井筒中蒸汽_氮气混合物流动与换热规律

Flo w features and heat exchange la ws of steam2nitrogen mixture in thermal recovery wellbore
L IN Riyi1 L I Zhao min2
(1 . Col le ge of A rchitect u re & S tora ge En gi neeri n g , Chi na U ni versit y of Pet roleum , Don g y i n g 257061 , Chi na; 2 . S chool of Pet roleum En gi neeri n g , Chi na U ni versit y of Pet roleum , Don g y i n g 257061 , Chi na)
根据影响井筒流动和换热因素分析 ,通过以下假 设来建立油井的物理模型 : ①井口注入的蒸汽压力 、温 度 、流量保持不变 ,采用封隔器 ; ②油管与套管形成的 环形空间充满低压空气 ; ③从油井到水泥环外缘间的 热量传递过程为一维稳定传热 ,水泥环外缘至地层为 一维不稳定传热[728 ] ; ④忽略地层导热系数沿井深方向 的变化 ,并视为常数 。井身结构如图 1 所示 。
一般而言 ,黏性摩擦产生的热量可忽略 ,即
q1
+ d Hm dz
m tol g sinθ = 0
(7)
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Abstract : Aimed at t he issues of steam overlap , channeling flow and heat lo ss in t he p rocess of heavy oil develop ment wit h steam in2 jectio n , t he nit rogen2assisted steam injection technique was researched. The mat hematical models for steam2nit rogen mixt ure flow and heat exchange in wellbore were established on t he basis of heat t ransfer p rinciple and flow t heory. The flow feat ures and heat ex2 change rules of t he mixt ure in wellbo re were analyzed. The effect s of t he nit rogen flow rate and steam quality at well head on t he p ressure , temperat ure and steam quality of t he mixt ure flow were discussed. The result s showed t hat t he mixt ure p ressure , steam partial p ressure and t he mixt ure temperat ure increased as t he mixt ure was injected into wellbore , but t he steam quality and gas dry2 ness descended. The heat lo ss of formatio n was p rovided by t he latent heat of steam vapo r condensation. Increasing nit rogen flow rate at well head is helpf ul to imp rove t he steam quality and gas dryness f ractio n at well bottom and decrease t he shaft heat lo ss. Field application showed t hat t he steam2nit rogen mixt ure injection co uld imp rove t he utilization rate of heat energy and increase oil2 gas ratio . Key words : steam2nit rogen mixt ure ; fluid flow ; heat exchange in wellbore ; gas2liquid equilibrium ; nit rogen2assisted steam injection
图 1 井身结构示意图 Fig . 1 Sketch map of wellbore structure
2 蒸汽Ο氮气混合物两相流动的数学 模型
蒸汽Ο氮气混合物在井筒中流动时 ,根据动量方程
式 ,在不考虑加速压降的情况下压降计算式为
dp dz
=ρm g sinθ-
f
t
p
ρm
v
2 m
2 dt i
第 3 期
林日亿等 :井筒中蒸汽Ο氮气混合物流动与换热规律
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动与传热的数学模型 ,计算混合物沿井筒的温度分布 和压力分布 ,并分析评价不同井口注入参数对注汽效 果的影响 。
1 井筒物理模型
当高温蒸汽与氮气在井筒中流动时 ,伴随着动量 和热量的传递过程[526 ] 。为了分析蒸汽Ο氮气混合物在 井筒中的流动规律 ,首先建立反映混合物在井筒中压 力 、温度 、干度变化的两相流动数学模型 ,分析它们在 井筒中流动的规律 ,从而有利于指导油田现场进行相 应工艺的实施 。
