CN102777159B - 一种注co2气井井筒流态确定及参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种注CO₂气井井筒流态确定及参数优化方法，属于油气田开采中提高采收率的技术领域。本方法首先根据所用管柱以及CO₂的注入流量、压力和温度对注CO₂气井井筒进行生产动态模拟，然后根据所述生产动态模拟的结果在CO₂相图上绘制CO₂注入井井筒内的压力、温度分布图，再根据所述压力、温度分布图获得优选的CO₂注入参数或者对CO₂注入管柱结构进行优化。利用本方法实现了对CO₂注入井生产动态的模拟和分析；实现了定量分析、模拟注CO₂气井的生产动态，得出注入井筒压力、密度和粘度等参数沿井筒的分布规律；获得了最佳CO₂注入参数、最佳CO₂注入管柱结构；能够指导现场采取合理的注入工艺，取得更高的经济效益。

Description

一种注CO2气井井筒流态确定及参数优化方法

技术领域

本发明属于油气田开采中提高采收率的技术领域，具体涉及一种注CO₂气井井筒流态确定及参数优化方法。

背景技术

众所周知，注气驱油已被广泛应用于油气田的开发。目前在国内，气驱已成为除蒸汽驱之外发展很快的提高采收率的方法。注入气主要是烃气和CO₂，其次是氮气、烟道气以及空气。气驱在国外已经获得了广泛应用，2000年世界注气驱油产量达到了2300万吨。

由于CO₂在油藏流体中具有很高的溶解度，致使原油体积膨胀，显著降低原油粘度和界面张力，形成比较有利的原油流动，对原油开采和提高采收率十分有利，因此，注CO₂混相/非混相驱被认为是提高原油采收率最有效的方法之一。随着CO₂驱油技术应用的不断深入，如何快速准确地判定在不同注入参数下CO₂在注入井筒中沿井筒温度、压力及相态分布特征，以避免注入过冷CO₂液体对地层造成冷伤害，获得最大的驱油效果是CO₂注入工艺亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种注CO₂气井井筒流态确定及参数优化方法，实现对CO₂注入井生产动态的模拟和分析，确定井筒流态和优化参数。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种注CO₂气井井筒流态确定及参数优化方法，所述方法首先根据所用管柱以及CO₂的注入流量、压力和温度对注CO₂气井井筒进行生产动态模拟，然后根据所述生产动态模拟的结果在CO₂相图上绘制CO₂注入井井筒内的压力、温度分布图，再根据所述压力、温度分布图获得优选的CO₂注入参数或者对CO₂注入管柱结构进行优化。

所述方法包括以下步骤：

（1）生产动态模拟，获得CO₂气井的生产动态模拟结果；

（2）将步骤（1）中获得的CO₂气井的生产动态模拟结果绘制在CO₂相图上：根据CO₂气井的生产动态模拟结果，绘制不同生产参数下，CO₂注入井井筒的压力、温度分布图，这样可在图中直接查出沿井筒不同位置处CO₂相态；

（3）优选最佳的CO₂注入参数：在保持管径、隔热材料等井身结构不变的前提下，通过改变注入参数，利用生产动态模拟计算得出注入到地层的CO₂的压力、温度及相态，然后根据现场需求，反推确定CO₂注入参数，获得最佳的CO₂注入参数；

（4）优选最佳的CO₂注入管柱结构：在保持某一组注入参数不变的前提下，通过对管径、隔热材料等参数进行参数敏感性分析，利用生产动态模拟计算得出注入到地层的CO₂的压力、温度及相态，根据现场需求，反推确定CO₂注入管柱的结构，获得最佳的CO₂注入管柱结构。

所述步骤（1）是通过注CO₂井筒动态参数模拟计算来实现的，具体包括以下步骤：

（A）数据输入步骤：输入生产数据和井身结构数据；所述生产数据包括注入井的注入量、温度、压力；所述井身结构数据包括套管直径、下入深度、注入油管直径及下入深度、隔热状况；

（B）注CO₂数据处理步骤；

所述步骤（B）包括以下步骤：

（a）流态判断：判断注入流体的流动型态；

（b）数据计算处理：根据不同的流态和注汽参数依次对压缩系数、粘度、阻力系数、压降、温度及对应的高度进行计算；

（c）油井高度迭代：从油井的井口至目标点进行高度迭代，直至注入井目标点，即可得到给定注入条件下的注CO₂井筒动态参数沿井筒的分布规律。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）实现了对CO₂注入井生产动态的模拟和分析；

