CN102108851B - 水平井注汽方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平井注汽方法及系统，其中方法包括：对水平井注汽流体的流动规律、水平井井眼轨迹、以及水平井分段注汽的注汽量和注汽孔面积进行分析；根据分析结果及井温剖面测试曲线，确定水平井注汽管柱中各注汽阀的位置、注汽量和注汽孔径；根据确定的位置、注汽量和注汽孔径，在所述水平井注汽管柱中设置各注汽阀，并利用所述水平井注汽管柱进行水平井注汽。本发明可以解决现有技术中由于水平井段过长，水平井段注汽不均匀，以及水平井筛管完井，注汽工艺实施困难的问题，能够实现水平井均匀吸汽，从而提高稠油水平井的动用程度。

Description

水平井注汽方法及系统

技术领域

本发明涉及石油开采技术领域，尤其涉及水平井注汽方法及系统。

背景技术

水平井技术始于20世纪80年代，是一项综合性配套技术，主要用于油田开发中提高油气产量和油气采收率。随着工业技术的发展和人们对水平井开采技术认识的不断加深，用水平井开发油田受到了广泛重视，目前水平井开采技术迅速发展并日臻完善，水平井数量以惊人的速度增长，现场已经将水平井用于稠油油藏的开采。对于稠油水平井的开采，注蒸汽热采方法仍是一种有效主体工艺。

目前水平井稠油开采采用笼统注汽方式，存在以下工程问题：

一是由于水平井段过长，水平井段注汽不均匀；

二是水平井筛管完井，注汽工艺实施困难。

发明内容

本发明实施例提供一种水平井注汽方法，用以实现水平井均匀吸汽，提高稠油水平井的动用程度，使注汽工艺便于实施，该方法包括：

对水平井注汽流体的流动规律、水平井井眼轨迹、以及水平井分段注汽的注汽量和注汽孔面积进行分析；

根据分析结果及井温剖面测试曲线，确定水平井注汽管柱中各注汽阀的位置、注汽量和注汽孔径；

根据确定的位置、注汽量和注汽孔径，在所述水平井注汽管柱中设置各注汽阀，并利用所述水平井注汽管柱进行水平井注汽；

所述对水平井注汽流体的流动规律进行分析，包括：对水平井注汽流体的压力分布规律和干度分布规律进行分析；

所述对水平井注汽流体的压力分布规律进行分析，包括：按如下公式分析水平井注汽流体在管道中的压力梯度：

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}=-\frac{[{\mathrm{\ρ}}_l{H}_l+{\mathrm{\ρ}}_g(1-H_l)]g\sin \mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\λGv}}{2\mathrm{DA}}}{1-\frac{[{\mathrm{\ρ}}_l{H}_l+{\mathrm{\ρ}}_g(1-H_l)]{\mathrm{vv}}_{\mathrm{sg}}}{p}}$

其中，p为水平井注汽流体的绝对压力，单位为Pa；z为水平井注汽流体的轴向流动距离，单位为m；ρ_l为水平井注汽流体的液相密度，单位为kg/m³；ρ_g为水平井注汽流体的气相密度，单位为kg/m³；H_l为持液率，单位为m³/m³；g为重力加速度，单位为m/s²；θ为管道与水平方向的夹角，单位为°；λ为水平井注汽流体气液两相流动的沿程阻力系数；G为水平井注汽流体的质量流量，单位为kg/s；v为水平井注汽流体的流速，单位为m/s；v_sg为水平井注汽流体的气相折算速度，单位为m/s；D为管道直径，单位为m；A为管道截面积即注汽孔面积，单位为m²；

所述持液率H_l按如下公式确定：

H_l(θ)=H_l(0)ψ

其中，H_l(θ)为管道倾斜角度为θ时的持液率，单位为m³/m³；

H_l(0)为管道水平时的持液率，单位为m³/m³，与水平井注汽流体的流动型态、弗雷德数F_r和管道入口的体积含液率E_l有关；

ψ为倾斜校正系数，与管道倾斜角度θ、水平井注汽流体的流动型态、弗雷德数F_r、管道入口的体积含液率E_l、水平井注汽流体的液相速度准数N_vl和管道的坡度有关；

所述沿程阻力系数λ按如下公式确定：

λ=λ′·e^s

其中，λ′为无滑脱的沿程阻力系数，与无滑脱的雷诺数、水平井注汽流体的液相粘度和气相粘度有关；

s为指数，与管道入口的体积含液率E_l和管道倾斜角度为θ时的持液率H_l(θ)有关；

所述对水平井注汽流体的干度分布规律进行分析，包括：根据能量平衡原理及热传导原理对水平井注汽流体的温度进行分析；以及，根据传热原理对水平井注汽流体的传热系数进行分析：

将能量平衡方程式 $\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dz}}+\frac{\mathrm{Gd}(h_m+\frac{v^2}{2}-\mathrm{gz})}{\mathrm{dz}}=0$ 整理得微分方程 $c_1\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dz}}+c_{2}x+c_3=0,$ 其中，Q为热量，单位为W；h_m为气液混合物的焓，单位为J/kg；

c₁=G(h_s-h_w)

$c_2=G\left[\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}(\frac{{\mathrm{dh}}_s}{\mathrm{dp}}-\frac{{\mathrm{dh}}_w}{\mathrm{dp}})\right]$

$c_3=\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dz}}+G\frac{{\mathrm{dh}}_w}{\mathrm{dp}}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}+\frac{G^3}{A^2{\mathrm{\ρ}}_m}\frac{d(1/{\mathrm{\ρ}}_m)}{\mathrm{dz}}-\mathrm{Gg}$

其中，h_w为饱和水的焓，单位为J/kg；h_s为干饱和蒸汽的焓，单位为J/kg；ρ_m为气液混合物的密度，单位为kg/m³；

根据水蒸汽的热力学性质，利用计算机插值的方法获得h_w和h_s与压力的关系式，以获得c₁、c₂和c₃；

得到

其中，T_h为水泥环与地层交界面处的温度，单位为K；λ_e为地层导热系数，单位为W/(m·K)；T_e为未受热影响的地层温度，单位为K；r₂为注汽管外半径，单位为m；u₂为注汽管外表面的总传热系数，单位为W/(m²·K)；T_s为蒸汽温度，单位为K；

β为地层热扩散系数，单位为m²/h；t为注蒸汽时间，单位为h；r_h为水泥环与地层交界面半径，单位为m；

根据传热学原理，知井筒总传热系数

$u_2={[\frac{r_2}{r_1{a}_1}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_2}{r_1}\right)}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{tub}}}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_3}{r_2}\right)}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ins}}}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_4}{r_3}\right)}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{tub}}}+\frac{r_2}{r_4{h}_{\mathrm{re},\mathrm{an}}}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_6}{r_5}\right)}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cas}}}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_7}{r_6}\right)}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cem}}}]}^{-1}$

其中，r₁为注汽管内半径，单位为m；r₃为外油管内半径，单位为m；r₄为外油管外半径，单位为m；r₅为套管内半径，单位为m；r₆为套管外半径，单位为m；r₇为井眼半径，r₇=r_h，单位为m；a₁为流体温度与管壁温差下的传热系数，单位为W/(m²·K)；h_re,an为环空中对流放热系数，单位为W/(m²·K)；λ_ins为隔热材料的导热率，单位为W/(m·K)；λ_cem为水泥环的导热率，单位为W/(m·K)；λ_tub为油管的导热率，单位为W/(m·K)；λ_cas为套管的导热率，单位为W/(m·K)；

