（石油与天然气工程专业论文）营27断块稠油热采井筒参数研究与应用.pdf

营2 7 断块稠油热采井筒参数研究与应用 丁涛( 石油与天然气工程) 指导教师：王杰祥教授、赵明宸高级工程师 摘要 在注蒸汽热力采油过程中需要知道注汽井井底高温四参数，办即饱和 蒸汽的压力、温度、干度、流速，但在实际生产过程中只能知道锅炉出口 参数和井口注入参数。本文针对稠油蒸汽吞吐丌采过程的注汽阶段，在前 人研究的基础上研究了由井口蒸汽参数向地下蒸汽参数的转换方法，并应 用相应的计算软件进行井口参数与井底参数的转化计算和分析。计算过程 中应用奥尔基捷维斯基方法计算了垂直井筒中流体流动的压降；应用能量 平衡方程求解蒸汽干度及流体温度；运用平面径向流达西公式考虑流体相 变和油层吸汽不均匀的特点，建立了较为准确的配汽模型，计算了油层单 位厚度的吸汽量，最终得到井筒中任一点处的高温四参数，并得到了相应 的吸汽剖面。通过实例计算分析可知，此软件具有计算相对吻合、适用性 广泛等优点。基于以上研究，本文应用东辛油用的实测资料对建立的数学 模型进行了检验，结果表明，建立的数学模型能够较准确的解释井的吸汽 状况，从而反映井筒一油藏动态撰合规律。由此可见，建立数学模型的理 论依掘正确，采用的方法适用。这一研究对目前注蒸汽热力采油过程具有 很好的指导意义。 关键词：注蒸汽，热损失，压降，干度，吸汽剖面 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fs t e a mp a r a m e t e r si nw e l l b o r e o ft h e r m a lr e c o v e r yi ny i n g 2 7b l o c k d i n g t a o ( o i l a n dg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n gj i e x i a n ga n ds e n i o r - e n g i n e e rz h a om i n g c h e n a b s t r a e t i nt h ec o u r s eo f s t e a mf l o o d i n g i ti sr e q u i s i t et ok n o wf o u rk i n d so f s t e a m p a r a m e t e r si nt h eb o u o mo f s t e a mi n j e c t o r s t h e s ep a r a m e t e r si n c l u d ep r e s s u r e ， t e m p e r a t u r e f l o wr a t ea n ds t e a mq u a l i t y h o w e v e r , i nt h e a c t u a lp r o c e s so f p r o d u c t i o n ，o n l yt h ep a r a m e t e r si nt h eo u t l e to ft h eb o i l e ra n dw e l l h e a do f s t e a mi n j e c t o r sc a nb eg o t i no r d e rt os o l v es u c hp r o b l e m s ，b a s e do nt h e p r e v i o u ss t u d y , t h i sp a p e ra i m e da tt h es t e a mi n j e c t i o ns t a g ea n dp u tf o r w a r d t h em e t h o dt h a tc o u l db eu s e dt oc o n v e r tt h ep a r a m e t e r so nt h eg r o u n dt ot h o s e o fu n d e r g r o u n d ，a n dt h e nt h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ew a sd e v e l o p e d b yu s i n g o r k i s z e w s k i ，t h e f l o w p r e s s u r ed r o p i nt h ev e r t i c a lw e l l b o r ec o u l db e c a l c u l a t e d w i t ht h e e n e r g ye q u i l i b r i u me q u a t i o n 。