（2）实现了定量分析、模拟注CO₂气井的生产动态，得出了注入井筒温度、压力及密度等参数沿井筒的分布规律；

（3）根据CO₂气井的生产动态模拟结果，在CO₂相图上，绘制了不同生产参数下，CO₂注入井井筒的压力、温度分布图，可在图中直接查出沿井筒不同位置处的CO₂相态；

（4）利用本发明可以获得最佳CO₂注入参数、最佳CO₂注入管柱结构；

（5）能够指导现场采取合理的注入工艺，取得更高的经济效益；

（6）利用本发明简化了井口加热注汽流程，且可用普通管线替代隔热管，应用结果表明，利用本发明进行的CO₂注汽工艺，与以往方法相比较，在其它生产条件都不改变的前提下，所需注汽成本降低了10.8%，可见效益明显提高。

附图说明

图1  是本发明实施例中对应于注CO₂压力P为5 MPa、12.5 MPa、20MPa以及注入流量Q为20 t/d、50 t/d、65 t/d时，注入CO₂温度T为-20 ℃时，CO₂注入井井筒中的压力、温度分布图。

图2  是本发明实施例中对应于注CO₂压力P为5 MPa、12.5 MPa、20MPa以及注入流量Q为20 t/d、50 t/d、65 t/d时，注入CO₂温度T为-10 ℃时，CO₂注入井井筒中的压力、温度分布图。

图3  是本发明实施例中对应于注CO₂压力P为5 MPa、12.5 MPa、20MPa以及注入流量Q为20 t/d、50 t/d、65 t/d时，注入CO₂温度T为0 ℃时，CO₂注入井井筒中的压力、温度分布图。

图4  是本发明实施例中对应于注CO₂压力P为5 MPa、12.5 MPa、20MPa以及注入流量Q为20 t/d、50 t/d、65 t/d时，注入CO₂温度T为15 ℃时，CO₂注入井井筒中的压力、温度分布图。

图5  是本发明实施例中对应于注入流量Q为24 t/d、注CO₂压力P为8 MPa时，注入CO₂温度T分别为-20 ℃、-10、0、10时，CO₂注入井井筒中的压力、温度分布图。

图6  是本发明实施例中Q分别为20 t/d、50 t/d时，对应不同的注CO₂压力P的井深与密度的关系图。

图7  是本发明实施例中对应于注CO₂压力P为12 MPa和注入流量Q为48 t/d时，隔热和不隔热情况下的CO₂注入井井筒中的压力、温度分布图。

图8  是本发明中注CO₂井筒动态参数模拟计算的过程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

1，本发明建立了注CO₂井筒综合压降计算模型，解决了CO₂驱注入井井筒的压力计算问题；注CO₂井筒综合压降计算模型即压力分布计算方程为：

                                                                   （1）

2，本发明建立了注CO₂井筒能量平衡方程，并给出了注CO₂井筒CO₂热力性质的计算方法及CO₂状态判别的约束方程和能量方程，其中，能量方程为：

            （2）

约束方程为：，过冷二氧化碳液体或过热二氧化碳气体

        （3）

约束方程是指（3）式，但本申请使用的只是。

求解的初始条件：           （4）

在井口处z=0时，p=p₀，h=h₀，求解的结果是z=0时，h的初值。

其中p为蒸汽的压力，单位为Pa；z为蒸汽流过的管长，单位为m；f_tp为两相摩阻系数，为无因次；v为蒸汽在管道内的平均流速，单位为m/s；d为管内径，单位为m；为两相流动密度，单位为kg/m³；g为重力加速度常数，θ为管线（流动方向）与水平面间的夹角；h为二氧化碳蒸汽的比焓，单位为J/kg；K_L为单位管长的传热系数，单位为W/(m.K)；G为二氧化碳的质量流量，单位为kg/s；T为二氧化碳蒸汽的温度，单位为℃；为蒸汽散热环境的温度，单位为℃；为注汽管外表面的总传热系数，单位为W/(m²·K)；h₀为z=0时，二氧化碳蒸汽的比焓。

