王發(fā)清，曹建洪，曹獻(xiàn)平，楊淑珍，蘭美麗

(中國石油塔里木油田分公司,新疆庫爾勒841000)

新疆地?zé)崴c(diǎn)主要分布在阿爾泰山、天山、昆侖山以及與盆地相銜接的山前地帶。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前新疆有50多處地?zé)崧额^，其中出露溫度以西昆侖山區(qū)最高，尤其是塔什庫爾干斷裂帶上，地?zé)峋罡邷囟?46℃[1]。地?zé)峋矞囟葓鲅芯繉?duì)于地?zé)豳Y源的勘探開發(fā)具有重要意義[2-4]。將油田高含水井改為地?zé)崽嵋壕?，利用采出的地?zé)崴疅崮?，?shí)現(xiàn)油氣集輸站油氣集輸伴熱系統(tǒng)的維溫，達(dá)到熱、油聯(lián)產(chǎn)和地?zé)豳Y源的有效開發(fā)利用[5]。本文建立了井筒總傳熱系數(shù)模型，還對(duì)井筒溫度場進(jìn)行模擬，并用塔中一口井的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。最后，本文分析了影響該地?zé)峋a(chǎn)液溫度的因素。

1 井筒總傳熱系數(shù)模型

圖1為塔中這口孔隙性砂巖地?zé)峋趨^(qū)塊的典型井身結(jié)構(gòu)。參照這個(gè)典型的油氣井井身結(jié)構(gòu)，來確定井筒總傳熱系數(shù)模型。由于井筒具有徑向?qū)ΨQ的特點(diǎn)，故可將總熱傳系數(shù)的計(jì)算轉(zhuǎn)化為僅涉及徑向的二維坐標(biāo)模型（見圖2）。

由圖2可以看出，油氣井的總傳熱系數(shù)由以下幾部分串聯(lián)而成：①油氣流至管內(nèi)壁的放熱熱阻（又稱管內(nèi)膜傳熱系數(shù)，即IFC）；②油管壁的熱傳導(dǎo)熱阻；③油管與套管之間環(huán)形空間的傳熱熱阻；④套管壁的熱傳導(dǎo)熱阻；⑤水泥環(huán)的熱傳導(dǎo)熱阻；⑥水泥環(huán)至遠(yuǎn)端地層的傳熱熱阻。

計(jì)算總傳熱系數(shù)Uti的公式為：

圖1 塔中區(qū)塊典型油氣井井身結(jié)構(gòu)圖

式中：Dto——油管外徑，mm；

Rfilm——管內(nèi)膜熱阻；

Rtube——油管熱阻；

Rann——環(huán)空熱阻；

Rcase——套管熱阻；

Rcem——水泥環(huán)熱阻；

Rsurr——地層熱阻；

hi——管內(nèi)膜傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

Dti——油管內(nèi)徑，mm；

Kp——油、套管熱傳導(dǎo)率，W/(m·K)；

Kconv——環(huán)空熱對(duì)流系數(shù)，無量綱；

Kann——環(huán)空內(nèi)充填流體的熱傳導(dǎo)率，W/(m·K)；

BH_Multi——井眼系數(shù)，無量綱。

對(duì)于總傳熱系數(shù)的詳細(xì)推導(dǎo)過程，以及整個(gè)傳熱系統(tǒng)的能量方程、井筒流體熱損失的推導(dǎo)，可以參見傳熱學(xué)方面的書籍[6]和井筒兩相流傳熱計(jì)算方面的文獻(xiàn)[7]。

圖2 總傳熱系數(shù)的徑向模型

2 井筒溫度計(jì)算模型

假設(shè)：①井筒內(nèi)的傳熱為穩(wěn)態(tài)傳熱，周圍地層中的傳熱為非穩(wěn)態(tài)傳熱，并且滿足Ramey無因次時(shí)間函數(shù)；②井筒及地層間的傳熱是徑向的，不考慮沿井身方向的傳熱；③井筒中任一截面上各點(diǎn)的溫度都相等；④油管套管和水泥環(huán)為同心圓；⑤忽略井筒內(nèi)流體流動(dòng)過程中的摩擦生熱；⑥井筒周圍地層溫度是分段線性的。

