2014水平井双管注汽工艺参数优化设计研究中文版概述

1、水平井同心双管注汽工艺参数优化设计研究刘洪芹石在虹朱静马振摘要辽河油田稠油水平井完井以筛管完井方式为主，占总完井方式的83.4%，水平井注汽多采用笼统方式注汽，造成水平井脚跟部分动用较好，据脚尖约1/3部分以后动用程度较差。由于辽河油田水平井同心双管注汽开采工艺技术已经成熟，与之相关的优化设计仍属空白，因此本文将以实现水平井同心双管注汽优 化计算为目标，建立水平井同心双管注汽物理模型，给出水平井同心双管注汽井筒压力计算方法、水平井 同心双管注汽井筒热损失计算模型、干度计算模型及水平井变管径同心双管注汽井筒参数计算模型。通过 辽河油田一口同心双管注汽井进行实例计算，证实模型与现场符合较好。关键词

2、：水平井，同心双管注汽，工艺参数，优化设计1问题的提出国外由于油藏较浅，水平井注汽多采用光管和平行双管注汽，平行双管注汽技术在加拿大目前已得到 普遍应用。国内 2007年之前还没有双管注汽技术应用的先例。辽河油田的水平井大多用于稠油、特稠油 以及超稠油的开采，原油粘度高，在生产过程中需要注蒸汽开采。但由于目前辽河油田筛管完井技术占 83.4%，受油层非均质及周边采出影响，水平井段动用不均的矛盾较为突出。监测结果显示，水平井水平段动用不均的井约占 80%2，井温处于可流动温度之下的占总井段的28.9%。水平井脚跟部分动用较好，温度上升较大，但后约1/3部分动用较差3。为实现水平段均匀动用，减少热

3、损失、提高隔热效果，2007年国内首创立项了稠油水平井同心双管注汽技术，取得当年研发成功，当年试验成功的目标，2008年被列为油田公司规模推广项目，截止到2009年底，已在辽河油田现场实施95井次，累计增油7.9 >104t，效果良好。试验结果充分证明，水平井采取同心双管注汽方式，将缓解井底吸汽不均问题，提高蒸汽的利用率，加大水平井注入蒸汽强度，提高原油的动用程度，延缓油井的递减时间，提高油井产油量、油汽比和采出 程度，从而最终提高经济效益，是进一步提高稠油油藏采收率的最有效开采方式。现场推广需理论指导， 以往没有开展该项研究工作，水平井双管注汽工艺参数优化设计研究仍属空白，目前急需配套

4、集方案设计、系统参数调配、注采参数优化设计模型，以指导现场进行施工方案设计和最佳开采工艺实施。图1水平井同心双管常规注汽管柱2水平井同心双管注汽原理水平井同心双管注汽管柱如图1。水平井同心双管注汽技术可缓解水平井段吸汽不均现象。同心双管注汽技术是在井筒内有两 条注汽管柱，是同心的。外管到脚跟结束，内管延伸到脚尖。对 水平井脚跟、脚尖同时注汽，并且可以根据吸汽情况在井口对脚 跟、脚尖注汽量进行调整。水平井同心双管注汽工艺主要有四部 分组成：管柱部分、井口部分、蒸汽分配部分和井底温压监测部 分。在注汽过程中使用 N2对油套环空进行隔热。管柱部分主要由内注汽管和外注汽管组成。外注汽管：41/2 &q

5、uot;真空隔热管，内径76mm，视导热系数：0.01 W/(m C);内注汽管：1.9 '无接箍油管；尾管：1.9 '无接箍筛管。井口部分由不压井蒸汽驱井口外加一个大四通组成,41/2 '真空隔热管悬挂在下面大四通上，1.9 '无接箍油管悬挂在上面大四通上。蒸汽分配部分主要是由等干度分配装置构成。该装置能将锅炉过来蒸汽以各种比例调整为两股蒸汽。 井底温压监测部分主要由温度计和压力计组成。该温度计和压力计能测量水平井段在注汽过程中温 度、压力变化情况。3水平井同心双管注汽计算模型内外誉地图2水平井同心双管物理模型3.-水平井同心双管注汽物理模型水平井双管注汽物理

