CN103837565A - 热水驱采油井筒环空介质隔热效果实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热水驱采油井筒环空介质隔热效果实验装置，包括：井筒模型（1），井筒模型（1）具有外层钢管（11）、套管（12）和油管（13），套管（12）套装在外层钢管（11）内，油管（13）套装在套管（12）内，外层钢管（11）和套管（12）之间为冷水通道（14），套管（12）和所述油管（13）之间为环空介质区（15）。属于石油开采井筒保温技术领域。本发明通过设置外层钢管、套管和油管依次套装起来的井筒模型，使得结构紧凑、成本低。

Description

热水驱采油井筒环空介质隔热效果实验装置

技术领域

本发明涉及石油开采井筒保温技术领域，特别涉及一种热水驱采油井筒环空介质隔热效果实验装置。

背景技术

热力采油是国内外稠油油藏开采的主要采油方式，热水驱属于热力采油中一种重要的方法。热水驱的驱油机理主要是通过注入热水升高地层内原油温度，降低原油的粘度，减小流动阻力，提高原油采收率。因此热水的温度是影响热水驱油开采效益的重要因素，而有效的井筒隔热措施对提高井底热水温度至关重要。

目前，石油采油井普通采用的是隔热油管加封隔器的井筒隔热方法。比如，一些油田采用向油管与套管的环形空间直接充入不同气体的井筒隔热技术，通过改变环空中的介质物性来改变环空的传热热阻，这在注蒸汽的井中取得了一定的效果。如专利号为“ZL 20042011524.X”、名称为“同心油管井筒注氮隔热界限实验装置”的中国实用新型专利公开了一种同心油管井筒注氮隔热界限实验装置，该装置的井筒模型与实际注蒸汽井几何相似，成本高，结构比较复杂。与注蒸汽井相比，注热水井中为单相流动，且井筒中温度比注蒸汽井低得多，因此注热水井筒环空中的隔热效果与注蒸汽井不同。

因为热水驱是热采中一种常见的工艺，然而目前对于热水驱井筒环空隔热措施效果还没有成熟的经验和能够肯定预见的实质效果；而且由于现场的情况复杂且成本高，若对环空隔热措施进行现场实验，不但投资大且难以分析不同环空介质对隔热效果的影响，因此通过室物理模拟得到注热水井筒环空隔热效果具有重要的工程意义和应用价值。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：现有采用隔热油管加封隔器的井筒隔热方法，其操作复杂、成本很高且只适用于新开采的井，对于已经存在的老井，即井筒结构已经确定的井，却并不适用。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种热水驱采油井筒环空介质隔热效果实验装置。该实验装置结构紧凑、成本低，能实现不同环空介质及注水工况下井筒隔热的效果，确定相关隔热措施的可行性、油套环空换热系数变化及影响隔热效果的因素。所述技术方案如下：

一种热水驱采油井筒环空介质隔热效果实验装置，所述实验装置包括：井筒模型，所述井筒模型具有外层钢管、套管和油管，所述套管套装在所述外层钢管内，所述油管套装在所述套管内，所述外层钢管和所述套管之间为冷水通道，所述套管和所述油管之间为环空介质区。所述外层钢管的两端分别用第一钢管法兰和第二钢管法兰固定，所述套管的两端分别用第一套管法兰和第二套管法兰固定，所述油管的两端分别用第一油管法兰和第二油管法兰固定。所述第一套管法兰和所述第二套管法兰分别套设在所述第一钢管法兰和所述第二钢管法兰内，所述第一油管法兰和所述第二油管法兰分别套设在所述第一套管法兰和所述第二套管法兰内。

进一步地，所述第一钢管法兰上设置有钢管注水孔，所述第一套管法兰上设置有套管注水孔，所述钢管注水孔和所述套管注水孔相互贯通；所述第二钢管法兰上设置有钢管出水孔，所述第二套管法兰上设置有套管出水孔，所述钢管出水孔和所述套管出水孔相互贯通。

进一步地，所述第一套管法兰上设置有套管注气孔，所述第一油管法兰上设置有油管注气孔，所述套管注气孔和所述油管注气孔相互贯通；所述第二套管法兰上设置有套管出气孔，所述第二油管法兰上设置有油管出气孔，所述套管出气孔和所述油管出气孔相互贯通。

