太阳城集团

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井筒内热力参数计算方法及装置.pdf

摘要
申请专利号:

太阳城集团CN201510504682.4

申请日:

2015.08.17

公开号:

太阳城集团CN105160161A

公开日:

2015.12.16

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G06F 19/00申请日:20150817|||公开
IPC分类号: G06F19/00(2011.01)I 主分类号: G06F19/00
申请人: 中国石油天然气股份有限公司
发明人: 杨清玲; 何金宝; 吕孝明; 朱静; 徐宇; 金璐; 冯紫微; 邹杨; 霍艳皎; 周轶青; 蒋国庆; 李复
地址: 100007北京市东城区东直门北大街9号
优先权:
专利代理机构: 北京三友知识产权代理有限公司11127 代理人: 党晓林
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法律状态
申请(专利)号:

太阳城集团CN201510504682.4

授权太阳城集团号:

||||||

法律状态太阳城集团日:

太阳城集团2018.08.10|||2016.01.13|||2015.12.16

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公开了一种井筒内热力参数计算方法及装置,所述方法包括:获取计算参数,所述计算参数包括:测点蒸汽的压力、温度,相邻两个测点间的距离;根据所述计算参数,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度。本发明所述的井筒内热力参数计算方法及装置,能够实现准确计算井筒内任意位置的蒸汽热力参数。

权利要求书

权利要求书
1.  一种井筒内热力参数计算方法,其特征在于,其包括:
获取计算参数,所述计算参数包括:测点蒸汽的压力、温度,相邻两个测点间的距离;
根据所述计算参数,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度。

2.  如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述根据所述测点参数,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度包括:
建立蒸汽沿井筒注入过程中压力、温度的计算方程:
(p-pi)/(pi+1-pi)=(z-zi)/(zi+1-zi)
(T-Ti)/(Ti+1-Ti)=(z-zi)/(zi+1-zi)
上式中,p为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置压力,pi为井筒内蒸汽在第i个测点处压力,pi+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处压力,单位均为兆帕;T为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置温度,Ti为井筒内蒸汽在第i个测点处温度,Ti+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处温度,单位均为摄氏度;z为第i个与第i+1个测点间井筒任意深度,zi为第i个测点深度,zi+1为第i+1个测点深度,单位均为米;i=0,1,…,N;N为实测数据个数,已知量;
根据如下公式确定井筒内相邻测点间任意位置蒸汽压力:
p=pi+(pi+1-pi)(z-zi)/(zi+1-zi)
上式中,p为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置压力,pi为井筒内蒸汽在第i个测点处压力,pi+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处压力,单位均为兆帕;z为第i个与第i+1个测点间井筒任意深度,zi为第i个测点深度,zi+1为第i+1个测点深度,单位均为米;i=0,1,…,N;N为实测数据个数,已知量;
根据如下公式确定井筒内相邻测点间任意位置蒸汽温度:
T=Ti+(Ti+1-Ti)(z-zi)/(zi+1-zi)
上式中,T为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置温度,Ti为井筒内蒸汽在第i个测点处温度,Ti+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处温度,单位均为摄氏度;z为第i个与第i+1个测点间井筒任意深度,zi为第i个测点深度,zi+1为第i+1个测点深度,单位均为米;i=0,1,…,N;N为实测数据个数,已知量。

3.  一种井筒内热力参数计算方法,其特征在于,其包括:
获取计算参数,所述计算参数包括:井口的蒸汽干度,测点蒸汽的压力、温度,相邻两个测点间的距离、井筒结构参数、环境参数;
根据所述测点蒸汽的压力、温度,相邻两个测点间的距离,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度;
根据所述相邻两个测点间的距离在所述井筒长度上划分井筒微元段,建立能量控制方程,以所述井口的蒸汽干度作为初始条件,通过相互耦合的热损失、温度、干度迭代计算,确定井筒任意位置处蒸汽的干度、热损失。

4.  如权利要求3所述的方法,其特征在于:所述确定井筒任意位置处蒸汽的干度、热损失包括以下步骤:
设定所述井筒微元段蒸汽的干度降、井筒微元段总传热系数;
通过所述井筒微元段总传热系数计算所述井筒微元段总热阻,通过所述井筒微元段总热阻计算井筒微元段蒸汽热损失;
反复迭代,当所述井筒微元段总传热系数计算值与设定值满足第一预定精度时,确定所述井筒微元段总传热系数,以获得所述井筒微元段蒸汽热损失;
根据能量平衡定律计算蒸汽干度,反复迭代,当所述井筒微元段蒸汽干度降计算值与设定值之间满足第二预定精度时,确定所述井筒微元段蒸汽的干度降;
循环计算至整个井筒,确定井筒任意位置处蒸汽的干度、热损失。

5.  如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述根据能量平衡定律计算干度包括:
建立如下能量控制方程:
G[(hg-hl)dxdz+dhldTdTdz+(dhgdT-dhldT)dTdzx+G2A21ρmddz(1ρm)+gsinθ]+q=0]]>
将井口蒸汽干度x0作为初始条件,求解上述方程,得到井筒任意位置蒸汽干度计算表达式:
x=e-C2C1z[-C3C2eC2C1z+x0+C3C2]]]>
其中,
C1=G(hg-hl)
C2=G[(dhgdT-dhldT)dTdz]]]>
C3=q+G[dhldTdTdz+G2A21ρmddz(1ρm)+gsinθ]]]>
上式中,hg为饱和蒸汽的焓,hl为饱和水的焓,单位均为千卡/千克;x为蒸汽干度;G为饱和蒸汽质量流量,单位千克/小时;q为单位太阳城集团内,单位长度井筒热损失,单位千卡/(小时·米);ρm为饱和湿蒸汽密度,单位千克/立方米;A为井筒横截面积,单位平方米;θ为井筒倾角,单位度;
所述饱和水的焓hl与蒸汽温度T的关系式如下:

所述饱和蒸汽的焓hg与蒸汽温度T的关系式如下:
hg=12500+1.88T-3.7×10-6T3.2
所述ρm饱和湿蒸汽的平均密度计算公式如下:
ρm=Hgρg+(1-Hg)ρl
上式中ρl为饱和水的密度,其与蒸汽温度T的关系式如下:
ρl=0.9967-4.615×10-5T-3.063×10-6T2
上式中ρg为饱和蒸汽的密度,其计算公式如下:
ρg=2.196pZg(T+273.15)]]>
上式中,T为蒸汽温度,单位摄氏度;p为蒸汽压力,单位兆帕;
Zg为饱和蒸汽的压缩因子,其与蒸汽温度T的关系式如下:
Zg=1.012-4.461×10-4T+2.98×10-6T2-1.663×10-8T3
Hg为饱和蒸汽的体积含汽率,其计算公式如下:
Hg=xx+(1-x)ρgρl]]>
上式中,x为蒸汽干度,无因次量;ρg为饱和蒸汽的密度,单位千克/立方米;ρl为饱和水的密度,单位千克/立方米。

6.  如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述井筒微元段中的热损失包括:油管中心至水泥环外缘传递的热损失、水泥环外缘至地层传递的热损失,
所述确定井筒微元段热损失根据油管中心至水泥环外缘传递的热量等于水泥环外缘至地层传递的热量,建立热量传递连续性方程:dQ1=dQ2。

