(1.常州大學(xué) 石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213016；2.金川集團(tuán)有限公司，甘肅 金昌 737103)①

我國(guó)的稠油資源儲(chǔ)量豐富，陸上稠油、瀝青資源的預(yù)測(cè)儲(chǔ)量為198億t[1-3]。稠油的黏度高，受溫度影響較大，且在舉升過(guò)程中由于熱損失、降溫而導(dǎo)致黏度增大、結(jié)蠟，影響油井生產(chǎn)[4-5]。

針對(duì)這類原油，油田采用空心抽油桿熱水循環(huán)采油工藝進(jìn)行開(kāi)采，對(duì)井筒加熱保溫，確保生產(chǎn)井的油管沿程溫度高于結(jié)蠟溫度。該工藝中的一種是油井空心抽油桿中下入連續(xù)管，將循環(huán)水加熱達(dá)到指定的水溫，并以指定流量泵入連續(xù)管內(nèi)，形成從連續(xù)管到空心抽油桿的循環(huán)通道。具有井筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、加熱效率高等優(yōu)點(diǎn)[6-11]。

本文運(yùn)用傳熱學(xué)與流體力學(xué)理論[12-13]，在遼河油田A井的資料基礎(chǔ)上，探究熱水循環(huán)采油工藝的某些參數(shù)對(duì)加熱效果的影響。構(gòu)建多物理場(chǎng)耦合計(jì)算模型，研究影響循環(huán)水注入流量分別與注入溫度、空心桿沿程溫度以及油管沿程溫度的關(guān)系曲線。

1 井筒溫度場(chǎng)計(jì)算模型

1.1 模型的建立

為了簡(jiǎn)化模型，做如下假設(shè)：

1) 井筒內(nèi)流體為連續(xù)介質(zhì)。

2) 忽略地層導(dǎo)熱系數(shù)沿井深方向的變化，地溫梯度為3 ℃/100m。

3) 計(jì)算模型為流體與傳熱耦合模型，無(wú)對(duì)外熱輻射。

4) 井筒管柱材料、結(jié)構(gòu)與熱物理性質(zhì)均勻一致。

其物理模型如圖1所示。

圖1 井筒模型

模型中各部件尺寸如表1所示。

表1 井筒部件尺寸參數(shù)

1.2 流動(dòng)與傳熱方程

1) 流動(dòng)方程。

式中：ρ為流體密度,kg/m3；v為流速,m/s；μ為動(dòng)力黏度,mPa·s；l為管道長(zhǎng)度，m；g為重力,N/kg；F為體積力，N/s3；▽為拉普拉斯算子；ε為湍流耗散率，%；k為湍流動(dòng)能，J；p為壓力，Pa；Cμ為常數(shù)，通常取0.09；T為溫度，K。

2) 傳熱方程。

井筒內(nèi)流體的傳熱方式為傳導(dǎo)和對(duì)流換熱，井筒內(nèi)流體為連續(xù)介質(zhì)；應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)中的能量方程，可得井筒內(nèi)傳熱方程：

式中：ρ1為介質(zhì)密度，kg/m3；Cp為介質(zhì)定壓比熱，J/(kg·K)；u為速度場(chǎng)，m/s；Q為熱源項(xiàng)，W/m3；t為時(shí)間，s。

1.3 模型參數(shù)

參考遼河油田A井結(jié)構(gòu)參數(shù)以及井筒材料參數(shù)，計(jì)算模型參數(shù)如表2所示。

表2 材料物性參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果與影響因素分析

2.1 井筒溫度分布

空心抽油桿下入深度為1 210 m，動(dòng)液面深度1 150 m。循環(huán)水注入溫度為70 ℃，注入水的流量為24 m3/d，采出液產(chǎn)量為13.2 m3/d，井口壓力為0.5 MPa。采出液含水率為79%。地面溫度為18 ℃，地溫梯度為3 ℃/100m，如圖2。該工況下，空心桿井口溫度為61.7 ℃，油管井口溫度為59.8 ℃?？招臈U井底溫度變化大，井筒溫度上升穩(wěn)定；油管溫度曲線在動(dòng)液面處有明顯拐點(diǎn)，井底溫度上升迅速，井筒溫度保持良好。