所述对水平井井眼轨迹进行分析，包括：采用数值积分计算方法对水平井井眼轨迹进行分析；

所述对水平井分段注汽的注汽量和注汽孔面积进行分析，包括：在对水平井分段注汽的注汽量进行分析时，假设每段注汽速度相同；在对水平井分段注汽的注汽孔面积进行分析时，假设在水平井注汽流体中，气液两相流体在注汽孔中作分相流动，气相流体为不可压缩流体，气液两相流体的流量系数相同，在流动过程中不发生附加蒸发，气相流体的截面含气率不变，且当气液两相流体同时流过注汽孔时气相流体的压差和液相流体的压差相同；

每一段的渗流速度为其中，V_i为每段流体的渗流速度，单位为m/s；Q_i为每段注入流体的体积流量，单位为m³/s；h_i为每段长度，单位为m；r为单元半径，单位为m；根据连续性方程可知Q_总=∑Q_i=∑Ch_i=C∑h_i，每一段的分段注汽比例为

Q_总为注汽流体的总体积流量，单位为m/s；C为常数；

$A=\frac{G_{\mathrm{tp}}[\mathrm{\ϵ}(1-x)\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g}+x\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_l}]}{\sqrt{{2\mathrm{\ψ}}^2{C}_d^2{\mathrm{\ρ}}_l{\mathrm{\ρ}}_g(p-p_1)}+G_{\mathrm{tp}}^2\frac{16}{{\mathrm{\π}}^2{D}^4}{[\mathrm{\ϵ}(1-x)\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g}+x\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_l}]}^2}$

其中，G_tp为通过每个注汽孔的质量流量；ε为修正系数；p为管道中压力，单位为P_a；p₁为孔后压力，单位为P_a；D为管道直径；C_d为气液两相流体的流量系数。

本发明实施例还提供一种水平井注汽系统，用以实现水平井均匀吸汽，提高稠油水平井的动用程度，使注汽工艺便于实施，该系统包括：

分析模块，用于对水平井注汽流体的流动规律、水平井井眼轨迹、以及水平井分段注汽的注汽量和注汽孔面积进行分析；

确定模块，用于根据分析结果及井温剖面测试曲线，确定水平井注汽管柱中各注汽阀的位置、注汽量和注汽孔径；

注汽模块，用于根据确定的位置、注汽量和注汽孔径，在所述水平井注汽管柱中设置各注汽阀，并利用所述水平井注汽管柱进行水平井注汽；

所述对水平井注汽流体的流动规律进行分析，包括：对水平井注汽流体的压力分布规律和干度分布规律进行分析；

所述对水平井注汽流体的压力分布规律进行分析，包括：按如下公式分析水平井注汽流体在管道中的压力梯度：

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}=-\frac{[{\mathrm{\ρ}}_l{H}_l+{\mathrm{\ρ}}_g(1-H_l)]g\sin \mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\λGv}}{2\mathrm{DA}}}{1-\frac{[{\mathrm{\ρ}}_l{H}_l+{\mathrm{\ρ}}_g(1-H_l){]\mathrm{vv}}_{\mathrm{sg}}}{p}}$

其中，p为水平井注汽流体的绝对压力，单位为Pa；z为水平井注汽流体的轴向流动距离，单位为m；ρ_l为水平井注汽流体的液相密度，单位为kg/m³；ρ_g为水平井注汽流体的气相密度，单位为kg/m³；H_l为持液率，单位为m³/m³；g为重力加速度，单位为m/s²；θ为管道与水平方向的夹角，单位为°；λ为水平井注汽流体气液两相流动的沿程阻力系数；G为水平井注汽流体的质量流量，单位为kg/s；v为水平井注汽流体的流速，单位为m/s；v_sg为水平井注汽流体的气相折算速度，单位为m/s；D为管道直径，单位为m；A为管道截面积即注汽孔面积，单位为m²；

所述持液率H_l按如下公式确定：

H_l(θ)=H_l(0)ψ

其中，H_l(θ)为管道倾斜角度为θ时的持液率，单位为m³/m³；

H_l(0)为管道水平时的持液率，单位为m³/m³，与水平井注汽流体的流动型态、弗雷德数F_r和管道入口的体积含液率E_l有关；

ψ为倾斜校正系数，与管道倾斜角度θ、水平井注汽流体的流动型态、弗雷德数F_r、管道入口的体积含液率E_l、水平井注汽流体的液相速度准数N_vl和管道的坡度有关；

所述沿程阻力系数λ按如下公式确定：

λ=λ′·e^s

其中，λ′为无滑脱的沿程阻力系数，与无滑脱的雷诺数、水平井注汽流体的液相粘度和气相粘度有关；

s为指数，与管道入口的体积含液率E_l和管道倾斜角度为θ时的持液率H_l(θ)有关；

所述对水平井注汽流体的干度分布规律进行分析，包括：根据能量平衡原理及热传导原理对水平井注汽流体的温度进行分析；以及，根据传热原理对水平井注汽流体的传热系数进行分析：

将能量平衡方程式 $\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dz}}+\frac{\mathrm{Gd}(h_m+\frac{v^2}{2}-\mathrm{gz})}{\mathrm{dz}}=0$ 整理得微分方程 $c_1\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dz}}+c_{2}x+c_3=0,$ 其中，Q为热量，单位为W；h_m为气液混合物的焓，单位为J/kg；

c₁=G(h_s-h_w)

$c_2=G\left[\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}(\frac{{\mathrm{dh}}_s}{\mathrm{dp}}-\frac{{\mathrm{dh}}_w}{\mathrm{dp}})\right]$

$c_3=\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dz}}+G\frac{{\mathrm{dh}}_w}{\mathrm{dp}}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}+\frac{G^3}{A^2{\mathrm{\ρ}}_m}\frac{d(1/{\mathrm{\ρ}}_m)}{\mathrm{dz}}-\mathrm{Gg}$

其中，h_w为饱和水的焓，单位为J/kg；h_s为干饱和蒸汽的焓，单位为J/kg；ρ_m为气液混合物的密度，单位为kg/m³；

根据水蒸汽的热力学性质，利用计算机插值的方法获得h_w和h_s与压力的关系式，以获得c₁、c₂和c₃；

得到

其中，T_h为水泥环与地层交界面处的温度，单位为K；λ_e为地层导热系数，单位为W/(m·K)；T_e为未受热影响的地层温度，单位为K；r₂为注汽管外半径，单位为m；u₂为注汽管外表面的总传热系数，单位为W/(m²·K)；T_s为蒸汽温度，单位为K；

β为地层热扩散系数，单位为m²/h；t为注蒸汽时间，单位为h；r_h为水泥环与地层交界面半径，单位为m；

根据传热学原理，知井筒总传热系数

$u_2={[\frac{r_2}{r_1{a}_1}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_2}{r_1}\right)}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{tub}}}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_3}{r_2}\right)}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ins}}}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_4}{r_3}\right)}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{tub}}}+\frac{r_2}{r_4{h}_{\mathrm{re},\mathrm{an}}}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_6}{r_5}\right)}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cas}}}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_7}{r_6}\right)}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cem}}}]}^{-1}$

