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]/[ 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 SteamInjection 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 ofthe temperature distribution of wellbore and strata are proposed considering the fieldconditions and boundary conditions, which affords the theoretical basis to apply loads andboundary condition on the numerical models. The numerical models of tubingstrings-cerement sheath-strata are built up by muti-physical software ANSYS to obtain thetemperature distributions. The effects of insulated tubing K-factor, steam temperature, welldepth, and insulated tubing joint on the temperature distributions of tubing, casing, andstrata. The calculation results show the heat-insulation has an inverse proportion withinsulated tubing K-factor. Small insulated tubing K-factor is good to the casing/tubingprotection. The temperature has an exponential relation with the distance to wellboreaccordance to the theory, which indicates the dimensions of numerical model arereasonable. The strata temperature has little effects on the temperatures of casing andadjacent field, which are mainly determined by steam temperature and insulated tubingK-factor. The temperature of casing located at insulated tubing joint is much greater thanthat of other location.[ Keyword ] Heavy oil thermal recovery; temperature distributions; ANSYS software; insulated tubing1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。

1h 2h 3h图1油藏中热传递示意图由于多孔介质场中温度的非均匀分布，渗流场存在温度梯度，热传导满足傅立叶定律。

在径向、均质、各向同性介质中，傅立叶定律的表达式为[10-12]：rT q r ∂∂−=λ(1) 于是总的传递热量为： w t u rT q ρλ+∂∂−= (2) 当流体在管线中流动的时候还存在对流换热现象：即流动的流体将热量从空间的这一区域转移到另一区域。

同时，流体在对流过程中，总是和温度不相同的流体或者固体相接触，这就一定伴随着导热过程发生，这两者的联合作用就是对流换热。

根据NewTon 冷却公式：A T Q ⋅Δ⋅=ψ (3)式中，ψ：对流换热系数，J/(h·m2·)℃；T Δ：流动的流体与相接触的流体或者固体的温差，℃；A ：换热面积，m 2；c q ：单位时间内所交换的热量，J/h 。

ψ的大小反映出对流换热的强度，它不但与流体的物理性质、速度、温度和流动空间的大小有关。

油藏中任意点处的单位热量为：Z a x D e s dZ T d Z q −−−=−=λαλ1)( (4)流入油藏单位面积热量为：λαs q 1)0(=− (5) tT T q is παλ−=)0( (6) 式中，q ：单位面积上的热流量，h kJ /；i T ：原始地层下的温度，℃；λ：上下围岩导热系数，℃⋅⋅h m kJ /；α：热扩散系数，h m /2；s ：拉普拉斯算子。

2.2 井筒传热模型蒸汽通过隔热油管柱传输过程中，热量沿着管壁向地层中传递。

在计算过程中做如下假设：① 井口注入蒸汽的速率、压力和干度保持不变；② 井口油管、绝热层、套管、水泥环结构，如图2所示；③ 井底使用封隔器，油套管环形空间不会窜入空气，并假设充以低压空气；④ 忽略地层导热系数沿井深方向的变化，并视作一个常数；⑤ 不考虑流动引起的摩擦损失等；⑥ 流体特性与温度、井深无关。

为了研究的需要在井筒上划分为单位控制体积dz ，建立能量守恒公式：热损失=流入dz 单元的热量-流出dz 单元的热量，即：⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛+−+=2''21)()(v H W dz d dt E m d dt mE d Q (7) 式中，m ：单位长度井筒内流体的质量，m kg /；'m ：单位长度井壁的质量，m kg /；E ：蒸汽内能，kg kJ /；'E ：单位长度井壁的内能，kg kJ /；Q ：单位时间井筒热损失，h kJ /；t ：时间，h ；H ：蒸汽的焓，)/(kg h kJ ⋅；V ：蒸汽的速度，h m /；W ：套管内蒸汽的流量，h kg /；f T ：井筒内温度，℃。

在关井测压降中，井口关井，W=0，但是井底的续流还有持续一段时间。

如果忽略流量随井深的变化，则：dtt m d dt mE d Q )()(''+= (8) m 和'm 可以看作井筒内蒸汽和井壁材料的长度密度，用体积密度表示为2ti s r m πρ=和2''ti s r m πρ=。

根据牛顿冷却定律，井筒内单位长度的热损失量为： )(2f A tt T T r Q −=ψπ (9)式中，A T ：地层温度，℃。

Hasan 和Kabir (2002)认为井壁系统(套管和水泥环)温度的增加与蒸汽的温度增加成正比。

则：mE C E m r =' (10)其中T C 为热储集系数，mE E m C T /''=，在压降测试中可以取3=T C ，表示井筒释放和储积热量的能力。