超稠油油藏直井采用隔熱油管注采經(jīng)濟(jì)性分析——以風(fēng)城油田為例

李景玲，王麗榮，石善志，李建民

（1．中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津塘沽300452；2．中國石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院）

稠油熱采中影響井筒熱損失的因素很多：地層傳熱系數(shù)、注汽速度、井筒結(jié)構(gòu)、注汽壓力、井筒材質(zhì)等［1－2］，井筒熱損失產(chǎn)生大量的能量浪費(fèi)，并導(dǎo)致稠油開采綜合成本增大。在稠油熱采中如何使注采系統(tǒng)的井筒熱損失減少到最低程度、改善稠油熱采效果從而提高經(jīng)濟(jì)效益，是許多稠油油田熱采中亟需解決的問題。目前，使用隔熱油管是減少注采系統(tǒng)井筒熱損失的重要配套措施之一［3－5］。

新疆油田稠油開采的規(guī)模逐年增大，為了減少注采系統(tǒng)中井筒的熱損失，在風(fēng)城油田部分區(qū)塊進(jìn)行了隔熱油管的先導(dǎo)試驗(yàn)。本文通過建立直井注采的井筒傳熱模型，對直井油管熱損失進(jìn)行計(jì)算。

1 計(jì)算模型

井筒假設(shè)油管與套管軸同心，水泥環(huán)內(nèi)側(cè)（即井筒中）熱傳遞是穩(wěn)態(tài)的，而水泥環(huán)外側(cè)（即地層中）熱量傳遞則按非穩(wěn)態(tài)處理，只考慮徑向傳熱量［6－9］，如圖1所示。

圖1 井筒徑向傳熱示意圖

1．1 流動計(jì)算

沿流線l建立微分方程。l始終與流體速度方向相同。對井筒注汽時(shí)，l向下；采油時(shí)，l向上。

（1）注汽過程中，濕蒸汽沿井筒向下為蒸汽、水的汽液兩相流動。流體屬于可壓縮粘性流體的一元流動?；谫|(zhì)量、能量及動量守恒定律建立了兩相流的壓力梯度和干度梯度的控制方程：

（2）采油過程中，油水混合物向上流動，屬于不可壓縮粘性流體一元流動，可認(rèn)為計(jì)算步長內(nèi)油水混合物的各項(xiàng)物性參數(shù)（比容、比熱等）為常量。根據(jù)質(zhì)量、能量以及動量守恒定律可建立了油水混合物的壓力梯度和溫度梯度的控制方程組：

注汽和采油的基本控制方程均為典型的一階常微分方程組，采用四階龍格－庫塔法求解。

油和水混合物為非混相流體，井筒流動過程中流體溫度不斷變化，對油的黏度影響較大，從而影響混合物流體的黏度。計(jì)算模型中采用文獻(xiàn)［10］的Pan公式計(jì)算油水混合物的黏度。

1．2 總傳熱系數(shù)的計(jì)算

由于油管內(nèi)熱水及蒸汽的強(qiáng)迫對流傳熱系數(shù)hf高達(dá)2 500～10 000 J／（m2·s·K），油水混合物的強(qiáng)迫對流傳熱系數(shù)也較高，鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)λtub、λcas高達(dá)40～50 J／（m·s·K），它們的熱阻很小，可忽略不計(jì)。傳熱計(jì)算時(shí)，只考慮隔熱層熱阻、環(huán)空氣體或液體的熱阻、水泥套層熱阻?？倐鳠嵯禂?shù)Uto由下式計(jì)算［8］：

井筒內(nèi)傳熱的迭代求解步驟如下：① 假定一個(gè)初始的井筒結(jié)構(gòu)內(nèi)的總傳熱系數(shù)Uto，由給定的地層擴(kuò)散系數(shù)及注汽時(shí)間計(jì)算瞬態(tài)熱傳遞系數(shù)［11］；②計(jì)算水泥環(huán)與地層交界處絕對溫度Th，并根據(jù)井筒內(nèi)沿徑向各個(gè)層面上的熱流量相等的原則，求解環(huán)空內(nèi)壁和外壁的絕對溫度T4、T5：③計(jì)算環(huán)空對流傳熱系數(shù)hc和輻射傳熱系數(shù)hr；④計(jì)算求出假定總傳熱系數(shù)Uto下的新的總傳熱系數(shù)Ucal；在①～④步驟中反復(fù)迭代，直至相鄰2次的Uto接近為止。

2 井筒熱損失實(shí)例計(jì)算

2．1 井身結(jié)構(gòu)及基本計(jì)算參數(shù)