其中，r₁为注汽管内半径，单位为m；r₃为外油管内半径，单位为m；r₄为外油管外半径，单位为m；r₅为套管内半径，单位为m；r₆为套管外半径，单位为m；r₇为井眼半径，r₇=r_h，单位为m；a₁为流体温度与管壁温差下的传热系数，单位为W/(m²·K)；h_re,an为环空中对流放热系数，单位为W/(m²·K)；λ_ins为隔热材料的导热率，单位为W/(m·K)；λ_cem为水泥环的导热率，单位为W/(m·K)；λ_tub为油管的导热率，单位为W/(m·K)；λ_cas为套管的导热率，单位为W/(m·K)；

所述对水平井井眼轨迹进行分析，包括：采用数值积分计算方法对水平井井眼轨迹进行分析；

所述对水平井分段注汽的注汽量和注汽孔面积进行分析，包括：在对水平井分段注汽的注汽量进行分析时，假设每段注汽速度相同；在对水平井分段注汽的注汽孔面积进行分析时，假设在水平井注汽流体中，气液两相流体在注汽孔中作分相流动，气相流体为不可压缩流体，气液两相流体的流量系数相同，在流动过程中不发生附加蒸发，气相流体的截面含气率不变，且当气液两相流体同时流过注汽孔时气相流体的压差和液相流体的压差相同；

每一段的渗流速度为其中，V_i为每段流体的渗流速度，单位为m/s；Q_i为每段注入流体的体积流量，单位为m³/s；h_i为每段长度，单位为m；r为单元半径，单位为m；根据连续性方程可知Q_总=∑Q_i=∑Ch_i=C∑h_i，每一段的分段注汽比例为

Q_总为注汽流体的总体积流量，单位为m/s；C为常数；

$A=\frac{G_{\mathrm{tp}}[\mathrm{\ϵ}(1-x)\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g}+x\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_l}]}{\sqrt{{2\mathrm{\ψ}}^2{C}_d^2{\mathrm{\ρ}}_l{\mathrm{\ρ}}_g(p-p_1)}+G_{\mathrm{tp}}^2\frac{16}{{\mathrm{\π}}^2{D}^4}{[\mathrm{\ϵ}(1-x)\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g}+x\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_l}]}^2}$

其中，G_tp为通过每个注汽孔的质量流量；ε为修正系数；p为管道中压力，单位为P_a；p₁为孔后压力，单位为P_a；D为管道直径；C_d为气液两相流体的流量系数。

本发明实施例中，对水平井注汽流体的流动规律、水平井井眼轨迹、以及水平井分段注汽的注汽量和注汽孔面积进行分析；根据分析结果及井温剖面测试曲线，确定水平井注汽管柱中各注汽阀的位置、注汽量和注汽孔径；根据确定的位置、注汽量和注汽孔径，在所述水平井注汽管柱中设置各注汽阀，并利用所述水平井注汽管柱进行水平井注汽；可以解决现有技术中由于水平井段过长，水平井段注汽不均匀，以及水平井筛管完井，注汽工艺实施困难的问题，能够实现水平井均匀吸汽，从而提高稠油水平井的动用程度，并使注汽工艺便于实施。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例中水平井注汽方法的处理流程图；

图2为本发明实施例中注汽阀的一个具体实例的结构示意图；

图3为本发明实施例中水平井注汽管柱的一个具体实例的结构示意图；

图4为本发明实施例中水平井注汽系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

为了解决现有技术中由于水平井段过长，水平井段注汽不均匀，以及水平井筛管完井，注汽工艺实施困难的问题，本发明实施例提供一种水平井注汽方法，以实现水平井均匀吸汽，从而提高稠油水平井的动用程度。如图1所示，本发明实施例中水平井注汽方法的处理流程可以包括：

步骤101、对水平井注汽流体的流动规律、水平井井眼轨迹、以及水平井分段注汽的注汽量和注汽孔面积进行分析；

步骤102、根据分析结果及井温剖面测试曲线，确定水平井注汽管柱中各注汽阀的位置、注汽量和注汽孔径；

步骤103、根据确定的位置、注汽量和注汽孔径，在所述水平井注汽管柱中设置各注汽阀，并利用所述水平井注汽管柱进行水平井注汽。

具体实施时，为实现对水平井注汽流体的流动规律进行分析，本发明实施例对水平井复杂的气液两相流动过程进行分析，具体包括对水平井注汽流体的压力分布规律和干度分布规律进行分析，从而得出水平井注汽过程中井筒内的相关参数变化。

下面详细说明本发明实施例中如何对水平井注汽流体的压力分布规律进行分析：

水平井注汽流体在管道中的流动遵循气液两相流动规律，本发明实施例采用贝格斯-布里尔法来计算井筒中气液两相流体的压降，这样可以得到较好的计算结果。水平井注汽流体在管道中的压力梯度如下：

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}=-\frac{[{\mathrm{\ρ}}_l{H}_l+{\mathrm{\ρ}}_g(1-H_l)]g\sin \mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\λGv}}{2\mathrm{DA}}}{1-\frac{[{\mathrm{\ρ}}_l{H}_l+{\mathrm{\ρ}}_g(1-H_l)]{\mathrm{vv}}_{\mathrm{sg}}}{p}}$

其中，p为水平井注汽流体的绝对压力，单位为Pa；z为水平井注汽流体的轴向流动距离，单位为m；ρ_l为水平井注汽流体的液相密度，单位为kg/m³；ρ_g为水平井注汽流体的气相密度，单位为kg/m³；H_l为持液率，单位为m³/m³；g为重力加速度，单位为m/s²；θ为管道与水平方向的夹角，单位为°；λ为水平井注汽流体气液两相流动的沿程阻力系数，无因次；G为水平井注汽流体的质量流量，单位为kg/s；v为水平井注汽流体的流速，单位为m/s；v_sg为水平井注汽流体的气相折算速度，单位为m/s；D为管道直径，单位为m；A为管道截面积，单位为m²。

上式表明，为了获得水平井注汽流体在管道中的压力梯度，需要确定持液率H_l及沿程阻力系数λ的相关规律。具体实施时，持液率H_l可以按如下公式确定：

H_l(θ)=H_l(0)ψ

其中，H_l(θ)为管道倾斜角度为θ时的持液率，单位为m³/m³；

H_l(0)为管道水平时的持液率，单位为m³/m³，与水平井注汽流体的流动型态、弗雷德数F_r和管道入口的体积含液率E_l有关；

ψ为倾斜校正系数，无因次，与管道倾斜角度θ、水平井注汽流体的流动型态、弗雷德数F_r、管道入口的体积含液率E_l、水平井注汽流体的液相速度准数N_vl和管道的坡度有关；具体的，倾斜校正系数ψ与管道倾斜角度θ之间的关系可以按如下公式确定：

$\mathrm{\ψ}=1+c\[\sin \left(1.8\mathrm{\θ}\right)-\frac{1}{3}{\sin }^3\left(1.8\mathrm{\θ}\right)\]$

