新疆深層稠油井筒摻稀降黏舉升摩阻分析

張素青 張祖國(guó) 柯文奇 牛 駿

（1.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州 450007；2.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083）

新疆A 區(qū)塊埋深大于5 400 m，油藏溫度約120～140 ℃。在油藏溫度、壓力條件下原油黏度小于100 mPa·s，具有較好的流動(dòng)性。但原油在井筒流動(dòng)過(guò)程中，隨著溫度的降低，原油黏度迅速增大，40 ℃條件下達(dá)到十萬(wàn)至幾十萬(wàn)mPa·s，流動(dòng)阻力迅速增大，依靠自噴和有桿泵難以實(shí)現(xiàn)稠油的有效舉升，給深層稠油的開(kāi)采帶來(lái)很大困難。

摻入稀油可以有效分散稠油中的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，降低瀝青粒子的相對(duì)濃度，從而降低稠油黏度，改善稠油流動(dòng)性［1-2］。目前對(duì)摻稀降黏效果評(píng)價(jià)基于旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)或流變儀［3-7］，由于稠油和稀油在井筒中的流動(dòng)和混合是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，稀油不斷分散稠油中的瀝青分子是伴隨著流動(dòng)不斷變化的，因此，采用現(xiàn)有的測(cè)量手段和分析方法難以有效描述稠油摻稀過(guò)程中黏度的動(dòng)態(tài)變化和對(duì)舉升摩阻的影響。

在稠油流變模擬基礎(chǔ)上，建立稠油井筒舉升的模型，模擬開(kāi)采過(guò)程中的流動(dòng)阻力，與現(xiàn)場(chǎng)情況開(kāi)展對(duì)比分析。

1 稠油摻稀降黏的基本工藝

研究區(qū)域稠油井筒降黏主要摻稀降黏工藝流程如圖1 所示。稀油由輸油管線經(jīng)計(jì)量泵注入油套環(huán)空，在泵吸入口與稠油混合后由油管產(chǎn)出，經(jīng)水套爐加熱后輸送至計(jì)轉(zhuǎn)站計(jì)量。

圖1 摻稀降黏工藝流程

2 稠油摻稀降黏動(dòng)態(tài)黏度模擬測(cè)量

2.1 摻稀黏度計(jì)算基本模型

采用摻稀降黏工藝計(jì)算井筒摩阻時(shí)，摻入稀油后的混合物的黏度常采用下式來(lái)描述［4］

式中，μm、μl、μh分別為某一溫度條件下混合體系、摻入稀油及稠油的黏度，mPa·s；x 為摻入稀油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

以上模型基于旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)/流變儀中充分混合后測(cè)量得到的黏度開(kāi)展擬合，得到理論上的混合黏度。但是，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，稠油和稀油是在沿井筒流動(dòng)過(guò)程中不斷混合而實(shí)現(xiàn)稠油中瀝青分子分散，黏度的變化是動(dòng)態(tài)的，因此上述模型（1）描述存在一定局限性。

2.2 管流實(shí)時(shí)黏度測(cè)量原理

在如圖2 中所示直圓管，其半徑為R，長(zhǎng)度為L(zhǎng)。假定流體是黏性不可壓縮的，流動(dòng)是穩(wěn)定的、充分發(fā)展的等溫層流，垂直管道軸線方向沒(méi)有流速。流體以流量q 通過(guò)圓管，在兩端面形成壓力差p2-p1。