以風(fēng)城油田試驗(yàn)區(qū)的直井V－1井為例，根據(jù)試驗(yàn)區(qū)油藏參數(shù)及直井管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別對采用隔熱油管的注汽、采油以及吞吐的傳熱過程進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算采用的井身結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：7 in套管（內(nèi)徑159．42 mm，壁厚9．19 mm）；2 7／8in平式油管（外徑73．02 mm，內(nèi)徑62 mm，接箍外徑88．9 mm，接箍內(nèi)徑62 mm）；4 1／2in隔熱油管（外徑114 mm，內(nèi)徑62 mm。每根油管長9．19 m，接箍長度0．13 m）。隔熱油管的視導(dǎo)熱系數(shù)為0．086 W／（m·K）。

2．2 注汽井井筒熱損失

豎直井注汽過程中環(huán)空介質(zhì)應(yīng)為水蒸汽。采用的注汽計(jì)算參數(shù)為：注汽速度140 t／d，井口蒸汽壓力7．5 MPa，井口蒸汽干度0．7。計(jì)算結(jié)果見表1。

在注汽過程中，隨著深度的增加，豎直井采用光油管和隔熱油管的熱損失沿井筒向下均逐漸增大。相同深度處，隔熱油管的井筒熱損失比光油管小很多，約為光油管的20%。

表1 直井注汽不同油井類型井筒熱損失對比

2．3 采油井井筒熱損失

采用的采油計(jì)算參數(shù)為：豎直井深500 m，采出速度30 t／d，井底壓力0．5 MPa，井底溫度為150℃，液面深度450 m，泵深490 m，泵加壓力5．0 MPa，含水率70%。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 直井采油不同油井類型井筒熱損失對比

在采油過程中，豎直井采用光油管和隔熱油管沿井筒向上井筒熱損失均逐漸增大。相同深度隔熱油管結(jié)構(gòu)的熱損失明顯減少。在上述采油參數(shù)下，采用隔熱油管與光油管相比損失熱量減少60%左右。

3 采用隔熱油管注采的經(jīng)濟(jì)性分析

相同深度處隔熱油管的熱損失遠(yuǎn)小于光油管，但采用隔熱油管會增加投資成本。這里將采用隔熱油管減少的熱損失折算成燃?xì)獬杀九c采用隔熱油管增加的投資成本相比計(jì)算盈虧，分析隔熱油管的經(jīng)濟(jì)性。

3．1 基本參數(shù)

燃?xì)鈨r(jià)格為1．2元／m3；1 000 m3燃?xì)獾臒嶂禐? 5564 kJ；鍋爐及輸送管道的熱效率為0．75；采出液的熱利用率70%；2 7／8 in平式油管價(jià)格71元／m；4 1／2in隔熱油管價(jià)格490元／m。

3．2 連續(xù)注汽井的經(jīng)濟(jì)性分析

風(fēng)城油田隔熱油管試驗(yàn)區(qū)的深度大約在500 m，以井深500 m為例，在V－1井管柱結(jié)構(gòu)條件下，對不同注汽速度下采用隔熱油管的連續(xù)注汽過程的盈虧進(jìn)行比較。

如圖2所示，井深一定時(shí)，注汽速度對隔熱油管的盈虧變化影響不大。但隔熱油管的使用壽命對隔熱油管的盈虧有顯著影響。當(dāng)注汽速度一定時(shí)，隨著隔熱油管使用壽命的延長，采用隔熱油管的盈利大幅增加。只要隔熱油管的使用壽命超過1年時(shí)采用隔熱油管均為正盈利。

油井深度是評價(jià)采用隔熱油管的重要因素，連續(xù)注汽井的注汽速度一般在70 t／d左右。當(dāng)注汽速度為70 t／d時(shí)，比較井深從200 m到500 m 采用隔熱油管的盈虧。如圖3所示，只要隔熱油管的使用壽命超過1年，井深從200 m到500 m采用隔熱油管均為正盈利。隨著隔熱油管使用壽命的延長，采用隔熱油管的盈利均大幅增加，并且井越深盈利幅度增加越大。

一般來說，隔熱油管的有效使用壽命大約在3年左右，因此對于連續(xù)注汽井來說，采用隔熱油管在經(jīng)濟(jì)上是可行的。

3．3 連續(xù)采油井的經(jīng)濟(jì)性分析

在V－1井管柱結(jié)構(gòu)條件下，以含水率70%，井底溫度150℃，不同采出速度，采用隔熱油管連續(xù)采油過程的盈虧進(jìn)行了計(jì)算。

如圖4所示，在井深500 m，含水率70%的條件下，隔熱油管的使用壽命在5年以內(nèi)時(shí)，采用隔熱油管節(jié)約的熱量折算成燃?xì)獬杀揪荒艿窒捎酶魺嵊凸茉黾拥耐顿Y成本，并且采出速度越小，虧損越嚴(yán)重。即使隔熱油管使用壽命達(dá)到6年以上，采出速度小于50 t／d時(shí)也仍處于虧損狀態(tài)。