其中，c为系数，与水平井注汽流体的流动型态、弗雷德数F_r、管道入口的体积含液率E_l、水平井注汽流体的液相速度准数N_vl和管道的坡度有关。

$F_r=\frac{v^2}{\mathrm{gD}}$

$N_{\mathrm{vl}}=v_{\mathrm{sl}}{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{\mathrm{g\σ}}\right)}^{0.25}$

$E_l=\frac{Q_l^{\′}}{Q_l^{\′}+Q_g^{\′}}$

其中，v_sl为液相的折算速度，单位为m/s；σ为液相的表面张力，单位为N/m；Q＇_l流入的气液混合物中液相的体积流量，单位为m³/s；Q＇_g为流入的气液混合物中气相的体积流量，单位为m³/s。

上述水平井注汽流体的流动型态可以分为：

分离流动：包括层状流、波状流和环状流。此时

F_r<L₁

间歇流动：包括团状流和段塞流。此时

L₁<F_r<L₂

分散流动：包括泡状流和雾状流。此时

F_r>max(L₁,L₂)

其中：

L₁=exp(-4.62-3.757x-0.481x²-0.0207x³)

L₂=exp(1.061-4.602x-1.609x²-0.179x³+0.635×10^-3x⁵)

x=ln(E_l)

具体实施时，上述沿程阻力系数λ可以按如下公式确定：

λ=λ′·e^s

其中，λ′为无滑脱的沿程阻力系数，无因次，与无滑脱的雷诺数、水平井注汽流体的液相粘度和气相粘度有关；

s为指数，与管道入口的体积含液率E_l和管道倾斜角度为θ时的持液率H_l(θ)有关。

λ′可由下式确定：

${\mathrm{\&lambda;}}^{\&prime;}={\left[21g\left(\frac{{R_e}^{\&prime;}}{4.52231g{R_e}^{\&prime;}-3.8215}\right)\right]}^{-2}$

其中

${R_e}^{\&prime;}=\frac{\mathrm{Dv}[{\mathrm{\&rho;}}_l{E}_l+{\mathrm{\&rho;}}_g(1-E_l)]}{{\mathrm{\&mu;}}_l{E}_l+{\mathrm{\&mu;}}_g(1-E_l)}$

其中，R＇_e为无滑脱的雷诺数；μ_l、μ_g分别为液相、气相的粘度，单位为

。

s可由下式确定：

$s=\frac{\ln Y}{-0.0523+3.182\ln Y-0.8725{\left(\ln Y\right)}^2+0.01853{\left(\ln Y\right)}^4}$

其中

$Y=\frac{E_l}{{\left[H_l\left(\mathrm{\&theta;}\right)\right]}^2}$

当1<Y<1.2时，s=ln(2.2Y-1.2)。

下面详细说明本发明实施例中如何对水平井注汽流体的干度分布规律进行分析：

具体实施时，可以根据能量平衡原理及热传导原理对水平井注汽流体的温度进行分析；以及，根据传热原理对水平井注汽流体的传热系数进行分析。

能量平衡方程式如下：

$\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dz}}+\frac{\mathrm{Gd}(h_m+\frac{v^2}{2}-\mathrm{gz})}{\mathrm{dz}}=0$

其中，Q为热量，单位为W；z为深度，单位为m；h_m为气液混合物的焓，单位为J/kg。

经整理可得如下的微分方程：

$c_1\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dz}}+c_{2}x+c_3=0$

其中

c₁=G(h_s-h_w)

$c_2=G\left[\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}(\frac{{\mathrm{dh}}_s}{\mathrm{dp}}-\frac{{\mathrm{dh}}_w}{\mathrm{dp}})\right]$

$c_3=\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dz}}+G\frac{{\mathrm{dh}}_w}{\mathrm{dp}}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}+\frac{G^3}{A^2{\mathrm{\&rho;}}_m}\frac{d(1/{\mathrm{\&rho;}}_m)}{\mathrm{dz}}-\mathrm{Gg}$

其中，h_w为饱和水的焓，单位为J/kg；h_s为干饱和蒸汽的焓，单位为J/kg。ρ_m为气液混合物的密度，单位为kg/m³。

边界条件为

$x{|}_{z=0}=x_0$

于是，方程的通解为

$x=e^b(-\frac{c_3}{c_2}{e}^k+x_0+\frac{c_3}{c_2})$

其中

$k=\frac{c_2}{c_1}z,b=-\frac{c_2}{c_1}z$

为了获得c₁、c₂和c₃，需要有h_w和h_s与压力的关系式，该关系式可以根据水蒸汽的热力学性质，利用计算机插值的方法获得。

热传导方程式如下：

dQ=2πr₂u₂(T_s-T_h)dz

其中，r₂为注汽管外半径，单位为m；u₂为注汽管外表面的总传热系数，单位为W/(m²·K)；T_s为蒸汽温度，单位为K；T_h为水泥环与地层交界面处的温度(井壁温度)，单位为K。

热量还等于从井壁到未受热影响地层的不稳定导热量，即

$\mathrm{dQ}=\frac{{2\mathrm{\&pi;\&lambda;}}_e(T_h-T_e)\mathrm{dz}}{f\left(t\right)}$

其中

T_e=T_m+αz

$f\left(t\right)=\ln \left(\frac{2\sqrt{\mathrm{\&beta;t}}}{r_h}\right)-0.29$

其中，λ_e为地层导热系数，单位为W/(m·K)；T_e为未受热影响的地层温度，，单位为K；T_m为地表温度，单位为K；α为地温梯度，单位为K/m；z为深度，单位为m；β为地层热扩散系数，单位为m²/h；t为注蒸汽时间，单位为h；r_h为水泥环与地层交界面半径(井眼半径)，单位为m。

可得

$T_h=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_e{T}_e+r_2{u}_{2}f\left(t\right)T_s}{{\mathrm{\&lambda;}}_e+r_2{u}_{2}f\left(t\right)}$

根据传热学原理，知井筒总传热系数

$u_2={[\frac{r_2}{r_1{a}_1}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_2}{r_1}\right)}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{tub}}}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_3}{r_2}\right)}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ins}}}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_4}{r_3}\right)}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{tub}}}+\frac{r_2}{r_4{h}_{\mathrm{re},\mathrm{an}}}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_6}{r_5}\right)}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{cas}}}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_7}{r_6}\right)}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{cem}}}]}^{-1}$

其中，r₁为注汽管内半径，单位为m；r₂为注汽管外半径，单位为m；r₃为外油管内半径，单位为m；r₄为外油管外半径，单位为m；r₅为套管内半径，单位为m；r₆为套管外半径，单位为m；r₇为井眼半径(r₇=r_h)，单位为m；a₁为流体温度与管壁温差下的传热系数，单位为W/(m²·K)；h_re,an为环空中对流放热系数，单位为W/(m²·K)；λ_ins为隔热材料的导热率，单位为W/(m·K)；λ_cem为水泥环的导热率，单位为W/(m·K)；λ_tub为油管的导热率，单位为W/(m·K)；λ_cas为套管的导热率，单位为W/(m·K)。

由于隔热材料的导热系数λ_ins随温度变化，环空中对流放热系数h_re,an也与相应的时间和壁温有关，而壁温又决定于传热量Q，所以井筒的总传热系数u₂需要通过迭代算法来确定。