油中 ,使原油黏度降低 ,且随压力的增加 ,溶解气量增 大 ,原油越稠 ,氮气溶解降黏效果越显著[4 ] ; ④氮气的 隔热作用明显[3 ] ,不仅能减少井筒的热损失 ,而且能减 少蒸汽通过油藏盖层散热 。
氮气与水蒸气混合物在井筒中为二元两相流动 。 液相为饱和水 ,气相中既有氮气 ,又有饱和蒸汽 。在流 动过程中 ,随着混合物热量不断向地层散热 ,气相中的 饱和蒸汽不断凝结 ,须重新达到气液相平衡 ,饱和蒸汽 的分压力不断降低 ,干度不断下降 。笔者以井筒传热 和流动理论为基础 ,建立了氮气Ο蒸汽混合物沿井筒流
(4)
式中 : y″H2 O 为气相中水蒸气的摩尔百分数 , % ; m″H2 O 和 m N2 分 别 为 气 相 中 饱 和 蒸 汽 、氮 气 的 质 量 流 量 , kg/ s ; M H2 O 和 MN2 分 别 为 水 和 氮 气 的 摩 尔 质 量 , kg/ mol 。
当水蒸气干度为 x 时 ,则有
第
31
卷
第
3
期
Hale Waihona Puke 2010 年 5 月文章编号 : 0253Ο2697 (2010) 03Ο0506Ο05
石油学报
AC TA P E TROL EI SIN ICA
Vol. 31 No . 3
May
2010
井筒中蒸汽Ο氮气混合物流动与换热规律
林日亿1 李兆敏2
(11 中国石油大学储运与建筑工程学院 山东东营 257061 ; 21 中国石油大学石油工程学院 山东东营 257061)
基金项目 :国家自然科学基金项目 (No . 50876115) 和山东省自然科学基金项目 ( Y2007 F14) 联合资助 。 作者简介 :林日亿 ,男 ,1973 年 4 月生 ,2007 年获中国石油大学 (华东) 油气田开发工程博士学位 ,现为中国石油大学 (华东) 储运与建筑工程学院副教
另外 ,由气液相平衡可知 ,饱和蒸汽在气相中所占
的分压力与液相饱和水的饱和压力相等 ,即
pH2O = ps
(3)
式中 : ps 为气相中水蒸气饱和压力 , Pa 。
由混合气体分压关系 , 可得气相中水蒸气的摩尔
百分数为
/ y″H2 O
=
m″H2 O
M H2 O
m″H2 O + m N2
M H2 O
MN2
(1)
式中 : p 为蒸汽Ο氮气混合物的压力 , M Pa ; z 为井深 ,
m ;ρm为蒸汽 、氮气气液两相的真实密度 , kg/ m3 ; g 为
重力加速度 , m/ s2 ; f tp 为混合物摩阻系数 ; vm 为混合
物流速 , m/ s ; dti 为油管内径 , m 。
/ ps ( t) = xm H2 O
摘要 : 针对注蒸汽开采稠油过程中出现的蒸汽超覆 、窜流及热损失等问题 ,进行了氮气辅助蒸汽注入技术研究 ,建立了蒸汽Ο氮气混 合物在井筒中流动和换热的数学模型 。利用该模型研究了混合物在井筒中的流动与换热规律 ,分析了井口氮气注入流量和井口蒸 汽干度对蒸汽Ο氮气混合物在井筒中的流动压力 、温度 、干度的影响 。结果表明 ,随着混合物的注入 ,混合物压力及蒸汽分压不断增 加 ,混合物温度不断升高 ,气体干度和蒸汽干度不断下降 ,向地层的散热由靠水蒸气凝结释放汽化潜热提供 。井口注入氮气流量增 大 ,有利于提高井底的蒸汽和气相干度 ,减小井筒热损失 。现场应用表明 ,注入蒸汽2氮气混合物能提高热能利用率 ,增大油气比 。 关键词 : 蒸汽2氮气混合物 ;流体流动 ;井筒换热 ;气液相平衡 ;氮气辅助蒸气注入技术 中图分类号 : T E357 文献标识码 : A
technique
注蒸汽是开采稠油 、重质原油有效而经济的方 法[1 ] 。然而 ,注蒸汽技术本身还存在一些不足 :井筒热 损失 ,蒸汽重力超覆[2 ] ;蒸汽黏性指进及非均质油藏中 蒸汽沿高渗透层窜流 ,从而导致注入蒸汽的大量损失 和体积波及系数降低 。为此 ,提出使用氮气辅助注蒸 汽的热力采油工艺 。该工艺能减小蒸汽热损失 ,改善 注汽效果 ,提高原油采收率 。其机理表现在 : ①氮气能 够扩大蒸汽的波及体积 ,补充地层能量 ,提高回采水 率 ; ②氮气的良好膨胀性不仅能节省注汽量 ,而且能增 大驱油时弹性能量[3 ] ; ③在高压下部分氮气可溶于原
p
M H2 O
xm H2 O + m N2
M H2 O
MN2
式中 : m H2O 为水蒸气总质量流量 , kg/ s 。 气液混合物的温度 t 、干度 x 、压力 p 均为井深 z
的函数 , 饱和压力 ps 为温度 t 的函数 , 对上式求导 可得
dx dz
=
m N2 ·M H2 O ·
1
m H2 O
MN2
( p - ps ) 2
p d ps dt dt dz
ps
dp dz
(5)
单位长度上井筒内流动的能量守恒方程为
q1
+
m
tol
d dz
hm
+
1 2
v
2 m
-
gz sinθ
=0
(6)
其中
q1 = k ( t - th ) , m tol = m H2 O + m N2
式中 : m tol 为蒸汽Ο氮气混合物总质量流量 , kg/ s ; hm 为蒸汽Ο氮气混合物的比焓 ,J / kg ; q1 为单位长度的热 损失 , W/ m ; k 为 混 合 物 井 筒 向 地 层 的 传 热 系 数 , W/ (m2 ·K) ; t 为油管内混合物的温度 , ℃; th 为水泥环 外缘地层温度 , ℃。
为了计算水蒸气和氮气混合物在井筒中流动过程
的温度变化 ,将饱和水近似为理想液体 。气相是由饱 和蒸汽和氮气组成的混合气体 , 由混合气体分压力定 律可知 ,饱和蒸汽的分压力与所占的摩尔百分数成正 比[9] ,即
y″H2 O
=
pH2 O p
(2)
式中 : pH2O 为 气 相 中 饱 和 蒸 汽 所 占 的 分 压 力 , Pa ; y″H2O 为气相中的饱和蒸汽的摩尔百分数 , % 。
授 ,硕士生导师 ,主要从事热力采油和热能利用方面的教学和科研工作 。E2mail :linry @upc. edu. cn
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