将（2）、（3）、（4）式联立即得注CO₂井筒能量平衡方程。

3，本发明给出了井筒热传导方程为：

          （5）

，                                        （6）

                                （7）

    （8）

其中 为注汽管外半径，单位为m；为注汽管外表面的总传热系数，单位为W/(m²·K)；为蒸汽温度，单位为K；为水泥环与地层交界面处的温度(井壁温度)，单位为K；为地层导热系数，单位为W/(m·K)；为未受热影响的地层温度，单位为K；为地表温度，单位为K；为地温梯度，单位为K/m；为深度，单位为m；为地层热扩散系数，单位为m²/h；为注蒸汽时间，单位为h；为水泥环与地层交界面半径(井眼半径)，单位为m；为注汽管内半径，单位为m；为注汽管外半径，单位为m；为外油管内半径，单位为m；为外油管外半径，单位为m；为套管内半径，单位为m；为套管外半径，单位为m；   为井眼半径()，单位为m；为流体温度与管壁温差下的传热系数，单位为W/(m²·K)；为环空中对流放热系数，单位为W/(m²·K)；为隔热材料的导热率，单位为W/(m·K)；为水泥环的导热率，单位为W/(m·K)；为油管的导热率，单位为W/(m·K)；为套管的导热率，单位为W/(m·K)。

4，本发明给出了二氧化碳热力性质的计算方法

1）压缩因子的计算方法

处于油田井筒注入情况下的二氧化碳属于非理想气体，其热力性质采用实际气体状态方程计算。本发明中采用工程界熟知的Lee-Kesler对比态状态方程（简称为L-K方程）计算，请参考文献（童景山，流体热物理性质的计算 [M],清华大学出版社，1982）第30页。实际流体的压缩因子方程为：

              (9)

其中 ,分别为简单流体、参考流体和实际流体的压缩因子，分别为实际计算流体和参考流体的偏心因子,其计算方法请参考文献（童景山，流体热物理性质的计算 [M],清华大学出版社，1982）第6页。

和用修正的BWR方程的对比形式表达为：

           (10)

式中 为对比容积， ，为气体常熟，为Lee-Kesler常数，见表1，为对比温度的函数，Lee-Kesler给出了它们的计算公式为：

， ，         (11)

式中及为Lee-Kesler常数，其取值请参考文献（童景山，流体热物理性质的计算 [M],清华大学出版社，1982）第30页表2-5。

计算流体的压缩因子时首先根据流体的临界压力和临界温度，计算得到对比温度和对比压力（Tr，Pr）（ ，,），根据简单流体的方程系数利用公式（10）、（11）求出简单流体的压缩因子Z⁽⁰⁾，同样再根据参考流体的方程系数利用公式（10）、（11）求出参考流体的压缩因子Z^(R) ,再参考文献（童景山，流体热物理性质的计算 [M],清华大学出版社，1982）第6页的偏心因子公式求出待算流体的偏心因子，最后利用实际流体的压缩因子方程（9）求出压缩因子。

2）流体比热容

（1）液态CO₂的比热容

根据CO₂在井筒中相态的不同，采用不同的比热容公式计算。本发明中采用Lyman-Danner方程计算液态CO₂的比热容：

                    (12)

式中为液态CO₂的比热容，单位为cal﹒gmol^-1﹒K^-1，为理想气体比热容，单位为cal﹒gmol^-1﹒K^-1；计算方法为，T为温度，单位为K ，A，B，C，D为与气体性质相关的常数；A₁~A₈，B₁~B₅为Lyman-Danner方程常数，可从文献（童景山，流体热物理性质的计算 [M],清华大学出版社，1982）的附录B中查得；κ为缔合因子，对于CO₂取值为7.3589；为回转半径，对于CO₂取值为0.9918。

（2）气态和超临界态CO₂的比热容

气态和超临界态CO₂的比热容计算采用实际气体比热容计算式：

                           （13）

式中，为剩余比热容，单位为cal﹒gmol^-1﹒K^-1，其值的确定可参考文献（童景山，流体热物理性质的计算 [M],清华大学出版社，1982）第94页。

3）流体粘度

CO₂粘度计算采用文献（郭旭强等，基于PR状态方程的粘度模型[J]，石油学报，1999，20（3）；56-61）的PR粘度模型，该模型为预测气、液相粘度的统一模型，能够同时描述气、液相及超临界流体的粘度随温度、压力和组成的变化，表达式为：