由于有些参数是压力和干度的函数，所以在分析时需要将井筒分成若干个井段，使每个井段的流体物性参数及流动特性没有明显的变化。此外，在分段配汽过程中质量流量是逐渐减少的，因此从第一段起应是一个变质量传热传质的多相流动过程。

具体实施时，本发明实施例中对水平井井眼轨迹进行了分析，解决了水平井注汽过程中变角度、弯曲井眼的多相流分析问题；

弯曲井筒内的压降确定是以压力梯度方程式为基础的。在该式中，涉及到了管道与水平方向的夹角θ。如果

(R为井眼的曲率半径，d为管径)，则通过弯曲部分的压降几乎等于通过相同长度的直管压降。因此，在确定压降时，可以把弯曲井段分成若干个斜直段，而每段的倾斜角是不同的。实际上，对于实钻井眼轨迹来说，即使是水平井，由于直井段不是绝对地垂直，水平段也不是绝对地水平，所以在直井段和水平段同样存在与弯曲井段类似的问题。要得到各段的平均井斜角，就需要确定出该井段两端点处的井斜角。另外，由于在确定过程中涉及到井筒内流体的温度，而在给定温度梯度的条件下，流体的温度是与垂深相联系的，所以还需要有确定井眼轨迹垂深的方法。

在石油工程中，可以认为井眼轨迹是一条连续光滑的空间曲线。考虑到钻井工艺过程的具体特点，井眼轨迹往往具有某些分段性质。由于测斜时只能获得各离散测点处的基本参数，无法知道各测段内井眼轨迹的实际形态，所以井眼轨迹的分析方法都是建立在一定的基本假设基础上的。本发明实施例采用数值积分计算方法对水平井井眼轨迹进行分析，来提高计算精度。

具体实施时，对水平井分段注汽的注汽量进行分析时，本发明实施例中假设每段注汽速度相同，以进一步保证水平井分段注汽时的注汽均匀。

均匀注汽量的数学模型如下：

压力分布公式

$p=p_w-\frac{p_w-p_e}{\ln \frac{R_w}{R_e}}\ln \frac{R_w}{r}$

其中，p_w为井底流压，单位为MPa；p_e为地层压力，单位为MPa；R_w为油井半径，单位为m；R_e为供给单元半径，单位为m；r为单元半径，单位为m；p为半径r处的压力，单位为MPa。

径向流达西定律的极坐标形式为

$-q=\frac{2\mathrm{\&pi;kh}}{\mathrm{\&mu;}}\frac{p_w-p_e}{\ln \frac{R_w}{R_e}}$

其中，q为注入流体的体积流量，单位为m³/s；h为垂直流动的距离，单位为m；k为地层渗透率，单位为md；μ为流体的粘度，单位为

。

平面径向渗流速度为

$V=\frac{Q}{A}=-\frac{k}{\mathrm{\&mu;}}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dr}}$

Q为注汽流体的总体积流量，单位为m/s；A为注汽孔面积，单位为m²。

每一段的渗流速度为

$V_i=\frac{Q_i}{{2\mathrm{\&pi;h}}_i}\frac{1}{r}$

其中，V_i为每段流体的渗流速度，单位为m/s；Q_i为每段注入流体的体积流量，单位为m³/s，h_i为每段长度，单位为m。

在分段注汽过程中，是假设每一段的注汽速度相同，即认为推进距离也相同，即

根据连续性方程可知

Q_总=∑Q_i=∑Ch_i=C∑h_i

每一段的分段注汽比例为

在对水平井分段注汽的注汽孔面积进行分析时，假设在水平井注汽流体中，气液两相流体在注汽孔中作分相流动，气相流体为不可压缩流体，气液两相流体的流量系数C_d相同，在流动过程中不发生附加蒸发，气相流体的截面含气率不变，且当气液两相流体同时流过注汽孔时气相流体的压差和液相流体的压差相同，都等于两相流体流过注汽孔时的压差Δp。

$A=\frac{G_g\sqrt{1-{\mathrm{\&beta;}}^4}}{{\mathrm{\&psi;C}}_d\sqrt{{2\mathrm{\&Delta;p}}_{\mathrm{tp}}{\mathrm{\&rho;}}_g}}+\frac{G_l\sqrt{1-{\mathrm{\&beta;}}^4}}{{\mathrm{\&psi;C}}_d\sqrt{{2\mathrm{\&Delta;p}}_{\mathrm{tp}}{\mathrm{\&rho;}}_l}}$

其中，G_g为液相的质量流量，单位为kg/s；G_l为液相的质量流量，单位为kg/s；

引入当量直径d_当，则

$\sqrt{p-p_1}=\frac{G_{\mathrm{tp}}\sqrt{1-\frac{{16A}^2}{{\mathrm{\&pi;}}^2{D}^4}}[\mathrm{\&epsiv;}(1-x)\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_g}+x\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_l}]}{{\mathrm{\&psi;C}}_{d}A\sqrt{2{\mathrm{\&rho;}}_l{\mathrm{\&rho;}}_g}}$

其中，p为管道中压力，单位为P_a；p₁为孔后压力，单位为P_a。

配汽孔面积的计算公式为

$A=\frac{G_{\mathrm{tp}}[\mathrm{\&epsiv;}(1-x)\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_g}+x\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_l}]}{\sqrt{{2\mathrm{\&psi;}}^2{C}_d^2{\mathrm{\&rho;}}_l{\mathrm{\&rho;}}_g(p-p_1)}+G_{\mathrm{tp}}^2\frac{16}{{\mathrm{\&pi;}}^2{D}^4}{[\mathrm{\&epsiv;}(1-x)\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_g}+x\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_l}]}^2}$

如果知道质量流量G及段间配汽比例k₁、k₂，根据设计的注汽孔面积，就可以获得通过每个注汽孔的质量流量G_tp，而根据井筒内压力和干度的分布规律可以获得相应深度下的配汽压力、干度及其相应的物性参数。则从上式就可以获得与所设计的汽注比例和注汽孔面积改变时相对应的柱塞压力变化量。

影响上式中修正系数ε的主要因素是气液相密度比ρ_g/ρ_l，它是两相流动中主要的特性参数之一，表征了饱和蒸汽压力的大小。

通过实验曲线回归可得

$0.00772\&le;\frac{{\mathrm{\&rho;}}_g}{{\mathrm{\&rho;}}_l}<0.1425$ 时，

$\mathrm{\&epsiv;}=36.48{\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_g}{{\mathrm{\&rho;}}_l}\right)}^2-9.329\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_g}{{\mathrm{\&rho;}}_l}\right)+1.49$

$0.1425\&le;\frac{{\mathrm{\&rho;}}_g}{{\mathrm{\&rho;}}_l}\&le;1$ 时

$\mathrm{\&epsiv;}=1.1299+0.1210\ln \left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_g}{{\mathrm{\&rho;}}_l}\right)$

