海上热采井氮气隔热注氮参数的优化

张 磊, 杨 阳, 于继飞, 林珊珊, 顾启林, 仝春玥

(1.中海油研究总院有限责任公司, 北京 100028; 2.中海油田服务股份有限公司, 天津 300459)

0 引 言

渤海稠油油田地质储量非常丰富,开发方式以常规开发为主,对于普通稠油Ⅰ-2类黏度高于350 mPa·s的稠油、特稠油和超稠油动用率低,开发效果差[1-2]。自2008年以来,先后在南堡35-2、旅大27-2、旅大21-2和旅大5-2N油田开展了蒸汽吞吐和蒸汽驱等稠油热采先导试验和规模化开采[3-6],近年来,稠油油田热采开发初上规模,主要以蒸汽吞吐开发方式为主。稠油热采井在注汽过程中热损失很大,为了减小蒸汽在井筒中的热损失,保证注入井底的热流体的热焓,井筒需要采取隔热措施,陆上最常用的隔热措施为隔热油管+封隔器[7-8],海上油田一般采用隔热油管+环空注氮的隔热措施[9-14],这种方式是蒸汽和氮气分别通过油管和油套环空注入井筒中,蒸汽和氮气在井下油管出口处混合后注入地层。环空注氮的隔热方式可以降低蒸汽在井筒中的热损失,进一步提高蒸汽达到井底的干度,有效加热地层,同时也可以在井下抑制油管中注入的蒸汽通过油套环空上返加热套管,有效的保护套管,延长套管的使用寿命。

目前,海上稠油热采油田对于环空隔热注氮参数设计多以现场经验为主,缺乏必要的理论支撑与数据支持,没有形成规律认识,因此,急需对环空注氮隔热参数进行研究,指导现场施工。笔者建立了环空注氮井筒传热系数计算模型,通过软件分析不同注氮参数对井底蒸汽干度、套管温度、进入地层热量的影响,优化环空注氮参数,为海上稠油热采井现场注氮参数的设计提供依据,从而经济高效的开发稠油油田。

1 环空注氮井筒传热系数计算模型

环空注氮时,井筒传热过程包含了隔热油管导热和强制对流换热、油套环空注氮的辐射传热和自然对流传热、套管和水泥环的导热以及地层的传热等方面。环空注氮井筒剖面如图1所示。

图1 环空注氮井筒剖面Fig.1 Annular nitrogen injection wellbore profile

假设条件如下:

(1)注入过程中,注汽速度、注汽干度、注汽压力保持不变。

(2)地层热传热系数、地温梯度、地层导热系数不变。

(3)蒸汽到水泥环的传热为一维稳态传热,地层传热为一维非稳态传热。

(4)井筒传热只考虑径向传热,不考虑轴向传热。

环空注氮时隔热油管至地层的传热系数K1[15]表示为

(1)

式中:hi——蒸汽与内油管内壁的强制对流换热系数,W·m-2·K-1;

dti——隔热油管内管内径,m;

dto——隔热油管内管外径,m;

ddo——隔热油管外径,m;

λp——油管导热系数,W/(m·K);

λins——隔热材料导热系数,W/(m·K);

ddi——隔热油管外管内径,m;

ddo——隔热油管外管外径,m;

dci——套管内径,m;

dco——隔热油管套管外径,m;

dh——水泥环外径,m;

λce——水泥环导热系数,W/(m·K);

Re——环空热阻,m·K/W;

Rf——地层热阻,m·K/W。

环空注氮时环空的传热热阻考虑辐射传热和对流传热热阻的并联。

(2)

式中:Re——环空热阻,m·K/W;

Rc——环空氮气对流传热热阻,m·K/W;

Rr——氮气辐射传热热阻,m·K/W。

地层传热热阻Rf为

(3)

式中:λe——地层导热系数,W/(m·K);

f(t)——地层导热的时间函数。

依据文献[16],地层导热的时间函数f(t)为

(4)

(5)

式中:τD——无量纲时间;

a——地层的导温系数,m2/s;

τ——注汽时间,s;

rh——水泥环外半径,m。

2 注氮参数优化结果

2.1 注氮排量

根据海上X油田蒸汽吞吐井实际参数,确定了注氮排量优化设计计算条件,如表1所示,其中,PG为注汽压力,γ为注汽干度,θG为注汽温度,v为注汽速度,pN2为环空注氮压力,θN2为环空注氮温度,V为注氮排量。在现场实际注氮排量300 m3/h左右的基础上进行拓展,采用自主研发的井筒热力参数优化设计软件,分别对注氮排量为100、200、300、400、500、1000 m3/h这6个符合工程实际的排量进行优化设计,形成规律认识,确定最优注氮排量范围。

表1 注氮排量优化设计计算条件

在不同注氮排量下,对井筒热损失、井筒沿程干度、套管沿程温度、井底蒸汽和氮气热量总和、井底蒸汽干度和套管温度进行了计算,结果如图2、3所示。

图2 不同注氮排量下井筒及套管沿程参数Fig.2 Wellbore and casing parameters along wellbore under different nitrogen injection rates

由图2～3可知,注氮排量的增加会明显影响油套环空中氮气流态的变化。随着注氮排量增加,氮气流速提高,雷诺数增大,流态由层流逐渐向过渡流发展并最终形成紊流流动。此时辐射换热量总体变化不大,对流换热系数增加使对流换热量增加,导致井筒沿程热损失增加,蒸汽干度降低。同时由于氮气吹扫作用,套管温度降低,井底蒸汽和氮气总热量先增加后降低。