圖2 圓管流動(dòng)基礎(chǔ)模型示意圖

由Hagen-Poiseuille 定律得到流量q 和兩端壓差p2-p1的關(guān)系為

變形得到

式中，μ 為黏度，mPa·s；R 為管道半徑，m；q 為流量，m3/d；p1為入口端壓力，MPa；p2為出口端壓力，MPa；L 為圓管長(zhǎng)度，m。

2.3 動(dòng)態(tài)混合黏度測(cè)量

如圖3 所示，將恒溫設(shè)備設(shè)定某一溫度（50～100 ℃）條件下恒溫6 h 以上（采用空氣加熱方式），以保證稠油和稀油的溫度達(dá)到恒定溫度值。通過(guò)平流泵的流量來(lái)控制稠油和稀油的流量，模擬不同的摻稀比，通過(guò)壓力和溫度傳感器計(jì)量模擬由井底流向井口過(guò)程中溫度不斷降低時(shí)的管流摩阻，分析實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果得到不同溫度下的混合體系黏度。

圖3 實(shí)驗(yàn)流程示意圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)量稠油流量為2 mL/min、不同摻稀比例（V稀油∶V稠油）條件下的混合體系黏度，模擬測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯?，隨著摻稀比例的增加，混合體系的黏度不斷減小，但減小幅度逐漸減小。

表1 模擬測(cè)量黏度對(duì)比

3 井筒摻稀流動(dòng)模擬

3.1 井筒傳熱規(guī)律

3.1.1 井筒熱傳遞數(shù)學(xué)模型 井筒流動(dòng)過(guò)程中不斷發(fā)生熱量損失，溫度降低，稠油黏度迅速增加。確定摻稀井筒的溫度場(chǎng)是計(jì)算井筒摻稀摩阻的基礎(chǔ)。井筒和地層間的熱量傳遞依次為油管導(dǎo)熱、油套環(huán)空間的對(duì)流和輻射以及套管、水泥環(huán)、地層之間的導(dǎo)熱。井筒的傳熱過(guò)程具體描述為油管到水泥環(huán)之間的傳熱和水泥環(huán)到地層之間的傳熱，采用下式來(lái)描述

推導(dǎo)得到

式中，dq 為單位時(shí)間內(nèi)的總熱損失，kW；dq1為單位時(shí)間內(nèi)油管中心至水泥環(huán)外緣的熱損失，kW；dq2為單位時(shí)間內(nèi)水泥環(huán)外緣至地層的熱損失，kW；k為總傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；dz 為井筒微元段長(zhǎng)度，m；hc和hr分別為組成環(huán)空熱阻的對(duì)流傳熱系數(shù)和輻射傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；r1為油管外徑，m；r2為套管內(nèi)徑，m；r3為套管外徑，m；r4為水泥環(huán)外徑，m；λcem為套管和水泥環(huán)之間的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；tm為混合流體溫度，K；ts為水泥環(huán)外緣溫度，K；λe為地層導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；te為初始地層溫度，K；f（t）為無(wú)因次地層導(dǎo)熱時(shí)間函數(shù)，小數(shù)；α 為熱擴(kuò)散率，m2/h；T 為生產(chǎn)時(shí)間，h。

3.1.2 井筒摻稀流體循環(huán)傳熱 新疆A 區(qū)摻稀降黏主要采用開(kāi)式流體反循環(huán)工藝管柱結(jié)構(gòu)，摻稀稀油由油套環(huán)空注入井底與稠油混合，經(jīng)自噴或其他舉升方式流向地面。整個(gè)過(guò)程中存在環(huán)空中較低溫度的稀油和油管中稠油流體的循環(huán)傳熱，可以采用能量平衡方程組（6）表示

推導(dǎo)得到

式中，k1為油管的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；k2為油套環(huán)空與地層之間的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；l 為井筒長(zhǎng)度，m；W1為稠油比熱容，J /（kg·℃）；W2為摻稀稀油比熱容，J /（kg·℃）；t 為摻稀稀油溫度，℃；t0為稠油初始溫度，℃；θ 為油管產(chǎn)出流體的溫度，℃；m 為地溫梯度，℃/100 m；C1和C2為由邊界條件確定的系數(shù)，小數(shù)。

