PDF《水平井注过热蒸汽井筒沿程参数计算模型》

石油勘探与开发2016 年10 月PETROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENT Vol.

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733 文章编号:1000-0747(2016)05-0733-07 DOI: 10.11698/PED.2016.05.08 水平井注过热蒸汽井筒沿程参数计算模型 范子菲,何聪鸽,许安著 (中国石油勘探开发研究院) 基金项目:中国石油天然气股份有限公司重大科技专项(2011E-2506) 摘要:针对传统注普通湿蒸汽水平井筒沿程参数计算模型不适用于注过热蒸汽井筒的问题,根据质量守恒、动量守恒和 能量守恒定理,在考虑过热蒸汽传输过程中相态变化的基础上,建立了水平井注过热蒸汽井筒沿程参数计算模型.利用 模型对哈萨克斯坦库姆萨伊油田

1 口水平井注过热蒸汽过程中的井筒沿程温度、压力及干度进行了计算,结果与现场测 试数据吻合较好,验证了模型的准确性.利用模型进行沿程参数影响因素分析可知,注汽速度越大或蒸汽过热度越高, 相态变化位置距水平井跟端距离则越远,但当注汽速度大于

8 t/h、井口蒸汽过热度大于

80 ℃以后,提升注汽速度和蒸 汽过热度对增加相态变化位置距水平井跟端距离的作用不再明显.在沿水平井方向渗透率逐渐增大的条件下,蒸汽温度 下降速度最慢,相态变化位置距水平井跟端距离最远.图7表1参21 关键词:稠油;

水平井;

过热蒸汽;

蒸汽相态变化;

沿程参数;

计算模型;

注汽速度 中图分类号:TE345 文献标识码:A Calculation model for on-way parameters of horizontal wellbore in the superheated steam injection FAN Zifei, HE Congge, XU Anzhu (PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration &

Development, Beijing 100083, China) Abstract: Due to superheated steam as a pure gas, the ordinary steam model for the calculation of horizontal well-bore parameters based on two phases flow theory isn'

t applicable to the superheated steam injection process. According to the conservation of mass, conservation of momentum and conservation of energy, a calculation model for on-way parameters of horizontal well-bore in the superheated steam injection considering the steam phase changing is set up. The on-way parameters of temperature, pressure and dryness of a horizontal well injected superheated steam from Kazakhstan Kumsai oilfield is calculated using the model, and the calculation result of the new model is in good agreement with that of the field data, which verifies the effectiveness of the model. Sensitivity analysis indicates that the length to the heel of horizontal well undergoing the steam phase state changing increases as the injection rate or the degree of superheat increases, but the increase extent is not significant when the injection rate is larger than

8 t/h or the degree of superheat is larger than

80 ℃. In the permeability distribution pattern that the permeability increases along the horizontal well-bore, steam temperature is decreased at the lowest rate and the length to the heel of horizontal well undergoing the steam phase changing is the longest. Key words: heavy oil;

horizontal well;

superheated steam;

steam phase changing;

on-way parameters;

calculation model;

steam injection rate

0 引言 对饱和蒸汽定压加热,蒸汽温度将继续升高,这 时的蒸汽称为过热蒸汽[1] .与普通湿蒸汽相比,过热蒸 汽具有高干度和高热焓的特点,在地层中能增加加热 效果和扩大驱替体积,因此注过热蒸汽已成为开采稠 油的一种有效技术[2-5] .文献[6-10]建立了直井注过热 蒸汽井筒沿程压力及温度分布计算模型.在水平井注 过热蒸汽过程中,从注汽井口到水平井跟端的直井段 仍可利用上述直井模型计算沿程参数分布,但在从水 平井跟端到趾端的水平段,蒸汽沿水平段的质量流量 变得越来越小,因此无法利用直井模型计算水平段的 沿程参数分布.文献[11-13]建立了水平井注普通湿蒸 汽沿程压力、温度及干度分布模型,由于过热蒸汽与 普通湿蒸汽的物理性质明显不同(过热蒸汽为单相流, 普通湿蒸汽为气液两相流) ,因此该模型不适用于水平 井注过热蒸汽过程.同时,在水平井注过热蒸汽过程 中,由于井筒内热流体的传质及导热作用,过热蒸汽 所携带的热量不断减少,引起过热蒸汽在井筒内向普 通湿蒸汽转变.为此,笔者根据井筒内流体的质量守 恒方程和动量定理、井筒和地层的能量守恒方程,在 考虑过热蒸汽传输过程中相态变化的基础上,建立了

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43 No.5 水平井注过热蒸汽井筒沿程参数计算模型.

