塔中孔隙性砂岩地热井产液温度影响因素分析

2018-10-26王发清曹建洪曹献平杨淑珍兰美丽

西部探矿工程 2018年10期

王发清，曹建洪，曹献平，杨淑珍，兰美丽

(中国石油塔里木油田分公司,新疆库尔勒841000)

新疆地热水点主要分布在阿尔泰山、天山、昆仑山以及与盆地相衔接的山前地带。据不完全统计，目前新疆有50多处地热露头，其中出露温度以西昆仑山区最高，尤其是塔什库尔干断裂带上，地热井最高温度146℃[1]。地热井井筒温度场研究对于地热资源的勘探开发具有重要意义[2-4]。将油田高含水井改为地热提液井，利用采出的地热水热能，实现油气集输站油气集输伴热系统的维温，达到热、油联产和地热资源的有效开发利用[5]。本文建立了井筒总传热系数模型，还对井筒温度场进行模拟，并用塔中一口井的实测数据进行了验证。最后，本文分析了影响该地热井产液温度的因素。

1 井筒总传热系数模型

图1为塔中这口孔隙性砂岩地热井所在区块的典型井身结构。参照这个典型的油气井井身结构，来确定井筒总传热系数模型。由于井筒具有径向对称的特点，故可将总热传系数的计算转化为仅涉及径向的二维坐标模型（见图2）。

由图2可以看出，油气井的总传热系数由以下几部分串联而成：①油气流至管内壁的放热热阻（又称管内膜传热系数，即IFC）；②油管壁的热传导热阻；③油管与套管之间环形空间的传热热阻；④套管壁的热传导热阻；⑤水泥环的热传导热阻；⑥水泥环至远端地层的传热热阻。

计算总传热系数Uti的公式为：

图1 塔中区块典型油气井井身结构图

式中：Dto——油管外径，mm；

Rfilm——管内膜热阻；

Rtube——油管热阻；

Rann——环空热阻；

Rcase——套管热阻；

Rcem——水泥环热阻；

Rsurr——地层热阻；

hi——管内膜传热系数，W/(m2·K)；

Dti——油管内径，mm；

Kp——油、套管热传导率，W/(m·K)；

Kconv——环空热对流系数，无量纲；

Kann——环空内充填流体的热传导率，W/(m·K)；

BH_Multi——井眼系数，无量纲。

对于总传热系数的详细推导过程，以及整个传热系统的能量方程、井筒流体热损失的推导，可以参见传热学方面的书籍[6]和井筒两相流传热计算方面的文献[7]。

图2 总传热系数的径向模型

2 井筒温度计算模型

假设：①井筒内的传热为稳态传热，周围地层中的传热为非稳态传热，并且满足Ramey无因次时间函数；②井筒及地层间的传热是径向的，不考虑沿井身方向的传热；③井筒中任一截面上各点的温度都相等；④油管套管和水泥环为同心圆；⑤忽略井筒内流体流动过程中的摩擦生热；⑥井筒周围地层温度是分段线性的。

根据热量守恒定律，考虑第二接触面（水泥环和地层的交界面）向周围地层传递的热量服从Ramey无因次时间函数，且井筒向第二接触面传递的热量与第二接触面向周围地层传递的热相等，可推导得到地热井的井筒温度计算模型[8]：

式中：wt——流体的质量流量，kg/m3；

Cp——流体的定压比热容，J/（kg·K）；

Tf——井筒内流体温度，℃；

Z——井深，m；

rti——油管内半径，mm；

Ke——地层导热系数，W/（m·℃）；

α——地层热扩散系数，m2/h；

T——生产时间，h；

Ts——地表环境温度，℃；

Ta——影响层深度处的环境温度，℃；

gT1——h深度范围内的地温梯度，℃/m；

gT2——h深度范围外的地温梯度，℃/m；

C、b、A——方程综合、特解和通解系数。

关于流体热物理性质和流动性质的计算，请参考文献[9-10]。

3 模型拟合

塔中72A井是塔里木盆地塔中83号岩性圈闭上的一口评价井。该井2007年9月22日完钻，完钻层位奥陶系鹰山组，完钻井深5580m。试油层位为奥陶系鹰山组5529～5550m，试油结论：暂不定性（含油）。2007年11月18日下5″机桥注水泥塞封井。2007年11月21日拆采油四通，井口装盲板完井。2017年11月1日19∶25，塔中巡井人员发现塔中72A井井口刺漏，刺漏物为高温热水，现场测量温度为85℃。将这口井的数据，输入到本文建立的井筒总传热系数模型和井筒温度计算模型，计算得到的结果见图3。从图3可以看出，该模型基本能满足工程要求。

4 井口产液温度影响因素分析

图3 地热井模型拟合图

从生产管柱和开采时间2个方面，分析了对这口砂岩孔隙性地热井的产液温度的影响。该井完井时未下入生产油管，因此热水只能从7″套管流出；假设完井时下入了2-7/8″或者3-1/2″油管。下面我们来看一看，这3种不同的生产管柱所获得的井口热水温度。

关于开井时间的影响，由图4、图5可知：大约7d以后，产液量和井口温度可认为达到了稳定，尽管井口温度还会继续升高，但增加幅度变缓。

由图4可以看出，在自喷定井口油压的情况下，大尺寸管柱生产较小尺寸所获得的井口温度高(7″＞3-1/2″＞2-7/8″)。而由图5可知，这种较高井口温度是由于较高日产液量带来的。通过分析这些不同的生产方式所对应的井筒总传热系数，并将其折算至同一管子外径下(88.9mm)。对比发现：7″套管生产时总传热系数较3-1/2″油管还大。