濕蒸汽沿注汽井井筒的壓降和傳熱規(guī)律分析

1、<p>　　濕蒸汽沿注汽井井筒的壓降和傳熱規(guī)律分析</p><p>　　摘 要：在濕蒸汽熱采過程中，精確地預(yù)測注蒸汽井井筒內(nèi)蒸汽壓力，溫度，和干度等參數(shù)的變化，對整個(gè)生產(chǎn)過程都相當(dāng)重要。本文根據(jù)傳熱和兩相流動(dòng)原理，建立了井筒注蒸汽的數(shù)學(xué)模型，把井筒熱傳遞可合理地分解成井筒內(nèi)穩(wěn)態(tài)傳熱和地層內(nèi)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱兩部分，并選擇B-B法求解摩阻壓降，用Ramey方法計(jì)算井筒內(nèi)濕蒸汽的傳熱量。 </p>&

2、lt;p>　　關(guān)鍵詞：井筒 壓降 傳熱計(jì)算 濕蒸汽 </p><p><b>　　一、前言 </b></p><p>　　1.研究的目的和意義 </p><p>　　在注蒸汽熱力采油中，井筒熱損失的大小直接影響到注入井底的是飽和蒸汽還是水，或者影響到注入井底的濕飽和蒸汽的干度，從而決定著熱采效果的好壞。蒸汽干度是影響蒸汽吞吐開采效果的主要

3、因素。在總的蒸汽量相同的條件下，蒸汽干度越高，回采期原油峰值產(chǎn)量越大。在現(xiàn)場操作中盡可能保證注入蒸汽的干度較高。原因主要是：在相同注入汽量下，蒸汽干度越高，加熱油藏的體積越大；由濕飽和蒸汽性質(zhì)知，在相同壓力下，干度越高，比容越大，這種影響在高壓油藏比較明顯。同時(shí)，井筒熱損失的大小與油藏吸汽能力之間存在著協(xié)調(diào)關(guān)系，即井筒的熱量損失和壓力影響注汽速率，而注汽速率的改變又將導(dǎo)致井筒的熱量損失變化，所以在注汽開采稠油過程中，最關(guān)鍵的技術(shù)之一是減

4、少蒸汽在井筒中的熱損失，減少井筒摩阻壓降損失，以保證注入井底的蒸汽干度較高。 </p><p><b>　　二、井筒壓降計(jì)算 </b></p><p>　　計(jì)算氣液兩相流壓降的Beggs-Brill方法 </p><p>　　稠油注蒸汽中的工作介質(zhì)是濕蒸汽，即水和水蒸汽的兩相流，或者說是氣液兩相流，兩相流還包括氣固兩相流，如輸送煤粉管道中空氣和

5、煤粉，煙氣管道中氣體和固體顆粒；還有液固兩相流，如水煤漿的水與煤粉等。這里只涉及氣液兩相管流。 </p><p>　　Beggs-Brill方法是流型模型中的一種計(jì)算兩相流特征的方法，是Beggs博士論文的核心內(nèi)容，發(fā)表在1973年。Beggs在一套長達(dá)27.4m的透明的聚丙烯管中進(jìn)行的兩相流實(shí)驗(yàn)，介質(zhì)為空氣和水，管徑有2.54cm和3.81cm兩種。管子可以傾斜，角度變化為-90 —+90 ，其中-90 為氣液

6、垂直向下，+90 為氣液垂直向上，0 為氣液水平流動(dòng)，總共作了584次實(shí)驗(yàn)，空氣和水的流量可以分別變化，因此可觀察到各種流型。 </p><p><b>　　三、井筒傳熱計(jì)算 </b></p><p>　　與地面輸汽管線比較，蒸汽在注汽井井筒內(nèi)流動(dòng)和散熱更為復(fù)雜，井筒徑向尺寸小，蒸汽通道更小，沿著井深增加，周圍地層溫度隨著增加，沿井深散熱也隨之變化，更需要分段計(jì)算這些

7、參數(shù)的變化。 </p><p>　　1.注汽井井筒中蒸汽參數(shù)變化 </p><p>　　蒸汽從注汽井井口自上而下注入，沿程因摩擦阻力會使壓力下降，但垂直位置△z產(chǎn)生重位壓差，使壓力增加；蒸汽在△z距離內(nèi)由于其溫度遠(yuǎn)大于地層溫度，徑向有熱量損失qI。與地面輸汽管線相仿，動(dòng)量方程與能量方程相耦合，也必須分段采用數(shù)值求解方法。 </p><p>　　2.注汽井井筒熱損失q

8、I </p><p>　　注汽井井筒結(jié)構(gòu)從中心向外依次有隔熱油管、環(huán)形空間、套管、水泥環(huán)和地層。蒸汽由隔熱油管的內(nèi)管注入，不計(jì)及軸向熱量的傳遞。由于蒸汽溫度t0遠(yuǎn)大于地層溫度tf，因而有徑向熱損失，以qI表示（W/m）。 </p><p>　　水泥環(huán)外側(cè)地層為一半無限大空間，有極大的熱容量。由注汽井中心傳遞過來的熱量只能慢慢的加熱水泥環(huán)外側(cè)地層，不可能使遠(yuǎn)處的地層溫度升高，因而總的傳熱過程

