蒸汽注入测井技术及其在实际中的应用

2015-12-04朱涛郭海敏长江大学地球物理与石油资源学院湖北武汉430100

长江大学学报(自科版) 2015年14期

朱涛，郭海敏（长江大学地球物理与石油资源学院，湖北武汉430100）

任敬祥（中石油辽河油田分公司裕隆实业集团有限公司，辽宁盘锦124011）

注蒸汽开采稠油主要是将水在锅炉中加热到300～500℃变成高温蒸汽［1］，然后注入到地层，降低稠油的黏度，使稠油能够顺利开采出来。蒸汽从锅炉口出来，沿着管线流动不断向外散热，损失热量，部分蒸汽变成水。为了动态地了解蒸汽和热量的具体去向，为油田适时地调整开发方案提供参考，许多学者对此展开了广泛的研究。根本的计算方法是结合两相流动和热传导的综合模型，考虑蒸汽在井筒中的流动状态及井筒中的不稳定传热过程［2，3］，计算出蒸汽在井筒中热量损失。笔者根据前人的研究成果，并在此基础上分析了注蒸汽测井剖面的解释方法，通过在Y油田的应用，证明了该方法的正确性。

1 井筒传热机理

井筒的径向结构如图1所示。注蒸汽井筒结构是由油管、套管、油套环空和水泥环组成。蒸汽注入分为套管注入和油管注入2种方式。从套管注入，蒸汽直接给套管壁加热并传到地层，热量损失多。从油管注入时，油管和套管之间的环空区域充满隔热介质，热量损失减少。在环空中一般会充填空气、氮气等气体，要达到最好的隔热效果，可以在环空中间加入隔热管。

蒸汽在井筒流动过程中，热量沿着井筒的径向传递。在计算过程中，把热量从油管到水泥环的传递过程近似为稳态传递，而地层中的热传递过程为非稳态传递。在稳定热流状态下井筒单元径向热流量与ts和th的差值（ts－th）呈正比，也与ΔL形成的注入油管外表面积2πrtoΔL呈正比：

图1 井筒径向结构与温度示意图

式中：Qs为井筒单元径向热流量，kJ／h；Ut0为井筒总的传热系数，kW／（m2·℃）。

2 参数计算

为准确计算井筒中的热损失，对式（1）进行改进：

式中：Qsl为井筒热损失速度，kJ／h；Ke为井筒周围地层的平均导热系数，W／（m·℃）；f，）为注入时间函数；、为时间函数的变量，1；tls为地表温度，℃；Ggt为地温梯度，℃／m；D为当前深度，m。

在式（2）中，Ut0和f，）是未知数，其计算过程如下。

2.1 井筒的总传热系数的计算

Ut0是注蒸汽测井评价中的关键参数。结合实际情况和井筒的传热机理，Ut0的计算分为下面2种方法。

2.1.1 方法1

当井筒中没有隔热管柱，下端有封隔器，油管和套管之间的环空是液体或者气体时，井筒总的传热系数可以按照下面的公式计算：

式中：hf、hc、hr分别为水膜传热系数、环空气体的热传导自然对流传热系数和环空气体的辐射传热系数，kJ／（m2·h·℃）；Ktub、Kcas、Kcem分别为油管、套管和水泥环的导热系数，kJ／（m2·h·℃）。

式（3）等式右边的5项分别代表油管内壁强迫对流传热热阻、油管壁热阻、环空液体或气体热阻、套管壁热阻以及水泥环热阻。这里主要是环空液体或气体热阻和水泥环热阻，其他3项的热阻很小，基本可以忽略不计。所以可以把式（3）简化成：

2.1.2 方法2

当井筒中油管柱是双层隔热管，下端有封隔器，环空是液体或者气体时，井筒总的传热系数为：

式中：Kins为隔热管的导热系数，kJ／（m2·h·℃）；ri为隔热管的内径，m。

与式（3）相比，式（5）等式右边多了第3项，即隔热管的热阻，该项对总传热系数的影响最大。根据上面的分析，式（5）也可以简化为：

2.1.3 计算详细步骤

笔者就如何确定Ut0及相关参数进行了详细的计算分析，主要包括以下几个步骤。

1）首先根据井筒的结构估计一个Ut0的初始值。

2）计算时间函数f）。

时间函数是在Ramey时间函数的基础之上改进得到的。相比于Ramey时间公式只适用于注入时间大于7d的情况［4］，改进后的时间公式适用于任何情况。

当＝0.1时，f）计算公式为：

当≠0.1时，f）计算公式为：

其中：

式中：α为地层的平均热扩散系数，m2／d；t为注入的总时间，h。

3）计算th和te。

4）计算tci。

5）估算hr和hc。

该部分的计算是井筒传热系数求解过程中最复杂的一部分，因其与油管的外表面性质、液体的物理性质、油管外壁与套管内壁之间的温度与距离、套管内壁表面性质等有关。

①确定hr

当油管和套管之间的环空区域或者隔热管与套管之间充有气体时，辐射热量Qr取决于tto与tci，按照Stefan－Boltzmann定律［5］有：

式中：σ为常数，5.67×10－8W／（m2·K4）；Ftci为油管外壁表面向套管内壁表面辐射散热的有效系数，表征辐射吸收的能力，1；Tto、Tci分别为油管外壁和套管内壁的绝对温度，K。