进一步地，所述第二油管法兰的最大外径小于或者等于所述第一套管法兰的最小内径；所述第二套管法兰的最大外径小于或者等于所述第一钢管法兰的最小内径。

进一步地，在所述油管的管壁上焊设有热电偶丝，所述热电偶丝从所述油管的管内伸出到所述井筒模型外。

进一步地，所述井筒模型还具有保温层，所述保温层裹覆在所述外层钢管的外周，所述保温层的两端设置有保温层固定法兰，所述保温层固定法兰与所述第一钢管法兰和所述第二钢管法兰固定连接。

进一步地，所述实验装置还包括：热水循环系统、冷水循环系统和数据采集与处理系统，所述热水循环系统和所述冷水循环系统与所述井筒模型管道连接，所述井筒模型、所述热水循环系统和所述冷水循环系统与所述数据采集与处理系统数据连接。

进一步地，所述热水循环系统包括缓冲水箱、离心泵、热水流量计、预热器和冷却器，所述缓冲水箱经过所述冷却器与所述油管的出水端管道连接，所述缓冲水箱依次经过所述离心泵、所述热水流量计和所述预热器与所述油管的进水端管道连接。

进一步地，所述冷水循环系统包括水箱、泵和冷水流量计，所述水箱依次经过所述泵和所述冷水流量计与所述冷水通道的进水端管道连接，所述水箱与所述冷水通道的出水端管道连接。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过设置外层钢管、套管和油管依次套装起来的井筒模型，使得结构紧凑、成本低；通过将热水和冷水在该井筒模型中循环运行，并通过数据采集与处理系统监测数据并处理，使得测量更加准确。另一方面，本发明的热水驱采油井筒环空介质隔热效果实验装置可以实现不同注气工况及不同环空隔热介质情况下，热水向井筒传热过程的物理模拟研究，通过油套环空换热系数及热水的散热量对不同的油套环空介质进行综合评价，有利于高效热水采油井筒环空隔热措施的选取。再者，该热水驱采油井筒环空介质隔热效果实验装置能够适用于井筒结构已经确定的老井。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的井筒模型的结构示意图；

图2是本发明实施例二提供的实验装置的系统构成示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本实施例提供了一种热水驱采油井筒环空介质隔热效果实验装置，该实验装置包括井筒模型1，参见图1，该井筒模型1具有外层钢管11、套管12和油管13，套管12套装在外层钢管11内，油管13套装在套管12内。套管12的外径小于外层钢管11的内径，套管12与外层钢管11同轴设置，这样，套管12的外周与外层钢管11的内壁之间形成循环水套，外层钢管11和套管12之间的间隙定义为冷水通道14。油管13的外径小于套管12的内径，油管13与套管12同轴设置，这样，油管13的外周与套管12的内壁之间形成环形介质区域，套管12和油管13之间的环空区域定义为环空介质区15。

外层钢管11的两端分别用第一钢管法兰111和第二钢管法兰112固定，套管12的两端分别用第一套管法兰121和第二套管法兰122固定，油管13的两端分别用第一油管法兰131和第二油管法兰132固定。外层钢管11与第一钢管法兰111和第二钢管法兰112之间通过焊接固定连接，作为其他的实施方式，外层钢管11与第一钢管法兰111和第二钢管法兰112之间也可以通过螺栓固定连接。同样，套管12与第一套管法兰121和第二套管法兰122之间、油管13与第一油管法兰131和第二油管法兰132之间均是通过焊接的方式固定连接。其中，第一钢管法兰111和第二钢管法兰112的结构形式相同，但是对应结构尺寸不相等；第一套管法兰121和第二套管法兰122的结构形式相同，但是对应结构尺寸不相等；第一油管法兰131和第二油管法兰132的结构形式相同，但是对应结构尺寸不相等。第一套管法兰121与第一钢管法兰111之间设置有相互适配的台肩搭接位，第一套管法兰121套设在第一钢管法兰111内，二者通过相互之间的搭接台肩实现轴线定位，第一套管法兰121与第一钢管法兰111可以根据实际情况设置密封圈、密封胶等实现密封。第二套管法兰122与第二钢管法兰112之间设置有相互适配的台肩搭接位，第二套管法兰122套设在第二钢管法兰112内，二者通过相互之间的搭接台肩实现轴线定位，第二套管法兰122与第二钢管法兰112之间还设置有密封圈实现径向密封。同理，第一油管法兰131和第二油管法兰132分别套设在第一套管法兰121和第二套管法兰122内。