圖2 井筒溫度分布

2.2 循環(huán)水注入流量的影響規(guī)律

循環(huán)水注入流量是該工藝主要的參數(shù)之一，在其他條件不變的工況下，流量在12～48 m3/d時(shí)空心桿回水沿程溫度以及油管采出液溫度的曲線及流量增幅與溫度升高幅度曲線，如圖3～4所示。

在此參數(shù)下，循環(huán)水注入流量從12 m3/d到48 m3/d時(shí)回水井口溫度升高了5.5 ℃，而沿程最大溫差在11 ℃左右；該現(xiàn)象說(shuō)明空心桿沿程溫度的變化是非線性的，在井筒中段的溫度提升更高。當(dāng)循環(huán)水注入流量變高時(shí)，循環(huán)水注入流量越大，空心抽油桿環(huán)空中心沿程溫度越高；空心桿底部回水溫度由于循環(huán)水觸壁返排而溫度變化較快；循環(huán)水注入流量越大，沿程溫度越高。沿程溫度增幅變化明顯，井筒最高上升溫度約為井口上升溫度的兩倍；溫度的增幅在相同流量間隔下越來(lái)越小。

a 空心桿沿程溫度分布

b 空心桿沿程溫差

在此參數(shù)下，循環(huán)水注入流量為12 m3/d的沿程溫度表明，此流量下對(duì)井筒的溫度保持效果較差。其余曲線顯示井底加熱明顯且沿程溫度保持良好。井深1 150 m處存在拐點(diǎn)，因?yàn)閯?dòng)液面的氣液兩相導(dǎo)熱系數(shù)不同，導(dǎo)致溫度趨勢(shì)有所變化。當(dāng)循環(huán)水注入流量增大，油管沿程溫度升高；且流量越大，采出液沿程溫度越高。采出液井口溫度增幅依次為3.5、5.4和6.5 ℃，最大增幅依次為5.6、8.3和10.2 ℃；循環(huán)水注入流量的增量對(duì)加熱效果逐漸變?nèi)?，但最小循環(huán)水注入流量不宜低于12 m3/d。

a 油管沿程溫度分布

b 油管溫度增幅曲線

2.3 循環(huán)水注入溫度的影響規(guī)律

循環(huán)水注入溫度是該工藝另一重要參數(shù)，對(duì)此參數(shù)的研究有利于節(jié)約能耗。為研究循環(huán)水注入溫度的影響規(guī)律，在計(jì)算模型的工況條件不變下，設(shè)定溫度在60～100 ℃，并得到循環(huán)水注入流量與空心桿沿程溫度及油管沿程溫度曲線，如圖5～6所示。

圖5 空心桿沿程溫度分布曲線

圖6 油管沿程溫度分布曲線

由圖5可知，隨著循環(huán)水注入溫度的升高，油管環(huán)空內(nèi)沿程溫度升高；總趨勢(shì)為隨著井深增加，沿程溫度減小；注入溫度越高，溫降幅度越大。

由圖6可知，隨著入口水溫升高，同一井深處溫度隨之升高；總趨勢(shì)為隨著井深加深，溫度先下降后有所上升，循環(huán)水注入溫度越高，上升效果越強(qiáng)；在空心桿底部曲線的變化原因是動(dòng)液面以及流體觸壁返排。循環(huán)水注入溫度為60 ℃時(shí)，沿程溫度略高于井底溫度54 ℃；隨著循環(huán)水注入溫度的升高，加熱效果越來(lái)越顯著，且沿程溫度變化幅度更大。

