耐高温封隔器热分析研究

杨万有，牛贵锋，2

耐高温封隔器热分析研究

杨万有1，牛贵锋1，2

（1．中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452；2．西南石油大学机电工程学院，成都610500）

蒸汽吞吐井井筒温度分布研究是进行耐高温封隔器密封单元设计的基础。为了比较准确地确定蒸汽参数分布、热采封隔器的温度分布以及热损失，对注汽井内耐高温封隔器温度分布进行精细模拟计算。根据传热学、热力学和两相流理论，通过数值求解，可以确定封隔器承受的温度分布。对封隔器-套管-水泥环-地层系统温度分布进行了详细阐述，为海上油田稠油热采井下工具的设计提供理论指导。

稠油热采；注蒸汽；热力分析；耐高温封隔器

在海上油田稠油开采过程中，由于受到环境条件、作业空间、操作成本等因素的影响，陆地油田常规热采开发方式和工艺技术的应用受到很大限制，其开采难度远远高于陆上稠油油田。目前，渤海海域已发现了丰富的稠油储量，如何高效、低成本地开发这些资源是海上稠油油田面临的难题和挑战。

为了实现海上稠油油田的高效开发，探索适用于海上稠油油田的热采工艺技术，在渤海湾M油田开展了海上稠油蒸汽吞吐采油的矿场试验并取得了成功。海上稠油蒸汽吞吐采油技术是将高温高压的水蒸汽、热水等热流体注入地层，通过加热降黏及注汽提高采收率等机理实现稠油井高效开发的一种方法［1］。在采油过程中，高温流体通过油管注入地层，井底套管、水泥环和地层温度升高，由于套管和水泥环或地层的膨胀系数不同，从而有可能因套管与水泥环因受热伸长量的不同，致使胶结面失效，存在气窜的隐患。同时，井筒内的高温对井下采油工具的耐温性能提出更高的要求。特别是对于耐高温封隔器，若封隔器的温度过高，则易引起封隔器橡胶的老化，致使封隔器坐封失效，甚至无法坐封，影响油田生产。因此，有必要开展稠油热采过程中封隔器-套管-水泥环-地层系统的温度场数值模拟研究，分析封隔器、套管、水泥环和地层岩石在注采过程中的温度变化规律，为海上油田稠油热采井下工具的设计提供理论指导。

1 耐高温封隔器热分析原理及有限元模型

1．1 三维传热数学模型［2-5］

采用Green和Naghdi能量平衡方程，有

热传导傅里叶定律为

由标准伽辽金方法得到的能量平衡方程为

式中：V为物质体积；S为物质表面积；ρ为物质密度；U 为内能的材料时间变化率；q为单位面积上物体内部的热流量；r为单位体积上由外部流向物质内部的热流量；f为热流量；x为坐标位置；k为热传导矩阵，是温度θ的函数；δθ为满足边界条件的任意场变量。

1．2 有限元模型建立

1．2．1 模型简化

耐高温热采封隔器结构较为复杂，为了便于有限元模型的建立，节约计算量，需要对其进行结构简化［6-7］。去除耐高温热采封隔器中的局部结构，保留封隔器胶筒、封隔器卡瓦、封隔器内蒸汽通道、封隔器内电缆孔和封隔器内部分空隙。同时，由于分析耐高温热采封隔器的温度场分布时，必须同时考虑环空-套管-水泥环-地层系统的影响，因此建立了耐高温热采封隔器热分析的有限元简化模型，如图1所示。

图1　简化后的坐封封隔器模型（剖视图）

1．2．2 有限元模型

为了模拟耐高温热采封隔器-套管-水泥环-地层系统的温度场分布，建立了系统的有限元分析模型，如图2所示。

图2　耐高温封隔器热分析的有限元模型

为了便于材料属性的赋予，将封隔器的所有钢制材料建立成为1个部件。蒸汽通道专门建立1个部件，以便于网格的划分。将电缆孔、封隔器内蒸汽管外侧的空腔、封隔器下方与卡瓦之间的环空和卡瓦下方的环空视为充满井液，建立成井液部件。封隔器上方充满氮气的环空、封隔器内的2个空隙、封隔器胶筒、套管、水泥环、地层分别建立成1个部件。将以上所有部件装配即建立了耐高温热采封隔器-套管-水泥环-地层系统热分析的有限元模型。耐高温封隔器坐封于Ø244．5 mm（9英寸）套管内，井眼尺寸为Ø311．2 mm（12英寸）。蒸汽温度为350℃，地层温度为20℃。均采用二阶DC3D8六面体单元，该类型的传热单元含有8个网格节点，具有较好的适应性。为了数值模拟的准确性，对封隔器、氮气层、套管和水泥环处网格进行加密，共划分二阶四面体网格单元119 840个。模型中多个接触区域采用共节点划分方法，例如：井液、封隔器、氮气层、套管、水泥环和地层两两交界面处，采用共点方式实现热传导，在不影响计算结果的情况下，大幅节约了计算时间，也使模型简化。350℃高温从蒸汽通道内传入，整个模型的初始环境温度为20℃。

