2 】。在注蒸汽采油监测过程中，最重要的两个物理量是井筒中各点的 温度和压力，它们是油气资源开发中的基本油藏工程参量。准确的温度和压力参数是评 价油井生产和管理的重要依据，可以优化调整稠油井的注采参数，尤其重要的是可以预 防生产过程中的油管和套管损坏。同时对所测得的信息进行综合分析，可以得到油、水 在油藏中的分布状态，由此可以了解整个油区的开发动态，从而为调整、优化油田开发 方案及提高原油采收率提供科学依据【3 。 井下特殊的环境使得常规传感器难以在井下很好地发挥效用。传统的井下测温仪表 有一个共同缺点，即只能在任一时间内测量某个点的温度，要测试全范围的温度，如获 第1 章前言 取整个井筒范围内每米间隔处的温度数据，点式传感嚣只能在井中来回移动才能实现， 这样不可避免地要破坏井简内热平衡，而且不能测出各点同一时刻的温度值；如果在每 个测温点都放置一个测温探头，这样在实际安装、使用与检修时既不方便也不经济f 4 】。 传统的井下压力监测采用的传感器主要有应变压力计和石英晶体压力计，应变式压力计 受温度影响和滞后影响，而石英压力计会受到温度和压力急剧变化的影响。在压力监测 时，这些传感器还涉及安装困难、长期稳定性差等问题【5 。总之，传统的电子传感器不 能实现高分辨率的分布式温度、压力的监测，无法在井下恶劣环境下长期、可靠地工作。 针对上述问题，我们一方面要对稠油热采井的井筒温度和压力的特点进行理论分 析，模拟计算出稠油井热采过程中井筒的温度与压力分布状况；另一方面，我们要探索 先进的井下监测手段，积极研究先进的井下监测方法一基于分布式光纤传感器的测井技 术研究。相对于传统以电信号为传感和传输手段的传感器，近1 0 年来飞速发展的分布 式光纤传感器以其独特的优点，逐步得到了人们的青睐。 布里渊散射是光在光纤里传输时产生的一种反向散射光【6 】，其后向散射光相对入射 光的频移与光纤的应变( 注：利用布里渊散射直接测量的是沿光纤的温度和应变，由于 应变、应力和压力具有确定的关系，此后可用压力表述) 和温度成正比例，测出不同应 变或温度下的频移便可计算出相应的应变和温度值。但由于布里渊频移本身很小，细微 的温度、压力变化都会影响到频移变化，因此需要一套高精度的温度压力可调、可控的 实验装置。目前进入实用的同时测量温度和压力的分布式光纤传感产品在国外文献中报 道也不多见，而国内研究工作主要集中在国外研究基础上的理论探讨，在国内至今未见 有应用成果的报道。我们结合稠油热采井的井下参数监测，将布里渊散射技术引入到这 个领域，首先开发出一套模拟井筒实验装置，进而在这个实验平台上开展分布式光纤测 井的模拟实验研究，验证相关的理论和技术就非常有实际意义，同时也可以为油气田勘 探学科提供一个从事井下工具和仪器仪表研发的试验平台。 1 2 课题国内外研究现状分析 结合论文研究内容，我们主要从稠油热采井井下环境分析、分布式光纤传感技术在 测井领域的应用及油田模拟井筒的研究进展三个方面来综述其国内外研究现状及水平。 1 2 1 稠油热采井井下环境分析现状 井下温度压力场的分布受多种因素的影响，如井眼环境、注入温度、注入时间、关 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 井时间等。此外，注入层的孔、渗、饱等物性参数以及围岩的不同状况是如何影响井下 温度分布，迄今为止，还没有人对此进行深入系统的讨论。对于复杂的井下温度压力场， 还有许多问题需要进一步进行深入的研究，这不仅能为油田热采工艺的改进、注入井注 入剖面的定量解释提供可靠的理论依据，而且在学术上也有着较大的实际意义。 自3 0 年代以来，国内外有许多专家学者对井筒内温度的特点进行过研究和探讨。 