林　濤，張　偉，鄒　劍，孫永濤，宋宏志，劉海濤

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)研究院，天津塘沽 300450；2.中海石油(中國(guó))天津分公司渤海石油研究院)

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隔熱涂層與真空技術(shù)在稠油熱采中的應(yīng)用探討

林濤1，張偉2，鄒劍2，孫永濤1，宋宏志1，劉海濤1

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)研究院，天津塘沽 300450；2.中海石油(中國(guó))天津分公司渤海石油研究院)

在稠油井注熱流體吞吐開(kāi)采過(guò)程中，井筒隔熱工藝一般以減小熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流為主，而對(duì)熱輻射的控制考慮較少。為此提出了一種隔熱涂層與真空技術(shù)相結(jié)合的隔熱技術(shù)，該技術(shù)可將油套環(huán)空內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)降到最低，通過(guò)降低油管外壁發(fā)射系數(shù)達(dá)到降低熱輻射的作用。通過(guò)WELLFLOW軟件計(jì)算結(jié)果表明，該隔熱技術(shù)可使井筒熱損失相比傳統(tǒng)井筒隔熱工藝減小67%～80%，并且流程簡(jiǎn)單、設(shè)備便捷，在海上油田熱采中具有很大的推廣潛力。

海上油田；井筒隔熱；隔熱涂層；真空技術(shù)

1　問(wèn)題的提出

稠油黏度大、流動(dòng)性差，常規(guī)冷采技術(shù)不能滿足油田高效開(kāi)發(fā)的需求，因此，注熱流體(熱水、蒸汽或者蒸汽與非凝析氣的混合物)已成為國(guó)內(nèi)外開(kāi)采稠油主要技術(shù)之一。近年來(lái)，稠油熱采技術(shù)在海上油田得到應(yīng)用，目前主要以多元熱流體吞吐熱采為主。多元熱流體熱采技術(shù)是一種新型熱采技術(shù)，符合當(dāng)前熱采技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，其是通過(guò)燃燒產(chǎn)生高溫高壓水蒸汽、CO2及N2氣等混合氣體驅(qū)油[1-3]，具有氣體混相驅(qū)(氮?dú)怛?qū)、二氧化碳驅(qū))和熱力采油(蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū))的特點(diǎn)[4-6]，適合在海上稠油油田的開(kāi)發(fā)。

在稠油井注熱流體吞吐開(kāi)采過(guò)程中，井筒隔熱工藝是其中關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。如果井筒隔熱效果不理想，隨著吞吐輪次的增加，套管多次經(jīng)受高溫、高壓熱應(yīng)力作用而損壞變形，將嚴(yán)重影響油井的正常生產(chǎn)；同時(shí)，隨著套管溫度升高，熱量向地層散失加快，熱能利用率降低，影響熱采增油效果。在注熱過(guò)程中如何保證套管安全和盡可能減少井筒熱損失是注熱開(kāi)采稠油的重要環(huán)節(jié)之一。海上油田的作業(yè)環(huán)境與陸地油田不同，渤海稠油油田油井一般較深，井筒外部的環(huán)境包括空氣-海水-地層三段，而且海上油田對(duì)油井套管安全等級(jí)有更高的要求，同時(shí)在工藝管柱設(shè)計(jì)上要求井下工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用[7]。目前海上油田熱采主要采取隔熱油管加上環(huán)空連續(xù)注氮隔熱工藝。本文提出了一種解決井筒隔熱的新工藝，不僅可以有效減小熱量在井筒的熱損失，而且地面工藝簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)。

2　技術(shù)分析

在油套環(huán)空中存在三種傳熱方式，即熱傳導(dǎo)、熱輻射及熱對(duì)流，這三種方式在不同情況下所占的比重是不同的。根據(jù)能量守恒定律，以Ramey關(guān)于非穩(wěn)態(tài)熱傳遞的計(jì)算方法為基礎(chǔ)[8,9]，建立井筒傳熱數(shù)學(xué)模型。

井筒及地層的徑向的熱傳導(dǎo)方程[6]可表示為下式：

(1)

式中:θ為溫度，℃；t為時(shí)間，s；r為距離井筒中心的徑向距離，m；λ為等效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；M為地層的熱容，J/(m3·℃)；Qi為內(nèi)熱源/匯的熱流體密度，W/m3。

從能量方程上分析，沿井筒徑向傳熱是一個(gè)變M和λ的導(dǎo)熱問(wèn)題；從流體熱量傳導(dǎo)上需考慮多元熱流體的密度。

結(jié)合傳熱的理論公式，油套環(huán)空內(nèi)介質(zhì)的傳熱屬于典型的有限空間內(nèi)的傳熱，包括自然對(duì)流換熱和環(huán)空內(nèi)外壁之間的輻射換熱，環(huán)空輻射換熱系數(shù)hr的計(jì)算公式為：

(2)

式中：εto、εci——油管外壁、套管內(nèi)壁的發(fā)射系數(shù)；rto、rci——油管外徑、套管內(nèi)徑，m；Tto、Tci——油管外壁溫度、套管內(nèi)壁溫度，℃。

因此總體上講，隔熱工藝受到等效導(dǎo)熱系數(shù)λ，地層的熱容M，內(nèi)熱源/匯的熱流體密度Qi，油管外壁、套管內(nèi)壁的發(fā)射系數(shù)εto、εci的影響。為保證注熱的效果，熱流體密度需要按照工藝設(shè)計(jì)要求實(shí)施，一般不進(jìn)行調(diào)整。剩余的參數(shù)中最常采用的方法是減小等效導(dǎo)熱系數(shù)，目前常用的隔熱方法有三種：一是采用高熱阻的真空隔熱管，減少熱量從油管內(nèi)壁向油管外壁的傳遞速度，；二是在油管和套管的環(huán)空中充入惰性氣體，降低油管和套管間環(huán)空的導(dǎo)熱系數(shù)，減少熱量從油管外壁向套管的傳遞速度；三是采用隔熱油管，同時(shí)配合環(huán)空連續(xù)注入氮?dú)獾姆绞絒10]。