7.  如权利要求6所述的方法,其特征在于:
所述油管中心至水泥环外缘热损失计算公式为:
dQ1=Ts-ThRdz]]>
其中:
R=12πr2[r2hfr1+r2hpr1+r2λtublnr2r1+r2λinslnr3r2+r2λtublnr4r3+r2hfcr4+r2λcaslnrcorci+r2λcemlnrhrco]]]>
上式中,dQ1为单位太阳城集团内dz长度井筒上的热量变化,单位千卡/(小时);Ts为蒸汽温度,单位摄氏度;Th为水泥环外缘处温度,单位摄氏度;R为dz长度井筒上的热阻,单位[千卡/(米·小时·摄氏度)]-1;dz为井筒长度,单位米;hf为液膜层对流换热系数,hp为污垢层对流换热系数,hfc为环形空间内传热系数,单位均为千卡/(平方米·小时·摄氏度);λtub为隔热油管导热系数,λins为绝热层材料导热系数,λcas为套管导热系数,λcem为水泥环导热系数,单位均为千卡/(米·小时·摄氏度);r1为隔热油管内管内半径,r2为隔热油管内管外半径,r3为隔热油管外管内半径,r4为隔热油管外管外半径,rco为套管外半径,rci为套管内半径,rh为水泥环外半径,单位均为米;
所述环形空间内传热系数包括自然对流换热系数和辐射换热系数,计算公式如下:
hfc=hr+hc
所述环形空间内辐射换热系数的计算公式如下:
hr=σ[1ϵ4+r4rci(1ϵci-1)][(T4+273.15)2+(Tci+273.15)2]×[(T4+273.15)+(Tci+273.15)]]]>
上式中,σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数,其值为σ=4.8755.67×10-8千卡/(平方米·小时·开尔文4);ε4为隔热油管外管外壁黑度,已知量;εci套管内壁黑度,已知量;T4为隔热油管外管外壁温度,单位摄氏度;Tci为套管内壁温度,单位摄氏度;
所述环形空间内自然对流传导系数的计算公式如下:
hc=0.049(GrPr)0.333Pr0.074λhar4lnrcir4]]>
其中:
Gr=1012(rci-r4)3an2βan(T4-Tci)μan2]]>
Pr=3.6Canμanλha]]>
上式中,g为重力加速度,单位米/平方秒;ρan为环形空间流体在平均温度下的密度,单位克/立方厘米;βan为环形空间流体的体积热膨胀系数,βan=1/Tan*,Tan*=Tan+273,1/K;Tan为环形空间流体平均温度,Tan=(T4+Tci)/2,单位摄氏度;μan为环形空间流体在平均温度下粘度,单位厘泊;Can为环形空间流体在平均温度下的热容量,单位千卡/(千克·摄氏度);λha为环形空间中流体在平均温度下的导热系数,单位千卡/(平方米·小时·摄氏度);
所述水泥环外缘至地层热损失计算公式如下:
dQ2=2πλe(Th-Te)f(t)dz]]>
上式中,Te为初始地层温度,Te=Tm+a·z,Tm为地表温度,Th为水泥环与地层交界面的温度,单位均为摄氏度;a为地温梯度,摄氏度/米;z为井深,米;λe为地层导热系数,千卡/(平方米·小时·摄氏度);f(t)为无因次地层导热太阳城集团函数;
所述无因次地层导热太阳城集团函数根据注汽太阳城集团不同进行选取:
当注汽太阳城集团不小于7天时,f(t)采用Ramey经验公式,如下:
f(t)=ln(2αtrh)-0.29]]>
上式中,α为热扩散系数,平方米/小时;t为注汽太阳城集团,小时;rh为井轴到水泥环外缘的距离,米;
当注汽太阳城集团小于7天时,f(t)采用刘文章经验公式,如下:
当K’=0.1时,
f(t,K)=ln2t+1ln32t-4t2-0.285]]>
当K’≠0.1时,
f(t,K)=f(t,0.1)&CenterDot;(1-0.1K)0.01<K<0.1f(t,0.1)&CenterDot;(1+0.043K)0.1<K<0.5]]>
上式中,t’=αt/rh2,量纲为一的太阳城集团;K’=r1U/λe,量纲为一的导热系数;
将所述油管中心至水泥环外缘传递的热损失、水泥环外缘至地层传递的热损失代入所述热量传递连续性方程以获得各个未知量,包括:
水泥环外缘温度,其计算公式为:
Th=λeTe+Tsr2Uf(t)r2Uf(t)+λet&GreaterEqual;7d]]>
Th=λeTe+Tsr2Uf(t,K)r2Uf(t,K)+λet<7d]]>
上式中,λe为地层导热系数,单位千卡/(米·小时·摄氏度);Te为初始地层温度,单位摄氏度;Ts为所述蒸汽温度,单位摄氏度;r2为所述隔热油管内管外半径,单位米;f(t)为所述无因次地层导热太阳城集团函数;U为油管中心至水泥环外缘总传热系数,单位千卡/(平方米·小时·摄氏度),其计算公式如下:
U=&lsqb;r2hfr1+r2hpr1+r2λtublnr2r1+r2λinslnr3r2+r2λtublnr4r3+r2r4(hc+hr)+r2λcaslnrcorci+r2λcemlnrhrco&rsqb;-1]]>
上式中,hf为液膜层对流换热系数,hp为污垢层对流换热系数,hc环形空间内自然对流换热系数,hr环形空间内辐射换热系数,单位均为千卡/(平方米·小时·摄氏度);λtub为隔热油管导热系数,λins为绝热层材料导热系数,λcas为套管导热系数,λcem为水泥环导热系数,单位均为千卡/(米·小时·摄氏度);r1为隔热油管内管内半径,r2为隔热油管内管外半径,r3为隔热油管外管内半径,r4为隔热油管外管外半径,rco为套管外半径,rci为套管内半径,rh为水泥环外半径,单位均为米;
所述套管内表面温度Tci计算公式为:
Tci=Th+r2U(Ts-Th)(1λcaslnrcorci+1λcemlnrhrco)]]>
上式中,Tci为套管内壁温度,Th为水泥环外缘温度,Ts为井筒内蒸汽温度,单位均为摄氏度;r2为隔热油管内管外半径,rco为套管外半径,rci为套管内半径,rh为水泥环外半径,单位均为米;λcas为套管导热系数,λcem为水泥环导热系数,单位均为千卡/(米·小时·摄氏度);U为油管中心至水泥环外缘总传热系数,单位千卡/(平方米·小时·摄氏度);
所述隔热油管外管外壁温度T4计算公式为:
T4=Ts-r2U(Ts-Th)(1hfr1+1hpr1+1λtublnr2r1+1λinslnr3r2+1λtublnr4r3)]]>
上式中,T4为隔热管外管外壁温度,Th为水泥环外缘温度,Ts为井筒内蒸汽温度,单位均为摄氏度;hf为液膜层对流换热系数,hp为污垢层对流换热系数,单位均为千卡/(平方米·小时·摄氏度);λtub为隔热油管导热系数,λins为绝热层材料导热系数,单位均为千卡/(米·小时·摄氏度);r1为隔热油管内管内半径,r2为隔热油管内管外半径,r3为隔热油管外管内半径,r4为隔热油管外管外半径,单位均为米;U为油管中心至水泥环外缘总传热系数,单位千卡/(平方米·小时·摄氏度);
将所述获得的未知量分别代入所述油管中心至水泥环外缘热损失计算公式、所述水泥环外缘至地层热损失计算公式,以确定井筒内蒸汽注入过程中热损失。

8.  如权利要求3所述的方法,其特征在于:所述根据测点蒸汽的压力、温度,相邻两个测点间的距离,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度包括:
建立蒸汽沿井筒注入过程中压力、温度的计算方程:
(p-pi)/(pi+1-pi)=(z-zi)/(zi+1-zi)
(T-Ti)/(Ti+1-Ti)=(z-zi)/(zi+1-zi)
上式中,p为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置压力,pi为井筒内蒸汽在第i个测点处压力,pi+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处压力,单位均为兆帕;T为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置温度,Ti为井筒内蒸汽在第i个测点处温度,Ti+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处温度,单位均为摄氏度;z为第i个与第i+1个测点间井筒任意深度,zi为第i个测点深度,zi+1为第i+1个测点深度,单位均为米;i=0,1,…,N;N为实测数据个数,已知量;
根据如下公式确定井筒内相邻测点间任意位置蒸汽压力:
p=pi+(pi+1-pi)(z-zi)/(zi+1-zi)
上式中,p为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置压力,pi为井筒内蒸汽在第i个测点处压力,pi+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处压力,单位均为兆帕;z为第i个与第i+1个测点间井筒任意深度,zi为第i个测点深度,zi+1为第i+1个测点深度,单位均为米;i=0,1,…,N;N为实测数据个数,已知量;
根据如下公式确定井筒内相邻测点间任意位置蒸汽温度:
T=Ti+(Ti+1-Ti)(z-zi)/(zi+1-zi)
上式中,T为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置温度,Ti为井筒内蒸汽在 第i个测点处温度,Ti+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处温度,单位均为摄氏度;z为第i个与第i+1个测点间井筒任意深度,zi为第i个测点深度,zi+1为第i+1个测点深度,单位均为米;i=0,1,…,N;N为实测数据个数,为已知量。

9.  一种井筒内热力参数计算装置,其特征在于,其包括:
计算参数获取模块,用于获取计算参数,所述计算参数包括:测点蒸汽的压力、温度,相邻两个测点间的距离;
压力温度确定模块,用于根据所述计算参数,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度。