t h e s t e a m q u a l i t y a n d t e m p e r a t u r eo fs t e a mc o u l db eg o t b a s e do nt h er a d i a lf l o wm o d e l d a r c y s f l o w , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs t e a md i s t r i b u t i o na l o n gt h ew e l l b o r ei sb u i l t i nw h i c hs u c hf a c t o r sa sp h a s et r a n s i t i o na n du n e v e ns t e a md i s t r i b u t i o na r e t a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h es t e a mi m b i b i t i o n sp e rt h i c k n e s sc o u l db e c a l c u l a t e d e v e n t u a l l y , t h ep a r a m e t e r s a t a n yp o i n ta l o n g w e l l b o r ea n d c o r r e s p o n d i n gs t e a mi m b i b i t i o n sp r o f i l ec o u l db eg o t a n a l y z i n g o ft h e e x a m p l e t h i ss o f t w a r ew a sp r o v e dt ob ee f f e c t i v ea sw e l la su s e f u i | b a s e do n t h er e s e a r c ha b o v em e n t i o n e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e li st e s t i f i e dw i t ht h e a c t u a ld a t ao f f e r e db yd o n g x i no i l f i e l d i ti si n d i c a t e dt h a tt h em o d e lc a n i n t e r p r e tt h es t e a mi m b i b i t i o n sa n dc a nr e f l e c tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e w e l l b o r ea n df o r m a t i o n t h es t u d yp l a y sai m p o r t a n tr o l ei nt h e r m a lr e c o v e r y o f h e a v yo 订 k e yw o r d s ：s t e a mi n j e c t i o n ，h e a tl o s s ，p r e s s u r ed r o p ，d r y n e s sf r a c t i o n ，s t e a m i m b i b i t i o n sp r o f i l e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：j 盗辞d 月i r 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅：学校可 以公白论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 曲珂辞，月j 同 z 夕占年f 工月l r 耘 丘翼 中国石油大学( 华东) 工程硕十学位论文第1 章前言 第1 章前言 随着石油开采技术的不断提高，一些特殊油藏越来越引起石油工作 者的重视。由于稠油在石油资源中所占比例较大，因此如何丌采稠油， 使之成为可动用储量，是石油界一直探究的问题。世界范围内稠油资源 分布广泛，掘统计，世界稠油和天然沥青的储量约为1 0 0 0 1 0 “t 。稠油 资源丰富的国家有加拿大、委内瑞拉、美国、前苏联、中国、印度尼西 亚等，其重油及沥青砂资源约为4 0 0 0 x1 旷6 0 0 0 x1 0 一m( 合预测资源 量) ，稠油年产量高达1 2 7 x1 0 “t 以上。中国稠油资源分却广泛，己在 1 2 个箍地发现了7 0 多个稠油油田，预计稠油资源量可达3 0 0 1 0 “t 以上， 分布以胜利油田和l 河油田为最广。可见，丌发稠油资源对世界石油资 源的利用，经济的发展具有很重要的意义“。 但是，由于稠油的高粘特征，使得稠油油臧的丌发不问于常规轻质 油藏，有其独特的复杂性。