根據(jù)熱量守恒定律，考慮第二接觸面（水泥環(huán)和地層的交界面）向周圍地層傳遞的熱量服從Ramey無因次時(shí)間函數(shù)，且井筒向第二接觸面?zhèn)鬟f的熱量與第二接觸面向周圍地層傳遞的熱相等，可推導(dǎo)得到地?zé)峋木矞囟扔?jì)算模型[8]：

式中：wt——流體的質(zhì)量流量，kg/m3；

Cp——流體的定壓比熱容，J/（kg·K）；

Tf——井筒內(nèi)流體溫度，℃；

Z——井深，m；

rti——油管內(nèi)半徑，mm；

Ke——地層導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

α——地層熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/h；

T——生產(chǎn)時(shí)間，h；

Ts——地表環(huán)境溫度，℃；

Ta——影響層深度處的環(huán)境溫度，℃；

gT1——h深度范圍內(nèi)的地溫梯度，℃/m；

gT2——h深度范圍外的地溫梯度，℃/m；

C、b、A——方程綜合、特解和通解系數(shù)。

關(guān)于流體熱物理性質(zhì)和流動(dòng)性質(zhì)的計(jì)算，請(qǐng)參考文獻(xiàn)[9-10]。

3 模型擬合

塔中72A井是塔里木盆地塔中83號(hào)巖性圈閉上的一口評(píng)價(jià)井。該井2007年9月22日完鉆，完鉆層位奧陶系鷹山組，完鉆井深5580m。試油層位為奧陶系鷹山組5529～5550m，試油結(jié)論：暫不定性（含油）。2007年11月18日下5″機(jī)橋注水泥塞封井。2007年11月21日拆采油四通，井口裝盲板完井。2017年11月1日19∶25，塔中巡井人員發(fā)現(xiàn)塔中72A井井口刺漏，刺漏物為高溫?zé)崴?，現(xiàn)場測(cè)量溫度為85℃。將這口井的數(shù)據(jù)，輸入到本文建立的井筒總傳熱系數(shù)模型和井筒溫度計(jì)算模型，計(jì)算得到的結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，該模型基本能滿足工程要求。

4 井口產(chǎn)液溫度影響因素分析

圖3 地?zé)峋Ｐ蛿M合圖

從生產(chǎn)管柱和開采時(shí)間2個(gè)方面，分析了對(duì)這口砂巖孔隙性地?zé)峋漠a(chǎn)液溫度的影響。該井完井時(shí)未下入生產(chǎn)油管，因此熱水只能從7″套管流出；假設(shè)完井時(shí)下入了2-7/8″或者3-1/2″油管。下面我們來看一看，這3種不同的生產(chǎn)管柱所獲得的井口熱水溫度。

關(guān)于開井時(shí)間的影響，由圖4、圖5可知：大約7d以后，產(chǎn)液量和井口溫度可認(rèn)為達(dá)到了穩(wěn)定，盡管井口溫度還會(huì)繼續(xù)升高，但增加幅度變緩。

由圖4可以看出，在自噴定井口油壓的情況下，大尺寸管柱生產(chǎn)較小尺寸所獲得的井口溫度高(7″＞3-1/2″＞2-7/8″)。而由圖5可知，這種較高井口溫度是由于較高日產(chǎn)液量帶來的。通過分析這些不同的生產(chǎn)方式所對(duì)應(yīng)的井筒總傳熱系數(shù)，并將其折算至同一管子外徑下(88.9mm)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：7″套管生產(chǎn)時(shí)總傳熱系數(shù)較3-1/2″油管還大。

圖4 不同生產(chǎn)管柱的井口溫度

圖5 不同生產(chǎn)管柱的日產(chǎn)液量

表1 不同生產(chǎn)管柱對(duì)應(yīng)總傳熱系數(shù)分解表[W/(m2·K)]

5 結(jié)論

本文根據(jù)井筒徑向?qū)ΨQ的特點(diǎn)，建立了適用于典型油氣井的井筒總傳熱系數(shù)模型和井筒傳熱模型；分析了孔隙性砂巖地?zé)峋a(chǎn)液溫度的影響因素，得出了2點(diǎn)結(jié)論：①生產(chǎn)7d后，井筒傳熱將達(dá)到擬穩(wěn)定狀態(tài)；②對(duì)于自噴生產(chǎn)的地?zé)峋?，用大尺寸管柱可獲得較高的日產(chǎn)液量，但井筒熱效率不是最佳的。