早在1 9 3 7 年，s c h l u m b e r g e r 公司就有人发表过有关测量井筒内流体温度的文章。r a m e y 和e d w a r d s o n 等在1 9 6 2 年提出了比较符合实际情况的简化井筒传热模型，建立了井内 温度与井深和生产时间的函数关系式，即著名的r a m e y 公式，迄今为止仍被广泛地应 用。后来许多学者在r a m e y 方法的基础上提出了自己的计算方法和计算模型，并取得 了一定的效果。1 9 8 9 年s a g a r 将r a m e y 方法扩展应用于多相流，并考虑了动能影响； 2 0 0 1 年郭春秋和李颖川在假设井筒内传热为稳态传热、地层传热为不稳态传热的情况 之下，进行了气井压力温度预测综合数值模拟【7 】。 近几年，随着我国各稠油油田广泛开采，蒸汽吞吐井注采温度与压力分析技术有了 相当大的发展。胜利石油管理局采油工艺研究院联合石油大学工程系，完成了蒸汽吞吐 井流入动态预测。他们主要用油藏数值模拟方法研究蒸汽吞吐井的流入动态，通过分析 吞吐井的生产特征，设计出各动态参数的变化形式。对实井进行历史拟合的基础上，计 算出不同注入和采出方案下的动态，并进行回归，得到流入动态关系【8 。林日亿、梁金 国、徐明海等人通过使用目标函数，建立稠油热采中井筒注汽优化模型，并用穷举法进 行了求解，他们对蒸汽吞吐和蒸汽驱井筒注汽两种情况进行了实例计算和分析【9 】。 1 2 2 分布式光纤在测井中的应用现状 目前油田生产测井中可以实现多点或分布测量的技术主要有三种，即基于电子技术 的多点温度传感器、基于光纤光栅技术的多点温度传感器和基于光纤中散射现象( 如布 里渊散射) 的分布温度传感器 10 1 。其中基于电子技术的多点温度传感器成本最低，但由 于存在众多本质的缺陷，已不能适应油井参数的测量；在光纤上刻写布拉格光栅可用于 温度和应力的点式测量，但随着测量距离的增加，光栅间的间隔也将增加，如果温度或 压力在没有光栅的位置出现异常，问题将不会显示，也就失去了监测的价值。基于布里 渊散射的温度、压力传感器能沿传感光纤实现连续的分布测量，不存在盲点问题，因此， 这种技术一经出现便广受关注，被认为是未来油井参数监测中可实现温度、压力连续分 布测量的首选技术。 3 第1 章前言 分布式光纤传感技术最早是在7 0 年代末提出的，它是随着现在光纤工程中仍应用 十分广泛的光时域反射技术的出现而发展起来的。其中基于光纤布里渊散射的分布光纤 传感( b d o f s ：b r i l l o u i nd i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rs e n s o r ) 技术具有连续、无间断、大动 态、长距离精确测量的特点并与被测量介质有极强的亲和性，在军民领域都有广阔的应 用前景。特别是在石油天然气领域，由于环境恶劣、技术要求高、安全和可靠性要求严 格，电子传感器已不能胜任，理论研究和实际应用表明，b d o f s 是最好的选择。 1 国外光纤传感器在油田应用现状】 目前光纤传感器在国外油田已经得到越来越广泛的应用，包括b p 、s h e l l 、c h e v r o n 等许多著名的石油公司以及油田服务公司s c h l u m b e r g e r 、w e a t h e r f o r d 、h a l l i b u r t o n 、b a k e r h u g h e s 等率先在油田应用这一先进技术，并已经在应用中获得了很好的效益。