尤其在我国，由于我国稠油油层非均质性严 重、地质构造的断层多、油水系统较复杂、原油中胶质含量高、含硫量 低，而且油臧类型很多、埋减深，在地层条件下粘度高、相对密度大、 流动性能差，甚至在油层条件下不能流动，因此，对这些稠油油减的丌 采要求更先进的技术。 2 0 世纪6 0 年代至今，国内外稠油油减先后采用过各种丌采技术，实 践证明，注蒸汽热力采油是一种较成熟的热采方法，在国内外各种稠油 油藏都有广泛的应用。一般，蒸汽发生器可分为三类：锅炉蒸汽发生器、 井口蒸汽发生器和井底蒸汽发生器。最常用的是锅炉蒸汽发生器，即蒸 汽流线为锅炉一井口一井底，这样， 注入参数( 包括温度、压力、干度) 普遍存在的问题是：所测得的蒸汽 为锅炉出口处和井口处的参数，而 在稠油热采模拟计算中所需要的为井底蒸汽参数。因此，必须将锅炉出 口参数转换为井底参数。 锅炉输出的蒸汽经过地面管线和井筒到达井底后，由于沿程与环境 存在温差引起热量变化及摩阻损失、动能变化等原因，各参数均发生变 化。本模型根掘注蒸汽过程中地面管线和并筒传热机理、管路压降特性 中国石油大学( 华东) 工稃硕士学位论文第l 章前言 及蒸汽和热水热力学性质等，建立计算方法，求解出沿管路各点的流体 参数，如：压力、温度、干度、流速等，并得出沿管路任一点处在一定 注入时间时的热量变化百分数，同时也得到了由锅炉出口的流体在井口 和井底处的参数，实现了地面参数向地下参数的转换。此外，本模型还 可求解出井筒水泥环外缘温度随注入时间的变化，为安全进行注蒸汽开 采稠油提供了依掘。考虑到注蒸汽过程中，可能存在过热蒸汽，蒸汽也 可能向热水转化等情况，模型中考虑了注入流体为过热蒸汽( 即干蒸汽) 、 湿蒸汽及热水三种情况，使模型具有较普遍的适用性9 “川“”。 1 1 研究意义 稠油热力丌采过程中，对井筒内温度、压力、流量等参数的分和确 定是油藏描述、动态分析的基础，也是稠油油减措旌挖潜和丌发方式转 换的前提。针对目的锅炉蒸汽发生器普遍存在的问题，即所测得的蒸汽 注入参数为锅炉出口处和井口处的参数，而在稠油热采模拟计算中所需 要的为井底蒸汽参数。因此，将锅炉出口参数转换为井底参数对后续油 藏的丌发和动念评价具有重要的实用价值和指导意义。 对蒸汽参数进行由井口到井底的转化，符合稠油油减丌发的需要， 为目前稠油丌发提供配套解释方法和手段，对于提高稠油油罔丌发效果 具有较大的帮助。 1 2 研究现状 稠油也称重质原油，即高粘度原油。由于其胶质沥青的含量高，在 油层中粘度高，流动阻力大，甚至不能流动，因而用常规丌采技术难以 有效地开发。近几十年来，国内外也竞相丌发了一系列的稠油的刀= 采技 术。我国所采用注蒸汽热采技术，有效地丌发了一批稠油油罔，并基本 上形成了注蒸汽丌采的配套技术。从1 9 9 3 年丌始深井热采实验以柬，稠 油产量逐年上升，从1 9 9 3 年突破了1 0 0 0 1 0 1 t ，丌拓性的打丌了我国稠 油开采的新局面。 我国甚至世界上石油资源丰富，但是在大多数油区陆续发现的油减 是高粘度重质原油。这种高粘度重质原油国际上称为重质原油，对于粘 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 度超过1 1 0 4 m p a s 重质原油称为天然沥青或沥青油砂，我国俗称稠油， 或重质原油或重油”1 。 稠油热采一般分为两部分，即蒸汽吞吐和蒸汽驱。蒸汽吞吐的方法 又叫做周期性注汽或循环注蒸汽方法，这是在稠油开发过程中采用的最 普遍方法，也是目前我国主要的稠油热采方法。 蒸汽吞吐作业的过程分为三个阶段：注汽、焖井、回采，在前一个 吞吐周期中，随着回采时间的延长，由于油层中注入热量的损失以及产 出液带出的热量，被加热的油层逐渐降温，流向近井地带及井底的原油 粘度逐渐增高，原油产量逐渐下降。当产量降至某个界限时，该周期结 束，重新进行下一周期的蒸汽吞吐。如此多周期的吞吐作业，直至多周 期吞吐增产效果不明显时，转入由注汽井连续注汽，即转入蒸汽驱阶段， 由生产井继续采油。这种蒸汽驱采油原理类似与水驱，即蒸汽从注入井 注入，原油从采出井中采出。 1 2 1 国外稠油研究 目静，世界上已探明的稠油和天然沥青资源量基本上与常规石油量 相近并略有超出。把稠油、沥青同常规石油加在一起，约占世界各大油 区己发现石油储量的7 3 ，其余2 7 分布于较小油田。从对各国稠油 资源的统计可知，加拿大资源居世界首位。 ( 1 ) 加拿大稠油油藏概况 稠油和沥青属非常规烃类，这些重质油分御的地质背景常见干近岸 海河三角洲。加拿大的沥青资源举世闻名，主要分布在阿萨巴斯卡以及 冷湖、和平河和c a r b o l o a t et r e l l d 等4 个地区。天然沥青分为3 种矿 臧类型：埋深小于8 51 1 1 ，因此可进行露天丌采。埋深大于1 9 8m ， 可用注蒸汽丌采。介于上述二者之间的矿减，当前成功的歼采方法是 用采矿式丌采浅层和用各种热力法开采较深矿藏。