10.  一种井筒内热力参数计算装置,其特征在于,其包括:
计算参数获取模块,用于获取计算参数,所述计算参数包括:井口的蒸汽干度,测点蒸汽的压力、温度,相邻两个测点间的距离、井筒结构参数、环境参数;
压力温度确定模块,用于根据所述测点蒸汽的压力、温度,相邻两个测点间的距离,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度;
干度热损失确定模块,用于根据所述相邻两个测点间的距离在所述井筒长度上划分井筒微元段,建立能量控制方程,以所述井口的蒸汽干度作为初始条件,通过相互耦合的热损失、温度、干度迭代计算,确定井筒任意位置处蒸汽的干度、热损失。

说明书

说明书井筒内热力参数计算方法及装置
技术领域
本发明涉及石油开采领域中的稠油热采领域,特别涉及一种井筒内热力参数计算方法及装置。
背景技术
稠油是指地层条件下粘度大于50mp·s(毫帕·秒),或油层温度下脱气原油粘度为1000至10000mp·s的高粘度重质原油。由于稠油粘度大,因此流动性能较差,甚至在某些油层条件下不能流动,给稠油的开采带来了困难。在油田的石油开采中,由于稠油具有特殊的高粘度和高凝固点的特性,在储层和井筒中流动性差,常规开采采收率低,即无法保证正常的经济产量。为了保证合理的采收率,往往通过降低原油的粘度来采油。
由于稠油的粘度对温度非常敏感,随着温度增加,粘度极大降低,流动阻力减小,因此为了开采稠油,目前常用的开采稠油的方式之一为注蒸汽热采技术,包括蒸汽吞吐、蒸汽驱、SAGD(蒸汽辅助重力泄油技术)。具体的,所述注蒸汽热采技术主要是通过将锅炉产生的高温高压湿饱和蒸汽,经过地面管线传输至井口、再由井口通过井筒传输后注入稠油油层,以达到降低稠油粘度的目的。
蒸汽的压力、温度、干度等热力参数会由于井筒输送过程中的产生的热损失和压力损失而发生变化。
其中热损失的大小直接影响了注入井筒底部的蒸汽的热力状态,从而决定注蒸汽热采效果的好坏。所述干度是指每千克湿蒸汽中含有干蒸汽的质量百分数的大小,对于注蒸汽热采而言,干度越大,越有利于提高注蒸汽热采的效果。在注蒸汽热采时,需要计算井筒内蒸汽的热力参数:压力、温度、干度、热损失,基于计算出的热力参数,对井筒进行改进,以最大限度地减小蒸汽运移过程中的热量损失,提高蒸汽干度,从而提高注蒸汽开采稠油的效果。
在井筒内蒸汽热力参数计算方法中,通常采用的技术是根据动量守恒定律建立井筒中蒸汽压降梯度的控制方程。然后根据饱和蒸汽温度压力一一对应的关系计算蒸汽温度。然而,实际生产中发现,上述压力、以及依托与压力计算得到的温度的计算结果与现场监测资料中的温度和压力有较大偏差。进一步的,现有的技术方法中,其干度、热损失求解公式仅依托于井筒内蒸汽压力,当压力出现较大误差时,相应地,干度、热损失也很容易使结果偏离真 实值。因此,有必要提出能够准确计算井筒内热力参数的方法和装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种井筒内热力参数计算方法及装置,能够实现准确计算井筒内任意位置的蒸汽热力参数。
本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现:
一种井筒内热力参数计算方法,其包括;
获取计算参数,所述计算参数包括:测点蒸汽的压力、温度,相邻两个测点间的距离;
根据所述计算参数,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度。
在优选的实施方式中,所述根据所述测点参数,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度包括:
建立蒸汽沿井筒注入过程中压力、温度的计算方程:
(p-pi)/(pi+1-pi)=(z-zi)/(zi+1-zi)
(T-Ti)/(Ti+1-Ti)=(z-zi)/(zi+1-zi)
上式中,p为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置压力,pi为井筒内蒸汽在第i个测点处压力,pi+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处压力,单位均为兆帕;T为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置温度,Ti为井筒内蒸汽在第i个测点处温度,Ti+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处温度,单位均为摄氏度;z为第i个与第i+1个测点间井筒任意深度,zi为第i个测点深度,zi+1为第i+1个测点深度,单位均为米;i=0,1,…,N;N为实测数据个数,已知量;
根据如下公式确定井筒内相邻测点间任意位置蒸汽压力:
p=pi+(pi+1-pi)(z-zi)/(zi+1-zi)
上式中,p为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置压力,pi为井筒内蒸汽在第i个测点处压力,pi+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处压力,单位均为兆帕;z为第i个与第i+1个测点间井筒任意深度,zi为第i个测点深度,zi+1为第i+1个测点深度,单位均为米;i=0,1,…,N;N为实测数据个数,已知量;
根据如下公式确定井筒内相邻测点间任意位置蒸汽温度:
T=Ti+(Ti+1-Ti)(z-zi)/(zi+1-zi)
上式中,T为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置温度,Ti为井筒内蒸汽在第i 个测点处温度,Ti+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处温度,单位均为摄氏度;z为第i个与第i+1个测点间井筒任意深度,zi为第i个测点深度,zi+1为第i+1个测点深度,单位均为米;i=0,1,…,N;N为实测数据个数,已知量。
一种井筒内热力参数计算方法,其包括:
获取计算参数,所述计算参数包括:井口的蒸汽干度,测点蒸汽的压力、温度,相邻两个测点间的距离、井筒结构参数、环境参数;
根据所述测点蒸汽的压力、温度,相邻两个测点间的距离,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度;
根据所述相邻两个测点间的距离在所述井筒长度上划分井筒微元段,建立能量控制方程,以所述井口的蒸汽干度作为初始条件,通过相互耦合的热损失、温度、干度迭代计算,确定井筒任意位置处蒸汽的干度、热损失。
在优选的实施方式中,所述确定井筒任意位置处蒸汽的干度、热损失包括以下步骤:
设定所述井筒微元段蒸汽的干度降、井筒微元段总传热系数;
通过所述井筒微元段总传热系数计算所述井筒微元段总热阻,通过所述井筒微元段总热阻计算井筒微元段蒸汽热损失;
反复迭代,当所述井筒微元段总传热系数计算值与设定值满足第一预定精度时,确定所述井筒微元段总传热系数,以获得所述井筒微元段蒸汽热损失;
根据能量平衡定律计算蒸汽干度,反复迭代,当所述井筒微元段蒸汽干度降计算值与设定值之间满足第二预定精度时,确定井筒微元段蒸汽的干度降;
循环计算至整个井筒,确定井筒任意位置处蒸汽的干度、热损失。
在优选的实施方式中,所述根据能量平衡定律计算蒸汽干度包括:
建立如下能量控制方程:
G&lsqb;(hg-hl)dxdz+dhldTdTdz+(dhgdT-dhldT)dTdzx+G2A21ρmdaz(1ρm)+gsinθ&rsqb;+q=0]]>
将井口蒸汽干度x0作为初始条件,求解上述方程,得到井筒任意位置蒸汽干度计算表达式:
x=e-C2C1z&lsqb;-C3C2eC2C1z+x0+C3C2&rsqb;]]>
其中
C1=G(hg-hl)
C2=G&lsqb;(dhgdT-dhldT)dTdz&rsqb;]]>
C3=q+G&lsqb;dhldTdTdz+G2A21ρmddz(1ρm)+gsinθ&rsqb;]]>
上式中,hg为饱和蒸汽的焓,hl为饱和水的焓,单位均为千卡/千克;x为蒸汽干度;G为饱和蒸汽质量流量,单位千克/小时;q为单位太阳城集团内,单位长度井筒热损失,单位千卡/(小时·米);ρm为饱和湿蒸汽密度,单位千克/立方米;A为井筒横截面积,单位平方米;θ为井筒倾角,单位度;
所述饱和水的焓hl与蒸汽温度T的关系式如下:

所述饱和蒸汽的焓hg与蒸汽温度T的关系式如下:
hg=12500+1.88T-3.7×10-6T3.2
所述ρm饱和湿蒸汽的平均密度计算公式如下:
ρm=Hgρg+(1-Hg)ρl
上式中ρl为饱和水的密度,其与蒸汽温度T的关系式如下:
ρl=0.9967-4.615×10-5T-3.063×10-6T2
上式中ρg为饱和蒸汽的密度,其计算公式如下:
ρg=2.196pZg(T+273.15)]]>
上式中,T为蒸汽温度,单位摄氏度;p为蒸汽压力,单位兆帕;
Zg为饱和蒸汽的压缩因子,其与蒸汽温度T的关系式如下:
Zg=1.012-4.461×10-4T+2.98×10-6T2-1.663×10-8T3
Hg为饱和蒸汽的体积含汽率,其计算公式如下:
Hg=xx+(1-x)ρgρl]]>
上式中,x为蒸汽干度,无因次量;ρg为饱和蒸汽的密度,单位千克/立方米;ρl为饱和水的密度,单位千克/立方米。
在优选的实施方式中,所述井筒微元段中的热损失包括:油管中心至水泥环外缘传递的热损失、水泥环外缘至地层传递的热损失,
所述确定井筒微元段热损失根据油管中心至水泥环外缘传递的热量等于水泥环外缘至地层传递的热量,建立热量传递连续性方程:dQ1=dQ2。
在优选的实施方式中,所述油管中心至水泥环外缘热损失计算公式为:
dQ1=Ts-ThRdz]]>
其中:
R=12πr2&lsqb;r2hfr1+r2hpr1+r2λtublnr2r1+r2λinslnr3r2+r2λtublnr4r3+r2hfcr4+r2λcaslnrcorci+r2λcemlnrhrco&rsqb;]]>
上式中,dQ1为单位太阳城集团内dz长度井筒上的热量变化,单位千卡/(小时);Ts为蒸汽温度,单位摄氏度;Th为水泥环外缘处温度,单位摄氏度;R为dz长度井筒上的热阻,单位[千卡/(米·小时·摄氏度)]-1;dz为井筒长度,单位米;hf为液膜层对流换热系数,hp为污垢层对流换热系数,hfc为环形空间内传热系数,单位均为千卡/(平方米·小时·摄氏度);λtub为隔热油管导热系数,λins为绝热层材料导热系数,λcas为套管导热系数,λcem为水泥环导热系数,单位均为千卡/(米·小时·摄氏度);r1为隔热油管内管内半径,r2为隔热油管内管外半径,r3为隔热油管外管内半径,r4为隔热油管外管外半径,rco为套管外半径,rci为套管内半径,rh为水泥环外半径,单位均为米;
所述环形空间内传热系数包括自然对流换热系数和辐射换热系数,计算公式如下:
hfc=hr+hc
所述环形空间内辐射换热系数的计算公式如下:
hr=σ&lsqb;1&epsiv;4+r4rci(1&epsiv;ci-1)&rsqb;&lsqb;(T4+273.15)2+(Tci+273.15)2&rsqb;×&lsqb;(T4+273.15)+(Tci+273.15)&rsqb;]]>
上式中,σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数,其值为σ=4.8755.67×10-8千卡/(平方米·小时·开尔文4);ε4为隔热油管外管外壁黑度,已知量;εci套管内壁黑度,已知量;T4为隔热油管外管外壁温度,单位摄氏度;Tci为套管内壁温度,单位摄氏度;
所述环形空间内自然对流传导系数的计算公式如下:
hc=0.049(GrPr)0.333Pr0.074λhar4lnrcir4]]>
其中:
Gr=1012(rci-r4)3an2βan(T4-Tci)μan2]]>
Pr=3.6Canμanλha]]>
上式中,g为重力加速度,单位米/平方秒;ρan为环形空间流体在平均温度下的密度,单位克/立方厘米;βan为环形空间流体的体积热膨胀系数,βan=1/Tan*,Tan*=Tan+273,1/K;Tan为环形空间流体平均温度,Tan=(T4+Tci)/2,单位摄氏度;μan为环形空间流体在平均温度下粘度,单位厘泊;Can为环形空间流体在平均温度下的热容量,单位千卡/(千克·摄氏度);λha为环形空间中流体在平均温度下的导热系数,单位千卡/(平方米·小时·摄氏度);
所述水泥环外缘至地层热损失计算公式如下:
dQ2=2πλe(Th-Te)f(t)dz]]>
上式中,Te为初始地层温度,Te=Tm+a·z,Tm为地表温度,Th为水泥环与地层交界面的温度,单位均为摄氏度;a为地温梯度,摄氏度/米;z为井深,米;λe为地层导热系数,千卡/(平方米·小时·摄氏度);f(t)为无因次地层导热太阳城集团函数;
所述无因次地层导热太阳城集团函数根据注汽太阳城集团不同进行选取:
当注汽太阳城集团不小于7天时,f(t)采用Ramey经验公式,如下:
f(t)=ln(2αtrh)-0.29]]>
上式中,α为热扩散系数,平方米/小时;t为注汽太阳城集团,小时;rh为井轴到水泥环外缘的距离,米;
当注汽太阳城集团小于7天时,f(t)采用刘文章经验公式,如下:
当K’=0.1时,
f(t,K)=ln2t+1ln32t-4t2-0.285]]>
当K’≠0.1时,
f(t,K)=f(t,0.1)&CenterDot;(1-0.1K)0.01<K<0.1f(t,0.1)&CenterDot;(1+0.043K)0.1<K<0.5]]>
上式中,t’=αt/rh2,量纲为一的太阳城集团;K’=r1U/λe,量纲为一的导热系数;
将所述油管中心至水泥环外缘传递的热损失、水泥环外缘至地层传递的热损失代入所述热量传递连续性方程以获得各个未知量,包括:
水泥环外缘温度,其计算公式为:
Th=λeTe+Tsr2Uf(t)r2Uf(t)+λet&GreaterEqual;7d]]>
Th=λeTe+Tsr2Uf(t,K)r2Uf(t,K)+λet<7d]]>
上式中,λe为地层导热系数,单位千卡/(米·小时·摄氏度);Te为初始地层温度,单位摄氏度;Ts为所述蒸汽温度,单位摄氏度;r2为所述隔热油管内管外半径,单位米;f(t)为所述无因次地层导热太阳城集团函数;U为油管中心至水泥环外缘总传热系数,单位千卡/(平方米·小时·摄氏度),其计算公式如下:
U=&lsqb;r2hfr1+r2hpr1+r2λtublnr2r1+r2λinslnr3r2+r2λtublnr4r3+r2r4(hc+hr)+r2λcaslnrcorci+r2λcemlnrhrco&rsqb;-1]]>
上式中,hf为液膜层对流换热系数,hp为污垢层对流换热系数,hc环形空间内自然对流换热系数,hr环形空间内辐射换热系数,单位均为千卡/(平方米·小时·摄氏度);λtub为隔热油管导热系数,λins为绝热层材料导热系数,λcas为套管导热系数,λcem为水泥环导热系数,单位均为千卡/(米·小时·摄氏度);r1为隔热油管内管内半径,r2为隔热油管内管外半径,r3为隔热油管外管内半径,r4为隔热油管外管外半径,rco为套管外半径,rci为套管内半径,rh为水泥环外半径,单位均为米;
所述套管内表面温度Tci计算公式为:
Tci=Th+r2U(Ts-Th)(1λcaslnrcorci+1λcemlnrhrco)]]>
上式中,Tci为套管内壁温度,Th为水泥环外缘温度,Ts为井筒内蒸汽温度,单位均为摄氏度;r2为隔热油管内管外半径,rco为套管外半径,rci为套管内半径,rh为水泥环外半径,单位均为米;λcas为套管导热系数,λcem为水泥环导热系数,单位均为千卡/(米·小时·摄氏度);U为油管中心至水泥环外缘总传热系数,单位千卡/(平方米·小时·摄氏度);
所述隔热油管外管外壁温度T4计算公式为:
T4=Ts+r2U(Ts-Th)(1hfr1+1hpr1+1λtublnr2r1+1λinslnr3r2+1λtublnr4r3)]]>
上式中,T4为隔热管外管外壁温度,Th为水泥环外缘温度,Ts为井筒内蒸汽温度,单位均为摄氏度;hf为液膜层对流换热系数,hp为污垢层对流换热系数,单位均为千卡/(平方米·小时·摄氏度);λtub为隔热油管导热系数,λins为绝热层材料导热系数,单位均为千卡/(米·小 时·摄氏度);r1为隔热油管内管内半径,r2为隔热油管内管外半径,r3为隔热油管外管内半径,r4为隔热油管外管外半径,单位均为米;U为油管中心至水泥环外缘总传热系数,单位千卡/(平方米·小时·摄氏度);
将所述获得的未知量分别代入所述油管中心至水泥环外缘热损失计算公式、所述水泥环外缘至地层热损失计算公式,以确定井筒内蒸汽注入过程中热损失。
在优选的实施方式中,所述根据所述测点蒸汽的压力、温度,相邻两个测点间的距离,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度包括:
建立蒸汽沿井筒注入过程中压力、温度的计算方程:
(p-pi)/(pi+1-pi)=(z-zi)/(zi+1-zi)
(T-Ti)/(Ti+1-Ti)=(z-zi)/(zi+1-zi)
上式中,p为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置压力,pi为井筒内蒸汽在第i个测点处压力,pi+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处压力,单位均为兆帕;T为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置温度,Ti为井筒内蒸汽在第i个测点处温度,Ti+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处温度,单位均为摄氏度;z为第i个与第i+1个测点间井筒任意深度,zi为第i个测点深度,zi+1为第i+1个测点深度,单位均为米;i=0,1,…,N;N为实测数据个数,已知量;
根据如下公式确定井筒内相邻测点间任意位置蒸汽压力:
p=pi+(pi+1-pi)(z-zi)/(zi+1-zi)
上式中,p为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置压力,pi为井筒内蒸汽在第i个测点处压力,pi+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处压力,单位均为兆帕;z为第i个与第i+1个测点间井筒任意深度,zi为第i个测点深度,zi+1为第i+1个测点深度,单位均为米;i=0,1,…,N;N为实测数据个数,已知量;
根据如下公式确定井筒内相邻测点间任意位置蒸汽温度:
T=Ti+(Ti+1-Ti)(z-zi)/(zi+1-zi)
上式中,T为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置温度,Ti为井筒内蒸汽在第i个测点处温度,Ti+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处温度,单位均为摄氏度;z为第i个与第i+1个测点间井筒任意深度,zi为第i个测点深度,zi+1为第i+1个测点深度,单位均为米;i=0,1,…,N;N为实测数据个数,为已知量。