第一钢管法兰111上设置有钢管注水孔1111，第一套管法兰121上设置有套管注水孔1211，钢管注水孔1111和套管注水孔1211相互贯通，这样，循环冷水通过钢管注水孔1111和套管注水孔1211注入到冷水通道14内。钢管注水孔1111和套管注水孔1211在第一钢管法兰111和第一套管法兰121上沿周向对应地设置多个，优选为六个或者八个。第二钢管法兰112上设置有钢管出水孔1121，第二套管法兰122上设置有套管出水孔1221，钢管出水孔1121和套管出水孔1221相互贯通，冷水通道14内经过循环后的水经过钢管出水孔1121和套管出水孔1221排出冷水通道14外。同样，钢管出水孔1121和套管出水孔1221在第二钢管法兰112和第二套管法兰122上沿周向对应地设置多个，优选为六个或者八个。

第一套管法兰121上设置有套管注气孔1212，第一油管法兰131上设置有油管注气孔1311，套管注气孔1212和油管注气孔1311相互贯通，这样，环空介质通过套管注气孔1212和油管注气孔1311被注入到环空介质区15内，该环空介质通常为气体。套管注气孔1212和油管注气孔1311在第一套管法兰121和第一油管法兰131上对应地设置有多个。第二套管法兰122上设置有套管出气孔1222，第二油管法兰132上设置有油管出气孔1321，套管出气孔1222和油管出气孔1321相互贯通，环空介质通过套管出气孔1222和油管出气孔1321被排出环空介质区15外。

第二油管法兰132的最大外径小于或者等于第一套管法兰121的最小内径，这样，当需要维修时，可以将油管13连同第一油管法兰131和第二油管法兰132从第一套管法兰121处抽出，方便维修检测设备。第二套管法兰122的最大外径小于或者等于第一钢管法兰111的最小内径，在需要维修设备时，同样可以将套管12连同第一套管法兰121和第二套管法兰122从第一钢管法兰111处抽出。

优选地，在油管13的管壁上焊设有热电偶丝16，热电偶丝16从油管13的管内伸出到井筒模型1外，热电偶丝16与设置在井筒模型1外的数据采集与处理系统4数据连接。在油管13的管壁上不同位置焊设有多根热电偶丝16，以测量油管13不同管壁处的温度。

优选地，该井筒模型1还具有保温层17，保温层17裹覆在外层钢管11的外周，保温层17的两端设置有保温层固定法兰171，保温层固定法兰171与所述第一钢管法兰111和第二钢管法兰112固定连接。

实施例二

本实施例提供了一种热水驱采油井筒环空介质隔热效果实验装置，参见图1和图2，该实验装置包括：井筒模型1、热水循环系统2、冷水循环系统3和数据采集与处理系统4，热水循环系统2和冷水循环系统3与井筒模型1管道连接，井筒模型1、热水循环系统2和冷水循环系统3与数据采集与处理系统4数据连接。其中，井筒模型1的组成和结构特点与实施例一中描述的一致，在此不再重复描述。

该热水循环系统2包括缓冲水箱21、离心泵22、热水流量计23、预热器24和冷却器25，缓冲水箱21经过冷却器25与油管13的出水端管道连接，缓冲水箱21依次经过离心泵22、热水流量计23和预热器24与油管13的进水端管道连接。这样，热水循环系统2向油管13中注入热水，而离心泵22用于增加热水的压力，热水流量计23用于测量向油管13中注入热水的流量，预热器24对水进行加热，以达到预定的温度。从油管13中排出的热水经冷却器25冷却后回流到缓冲水箱21内，以循环使用。优选地，在缓冲水箱21的出水口还设置有过滤器，以净化注入到油管13中的热水。在预热器24与油管13的进水端管道上设置有压力变送器，该压力变送器与数据采集与处理系统4相连接。

冷水循环系统3包括水箱31、泵32和冷水流量计33，水箱31依次经过泵32和冷水流量计33与冷水通道14的进水端管道连接，水箱31与冷水通道14的出水端管道连接。水箱31内的冷水通过泵32和冷水流量计33被注入到冷水通道14内，在冷水通道14内循环使用后通过连接管道排出到水箱31内。

数据采集与处理系统4用于采集井筒模型1内的各组实验数据，控制热水循环系统2和冷水循环系统3的注水量，以及控制注入热水的温度。

使用该热水驱采油井筒环空介质隔热效果实验装置来测量井筒环空介质隔热效果的方法是：

首先测量井筒模型1的环空介质区15中环空介质的换热系数，结合图1和图2。实验段长度为L、油管13入口处的热水温度T_hi、油管13出口处的热水温度T_ho、油管13入口处的压力p_in，油管13的内外径分别为d_ti和d_to，套管12的内外径分别为d_ci和d_co，在油管13的外壁上测量沿长度方向等距分布的五个点的温度，分别为t_h1、t_h2、t_h3、t_h4、t_h5，对应地测量套管12内壁上轴向对应处五点温度为t_c1、t_c2、t_c3、t_c4、t_c5。