在此參數(shù)下，溫度間隔大致相同，整體在2 ℃左右；沿程溫度保持良好，井口溫度均高于沿程溫度；注入溫度為60 ℃時(shí)，沿程溫度保持54 ℃以下且沒(méi)有溫度的上升，說(shuō)明無(wú)明顯加熱效果。循環(huán)水注入溫度越高，油管沿程溫度越高；各曲線顯示循環(huán)水注入溫度越高，升溫速度越快；在其余井段，溫度保持良好；循環(huán)水注入溫度為60～65 ℃時(shí)，大部分井段沿程溫度在55 ℃之下。

3 實(shí)際應(yīng)用與可行性

遼河油田某區(qū)塊的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于本身是稠油高凝油產(chǎn)區(qū)，其原油黏度大，析蠟溫度在55 ℃左右。在原油采出工藝上，普遍采用加熱等方式降低原油黏度以及防止析蠟。遼河油田A井日產(chǎn)液量為13.2 t，日產(chǎn)油2.8 t，含水率79%，采用空心抽油桿熱水循環(huán)工藝進(jìn)行加熱降黏防蠟，單井循環(huán)水量為24 m3/d，循環(huán)水在地面加熱至70 ℃后，加壓注入連續(xù)管，其空心桿回水溫度可達(dá)到井口溫度59.1 ℃，采出液井口溫度可達(dá)到57.3 ℃；B井日產(chǎn)液量為20 t，日產(chǎn)油11.6 t，含水率42%，采用空心抽油桿熱水循環(huán)工藝進(jìn)行加熱降黏防蠟，單井循環(huán)水量為24 m3/d，循環(huán)水在地面加熱至65 ℃后，加壓注入連續(xù)管，其空心桿回水溫度可達(dá)到井口溫度54.5 ℃，采出液井口溫度可達(dá)到58.2 ℃。由表3可知，理論計(jì)算相較于實(shí)際數(shù)據(jù)的誤差均小于5%，故利用數(shù)值計(jì)算結(jié)果來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作有可靠性。

表3 溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

對(duì)比電加熱稠油生產(chǎn)工藝，雙空心桿熱水循環(huán)稠油采油工藝能節(jié)省大部分資金投入，并且達(dá)到節(jié)能減排目的。比較數(shù)據(jù)如表4～5所示，電加熱日運(yùn)行費(fèi)用為￥696.8元，空心桿熱水循環(huán)加熱日運(yùn)行費(fèi)用為￥387.1元，熱水循環(huán)加熱節(jié)約能耗費(fèi)￥309.7元。計(jì)算一次性投資，熱水循環(huán)工藝10 a的總成本共計(jì)節(jié)約￥113萬(wàn)元。

表4 稠油電加熱降黏工藝成本

表5 稠油熱水循環(huán)降黏工藝成本

4 結(jié)論

1) 循環(huán)水注入流量對(duì)井筒沿程溫度的影響表現(xiàn)為：井筒底部換熱強(qiáng)烈，加熱升溫后井筒中段溫度保持平穩(wěn)，井口溫度抬升且為沿程最高溫度；循環(huán)水注入流量在12 m3/d時(shí)對(duì)采出液的加熱效果不明顯，實(shí)際應(yīng)用中循環(huán)水注入流量應(yīng)高于12 m3/d?？招臈U回水井口溫度增幅是沿程溫度最大增幅的0.5倍左右，采出液井口溫度增幅為沿程溫度最大增幅的0.6倍左右。

2) 循環(huán)水注入溫度對(duì)井筒溫度的影響表現(xiàn)為：井筒底部換熱強(qiáng)烈，加熱升溫后井筒大段溫度保持平穩(wěn)，井口溫度隨著循環(huán)水注入溫度的升高而上升幅度更大；注入溫度每提高5 ℃，采出液出口溫度提高2 ℃左右；注入溫度低于65 ℃時(shí)，井筒加熱效果不明顯，作業(yè)溫度應(yīng)在70 ℃之上。

3) 熱水循環(huán)采油工藝相對(duì)電加熱采油工藝，一次性投資高，而年節(jié)約能耗的收益更高，10 a可節(jié)約￥113萬(wàn)元。