一种井筒内热力参数计算装置,其包括:
计算参数获取模块,用于获取计算参数,所述计算参数包括:测点蒸汽的压力、温度,相邻两个测点间的距离;
压力温度确定模块,用于根据所述计算参数,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度。
一种井筒内热力参数计算装置,其包括:
计算参数获取模块,用于获取计算参数,所述计算参数包括:井口的蒸汽干度,测点蒸汽的压力、温度,相邻两个测点间的距离、井筒结构参数、环境参数;
压力温度确定模块,用于根据所述井口的蒸汽干度,测点蒸汽的压力、温度,相邻两个测点间的距离,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度;
干度热损失确定模块,用于根据所述相邻两个测点间的距离在所述井筒长度上划分井筒微元段,建立能量控制方程,以所述井口的蒸汽干度作为初始条件,通过相互耦合的热损失、温度、干度迭代计算,确定井筒任意位置处蒸汽的干度、热损失。
本发明的特点和优点是:本发明所述井筒内蒸汽热力参数计算方法,通过所述测点参数,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度,相对于现有的方式,根据动量守恒定律建立井筒中蒸汽压降梯度的控制方程,然后求解整个井筒内蒸汽压力而言,能够在井筒某个位置蒸汽压力出现突变,不符合压力梯度方程时,通过相邻两个测点压力参数对测点间的压力进行约束,使得整个井筒内蒸汽压力计算误差得到有效控制。
此外,本发明所述温度也通过获取相邻两个测点蒸汽的温度,将所述井筒内蒸汽温度进行线性化处理,通过建立蒸汽沿井筒注入过程中温度的计算方程的方式确定蒸汽沿着井筒任意点的温度,相对于现有的温度依托于压力计算的方式,其能够有效避免在压力出现误差时,影响温度的计算精度。
进一步的,由于所述热损失、干度的计算是基于温度的函数,本发明所述井筒内蒸汽热力参数计算方法中依托上述获得的准确的温度,根据能量平衡定律,建立能量控制方程,通过循环计算求解井筒内任意位置蒸汽的热损失和干度值。相对于现有的干度、热损失求解公式仅依托于管线内蒸汽压力,当压力出现较大误差时,相应地,干度、热损失也很容易使结果偏离真实值的情况,其计算得到的热损失和干度的精度也较高。
附图说明
图1是本发明实施例中一种井筒内蒸汽热力参数计算方法的步骤图;
图2是本发明实施例中一种井筒内蒸汽热力参数计算方法的步骤图;
图3是本发明实施例中一种井筒内蒸汽干度、热损失计算方法的步骤图;
图4是本发明实施例中一种井筒结构示意图;
图5是本发明实施例中一种井筒内蒸汽压力与井深的曲线图;
图6是本发明实施例中一种井筒内蒸汽温度与井深的曲线图;
图7是本发明实施例中一种井筒内蒸汽干度与井深的曲线图;
图8是本发明实施例中一种井筒内蒸汽热损失与井深的曲线图;
图9是本发明实施例中一种井筒内蒸汽热力参数计算装置的示意图;
图10是本发明实施例中一种井筒内蒸汽热力参数计算装置的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例,对本发明的技术方案作详细说明,应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。
本发明提供一种井筒内热力参数计算方法及装置,能够准确计算井筒内任意位置的蒸汽热力参数,以便于最大限度地减小蒸汽注入过程中的热量损失、提高注入井筒底部的蒸汽干度,从而提高注蒸汽开采稠油的效果。
请参阅图1,为本发明实施例中一种井筒内蒸汽热力参数计算方法的步骤图。本发明所述井筒内蒸汽热力参数计算方法包括如下步骤:
步骤S10:获取计算参数,所述计算参数包括:测点蒸汽的压力、温度,相邻两个测点间的距离。
在本实施方式中,所述测点可由测试仪器在测试过程中,设定某个太阳城集团间隔取点获得,在所述测试仪器进行测试过程中,由于下放速度不同,测点间距可能不同。
所述测点处蒸汽的压力、温度,可通过测试仪器从井口下至喇叭口,在沿着井筒测试的过程中获得。
步骤S12:根据所述计算参数,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度。
在本实施方式中,根据所述测点参数,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度具体可包括:
建立蒸汽沿井筒注入过程中压力、温度的计算方程:
(p-pi)/(pi+1-pi)=(z-zi)/(zi+1-zi)
(T-Ti)/(Ti+1-Ti)=(z-zi)/(zi+1-zi)
上式中,p为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置压力,pi为井筒内蒸汽在第i个测点处压力,pi+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处压力,单位均为兆帕;T为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置温度,Ti为井筒内蒸汽在第i个测点处温度,Ti+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处温度,单位均为摄氏度;z为第i个与第i+1个测点间井筒任意深度,zi为第i个测点深度,zi+1为第i+1个测点深度,单位均为米;i=0,1,…,N;N为实测数据个数,已知量。
根据如下公式确定井筒内相邻测点间任意位置蒸汽压力:
p=pi+(pi+1-pi)(z-zi)/(zi+1-zi)
上式中,p为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置压力,pi为井筒内蒸汽在第i个测点处压力,pi+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处压力,单位均为兆帕;z为第i个与第i+1个测点间井筒任意深度,zi为第i个测点深度,zi+1为第i+1个测点深度,单位均为米;i=0,1,…,N;N为实测数据个数,已知量。
根据如下公式确定井筒内相邻测点间任意位置蒸汽温度:
T=Ti+(Ti+1-Ti)(z-zi)/(zi+1-zi)
上式中,T为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置温度,Ti为井筒内蒸汽在第i个测点处温度,Ti+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处温度,单位均为摄氏度;z为第i个与第i+1个测点间井筒任意深度,zi为第i个测点深度,zi+1为第i+1个测点深度,单位均为米;i=0,1,…,N;N为实测数据个数,已知量。
本发明所述井筒内蒸汽热力参数计算方法,通过所述测点参数,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度,相对于现有的方式,根据动量守恒定律建立井筒中蒸汽压降梯度的控制方程,然后求解整个井筒内蒸汽压力而言,能够在井筒某个位置蒸汽压力出现突变,不符合压力梯度方程时,通过相邻两个测点压力参数对测点间的压力进行约束,使得整个井筒内蒸汽压力计算误差得到有效控制。
此外,本发明所述温度也通过获取相邻两个测点蒸汽的温度,将所述井筒内蒸汽温度进行线性化处理,通过建立蒸汽沿井筒注入过程中温度的计算方程的方式确定蒸汽沿着井筒任意点的温度,相对于现有的温度依托于压力计算的方式,其能够有效避免在压力出现误差时,影响温度的计算精度。
请参阅图2,为本发明实施例中一种井筒内蒸汽热力参数计算方法的步骤图。本发明所 述井筒内蒸汽热力参数计算方法包括如下步骤:
步骤S20:获取计算参数,所述计算参数包括:井口的蒸汽干度,测点蒸汽的压力、温度,相邻两个测点间的距离、井筒结构参数、环境参数。
本实施方式中,所述井筒结构参数可包括:隔热油管内管内径、隔热油管内管外径、隔热油管外管内径、隔热油管外管外径、隔热油管导热系数、套管内径、套管外径、水泥环外径、水泥环导热系数、隔热油管内表面黑度、套管内表面黑度。
所述环境参数包括:地表温度、地温梯度、地层导热系数、地层导温系数。
另外,所述计算参数还可包括:注汽量。
步骤S22:根据所述测点蒸汽的压力、温度,相邻两个测点间的距离,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度。
在本实施方式中,根据所述测点蒸汽的压力、温度,相邻两个测点间的距离,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度具体可包括:
建立蒸汽沿井筒注入过程中压力、温度的计算方程:
(p-pi)/(pi+1-pi)=(z-zi)/(zi+1-zi)
(T-Ti)/(Ti+1-Ti)=(z-zi)/(zi+1-zi)
上式中,p为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置压力,pi为井筒内蒸汽在第i个测点处压力,pi+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处压力,单位均为兆帕;T为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置温度,Ti为井筒内蒸汽在第i个测点处温度,Ti+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处温度,单位均为摄氏度;z为第i个与第i+1个测点间井筒任意深度,zi为第i个测点深度,zi+1为第i+1个测点深度,单位均为米;i=0,1,…,N;N为实测数据个数,已知量。
根据如下公式确定井筒内相邻测点间任意位置蒸汽压力:
p=pi+(pi+1-pi)(z-zi)/(zi+1-zi)
上式中,p为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置压力,pi为井筒内蒸汽在第i个测点处压力,pi+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处压力,单位均为兆帕;z为第i个与第i+1个测点间井筒任意深度,zi为第i个测点深度,zi+1为第i+1个测点深度,单位均为米;i=0,1,…,N;N为实测数据个数,已知量。
根据如下公式确定井筒内相邻测点间任意位置蒸汽温度:
T=Ti+(Ti+1-Ti)(z-zi)/(zi+1-zi)
上式中,T为井筒内蒸汽在第i个与第i+1个测点间任意位置温度,Ti为井筒内蒸汽在第i个测点处温度,Ti+1为井筒内蒸汽在第i+1个测点处温度,单位均为摄氏度;z为第i个与第i+1个测点间井筒任意深度,zi为第i个测点深度,zi+1为第i+1个测点深度,单位均为米;i=0,1,…,N;N为实测数据个数,已知量。
