楊德偉,王新偉,肖淑明,張丁涌,張東杰,陳曉霞

(1.中國石油大學(xué)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島 266580;2.中石化勝利油田現(xiàn)河采油廠,山東東營 257068; 3.中國石油獨(dú)山子石化公司礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部公共事務(wù)管理公司,新疆克拉瑪依 838600)

稠油水平井注汽剖面分析

楊德偉1,王新偉1,肖淑明2,張丁涌2,張東杰1,陳曉霞3

(1.中國石油大學(xué)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島 266580;2.中石化勝利油田現(xiàn)河采油廠,山東東營 257068; 3.中國石油獨(dú)山子石化公司礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部公共事務(wù)管理公司,新疆克拉瑪依 838600)

在線測試技術(shù)可以探測水平井注汽各個階段的溫度,但缺乏對測得數(shù)據(jù)的解釋方法。應(yīng)用FLUENT軟件模擬蒸汽在水平井內(nèi)的流動,得到蒸汽在水平井內(nèi)的溫度變化規(guī)律。結(jié)果表明:濕蒸汽在油管內(nèi)流動時,溫度不斷下降,當(dāng)遇到篩管分流時,溫度下降幅度會增大,且分流量越大,溫度下降幅度越大。分析在線測試系統(tǒng)測試的溫度得到注汽過程中水平井的吸汽情況,在測試點(diǎn)等距分布時,相鄰兩測試點(diǎn)溫差越大則兩測試點(diǎn)之間注汽量越大。

水平井;注蒸汽;在線測試;注汽剖面

稠油開采普遍采用注蒸汽開采技術(shù),井底各段孔隙度、滲透率、含水飽和度不盡相同,這些復(fù)雜的地質(zhì)條件導(dǎo)致了各段的吸汽量不同[1-2]。準(zhǔn)確掌握水平井各段的注汽情況可以為后續(xù)的注汽工作提供技術(shù)參考,提高注汽效果。國內(nèi)外采用的稠油熱采水平井在線測試技術(shù)可以探測到水平井在注汽、悶井、放噴各個生產(chǎn)階段井筒內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)[3-5]。研究表明,當(dāng)濕蒸汽經(jīng)過水平井的篩管分流時,溫度會相應(yīng)變化,并且變化程度與流量相關(guān)。通過對測試點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)分析可以了解水平井各段的溫度、吸汽量的實時情況。因此,筆者研究濕蒸汽在水平井內(nèi)的溫度變化規(guī)律,得到稠油熱采在線測試技術(shù)所測數(shù)據(jù)的解釋方法,確定吸汽剖面,提高注汽效果。

1 在線測試系統(tǒng)

完整的在線測試系統(tǒng)由數(shù)據(jù)測試與數(shù)據(jù)采集兩大模塊組成,測試系統(tǒng)由測試?yán)|和溫度傳感器組成,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由光電測試儀和光電控制儀組成。測試時,測試?yán)|下入被測水平井中密封,如圖1所示。通過測試?yán)|上的溫度傳感器(T1～T10)測量注汽各階段的溫度,通過低電阻遠(yuǎn)傳電纜傳至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),實現(xiàn)注汽過程中的實時溫度監(jiān)控。

圖1 在線測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of online test system

2物理模型

為探究在線測試系統(tǒng)測得的溫度所反應(yīng)的注汽規(guī)律,建立如圖2所示的濕蒸汽水平管柱流動模型。選用管內(nèi)徑62 mm的油管,篩孔用管柱26 mm的開孔代替,管上開兩孔,通過調(diào)節(jié)兩孔的流量觀察溫度變化規(guī)律,由于油管對稱性,采用二維模型,在靠近管壁邊界層以及分流處,對網(wǎng)格進(jìn)行加密。

圖2 濕蒸汽油管內(nèi)流動物理模型Fig.2 Physical model of steam flowing in pipes

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 質(zhì)量守恒方程

質(zhì)量守恒方程又稱連續(xù)性方程,其形式為

式中,ρ為濕蒸汽混合相密度,kg/m3;t為時間,s;ui(i=1,2,3)為蒸汽混合相流速,m/s;Sm為從分散相中加入到連續(xù)相的質(zhì)量流量,也可以是任何的自定義源項,kg/(m3·s)[6]。

3.2 動量守恒方程

在慣性(非加速)坐標(biāo)系中i方向上的動量守恒方程為

式中,p為靜壓力,Pa;τij為應(yīng)力張量,kg/(m2·s2); ρgi、Fi分別為i方向上的重力體積力和外部體積力,kg/(m2·s2)。Fi包含了多相流模型混合相中的源項[7]。