但是很遗憾，现在能 满足丌采条件的储层仅占非常规资源的一小部分。 ( 2 ) 加拿大的稠油丌采技术 加拿大有几家公司币采用先进技术进行丌发。如s h e l lc a n a d a 公 司正在丌采具有底水的储集层。b pc a n a d a 公司正计划在冷湖地区实施注 中国石油大学( 华东) 工稗硕士学位论文第1 章前言 氧燃烧法，这些新工艺预计可采出5 0 的地下资源。 射流沥取法和水平钻井法可开采中等深度矿藏。用射流沥取法，是 用高压水流或含添加剂的水流直接冲击地下的沥青层面，将分离的沥青 用泵抽到地面。阿尔伯达油砂技术研究局是采用水平钻井法开采的，该 方法是先钻一批竖直井穿过沥青砂直达下伏碳酸盐层，然后歼凿水平巷 道，注蒸汽后，靠重力作用开采沥青。所需丌采设备、输送机、处理厂 或蒸汽发生器、管道及分离设备等系统工程，均需大量投资。目前世界 上只有加拿大阿尔伯达省把天然沥青作为石油资源丌采。 另外，加拿大的油砂露天丌采技术也威震全球，s y n c r u d e 公司的矿 区是世界上最大的露天矿之一。采矿区面积2 5k m 二，南北方向延伸长度 为4 2 k m 。矿区分为4 个方行区域，每个区域各有一台拉索铲挖掘机和斗 轮式装载机。拉索铲挖掘机把挖出的油砂堆成料堆，斗轮式装载机和传 送带系统把油砂运到抽提厂。此外还有卡车、单斗铲装料机、破碎机等 可用于辅助进料。在进行露天采矿之前，必须对表土层进行剥离，这些 地面工程是由水力挖土机和载重量1 7 0 t 的卡车柬完成。此流程的是由4 套相同的机组组成。在抽提厂，用热水把沥青沫分离出来，然后用石脑 油把这些沥青沫加以稀释，以便能用离心机把残余水和固体残渣从沥青 中分离出来。然后把干沥青放在流体焦化炉和加氢处理装胃中进行精炼。 汕砂中沥青的采收率为9 0 左右。精炼的终端产物是合成原油，它具由 粗柴油和石脑油组成的混合物，这种重度为3 2 。k p i 的轻质一中质原油， 由一条长4 7 0 k m 的管线输送到埃德蒙顿的分配转运站。s y n c r u d e 公司 形成了一个从丌采一精炼一输送的系统工程。 c o l dl a k e 沥青的丌采技术。c o l dl a k e 试验区的研究和先导试验工 作已经进展到能设计早期的商业性方案阶段。单井泣蒸汽吞吐进行热力 法采油，己作力一个成功的经验用于商业性生产，只要不超过蒸汽吞吐 法的经济极限，就可以反复多次吞吐束丌采沥青矿藏。至于蒸汽驱的方 法，目前下采用3 种方式在l e m i l n g 区开展现场试验。热水段塞法： 该方法是注入一定体积温度达2 0 0 的热水，用回注的产出水驱动，流经 油层，把加热降粘的原油驱扫到生产井中采出。蒸汽段塞法：是用一 段较小的蒸汽段塞来代替热水，其他同上。连续蒸汽驱：即连续注入 4 中国石油大学( 华东) l 稃硕士学静论文第1 章前言 蒸汽，加热并驱替沥青。该方法比单井吞吐可提高2 0 的采收率。 迄今为止，据统计加拿大有6 j 家公司总共进行了6 7 项地下热采法 开采重质原油和沥青砂的科学试验。这些项目中有4 6 项是热采工艺蒸汽 吞吐、蒸汽驱或蒸汽吞吐加蒸汽驱；1 6 项是湿式燃烧；4 项是蒸汽加燃 饶综合法；1 项是电预热法。此外还有3 项工业试验项目：1 项在和平河 地区，2 项在冷湖地区“小2 ”m 1 。 1 2 2 国内稠油开采现状 ( 1 ) 国内稠油油藏概况 在国内稠油油藏的分1 1 】以胜利油田和辽河油田为最广，但是在胜利 油田的稠油油藏类型比较复杂。近些年柬胜利油用在稠油丌采方面做了 许多实质性的工作。因为稠油的流动性差，粘度大，开采的关键问题是 降粘、改善其流动性。胜利油田根据不同油藏的条件选择了多种降粘丌 采方式，逐步建立并形成了具有自己特点的稠油油减水驱丌采技术和热 采技术。稠油油藏水驰丌采技术主要包括机械降粘、井筒加热、稀释降 粘、化学降粘、微生物单井吞吐、抽稠工艺配套等。稠油油减热采技术 主要包括蒸汽吞吐、蒸汽驱、丛式定向井及水平井、火烧油层以及与稠 油热采配套的其它工艺技术等。稠油的丌采在胜利油用的原油生产中正 发挥着同趋重要的作用。从2 0 世纪8 0 年代中期丌始试采，到2 0 0 0 年底， 胜利油田热采稠油动用地质储量1 5 9 9 9 1 0 t ，平均采出程度1 3 8 1 ， 年生产能力超过1 4 0 x1 0 t 。 ( 2 ) 水驱稠油油减丌采技术 胜利油田的稠油油减具有陆相沉积的特点，油层非均质性严重，断 层多，而且油臧类型复杂，原油性质变化大。对一些原油粘度相对较低、 油减储量相对较小、稠油井较为分散的普通稠油油藏，采用蒸汽吞吐或 蒸汽驱丌发成本高，因此这类普通稠油油藏的开采一般是根掘地层条件 和原油性质，在进行水驱丌发的过程中，寻找一些常规工艺与特殊工艺 的组合形式进行生产。特别是最近几年来，随着一些新工艺技术的出现， 目前己形成了一套针对性较强的水驱稠油油藏丌采技术。 