海上热采井氮气隔热注氮参数的优化.pdf

第 卷 第 期 年 月 黑 龙 江 科 技 大 学 学 报 .海上热采井氮气隔热注氮参数的优化张 磊 杨 阳 于继飞 林珊珊 顾启林 仝春玥(.中海油研究总院有限责任公司 北京 .中海油田服务股份有限公司 天津)摘 要:为研究海上热采井环空注氮参数对井筒隔热效果的影响建立了环空注氮井筒传热系数计算模型通过自主研发的井筒热力参数优化设计软件分析不同注氮排量、温度、压力参数对套管温度、井底蒸汽干度及进入地层热量的影响 结果表明:注氮排量在 /之间注氮温度在 之间井筒热损失小井底蒸汽干度高在保障氮气能注入地层并能抑制蒸汽环空上返的条件下降低注氮压力可有效增加进入地层热量提高井底蒸汽干度降低套管温度对套管起到良好的保护作用 该研究可为海上稠油热采井现场注氮参数的设计提供科学指导和依据关键词:稠油热采 氮气隔热 传热系数 干度:./.中图分类号:文章编号:()文献标志码:(.):./.:收稿日期:基金项目:中国海洋石油有限公司“十四五”重大科技项目()第一作者简介:张 磊()男吉林省长春人高级工程师研究方向:完井工程:.引 言渤海稠油油田地质储量非常丰富开发方式以常规开发为主对于普通稠油 类黏度高于 的稠油、特稠油和超稠油动用率低开发效果差 自 年以来先后在南堡、旅大 、旅大 和旅大 油田开展了蒸汽吞吐和蒸汽驱等稠油热采先导试验和规模化开采 近年来稠油油田热采开发初上规模主要以蒸汽吞吐开发方式为主 稠油热采井在注汽过程中热损失很大为了减小蒸汽在井筒中的热损失保证注入井底的热流体的热焓井筒需要采取隔热措施陆上最常用的隔热措施为隔热油管 封隔器 海上油田一般采用隔热油管 环空注氮的隔热措施 这种方式是蒸汽和氮气分别通过油管和油套环空注入井筒中蒸汽和氮气在井下油管出口处混合后注入地层 环空注氮的隔热方式可以降低蒸汽在井筒中的热损失进一步提高蒸汽达到井底的干度有效加热地层同时也可以在井下抑制油管中注入的蒸汽通过油套环空上返加热套管有效的保护套管延长套管的使用寿命目前海上稠油热采油田对于环空隔热注氮参数设计多以现场经验为主缺乏必要的理论支撑与数据支持没有形成规律认识因此急需对环空注氮隔热参数进行研究指导现场施工 笔者建立了环空注氮井筒传热系数计算模型通过软件分析不同注氮参数对井底蒸汽干度、套管温度、进入地层热量的影响优化环空注氮参数为海上稠油热采井现场注氮参数的设计提供依据从而经济高效的开发稠油油田 环空注氮井筒传热系数计算模型环空注氮时井筒传热过程包含了隔热油管导热和强制对流换热、油套环空注氮的辐射传热和自然对流传热、套管和水泥环的导热以及地层的传热等方面 环空注氮井筒剖面如图 所示假设条件如下:()注入过程中注汽速度、注汽干度、注汽压力保持不变()地层热传热系数、地温梯度、地层导热系数不变()蒸汽到水泥环的传热为一维稳态传热地层传热为一维非稳态传热()井筒传热只考虑径向传热不考虑轴向传热图 环空注氮井筒剖面.环空注氮时隔热油管至地层的传热系数 表示为 ()式中:蒸汽与内油管内壁的强制对流换热系数 隔热油管内管内径 隔热油管内管外径 隔热油管外径 油管导热系数/()隔热材料导热系数/()隔热油管外管内径 隔热油管外管外径 套管内径 隔热油管套管外径 水泥环外径 水泥环导热系数/()环空热阻/地层热阻/环空注氮时环空的传热热阻考虑辐射传热和对流传热热阻的并联()式中:环空热阻/环空氮气对流传热热阻/氮气辐射传热热阻/地层传热热阻 为第 期张 磊等:海上热采井氮气隔热注氮参数的优化()()式中:地层导热系数/()()地层导热的时间函数依据文献地层导热的时间函数()为().