具体实施时，在按上述实施例对水平井注汽流体的流动规律、水平井井眼轨迹、以及水平井分段注汽的注汽量和注汽孔面积进行分析之后，可以根据分析结果及井温剖面测试曲线，确定水平井注汽管柱中各注汽阀的位置、注汽量和注汽孔径；并根据确定的位置、注汽量和注汽孔径，在所述水平井注汽管柱中设置各注汽阀，利用所述水平井注汽管柱进行水平井注汽。在水平井注汽管柱中设置上述各注汽阀，可以改善井底流量分布，能够对不同水平井实现分段均匀注汽。

图2为本发明实施例中注汽阀的一个具体实例的结构示意图。如图2所示，具体实施时，本发明实施例的注汽阀可以包括接箍1、保护套2、中心管3等部分。图3为本发明实施例中水平井注汽管柱的一个具体实例的结构示意图。如图3所示，套管1为水平井注汽管柱的外管，套管1内部，由上至下为Φ114真空隔热管2、Φ89真空隔热管3、Φ89油管，Φ89油管上设有注汽阀5，注汽阀5将Φ89油管分段，实现分段注汽，水平井注汽管柱的最末端为丝堵6。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种水平井注汽系统，如下面的实施例所述。由于该系统解决问题的原理与水平井注汽方法相似，因此该系统的实施可以参见水平井注汽方法的实施，重复之处不再赘述。

如图4所示，本发明实施例中的水平井注汽系统可以包括：

分析模块401，用于对水平井注汽流体的流动规律、水平井井眼轨迹、以及水平井分段注汽的注汽量和注汽孔面积进行分析；

确定模块402，用于根据分析结果及井温剖面测试曲线，确定水平井注汽管柱中各注汽阀的位置、注汽量和注汽孔径；

注汽模块403，用于根据确定的位置、注汽量和注汽孔径，在所述水平井注汽管柱中设置各注汽阀，并利用所述水平井注汽管柱进行水平井注汽。

一个实施例中，分析模块401具体可以用于：

对水平井注汽流体的压力分布规律和干度分布规律进行分析。

一个实施例中，分析模块401具体可以用于：

按如下公式分析水平井注汽流体在管道中的压力梯度：

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}=-\frac{[{\mathrm{\&rho;}}_l{H}_l+{\mathrm{\&rho;}}_g(1-H_l)]g\sin \mathrm{\&theta;}+\frac{\mathrm{\&lambda;Gv}}{2\mathrm{DA}}}{1-\frac{[{\mathrm{\&rho;}}_l{H}_l+{\mathrm{\&rho;}}_g(1-H_l){]\mathrm{vv}}_{\mathrm{sg}}}{p}}$

其中，p为水平井注汽流体的绝对压力；z为水平井注汽流体的轴向流动距离；ρ_l为水平井注汽流体的液相密度；ρ_g为水平井注汽流体的气相密度；H_l为持液率；g为重力加速度；θ为管道与水平方向的夹角；λ为水平井注汽流体气液两相流动的沿程阻力系数；G为水平井注汽流体的质量流量；v为水平井注汽流体的流速；v_sg为水平井注汽流体的气相折算速度；D为管道直径；A为管道截面积。

一个实施例中，分析模块401具体可以用于：

按如下公式确定所述持液率H_l：

H_l(θ)=H_l(0)ψ

其中，H_l(θ)为管道倾斜角度为θ时的持液率；

H_l(0)为管道水平时的持液率，与水平井注汽流体的流动型态、弗雷德数F_r和管道入口的体积含液率E_l有关；

ψ为倾斜校正系数，与管道倾斜角度θ、水平井注汽流体的流动型态、弗雷德数F_r、管道入口的体积含液率E_l、水平井注汽流体的液相速度准数N_vl和管道的坡度有关。

一个实施例中，分析模块401具体可以用于：

按如下公式确定所述沿程阻力系数λ：

λ=λ′·e^s

其中，λ′为无滑脱的沿程阻力系数，与无滑脱的雷诺数、水平井注汽流体的液相粘度和气相粘度有关；

s为指数，与管道入口的体积含液率E_l和管道倾斜角度为θ时的持液率H_l(θ)有关。

一个实施例中，分析模块401具体可以用于：

根据能量平衡原理及热传导原理对水平井注汽流体的温度进行分析；

以及，根据传热原理对水平井注汽流体的传热系数进行分析。

一个实施例中，分析模块401具体可以用于：

采用数值积分计算方法对水平井井眼轨迹进行分析。

一个实施例中，分析模块401具体可以用于：

在对水平井分段注汽的注汽量进行分析时，假设每段注汽速度相同；

在对水平井分段注汽的注汽孔面积进行分析时，假设在水平井注汽流体中，气液两相流体在注汽孔中作分相流动，气相流体为不可压缩流体，气液两相流体的流量系数相同，在流动过程中不发生附加蒸发，气相流体的截面含气率不变，且当气液两相流体同时流过注汽孔时气相流体的压差和液相流体的压差相同。

综上所述，本发明实施例中，对水平井注汽流体的流动规律、水平井井眼轨迹、以及水平井分段注汽的注汽量和注汽孔面积进行分析；根据分析结果及井温剖面测试曲线，确定水平井注汽管柱中各注汽阀的位置、注汽量和注汽孔径；根据确定的位置、注汽量和注汽孔径，在所述水平井注汽管柱中设置各注汽阀，并利用所述水平井注汽管柱进行水平井注汽；可以解决现有技术中由于水平井段过长，水平井段注汽不均匀，以及水平井筛管完井，注汽工艺实施困难的问题，能够实现水平井均匀吸汽，从而提高稠油水平井的动用程度，并使注汽工艺便于实施。

为了验证本发明实施例中水平井注汽流体的流动规律、水平井井眼轨迹、以及水平井分段注汽的注汽量和注汽孔面积的分析方法的正确性，将分析出的结果与现场实测值进行了对比，对比结果表明，误差在工程允许的范围内，将分析结果作为分段注汽设计的依据，可使水平井注汽方式更加合理，满足水平井分段均匀注汽的要求。

本发明实施例尤其适用于稠油油藏水平井注蒸汽开采。随着稠油油藏水平井数目的不断增加，水平井均匀注汽工艺的应用将会越来越普遍，本发明实施例的发展应用前景将十分广阔。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种水平井注汽方法，其特征在于，该方法包括：

对水平井注汽流体的流动规律、水平井井眼轨迹、以及水平井分段注汽的注汽量和注汽孔面积进行分析；

根据分析结果及井温剖面测试曲线，确定水平井注汽管柱中各注汽阀的位置、注汽量和注汽孔径；

根据确定的位置、注汽量和注汽孔径，在所述水平井注汽管柱中设置各注汽阀，并利用所述水平井注汽管柱进行水平井注汽；

所述对水平井注汽流体的流动规律进行分析，包括：对水平井注汽流体的压力分布规律和干度分布规律进行分析；

所述对水平井注汽流体的压力分布规律进行分析，包括：按如下公式分析水平井注汽流体在管道中的压力梯度：

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}=-\frac{[{\mathrm{\&rho;}}_l{H}_l+{\mathrm{\&rho;}}_g(1-H_l)]g\sin \mathrm{\&theta;}+\frac{\mathrm{\&lambda;Gv}}{2\mathrm{DA}}}{1-\frac{[{\mathrm{\&rho;}}_l{H}_l+{\mathrm{\&rho;}}_g(1-H_l){]\mathrm{vv}}_{\mathrm{sg}}}{p}}$