稠油在地层条件下流入井筒，在井筒中，随着压力降低，稠油因脱 中国石油大学( 华东) 3 2 _ 程硕士学竹论文第1 章前言 气变得越来越稠，加上稠油在举升中与较冷介质进行热量交换，它在井 筒中热量变化是很大的，稠油的温度越来越低，粘度急剧上升，流动更 加困难。针对此特征和各油藏的构造，采取了不同的采油工艺。其中包 括了井简加热、机械降粘、稀释降粘和化学降枯等方法。 微生物单井吞吐降粘技术。微生物开采稠油技术就是利用某些微生 物细菌及其代谢产物的作用柬降低稠油的粘度和凝固点，使原油组分发 生变化，改善了稠油的流动性能。目前微生物单井吞吐技术主要用于中 低含量的胶质、沥青质的普通稠油油藏。该方法的效果主要取决于油层 特征、施工背景和菌种与地层流体配伍性能。例如东辛a 8 5 井，1 9 9 8 年 8 月投产。由于油稠( 粘度可达3 8 6 9 m p a - s ) ，负荷变化很大( 上行8 1 6 7 k n 下行1 2 7 9 k n ) ，常造成光杆下不去而造成停抽。2 0 0 0 年1 0 月对该并实 施微生物单并吞吐后，同产液1 7 6 t ，同产油1 3 t ，综合含水2 6 ，示功 图正常，负荷上行5 0 2 8 k n ，下行2 9 1 6 k x ，到2 0 0 1 年3 月，己累计增 产原油1 6 6 3 6 t 。 ( 3 ) 稠油油藏热采技术 稠油油藏热采技术比普通注水采油方法要复杂，而且如莳所述，胜 利油阳稠油油藏类型较多，陆相沉积的油层非均质性比较严重，进行蒸 汽吞吐丌采一般没有风险，但也有限制条件：进行蒸汽驱的丌- 发效果也 各不相同。 因为对于粘度较高的稠油油减和含蜡量较高并且凝点特高的“高凝 固点”油减，如果注入大量的冷水将会给油减的丌发带柬极为不利的严 重后果。一般的稠油，不仅粘度高，流动困难，而且对温度甚为敏感： 当温度降低8 。c 1 0 时，其粘度往往成倍的增加。给本柬在油层中流动 就困难的稠油更增加了流动阻力。如果增加注入压力时。则容易发生水 窜。至于高凝点油藏，特别是油层油藏，油层温度等于或高于原油析蜡 温度时，原油的粘度很低，在油层中的渗流阻力很小。如果注入冷水， 则使油层温度降至析蜡点以下，便油层中出现部分固体结蜡，于是渗流 中的原油便出现结蜡粘度而增加了流动阻力。当温度降至凝固点以下时， 则在注入井井底周围将会出现凝固层因而阻塞地层中的孔隙，造成了注 水困难甚至注不进的情况。所以在这种情况下注入热的流体是有好处的 6 中国石油大学( 华东) 工稃硕十学位论文第1 章前言1 对于高粘度的稠油，注入流体加热对油层孔隙中的原油起降粘作用。另 外以蒸汽作为热流体的效果要比以热水作为流体好( 蒸汽的焓要高于热 水) ，所以开采稠油多用注蒸汽驱动的方法。注入热流体的目的不在于加 热油层，而是在于利用注入流体保持油层压力的同时，也保持了油层的 温度至少不使其出现油层孔隙中的析蜡和凝固现象。 由于稠油粘度对温度特别敏感，随温度上升粘度急剧下降。泣蒸汽 热力采油目前比较成熟的两种丌采方式是蒸汽吞吐和蒸汽驱。将水蒸汽 作为热载体注入油层，利用高温湿蒸汽所携带的热量加热储层及其流体， 降低原油粘度，改善渗流条件和补充驱动能量来提高稠油采收率。注蒸 汽热采机理较为复杂，几种开采方式的增产机理既有共同之处，也存在 差异。 蒸汽丌采包括两个阶段，即蒸汽吞吐和蒸汽驱。通常情况下，蒸汽 吞吐采收率为1 5 2 0 。因此对于适合蒸汽吞吐和蒸汽驱的油藏，通 常将蒸汽吞吐作为蒸汽驱的准备阶段，而蒸汽驱则是其主要的开采阶段。 蒸汽驱不同于蒸汽吞吐，其采油原理类似与水驱，即蒸汽从注入井 注入，原油从采出井中采出。蒸汽驱采油的主要机理包括以下几点： 通过注入高温、高干度蒸汽加热油层，降低原油粘度、增加原油流动性。 用裂解和蒸馏得到的轻质组分( 轻质油和气体) 来稀释地层原油，降 低原油粘度。随温度的丹高，原油、水及岩石发生膨胀，为驱动提供 能量。温度升高，引起岩石亲水性的增强，束缚水饱和度升高，残余 油饱和度降低。由于温度的升高，岩石的亲水性增强，引起水的相对 渗透率降低，油相相对渗透率增加。 由于蒸汽驱采油是多种因素的综合作用，所以蒸汽驱采收率较高， 一般可以高达3 0 5 0 。下面介绍几种注蒸汽的工艺技术： 高温蒸汽采油两用井口技术 由于蒸汽吞吐生产是在同一口井中进行，即先注入一定量的蒸汽， 焖井一段时日j 后放喷或抽油生产。因此对于井口而言，除了满足耐高温、 高压的要求以外，还要求具有既能注蒸汽，又能采油的技术功能。为此 国内各稠油油f 日根掘其具体情况，引进了或研制了注汽、采油两用热采 并口。例如河南油嗣根掘其稠油油藏具有的住质( 浅、薄、稠、散) ，研 中国石油大学( 华东) 丁程硕士学位论文第1 章前言 制成功了k r 一1 4 0 型高温注入、采油两用井口，并在现场应用中取得了良 好的技术效果和经济效益。 