环空介质的散热量Φ_an为对流换热量Φ_c与辐射换热量Φ_r之和，即：

Φ_an=Φ_r+Φ_c                   （1）

对流换热量Φ_c：

Φ_cj=h_cj(πd_toL)(t_hj-t_cj)      （2）

其中，t_hj为油管外壁测得的温度，j=1、2、3、4、5，t_cj为套管12内壁上测量得到的温度。

根据圆筒辐射换热公式，可得辐射换热量Φ_r：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{rj}}=h_{\mathrm{rj}}\left({\mathrm{\πd}}_{\mathrm{to}}L\right)(t_{\mathrm{hj}}-t_{\mathrm{cj}})=\frac{\mathrm{\σ}(t_{\mathrm{hj}}^4-t_{\mathrm{cj}}^4)\left({\mathrm{\πd}}_{\mathrm{to}}L\right)}{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{to}}}+\frac{d_{\mathrm{to}}/2}{d_{\mathrm{ci}}/2}(\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ci}}}-1)}---\left(3\right)$

根据公式(3)，可得辐射换热系数为：

$h_{\mathrm{rj}}=\frac{\mathrm{\σ}(t_{\mathrm{hj}}^2+t_{\mathrm{cj}}^2)(t_{\mathrm{hj}}+t_{\mathrm{cj}})}{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{to}}}+\frac{d_{\mathrm{to}}}{d_{\mathrm{ci}}}(\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ci}}}-1)}---\left(4\right)$

环空介质区15中总的换热系数为：

h_an=h_r+h_c                       (5)

井筒模型1的油管13中热流体的散热量为：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{tub}}=c_w({\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{\πd}}_{\mathrm{ci}}^{2}L/4)(T_{\mathrm{hi}}-T_{\mathrm{ho}})---\left(6\right)$

不考虑轴向散热，只考虑热水的径向散热，则热水沿井筒模型1径向的散热量相等：

$h_{\mathrm{anj}}\left({\mathrm{\πd}}_{\mathrm{to}}L\right)(t_{\mathrm{hj}}-t_{\mathrm{cj}})=c_w({\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{\πd}}_{\mathrm{ci}}^{2}L/4)(T_{\mathrm{hi}}-T_{\mathrm{ho}})---\left(7\right)$

其中c_w和ρ_w分别为水的定压比热容和水的密度。

则油管13和套管12之间的环空介质区15的换热系数为：

$h_{\mathrm{anj}}=\frac{c_w{\mathrm{\ρ}}_w{d}_{\mathrm{ci}}^2(T_{\mathrm{hi}}-T_{\mathrm{ho}})}{{4d}_{\mathrm{to}}(t_{\mathrm{hj}}-t_{\mathrm{cj}})}---\left(8\right)$

平均换热系数为：

$h_{\mathrm{an}}=\frac{1}{L}{\∫}_0^L{h}_{\mathrm{anj}}\mathrm{dz}---\left(9\right)$

这样，通过油管13和套管12之间的环空介质区15的换热系数和热水温差(T_hi-T_ho)比较不同环空介质的隔热效果。

针对不同的环空介质，具体的实验方法是：

第一步，开启热水循环系统2的离心泵22，调节至预定流量，开始向油管13中注入热水；

第二步，开启预热器24，通过温控仪调节预热器加热功率使热水达到设定的注入温度；

第三步，开启冷水循环系统3的水泵32，调节至预定流量，向外层钢管11和套管12之间的冷水通道14中充入冷水；

第四步，待实验工况基本稳定后开始进行实验数据采集，对该时刻流量、油管13入口处的压力p_in、油管13入口处的热水温度T_hi和油管13出口处的热水温度T_ho、油管13外壁面温度t_hj和套管12内壁面温度t_cj等进行实时测量与记录；

第五步，根据测量得到的参数，由式(1)~(9)计算得到工况下热水的散热量Φ_tub及环空介质的换热系数h_an；

第六步，调节热水循环系统的流量，从步骤（1）重复，即可得到不同热水流量下的热水散热量Φ_tub及环空介质的换热系数h_an；

第七步，控制预热器的加热功率，从步骤（2）重复，即可得到不同入口热水温度下的热水散热量Φ_tub及环空中气体的换热系数h_an；

第八步，若测量不同的被测环空介质，从步骤（1）重新开始即可。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种热水驱采油井筒环空介质隔热效果实验装置，所述实验装置包括：井筒模型（1），其特征在于：

