CN104373117A - 基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方法以及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方法及系统，所述方法包括：获取与空心杆电加热以及井筒相关的数据资料；根据所述井筒中动液面的高度以及井筒的深度设定步长；根据所述的步长将所述的井筒分为多个井筒段；根据所述的数据资料分别确定所述多个井筒段中液体的温度；所述的多个井筒段中液体的温度组成井筒温度场分布。实现了确定井筒温度场分布，为后续选择合理的电加热功率以满足现有稠油、特稠油以及超稠油的开采提供了数据依据。

Description

基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方法以及系统

技术领域

本发明关于油气田勘探技术领域，特别是关于稠油、特稠油以及超稠油的举升技术，具体的讲是一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方法及系统。

背景技术

稠油、特稠油以及超稠油的开采过程中，随着温度的下降，原油在沿井筒向上流动的过程中的粘度不断变大。当温度低于一定水平时，原油基本停止流动，出现原油挂壁现象，导致举升的难度增加，以至于无法正常开采。

在井筒举升的过程中，粘度受温度的影响非常大。空心杆电加热技术是加热高凝油、稠油的一种常用的成熟的方法。现有技术中，我国使用的井筒电加热结构绝大多数都是将电缆导线安装在空心抽油杆内，末端与空心抽油杆壁相连，而将空心抽油杆本身作为回路，利用空心抽油杆金属的集肤效应发热。该方法能够大幅度提高出口原油的温度，并且随着加热强度的增加，原油的温度也随之上升，粘度随之降低。

实际使用过程中，需要根据不同产液量油井的井口温度和加热深度确定出合理的电加热功率，如此既可以节能降耗，又可以延长电缆的使用寿命。而要正确的选择油井加热功率需从井筒温度场的分布出发进行计算。

因此，如何确定出井筒温度场的分布，进而据此选择合理的电加热功率以满足现有稠油、特稠油以及超稠油的开采是本领域亟待解决的技术难题。

发明内容

为了解决现有技术中的空心杆电加热技术由于无法确定出井筒温度场，进而难以选择合理的电加热功率造成的无法满足现有稠油、特稠油以及超稠油的开采的难题，本发明提供了一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方法及系统，是一种精确的基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方案，通过获取与空心杆电加热以及井筒相关的数据资料，根据设定步长将井筒分为多个井筒段，依次确定每个井筒段中液体的温度，如此则得到了井筒温度场分布，为后续选择合理的电加热功率以满足现有稠油、特稠油以及超稠油的开采提供了数据依据。

本发明的目的之一是，提供一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方法，包括：获取与空心杆电加热以及井筒相关的数据资料；根据所述井筒中动液面的高度以及井筒的深度设定步长；根据所述的步长将所述的井筒分为多个井筒段；根据所述的数据资料分别确定所述多个井筒段中液体的温度；所述的多个井筒段中液体的温度组成井筒温度场分布。

本发明的目的之一是，提供了一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的系统，包括：数据资料获取装置，用于获取与空心杆电加热以及井筒相关的数据资料；步长设定装置，用于根据所述井筒中动液面的高度以及井筒的深度设定步长；井筒段确定装置，用于根据所述的步长将所述的井筒分为多个井筒段；液体温度确定装置，用于根据所述的数据资料分别确定所述多个井筒段中液体的温度；井筒温度场分布确定装置，用于所述的多个井筒段中液体的温度组成井筒温度场分布。

本发明的有益效果在于，提供了一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方法及系统，是一种精确的基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方案，通过获取与空心杆电加热以及井筒相关的数据资料，根据设定步长将井筒分为多个井筒段，依次确定每个井筒段中液体的温度，如此则得到了井筒温度场分布，为后续选择合理的电加热功率以满足现有稠油、特稠油以及超稠油的开采提供了数据依据，进而提高了稠油、特稠油以及超稠油的开采的效率。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方法的流程图；

图2为图1中的步骤S104的具体流程图；

图3为图2中的步骤S201的具体流程图；

图4为图3中的步骤S304的具体流程图；

图5为图3中的步骤S305的具体流程图；

图6为本发明实施例提供的一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的系统的结构框图；

图7为本发明实施例提供的一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的系统中的液体温度确定装置104的具体结构框图；

图8为本发明实施例提供的一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的系统中的总热阻确定模块201的具体结构框图；

图9为本发明实施例提供的一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的系统中的第一总热阻确定单元304的具体结构框图；

图10为本发明实施例提供的一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的系统中的第二总热阻确定单元305的具体结构框图；

