传热水泥

重力热管自吸地热改善热采井井筒热损失研究

李龙;李春生;朱兰

【摘要】Onthebasisoftheprincipleofgravityheatpipedecreasingheat

lossinwellboreduringthermalrecoveryandheattransferofwellbore

duringoilproduction,calculationmodelsofthermalenergyengineering

andheattransferlossofwellborewereestablishedandwereudto

ultsshowthatthemeasured

temperatureofproducedliquidisclotothecalculatedone,fractional

errorofwhichis5.52％.Thetemperatureofproducedliquidinceasby10℃

withgravityheatpipeincomparisonwiththatoftheregularwellbore,

whichcouldprovethatgravityheatpipeisabletochangethetemperature

yheatpipeabsorbinggeothermal

energyisanewtechnologyinoilproductionandcanbeappliedtoan

extendedextentinthermalrecoverywellsofheavyoil.%在深入探讨重力热管

改善抽油井井筒热损失原理的基础上,结合井筒传热模型,建立了稠油热采井重力热

管自吸热过程的热工计算及井筒热损失的计算模型.并结合矿场应用实例进行了计

算.结果表明,井口产出液实测温度与计算值相对误差为5.52%,符合工程要求.热管

正常工作后能将井口流体温度提高近10℃,在井筒中起到了平衡流体温场的作用.重

力热管自吸地热采油技术是采油工程领域一项全新的探索,在稠油热采中有着广泛

的应用前景.

【期刊名称】《科学技术与工程》

【年(卷),期】2011(011)008

【总页数】5页(P1691-1694,1704)