3.3 能量守恒方程

能量方程形式為

式中,Sh為包含放(吸)熱以及任何其他形式的體積熱源;keff為有效導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);Jj′為組分j的擴(kuò)散流量,kg/s;h為流體的焓,J/kg[8]。

3.4 混合相體積率之間交換方程

由于濕蒸汽是氣液兩相流,故混合相計算模型中需要混合相體積率之間的交換方程。

式中,αk為k組分的含量,%;ρk為密度,kg/m3;uk為速度矢量,m/s。

3.5 湍流模型

采用可實現(xiàn)的k－ε模型的湍動能及其耗散率輸運(yùn)方程:

式中,Gk為由于平均速度梯度產(chǎn)生的湍動能;Gb為由于浮力影響產(chǎn)生的湍動能;YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響;C1ε和C2為常數(shù);σk和σε分別為湍動能及其耗散率的湍流普朗特數(shù)。本次計算中C1ε=1.44,C2=1.9,σk=1.0,σε=1.2[9]。

4 模擬參數(shù)設(shè)置

由于是濕蒸汽流動,在多相流模型中選用混合模型,并激活滑移速度與體積力方程。經(jīng)過計算,Re =7.5×105,表明為湍流,湍流模型設(shè)置為可實現(xiàn)的k-epsilon模型,近壁函數(shù)采取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。濕蒸汽參數(shù):設(shè)置水為基本相,蒸汽為次相。邊界條件方面,由于存在多出口,采用速度入口,自由出口邊界條件;換熱方面,采用指定油管溫度邊界條件,并按照實際情況設(shè)定壁面參數(shù)。離散格式方面,壓力采用標(biāo)準(zhǔn)離散格式,動量、湍動能、湍動能耗散率、能量方程采用一階迎風(fēng)格式離散[10]。

5 數(shù)值模擬結(jié)果

已知條件:濕蒸汽入口速度(氣相10.9 m/s、液相9.8 m/s)、湍流強(qiáng)度3%、溫度543 K、干度0.3等物性參數(shù),油管尺寸以及內(nèi)壁溫度(500 K)、導(dǎo)熱系數(shù)(43.2 W/(m·K))。

利用Fluent軟件模擬濕蒸汽在油管內(nèi)流動時經(jīng)過兩個篩管分流的不同流量情況(前后篩管分流比分別為3∶7、1∶1、7∶3)下油管內(nèi)的溫度場,得到油管內(nèi)濕蒸汽的溫度隨分流量的變化規(guī)律。

5.1 溫度變化規(guī)律

在前后篩管分流比為7∶3時得到管內(nèi)溫度云圖如圖3所示。由于流動過程中存在傳熱損失,濕蒸汽溫度沿油管軸向整體下降,徑向上由管中心到管壁逐漸降低。在篩管處存在蒸汽分流,蒸汽溫度變化較無篩管的管段劇烈。

圖3 溫度云圖Fig.3 Temperature field cloud picture

為便于觀察,現(xiàn)將油管中央的溫度表示在坐標(biāo)圖上,得到溫度變化曲線,見圖4。

從圖4可清晰看出:油管中心蒸汽溫度的變化趨勢,蒸汽溫度沿油管軸線方向下降,在篩管處由于篩管的分流作用,溫度較沒有篩管分流的管段出現(xiàn)陡降;在沒有篩管分流的的管段,蒸汽溫度的下降幅度隨著管內(nèi)蒸汽流量減小而增大。為探究溫度變化與分流量的關(guān)系,保持油管蒸汽入口參數(shù)不變,調(diào)節(jié)圖2中左右兩篩管的分流比為7∶3、1∶1、3∶7,得到不同分流比下油管中心溫度變化情況,如圖5所示。

圖4 管中央溫度變化曲線Fig.4 Temperature variation curve of steam in pipes

圖5 三種情況下溫度變化對比Fig.5 Contrast of temperature variation in three cases

從圖5可看出,在3種分流比情況下篩管處蒸汽溫度都出現(xiàn)陡降,但下降幅度不同,在同一篩管處蒸汽分流量越大,溫度下降幅度越大。

5.2 現(xiàn)場測試結(jié)果

用數(shù)值模擬規(guī)律對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。應(yīng)用在線測試系統(tǒng)對現(xiàn)河采油廠C20-P75井注汽過程進(jìn)行測定,測試點(diǎn)位置布置如圖1所示。水平井段等距布置(T5～T10)6個溫度測試點(diǎn)。在注汽初期各測試點(diǎn)溫度不斷升高,經(jīng)過一段時間后各測試點(diǎn)溫度不再隨注汽時間增加有明顯變化,達(dá)到注汽穩(wěn)定,此時在水平井段測試點(diǎn)的溫度如圖6所示。