图11为现有技术中的抽油机井空心杆电加热工艺结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明针对稠油、特稠油以及超稠油的开采，提出了一种空心杆电加热计算井筒温度场分布的计算方法，并形成了一套解释工具。通过对电加热后井筒温度场的分段计算分析，后续可以计算出每段的原油粘度，进一步的可以计算出杆液摩擦力和管液摩擦载荷，最终可以杆柱上行程计算出抽油机悬点载荷。

本发明的基本假设条件包括：

(1)、忽略抽油杆、井筒和地层岩石纵向上的换热；

(2)、井口产出液的压力、温度保持不变；

(3)、电缆加热功率不变，每段单元发热功率相同；

(4)、以抽油杆中线为对称轴，抽油杆、井筒和地层岩石各向同性；

(5)、模型系统中的热物性参数与温度无关，即认为是恒物性的；

(6)、原始地层温度呈线性分布。

图1为本发明提出的一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方法的具体流程图，由图1可知，所述的方法包括：

S101：获取与空心杆电加热以及井筒相关的数据资料。

在具体的实施例中，与空心杆电加热以及井筒相关的数据资料包括套管导热系数、套管内壁半径、套管外壁半径、水泥环导热系数、井筒半径、地层导热系数、地层平均散热系数、油井生产时间、原油相对密度、原油导热系数、水导热系数、液体含水率、油管外壁半径、油管导热系数和油管内壁半径。

S102：根据所述井筒中动液面的高度以及井筒的深度设定步长。图11为现有技术中的抽油机井空心杆电加热工艺结构示意图。由图11可知，1为地层，2为水泥环，3为套管，4为动液面，5为加热电缆，6为油管，7为井内液体，8为油层。

S103：根据所述的步长将所述的井筒分为多个井筒段。在具体的实施方式中，假设井筒的总深度为1000米，如图11所示，动液面的高度为300米，设定的步长为100米，则该实施方式中总共可以将井筒分为10个井筒段，从井底到井口依次为0-100米、100-200米、200-300米、300-400米、400-500米、500-600米、600-700米、700-800米、800-900米、900-1000米。

S104：根据所述的数据资料分别确定所述多个井筒段中液体的温度。图2为步骤S104的具体流程图。

S105：所述的多个井筒段中液体的温度组成井筒温度场分布。

图2为步骤S104的具体流程图，由图2可知，步骤S104具体包括：

S201：依次确定每个井筒段的总热阻。图3为步骤S201的具体流程图。在具体的实施方式中，设井筒段的总热阻为R。

S202：根据所述的总热阻确定每个井筒段的总导热系数。在具体的实施方式中，

S203：根据热传导建立井筒的热能平衡方程。

S204：根据所述的热能平衡方程以及所述的总导热系数确定每个井筒段中液体的温度。

由图3可知，步骤S201具体包括：

S301：依次判断每个所述的井筒段是否处于所述动液面与所述井筒对应的井口之间；

S302：当判断为是时，将处于所述动液面与所述井筒对应的井口之间的多个井筒段均设为第一类井筒段；

S303：否则，将处于所述动液面与所述井筒对应的井底之间的多个井筒段均设为第二类井筒段；

在具体的实施方式中，假设井筒的总深度为1000米，如图11所示，动液面的高度为300米，设定的步长为100米，则该实施方式中总共可以将井筒分为10个井筒段，从井底到井口依次为0-100米、100-200米、200-300米、300-400米、400-500米、500-600米、600-700米、700-800米、800-900米、900-1000米。根据步骤S301至步骤S303可知，井筒段0-100米、100-200米、200-300米均为第二类井筒段，井筒段300-400米、400-500米、500-600米、600-700米、700-800米、800-900米、900-1000米均为第一类井筒段。