9、是非穩(wěn)態(tài)的。 </p><p>　　非穩(wěn)態(tài)的傳熱計(jì)算比較復(fù)雜，因而設(shè)想把該問題作合理的簡化；從中心到水泥環(huán)的傳熱假定是穩(wěn)態(tài)的傳熱過程，從水泥環(huán)到遠(yuǎn)處地層的導(dǎo)熱假定為非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱都可以用簡單的公式計(jì)算。 </p><p>　　2.1蒸汽至水泥環(huán)的穩(wěn)態(tài)傳熱 </p><p>　　也可以寫成以內(nèi)油管外表面積為基準(zhǔn)的傳熱公式，即： </p>

10、<p><b>　　傳熱系數(shù)k2為： </b></p><p>　　2.2 水泥環(huán)至遠(yuǎn)處地層的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 </p><p>　　非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的熱流 可以求解半無限大物體的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微方程式得到的。許多學(xué)者研究表明，用擬穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式表示，有足夠的精度，不會產(chǎn)生很大的誤差。 </p><p>　　2.3傳熱系數(shù)k2的計(jì)算公式 </p

11、><p>　　如果能夠求出 和 ，就可以用穩(wěn)態(tài)傳熱公式 = 計(jì)算 。并可以由能量方程求出 處的 ；用兩相流壓降公式已經(jīng)可以計(jì)算 處的 ，就可以把 處的其他蒸汽參數(shù) ， 等都一一得到； 處的蒸汽參數(shù)作為下一個(gè) 的初參數(shù)，用相似方法求出第二個(gè) 處的蒸汽參數(shù)；以此類推，一直計(jì)算到油層入口為止。 </p><p><b>　　四、結(jié)論 </b></p><p&

12、gt;　　計(jì)算結(jié)果表明注氣速率較小時(shí)，重位壓降大于摩阻壓降，壓力從井口至井底逐漸增加；當(dāng)注汽速率達(dá)到某一數(shù)值時(shí)接近等壓注入；注入速率繼續(xù)增加則由于摩阻壓降大于重位壓降的增加，壓力逐漸降低。但干度由于徑向熱量的散失，而逐漸減小。隨著注汽時(shí)間的增加，由于地層導(dǎo)熱趨于穩(wěn)定，散熱量減少，井底干度增加，但時(shí)間越長，增加量越小。對于濕飽和蒸汽，由于某一狀態(tài)的壓力對應(yīng)于確定的溫度，所以溫度的變化趨勢與壓力相同。隨著注汽速率的增大，蒸汽沿井筒的熱損失所

13、占的百分?jǐn)?shù)減小，干度下降的梯度越來越小，井底的蒸汽干度也就越大。 </p><p>　　在較高壓力下注汽對吞吐效果的影響主要取決于生產(chǎn)壓差下回采，注入壓力對吞吐效果的影響并不小。相同壓差下回采，注入壓力對吞吐效果的影響并不大。因此，應(yīng)盡力降低注汽壓力，以保證有足夠的注汽速度為下限，在注汽速度下有足夠高的井底蒸汽干度。不可追求過高的注入壓力及注汽速度，要嚴(yán)格防止超高壓、超高速注汽導(dǎo)致產(chǎn)生油層壓裂竄流。 </p

14、><p>　　注汽速度要適當(dāng)，太低井筒熱損失過大，太高則可能使注汽壓力過高而超過油層破裂壓力而壓開油層，形成微裂縫，導(dǎo)致油層中蒸汽竄流的不良后果。提高注汽速度有縮短油井停產(chǎn)注汽的時(shí)間，有利于增加增產(chǎn)效果。注汽速度降低，將增加井筒熱損失率，導(dǎo)致井底干度降低，從而減小吞吐效果，這是決定注入速度不能太低的主要因素。注汽速度的選定與注汽壓力的選定要相聯(lián)系，注汽速度既不能太低，低到井筒熱損失太大導(dǎo)致井底蒸汽干度過低，又不能過高

15、，要限定在不能造成油層被壓裂。一般而言，在盡量采用高質(zhì)量隔熱油管條件下，將注汽速度選定在4t/h以上，但最高不能超過油層破裂壓力為上限。不論深井、淺井，尤其是淺層油井，超高速和超高壓注汽，都會引起油層被壓裂，造成裂縫性蒸汽竄流，使蒸汽吞吐后期輪次及蒸汽驅(qū)開采階段的效果惡化。 </p><p>　　注注汽井口干度較大時(shí)，摩擦阻力較小，重位壓降大于摩阻壓降，井筒內(nèi)蒸汽壓力沿井深逐漸增加，井筒隔熱油管好壞直接影響井筒內(nèi)