1 数学模型的建立 1.1 模型的基本假设 ①水平段所处油层呈水平状且等厚,油层热物性 参数不随温度发生改变;

②热量从井筒传递到水泥环 外缘为稳态传热,从水泥环外缘传递到油层为非稳态 传热;

③水平井筒划分为 N 个微元段,在同一微元段 上注入蒸汽被均匀吸入油层. 1.2 模型的推导 由于注入蒸汽不断被油层吸收,蒸汽沿着水平段 的流量也将变得越来越小, 根据质量守恒可得第 i 微元 段的质量流量为: ? ?

0 1

1 2

2 = i i i w w I I I ? ? ? ? ? ? ? ? (1) 根据动量守恒可得第 i 微元段的压降梯度[14] 为:

2 2

2 2

1 1 w p d d

2 2 i i i i i i i i i p v v v v f f L D D L ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (2) 根据能量守恒,微元段在单位长度、单位时间内 通过热传导向油层传递的热量、通过传质向油层传递 的热量与摩擦损失的能量之和等于机械能变化和内能 变化之和,即: ? ?

2 c r f d d d d d + d d d d d

2 i i i i i i i w h Q Q W w v L L L L L ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (3) 假设同一微元段上注入蒸汽被均匀吸入地层, 则有: r d d i i i i Q h I L L ? ? ? (4) (3)式等号右边可展开为:

2 2

2 d( ) d d d = d d

2 d d

2 2 i i i i i i i i i i i i i i w h wv h I v v I w h w L L L L L L ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (5) 将(4)式和(5)式代入(3)式可得:

2 2 c f d d d d + d d d d

2 2 i i i i i i i i i Q W h v v I w w L L L L L ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (6) 过热蒸汽在水平井筒传输过程中,随着热量损失 会发生相态变化,由过热蒸汽单相流转变为普通湿蒸 汽的两相流.当注入蒸汽处于过热蒸汽状态时,以压 力和温度作为控制变量;

当注入蒸汽处于普通湿蒸汽 状态时,以压力(或温度)和干度作为控制变量. 对于过热蒸汽,通过释放显热来补偿向周围地层 的热损失,蒸汽干度恒定为 1,过热蒸汽的热焓值方 程[8] 为: p d d d d d d i i i i i i i h T p C T L L T L ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (7) 联立(6)式和(7)式即可求解过热蒸汽温度分布:

2 2 c f p d d d

1 1 d + d d d d

2 2 i i i i i i i i i i T Q W v v I w L C L L L L w ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? d d i i i i p T T L ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (8) 对于普通湿蒸汽,通过汽化潜热弥补热损失,压 力确定就会有唯一对应的饱和温度.普通湿蒸汽的热 焓值方程[15] 为: ? ? s w w s w d d d d d d d d d d d d d d i i i i i i i i i i h x h h p h p h h x L L p p L p L ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (9) 由(6)式、 (9)式即可得到普通湿蒸汽干度分布:

2 1

3 3

1 2

2 + e i c L c i i c c x x c c ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (10) 其中

1 s w i i c h h ? ? s w

2 d d d d d d i i i h h p c p p L ? ? ? ? ? ? ? ?

2 2 w c f

3 d d d d

1 d + d d d d d

2 2 i i i i i i i i i i h p Q W v v I c w p L L L L L w ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1.3 相关参数的求解 1.3.1 吸汽量 水平井第 i 微元段的吸汽量[16] 为: ? ?

5 p p r 1.16

10 i i i i I J I p p ? ? ? ? (11) 根据渗流力学理论和镜像反演可知,水平井第 i 微元段的采液指数和吸汽指数分别为: h ro rw v v o o w w p d w 2π + 0.571 ln ........