觀察圖6發(fā)現(xiàn),溫度在整個水平井段逐漸下降,但相鄰兩測試點(diǎn)下降幅度有差別,為便于觀察將相鄰兩點(diǎn)溫差表示在柱狀圖上,得到圖7。由數(shù)值模擬結(jié)果推測,T9～T10段吸汽量最大,T6～T7、T8～T9較其他段吸汽量大,T5～T6、T7～T8段吸汽水平相當(dāng),處于整個井段的低值。

圖6 溫度變化曲線Fig.6 Temperature variation curve of steam in pipes

圖7 油管各段溫差Fig.7 Temperature variation of each section

為驗證以上分析的正確性,與通過分析油井參數(shù)得到的相對吸汽量(圖8)進(jìn)行對比。

圖8 油井各段吸汽剖面Fig.8 Steam injection profile of each section

圖中,相對吸汽量曲線在T9～T10段處于高值、吸汽量最大,T8～T9、T6～T7段分別出現(xiàn)兩個高峰,較附近井段吸汽量大,T5～T6、T7～T8段吸汽水平相當(dāng),處于整個井段的低值。通過分析現(xiàn)場測井?dāng)?shù)據(jù)所得出的井段吸汽量情況,與由在線測試系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)得到的井段吸汽量相吻合,驗證了模擬結(jié)果的正確性。由濕蒸汽在水平井內(nèi)的溫度變化規(guī)律可了解井下儲層吸汽狀況,即兩個相鄰測試點(diǎn)溫降越大,則對應(yīng)井段的吸汽量越大,從而為注蒸汽提供指導(dǎo),提高注汽效果。

6 結(jié)論與建議

(1)濕蒸汽在油管內(nèi)流動時,溫度不斷下降,當(dāng)遇到篩管分流時,溫度下降幅度會增大,且分流量越大,溫度下降幅度越大。

(2)通過分析在線測試系統(tǒng)測得的溫度能夠得到水平井注汽過程中水平井的吸汽情況,在測試點(diǎn)等距分布情況下,相鄰兩測試點(diǎn)溫差越大則兩測試點(diǎn)之間注汽量越大。

(3)稠油熱采水平井在線測試系統(tǒng)中水平段溫度測試點(diǎn)布置影響溫度分析結(jié)果的精度,故可以增加水平段測溫點(diǎn)數(shù)量,提高分析精度。

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(編輯 沈玉英)

Analysis of steam injection profile in horizontal well for heavy oil recovery

YANG Dewei1,WANG Xinwei1,XIAO Shuming1,ZHANG Dingyong1,ZHANG Dongjie1,CHEN Xiaoxia3
(1.College of Pinpeline and Civil Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China; 2.Xianhe Oil Production Plant,Shengli Oilfield,SINOPEC,Dongying 257068,China; 3.Public Affairs Management Company of Mining Services Division in Dushanzi Petrochemical Corporation, PetroChina,Karamay 838600,China)

The online test technique can measure the temperature of horizontal well steam injection in every stage,but the interpreting technology of the measured data is poor.The vapor flowing process in a horizontal well was simulated by FLUENT, and the temperature changing regularities during the steam flowing process in the horizontal well were obtained.The results show that the steam temperature is decreasing when the steam flows in the pipe,and it will change suddenly when the steam flows through the sieve pore in horizontal well,and the higher the flow rate of steam,the greater the temperature changes.In addition,the injection characteristics are obtained based on the analysis of the steam temperature in horizontal steam injection well,and in the case of the equi-distant test points,the greater the temperature difference between the two adjacent test points,the greater the injected steam volume.

horizontal well;steam injection;online test;steam injection profile

TE 345

A

1673-5005(2014)05-0155-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.05.022

2013－12－22

中國石油科技創(chuàng)新基金項目(2012D－5006－0207)

楊德偉(1964－),男,教授,博士,主要從事熱力采油及熱能利用的教學(xué)與研究工作。E－mail:946550699@qq.com。

楊德偉,王新偉,肖淑明,等.稠油水平井注汽剖面分析[J].中國石油大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2014,38 (5):155-159.

YANG Dewei,WANG Xinwei,XIAO Shuming,et al.Analysis of steam injection profile in horizontal well for heavy oil recovery[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2014,38(5):155-159.