    （14）

模型中的参数详见文献（郭旭强等，基于PR状态方程的粘度模型[J]，石油学报，1999，20（3）；56-61）。

5，如图8所示，利用上述公式进行注CO₂井筒动态参数模拟计算方法具体如下：

（A）数据输入步骤：需要输入的数据包括生产数据（如注入井的注入量、温度、压力和井身结构数据（如套管直径、下入深度、注入油管直径及下入深度、隔热状况等）；

（B）注CO₂数据处理步骤

所述注CO₂数据处理步骤包括以下步骤：

（a）流态判断：判断注入流体的流动型态；

（b）数据计算处理：根据不同的流态和注汽参数依次对压缩系数、粘度、阻力系数、压降、温度及对应的高度进行计算；

（c）油井高度迭代：从油井的井口至目标点进行高度迭代，直至注入井目标点，即可得到给定注入条件下的注CO₂井筒动态参数沿井筒的分布规律。

6，将5中获得的计算结果绘制在CO₂相图（即PT相图）上：根据CO₂气井的生产动态模拟结果，绘制不同生产参数下，CO₂注入井井筒的压力、温度分布图，这样可在图中直接查出沿井筒不同位置处CO₂相态。

7，利用本发明可优选最佳的CO₂注入参数：在保持管径、隔热材料等井身结构不变的前提下，通过改变注入参数，模拟计算得出注入到地层的CO₂的压力、温度及相态，然后根据现场需求，反推确定CO₂注入参数，获得最佳的CO₂注入参数，包括注入压力、温度、排量等。

8，利用本发明能够优选最佳的CO₂注入管柱结构：在保持某一组注入参数不变的前提下，通过对管径、隔热材料等参数进行参数敏感性分析，模拟计算得出注入到地层的CO₂的压力、温度及相态，根据现场需求，反推确定CO₂注入管柱的结构，获得最佳的CO₂注入管柱结构，包括注入管直径、是否需要隔热管，环空是否需要隔热等。

下面通过一个具体的实施例来证明本发明的效果：

注CO₂液态，温度较低，零下三十几度甚至更低，在下行过程中会吸热，导致CO₂挥发（沸腾）从而产生两相流，随着流动的进行，二氧化碳可能完全挥发转化成单相流，这样注CO₂过程中，沿程变化是比较复杂的。根据给定的注入井井身结构、注入流量，计算出二氧化碳沿程的相态变化。

具体步骤如下：

1，计算参数

（1）计算中用到的井身结构参数为：

隔热油管内管内径/外径:   62.00 mm   73.00 mm

隔热油管外管内径/外径:   73.00 mm   89.00 mm

注入井套管  内经/外径:  121.36 mm  139.70 mm

注入井水泥环     外径:  244.50 mm

注入井深：2348m、直井

（1）注入生产参数为：

注CO₂流量Q :      20 t/d、50 t/d、65 t/d

注CO₂压力P :      5 MPa、12.5 MPa、20MPa

注CO₂温度T :      -20 ℃、-10 ℃、0 ℃、15 ℃

2，直井注二氧化碳计算结果：

对应于不同计算参数的组合，采用本发明方法计算结果，此计算的输入参数就是上述1中的所有参数。

计算结果如附图所示。图1至图4给出的是对应于注CO₂压力P为5 MPa、20MPa以及注入流量Q为20 t/d、50 t/d、65 t/d时对于不同温度的CO₂注入井井筒中的压力、温度分布图。其中，图1给出的是在注入CO₂温度T为-20 ℃时，CO₂注入井井筒中的压力、温度分布图，图2给出的是在注入CO₂温度T为-10 ℃时，CO₂注入井井筒中的压力、温度分布图，图3给出的是在注入CO₂温度T为0℃时，CO₂注入井井筒中的压力、温度分布图，图4给出的是在注入CO₂温度T为15℃时，CO₂注入井井筒中的压力、温度分布图。从图1至图4能够清楚地看出CO₂注入井井筒中的压力、温度及流态分布不但受井口温度、压力的影响，同时还与井筒注入量密切相关。这是本发明效果的具体体现，即能够将定量描述图形化，更便于现场应用。