(.)()/()式中:无量纲时间 地层的导温系数/注汽时间 水泥环外半径 注氮参数优化结果.注氮排量根据海上 油田蒸汽吞吐井实际参数确定了注氮排量优化设计计算条件如表 所示其中为注汽压力 为注汽干度为注汽温度 为注汽速度为环空注氮压力为环空注氮温度 为注氮排量 在现场实际注氮排量 /左右的基础上进行拓展采用自主研发的井筒热力参数优化设计软件分别对注氮排量为、/这 个符合工程实际的排量进行优化设计形成规律认识确定最优注氮排量范围表 注氮排量优化设计计算条件 /()/().在不同注氮排量下对井筒热损失、井筒沿程干度、套管沿程温度、井底蒸汽和氮气热量总和、井底蒸汽干度和套管温度进行了计算结果如图、所示由图 可知注氮排量的增加会明显影响油套环空中氮气流态的变化 随着注氮排量增加氮气流速提高雷诺数增大流态由层流逐渐向过渡流发展并最终形成紊流流动 此时辐射换热量总体变化不大对流换热系数增加使对流换热量增加导致井筒沿程热损失增加蒸汽干度降低 同时由于氮气吹扫作用套管温度降低井底蒸汽和氮气总热量先增加后降低图 不同注氮排量下井筒及套管沿程参数.与注氮排量/相比注氮排量/时井底蒸汽干度降低.热损失增加.套管温度降低 当注氮排量为 /黑 龙 江 科 技 大 学 学 报 第 卷时进入地层的热量相对较多图 不同注氮排量下井底热量、干度和温度.综合考虑井底干度、进入地层的热量、套管温度建议注氮排量控制在 /之间在这个注氮排量区间内进入地层热量较多蒸汽井底干度维持在一个较高水平同时套管温度维持在一个较低水平对套管也起到较好的保护.注氮温度根据海上 油田蒸汽吞吐井实际参数确保表 中各参数不变选取环空注氮排量为/在现场实际注氮温度 左右的基础上采用自主研发的井筒热力参数优化设计软件分别对注氮温度为、这 个符合工程实际的注氮温度进行优化设计同时拓展到氮气极限温度 进行研究形成规律认识确定最优注氮温度范围在不同注氮温度下对井筒热损失、井筒沿程干度、套管沿程温度、井底蒸汽和氮气热量总和、井底蒸汽干度和套管温度进行了计算结果如图、所示由图 可知随着环空注氮温度的升高会导致氮气导热系数增大传热热阻下降井筒热损失增加井底蒸汽干度降低 原因是温度升高加剧了气体分子运动气体分子间的不间断碰撞概率增加引起分子间热传递能力增强宏观上表现为氮气导热系数增加 虽然套管温度升高但环空隔热效果下降不明显这是由于氮气比热小、携带热量低随着温度增加导热系数增加有限注氮温度变化对井筒热损失影响甚微图 不同注氮温度下井筒及套管沿程参数.第 期张 磊等:海上热采井氮气隔热注氮参数的优化图 不同注氮温度下井底热量、干度和温度.与注氮注温度 相比注氮注温度 时井底蒸汽干度降低.热损失增加.套管温度升高 注氮温度在 时进入地层热量较多 注氮温度超过 后进入地层的热量变化幅度变小综合考虑井底干度、进入地层的热量、套管温度建议注氮温度在 之间在该温度区间内进入地层热量较多蒸汽井底干度维持在一个较高水平同时套管温度维持在一个较低水平对套管也起到较好的保护作用.