井筒隔热技术 注蒸汽开采过程中，采用井筒隔热技术的主要目的是降低井筒热量 变化，提高井底蒸汽干度和油藏注蒸汽开采效果，防止套管温度超过安 全极限，避免套管热应力破坏，目f j ，常用的井简隔热技术有以下几种： a 、隔热油管：简单的说，隔热油管是将两个薄壁套管在一起，内外管之 间填充隔热材料( 超细玻璃棉等) ，两端焊接而成，在井下隔热油管之间 用接辆连接而成注汽管杜。b 、热采封隔器：热采封隔器又称高温封隔器， 它可以防止流体上窜到油管环空，保护套管，减少热量变化，或者实现 分注分采。目前常用的热采封隔器有卡瓦式和热敏封隔器。c 、隔热液： 隔热液的工作原理是将隔热液注入油套环空，利用隔热液具有较低的视 导热系数，达到减少注汽过程中井筒中热量变化和保护套管的目的。 分泣选注技术 我国稠油油藏多为油藏纵向上非均质性十分严重，注汽时吸汽不均。 蒸汽波及效率低。油层纵向动用程度差。为此丌发了分泣选泣的新工艺。 辽河油阳在分注选注技术上丌发了机械选层注汽，投球选择注汽和分层 配汽等工艺，成功的研制了余属封隔器，并配套有血种管杠结构，可以 根据需要采取封上注下、封下注下和封两端注中问等方式。“。 抽稠配套工艺技术 由于稠油粘滞力大，稠油与砂常常相伴而出。经过几十年的丌发， 胜利油阳研究出了多种防砂技术用以解决不同类型油层的出砂矛盾。己 配套、较完善的有令属绕丝筛管砾石充填防砂、陶瓷滤砂管防砂、会属 粉术滤砂管防砂和耐高温涂料防砂等技术。 零散稠油井的工艺配套技术：稠油井在区块上的零星分布，常常影 响整个区块的丌发效果。对一些零散稠油井进行治理，目前有多种抽稠 工艺供选择，关键是所选择的降粘抽稠工艺配套的针对性要强。 1 3 研究目标 本文的研究主要针对目前在江蒸汽热力采油过程中，所测得的蒸汽 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 注入参数为锅炉出口处和井口处的参数，而在稠油热采模拟计算中需要 井底蒸汽参数的特点，研究如何正确地将井口参数转化到井底，从而为 后续油藏动态分析和开发提供重要的信息。本论文的研究从以下方面展 开： ( 1 ) 完善吸汽剖面测试解释的理论和方法，应用多相管流原理和方 法，计算注蒸汽过程中各蒸汽参数在并筒内的分布； ( 2 ) 综合考虑注汽过程中蒸汽在井筒内的分布特点( 超覆现象) ， 以及油层吸汽不均匀的特点，建立符合实际吸汽规律的数学模型，较准 确地描述井筒一油藏动态耦合特征： ( 3 ) 针对营2 7 断块稠油油藏地质和流体特点，应用已丌发的井筒 蒸汽参数计算软件柬研究井筒内蒸汽参数的分白情况，为实际生产过程 中下入注汽管柱位冒，以及蒸汽发生器中蒸汽热量的控制发挥指导作用。 1 4 技术路线 ( 1 ) 基于多相管流理论和方法， 汽热力采油过程中蒸汽温度、压力、 布情况； 应用o r k i s z e w s k i 方法，计算注蒸 干度和流量等四参数在井简内的分 ( 2 ) 考虑出于水汽粘度的差异造成的蒸汽超覆现象，以及油层内各 层段吸汽不均匀的特点，结合井筒多相流动规律，应用物质平衡和能量 平衡原理，建立符合实际吸汽规律的井筒吸汽模型，研究井筒一油减动 念耦合规律： ( 3 ) 基于对井筒参数在井筒内分铂的研究，以及油层吸汽数学模型 的建立，将此方法系统应用在营2 7 断块稠油油臧的注蒸汽热力采油井筒 参数的分析中，为实际生产提供指导。 1 。5 技术关键 ( 1 ) 井筒参数分却计算方法的建立，以及多相管流理论的应用： ( 2 ) 考虑地层非均质性和蒸汽超覆现象的油层吸汽数学模型的建 立，以及井筒一油减动念耦合规律研究： ( 3 ) 建立的方法体系的实际应用。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章吸汽剖面数学模型建立 第2 章吸汽剖面数学模型建立 从锅炉出来的高温高压水蒸汽( 包括热水和干蒸汽) ，经过地面管线到 达井口，再从井口经过井筒到达井底，由于与环境存在温差及存在摩阻损失 等原因，水蒸汽将会损失掉相当一部分能量，使得部分蒸汽凝结，蒸汽干度 下降( 热水温度下降) 。计算井底蒸汽参数，首先必须要计算从锅炉出口至 井底沿管线的压降和热量变化，然后得出井底蒸汽压力、干度、热量损失等 参数。求解计算中可将管路分为两部分计算，即地面管线部分和井筒部分。 2 1 研究目标 ，结合油层纵向吸汽不均匀和井简多相流特点，计算压力、温度、干度、 流量以及热损失等蒸汽参数在井筒内的分卸，建立油层吸汽模型，研究井筒 ，油藏多相动态祸合规律。 2 2 注汽管柱结构 在蒸汽吞吐生产中，必须最大限度地减小热损失，保证井底蒸汽干度较 高，另方面，保证套管温度不超过极限安全温度，以防止套管不至于因热应 力损坏以及管外水泥坏超高温变质。这些问题都是蒸汽吞吐生产中必须解决 的技术难题。 蒸汽吞吐常用注蒸汽管柱结构如图2 1 所示：由隔热管、伸缩管、循环 阀、高温封隔器、筛管和丝堵组成。采用隔热油管旨在减小井筒热量变化， 保护套管。伸缩套管可对套管杠困温度变化引起的长度伸缩进行补偿。高温 封隔器用于密封油套环空、保护套管和减小井筒热量变化。