图5给出的是在注入流量Q为24 t/d、注CO₂压力P为8 MPa时，注入CO₂温度T分别为-20 ℃、-10、0、10时，CO₂注入井井筒中的压力、温度分布图。图5给出的是井口注入温度敏感性分析结果，据此可以根据地层流体温度及注入CO₂相态决定是否需要在井口对注入的CO₂进行加热处理，此结果可指导现场进行工艺流程设计。是本发明实施效果之一。

图6给出的是注入流量Q分别为20 t/d、50 t/d时，对应不同的注CO₂压力P的井深与密度的关系图，其中，左边数第一条线是Q为20 t/d对应于注CO₂压力P为12.5 MPa时的井深与密度的关系曲线，左边数第二条线是Q为50 t/d对应于注CO₂压力P为12.5 MPa时的井深与密度的关系曲线，左边数第三条线是Q为20 t/d对应于注CO₂压力P为20 MPa时的井深与密度的关系曲线，最右边的线是Q为50 t/d对应于注CO₂压力P为20 MPa时的井深与密度的关系曲线。图6给出的是注CO₂过程中井筒中CO₂密度的变化规律，是本发明的实施效果之一。

图7给出的是对应于注CO₂压力P为12 MPa和注入流量Q为48 t/d时，隔热和不隔热情况下的CO₂注入井井筒中的压力、温度分布图。从图8能清楚地看出井筒是否采取隔热措施对CO₂注入井井筒中的压力、温度分布的影响效果，是本发明的实施效果之一。

根据7个附图中CO₂注入井井筒中的压力、温度、相态及密度分布关系，可以优选注入参数、井口加热措施、井筒管柱是否采取隔热措施，从而获得优化的最佳CO₂注入参数和最佳的管柱结构。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (2)

1.一种注CO₂气井井筒流态确定及参数优化方法，其特征在于：所述方法首先根据所用管柱以及CO₂的注入流量、压力和温度对注CO₂气井井筒进行生产动态模拟，然后根据所述生产动态模拟的结果在CO₂相图上绘制CO₂注入井井筒内的压力、温度分布图，再根据所述压力、温度分布图获得优选的CO₂注入参数或者对CO₂注入管柱结构进行优化；

所述方法包括以下步骤：

(1)生产动态模拟，获得CO₂气井的生产动态模拟结果；

(2)将步骤(1)中获得的CO₂气井的生产动态模拟结果绘制在CO₂相图上：根据CO₂气井的生产动态模拟结果，绘制不同生产参数下，CO₂注入井井筒的压力、温度分布图，这样可在图中直接查出沿井筒不同位置处CO₂相态；

(3)优选最佳的CO₂注入参数：在保持包括管径、隔热材料在内的井身结构不变的前提下，通过改变注入参数，利用生产动态模拟计算得出注入到地层的CO₂的压力、温度及相态，然后根据现场需求，反推确定CO₂注入参数，获得最佳的CO₂注入参数；

(4)优选最佳的CO₂注入管柱结构：在保持某一组注入参数不变的前提下，通过对管径、隔热材料参数进行参数敏感性分析，利用生产动态模拟计算得出注入到地层的CO₂的压力、温度及相态，根据现场需求，反推确定CO₂注入管柱的结构，获得最佳的CO₂注入管柱结构。

2.根据权利要求1所述的注CO₂气井井筒流态确定及参数优化方法，其特征在于：所述步骤(1)是通过注CO₂井筒动态参数模拟计算来实现的，具体包括以下步骤：

(A)数据输入步骤：输入生产数据和井身结构数据；所述生产数据包括注入井的注入量、温度、压力；所述井身结构数据包括套管直径、下入深度、注入油管直径及下入深度、隔热状况；

(B)注CO₂数据处理步骤；

所述步骤(B)包括以下步骤：

(a)流态判断：判断注入流体的流动型态；

(b)数据计算处理：根据不同的流态和注气参数依次对压缩系数、粘度、阻力系数、压降、温度及对应的高度进行计算；

(c)油井高度迭代：从油井的井口至目标点进行高度迭代，直至注入井目标点，即可得到给定注入条件下的注CO₂井筒动态参数沿井筒的分布规律。