步骤S24:根据所述相邻两个测点间的距离在所述井筒长度上划分井筒微元段,建立能量控制方程,以所述井口的蒸汽干度作为初始条件,通过相互耦合的热损失、温度、干度迭代计算,确定井筒任意位置处蒸汽的干度、热损失。
具体的,请参阅图3,为本发明实施例中一种井筒内蒸汽干度、热损失计算方法的步骤图。步骤S24中,所述确定井筒任意位置处蒸汽的干度、热损失包括以下子步骤:
步骤S240:设定所述井筒微元段蒸汽的干度降、井筒微元段总传热系数;
在本实施方式中,在设定所述井筒微元段蒸汽的干度降时,可以根据经验值进行设定,以利于减少迭代的次数。例如,经过统计获得干度在预定步长内降低的范围,所述干度降可选择在所述统计获得的范围内的某一数值。具体的,例如,经过统计干度在相邻两个测点间降低0.014至0.18之间,所述干度降可设定为0.015。
在设定所述井筒微元段总传热系数时,可以根据经验值进行设定,以利于减少迭代的次数。例如,经过统计获得井筒微元段总传热系数在预定步长内变化的范围,所述井筒微元段总传热系数可选择在所述统计获得的范围内的某一数值。具体的,例如,经过统计井筒微元段总传热系数在相邻两个测点间变化在0.4至0.6之间,所述井筒微元段总传热系数可设定为0.5。
步骤S242:通过所述井筒微元段总传热系数计算所述井筒微元段总热阻,通过所述井筒微元段总热阻计算井筒微元段蒸汽热损失。
如图4所示,为本发明实施例中一种井筒结构示意图。所述井筒中心向外依次可为:内管、外管、套管、水泥环,内管、外管之间设置有绝热层,外管与套管之间为空气层。
所述油管中心至水泥环外缘热损失计算公式为:
dQ1=Ts-ThRdz]]>
其中:
R=12πr2&lsqb;r2hfr1+r2hpr1+r2λtublnr2r1+r2λinslnr3r2+r2λtublnr4r3+r2hfcr4+r2λcaslnrcorci+r2λcemlnrhrco&rsqb;]]>
上式中,dQ1为单位太阳城集团内dz长度井筒上的热量变化,单位千卡/(小时);Ts为蒸汽温度,单位摄氏度;Th为水泥环外缘处温度,单位摄氏度;R为dz长度井筒上的热阻,单位[千 卡/(米·小时·摄氏度)]-1;dz为井筒长度,单位米;hf为液膜层对流换热系数,hp为污垢层对流换热系数,hfc为环形空间内传热系数,单位均为千卡/(平方米·小时·摄氏度);λtub为隔热油管导热系数,λins为绝热层材料导热系数,λcas为套管导热系数,λcem为水泥环导热系数,单位均为千卡/(米·小时·摄氏度);r1为隔热油管内管内半径,r2为隔热油管内管外半径,r3为隔热油管外管内半径,r4为隔热油管外管外半径,rco为套管外半径,rci为套管内半径,rh为水泥环外半径,单位均为米。
所述环形空间内传热系数包括自然对流换热系数和辐射换热系数,计算公式如下:
hfc=hr+hc
所述环形空间内辐射换热系数的计算公式如下:
hr=σ&lsqb;1&epsiv;4+r4rci(1&epsiv;ci-1)&rsqb;&lsqb;(T4+273.15)2+(Tci+273.15)2&rsqb;×&lsqb;(T4+273.15)+(Tci+273.15)&rsqb;]]>
上式中,σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数,其值为σ=4.8755.67×10-8千卡/(平方米·小时·开尔文4);ε4为隔热油管外管外壁黑度,已知量;εci套管内壁黑度,已知量;T4为隔热油管外管外壁温度,单位摄氏度;Tci为套管内壁温度,单位摄氏度。
所述环形空间内自然对流传导系数的计算公式如下:
hc=0.049(GrPr)0.333Pr0.074λhar4lnrcir4]]>
其中:
Gr=1012(rci-r4)3an2βan(T4-Tci)μan2]]>
Pr=3.6Canμanλha]]>
上式中,g为重力加速度,单位米/平方秒;ρan为环形空间流体在平均温度下的密度,单位克/立方厘米;βan为环形空间流体的体积热膨胀系数,βan=1/Tan*,Tan*=Tan+273,1/K;Tan为环形空间流体平均温度,Tan=(T4+Tci)/2,单位摄氏度;μan为环形空间流体在平均温度下粘度,单位厘泊;Can为环形空间流体在平均温度下的热容量,单位千卡/(千克·摄氏度);λha为环形空间中流体在平均温度下的导热系数,单位千卡/(平方米·小时·摄氏度)。
所述水泥环外缘至地层热损失计算公式如下:
dQ2=2πλe(Th-Te)f(t)dz]]>
上式中,Te为初始地层温度,Te=Tm+a·z,Tm为地表温度,Th为水泥环与地层交界面的温度,单位均为摄氏度;a为地温梯度,摄氏度/米;z为井深,米;λe为地层导热系数,千卡/(平方米·小时·摄氏度);f(t)为无因次地层导热太阳城集团函数。
所述无因次地层导热太阳城集团函数根据注汽太阳城集团不同进行选取:
当注汽太阳城集团不小于7天时,f(t)采用Ramey经验公式,如下:
f(t)=ln(2αtrh)-0.29]]>
上式中,α为热扩散系数,平方米/小时;t为注汽太阳城集团,小时;rh为井轴到水泥环外缘的距离,米;
当注汽太阳城集团小于7天时,f(t)采用刘文章经验公式,如下:
当K’=0.1时,
f(t,K)=ln2t+1ln32t-4t2-0.285]]>
当K’≠0.1时,
f(t,K)=f(t,0.1)&CenterDot;(1-0.1K)0.01<K<0.1f(t,0.1)&CenterDot;(1+0.043K)0.1<K<0.5]]>
上式中,t’=αt/rh2,量纲为一的太阳城集团;K’=r1U/λe,量纲为一的导热系数。
所述井筒微元段中的热损失包括:油管中心至水泥环外缘传递的热损失、水泥环外缘至地层传递的热损失。
所述确定井筒微元段热损失根据油管中心至水泥环外缘传递的热量等于水泥环外缘至地层传递的热量,建立热量传递连续性方程:dQ1=dQ2。
将所述油管中心至水泥环外缘传递的热损失、水泥环外缘至地层传递的热损失代入所述热量传递连续性方程以获得各个未知量,包括:
水泥环外缘温度,其计算公式为:
Th=λeTe+Tsr2Uf(t)r2Uf(t)+λet&GreaterEqual;7d]]>
Th=λeTe+Tsr2Uf(t,K)r2Uf(t,K)+λet<7d]]>
上式中,λe为地层导热系数,单位千卡/(米·小时·摄氏度);Te为初始地层温度, 单位摄氏度;Ts为所述蒸汽温度,单位摄氏度;r2为所述隔热油管内管外半径,单位米;f(t)为所述无因次地层导热太阳城集团函数;U为油管中心至水泥环外缘总传热系数,千卡/(平方米·小时·摄氏度),其计算公式如下:
U=&lsqb;r2hfr1+r2hpr1+r2λtublnr2r1+r2λinslnr3r2+r2λtublnr4r3+r2r4(hc+hr)+r2λcaslnrcorci+r2λcemlnrhrco&rsqb;-1]]>
上式中,hf为液膜层对流换热系数,hp为污垢层对流换热系数,hc环形空间内自然对流换热系数,hr环形空间内辐射换热系数,单位均为千卡/(平方米·小时·摄氏度);λtub为隔热油管导热系数,λins为绝热层材料导热系数,λcas为套管导热系数,λcem为水泥环导热系数,单位均为千卡/(米·小时·摄氏度);r1为隔热油管内管内半径,r2为隔热油管内管外半径,r3为隔热油管外管内半径,r4为隔热油管外管外半径,rco为套管外半径,rci为套管内半径,rh为水泥环外半径,单位均为米。
所述套管内表面温度Tci计算公式为:
Tci=Th+r2U(Ts-Th)(1λcaslnrcorci+1λcemlnrhrco)]]>
上式中,Tci为套管内壁温度,Th为水泥环外缘温度,Ts为井筒内蒸汽温度,单位均为摄氏度;r2为隔热油管内管外半径,rco为套管外半径,rci为套管内半径,rh为水泥环外半径,单位均为米;λcas为套管导热系数,λcem为水泥环导热系数,单位均为千卡/(米·小时·摄氏度);U为油管中心至水泥环外缘总传热系数,单位千卡/(平方米·小时·摄氏度)。
所述隔热油管外管外壁温度T4计算公式为:
T4=Ts-r2U(Ts-Th)(1hfr1+1hpr1+1λtublnr2r1+1λinslnr3r2+1λtublnr4r3)]]>
上式中,T4为隔热管外管外壁温度,Th为水泥环外缘温度,Ts为井筒内蒸汽温度,单位均为摄氏度;hf为液膜层对流换热系数,hp为污垢层对流换热系数,单位均为千卡/(平方米·小时·摄氏度);λtub为隔热油管导热系数,λins为绝热层材料导热系数,单位均为千卡/(米·小时·摄氏度);r1为隔热油管内管内半径,r2为隔热油管内管外半径,r3为隔热油管外管内半径,r4为隔热油管外管外半径,单位均为米;U为油管中心至水泥环外缘总传热系数,单位千卡/(平方米·小时·摄氏度)。
将所述获得的未知量分别代入所述油管中心至水泥环外缘热损失计算公式、所述水泥环外缘至地层热损失计算公式,以确定井筒内蒸汽注入过程中热损失。
步骤S244:反复迭代,当所述井筒微元段总传热系数计算值与设定值满足第一预定精度时,确定所述井筒微元段总传热系数,以获得所述井筒微元段蒸汽热损失。
在本实施方式中,所述第一预定精度可根据实际精度要求进行设定,所述第一预定精度设定的值越小,相对来说,获得的井筒微元段总传热系数越精确,相应地,获得的所述井筒微元段中的热损失的精度也越高。
所述反复迭代的过程具体的包括:通过设定的井筒微元段总传热系数,获得相应的总热阻,通过所述总热阻获得相应的热损失,通过所述获得的热损失获得所述井筒微元段总传热系数计算值。
步骤S246:根据能量平衡定律计算干度,反复迭代,当所述井筒微元段干度降计算值与设定值之间满足第二预定精度时,确定所述井筒微元段的干度降。
在本实施方式中,所述根据能量平衡定律计算干度包括:
建立如下能量控制方程:
G&lsqb;(hg-hl)dxdz+dhldTdTdz+(dhgdT-dhldT)dTdzx+G2A21ρmdaz(1ρm)+gsinθ&rsqb;+q=0]]>
将井口蒸汽干度x0作为初始条件,求解上述方程,得到井筒任意位置蒸汽干度计算表达式:
x=e-C2C1z&lsqb;-C3C2eC2C1z+x0+C3C2&rsqb;]]>
其中
C1=G(hg-hl)
C2=G&lsqb;(dhgdT-dhldT)dTdz&rsqb;]]>
C3=q+G&lsqb;dhldTdTdz+G2A21ρmddz(1ρm)+gsinθ&rsqb;]]>
上式中,hg为饱和蒸汽的焓,hl为饱和水的焓,单位均为千卡/千克;x为蒸汽干度;G为饱和蒸汽质量流量,单位千克/小时;q为单位太阳城集团内,单位长度井筒热损失,单位千卡/(小时·米);ρm为饱和湿蒸汽密度,单位千克/立方米;A为井筒横截面积,单位平方米;θ为井筒倾角,单位度。
所述饱和水的焓hl与蒸汽温度T的关系式如下:

