基于泄油器的油套正洗清蜡的温度场计算

2019年02月
质量与检测
基于泄油器的油套正洗清蜡的温度场计算
田中太葛东文朱克华张艳辉张远弟（华北油田公司第二采油厂，河北霸州065700）
摘要：热洗清蜡是目前油田解决油井结蜡最常用的方法，掌握热洗清蜡过程中热洗水在井筒内的温度分布对于热洗清蜡效果至关重要。

华北油田根据雄安新区内的环保高要求，对于有泄油器的油井，提出了无需更换抽油杆的油套正洗清蜡工艺。

本文首先分析了油套正洗清蜡时热洗水在井筒中的流动传热过程，并建立了热洗水耦合流动和传热数学模型。

根据温度分布的分析解，计算了油套正洗过程中热洗液的温度分布，并对比分析了油套正洗与套管反洗过程中井筒中的温度分布。

关键词：热洗清蜡；油套正洗；泄油器；数学模型；耦合温度场
油井热洗是目前各油田用于清蜡的普遍措施，用于油田清蜡的工艺技术众多，其中热洗的方法清蜡套管反洗、套管短路反洗、套管温控反洗、空心抽油杆正洗等热洗工艺技术[1-2]。

常规热洗清蜡是通过地面设备（锅炉车）将热洗介质（清水）加热到一定温度，并将热洗介质以一定速度注入油井内循环后返至地面。

如果井内温度达到蜡的熔点，蜡逐渐融化并随同热洗介质返至地面，所以热洗清蜡要求热洗水在整个油井内各点的温度高于蜡熔化温度，热洗水在整个井筒中的温度分布直接影响清蜡效果[2]。

华北油田第二采油厂临近雄安新区，由于新区建设严格的环保要求，油井周围不允许有任何油污，因此不能采用空心抽油杆正洗清蜡。

对于有泄油器的油井，提出了操作简单的油套正洗法，即热洗水从油管中注入，从油管与套管之间的环空中返回到地面。

目前油井清蜡研究主要集中在清蜡方法的应用以及热洗清蜡反洗温度场的数值计算，没有涉及到正洗特别是油套正洗过程中温度场的计算。

由于缺少油套正洗清蜡的理论指导，现场操作时往往依照反洗的热洗温度、流量和时间操作，导致能源消耗大，造成了能量的浪费。

1热洗水在井筒中的流动传热分析
1.1油套正洗的提出
针对部分高渗、低压油层，常规洗井后侵入地层污水量较多，空心杆热洗清蜡正洗是常用的技术，将结蜡点以上杆柱更换为空心抽油杆，在结蜡点附近设置单流阀；热洗液从井口光杆三通进入，从结蜡点流出，经杆管环空返回地面流程，称为空心抽油杆正洗[12,13]，空心抽油杆正洗现场使用效果较好，但是为避免管杆环空过小，需使用Φ86mm 的油管，加上空心杆的使用，这在一定程度上增加了管杆的投入成本[12]，而且更换上来的
实心抽油杆上油和蜡会污染地面。

图1是泄油器工作原理图，泄油器是井下工具，用于机采井生产管柱泄油，当油管内压达到泄油压力时连接油管内外壁的卸油孔通道打开，
油管柱内的液体流出至油套环空，实现油管卸油。

油井泄油器可使油管和套管连通，可方便进行正循环洗井。

图1泄油器及油套正洗工艺
对于有泄油器的油井，华北油田提出了一种新的正洗方法，当油井热洗时，泄油器工作使油管内外壁连通，热洗水从油管中注入，从油管与套管之间的油套环空中返回到地面，这种正洗不需要更换抽油杆，不会污染地面，与传统的空心抽油杆正洗相比操作简单，本文称为油套正洗。

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2油管中注入水至环空中返回水的热量传递过程
油管中的注入的热洗水温度较高，热水至环空中返回水的热量传递过程包括为：
热洗水与油管内表面的对流传热、油管的导热、环空中返回水与油管外壁面之间的对流传热，传热量为
(1)
2.1注入水流动传热的的数学模型
热水洗在注入过程中的传热物理模型如图3所示，以套管内流动着的热水为研究对象，以井口为坐标起点，沿井筒向下为坐标x 的正方向。