与注氮排量100 m3/h相比,注氮排量500 m3/h时井底蒸汽干度降低1.4%,热损失增加0.4%,套管温度降低10 ℃;当注氮排量为200～500 m3/h时,进入地层的热量相对较多。

综合考虑井底干度、进入地层的热量、套管温度,建议注氮排量控制在200～500 m3/h之间,在这个注氮排量区间内进入地层热量较多,蒸汽井底干度维持在一个较高水平,同时套管温度维持在一个较低水平,对套管也起到较好的保护。

2.2 注氮温度

根据海上X油田蒸汽吞吐井实际参数,确保表1中各参数不变,选取环空注氮排量为300 m3/h,在现场实际注氮温度50 ℃左右的基础上,采用自主研发的井筒热力参数优化设计软件分别对注氮温度为5、30、50、70、100、300 ℃这6个符合工程实际的注氮温度进行优化设计,同时,拓展到氮气极限温度500 ℃进行研究,形成规律认识,确定最优注氮温度范围。

在不同注氮温度下,对井筒热损失、井筒沿程干度、套管沿程温度、井底蒸汽和氮气热量总和、井底蒸汽干度和套管温度进行了计算,结果如图4、5所示。

图4 不同注氮温度下井筒及套管沿程参数Fig.4 Wellbore and casing parameters along wellbore under different nitrogen injection temperatures

图5 不同注氮温度下井底热量、干度和温度Fig.5 Bottom hole heat, dryness and temperature under different nitrogen injection temperatures

由图4～5可知,随着环空注氮温度的升高,会导致氮气导热系数增大,传热热阻下降,井筒热损失增加,井底蒸汽干度降低。原因是温度升高加剧了气体分子运动,气体分子间的不间断碰撞概率增加,引起分子间热传递能力增强,宏观上表现为氮气导热系数增加。虽然套管温度升高,但环空隔热效果下降不明显,这是由于氮气比热小、携带热量低,随着温度增加导热系数增加有限,注氮温度变化对井筒热损失影响甚微。

与注氮注温度5 ℃相比,注氮注温度300 ℃时井底蒸汽干度降低2.8%,热损失增加0.8%,套管温度升高9 ℃。注氮温度在50～100 ℃时,进入地层热量较多。注氮温度超过100 ℃后,进入地层的热量变化幅度变小。

综合考虑井底干度、进入地层的热量、套管温度,建议注氮温度在50～100 ℃之间,在该温度区间内进入地层热量较多,蒸汽井底干度维持在一个较高水平,同时套管温度维持在一个较低水平,对套管也起到较好的保护作用。

2.3 注氮压力

根据海上X油田蒸汽吞吐井实际参数,确保表1中各参数不变,选取环空注氮排量为300 m3/h,注氮温度为50 ℃,在现场实际注氮压力17 MPa左右的基础上,采用自主研发的井筒热力参数优化设计软件分别对注氮压力5、10、15、20、30 MPa这5个符合工程实际的压力进行优化设计,形成规律认识,确定最优注氮压力范围。

在不同注氮压力下,对井筒热损失、井筒沿程干度、套管沿程温度、井底蒸汽和氮气热量总和、井底蒸汽干度和套管温度进行了计算,结果如图6、7所示。

图6 不同注氮压力下井筒及套管沿程参数Fig.6 Wellbore and casing parameters along wellbore under different nitrogen injection pressure

图7 不同注氮压力下井底热量、干度和温度Fig.7 Bottom hole heat, dryness and temperature under different nitrogen injection pressure

由图6、7可知,在环空流速一定的条件下,注氮压力增加会引起气体分子间距减小,加剧对流换热。随着环空注氮压力的升高,套管管壁温度和环空平均温度升高,辐射换热和对流换热共同作用使环空等效导热系数增大,进而导致井筒径向换热量增加,热损失增大,井底蒸汽干度降低,套管温度升高。

注氮压力20 MPa与5MPa相比,井底蒸汽干度降低3%,热损失增大0.8%,套管温度升高8 ℃,进入地层总热量降低。

综合考虑不同注氮压力对井底干度、进入地层的热量、套管温度的影响,建议在能注入地层并能抑制蒸汽环空上返的条件下,尽量降低注氮压力,以保持较高的井底干度、进入地层热量较多,同时套管温度也较低。

3 结 论

(1)建立了综合考虑导热、辐射和对流传热的环空注氮井筒传热系数计算模型,确保井筒传热系数计算准确,为井筒干度和温度分析奠定基础。

(2)不同注氮参数影响井底蒸汽干度、套管温度和进入地层热量,注氮排量在200～500 m3/h之间,注氮温度在50～100 ℃之间,在能注入地层并能抑制蒸汽环空上返的条件下,尽量降低注氮压力时,有利于提升井底蒸汽干度,降低套管温度,增加热量进入地层,起到较好的氮气隔热效果,保护套管和水泥环。

(3)形成的环空注氮参数规律认识,能够进一步降低井筒沿程热损失,提高注汽质量,保障井筒完整性,对于海上多轮次吞吐提质增效具有重要的意义,建议在海上热采井推广应用。