国外单 纯研发、生产光纤传感器的公司主要有：s e n s a 、c i d r a 、o p t o p l a n 、s e n s o rh i g h w a y 、 p r u e t t 、p r i m ep h o t o n i c s 、l u n ai n n o v a t i o n s 、m i c r o no p t i c s 、s e n s o m e t 等，其中有些光 纤公司已经被许多油田服务公司收购。 下面介绍当今该领域主要几家代表性公司的产品及工艺水平。 ( 1 ) 英国的s e n s o m e t 公司 s e n s o m e t 公司一直致力于分布式光纤温度、压力传感器及系统研制，已形成系列 化的产品。s e n s o m e t 的核心专业技术在于基于受激布里渊散射( s b s ) 的分布光纤温度、 压力测量系统。针对石油和天然气井的监测，已经构建了当今世界上技术最先进的系统， 其光纤传感系统可以确定生产井的流量分配，定位注水井中的注入剖面，优化气举、监 测井下潜油电泵的工作状态以及井下出砂及防砂工具的状况。目前可以提供的技术包 括：使用诸如生产测井等工具对油水层动态“快照”，使用单个压力和温度计进行点测 量。s e n s o r n e t 还拥有光纤注射专利技术，能够将受保护的光纤插入已经安装的1 4 英寸 的毛细管。该光纤系列能够在6 5 0 的高温工作。其研制的应力监测系统已进行了井套 失效监测验证试验，取得圆满成功。 s e n s o m e t 分布式温度传感器具有精确到o 0 1 的温度分辨率，所以可以在油井中 通过使用该传感器来直观监测流量的变化。因为在油井中流体流量的变化会导致井筒温 度改变。s e n s o m e t 的d t s f r 传感器具有3 0c m 的空间分辨力，取样分辨力仅为2 0c m ， 是现今唯一的空间分辨力低于1m 的光纤分布温度传感器。 ( 2 ) 斯伦贝谢公司( s c h l u m b e r g e r ) 美国斯仑贝谢公司采用英国s e n s a 分公司的光纤传感器，在3 0 0 多口油井中安装使 4 中围石油大学( 华东) 硕士学位论文 用了光纤传感系统，其中大多数用于蒸汽驱油作业。该公司开发出了传输方式灵活多样 的光纤分布温度传感器( d t s ) 监测和信息收集系统。该系统通过精确的温度分布测量 实现了油井水和气窜、层段封隔、注蒸汽作业、注气和注水监测、人工举升动态及油井 完井等情况的监测，还可完成油井在开采过程中的诊断工作，实现了油井测试、采油测 井、水堵和油井增产处理措施等作业的科学规划。分布式光纤测温系统产品d t s8 0 0m s 系列的测量距离为2 一- - 3 0k m ，温度分辨率o 5 ，空间分辨率为1m ，测量温度范围： 一1 9 0 4 6 0 。 ( 3 ) 威德福公司( w e a t h e r f o r d ) 威德福公司在井下的参数测试系统中，已有井下光纤温度压力测试系统，它是利用 布拉格光栅原理设计。系统为全光纤式，无源性，能对井下的温度、压力进行长期实时 监控。其测试范围为2 5 2 5 0 ，0 - 2 0 0 0 0p s i 。( p s i 是一种压力单位，定义为英镑平方 英寸，1 4 5 p s i = l m p a ) 威德福公司在d t s 地面系统评价方面具有广泛的经历，能够提供 d t s 井的配套设备和服务。现在已经完成了1 5 口井的d t s 安装工作。 ( 4 ) m i c r o no p t i c s 公司 m i c r o no p t i c s 是美国著名的光纤传感公司，也是世界上最早从事光纤传感的厂商之 ，产品包括：分布式光纤温度传感器，压变传感器，位移传感器，加速度传感器等。 