闭式热水循环加热井筒传热过程分析

王志坚 高志卫 孙立柱

摘 要：为了提升稠油井筒加热的经济性，实现对井筒传热节能精细化管理，需要开展稠油井筒传热规律精细描述和运行参数优化研究。因此本文在闭式热水循环传统换热模型的基础上，对加热井筒传热过程进行模拟分析。建立闭式热水循环加热井筒传热过程的物理模型、数学模型，模拟研究了能流参数对产液温度的影响。

关键词：闭式热水循环；能流参数；产液温度

闭式循环加热工艺利用循环水为载体，加以隔热管对热水进行保温，将热量源源不断的输送到井底，使产液温度得以提升，能够很好的在对稠油进行保温和降粘的同时降低注入的循环量，节约能耗的效果十分明显。闭式热流体循环工艺适用于原油粘度大、含蜡多、高凝固点的油井。该技术是通过在井筒中建立循环通道，通过热流体在井筒内的循环，来实现对原油的加热，从而防止原油析蜡凝固[1，2]。由于超稠油的特殊性质，在开采时给井筒加热配套的需求增加很多难度，而优化运行参数是减少井筒加热耗能的有效方法。目前电加热运行参数优化主要依靠观察光杆上下行变化进行摸索。闭式循环加热技术虽然较井筒电加热耗电量大幅下降，但循环深度、井口循环流体温度等运行参数优化还缺少理论依据，依然有优化空间。在井筒加热技术的应用方面，在配套决策、运行参数优化和运行时段优化等方面还有较大的提升空间。因此需要实现井筒传热节能精细化管理，为实现稠油井筒加热举升降低能耗做出一定的指导[3]。

1 物理模型

如图1所示为闭式热水循环结构图，可以看到在闭式热水循环系统中，热源为流入保温管的循环热水，在循环热水向下流动的过程中将热能传递给保温管外上反的循环水，上反液从注入液中吸收热量再通过空心杆传递给油管内的油气水混合产液，油气水混合产液在吸收了上反液传递的热量之后流动性增强，在油管内向地面举升，产液将热量经由油管、油套环空层、套管、水泥环最后传向地层。

2 数学模型

2.1 数学模型

图2所示为计算的典型的闭式热流体循环的产液温度分布。由图可以看出，在非加热段（1181～1662m），由于产液在流经井筒时将热量散耗，产液温度随深度的减小而慢慢减小；当产液流经井筒加热部分时，产液温度明显上升。在加热初始阶段，由于产液从上反的循环水中获得的热量不足以弥补产液向地层耗散的热量，故在加热初始阶段会出现产液温度略微下降的现象。之后，随着井深的减小，产液与上反循环水之间的换热量增加，产液温度慢慢升高[4]。

2.2 传热系数的确定

3 能流参数计算与分析

设计条件为产油量0.87t/d，含水率0.7，油氣比15，产液的粘度14014mPa·s，油层深度1662m，动液面深度1333m，下泵深度1494m，传热深度为1181 m，地表温度15℃。

3.1 注入温度的影响

如图4，由于循环水未将热量传递给井底产液，所以在非加热段产液温度与原始温度相同并未发生改变，在加热段，由于循环水将热量传递给了产液，所以产液在吸收热量之后温度逐渐上升，且循环水的注入温度越高产液温度也将越高[6]。

3.2 循环量的影响

图5循环水的循环量对产液温度沿井深分布的影响曲线。由图可以看出：在非加热段产液温度与原始温度相同并未发生改变。在加热段，由于循环量增大使得循环水的温度也相应升高，进而使得循环水将更多的热量传递给产液，因此，加大循环水的流量可以使产液温度相应升高[7，8]。

3.3 产出液量的影响

由图6可以看出，产出液量的变化对井筒温度分布的影响分为两个部分，加热段以下产出液温度随着产出液量的增大而增大。加热段部分，随着产液量增大，每增大1℃所消耗的热流增大，而热流体携带的热量是一定的，所以产出液温度随产液量增大而减小。特别的，当产出液量非常小时，由于产出液流动太慢，使得各段传热系数减小，减弱传热效果。尽管加热开始阶段产液温度高，但由于传热系数小，产出液温度降低[9]。

4 结论

本文通过建立闭式热水循环加热井筒传热过程的物理模型、数学模型以及计算几种能流参数（循环水注入温度、循环水循环量、产出液量）对产液温度的影响，来分析几种参数对油井温度分布的影响。得到以下结论：

1）随注入温度的升高，非加热段时三种循环水温对产液温度的影响不明显，但在加热段，因为产液吸收温度后温度上升，所以循环水注入温度越高相应产液温度也将越高；

2）与循环水注入温度的影响相同，在非加热段产液温度与原始温度相同并未发生改变。而加热段，随循环水量的增加，循环水温也升高，因此增加循环水量会提高产液温度；

3）在加热段，产液量温度与产出量成正相关，随产液量的增加，产出液反而减小，并且，当产出液量极小时，产出液流速较小，导致传热效果较差，产出液温度降低。

参考文献

[1]梁金国，徐明海.稠油井闭式热流体循环井筒温度场计算与抽油杆柱设计.石油大学学报（自然科学版），1993，17（3）：46-51.

[2]刘广友.热流体闭式循环井筒的加热降黏.油气田地面工程，2014（6）：106-106.

[3]董睿，司江涛，郭涛，等.密闭热水循环降粘工艺的改进与应用.石油矿场机械，2011，40（5）：81-82.

[4]梁金国，张炘.空心抽油杆闭式热载体循环井温计算与采油工艺研究.2006.

[5]刘立明，李勇泳.用连续管循环导热介质的井筒加热法.石油钻采工艺，2000，22（1）：56-58.

[6]栾智勇，尚跃强，刘明，等.稠油热采闭式热流体循环井筒温度场分.石油机械，2012（6）：79-82.

[7]张洪宝.稠油热采闭式热流体循环井筒温度场分析.工业，2016（11）：00061-00061.

[8]向刚.稠油井杆中管掺热流体闭式循环举升工艺设计.中国石油大学（华东），2011.

[9]宋辉.高凝稠油油井瞬态温度场研究.石油钻采工艺，2004，26（s1）：1-4.

作者简介

王志坚（1968-），高级工程师，新春公司采油工程首席专家，主要从事采油工艺技术及采油工程管理工作。