所述饱和蒸汽的焓hg与蒸汽温度T的关系式如下:
hg=12500+1.88T-3.7×10-6T3.2
所述ρm饱和湿蒸汽的平均密度计算公式如下:
ρm=Hgρg+(1-Hg)ρl
上式中ρl为饱和水的密度,其与蒸汽温度T的关系式如下:
ρl=0.9967-4.615×10-5T-3.063×10-6T2
上式中ρg为饱和蒸汽的密度,其计算公式如下:
ρg=2.196pZg(T+273.15)]]>
上式中,T为蒸汽温度,单位摄氏度;p为蒸汽压力,单位兆帕;
Zg为饱和蒸汽的压缩因子,其与蒸汽温度T的关系式如下:
Zg=1.012-4.461×10-4T+2.98×10-6T2-1.663×10-8T3
Hg为饱和蒸汽的体积含汽率,其计算公式如下:
Hg=xx+(1-x)ρgρl]]>
上式中,x为蒸汽干度,无因次量;ρg为饱和蒸汽的密度,单位千克/立方米;ρl为饱和水的密度,单位千克/立方米。
在本实施方式中,所述第二预定精度可根据实际精度要求进行设定,所述第二预定精度设定的值越小,相对来说,获得的所述管线微元段的干度降越精确。
步骤S248:循环计算至整个井筒,确定井筒任意位置处蒸汽的干度、热损失。
在本实施方式中,循环计算至整个井筒具体可以从井口的第一、第二个测点依次向下两两选取。
本发明所述井筒内蒸汽热力参数计算方法,通过所述测点参数,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度,相对于现有的方式,根据动量守恒定律建立井筒中蒸汽压降梯度的控制方程,然后求解整个井筒内蒸汽压力而言,能够在井筒某个位置蒸汽压力出现突变,不符合压力梯度方程时,通过相邻两个测点压力参数对测点间的压力进行约束,使得整个井筒内蒸汽压力计算误差得到有效控制。
此外,本发明所述温度也通过获取相邻两个测点蒸汽的温度,将所述井筒内蒸汽温度进行线性化处理,通过建立蒸汽沿井筒注入过程中温度的计算方程的方式确定蒸汽沿着井筒任意点的温度,相对于现有的温度依托于压力计算的方式,其能够有效避免在压力出现误差时,影响温度的计算精度。
进一步的,由于所述热损失、干度的计算是基于温度的函数,本发明所述井筒内蒸汽热力参数计算方法中依托上述获得的准确的温度,根据能量平衡定律,建立能量控制方程,通过循环计算求解井筒内任意位置蒸汽的热损失和干度值。相对于现有的干度、热损失求解公式仅依托于管线内蒸汽压力,当压力出现较大误差时,相应地,干度、热损失也很容易使结果偏离真实值的情况,其计算得到的热损失和干度的精度也较高。
在一个具体的实施方式中,获取计算参数,具体的,隔热油管内管内径0.031米、隔热油管内管外径0.0365米、隔热油管外管内径0.0509米、隔热油管外管外径0.0572米、隔热油管导热系数0.007瓦/米·摄氏度、套管内径0.0807米、套管外径0.0889米、水泥环外径0.1236米、水泥环导热系数0.933瓦/米·摄氏度、隔热油管内表面黑度0.8、套管内表面黑度1、地表温度15.6摄氏度、地温梯度0.029摄氏度/米、地层导热系数1.73瓦/米·摄氏度、地层导温系数1.075e-07平方米/秒、注汽量7吨/小时、井口干度0.63243,井筒长度800.5米、以及各个测点的位置,各个测点对应的压力、温度。应用本发明所述井筒内蒸汽热力参数计算方法获得的井筒内任意位置处的压力,单位兆帕(MPa);温度单位摄氏度(℃);干度;累计热损失,单位千焦/千克(Kj/Kg),如表1所示。
表1