S304：根据所述的数据资料确定所述第一类井筒段的总热阻；

S305：根据所述的数据资料确定所述第二类井筒段的总热阻。

图4为步骤S304的具体流程图，由图4可知，该步骤具体包括：

S401：依次确定每个井筒段的套管壁热传导热阻，在具体的实施方式中，套管壁热传导热阻用R₁表示。

S402：依次确定每个井筒段的水泥环热传导热阻，在具体的实施方式中，水泥环热传导热阻用R₂表示。

S403：依次确定每个井筒段的地层热传导热阻，在具体的实施方式中，地层热传导热阻用R₃表示。

S404：依次确定每个井筒段的液体与套管之间热对流液体热阻，在具体的实施方式中，液体与套管之间热对流液体热阻用R₄表示。

S405：依次确定每个井筒段的油管内外壁之间热传导热阻，在具体的实施方式中，油管内外壁之间热传导热阻用R₅表示。

S406：依次确定每个井筒段的气体与油管内壁之间热对流热阻，在具体的实施方式中，气体与油管内壁之间热对流热阻用R₆表示。

S407：根据所述的套管壁热传导热阻、水泥环热传导热阻、地层热传导热阻、液体与套管之间热对流液体热阻、油管内外壁之间热传导热阻以及气体与油管内壁之间热对流热阻确定所述第一类井筒段的总热阻。在具体的实施方式中，该步骤确定出的井筒段的总热阻用R表示，则R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆。

图5为步骤S305的具体流程图，由图5可知，该步骤具体包括：

S501：依次确定每个井筒段的套管壁热传导热阻，在具体的实施方式中，套管壁热传导热阻用R₁表示。

S502：依次确定每个井筒段的水泥环热传导热阻，在具体的实施方式中，水泥环热传导热阻用R₂表示。

S503：依次确定每个井筒段的地层热传导热阻，在具体的实施方式中，地层热传导热阻用R₃表示。

S504：依次确定每个井筒段的液体与套管之间热对流液体热阻，在具体的实施方式中，液体与套管之间热对流液体热阻用R₄表示。

S505：依次确定每个井筒段的油管内外壁之间热传导热阻，在具体的实施方式中，油管内外壁之间热传导热阻用R₅表示。

S506：根据所述的套管壁热传导热阻、水泥环热传导热阻、地层热传导热阻、液体与套管之间热对流液体热阻以及油管内外壁之间热传导热阻确定所述第二类井筒段的总热阻。在具体的实施方式中，该步骤确定出的井筒段的总热阻用R表示，则R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅。

图6为本发明实施例提供的一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的系统的结构框图，由图6可知，所述的系统包括：

数据资料获取装置101，用于获取与空心杆电加热以及井筒相关的数据资料。

在具体的实施例中，与空心杆电加热以及井筒相关的数据资料包括套管导热系数、套管内壁半径、套管外壁半径、水泥环导热系数、井筒半径、地层导热系数、地层平均散热系数、油井生产时间、原油相对密度、原油导热系数、水导热系数、液体含水率、油管外壁半径、油管导热系数和油管内壁半径。

步长设定装置102，用于根据所述井筒中动液面的高度以及井筒的深度设定步长。图11为现有技术中的抽油机井空心杆电加热工艺结构示意图。由图11可知，1为地层，2为水泥环，3为套管，4为动液面，5为加热电缆，6为油管，7为井内液体，8为油层。

井筒段确定装置103，用于根据所述的步长将所述的井筒分为多个井筒段。在具体的实施方式中，假设井筒的总深度为1000米，如图11所示，动液面的高度为300米，设定的步长为100米，则该实施方式中总共可以将井筒分为10个井筒段，从井底到井口依次为0-100米、100-200米、200-300米、300-400米、400-500米、500-600米、600-700米、700-800米、800-900米、900-1000米。

液体温度确定装置104，用于根据所述的数据资料分别确定所述多个井筒段中液体的温度。图7为液体温度确定装置104的具体结构框图。

井筒温度场分布确定装置105，用于所述的多个井筒段中液体的温度组成井筒温度场分布。

图7为本发明实施例提供的一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的系统中的液体温度确定装置104的具体结构框图，由图7可知，液体温度确定装置104具体包括：

总热阻确定模块201，用于依次确定每个井筒段的总热阻。图8为总热阻确定模块201的具体结构框图。在具体的实施方式中，设井筒段的总热阻为R。

总导热系数确定模块202，用于根据所述的总热阻确定每个井筒段的总导热系数。在具体的实施方式中，

热平衡方程确定模块203，用于根据热传导建立井筒的热能平衡方程。

液体温度确定模块204，用于根据所述的热能平衡方程以及所述的总导热系数确定每个井筒段中液体的温度。

由图8可知，总热阻确定模块201具体包括：

判断单元301，用于依次判断每个所述的井筒段是否处于所述动液面与所述井筒对应的井口之间；

第一设置单元302，用于当所述的判断单元判断为是时，将处于所述动液面与所述井筒对应的井口之间的多个井筒段均设为第一类井筒段；

第二设置单元303，用于当所述的判断单元判断为否时，将处于所述动液面与所述井筒对应的井底之间的多个井筒段均设为第二类井筒段；

在具体的实施方式中，假设井筒的总深度为1000米，如图11所示，动液面的高度为300米，设定的步长为100米，则该实施方式中总共可以将井筒分为10个井筒段，从井底到井口依次为0-100米、100-200米、200-300米、300-400米、400-500米、500-600米、600-700米、700-800米、800-900米、900-1000米。根据步骤S301至步骤S303可知，井筒段0-100米、100-200米、200-300米均为第二类井筒段，井筒段300-400米、400-500米、500-600米、600-700米、700-800米、800-900米、900-1000米均为第一井筒段。

