空心抽油杆热水循环工艺用于稠油开采的影响因素研究

王小兵，王多琦，李 森，龚浩宇，刘 阳，吕雷纲，杜明智

常州大学石油工程学院，江苏常州 213016

在油田开采过程中，当原油从井底流向井口时，由于地层温度不断递减，在油管壁和抽油杆上易出现结蜡现象[1]。空心抽油杆（以下简称空心杆） 热水循环技术可以对井下油管、套管及原油进行加热，防止稠油结蜡现象的发生，在降低采出液黏度的同时，也极大地提高了原油采出率[2]。辽河油田坨28-35 井中原油50 ℃时的黏度为115.7 mPa·s，其凝固点为28 ℃，属于稠油、中凝油。为实现对稠油、高凝油的有效举升[3-7]，空心杆热水循环技术利用地面加热锅炉将循环水加热至一定温度，再由循环水泵将热水以一定的流速在空心内管与空心杆间循环并与油管内的地层产出流体进行热交换，以此来提高产出液温度[8]。

本文以辽河油田坨28-35 井为实例，根据井深结构特点，建立起在无限大地层条件[9-10]下的多物理场耦合模型[11]。通过对数值模拟结果的分析得出不同注入水温度、产液量、动液面位置，以及空心内管、空心杆及油管内液体的温度变化情况[12]，这对实际生产工作有重要的指导作用。

1 数值模拟

根据无限大地层及井下空心杆热水循环系统结构的特点，考虑注入热水以及采出液的流体物性参数，设计相应的模型，利用模拟软件对模型进行流体和传热的耦合[13]。首先，建立起井下部分结构几何模型；然后，进行网格划分、边界条件的设定、数值模拟，对模拟结果进行可视化后处理，完成图表及曲线的绘制及描述；最后，与辽河油田坨28-35 井的实际生产数据进行对比，以此来检验数值计算结果是否合理。

为简化计算，本文假设：流体在流动过程中与井壁不发生摩擦生热，地层为均质地层，地层温度分布是线性的，只考虑温度场在井筒径向方向上的变化，不考虑沿垂直井轴向方向的变化，井筒及地层内的传热均为稳态传热[14]。

1.1 几何模型

为保障计算结果的可靠性，建立起与辽河油田坨28-35 井井下结构参数相同的热水循环工艺简化几何模型（见图1），模型由空心内管、空心杆、油管、隔热层、套管、水泥环及外部岩层构成。

图1 热水循环工艺简化模型

1.2 控制方程

本文设定注入热水的传热方式为热传导和对流换热问题，且注入水和产出液也以湍流的形式进行流动，具体所需的控制方程如下。

湍流控制方程：

式中：ρ 为流体密度，kg/m3；u 为流速，m/s；g 为重力加速度；m/s2；F 为体积力矢量，N/m3；I 为单位张量；K 为黏性应力张力，Pa；p 为压力，Pa；ε 为湍流耗散率；k 为湍流动能，J；μ 为流体动力黏度，Pa·s；μt为湍流动力黏度，Pa·s；T 为温度，K；Pk为流体平均速度梯度而引起的湍流动能的产生项；σk为模型常数，取1.0；σε为模型常数，取 1.2；Cε1为模型常数，取 1.43；Cε2为模型常数，取1.92；Cμ为模型常数，常取0.09。

传热控制方程：

式中：ρ0为流体密度，kg/m3；Cp为介质定压比热容，J/（kg·K）；q 为热流密度，J/（m3·K）；Q 为热源项，W/m3；δ 为导热系数，W/（m·K）。

1.3 网格划分

由于实际部分的几何结构较小，因此计算的网格选择采用较细化网格形式，并对流体变化较复杂的地方进行边界层加密，对于在井底流体流动复杂区域和无限大地层域网格的划分采用自由三角形网格，然后通过映射完成剩下域的网格划分（见图2）。

图2 部分网格划分示意

1.4 边界条件设定

本文研究的是在稳态情况下油井径向方向的对流换热问题，边界条件根据空心杆热水循环系统的实际参数进行设定，计算所需基础数据按照辽河油田坨28-35 井实际生产参数进行相应的调整。

基础数据：注入速率为24 m3/d；地温梯度为0.03 ℃/m；空心杆热水循环系统井下结构参数及物性参数见表1、2。

表1 井下结构参数

表2 井下物性参数

2 不同注入水温度对井筒温度场影响结果分析

2.1 不同注入水温度对井筒温度场分布的影响

为分析注入水的温度对井筒温度场分布的影响，设定在相同地温梯度下，井口注入速度及其他工况一定的情况下，对比不同注入水温度（65、70、80、90、100 ℃） 下的井筒内不同部位（空心内管、空心杆和油管） 内流体的温度分布情况（见图3 ～5），以此分析不同注入水温度对采出液加热降黏机理及效率的影响。