實(shí)際生產(chǎn)中，連續(xù)采油井采出速度較小。以采出速度30 t／d計(jì)算不同井深時(shí)，采用隔熱油管連續(xù)采油過程的盈虧。如圖5所示，當(dāng)井深一定時(shí)，隨著隔熱油管使用壽命的延長，虧損逐漸減小。當(dāng)隔熱油管使用壽命一定時(shí)，隨著井深的增加，采用隔熱油管的虧損逐漸增大，并且井深大于200 m時(shí)，即使隔熱油管的壽命達(dá)到5年仍處于虧損狀態(tài)。

因此，對于豎直井連續(xù)采油，采用隔熱油管減小的熱損失折算成收益太小，難以收回采用隔熱油管增加的投資成本，不推薦采用隔熱油管。

3．4 吞吐井的經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)的吞吐生產(chǎn)實(shí)際情況，一個(gè)吞吐周期大約90天，平均周期注汽量1 800 t，平均周期注汽天數(shù)12天，注汽速度150 t／d，生產(chǎn)天數(shù)70天，平均采出速度20 t／d。每年一口井可以完成4輪次的吞吐生產(chǎn)。在V－1井管柱結(jié)構(gòu)條件下，對采用隔熱油管的吞吐過程的盈虧進(jìn)行比較。

如圖6所示，當(dāng)隔熱油管的壽命在3年以上時(shí)，采用隔熱油管是盈利的，并且井越深盈利幅度增加越大。

另一方面，采用隔熱油管的另一個(gè)重要作用是提高流體沿程溫度，從而降低沿程摩阻。對于低含水、低井底溫度的情況尤為突出。這一點(diǎn)對于吞吐生產(chǎn)格外重要。因?yàn)樵诿恳惠喭掏律a(chǎn)的中后期井底溫度低、含水率也很低，采用隔熱油管對于吞吐生產(chǎn)具有重要的增產(chǎn)作用。圖7為相鄰井采用光油管和隔熱油管的實(shí)際井口溫度對比曲線，采用隔熱油管的井口溫度明顯高于采用普通油管相鄰井的井口溫度，大約高出30℃～40℃。如圖8所示采用隔熱油管井的周期生產(chǎn)效果明顯好于采用普通油管相鄰井的周期生產(chǎn)效果。

因此，對于超稠油油藏，在單井吞吐生產(chǎn)過程中采用隔熱油管在經(jīng)濟(jì)上是可行的，也是必要的。

4 結(jié)論

（1）注汽和采油過程中，相同深度處采用隔熱油管的井筒熱損失遠(yuǎn)小于常規(guī)油管的熱損失。

（2）對于連續(xù)注汽井，注汽速度對采用隔熱油管的盈利影響很小，連續(xù)注汽井采用隔熱油管在經(jīng)濟(jì)上是有利的。

（3）對于連續(xù)采油井，隔熱油管的使用壽命在5年以內(nèi)時(shí)，采用隔熱油管始終處于虧損狀態(tài)，采出速度越小，井越深，虧損越嚴(yán)重。連續(xù)采油井不推薦采用隔熱油管。

（4）對于吞吐井而言，當(dāng)隔熱油管的使用壽命在3年以上時(shí)，采用隔熱油管是盈利的，而且隔熱油管的使用壽命越長，井越深，采用隔熱油管的盈利越大。采用隔熱油管對吞吐井的井口溫度及周期生產(chǎn)效果有利，單井吞吐生產(chǎn)過程中采用隔熱油管在經(jīng)濟(jì)上是可行的，也是必要的。

符號說明

h——工質(zhì)在某截面上的平均焓值，J／kg；ν——工質(zhì)在某截面上的平均比容，m3／kg；G——管線中單位時(shí)間單位面積流過的蒸汽質(zhì)量，kg／（s·m2）；x——工質(zhì)的干度；Di——注汽管內(nèi)徑，m；l——沿流線長度坐標(biāo)，m；Q——單位質(zhì)量工質(zhì)的吸熱量，J／kg；g——重力加速度，9．81m／s2；θ——工 質(zhì)速度 方向 與水平線的 夾角，0°－90°；λ——沿程損失系數(shù)；νl——水及油水混合物的比容，m3／kg；C——水及油水混合物的比熱，J／（kg·K）；T——工質(zhì)在某截面上的平均絕對溫度，K；ig——管線中單位時(shí)間流過的蒸汽質(zhì)量，kg／s；R1、R2——油管內(nèi)外壁半徑，m；R3、R4——隔熱管內(nèi)外壁半徑，m；R6、R7——水泥環(huán)內(nèi)外壁半徑，m；λins——隔熱層導(dǎo)熱系數(shù)，J／（m·s·K）；λcem——水泥環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)，J／（m·s·K）；hc——環(huán)空中傳導(dǎo)和對流傳熱系數(shù)：J／（m2·s·K）；hr——為環(huán)空中輻射傳熱系數(shù)：J／（m2·s·K）。

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