湿蒸汽沿注汽井井筒的压降和传热规律分析

湿蒸汽沿注汽井井筒的压降和传热规律分析

湿蒸汽沿注汽井井筒的压降和传热规律分析

摘要：在湿蒸汽热采过程中，精确地预测注蒸汽井井筒内蒸汽压力，温度，和干度等参数的变化，对整个生产过程都相当重要。本文根据传热和两相流动原理，建立了井筒注蒸汽的数学模型，把井筒热传递可合理地分解成井筒内稳态传热和地层内非稳态导热两部分，并选择B-B法求解摩阻压降，用Ramey方法计算井筒内湿蒸汽的传热量。

关键词：井筒压降传热计算湿蒸汽

一、前言

1.研究的目的和意义

在注蒸汽热力采油中，井筒热损失的大小直接影响到注入井底的是饱和蒸汽还是水，或者影响到注入井底的湿饱和蒸汽的干度，从而决定着热采效果的好坏。蒸汽干度是影响蒸汽吞吐开采效果的主要因素。在总的蒸汽量相同的条件下，蒸汽干度越高，回采期原油峰值产量越大。在现场操作中尽可能保证注入蒸汽的干度较高。原因主要是：在相同注入汽量下，蒸汽干度越高，加热油藏的体积越大；由湿饱和蒸汽性质知，在相同压力下，干度越高，比容越大，这种影响在高压油藏比较明显。同时，井筒热损失的大小与油藏吸汽能力之间存在着协调关系，即井筒的热量损失和压力影响注汽速率，而注汽速率的改变又将导致井筒的热量损失变化，所以在注汽开采稠油过程中，最关键的技术之一是减少蒸汽在井筒中的热损失，减少井筒摩阻压降损失，以保证注入井底的蒸汽干度较高。

二、井筒压降计算

计算气液两相流压降的Beggs-Brill方法

稠油注蒸汽中的工作介质是湿蒸汽，即水和水蒸汽的两相流，或者说是气液两相流，两相流还包括气固两相流，如输送煤粉管道中空气和煤粉，烟气管道中气体和固体颗粒；还有液固两相流，如水煤浆的水与煤粉等。这里只涉及气液两相管流。

Beggs-Brill方法是流型模型中的一种计算两相流特征的方法，是Beggs博士论文的核心内容，发表在1973年。Beggs在一套长达27.4m的透明的聚丙烯管中进行的两相流实验，介质为空气和水，管径有2.54cm和3.81cm两种。管子可以倾斜，角度变化为-90 —+90 ，其中-90 为气液垂直向下，+90 为气液垂直向上，0 为气液水平流动，总共作了584次实验，空气和水的流量可以分别变化，因此可观察到各种流型。

三、井筒传热计算

与地面输汽管线比较，蒸汽在注汽井井筒内流动和散热更为复杂，井筒径向尺寸小，蒸汽通道更小，沿着井深增加，周围地层温度随着增加，沿井深散热也随之变化，更需要分段计算这些参数的变化。

1.注汽井井筒中蒸汽参数变化

蒸汽从注汽井井口自上而下注入，沿程因摩擦阻力会使压力下降，但垂直位置△z产生重位压差，使压力增加；蒸汽在△z距离内由于其温度远大于地层温度，径向有热量损失qI。与地面输汽管线相仿，动量方程与能量方程相耦合，也必须分段采用数值求解方法。

2.注汽井井筒热损失qI

注汽井井筒结构从中心向外依次有隔热油管、环形空间、套管、水泥环和地层。蒸汽由隔热油管的内管注入，不计及轴向热量的传递。由于蒸汽温度t0远大于地层温度tf，因而有径向热损失，以qI表示（W/m）。

水泥环外侧地层为一半无限大空间，有极大的热容量。由注汽井中心传递过来的热量只能慢慢的加热水泥环外侧地层，不可能使远处的地层温度升高，因而总的传热过程是非稳态的。

非稳态的传热计算比较复杂，因而设想把该问题作合理的简化；从中心到水泥环的传热假定是稳态的传热过程，从水泥环到远处地层的导热假定为非稳态导热。稳态传热和非稳态导热都可以用简单的公式计算。

2.1蒸汽至水泥环的稳态传热

也可以写成以内油管外表面积为基准的传热公式，即：

传热系数k2为：

2.2 水泥环至远处地层的非稳态导热

非稳态导热的热流可以求解半无限大物体的非稳态导热微方程式得到的。许多学者研究表明，用拟稳态导热公式表示，有足够的精度，不会产生很大的误差。

2.3传热系数k2的计算公式

如果能够求出和，就可以用稳态传热公式 = 计算。并可以由能量方程求出处的；用两相流压降公式已经可以计算处的，就可以把处的其他蒸汽参数，等都一一得到；处的蒸汽参数作为下一个的初参数，用相似方法求出第二个处的蒸汽参数；以此类推，一直计算到油层入口为止。

四、结论

计算结果表明注气速率较小时，重位压降大于摩阻压降，压力从井口至井底逐渐增加；当注汽速率达到某一数值时接近等压注入；注入速率继续增加则由于摩阻压降大于重位压降的增加，压力逐渐降低。但干度由于径向热量的散失，而逐渐减小。随着注汽时间的增加，由于地层导热趋于稳定，散热量减少，井底干度增加，但时间越长，增加量越小。对于湿饱和蒸汽，由于某一状态的压力对应于确定的温度，所以温度的变化趋势与压力相同。随着注汽速率的增大，蒸汽沿井筒的热损失所占的百分数减小，干度下降的梯度越来越小，井底的蒸汽干度也就越大。

在较高压力下注汽对吞吐效果的影响主要取决于生产压差下回采，注入压力对吞吐效果的影响并不小。相同压差下回采，注入压力对吞吐效果的影响并不大。因此，应尽力降低注汽压力，以保证有足够的注汽速度为下限，在注汽速度下有足够高的井底蒸汽干度。不可追求过高的注入压力及注汽速度，要严格防止超高压、超高速注汽导致产生油层压裂窜流。

注汽速度要适当，太低井筒热损失过大，太高则可能使注汽压力过高而超过油层破裂压力而压开油层，形成微裂缝，导致油层中蒸汽窜流的不良后果。提高注汽速度有缩短油井停产注汽的时间，有利于增加增产效果。注汽速度降低，将增加井筒热损失率，导致井底干度降低，从而减小吞吐效果，这是决定注入速度不能太低的主要因素。

注汽速度的选定与注汽压力的选定要相联系，注汽速度既不能太低，低到井筒热损失太大导致井底蒸汽干度过低，又不能过高，要限定在不能造成油层被压裂。一般而言，在尽量采用高质量隔热油管条件下，将注汽速度选定在4t/h以上，但最高不能超过油层破裂压力为上限。不论深井、浅井，尤其是浅层油井，超高速和超高压注汽，都会引起油层被压裂，造成裂缝性蒸汽窜流，使蒸汽吞吐后期轮次及蒸汽驱开采阶段的效果恶化。

注注汽井口干度较大时，摩擦阻力较小，重位压降大于摩阻压降，井筒内蒸汽压力沿井深逐渐增加，井筒隔热油管好坏直接影响井筒内湿蒸汽热损失率，所以注汽工艺参数优化设计时尽力提高注汽井口干度，尤其是采用最好的井筒隔热技术措施。

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