隔热涂层与真空技术在稠油热采中的应用探讨

2016-10-27孙永涛宋宏志刘海涛

石油地质与工程 2016年5期

关键词：套环环空稠油

林　涛，张　伟，邹　剑，孙永涛，宋宏志，刘海涛

(1.中海油田服务股份有限公司油田生产研究院，天津塘沽 300450；2.中海石油(中国)天津分公司渤海石油研究院)

隔热涂层与真空技术在稠油热采中的应用探讨

林涛1，张伟2，邹剑2，孙永涛1，宋宏志1，刘海涛1

(1.中海油田服务股份有限公司油田生产研究院，天津塘沽 300450；2.中海石油(中国)天津分公司渤海石油研究院)

在稠油井注热流体吞吐开采过程中，井筒隔热工艺一般以减小热传导和热对流为主，而对热辐射的控制考虑较少。为此提出了一种隔热涂层与真空技术相结合的隔热技术，该技术可将油套环空内导热系数降到最低，通过降低油管外壁发射系数达到降低热辐射的作用。通过WELLFLOW软件计算结果表明，该隔热技术可使井筒热损失相比传统井筒隔热工艺减小67%～80%，并且流程简单、设备便捷，在海上油田热采中具有很大的推广潜力。

海上油田；井筒隔热；隔热涂层；真空技术

1　问题的提出

稠油黏度大、流动性差，常规冷采技术不能满足油田高效开发的需求，因此，注热流体(热水、蒸汽或者蒸汽与非凝析气的混合物)已成为国内外开采稠油主要技术之一。近年来，稠油热采技术在海上油田得到应用，目前主要以多元热流体吞吐热采为主。多元热流体热采技术是一种新型热采技术，符合当前热采技术的发展趋势，其是通过燃烧产生高温高压水蒸汽、CO2及N2气等混合气体驱油[1-3]，具有气体混相驱(氮气驱、二氧化碳驱)和热力采油(蒸汽吞吐、蒸汽驱)的特点[4-6]，适合在海上稠油油田的开发。

在稠油井注热流体吞吐开采过程中，井筒隔热工艺是其中关键的一个环节。如果井筒隔热效果不理想，随着吞吐轮次的增加，套管多次经受高温、高压热应力作用而损坏变形，将严重影响油井的正常生产；同时，随着套管温度升高，热量向地层散失加快，热能利用率降低，影响热采增油效果。在注热过程中如何保证套管安全和尽可能减少井筒热损失是注热开采稠油的重要环节之一。海上油田的作业环境与陆地油田不同，渤海稠油油田油井一般较深，井筒外部的环境包括空气-海水-地层三段，而且海上油田对油井套管安全等级有更高的要求，同时在工艺管柱设计上要求井下工具结构简单实用[7]。目前海上油田热采主要采取隔热油管加上环空连续注氮隔热工艺。本文提出了一种解决井筒隔热的新工艺，不仅可以有效减小热量在井筒的热损失，而且地面工艺简单，适用性强。

2　技术分析

在油套环空中存在三种传热方式，即热传导、热辐射及热对流，这三种方式在不同情况下所占的比重是不同的。根据能量守恒定律，以Ramey关于非稳态热传递的计算方法为基础[8,9]，建立井筒传热数学模型。

井筒及地层的径向的热传导方程[6]可表示为下式：

(1)

式中:θ为温度，℃；t为时间，s；r为距离井筒中心的径向距离，m；λ为等效导热系数，W/(m·℃)；M为地层的热容，J/(m3·℃)；Qi为内热源/汇的热流体密度，W/m3。

从能量方程上分析，沿井筒径向传热是一个变M和λ的导热问题；从流体热量传导上需考虑多元热流体的密度。

结合传热的理论公式，油套环空内介质的传热属于典型的有限空间内的传热，包括自然对流换热和环空内外壁之间的辐射换热，环空辐射换热系数hr的计算公式为：

(2)

式中：εto、εci——油管外壁、套管内壁的发射系数；rto、rci——油管外径、套管内径，m；Tto、Tci——油管外壁温度、套管内壁温度，℃。

因此总体上讲，隔热工艺受到等效导热系数λ，地层的热容M，内热源/汇的热流体密度Qi，油管外壁、套管内壁的发射系数εto、εci的影响。为保证注热的效果，热流体密度需要按照工艺设计要求实施，一般不进行调整。剩余的参数中最常采用的方法是减小等效导热系数，目前常用的隔热方法有三种：一是采用高热阻的真空隔热管，减少热量从油管内壁向油管外壁的传递速度，；二是在油管和套管的环空中充入惰性气体，降低油管和套管间环空的导热系数，减少热量从油管外壁向套管的传递速度；三是采用隔热油管，同时配合环空连续注入氮气的方式[10]。

当环空中是液体时，除传导热外，对流传热是主要的传热方式，这是由于油套壁间温度差引起的液体密度差产生的自然对流很剧烈所致。当环空中是气体时，辐射热占很大比重，甚至是主导的，取决于油管外壁及套管内壁的表面状况及散热与吸热特征。当环空变为真空时，真空条件下无法进行热传导，同时由于真空中几乎没有流体，也就不存在对流传热，热辐射是主要的传热方式。由此可见，当环空为真空时，其等效导热系数会降到最低，同时降低油管外壁发射系数，可使整个隔热效果达到最佳。本文方法正是采用该原理，将隔热涂层与真空技术应用到海上稠油热采中。

3　工艺设计

该工艺的主要设计方法为：对隔热油管的外壁进行隔热涂层处理，在油套环空的指定位置下入耐高温高压封隔器，使用真空泵通过采油树的套管翼阀对油套环空进行抽真空，达到要求后可开始注热作业。在套管翼阀上安装有真空表，可在注热期间监测油套环空的真空度，可根据需要再进行补抽真空。该工艺主要技术特点是：

(1)在隔热油管的外壁增加隔热涂层，可显著降低隔热油管向外辐射热量，同时涂层的低导热性也减小热传导；

(2)在油套环空指定位置下入耐高温高压封隔器后形成一个封闭的油套环空，通过真空泵对油套环空进行抽真空，降低热对流系数；

(3)可对油套环空的真空度进行监测，可根据需要适时抽真空；

(4)地面工艺比较简单，仅需要一台真空泵；

(5)适用于海上稠油热采高强度注热的特点，有效降低套损发生的概率，延长套管使用寿命。

该环空隔热工艺的结构如图1所示。其工艺流程为：根据井深结构、注热参数(注入速度、注入温度及注入量)优选隔热油管及隔热涂层；下入耐高温高压封隔器；下入注热管柱，安装高温高压注热井口装置；连接注热管线和抽真空管线。注热管线加装保温层，减少热损失，防止人员烫伤，抽真空管线采用高压硬管线；试压，确保两条管线及井口装置不发生刺漏；打开采油树套管翼阀，开启真空泵进行抽真空，待压力不大于0.01 Pa时，可开始注热；热流体注入期间，监测套管翼阀处的真空表。

图1　隔热涂层与真空技术结合的隔热工艺结构

4　效果对比

以渤海A油田的热采井M井为例，对隔热油管加环空充氮的方式、环空连续注氮气隔热的方式和采用隔热涂层加环空抽真空的方式进行对比，在相同的注入工艺下，采用WELLFLOW软件计算这三种隔热工艺的总热损失，见表1。可以看出，采用隔热涂层加环空抽真空的方式的热损失更少，相比传统的隔热工艺热损失可以减少67%～80%，起到更好的隔热效果。