在井筒中，Ftci的计算公式为：

式中：εto、εci分别为油管外壁辐射系数和套管内壁辐射系数，1。

根据式（14）的因子分解，可推导出hr的计算公式：

根据已经计算出的tci，而tto在计算时可以近似把它当做某一深度点的ts，所以hr可以按照上述计算方法计算。

②确定hc

油套环形空间的热传导及自然对流引起的径向热流速度为：

式中：Qc为热传导及自然对流引起的径向传热速度，kJ／h；khc为环空液体的等效导热系数，也就是在环空的平均温度和压力下，包括自然对流影响的环空液体的综合导热系数，kJ／（h·m·℃）。

当自然对流很小时，khc＝kha（kha是环空液体或者气体的导热系数），因为Qc＝2πrtohc（tcitto）ΔL，所以hc可以由下面的公式确定：

6）计算khc／kha。

据Dropkin等人的研究结果［5］，在井筒条件下有：

式中：g为重力加速度，1.27008×108m／h2；ρan为环空流体在平均温度和压力下的密度，kg／m3；μan为环空流体在平均温度和压力下的黏度，kg／（m2·s）；β为环空流体的体积膨胀系数，1；Can为环空流体在平均温度下的压力下的比热容，kJ／（kg·℃）；Gr为格拉绍夫常数，1；Pr为普朗特常数，1。

环空流体的几个物理参数计算方法可以根据实际注入的流体相关物性参数表进行相应的插值得到。根据上面的计算步骤，可以计算出一个新的Ut0，1，一般Ut0，1与估计的Ut0不相等，再利用Ut0，1重复上面的步骤计算出Ut0，2，按照该方法，重复计算N次，得到Ut0，N，当Ut0，N与Ut0，N－1相差很小时，即可将Ut0，N作为最终的井筒总的传热系数Ut0。

2.2 蒸汽干度的计算

蒸汽干度是混合气体中蒸汽的质量与总流体质量的比值，只有准确计算该参数后，才可以精确评价进入到各射孔层的热量。

2.2.1 单位质量的蒸汽热损失Qg

式中：Qg（L）为在深度L处的单位质量的蒸汽热损失，kJ／h；Qs（L）为在深度L处的热损失量，kJ／kg；qs为注入蒸汽的流量，kg／h。

2.2.2 热焓及潜热的计算

蒸汽在井筒流动后损失了一部分能量，会导致饱和蒸汽能量的降低。当饱和蒸汽的能量降低时就会析出饱和水。在析出饱和水的过程中降低的能量就是蒸汽的潜热，具体计算方法为干饱和蒸汽的热焓与饱和水热焓的差值：

式中：Lv为干饱和蒸汽的潜热，kJ／kg；hv、hw分别为干饱和蒸汽和饱和水的热焓，kJ／kg。

2.2.3 蒸汽干度的计算

式中：X0、XL分别为蒸汽的井口干度和深度为L处的蒸汽的干度，%。

2.3 热损失率的计算

井口总热量注入速度计算如下：

式中：Qinj为井口的总热量的注入速度，kJ／h。

计算出井口的总热量的注入速度后，按照下面的公式计算热损失率：

式中：ηw为热损失率，1。

2.4 吸汽量的计算

吸汽量的计算主要是通过涡轮流量计测量的流量信息来计算，分别找出射孔层附近的上、下2个点，用涡轮流量计进行测量。

式中：Q为总的注入量，kg；K为流量的转换刻度；Rps为测得的转速，r／s。射孔层的吸汽量就是上测量点与下测量点的差值：

式中：Q0为射孔层的吸汽量，kg；Rps1和Rps2分别为上、下测量点的转速，r／s。

最终可以计算每一个射孔层的吸汽百分比：

式中：η为射孔层的吸汽百分比，1。

2.5 吸热量的计算

在计算出每一个射孔层的吸入量和干度以后，就可以计算出每一个射孔层的吸热量Qh。

式中：Qh为射孔层的吸热量，kJ。

3 实例应用

Y－XX井是国外Y油田的一口注蒸汽井，该井的测井目的是要了解每一个射孔层的吸汽量和吸热量，然后根据这2个参数来适时地调整注入剖面，提高该井的产量。通过油田提供的数据和上述的解释模型，可以计算出该井的解释参数，见表1。

表1 套管温度、热损失、蒸汽干度的计算结果

结合涡轮流量计测量的信息，可以计算出相应层位的吸入的蒸汽的百分比，见表2。

由Y－XX井的综合解释成果图（图2）可以看出，由于第7层的渗透率最大，计算的吸汽百分数最大，而第8层渗透率最小，计算的吸汽百分数也最小。通过分析可知，射孔层吸气的多少与渗透率有较大的关系，这与实际情况相符合。测井之前，Y－XX井产油12.5d／t，测井后进行相应的调剖，封堵含油饱和度小较小的7号层位，调整后该井日产油17.05d／t，产量增加了36.4%。