其中，p为水平井注汽流体的绝对压力，单位为Pa；z为水平井注汽流体的轴向流动距离，单位为m；ρ_l为水平井注汽流体的液相密度，单位为kg/m³；ρ_g为水平井注汽流体的气相密度，单位为kg/m³；H_l为持液率，单位为m³/m³；g为重力加速度，单位为m/s²；θ为管道与水平方向的夹角，单位为°；λ为水平井注汽流体气液两相流动的沿程阻力系数；G为水平井注汽流体的质量流量，单位为kg/s；v为水平井注汽流体的流速，单位为m/s；v_sg为水平井注汽流体的气相折算速度，单位为m/s；D为管道直径，单位为m；A为管道截面积即注汽孔面积，单位为m²；

所述持液率H_l按如下公式确定：

H_l(θ)=H_l(0)ψ

其中，H_l(θ)为管道倾斜角度为θ时的持液率，单位为m³/m³；

H_l(0)为管道水平时的持液率，单位为m³/m³，与水平井注汽流体的流动型态、弗雷德数F_r和管道入口的体积含液率E_l有关；

ψ为倾斜校正系数，与管道倾斜角度θ、水平井注汽流体的流动型态、弗雷德数F_r、管道入口的体积含液率E_l、水平井注汽流体的液相速度准数N_vl和管道的坡度有关；

所述沿程阻力系数λ按如下公式确定：

λ=λ′·e^s

其中，λ′为无滑脱的沿程阻力系数，与无滑脱的雷诺数、水平井注汽流体的液相粘度和气相粘度有关；

s为指数，与管道入口的体积含液率El和管道倾斜角度为θ时的持液率H_l(θ)有关；

所述对水平井注汽流体的干度分布规律进行分析，包括：根据能量平衡原理及热传导原理对水平井注汽流体的温度进行分析；以及，根据传热原理对水平井注汽流体的传热系数进行分析：

将能量平衡方程式 $\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dz}}+\frac{\mathrm{Gd}(h_m+\frac{v^2}{2}-\mathrm{gz})}{\mathrm{dz}}=0$ 整理得微分方程 $c_1\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dz}}+c_{2}x+c_3=0,$ 其中，Q为热量，单位为W；h_m为气液混合物的焓，单位为J/kg；

c₁=G(h_s-h_w)

$c_2=G\left[\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}(\frac{{\mathrm{dh}}_s}{\mathrm{dp}}-\frac{{\mathrm{dh}}_w}{\mathrm{dp}})\right]$

$c_3=\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dz}}+G\frac{{\mathrm{dh}}_w}{\mathrm{dp}}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}+\frac{G^3}{A^2{\mathrm{\&rho;}}_m}\frac{d(1/{\mathrm{\&rho;}}_m)}{\mathrm{dz}}-\mathrm{Gg}$

其中，h_w为饱和水的焓，单位为J/kg；h_s为干饱和蒸汽的焓，单位为J/kg；ρ_m为气液混合物的密度，单位为kg/m³；

根据水蒸汽的热力学性质，利用计算机插值的方法获得h_w和h_s与压力的关系式，以获得c₁、c₂和c₃；

得到

其中，T_h为水泥环与地层交界面处的温度，单位为K；λ_e为地层导热系数，单位为W/(m·K)；T_e为未受热影响的地层温度，单位为K；r₂为注汽管外半径，单位为m；u₂为注汽管外表面的总传热系数，单位为W/(m²·K)；T_s为蒸汽温度，单位为K；β为地层热扩散系数，单位为m²/h；t为注蒸汽时间，单位为h；r_h为水泥环与地层交界面半径，单位为m；

根据传热学原理，知井筒总传热系数

$u_2={[\frac{r_2}{r_1{a}_1}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_2}{r_1}\right)}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{tub}}}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_3}{r_2}\right)}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ins}}}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_4}{r_3}\right)}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{tub}}}+\frac{r_2}{r_4{h}_{\mathrm{re},\mathrm{an}}}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_6}{r_5}\right)}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{cas}}}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_7}{r_6}\right)}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{cem}}}]}^{-1}$

其中，r₁为注汽管内半径，单位为m；r₃为外油管内半径，单位为m；r₄为外油管外半径，单位为m；r₅为套管内半径，单位为m；r₆为套管外半径，单位为m；r₇为井眼半径，r₇=r_h，单位为m；a₁为流体温度与管壁温差下的传热系数，单位为W/(m²·K)；h_re,an为环空中对流放热系数，单位为W/(m²·K)；λ_ins为隔热材料的导热率，单位为W/(m·K)；λ_cem为水泥环的导热率，单位为W/(m·K)；λ_tub为油管的导热率，单位为W/(m·K)；λ_cas为套管的导热率，单位为W/(m·K)；

所述对水平井井眼轨迹进行分析，包括：采用数值积分计算方法对水平井井眼轨迹进行分析；

所述对水平井分段注汽的注汽量和注汽孔面积进行分析，包括：在对水平井分段注汽的注汽量进行分析时，假设每段注汽速度相同；在对水平井分段注汽的注汽孔面积进行分析时，假设在水平井注汽流体中，气液两相流体在注汽孔中作分相流动，气相流体为不可压缩流体，气液两相流体的流量系数相同，在流动过程中不发生附加蒸发，气相流体的截面含气率不变，且当气液两相流体同时流过注汽孔时气相流体的压差和液相流体的压差相同；

每一段的渗流速度为

其中，V_i为每段流体的渗流速度，单位为m/s；Q_i为每段注入流体的体积流量，单位为m³/s；h_i为每段长度，单位为m；r为单元半径，单位为m；根据连续性方程可知Q_总=∑Q_i=∑Ch_i=C∑h_i，每一段的分段注汽比例为

Q_总为注汽流体的总体积流量，单位为m/s；C为常数；

$A=\frac{G_{\mathrm{tp}}[\mathrm{\&epsiv;}(1-x)\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_g}+x\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_l}]}{\sqrt{{2\mathrm{\&psi;}}^2{C}_d^2{\mathrm{\&rho;}}_l{\mathrm{\&rho;}}_g(p-p_1)}+G_{\mathrm{tp}}^2\frac{16}{{\mathrm{\&pi;}}^2{D}^4}{[\mathrm{\&epsiv;}(1-x)\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_g}+x\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_l}]}^2}$

其中，G_tp为通过每个注汽孔的质量流量；ε为修正系数；p为管道中压力，单位为P_a；p₁为孔后压力，单位为P_a；D为管道直径；C_d为气液两相流体的流量系数。