在距井口x 处取长为dx 的圆环形流体微元作为控制容积，圆环形流体微元是由上表面、下表面、内侧面和外侧面四个表面构成，能量通过这四个表面进、出控制容积，根据能量平衡有
H h,x =H h,x+dx +Φhc
（9）
2.2返回水流动传热的数学建模
返回水在环空中的传热物理模型如图3所示，以环空中流动着的水为研究对象，在距井口x 处取长为dx 的圆柱形流体微元作为控制容积，圆注形流体微元是由上表面、下表面、和侧面构成，能量通过这三个表面进、出控制容积，根据能量平衡有
H c,x+dx +Φhc =H c,x +Φce （13
）2.3耦合温度场的求解
注入水和返回水的温度相互影响，因此需要求解的是两个温度场相互影响的耦合温度场，即
(18a)
2.4井筒内流体温度的极值点
结蜡主要集中在结蜡点以上的油管内壁和抽油杆外壁上。

油套环空及结蜡点以下壁面结蜡较少，可以忽略[15]
，因而清蜡过程中关注的是油管中的水温，只要油管中温度最低处的温度高于蜡的熔化温度（一般50°C 左右[12]
），热洗一定的时间就能达到清蜡的目的。

因此需要分析油管中最低温度，以及最低温度的位置。

对式（21）求一阶导数得，并令其等于零，则得到
r 1s 1e r 1
x +r 2s 2e r 2
x =
g
q
（23）
求解式（23）得到x 就是油管中注入水最低温度的位置x c ，
将x c 代入到式（21）中，得到返回水的最低温度t c,min 。

可见，油管中注入水最低温度的位置x c 以及最低温度t c,min 与流量m h 、注入
温度t h0、地层漏失率φ、注水时间τ、井深L 等因素有关。

3油套正洗与套管反洗的温度场对比
以华北油田第二采油厂某一油井数据为例，计算了油套正洗和套管反洗清蜡时井筒中的温度场分布，油井基础数据见表1所示。

3.1油套正洗温度分布结果分析
当注水温度t h0=80°C ，注水流量10m 3/h ，注水时间60min
时，地层漏失率φ=0.2，井深L=1500m 时，以井口温度80°C 计算传热系数等参数，代入到式（21
）和（22）中，得到温度分布为
4结论
华北油田根据雄安新区内的环保高要求，对于有泄油器的油井，提出了无需更换抽油杆的油套正洗清蜡工艺。

通过对油套正洗数学建模及温度场计算分析，得到了以下结论：（1）油套正洗温度分布结果表明，井口之下几百米内温度降低很快，然后温度变化减小，当达到某一深度后，由于地层温度梯度的影响，环空中和油管中水温逐渐升高，这有利于提高清蜡效果。

（2）油套正洗与反洗对比分析结果表明，在同一井深位置，油套正洗的油管中水温总是高于反洗油管中的水温，大约高2℃，这有利于石蜡的溶解，因此油套正洗比反洗的清蜡效果好。

（3）对于同一油井，若采用油套正洗方式，热洗水的温度可以稍低于反洗，或者油套正洗的时间稍短于反洗时间，这有利于降低热洗能量的消耗，减少热洗成本。

参考文献：
[1]李英威.提高油井热洗效果技术研究[J].化工管理，2016,04.
[2]刘竟成.油井井筒结蜡机理及清防蜡技术研究[D].重庆大学2012.
[3]陈淼鑫,司光宇,朱珍.抽油机井热洗清蜡过程的数字仿真[J].系统仿真学报,1994,8(1):53-4.
[4]范家伟.油井热洗温度场计算及应用研究[D].黑龙江:大庆石油学院,2010.
[5]李景全,苏泉,梁玉波等.洗井过程中井筒温度场计算[J].
中国石油和化工，2011，(8)：57-58．
基金项目：中国石油天然气集团有限公司重大科技项目“华北油田持续有效稳产勘探开发关键技术研究与应用”（编号：2017E-15）。

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