6、模型如图2所示。对于同心双管注汽模型，其难点为-）传热特性；2）内外管压力、温度需耦合；3）流动截面；4）弯曲井眼；5）变质量。3.2水平井双管注汽井筒压力计算以往的压力计算模型采用采用单一模型计算压差，其弊端为 因流态的差异导致计算精度不高，本文采用综合压降计算模型， 即通过流动形态判别，分离流时利用分流模型计算压差，间歇流 和分散流时，利用均流模型计算压差使计算结果更接近于实际， 提高了计算精度。3.3水平井双管注汽井筒干度计算模型由于有些参数是压力和干度的函数，所以在计算时需要将井筒分成若干个井段，使每个井段的流体物 性参数及流动特性没有明显的变化。此外，在分层配汽过程中质量流量是逐渐减

7、少的，因此从第一层起应 是一个变质量传热传质的多相流动过程。根据上述原理，可推导出内外管干度变化方程如下：1 ）内管蒸汽干度变化的能量方程dx-c1 - c2x c3 二 0（ 1）dz其中G 二 G- hs -hw（ 2）idp- i'dhs dhw/、C2 =G- |（3）dz （dp-dp-丿”3c dQ- G dhw dp-G- d imC3G-2G-g（ 4）dzdp- dz A2 m dz式中 G- 管内注入蒸汽的质量流量，kg/s; p- 由管内混合物的压力（绝对），Pa; hm 汽、气混合物的焓，J / kg；hw 和水的焓，J / kg；hs 饱和蒸汽的焓，J / k

8、g；x-管内蒸汽干度。3.3.2外管内蒸汽干度变化的能量方程其中C4dx2dzC5XC6 = 0（5）4C4 七2 hs - hw(6)C5 = G2dp2dzdp2dhw dp22C6闿Gdzdp2 dz式中 G2 隔热套管内注入蒸汽的质量流量,kg/s ；P2 卜管内混合物的压力（绝对）（7）（8），Pa;hm 、气混合物的焓，J / kg ；hw -和水的焓，J / kg ；hs 饱和蒸汽的焓，J / kg ；X2 热套管内蒸汽干度。上面的模型中，hw和hs与压力的关系式可以根据水蒸汽的热力学性质得到。3.4水平井双管注汽井筒热损失计算模型ri rjjrj r$ r* r1叩图3水平井双

9、管注汽井筒热损失物理模型井筒热量传递方式比较复杂，自内向外有：内管蒸汽凝结放热、内管壁导热、外管蒸汽凝结放热、外 管壁导热、隔热管壁导热、环空中介质（低压空气）的辐射和对流换热、套管壁导热及水泥环导热等环节。 这些热阻径向串并联组成井筒内”的传热。（1）内管内管的热损失是由内外管的温差引起的。单位长度的热损失：Ts1 -Ts2z 、轩RT（9）R 二三- 1一ln- h-（ 10） "亦 2“1,tubr1 2Th2r3式中，Ts1 内管注汽温度；Ts2 外管管注汽温度；R1 内管热阻。6(2) 外管外管向井壁放热，单位长度热损失:外管从内管吸热q2Ts2 -ThR2(11)+2 二

10、h222：Q2,tub+ +2二 h can r 52 ' casTs1 - Ts2R1式中 R2 外管到水泥环外缘的热阻。3.5水平井变管径双管注汽井筒参数计算模型水平井变管径双管注汽示意图如图 4所示。空=律+陛)+俾)dz V Ez .重位 '_Ez .丿摩阻 <cz .丿加速Ip(1 一 $) + Pg $ Jg sin 日十 JGv dp = _1g 匕2DAdzh(1 - 'g ' Vvsg1 -Pln -In -32：Q“2,ins4In 心2-cem(15)式中，参数D、v、vsg均随井深的改变而变化，计算中(12)9必须与之对应。hori

11、Hital displajceneiat (a)图5 XX井井眼轨迹垂直投影图6.42t/h。图4水平井变管径双管注汽示意图4水平井双管注汽工艺参数优化设计计算实例根据所建立的模型，我们进行了辽河油田XX井平行双管注汽工艺参数优化设计。XX井井眼轨迹图如图 5所示，表层套管为13-3/8"，壁厚10.92 mm，上端井深为0,下端井深为208.53m，井径为406.40mm ;生产 套管为9-5/8"，壁厚11.99mm,上端井深为 0,下端井深为1176m, 井径为339.71mm，筛管为7"，壁厚9.19 mm，上端井深为1150m， 下端井深为1240m，井