2.一种水平井注汽系统，其特征在于，该系统包括：

分析模块，用于对水平井注汽流体的流动规律、水平井井眼轨迹、以及水平井分段注汽的注汽量和注汽孔面积进行分析；

确定模块，用于根据分析结果及井温剖面测试曲线，确定水平井注汽管柱中各注汽阀的位置、注汽量和注汽孔径；

注汽模块，用于根据确定的位置、注汽量和注汽孔径，在所述水平井注汽管柱中设置各注汽阀，并利用所述水平井注汽管柱进行水平井注汽；

所述对水平井注汽流体的流动规律进行分析，包括：对水平井注汽流体的压力分布规律和干度分布规律进行分析；

所述对水平井注汽流体的压力分布规律进行分析，包括：按如下公式分析水平井注汽流体在管道中的压力梯度：

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}=-\frac{[{\mathrm{\&rho;}}_l{H}_l+{\mathrm{\&rho;}}_g(1-H_l)]g\sin \mathrm{\&theta;}+\frac{\mathrm{\&lambda;Gv}}{2\mathrm{DA}}}{1-\frac{[{\mathrm{\&rho;}}_l{H}_l+{\mathrm{\&rho;}}_g(1-H_l)]{\mathrm{vv}}_{\mathrm{sg}}}{p}}$

其中，p为水平井注汽流体的绝对压力，单位为Pa；z为水平井注汽流体的轴向流动距离，单位为m；ρ_l为水平井注汽流体的液相密度，单位为kg/m³；ρ_g为水平井注汽流体的气相密度，单位为kg/m³；H_l为持液率，单位为m³/m³；g为重力加速度，单位为m/s²；θ为管道与水平方向的夹角，单位为°；λ为水平井注汽流体气液两相流动的沿程阻力系数；G为水平井注汽流体的质量流量，单位为kg/s；v为水平井注汽流体的流速，单位为m/s；v_sg为水平井注汽流体的气相折算速度，单位为m/s；D为管道直径，单位为m；A为管道截面积即注汽孔面积，单位为m²；

所述持液率H_l按如下公式确定：

H_l(θ)=H_l(0)ψ

其中，H_l(θ)为管道倾斜角度为θ时的持液率，单位为m³/m³；

H_l(0)为管道水平时的持液率，单位为m³/m³，与水平井注汽流体的流动型态、弗雷德数F_r和管道入口的体积含液率E_l有关；

ψ为倾斜校正系数，与管道倾斜角度θ、水平井注汽流体的流动型态、弗雷德数F_r、管道入口的体积含液率E_l、水平井注汽流体的液相速度准数N_vl和管道的坡度有关；

所述沿程阻力系数λ按如下公式确定：

λ=λ′·e^s

其中，λ′为无滑脱的沿程阻力系数，与无滑脱的雷诺数、水平井注汽流体的液相粘度和气相粘度有关；

s为指数，与管道入口的体积含液率El和管道倾斜角度为θ时的持液率H_l(θ)有关；

所述对水平井注汽流体的干度分布规律进行分析，包括：根据能量平衡原理及热传导原理对水平井注汽流体的温度进行分析；以及，根据传热原理对水平井注汽流体的传热系数进行分析：

将能量平衡方程式 $\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dz}}+\frac{\mathrm{Gd}(h_m+\frac{v^2}{2}-\mathrm{gz})}{\mathrm{dz}}=0$ 整理得微分方程 $c_1\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dz}}+c_{2}x+c_3=0,$ 其中，Q为热量，单位为W；h_m为气液混合物的焓，单位为J/kg；

c₁=G(h_s-h_w)

$c_2=G\left[\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}(\frac{{\mathrm{dh}}_s}{\mathrm{dp}}-\frac{{\mathrm{dh}}_w}{\mathrm{dp}})\right]$

$c_3=\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dz}}+G\frac{{\mathrm{dh}}_w}{\mathrm{dp}}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}+\frac{G^3}{A^2{\mathrm{\&rho;}}_m}\frac{d(1/{\mathrm{\&rho;}}_m)}{\mathrm{dz}}-\mathrm{Gg}$

其中，h_w为饱和水的焓，单位为J/kg；h_s为干饱和蒸汽的焓，单位为J/kg；ρ_m为气液混合物的密度，单位为kg/m³；

根据水蒸汽的热力学性质，利用计算机插值的方法获得h_w和h_s与压力的关系式，以获得c₁、c₂和c₃；

得到

其中，T_h为水泥环与地层交界面处的温度，单位为K；λ_e为地层导热系数，单位为W/(m·K)；T_e为未受热影响的地层温度，单位为K；r₂为注汽管外半径，单位为m；u₂为注汽管外表面的总传热系数，单位为W/(m²·K)；T_s为蒸汽温度，单位为K；

β为地层热扩散系数，单位为m²/h；t为注蒸汽时间，单位为h；r_h为水泥环与地层交界面半径，单位为m；

根据传热学原理，知井筒总传热系数

$u_2={[\frac{r_2}{r_1{a}_1}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_2}{r_1}\right)}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{tub}}}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_3}{r_2}\right)}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ins}}}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_4}{r_3}\right)}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{tub}}}+\frac{r_2}{r_4{h}_{\mathrm{re},\mathrm{an}}}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_6}{r_5}\right)}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{cas}}}+\frac{r_2\ln \left(\frac{r_7}{r_6}\right)}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{cem}}}]}^{-1}$

其中，r₁为注汽管内半径，单位为m；r₃为外油管内半径，单位为m；r₄为外油管外半径，单位为m；r₅为套管内半径，单位为m；r₆为套管外半径，单位为m；r₇为井眼半径，r₇=r_h，单位为m；a₁为流体温度与管壁温差下的传热系数，单位为W/(m²·K)；h_re,an为环空中对流放热系数，单位为W/(m²·K)；λ_ins为隔热材料的导热率，单位为W/(m·K)；λ_cem为水泥环的导热率，单位为W/(m·K)；λ_tub为油管的导热率，单位为W/(m·K)；λ_cas为套管的导热率，单位为W/(m·K)；

所述对水平井井眼轨迹进行分析，包括：采用数值积分计算方法对水平井井眼轨迹进行分析；

所述对水平井分段注汽的注汽量和注汽孔面积进行分析，包括：在对水平井分段注汽的注汽量进行分析时，假设每段注汽速度相同；在对水平井分段注汽的注汽孔面积进行分析时，假设在水平井注汽流体中，气液两相流体在注汽孔中作分相流动，气相流体为不可压缩流体，气液两相流体的流量系数相同，在流动过程中不发生附加蒸发，气相流体的截面含气率不变，且当气液两相流体同时流过注汽孔时气相流体的压差和液相流体的压差相同；

每一段的渗流速度为

其中，V_i为每段流体的渗流速度，单位为m/s；Q_i为每段注入流体的体积流量，单位为m³/s；h_i为每段长度，单位为m；r为单元半径，单位为m；根据连续性方程可知Q_总=∑Q_i=∑Ch_i=C∑h_i，每一段的分段注汽比例为

Q_总为注汽流体的总体积流量，单位为m/s；C为常数；

$A=\frac{G_{\mathrm{tp}}[\mathrm{\&epsiv;}(1-x)\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_g}+x\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_l}]}{\sqrt{{2\mathrm{\&psi;}}^2{C}_d^2{\mathrm{\&rho;}}_l{\mathrm{\&rho;}}_g(p-p_1)}+G_{\mathrm{tp}}^2\frac{16}{{\mathrm{\&pi;}}^2{D}^4}{[\mathrm{\&epsiv;}(1-x)\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_g}+x\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_l}]}^2}$

其中，G_tp为通过每个注汽孔的质量流量；ε为修正系数；p为管道中压力，单位为P_a；p₁为孔后压力，单位为P_a；D为管道直径；C_d为气液两相流体的流量系数。

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