m i c r o no p t i c s 公司的光纤布里渊分布式温度测量分析仪，其性能和特点：温度：一2 7 0 + 5 0 0 ；温度精度：1 ；高空间分辩率：1 m 1 0 k m 测量距离。 2 国内光纤传感器在油田应用研究现状 在国内，近几年对于光纤传感器的关注与研究也越来越多。江汉石油学院的杨三青 研究了稠油井井下用光纤式压力、温度复合传感器，对传感器的结构设计和基本原理进 行了探讨【1 2 】；南开大学光电子课题组承担了国家自然科学基金快速反应项目“井下石油 温度、压力多点光纤光栅传感系统”，研究了传感器在井下温度压力监测方面的应用， 完成了传感器的设计与实验，以及地面解调系统和光源部分的研制 1 3 】；西安石油学院报 道了用光纤布拉格光栅和长周期光栅相结合的传感器系统对油气井下温度、压力实现同 时在线检测。北京航空航天大学的史晓峰等人研究了利用喇曼散射的分布式光纤测温 系统进行井温测量的方法，其研制的d t s 2 0 0 0 分布式光纤测温系统具有自检测、自标 定和自校正的功能，可以在一条2k r n 长的光纤上实时地对2 0 0 0 个测量点进行测量，测 温范围达到0 - - 一3 7 0o c 15 1 。 国内的这些研究工作都是从不同的角度针对某种特定应用而展开的，相关的测试配 5 第1 章前言 套技术还很不成熟，更为重要的是，这些研究对我国油田生产测井总体上迫切需求，缺 乏广泛、深入的调研和分析，没有提出系列化产品研究的总体方案和研究思路，离成熟 的商用产品还有很大的距离。 分布式光纤传感技术的应用和研发，除了在石油测井领域的应用，还将对现有的传 统监测技术产生重要影响，对我国各类重大基础工程建设，如长江大桥、地下铁路和隧 道、高速公路、地下停车场、长江堤防等安全监测和健康诊断具有重大的现实意义。但 是由于资金、技术等方面的原因，目前国内在这方面的研究才刚刚起步，有的甚至还是 空白，但它作为一种有着巨大潜力的新技术，一旦技术成熟将能解决了许多重大应用场 合下其他类型传感器难以胜任的测量任务，显示出十分经济和现实的应用前景，必将被 广泛应用于各个领域并发挥巨大作用。 1 2 3 模拟并筒研究进展 模拟井筒装置可以将油田现场的井况在实验室里模拟出来，将现场搬进实验室，消 除了对生产井的依赖，一些新技术的研发与应用可以先期用在模拟井筒上，极大的节省 了科研成本，在油田新技术开发领域有很大价值。但模拟井筒技术是一门涉及采油技术、 测井技术、计算机控制技术、传感技术和机械设计理论的学科，一般研发难度都比较大， 技术含量高。 美国于1 9 7 4 年建立了模拟9 1 0 0m 井深的装置，但缺乏温度场的模拟；英国于1 9 8 6 年建立了模拟5 0 0 01 i 1 井深的装置，完成了温度场的模拟条件。我国第一台能模拟井下 3 5 0 0m 压力环境的钻井模拟实验装置( z m 3 5 型) ，于1 9 8 9 年在北京石油勘探开发科 学研究院钻井研究所内建成，该装置可模拟井下压力条件，进行岩石可钻性研究和平衡 压力钻井的实验研剜1 6 。胜利石油管理局钻井研究院在1 9 9 4 年进行的深井钻进模拟井 筒研究，填补了我国在这方面的空白【l 丌，并且其设计思想比国外更先进了一步。此外， 还有地矿部探矿工艺研究所研制的m 1 5 0 模拟并筒，用来模拟孔底状况和孔底参数，从 而解决了野外试验研制工作周期长，费用高，检测手段欠缺的诸问题【18 1 。 