图3 不同注入水温度对空心内管内液体温度的影响

图4 不同注入水温度对空心杆内液体温度的影响

图5 不同注入水温度对油管内液体温度的影响

由图3 可以看出，在其他边界条件和工况相同的情况下，空心内管内液体温度场最主要的影响因素是井口注入水温度，空心内管的流体整体温度随着注入水温度的提高而上升；当注入水温度不同时，空心内管内的液体温度变化趋势基本一致，而随着井深的增加地层温度升高，空心内管内的液体受到地层温度的影响，温度的减小趋势也越来越缓慢；当注入的液体接近井底时，由于空心内管内液体温度与地层温度差越来越小，则液体温度逐渐趋于稳定。

空心内管内的液体注入到井底后，通过空心杆返排出井口，通过图4 可知不同温度的注入水从井底到井口排出的过程中，温度变化的趋势均为上升。温度为100、90、80 ℃的注入水从井深1 200 m到1 000 m 的注入过程中，温度变化趋势是先小幅度的降低，然后达到稳定，这是由于在其他外界条件一定的情况下，影响空心杆内液体温度的主要因素分别是注入水温度、地层温度和空心内管温度，在1 200 m 井深处的地层温度大约是55 ℃左右，而温度为100、90、80 ℃的注入水到达井底处的温度依然大于井底处的地层温度，所以上排阶段是液体对地层的放热过程；温度为65 ℃和70 ℃的注入水在井深为1 200 m 到1 000 m 这个范围内，在地层温度和空心内管温度两者作用下，温度基本保持不变；从井深1 000 m 到井口这段距离内，不同温度的注入水整体温度均处于上升趋势，这是由于空心内管内液体在外界环境的作用下整体处于放热状态，随着距离井口越近，空心内管内液体的温度越高，对空心杆内液体的影响也越明显，所以在同一井深处空心内管内注入水的温度越高对相同位置处空心杆内的液体加热现象也越显著。

了解油管内液体的温度场的变化，对无限大地层中的稠油降黏及防止油管管壁处结蜡有重要的意义。由图5 可知，当注入水温度为65 ℃和70 ℃时，油管内液体温度整体的变化幅度不大。从井深1 200 m 到1 100 m 井深段，温度曲线呈现出上升趋势。在1 000 m 到600 m 井深段注入水为70 ℃时的油管内液体温度基本保持稳定状态，而注入水为65 ℃时液体在这个阶段内温度有小幅度的下降，这是由于油管内液体温度的主要影响因素是地层温度、空心内管的温度和空心杆的温度，在相同井深处地层温度是相等的，在这个井段，注入水温度为70 ℃时，油管内液体对地层的放热和吸收来自空心杆内液体的热量，通过两个过程作用，使得油管内温度处于平衡状态，所以温度可以基本维持不变[15]；在注入65 ℃的热水时，通过空心杆内液体所吸收的的热量少于油管对地层释放的热量，所以油管内液体温度会有微小的下降；同理可以得出，当注入水温度为80、90、100 ℃时，油管从空心杆处吸收到的热量明显大于向地层释放热量，因此这3 条温度曲线整体的上升速率越来越大，而且注入温度越高，从井底到井口上升的速率也越快。5个不同温度注入水到达井底的温度相等是因为在1 200 m 处油管的温度等于此处的地层温度。

2.2 不同产液量对井筒温度场分布的影响

为研究油管产液量对井筒内空心内管、空心杆和油管内液体温度分布的影响规律，本文设定注入水温度为90 ℃、油管液体含水率为50%，以及其他影响因素和外界条件一定的情况下，计算了6 个不同产液量 （5、10、15、20、25、30 m3/d） 对井下系统的影响规律，见图6 ～8。

图6 不同产液量对空心内管内液体温度的影响

图7 不同产液量对空心杆内液体温度的影响

图8 不同产液量对油管内液体温度的影响

由于图6 可见，当油管产液量不同时，空心内管内液体的温度变化趋势基本一致，产液量越大空心内管内液体的温度下降速率越大，到达井底时空心内管内液体的温度也越低。这是由于随着产液量的增高，油管内液体携带走油管周围环境的热量也增多，油管附近的温度与空心内管的温差增大，使得空心内管沿程热量耗散的也越多，温度整体下降的速度也越快。同时可以发现，随着产液量的增加，空心内管内液体的温度变化曲线逐渐放缓，说明产液量增加到一定值后，空心内管内液体的温度也不再随产液量的增加而降低。

由图7 可知，不同产液量对空心杆内液体温度整体的影响趋势基本一致。随着井深的增加，空心杆内液体温度逐渐减小。在其他外界条件不变的情况下，影响空心杆内液体温度最重要的三个因素分别是空心内管的温度、油管的温度以及地层温度，空心内管整体温度大于空心杆温度，所以空心杆从空心内管处吸收热量，同理空心杆整体温度大于油管温度，油管从空心杆处吸收热量。随着井深的增加，地层温度逐渐增大，当空心杆温度大于地层温度时，空心杆向周围地层环境放热；当空心杆温度小于地层温度时，空心杆向周围地层环境吸热。在同一井深处地层的温度是定值，而且注入水的温度也恒定，随着产液量的增加，在同一地层深度处空心杆内的温度反而降低，说明产液量越高，油管内液体与周围环境热交换的速度也越快，携带走周围环境热量也越多，使得油管周围环境的温度也越低，空心杆与周围环境的温差变大，所以更容易发生热量传递，而空心杆内液体的温度也更低。随着产液量的进一步增加，空心杆内液体的温度变化幅度越来越小，最后逐渐趋于平衡。这个原因与空心内管情况相似，都是由于随着产液量增加，油管内液体携带走的热量达到饱和状态，最后达到稳定，空心杆与周围环境的温差达到恒定，空心杆内流体的温度不再随产液量的增加而发生变化。