一般地，在泣汽 管杜上还加装循环阀，以便在向油层注汽之前，将封隔器以上的油套环空以 内的水举空，使之保持干的环空，对减小井筒的热量变化是十分有利的。 而目前还有选层泣汽管柱，这种管杜使用于同时射丁f 多层的油井。依封 隔器卡封位置的不同，可以分为封上注下层、封下层注上层、封卡上下层注 中间层等。 选层注蒸汽注汽的条件如下：必须是射7 l 完并( 相对于砾石填充而 言) 。油层与油层之间有良好的泥岩隔层，隔层厚度必须大于1 0 5 m 。固 井质量良好，套管无损坏和变形，套管外的水泥环完好。掌握油井注蒸汽 中国石油大学( 华东) _ t 稃硕十学伊论文第2 章吸汽剖面数学模翟j 建立 的历史情况，尤其是吸汽剖面测试的资料。 图2 - 1 注蒸汽常用管柱 图2 - 2 井筒径向温度分布图( a 没有隔热油管，b 含有隔热油管) 但是在蒸汽开采稠油的过程中，最关键的技术之一是必须最大限度的减 小、蒸汽注入油井并筒中的热量变化量，保证注入并底的蒸汽干度较高，并 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章吸汽剖面数学模型建立 保证套管温度不超过极限安全温度，以防止套管不致于因热效应损坏及管外 水泥环超高温变质，这是注蒸汽开采稠油过程中必须解决的技术难题。一般 的解决方案是在油管和套管之间增加一个隔热油管，并在油管和隔热管之间 充填隔热物质，在隔热油管和套管之间用空气来充当隔热物质，来达到隔热 的目的。井身结构图如图2 2 所示。 2 30 r k i s z e w s k i 方法 2 3 1 流动型态的划分 在o r k i s z e w s k i 方法。1 中，气液两相的流动型态分为泡流、段塞流、过 渡流及雾流四种。如图2 - 3 所示。 圉，圈圜t 圜 咆流 段搴流吐渡流嚣流 眵；葫液体 气体 图2 - 3 气体混合物的流动结构( 流型) 示意图 多帽垂直管流的压力降公式为： - d p = f f d h + g p 。d h + p ，j v 。? d v 。 t 2 - 、1 式中，p 为压力，只；f ，为摩擦损失梯度只1 h ：h 为深度，m ；g 为重力加速度，m s ! ：p 。为混合物密度，k g m ：v 。为混合物流速，m s 。 o r k i s z e w s k i 方法的四种流动型态的具体划分界限如表2 - 1 所示。 表2 一l 流态划分界限 流动刑态 羿限 泡流 吼q ， l 月，”f ”f 、 一 雾流 h l 。 其中，各无因次量的计算方法如下 中国石油大学( 华东) 工程硕七学仿论文第2 章吸汽剖面数学模型建立 ( 1 ) 无因次气体流速瓦 瓦2 等c 钞4 z ， 式中，为在芦，于下的液体密度，k g m ：6 为在f ，于下的液体表面张 力，n m ；f 为计算管段的平均温度，o c ；丘为管子流通截面积，m 2 。 ( 2 ) 泡流界限三。 l 口= 1 0 7 1 - - 0 7 2 7 7 v , - i d ( 2 - 3 ) 一般b 0 1 3 ，如果l 。 0 1 3 ，则取l 1 - 0 1 3 。 式中，n 为在芦，尹下的总的流体速度( 混合物流速) ，m s ；d 为管子直 径，m 。 ( 3 ) 段塞流界限。 l 。= 5 0 + 3 6 瓦当 ( 2 - 4 ) ( 4 ) 雾流界限t ， k = 7 5 + 8 4 ( 瓦当) , - g ( 2 5 ) 式中，珈，吼，q 为在，于下的液体、气体及总的体积流量，m s 。 2 3 2 混合密度和摩擦损失梯度的计算 流态不同，各种参数的计算方法不同，下面按流态介绍如下： ( 1 ) 泡流 平均密度计算p ， p m = h i j p i + h t p = q h p i + h p g 2 6 、 何，+ h 。= 1 ( 2 - 7 ) 气相存容比h 。 由滑脱速度束计算。当流体从井底向井口流动时，由于密度差异，使得 气相流动比液相快，所以滑脱速度定义为气相速度与液相速度之差，即 v ：羔一l ：l 一! ! 二! !( 2 8 ) 5 h el 一g p xa p ( 1 一h f ) 由此，可以求出h 。 主里互鎏大堂! 华东) 工程硕士学位论文第2 章吸汽剖面数学模型建立 耻扣西q l 一焉l + v , i p ) 2 4 q g ( 2 9 ) 但是，在注蒸汽过程中，注入蒸汽从井口流向井底的过程中，由于汽水 密度差异，水的速度较汽的速度快，此时滑脱速度液相速度与气相速度之差， 即 驴南芑2者南一袭(2-10)1 h h ah 一 rgp ( 1 一f ) 4 p 何。 由此，可以求出h g 以2 j 1 【l - 毒+ 1 - q ) 2 + 4 q r , j 】 ( 2 _ g r i f f i t h 由实验得出，泡流的滑脱速度v 。的平均值为0 2 4 4 m s 。 摩擦损失梯度t f t f 可按液相进行计算 r - 厂告孚 ( 2 - 1 2 ) 式中，巩为气相存容比，无因次：h - 为液相存容比，无因次；p 。