3.2 井筒流動(dòng)模型

井筒摻稀混合流動(dòng)過(guò)程中管流壓降主要由摩擦損失、勢(shì)能變化和動(dòng)能變化組成。根據(jù)動(dòng)量方程，考慮稠油生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)油氣比，其兩相流體的壓力降可以表示為

通過(guò)推導(dǎo)得到

式中，dp 為某一微元段dh 上的壓力差，MPa；h 為井筒深度，m；vm為氣體和混合流體流速，m/s；ρm為氣體和混合流體密度，kg/m3；f 為流動(dòng)摩擦因數(shù)，由Beggs-Brill 方法求得；β 為井眼傾角，（°）；Gm為混合流體質(zhì)量流量，kg/s；d 為油管內(nèi)徑，m；vsg為氣體流速，m/s。

基于以上模型和公式，編寫(xiě)了沿井筒摩阻變化的求解程序（圖4），并基于該程序開(kāi)展計(jì)算分析。

4 摻稀降黏井筒摩阻實(shí)例分析

A 區(qū)塊某口井油管下深2 800 m。摻稀稀油地面溫度為20 ℃。該井稠油黏度如表1 所示，其密度為0.97 g/cm3，油氣比為67 m3/m3。其他計(jì)算所需基本參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算實(shí)例所需數(shù)據(jù)

圖4 沿井筒摩阻變化的求解程序框圖

采用表2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)該區(qū)的油井開(kāi)展模擬，采用三次樣條插值的方式對(duì)表1 中的黏度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，采用上述模型分析不同摻稀比條件下的井筒摩阻，得到了井筒內(nèi)沿程壓力的計(jì)算結(jié)果（圖5）。

圖5 不同摻稀比條件下井筒沿程壓力變化

圖5 模擬結(jié)果表明，摻稀開(kāi)采過(guò)程中，在沿程摩阻的作用下，井筒沿程壓力逐漸下降，并且呈現(xiàn)非線性趨勢(shì)，表明在井筒上部壓力下降快，沿程摩阻更大。隨著摻稀比的增加，井筒沿程壓力降低趨勢(shì)漸緩，表明井筒舉升摩阻越小，越有利于井筒摻稀降黏舉升。

圖6 對(duì)比了不同摻稀比下的單位稀油對(duì)摩阻降低的貢獻(xiàn)率。模擬結(jié)果表明，隨著摻入稀油量增加，單位稀油對(duì)摩阻降低的貢獻(xiàn)越來(lái)越小。稠油黏度主要受膠質(zhì)和瀝青質(zhì)分子的濃度影響，摻稀油是分散瀝青和膠質(zhì)分子的過(guò)程，隨著摻稀比例的增加，瀝青、膠質(zhì)分子有效分散。但是隨著摻稀比例的增加，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)分子之間不斷分散，混合體系黏度迅速下降，但是摻稀比繼續(xù)增大過(guò)程中，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)分子的分散對(duì)體系黏度影響減小，單位稀油對(duì)摩阻降低的貢獻(xiàn)也就較小，在實(shí)際摻稀過(guò)程中，應(yīng)該選擇經(jīng)濟(jì)高效的摻稀比。

圖6 單位稀油對(duì)摩阻貢獻(xiàn)隨摻稀比例變化

5 結(jié)論

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)摻稀工藝設(shè)計(jì)了管流實(shí)時(shí)黏度測(cè)量裝置，能更準(zhǔn)確地模擬測(cè)量摻稀降黏后的混合體系黏度。

（2）建立了綜合考慮由油管到水泥環(huán)的擬穩(wěn)態(tài)及水泥環(huán)到地層的非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，結(jié)合井筒流動(dòng)，建立了適合描述摻稀井筒溫度壓力分布的模型，并編寫(xiě)了求解程序。

（3）實(shí)例模擬分析結(jié)果表明，摻稀能有效降低井筒舉升摩阻，但是隨著摻稀比例的增加，單位稀油對(duì)摩阻降低的貢獻(xiàn)減小。

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