近年来也有很多针对不同问题的模拟井筒的研究，例如，全尺寸钻井井底压力模拟 试验装置是我国第一台能够模拟井深至6 0 0 0m 井底压力环境的大型机电液一体化的试 验装置【l9 1 ，可进行模拟6 0 0 0m 井底高压和钻井液高压模拟循环系统的研究；还有将压 制的人工井壁放置于井筒中，用测试钻井液在人工井壁内进行循环，模拟现场高温高压 及流速的条件，再通过声波测量信号采集的方法实时观测井径的变化情况等【2 0 】。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 中国石油大学( 华东) 钻井液研究室，为了研究欠平衡钻井液及超深井钻井液体系 高温高压密度特性，研制了套钻井液高温高压密度模拟实验装置【2 ，该装置主要由耐 腐蚀高温高压釜体、程序控制系统、密度检测系统、试液( 钻井液) 泵站等部分构成。 可以根据地层压力和温度梯度设定升降温和升降压的速率，可模拟钻井液在井眼、环空 中周期性循环状态。 西南石油大学的“石油天然气装备”教育部重点实验室设计了能模拟3 0 0 0m 井下 工况的高温高压模拟井筒( 翻。该装置通过泵和电加热器循环加热井筒内的液压油，使其 基本达到预期温度；用加压泵循环加压至设定压力，再由循环泵和盘管保持设定温度， 实现井下温度和压力环境的模拟。 上述这些研究都是各个研究单位针对各自不同的目的和要求所进行的，与我们的设 计研究方向有很大不同，但又有一定的参考价值，某些方面的设计理念还是值得借鉴。 l - 3 课题研究的主要内容及难点 课题研究的主要内容有： ( 1 ) 首先在分析注蒸汽热力采油工艺特点的基础上，总结注入蒸汽过程中稠油井 井下的环境特点，根据传热综合模型、汽水两相流流动状态，建立井筒的蒸汽温度、压 力的数学模型，并采用数值迭代求解计算方法，得出温度和压力两个主要的参数在井筒 中的分布变化规律。 ( 2 ) 设计并加工一套稠油井筒模拟实验装置，其中装置的结构形式及一些特殊的 工艺均要进行考虑，如：装置的耐压安全性、光纤连接头的安装形式及填充液低温流动 性能等。在此基础上对机械加工好的装置通过反复实验测试其性能，使其达到要求的设 计指标。 ( 3 ) 设计稠油井筒模拟实验装置的温度控制部分。设计一恒温液体槽将槽内液体 外引至高压釜体，提出包含加热和制冷两部分的温控系统硬件电路设计方案。为优化控 制效果，本文将着重在温度控制算法上作深入研究，将基于参数自整定的模糊控制技术 用于温度控制。 ( 4 ) 设计稠油井筒模拟实验装置的压力控制部分。以精密气阀调节器、球形针阀、 增压器等完成手动压力控制部分的设计、安装及调试，并从理论上完成自动控制部分设 计，执行机构采用电液伺服的力控系统，结合相关资料和经验建立系统模型，并研究其 闭环控制系统性能。 7 第1 章前言 ( 5 ) 设计稠油井筒模拟实验装置的数据采集系统。搭建井筒内温度、压力信号采 集的硬件电路，通过智能仪表的标准接口，将数据上传至计算机。利用m s c o m m 控件 在v b 6 0 环境下实现串行通信的方法，开发一套稠油模拟井筒实时数据采集管理系统。 课题的主要技术难点有： ( 1 ) 设计一套压力和温度连续可调、可控的模拟并筒实验装置，在满足高压环境 ( 0 - - 一4 0 m p a ) 的要求下，需模拟最低至- - 4 0 低温下的实验环境，从装置的结构设计， 到内部的加压介质和冷却液的选择均是需要仔细考虑的问题。 ( 2 ) 在封闭的模拟井筒内部，温度的变化将会对釜体内压力产生较大的影响。如 何消除温度变化过程中对压力的影响，使温度和压力协调控制，需要在多次实验的基础 上，分析压力随温度变化的数学关系，然后将温度变化量作为对压力控制的干扰量，通 过设计合适的控制器，解决这一问题。 