根据上述表1中的数据可以分别获得井筒上的热力参数。
表1中所述井深位置对应的测点热力参数选取的是靠近井口、井筒底部喇叭口两端的数值,由于整个井筒总长达到800.5米,因此不再一一例出。
具体的,井筒内蒸汽压力与井深的曲线图如图5所示,图中横坐标表示井深,单位为米;纵坐标表示井筒内蒸汽压力,单位为兆帕。图中曲线显示了自井口,井深为0时,至井筒底 部喇叭口,井深为800.5米的井筒内蒸汽压力的大小,通过本发明所述井筒内蒸汽热力参数计算方法,能够获得井筒内任意位置处的蒸汽压力。相对于现有的方式,从井口通过压力梯度方程求解整个井筒的压力而言,能够在井筒某段出现突变,不符合压力梯度方程时,通过井筒测点压力值的约束,使得整个井筒的压力计算误差得到有效控制。
具体的,井筒内蒸汽温度与井深的曲线图如图6所示,图中横坐标表示井深,单位为米;纵坐标表示井筒内蒸汽温度,单位为摄氏度。图中曲线显示了自井口,井深为0米至井筒底部喇叭口,井深为800.5米整个井筒内任意位置处蒸汽温度的大小。通过本发明所述井筒内蒸汽热力参数计算方法,能够获得井筒内任意位置处的蒸汽温度。相对于现有的温度依托于压力计算的方式,其能够有效避免在压力出现误差时,影响温度的计算精度。
具体的,井筒内蒸汽干度与井深的曲线图如图7所示,图中横坐标表示井深,单位为米;纵坐标表示井筒内蒸汽干度。图中曲线显示了自井口,井深为0米至井口井筒底部喇叭口,井深为800.5米整个井筒内任意位置处蒸汽干度的大小。即通过本发明所述井筒内蒸汽热力参数计算方法,能够获得井筒内任意位置处的蒸汽干度。
具体的,井筒内蒸汽热损失与井深的曲线图如图8所示,图中横坐标表示井深,单位为米;纵坐标表示井筒内蒸汽热损失,单位为千焦/千克。图中曲线显示了自井口,井深为0米至井筒底部喇叭口,井深为800.5米整个井筒内任意位置处蒸汽热损失的大小。即通过本发明所述井筒内蒸汽热力参数计算方法,能够获得井筒内任意位置处的蒸汽热损失。
由于所述热损失、干度的计算是基于温度的函数,本发明所述井筒内蒸汽热力参数计算方法中依托上述获得的准确的温度,根据能量平衡定律,建立能量控制方程,通过循环计算求解井筒内任意位置蒸汽的热损失和干度值。相对于现有的干度、热损失求解公式仅依托于管线内蒸汽压力,当压力出现较大误差时,相应地,干度、热损失也很容易使结果偏离真实值的情况,其计算得到的热损失和干度的精度也较高。
在实际生产中,通过所述计算出的井筒内蒸汽的温度、压力、干度、热损失,以便了解蒸汽参数在井筒内的变化规律以及整个注汽过程的热损失情况,进而方便、快捷地预测蒸汽驱效果并进行注汽参数的优选。此外还可以根据上述计算出的热力参数提出一些改进措施:例如,可以优选导热系数低、绝热性能好的隔热管,或者进行注汽参数的优选,以尽量减少热损失,保证蒸汽到达井底具有足够的干度。此外当发现井筒上某一位置处温度、压力、干度、热损失中的至少一个出现突变时,可以针对该位置进行进一步的分析,看是否出现了泄漏。
请参阅图9,一种井筒内蒸汽热力参数计算装置100,包括:
计算参数获取模块10,用于获取计算参数,所述计算参数包括:测点蒸汽的压力、温度 相邻两个测点间的距离。
压力温度确定模块20,用于根据所述计算参数,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度。
本发明所述井筒内蒸汽热力参数计算装置100,通过所述测点参数,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度,相对于现有的方式,根据动量守恒定律建立井筒中蒸汽压降梯度的控制方程,然后求解整个井筒内蒸汽压力而言,能够在井筒某个位置蒸汽压力出现突变,不符合压力梯度方程时,通过相邻两个测点压力参数对测点间的压力进行约束,使得整个井筒内蒸汽压力计算误差得到有效控制。
此外,本发明所述温度也通过获取相邻两个测点蒸汽的温度,将所述井筒内蒸汽温度进行线性化处理,通过建立蒸汽沿井筒注入过程中温度的计算方程的方式确定蒸汽沿着井筒任意点的温度,相对于现有的温度依托于压力计算的方式,其能够有效避免在压力出现误差时,影响温度的计算精度。
请参阅图10,一种井筒内蒸汽热力参数计算装置200,包括:
计算参数获取模块20,用于获取计算参数,所述计算参数包括:井口的蒸汽干度,测点蒸汽的压力、温度相邻两个测点间的距离、井筒结构参数、环境参数;
压力温度确定模块22,用于根据所述测点蒸汽的压力、温度相邻两个测点间的距离,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度;
干度热损失确定模块24,用于根据所述相邻两个测点间的距离在所述井筒长度上划分井筒微元段,建立能量控制方程,以所述井口的蒸汽干度作为初始条件,通过相互耦合的热损失、温度、干度迭代计算,确定井筒任意位置处蒸汽的干度、热损失。
本发明所述井筒内蒸汽热力参数计算装置200,通过所述测点参数,将相邻两个测点的蒸汽压力、温度进行线性化处理,确定沿着井筒内相邻测点间任意位置蒸汽的压力、温度,相对于现有的方式,根据动量守恒定律建立井筒中蒸汽压降梯度的控制方程,然后求解整个井筒内蒸汽压力而言,能够在井筒某个位置蒸汽压力出现突变,不符合压力梯度方程时,通过相邻两个测点压力参数对测点间的压力进行约束,使得整个井筒内蒸汽压力计算误差得到有效控制。
此外,本发明所述温度也通过获取相邻两个测点蒸汽的温度,将所述井筒内蒸汽温度进行线性化处理,通过建立蒸汽沿井筒注入过程中温度的计算方程的方式确定蒸汽沿着井筒任意点的温度,相对于现有的温度依托于压力计算的方式,其能够有效避免在压力出现误差时, 影响温度的计算精度。
进一步的,由于所述热损失、干度的计算是基于温度的函数,本发明所述井筒内蒸汽热力参数计算方法中依托上述获得的准确的温度,根据能量平衡定律,建立能量控制方程,通过循环计算求解井筒内任意位置蒸汽的热损失和干度值。相对于现有的干度、热损失求解公式仅依托于管线内蒸汽压力,当压力出现较大误差时,相应地,干度、热损失也很容易使结果偏离真实值的情况,其计算得到的热损失和干度的精度也较高。
本说明书中的上述各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同相似部分相互参照即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例不同之处。尤其对于装置实施例而言,由于其基本相似于方法实施例,所以描述的比较简单,相关之处参见方法实施例部分说明即可。
太阳城集团以上所述仅为本发明的几个实施例,虽然本发明所揭露的实施方式如上,但所述内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式,并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员,在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下,可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化,但本发明的专利保护范围,仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。

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