12、径为215.90mm，裸眼部分上端井深为 1240m， 下端井深为1310m，井径为139.70mm。其内管和外管的注汽管柱基 础输入数据如表2、表3所示。为了验证模型的准确性，方便以后准确地进行平行双管注汽工 艺参数优化设计，并与现场实际测试数据对比，在参数输入上我们根据 现场实际注汽情况， 内管井口压力为11.69MPa，井口干度62.8%，注汽 速度9.86t/h;外管在井口压力为 8.77MPa，井口干度60.3%，注汽速度表2 XX井筒注汽管柱（内管）类型规格壁厚，mm接箍接箍热损，%环空密封下入井深，m油管1-7/8"3.68无0.00否1243.39筛管1-7/8&qu

13、ot;3.68无0.00否1249.52油管1-7/8"3.68无0.00否1280.45表3 XX井筒注汽管柱（外管）类型规格壁厚，mm接箍接箍热损，%环空密封下入井深，m保温管4-1/2"+3-1/2"隔热20.00否905.62油管3-1/2"6.45无10.00否998.37筛管3-1/2"6.45无0.00否1007.37通过模型计算，可得 XX井井筒在内管在井口压力 11.69MPa，井口干度62.80%，注汽速度9.86t/h的 注汽条件下内管注汽模拟计算结果 （见表4）及外管在井口压力 8.77MPa，井口干度60.30%，注汽

14、速度6.42t/h 的注汽条件下内管注汽模拟计算结果（见表5）。表4 XX井井筒注汽模拟（内管）计算结果井深，m压力，MPa温度，C干度，%混相密 度， kg/m 3混相粘 度，mPa -s总压 降，MPa重位 压降，MPa摩阻 压降，MPa加速 压降，MPa0.0011.69322.6462.80145.91107.960.000.000.000.00200.0010.80316.6861.42144.48115.90-0.89-0.281.17-1.77400.009.85309.8760.04141.59123.59-1.84-0.562.39-3.66500.009.35306.035

15、8.66139.26127.08-2.34-0.703.03-4.67600.008.80301.7457.28136.13130.23-2.89-0.833.70-5.75700.008.21296.8155.90131.89132.86-3.48-0.954.40-6.93800.007.55290.9454.52126.06134.63-4.14-1.035.15-8.25900.006.78283.6153.14118.07135.15-4.91-1.095.96-9.78998.375.87274.1151.76110.67138.71-5.82-1.106.86-11.581100

16、.004.81261.4849.9798.75138.34-6.88-1.107.90-13.681200.003.40240.8848.1876.95127.37-8.29-1.109.25-16.431243.393.10221.5646.3958.47112.36-8.59-1.1010.15-18.35从计算结果可以看出，XX井管从井口到998.37m外管筛管开始部分，压力从井口的11.69MPa逐渐下 降为2.39 MPa，这是由于当蒸汽注入压力较大（11.69MPa），并且内管内截面积较小，注的就快，加速压 降占主要地位，因此随着井深的增加，压力就会逐渐降低。由于外管对内管有一定的

17、保温作用，干度下降 也将较为缓慢，到外管筛管处，干度保持在51.80%，至U脚跟（内管筛管处）时，干度降到46.43%。表5 XX井井筒注汽模拟（外管）计算结果井深，m压力，MPa温度，C干度，%混相密度，3kg/m混相粘 度， mPa-s总压 降，MPa重位 压降，MPa摩阻 压降，MPa加速 压降，MPa0.008.77301.4560.30140.18135.510.000.000.000.00200.008.93302.7658.66140.86134.200.16-0.280.120.32400.009.10304.0857.02141.50132.810.32-0.560.240.

18、65500.009.18304.7455.38141.05131.220.40-0.700.300.82600.009.26305.3553.74140.47129.560.48-0.840.360.98700.009.32305.8652.10140.38128.640.54-0.960.411.11800.009.37306.1850.46140.26127.980.58-1.050.461.19900.009.37306.2348.82140.92128.680.59-1.110.511.20998.379.33305.9147.18142.67131.200.55-1.130.561.12从计算结果可以看出，XX井外管从井口到998.37m外管筛管开始部分，压力从井口的8.77 MPa逐渐上升到9.33 MPa，这是由于当蒸汽注入压力(8.77MPa)较小时，外管环空面积还较大，几乎是内管内截 面积的1倍以上，蒸汽的重力占主要影响，随着井深的增加，压力就会有所提高。通过在XX井计算实例的计算与分析，水平井同心双管注汽计算模型是符合现场实际的，可进行水平 井同心双管注汽优化设计。5结论及建议1)通过对水平井同心双管注汽原理进行分析，建立了水平井同心双管注汽物理模型。2 )文章给出了水平井同心双管注汽井筒压力计算方法、井筒干度、井筒热损失计算模型和水平井变 管径双管注