Ansys稠油热采井注汽过程中井筒-地层温度场分布研究

稠油热采井注汽过程中井筒-地层温度场分布研究

[闫相祯，王同涛，杨秀娟]

[中国石油大学（华东）油气CAE技术研究中心]

[山东青岛经济技术开发区长江西路66号邮编：266555]

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[ 摘要 ] 稠油热采过程中，温度场分布对热采效果及管柱安全具有重要影响。根据稠油热采过程中实际作业工况及约束条件，建立了井筒-地层温度传递计算模型，为数值模拟计算的载荷和边界施

加提供理论依据。利用多物理场耦合软件ANSYS建立了管柱-水泥环-地层耦合的热传导计算

模型，模拟计算了隔热管视导热系数、注汽温度、井深和隔热管接头等对井筒和地层温度场分

布的影响。计算结果表明：隔热管视导热系数越低隔热效果越好，热量散失的就越少，注汽效

果越明显，保护套管不发生破坏越有利；地层中的温度与距离套管距离是按照指数分布，与理

论模型相一致，说明本文计算模型尺寸是合理可靠的；地层边界温度对套管外壁及其附近区域

内地层温度影响比较小，套管外壁附近的温度主要由蒸汽温度和隔热管视导热系数决定；接头

区温度要明显高于管体其他部位。

[ 关键词]稠油热采；温度场分布；ANSYS软件；隔热管真空度

Temperature Distribution of Wellbore-Strata for Steam

Injection of Heavy Oil

[Xiangzhen Yan, Tongtao Wang, Xiujuan Yang]

[Oil and Gas CAE Technology Research Center]

[China University of Petroleum, Qingdao, 266555, Shandong]

[ Abstract ] The temperature distributions of wellbore and adjacent strata are very important to the efficiency of thermal recovery and safety of casing/tubing strings. The analytical models of

the temperature distribution of wellbore and strata are proposed considering the field

conditions and boundary conditions, which affords the theoretical basis to apply loads and

boundary condition on the numerical models. The numerical models of tubing

strings-cerement sheath-strata are built up by muti-physical software ANSYS to obtain the

temperature distributions. The effects of insulated tubing K-factor, steam temperature, well

depth, and insulated tubing joint on the temperature distributions of tubing, casing, and

strata. The calculation results show the heat-insulation has an inverse proportion with

insulated tubing K-factor. Small insulated tubing K-factor is good to the casing/tubing

protection. The temperature has an exponential relation with the distance to wellbore

accordance to the theory, which indicates the dimensions of numerical model are

reasonable. The strata temperature has little effects on the temperatures of casing and

adjacent field, which are mainly determined by steam temperature and insulated tubing

K-factor. The temperature of casing located at insulated tubing joint is much greater than

that of other location.

[ Keyword ] Heavy oil thermal recovery; temperature distributions; ANSYS software; insulated tubing

1前言

中国稠油资源较为丰富，陆上稠油资源约占石油总资源量的20%以上，稠油的有效开采对保证油田稳产、增产具有重要意义。稠油热采方法重要包括：蒸汽吞吐、蒸汽驱、火烧油层、热水驱等[1-3]。其中蒸汽吞吐应用的最为广泛，产油量占到总稠油产量的78%左右，并且呈继续增加的趋势。热采过程中，为了提高热采效果，一般采用临界、超临界压力蒸汽，注汽压力和温度分别达到22 MPa和374℃以上，温度的升高降低了套管柱的强度和弹性模量等力学参数，同时会使套管中会产生很大的热应力，可能导致油套管柱发生失效破坏[4-9]。国内热采井油套损率一直居高不下，成为影响稠油热采的高效实施的主要因素。例如，辽河油田总体达到30％，新疆油田总体达到20％，局部区块更高，甚至有大规模的套损。以百重七区为例，自2000年投入开发至2006年，油层段套管损伤逐年增加，达到348口井。而2001年以前完钻的井中有17％于当年底就发生了套损，2004年为27％，2005年则达到70％。因此，对稠油热采过程中管柱受力分析和安全评价具有重要的工程意义。

井筒-地层温度场分析是套管热应力分析的基础，也是热采井问题分析的关键所在。在注入蒸汽开采稠油过程中，需要最大限度地减少注入井中地热量损失，保证井底的蒸汽干度，并确保套管的温度和应力保持在一定范围内，确保不发生失效破坏。本文根据稠油热采井实际作业工况及约束情况，建立井筒-地层热量传递模型，推导出相应的计算公式，为数值模拟计算提供载荷和边界条件施加依据，同时对数值模拟计算结果提供验证。利用建立的稠油热采模型，模拟计算不同参数变化对井筒、地层温度场变化的影响，为现场热采作业提供参考和借鉴。

2油藏热量传导理论模型

2.1油藏传热模型

注气过程中各层间的热量传导理论模型可以简化为如图1，假设：①油层内部无垂向温度差；②上下围岩只存在一维热传导；③上下围岩都可以看作半无限大地层；④初始地层温度分布按照地温梯度分布；⑤在蒸汽区中油层与上下围岩的界面处，温度是恒定的。