所述井筒模型（1）具有外层钢管（11）、套管（12）和油管（13），所述套管（12）套装在所述外层钢管（11）内，所述油管（13）套装在所述套管（12）内，所述外层钢管（11）和所述套管（12）之间为冷水通道（14），所述套管（12）和所述油管（13）之间为环空介质区（15）；

所述外层钢管（11）的两端分别用第一钢管法兰（111）和第二钢管法兰（112）固定，所述套管（12）的两端分别用第一套管法兰（121）和第二套管法兰（122）固定，所述油管（13）的两端分别用第一油管法兰（131）和第二油管法兰（132）固定；

所述第一套管法兰（121）和所述第二套管法兰（122）分别套设在所述第一钢管法兰（111）和所述第二钢管法兰（112）内，所述第一油管法兰（131）和所述第二油管法兰（132）分别套设在所述第一套管法兰（121）和所述第二套管法兰（122）内。

2.根据权利要求1所述的热水驱采油井筒环空介质隔热效果实验装置，其特征在于，所述第一钢管法兰（111）上设置有钢管注水孔（1111），所述第一套管法兰（121）上设置有套管注水孔（1211），所述钢管注水孔（1111）和所述套管注水孔（1211）相互贯通；

所述第二钢管法兰（112）上设置有钢管出水孔（1121），所述第二套管法兰（122）上设置有套管出水孔（1221），所述钢管出水孔（1121）和所述套管出水孔（1221）相互贯通。

3.根据权利要求1所述的热水驱采油井筒环空介质隔热效果实验装置，其特征在于，所述第一套管法兰（121）上设置有套管注气孔（1212），所述第一油管法兰（131）上设置有油管注气孔（1311），所述套管注气孔（1212）和所述油管注气孔（1311）相互贯通；

所述第二套管法兰（122）上设置有套管出气孔（1222），所述第二油管法兰（132）上设置有油管出气孔（1321），所述套管出气孔（1222）和所述油管出气孔（1321）相互贯通。

4.根据权利要求1所述的热水驱采油井筒环空介质隔热效果实验装置，其特征在于，所述第二油管法兰（132）的最大外径小于或者等于所述第一套管法兰（121）的最小内径；所述第二套管法兰（122）的最大外径小于或者等于所述第一钢管法兰（111）的最小内径。

5.根据权利要求1所述的热水驱采油井筒环空介质隔热效果实验装置，其特征在于，在所述油管（13）的管壁上焊设有热电偶丝（16），所述热电偶丝（16）从所述油管（13）的管内伸出到所述井筒模型（1）外。

6.根据权利要求1所述的热水驱采油井筒环空介质隔热效果实验装置，其特征在于，所述井筒模型（1）还具有保温层（17），所述保温层（17）裹覆在所述外层钢管（11）的外周，所述保温层（17）的两端设置有保温层固定法兰（171），所述保温层固定法兰（171）与所述第一钢管法兰（111）和所述第二钢管法兰（112）固定连接。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的热水驱采油井筒环空介质隔热效果实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：热水循环系统（2）、冷水循环系统（3）和数据采集与处理系统（4），所述热水循环系统（2）和所述冷水循环系统（3）与所述井筒模型（1）管道连接，所述井筒模型（1）、所述热水循环系统（2）和所述冷水循环系统（3）与所述数据采集与处理系统（4）数据连接。

8.根据权利要求7所述的热水驱采油井筒环空介质隔热效果实验装置，其特征在于，所述热水循环系统（2）包括缓冲水箱（21）、离心泵（22）、热水流量计（23）、预热器（24）和冷却器（25），所述缓冲水箱（21）经过所述冷却器（25）与所述油管（13）的出水端管道连接，所述缓冲水箱（21）依次经过所述离心泵（22）、所述热水流量计（23）和所述预热器（24）与所述油管（13）的进水端管道连接。

9.根据权利要求7所述的热水驱采油井筒环空介质隔热效果实验装置，其特征在于，所述冷水循环系统（3）包括水箱（31）、泵（32）和冷水流量计（33），所述水箱（31）依次经过所述泵（32）和所述冷水流量计（33）与所述冷水通道（14）的进水端管道连接，所述水箱（31）与所述冷水通道（14）的出水端管道连接。

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