封隔器钢材料、蒸汽管、封隔器胶筒、井液、氮气层、套管、水泥环和地层的参数如表1所示。

表1　耐高温热采封隔器-套管-水泥环-地层系统参数

2 耐高温热采封隔器热分析结果

对整个系统进行热计算分析，耐高温封隔器承受热的作用，受力情况复杂［8］。耐高温热采封隔器-套管-水泥环-地层系统的温度场如图3所示；耐高温热采封隔器的温度场如图4所示；耐高温热采封隔器胶筒的温度场如图5所示；耐高温热采封隔器蒸汽管的温度场如图6所示。

图3　耐高温热采封隔器-套管-水泥环-地层系统的温度场

由图3可知：在封隔器胶筒上方，由于氮气注入封隔器与套管之间的环空，井眼周围水泥环和地层温度较低，这是由于氮气的绝热性能要优于井液所致。在封隔器胶筒处井眼周围的温度也略有减小。

图4　耐高温热采封隔器的温度场

由图4可知：在耐高温热采封隔器的上方温度较高，下方温度较低，这是由于井液的导热性能高于氮气，致使温度向套管-水泥环-地层扩散。

图5　耐高温热采封隔器胶筒的温度场

由图5可知：耐高温热采封隔器胶筒的温度为153．9～349．0℃，靠近蒸汽通道一侧的温度高于另一侧温度；胶筒外侧的温度要明显低于胶筒内侧的温度，这是由于胶筒具有较强的隔热能力所引起的，外侧温度约为内侧温度的1／2。

图6　耐高温热采封隔器蒸汽管的温度场

由图6可知：耐高温热采封隔器蒸汽通道的温度分布与胶筒的类似，也是上方温度较高，下方温度较低，但其整体温度均高于胶筒的温度。

3 结论

1)建立了耐高温热采封隔器-套管-水泥环-地层系统的热分析有限元模型。

2)耐高温封隔器胶筒的温度为153．9～349．0℃，靠近蒸汽管一侧的温度高于另一侧温度；胶筒外侧的温度要明显低于胶筒内侧的温度，这是由于胶筒具有较强的隔热能力所引起的，外侧温度约为内侧温度的1／2。

3)在耐高温封隔器的上方温度较高，下方温度较低。耐高温封隔器蒸汽通道的温度分布与胶筒的类似，也是上方温度较高，下方温度较低，其温度为336．9～350．0℃。

［1］陈月明．注蒸汽热力采油［M］．东营：石油大学出版社，1996．

［2］王照亮，梁金国．注汽井井筒温度分布的模拟计算［J］．石油大学学报，2003，27（1）：91-94．

［3］陈建滨．滨南单56块注汽井筒热力分析与隔热技术评价［D］．北京：中国石油大学，2007．

［4］王照亮，梁金国．一种求解复合圆筒壁非稳态导热问题的新方法［J］．石油大学学报，2005，29（2）：89-92．

［5］陈勇，练章华，刘永辉，等．热采井井筒热应力耦合的数值模拟［J］．石油矿场机械，2007，36（6）：3-6．

［6］石亦平，周玉蓉．ABAQUS有限元分析实例详解［M］．北京：机械工业出版社，2006：209-225．

［7］马春红．注汽井氮气隔热效果数学物理模拟研究［J］．石油大学学报，2005，29（5）：62-66．

［8］高学仕，潘迪超．热采井筒瞬态温度场的数值模拟分析［J］．石油大学学报，2001，25（2）：67-69．

Thermal Analysis on High Temperature Packer

YANGWanyou1，NIUGuifeng1，2
（1．Ener Tech-Drilling&Production Co．，CNCCC，Tianjin 300452，China；2．College of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum Uniuersity，Chengdu 610500，China）

A study of steam huff-puff wells well bore temperature distribution is the basis of high temperature resistance packer unit design．In order to determine the steam distribution，temperature distribution of heat recovery packer and heat loss more correctly，a stimulation calculation has been made for high temperature packer temperature distribution in steam injection well．Based on heat transfer，thermodynamics and two-phase flow theory，and through numerical solution，the packer resistance in temperature distribution can be determined．The temperature distribution along packer-casing-cement sheath-stratum system is introduced in detail，which can be used as theory base for heavy oil thermal recovery on offshore oil field．

heavy oil thermal recovery；steam injection well；thermal analysis；high temperature packer

TE931．2

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．017

1001-3482（2015）04-0070-04

2014-10-21

国家科技重大专项“海上稠油热采采油技术研究”（2011ZX05024-005-003）

杨万有（1967-），男，黑龙江拜泉人，高级工程师，硕士，主要从事油气田开发与开采方面的研究及管理工作，E-mail：yangwy3＠cnooc．com．cn。