、p ，、石。 为在p 、7 下气、液和混合物的密度，k g m 。；f 为摩擦阻力系数；v 、为滑脱速 度 m s 吼l 为液相真实流速，m s 叶“= 桶。 摩擦阻力系数可根掘管壁相对相糙度s ( s = e d ) 和液相雷诺数r e 由经验公式求得。 r 。= p l d v iv t ( 2 1 3 ) 式中，为在一p ，一t 下的液体粘度，m p a s o f 的经验公式为 当r e 一 2 0 0 0 时，厂= 6 “一2 1 9 ( s + 2 1 2 5 r e - o * ) - 2 对于普通油管，其管壁绝对裉糙度一般取e = 4 5 7 1 0 一m 。 ( 2 ) 段塞流 平均密度p ， 4 三堡坚盐叟塑三竺里塑：堕堡主兰堡垒奎 兰! 童堕壅型亘墼兰堡型垄皇 瓦2 等等嘞( 2 - 1 4 ) 滑脱速度求解 v 。值可以根据不同的n h 值用下面公式进行计算： 一3 0 0 0 时， v = ( o 5 4 6 + 8 , 7 4 x 1 0 。0 ) g d( 2 1 5 ) 以8 0 0 0 时， v = ( o 3 5 + 8 7 4 1 0 。乏) j d( 2 一1 6 ) 3 0 0 0 t m x 为止。 2 4 3 压力计算 井筒部分的压降计算思路为：从井口丌始，以心为步长逐段往下计算， 利用压力平衡来计算z 长度上的压力变化。在计算中凡与压力有关的参数 ( 如t 、h 。、h 。、l ，) ，都采用z 一z 及z 上压力的平均值，但由于z 上 的压力未知，因此需假设一个压力，用迭代法进行计算。 1 7 中国石油大学( 华东) 工程硕十学位论文第2 章吸汽剖面数学模型建立 由于注蒸汽时可能存在蒸汽转化成水而形成汽水两相流动，也可能是干 蒸汽单相流动或水单相流动几种情况，因此，进行压降计算时应分情况来处 理。 ( 1 ) 热水垂直管流压降计算 单相垂直管液流的能量方程为： 生：暖+ 卵业+ r 旦! ( 2 2 9 ) 丢2 昭+ 乏+ ，；了 “一 其中加速度引起的压降很小，可以忽略不计，则变为： 塞= 昭q - ，詈罢= c 昭+ f 丢b ， 一s 式中，p 为一p 、于下的液体密度，k g m 1 ；g 为重力加速度，m s 2 ；厂为 管壁摩擦系数，根据管壁相对粗糙度和流体雷诺数求得。 ( 2 ) 汽水两相垂直管流压降计算 根据压力平衡方程，垂直管流的压力降是摩擦能量损失、位能变化和动 能变化之和： 老咆，g - 旷掣a z以 式中，p 为井筒上某点的压力，肋 台物密度，k g m 3 ：r ，为摩擦损失梯度 m s 。 ( 2 - 3 1 ) z 为深度，m ；以为饱和蒸汽混 p a m ：v 为饱和蒸汽混合物流速， 实际上动能变化仅在雾沉情况p 有明显的葸义a 对于雾流，气体1 萃枞流 量远远大于液体体积流量，故可应用理想气体定律。 因为v = 3 6 0 0 上p 一, a p 删成协= 3 6 0 0 p f a r 以击卜击以方1 而 p 矿= r t ，p = ：m _ 得丢= 器 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章吸汽剖面数学模型建立 d c 嚣d c 扣一瑚r td p 一去咖 因此 以协= 一痂i 2 卯或譬= 一赫卯 式中，i ，为蒸汽质量流量t k g h ：a p 为内管截面积，m 2 ：q 。为蒸汽 体积流量，m 3 s 。 整理得 廿：鱼苎：! z ( 2 3 2 ) ：! ! 一1 3 6 0 0 a ；p 其中p 是管段内流体的平均压力。 根据上式即可求得z 管长上的压力损失尸。式中p 。可由蒸汽干度和 饱和蒸汽热力学性质参数求得，其中用到的于度是z 一z 与z 处于度的平 均值，因此需迭代计算，而r ，值可采用0 r k i s z e w s k i 方法将两相流划分为 四种流念，用不同的经验相关式求出。 ( 3 ) 干蒸汽垂直管流的压降计算 对单相垂直气流，可作为日。= 1 的雾流来处理，则摩擦梯度为： 矿厂争手 。) 雷诺数( r e ) 。= b d v 段 摩擦系数根掘雷诺数和管壁的相对粗糙度再应用经验公式求取。 2 4 4 温度计算 由于饱和蒸汽的温度与压力是一一对应的，因此，应用饱和蒸汽温度关 系式就可以得到蒸汽的温度，公式如下： t = 1 9 5 9 4 p2 ”一1 7 8 ( 2 3 4 ) 式中，一为蒸汽饱和温度，：只为蒸汽饱和压力，1 0 一m p a 。 当压力在0 0 6 9 2 0 7 m p a 范围内时，应用上式求解出的饱和温度的误 差小于i 。因此比较精确，满足误差精度要求。 中国石油大学( 华东) 工稃硕十学付论文第2 章吸汽剖面数学模型建立 如果井筒中为单相液流，则按照温度降低散热进行简单计算。流体能量 变化主要表现在四个方面：摩擦损失、动能变化、位能变化和内能变化，前 三项可合