8 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 第2 章注蒸汽稠油热采井井下环境分析 2 1 蒸汽吞吐过程 注蒸汽井包括蒸汽吞吐和蒸汽驱，油田上经常使用两者的结合。蒸汽吞吐方法即所 谓的循环注蒸汽或油井激励，是周期性向油层中注入蒸汽，将大量热带入油层的一种稠 油增产措施。注入的热量使原油粘度大大降低，从而提高了地层和油井中原油的流动能 力，起到增产作用 2 3 】。从分析井筒一地层温度场方面来看，蒸汽吞吐包含蒸汽驱，蒸汽 驱只是蒸汽吞吐的一个注入周期而已，所以在建立井筒一地层温度场模型的时候，将蒸 汽驱包含在蒸汽吞吐中。 蒸汽吞吐过程包括以下三个阶段： ( 1 ) 注汽阶段 此阶段将高温蒸汽快速注入到油层中，注入量一般在千吨当量水以上，注入时间一 般是几天到十几天。 ( 2 ) 焖井阶段 注汽完成后立即关井，使蒸汽携带的热量在油层中有效交换，从而加热油层。关井 时间不宜太长或太短，一般在2 5 天左右为宜。 ( 3 ) 采油阶段 此阶段一般又包括自喷和抽油两个阶段。自喷阶段一般维持几天，主要产出油井周 围的冷凝水和大量加热的原油，因高温高压注蒸汽使得井底附近压力较高，为自喷提供 了能量。当井底流压与地层压力接近且小于自喷流压时，即转入抽油阶段，该阶段持续 时间几个月到一年以上不等，这是原油产出的主要时期。 当抽油阶段的产量接近经济极限产量时，即开始下一个吞吐周期。由于第一周期的 预热和解堵作用，第二周期的峰值产量往往要高一于第一周期的峰值产量，但从第三周 期开始，峰值产量将逐渐下降，直至若干周期后完全没有经济效益，此时完成蒸汽吞吐。 蒸汽吞吐的注入过程中，不论井筒还是地层其温变化都很大；焖井阶段多用经验设 定关井时间，在采油阶段，由于没有热量注入，而且井筒的温度也降至与地层温度致， 此过程温度变化小，所以其井下环境的分析本文不予考虑。 向油管注入蒸汽过程中，必须最大限度地减少由井筒向地层的热损失，为了分析不 同井深处蒸汽的温压分布，首先建立注入过程中的井筒地层温度分布模型。 9 第2 审注蒸汽稠油热采井井下环境分析 2 2 井筒热传导机理 从蒸汽发生器产生的湿饱和蒸汽携带热量，经过地面管线，到达油井，从井口注入j 加热地下油层。经过加热的稠油粘度降低，在采出时可以改善稠油在井筒中的流动性。 井筒的一种径向结构如图2 1 所示【2 4 1 。它由油管、套管、水泥环组成；油管与套管 间的空间称为环空。环空中经常填充隔热介质，称为环空介质，比如空气、氮气、天然 气。有时为了更好的绝热效果，在油管、套管之间下入隔热管。在注蒸汽开采稠油的过 程中，关键的技术之一是必须最大限度地减少注入蒸汽在井筒中的热量损失，保证注入 井底的蒸汽干度较高，并且套管温度不超过极限安全温度，以防止套管因热应力损坏及 管外水泥环超高温下变质。 图2 - 1 并衙径向结构与温度分布不葸图 f i 9 2 - 1 r a d i a lc o n f i g u r a t i o na n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n go fw e l i b o r e 注蒸汽过程中，井筒中径向热流量为g ，即由油管柱径向流向井筒周围地层的热 流量。根据传热学机理，在稳定热流状态下，其表达式为： g = 2 n r , o u 幻( e 一瓦) a l ( 2 一1 ) 式中：正一油管中蒸汽温度，。c ； 瓦一套管外水泥环和地层交界面之间的温度，。c ； 一油管外半径，m ： u t o 一总传热系数，k c a l ( m 2 五。c ) 。 