【关键词】稠油;热采;重力热管;热损失;传热

【作者】李龙;李春生;朱兰

【作者单位】东北石油大学计算机与信息技术学院,大庆,163318;东北石油大学计

算机与信息技术学院,大庆,163318;大庆油田有限责任公司天然气分公司,大

庆,163310

【正文语种】中文

【中图分类】TE357.44;TP391

在稠油生产中如何保持井筒内原油具有良好的流动性是采油工程领域的关键技术之

一，目前国内主要采取的空心抽油杆电加热技术及循环热流体等伴热采油方式，其

缺点是能耗大、成本高，在生产运行中常出现电缆故障、电加热抽油杆故障及控制

柜故障等复杂问题［1］。

热管是一种依靠工作液体的相变来传递热量的高效导热装置［2］。热管本身自我

配套，每个热管是整个系统一个独立的单元;它既不需要泵，也不需要其他辅助设

备。针对热管在地热能源中的广泛应用，1995年李菊香等提出了采油井井筒内的

热管利用可行性理念［3］。近期国内马春红、吴晓东、毕勇、刘永建等人对重力

热管伴热改善井筒热损失技术进行了初步探索［4—6］。本文借助重力热管在改

善采油井井筒温度场分布的优越特性，开展了重力热管自吸地热采油技术改善稠油

井井筒传热损失的理论计算及现场应用研究。

1重力热管改善井筒热损失原理

重力热管自吸热采油技术是指将抽油机井中的空心抽油杆经过特殊加工处理，再添

加工作液、抽空、密封连接制成超长重力热管，然后安装在整个井筒系统内，形成

热管生产井。

重力热管井中，井筒底部高温流体和上部低温流体为重力热管的工作提供了连续的

热源和冷源，井筒中重力热管的传热示意图见图1。

图1重力热管井井筒传热示意图

在蒸发段，油井底部高温流体热量传递给热管，热管内工作液不断吸收产出液的热

量，温度升高，工作液逐渐蒸发，热管开始工作，大量的热量由蒸汽以潜热形式携

带到上部热管空间。在冷凝段，流体沿井筒向上流动时热量不断散失，温度降低，

热管管壁温度高于井筒流体温度，管内蒸汽遇冷开始凝结为液体，放出大量潜热。

这些热量传递给井筒流体而使其不断升温。工质靠重力沿管壁向下流动，进入下一

循环相变过程。

通过井筒热管内部工作液不断吸热汽化、冷凝放热，将下部流体热量通过热管传递

给上部流体，在不消耗外来能量的情况下，提高了近井口产出液温度，从而从整体

上改变了井筒流体温度分布剖面，改善了近井口井筒内流体的流动能力。

2重力热管井井筒传热损失计算模型

2.1假设条件

井筒中的流体为一维稳态且垂向流动，热管处于稳态工作状态，井筒热管内的蒸汽

呈饱和状态，热管内部工质视为等温，原油中不含气，油、套管环空中介质在整个

井筒中均匀分布，且热物理性质近似不变;将重力热管井热损失的径向传递看作是

由油管中心到水泥环外缘的一维稳定传热，井筒中的流体在垂直方向的热传导忽略

不计。

2.2重力热管井井筒流体温度分布

对热管3个作用段分别取微元体，同一深度处的热管微元体与产出液微元体间以

热管微元段等效换热系数进行换热。热管平衡段的微元体温度与流体微元体温度相

等，两者处于热平衡。此时，流体微元与地层间的传热模式和井下深部无热管段流

体温度分布模型相同。

根据文献［7］，在蒸发段产出液体温度的计算公式为

冷凝段产出液体温度计算公式为

式中tf1—蒸发段产出液体温度，℃;tf2—冷凝段产出液体温度，℃;W—产出液水

当量，W/(m·℃);l—井筒深度，m;h—热管底端距离井筒纵向距离，m;gT—地温

梯度，℃/m;te0—热管底端的井筒流体温度，℃;te—热管蒸发段管壁温

度，℃;tfw—井口产出液温度，℃;ti—地表温度，℃;tc—热管冷凝段管壁温

度，℃;Kl1—油管到地层间的传热系数，W/(m2·℃);Kl2—热管蒸发段平均换热系

数，W/(m2·℃);Kl3—热管冷凝段平均换热系数，W/(m2·℃)。

2.3重力热管井传热量的计算

根据热管原理，热量从蒸发段外部的热流体传至热管内部，再从凝结段传出，输送

给外部的冷流体，其总热阻由7项分热阻组成。由文献［8］知，重力热管井的热

阻主要由蒸发段热流体(原油)侧的对流换热热阻与冷凝段冷流体(原油)侧的对流换

热热阻之和组成，其表达式可写成

根据热阻定义，传热量与热阻成反比

式中:Q—热管传热量，W;R—总热阻，℃/W;Le—蒸发段管长，m;Lc—冷凝段管

长，m;do—热管外径，m。

2.4重力热管井井筒传热损失计算

油管中心到水泥环外缘的传热可以认为是稳态传热过程，传热量从热源传至冷源的

传热过程中共有5项热阻，总热阻计算公式为

R1为由原油至油管内壁的对流换热热阻，计算公式为

式(6)中:h1—原油对油管内壁的对流换热系数，W/(m2·℃);L—热管长度，m;r1—

油管内半径，m。

R2为油管壁面的径向导热热阻，计算公式为

式(7)中:λw—金属壁面的导热系数，W/(m2·℃);r2—油管外半径，m。

R3为油管与套管之间的环状夹层中水的自然对流换热热阻，因为水基本不流动，

故按导热考虑，取有效导热系数为2倍的水的导热系数，计算公式为

式(8)中:λeff—套管内对流换热系数，W/(m2·℃);r3—套管内半径，m。

R4为套管壁面的径向导热热阻，计算公式为

式(9)中:λc—套管的导热系数，W/(m2·℃);r4—套管外半径，m。

R5为地层的导热热阻，计算公式为

式(10)中:λe—地层的导热系数，W/(m2·℃);r5—水泥环外缘半径，m。

因此，总热阻计算公式为

重力热管井的井筒传热损失是沿着井深方向变化，其计算公式为

根据式(1)、式(2)、式(4)、式(12)即可求出重力热管井传热量及井筒热损失。

3模型求解

热管井井筒传热包括热管与油管内流体间的换热、油管外壁到水泥环间的稳态导热

以及地层内非稳态导热。热管与流体传热在热管外壁处耦合，流体与油管外井筒传

热在油管壁处耦合，井筒与地层传热在水泥环外缘处耦合。利用控制容积法，在具

体的边界条件下，将微分方程离散成代数方程，由下至上从井底到井口采用高斯

—塞德尔方法［9］进行逐步迭代求解。

4现场应用实例

在辽河油田齐108-20-26井应用重力热管自吸热技术，该井在下入重力热管前采

用掺热油措施降粘，以蒸汽吞吐方式开采，其生产参数如下:泵挂深度780m，重

力热管外径0．046m，内径0．036m，下入深度770m;油管外径0．073m，

内径0．062m;套管外径0．1778m，内径0．1661m;水泥环直径0．3m;地

表温度24℃，泵挂深度井温95℃，油井产液量22t/d，热管工质的性质见表1。

表1热管工质40℃的物性参数579．5蒸汽密度/(kg·m－3)12．0汽化潜能

/(kJ·kg－1)1101蒸汽黏度/(mPa·s)1．1564×10－2蒸汽比热/［kJ·(kg·℃)

－1］2．16液体导热系数/［W·(m·℃)－1］0．272表面张力系数/(N·m)

1．833×10－240℃对应饱和压力/(MPa)物性参数热管工质液体密度/(kg·m－

3)1．535

该井的产出液井口温度与上一周期对比，见图2。可以看出，措施前井口平均温度

41℃，措施后井口平均温度50℃，重力热管自吸热技术极大的提高了井口产出液

温度，措施效果明显。

图2试验井措施前后井口温度对比

利用所建立的理论模型编制了软件，并对重力热管自吸地热试验井的井筒热损失及

流体温度分布进行了计算，结果分别见表2和图3。

表2试验井计算结果汇总表/℃95．0原油进口热焓/kW87．27原油出口温度/℃

50．047．24原油出口热焓/kW45．943．36热管中间温度/℃s41．2

38．19热管中间热焓/kW39．1335．06热管传热量/kW11．326散热量物理

量实测值计算值原油进口温度/kW13．272

图3试验井井筒流体温度分布计算结果

由表2可知，原油出口温度的实测值与计算值相对误差5．52%，可满足工程要求，

因此本文提出的计算方法是可行的。由图3可知，常规生产井和重力热管自吸热

井的井筒流体温度分布明显不同。深部流体在加入热管后温度降低，井筒流体纵向

温度分布曲线变陡，纵向温差变小，热管正常工作后能将井口流体温度提高近

10℃，在井筒中起到了平衡流体温场的作用。由此可见，依靠重力热管的热量储

蓄和传导作用，能将井底流体部分热能通过热管的自平衡过程传递给近井口管段内

的流体，加热井筒上部由于散热后温度较低的冷原油，充分利用了井底的高品位热

能，并减小了传热过程中的热损失。

5结论

(1)重力热管井筒伴热采油技术利用地层流体自身能量，无需外加动力，通过工质

循环相变传热改变井筒内流体温度分布剖面，提高近井口流体温度;

(2)结合井筒传热过程与热管传热理论，建立了热管采油井井筒热损失的计算模型，

编制了软件，并对矿场实例进行了计算，结果表明，提出的热管井传热损失及热工

计算方法符合工程要求;

(3)重力热管自吸热采油技术是采油工程领域一项全新的探索，其高效传热、降耗

节能的特点使其在稠油热采中有着广泛的应用前景。

参考文献

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