从图8 可以发现，产液量的不同对油管温度影响较为直接。从井底到井口，油管内液体温度变化趋势逐渐增大。当产液量不同时，从井深1 000 m到井口这个过程中，产液量越大，油管内的温度变化曲线越平缓，且井口与井底温差越小。在同一地层深度处，产液量越高，油管内液体的温度越低，而且温度的下降速率逐渐减缓，这是由于产液量越大，在相同管径的油管内液体的流速也越快，热交换不够充分，因此流体的整体温度也就越低。从井深1 200 m 到井深1 000 m 这段范围内，产液量为5 m3/d 的温度上升的速率最大，随着产量的增加，温度上升速率逐渐减小，说明此井段在地温和加热系统共同作用下，产量较少时油管内流体更容易被升温。而且从图8 可以得出，从井底到井口整个井段，产液量与油管内液体温度几乎不呈线性关系。

2.3 不同动液面深度对井筒温度场分布的影响

辽河油田坨28-35 井对于稠油的开采方式为有杆泵采油，而动液面位置不同，势必会影响井筒环境的导热系数，动液面的深度对井下加热系统各部分的影响如图9 ～11 所示。

如图9 所示，不同动液面深度对空心内管的温度影响不大，动液面深度越小，空心内管的温度下降速率越快。这主要是由于液体与空气的导热系数的不同，而动液面的变化对油管内液体温度影响最大，进而对空心杆内液体温度产生影响，空心杆温度的变化又会对空心内管内液体温度产生影响。

图9 不同动液面深度对空心内管内液体温度的影响

图10 不同动液面深度对空心杆内液体温度的影响

图11 不同动液面深度对油管内液体温度的影响

如图10 所示，相比于空心内管，动液面深度的变化对空心杆内液体温度的影响较为明显。随着动液面深度的增加，即动液面位置越靠近井底。空心杆内液体温度下降的速率逐渐减缓。这是由于，动液面的变化对油管温度影响最为直接，油管内液体的温度变化又会对油管周围环境产生影响，进而影响空心杆温度发生变化。

从图11 可以发现，动液面深度的不同对油管内液体温度的影响最为明显，随着井深的增加油管内液体的温度整体变化都有所下降，且动液面深度越小，油管温度下降越快。当动液面深度为900 m 时，从井口到井深900 m 这个井段都没有液体存在，所以影响油管温度的因素主要是地层温度与空心杆温度，其次是油管和套管环形空间中的油水混合物也会对周围环境的导热性能产生影响，使得不同动液面深度条件下，每条油管内液体温度曲线下降的速率不同。由于液体的导热系数远大于气体，因此，动液面到井底这段范围由于液体的存在，要比动液面到井口这段范围内传递的热量多。所以油管内液体从动液面相同位置处到井底这个过程中，温度下降较快。降低到一定范围后，由于地层温度的增加，油管内液体又开始从地层及周围环境吸收热量，直到与1 200 m处的井底地层温度达到一致。

3 计算结果验证

为验证计算模型的准确性，将辽河油田坨28-35 井的计算温度与实际生产测试温度进行对比（见表3），其中注入速率为24 m3/d；地温梯度为0.03 ℃/m；油管产液量为13 m3/d；其他参数根据实际生产参数而设定。由表3 可得出：计算温度与实测温度的平均误差为6.3%。

表3 计算温度与实测温度对比

4 结论

（1） 动液面位置对油管内液体温度变化的影响较大，对空心内管和空心杆内液体的温度产生间接影响。

（2） 注入水温度越高，油管内液体温度整体温度也越高，总体趋势几乎一致。随着井深的增加，当注入水温度分别为65 ℃和70 ℃时，油管内液体的温度先下降，接近井底时，再有微小的上升，而且变化幅度不大；当注入水温度分别为80、90、100 ℃时，前期温度下降的很快，后来变缓和，在接近井底的位置，温度下降速率又增大。经过对比分析发现，温度越高，加热降黏效果越明显，与能源消耗问题综合考虑发现，80 ℃的热水注入能效比较高。

（3） 随着产液量的增加，空心内管、空心杆和油管内液体的温度逐渐减小，且减小的速率逐渐放缓，最后液体温度达到恒定，不再随产液量的增加而变化。

（4） 计算结果与实际生产参数相比较误差不大，符合实际情况，可为类似的稠油、高凝原油的开采提供了理论参考依据。