注氮压力根据海上 油田蒸汽吞吐井实际参数确保表 中各参数不变选取环空注氮排量为/注氮温度为 在现场实际注氮压力 左右的基础上采用自主研发的井筒热力参数优化设计软件分别对注氮压力、这 个符合工程实际的压力进行优化设计形成规律认识确定最优注氮压力范围在不同注氮压力下对井筒热损失、井筒沿程干度、套管沿程温度、井底蒸汽和氮气热量总和、井底蒸汽干度和套管温度进行了计算结果如图、所示图 不同注氮压力下井筒及套管沿程参数.由图、可知在环空流速一定的条件下注氮压力增加会引起气体分子间距减小加剧对流换热随着环空注氮压力的升高套管管壁温度和环空平均温度升高辐射换热和对流换热共同作用使环空等效导热系数增大进而导致井筒径向换热量增加黑 龙 江 科 技 大 学 学 报 第 卷热损失增大井底蒸汽干度降低套管温度升高图 不同注氮压力下井底热量、干度和温度.注氮压力 与 相比井底蒸汽干度降低 热损失增大.套管温度升高 进入地层总热量降低综合考虑不同注氮压力对井底干度、进入地层的热量、套管温度的影响建议在能注入地层并能抑制蒸汽环空上返的条件下尽量降低注氮压力以保持较高的井底干度、进入地层热量较多同时套管温度也较低 结 论()建立了综合考虑导热、辐射和对流传热的环空注氮井筒传热系数计算模型确保井筒传热系数计算准确为井筒干度和温度分析奠定基础()不同注氮参数影响井底蒸汽干度、套管温度和进入地层热量注氮排量在 /之间注氮温度在 之间在能注入地层并能抑制蒸汽环空上返的条件下尽量降低注氮压力时有利于提升井底蒸汽干度降低套管温度增加热量进入地层起到较好的氮气隔热效果保护套管和水泥环()形成的环空注氮参数规律认识能够进一步降低井筒沿程热损失提高注汽质量保障井筒完整性对于海上多轮次吞吐提质增效具有重要的意义建议在海上热采井推广应用参考文献:朱 琴 刘 东 王树涛 等.海上稠油蒸汽吞吐开采技术实践及认识.录井工程 ():.李延杰 李 娜 谭先红 等.海上 稠油油田吞吐后续转驱开发方案研究.西南石油大学学报(自然科学版)():.刘小鸿 张风义 黄 凯 等.南堡 海上稠油油田热采初探.油气藏评价与开发():.李 萍 刘志龙 邹 剑 等.渤海旅大 油田蒸汽吞吐先导试验注采工程.石油学报 ():.王宝军 刘 鹏 李冠群 等.海上热采井注采一体化井口技术研究与应用.石油机械 ():.许 杰 林 海 董平华 等.海上热采井钻井液储层保护技术.钻井液与完井液 ():.陈 伟.陆上 稠油油藏蒸汽吞吐开发效果评价及海上稠油油田热采面临的挑战.中国海上油气 ():.沈玉英 林日亿.稠油热采井注汽 优化设计.黑龙江科技大学学报():.张 伟 刘志龙 万 芬 等.渤海稠油热采隔热管优选和注氮工艺优化.海洋石油 ():.李金蔓 霍宏博 陈 毅 等.渤海稠油蒸汽吞吐环空注氮隔热工艺优化.石油化工应用 ():.刘 利 马 振 黄武鸣 等.海上大斜度热采井氮气隔热注氮排量优化研究.中国海上油气 ():.张 博 林珊珊 李科研 等.海上深层稠油热采吞吐高效隔热措施研究.海洋石油 ():.杜明俊 史东波 邵艳波 等.基于气凝胶绝热材料的隔热油管传热特性研究.当代化工 ():.荣 根 李继尧.氮气泡沫辅助蒸汽吞吐在稠油油藏的新进展.当代化工 ():.宫 铎.水平井注汽热力计算研究.青岛:中国石油大学(华东).(编辑 张永彬)第 期张 磊等:海上热采井氮气隔热注氮参数的优化