當(dāng)環(huán)空中是液體時(shí)，除傳導(dǎo)熱外，對(duì)流傳熱是主要的傳熱方式，這是由于油套壁間溫度差引起的液體密度差產(chǎn)生的自然對(duì)流很劇烈所致。當(dāng)環(huán)空中是氣體時(shí)，輻射熱占很大比重，甚至是主導(dǎo)的，取決于油管外壁及套管內(nèi)壁的表面狀況及散熱與吸熱特征。當(dāng)環(huán)空變?yōu)檎婵諘r(shí)，真空條件下無(wú)法進(jìn)行熱傳導(dǎo)，同時(shí)由于真空中幾乎沒(méi)有流體，也就不存在對(duì)流傳熱，熱輻射是主要的傳熱方式。由此可見(jiàn)，當(dāng)環(huán)空為真空時(shí)，其等效導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)降到最低，同時(shí)降低油管外壁發(fā)射系數(shù)，可使整個(gè)隔熱效果達(dá)到最佳。本文方法正是采用該原理，將隔熱涂層與真空技術(shù)應(yīng)用到海上稠油熱采中。

3　工藝設(shè)計(jì)

該工藝的主要設(shè)計(jì)方法為：對(duì)隔熱油管的外壁進(jìn)行隔熱涂層處理，在油套環(huán)空的指定位置下入耐高溫高壓封隔器，使用真空泵通過(guò)采油樹(shù)的套管翼閥對(duì)油套環(huán)空進(jìn)行抽真空，達(dá)到要求后可開(kāi)始注熱作業(yè)。在套管翼閥上安裝有真空表，可在注熱期間監(jiān)測(cè)油套環(huán)空的真空度，可根據(jù)需要再進(jìn)行補(bǔ)抽真空。該工藝主要技術(shù)特點(diǎn)是：

(1)在隔熱油管的外壁增加隔熱涂層，可顯著降低隔熱油管向外輻射熱量，同時(shí)涂層的低導(dǎo)熱性也減小熱傳導(dǎo)；

(2)在油套環(huán)空指定位置下入耐高溫高壓封隔器后形成一個(gè)封閉的油套環(huán)空，通過(guò)真空泵對(duì)油套環(huán)空進(jìn)行抽真空，降低熱對(duì)流系數(shù)；

(3)可對(duì)油套環(huán)空的真空度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可根據(jù)需要適時(shí)抽真空；

(4)地面工藝比較簡(jiǎn)單，僅需要一臺(tái)真空泵；

(5)適用于海上稠油熱采高強(qiáng)度注熱的特點(diǎn)，有效降低套損發(fā)生的概率，延長(zhǎng)套管使用壽命。

該環(huán)空隔熱工藝的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工藝流程為：根據(jù)井深結(jié)構(gòu)、注熱參數(shù)(注入速度、注入溫度及注入量)優(yōu)選隔熱油管及隔熱涂層； 下入耐高溫高壓封隔器； 下入注熱管柱，安裝高溫高壓注熱井口裝置；連接注熱管線和抽真空管線。注熱管線加裝保溫層，減少熱損失，防止人員燙傷，抽真空管線采用高壓硬管線； 試壓，確保兩條管線及井口裝置不發(fā)生刺漏；打開(kāi)采油樹(shù)套管翼閥，開(kāi)啟真空泵進(jìn)行抽真空，待壓力不大于0.01 Pa時(shí)，可開(kāi)始注熱；熱流體注入期間，監(jiān)測(cè)套管翼閥處的真空表。

圖1　隔熱涂層與真空技術(shù)結(jié)合的隔熱工藝結(jié)構(gòu)

4　效果對(duì)比

以渤海A油田的熱采井M井為例，對(duì)隔熱油管加環(huán)空充氮的方式、環(huán)空連續(xù)注氮?dú)飧魺岬姆绞胶筒捎酶魺嵬繉蛹迎h(huán)空抽真空的方式進(jìn)行對(duì)比，在相同的注入工藝下，采用WELLFLOW軟件計(jì)算這三種隔熱工藝的總熱損失，見(jiàn)表1。可以看出，采用隔熱涂層加環(huán)空抽真空的方式的熱損失更少，相比傳統(tǒng)的隔熱工藝熱損失可以減少67%～80%，起到更好的隔熱效果。

表1　不同隔熱方式下井筒熱損失對(duì)比

5　結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)稠油井環(huán)空傳熱的三種方式進(jìn)行分析，提出采用隔熱涂層與真空技術(shù)相結(jié)合的方式，該方式可使井筒的熱損失降到最低，起到更好的隔熱效果。

(2)隔熱涂層與真空技術(shù)相結(jié)合的隔熱技術(shù)，具有工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備便捷、隔熱效果好的優(yōu)點(diǎn)，在海上稠油熱采中具有較好的應(yīng)用前景。

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編輯：李金華

1673-8217(2016)05-0127-03

2016-04-12

林濤，工程師，1983年2月生， 2008年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院油氣田開(kāi)發(fā)工程專業(yè)，現(xiàn)從事海上油田稠油開(kāi)采技術(shù)方面的研究。

中海石油(中國(guó))有限公司生產(chǎn)科研項(xiàng)目“老井多元熱流體增產(chǎn)技術(shù)研究”(CCL2015TJRWYST0002L)的部分研究成果。

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