在稳定热流状态下，井简单元径向热流量幺与油管中蒸汽温度c 与套管外水泥环 位 三 + 三 盥 “ 中固石油大学f 华东) 硕j ：学位论文 和地层交界面之间的温度瓦的差值( c 一瓦) 成正比，也与该单元段长度址形成的注入 油管外表面积2 7 址成正比。式中是由油管外表面至水泥环外表面间的总传热系数 ( k c a l ( m 2 h o c ) ) ，u 幻的倒数即总热阻。实际上，这个总传热系数就是单位温差下通过 注入油管柱单位外表面积向井筒周围散热的热流速度。 上式是在稳定情况下的热流方程式。实际上，在注蒸汽井筒条件下，是不稳定热流， 即径向热流速度随注入时间延长在变化着。可根据r a m e y 的近似公式计算： q = 警址 ( 2 2 ) 式中蜓为地层的导热系数，厂( f ) 为时间函数。 通过井筒井壁，套管壁及水泥环的热流是以热传导方式发生的。根据多层圆筒壁传 热原理，通过每个圆筒壁的热流速度与圆筒壁介质中的温度梯度成正比，此比例常数瓦 就是介质的导热系数。因此，在井筒径向系统中，径向热流速度q 为： q ：2 觥。孥缸( 2 - 3 ) 将上式积分可以得出通过油管壁的热流速度为： 通过套管壁的热流速度为： 通过水泥环的热流速度为： 幺= q = 兰竺业坠二型址 l i l 量 名 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 在油套环空中存在三种传热方式，即：热传导，热辐射和热对流。当环空中是气体 时，热辐射占很大比重，甚至是主导的，其辐射热量的大小取决于油管外壁和套管内壁 的表面状况及散热与吸热特性。当环空中是液体时，除热传导外，热对流是主要的，这 第2 章注蒸汽稠油热采，r ， 下环境分析 是由于油套管壁间温度差引起的液体密度差产生的自然对流很激烈。为使用方便，将环 空中的传热速率看成传热系数h 。( 自然对流及热传导) 和h ，( 热辐射) 之和。通过环 空的径向热流速度g 与油管外表面积2 n r , o a l 和油管外壁与套管内壁温差( 乙一瓦) 成正 比，即： 2 3 井简总传导系数的计算 g = 2 r o , o ( h 。+ h r ) ( 瓦一瓦) 址 ( 2 7 ) 整个井筒传热系统的温度变化可得： c 一瓦= ( i 一乃) + ( t t i z 。) + ( 瓦一瓦) + ( 瓦一乙) + ( 乙一瓦) ( 2 - 8 ) 假定在任何具体时间，井筒中的径向热流是稳定的，则公式( 2 4 ) ( 2 - 7 ) 中的q ，值 应相等。将这些公式中的对应温差代入公式( 2 8 ) ，则得公式( 2 9 ) 。 ，1 1 1 - - l n 量1 1 1 互 i 一瓦= 盖f 专+ 东+ 纛+ 素+ 之 ( 2 - 9 ) 与公式( 2 1 ) 比较，就可以得出各种井筒结构条件下的总传热系数。 仅考虑井筒中有光油管，下段有封隔器，油套环空为液体或气体时，总传导系数为： u =i + r i o i n r 垒! 。+ ! + 5 0 l n r 垒。+ r , oi n 互r 飞h fk 岫h c + h r k 。k 勰 ( 2 1 0 ) 括号内各项分别为油管内壁强迫对流传热热阻、油管壁热阻、环空液体或气体的热 阻、套管壁热阻及水泥环的热阻。由于油管内热水及蒸汽的强迫对流传热系数办，( 水 膜的传热系数) 高达2 4 0 0 - - 9 6 0 0k c a l ( m 五。c ) ，钢材的导热系数k 础，k 娜高达3 7 - 4 0k c a l ( m h oc ) ，因此它们的热阻很小，可忽略不计。因此，上式可简化为： u , o = ，汕