第一总热阻确定单元304，用于根据所述的数据资料确定所述第一类井筒段的总热阻；

第二总热阻确定单元305，用于根据所述的数据资料确定所述第二类井筒段的总热阻。

图9为第一总热阻确定单元304的具体结构框图，由图9可知，第一总热阻确定单元304具体包括：

第一热阻确定单元401，用于依次确定每个井筒段的套管壁热传导热阻，在具体的实施方式中，套管壁热传导热阻用R₁表示。

第二热阻确定单元402，用于依次确定每个井筒段的水泥环热传导热阻，在具体的实施方式中，水泥环热传导热阻用R₂表示。

第三热阻确定单元403，用于依次确定每个井筒段的地层热传导热阻，在具体的实施方式中，地层热传导热阻用R₃表示。

第四热阻确定单元404，用于依次确定每个井筒段的液体与套管之间热对流液体热阻，在具体的实施方式中，液体与套管之间热对流液体热阻用R₄表示。

第五热阻确定单元405，用于依次确定每个井筒段的油管内外壁之间热传导热阻，在具体的实施方式中，油管内外壁之间热传导热阻用R₅表示。

第六热阻确定单元406，用于依次确定每个井筒段的气体与油管内壁之间热对流热阻，在具体的实施方式中，气体与油管内壁之间热对流热阻用R₆表示。

总热阻第一确定单元407，用于根据所述的套管壁热传导热阻、水泥环热传导热阻、地层热传导热阻、液体与套管之间热对流液体热阻、油管内外壁之间热传导热阻以及气体与油管内壁之间热对流热阻确定所述第一类井筒段的总热阻。在具体的实施方式中，该步骤确定出的井筒段的总热阻用R表示，则R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆。

图10为第二总热阻确定单元305的具体结构框图，由图10可知，第二总热阻确定单元305具体包括：

第一热阻确定单元501，用于依次确定每个井筒段的套管壁热传导热阻，在具体的实施方式中，套管壁热传导热阻用R₁表示。

第二热阻确定单元502，用于依次确定每个井筒段的水泥环热传导热阻，在具体的实施方式中，水泥环热传导热阻用R₂表示。

第三热阻确定单元503，用于依次确定每个井筒段的地层热传导热阻，在具体的实施方式中，地层热传导热阻用R₃表示。

第四热阻确定单元504，用于依次确定每个井筒段的液体与套管之间热对流液体热阻，在具体的实施方式中，液体与套管之间热对流液体热阻用R₄表示。

第五热阻确定单元505，用于依次确定每个井筒段的油管内外壁之间热传导热阻，在具体的实施方式中，油管内外壁之间热传导热阻用R₅表示。

总热阻第二确定单元506，用于根据所述的套管壁热传导热阻、水泥环热传导热阻、地层热传导热阻、液体与套管之间热对流液体热阻以及油管内外壁之间热传导热阻确定所述第二类井筒段的总热阻。在具体的实施方式中，该步骤确定出的井筒段的总热阻用R表示，则R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅。

下面结合具体的实施方式，详细介绍本发明的技术方案。在具体的实施方式中，假设井筒的总深度为1000米，如图11所示，动液面的高度为300米，设定的步长为100米，则该实施方式中总共可以将井筒分为10个井筒段，从井底到井口依次为0-100米、100-200米、200-300米、300-400米、400-500米、500-600米、600-700米、700-800米、800-900米、900-1000米。根据步骤S301至步骤S303可知，井筒段0-100米、100-200米、200-300米均为第二类井筒段，井筒段300-400米、400-500米、500-600米、600-700米、700-800米、800-900米、900-1000米均为第一类井筒段。下面分别介绍如何根据数据资料确定各个井筒段的液体温度。

1、第二类井筒段

井筒段0-100米、100-200米、200-300米均为第二类井筒段，以井筒段0-100米为例进行说明。

(1)、确定井筒段0-100米的套管壁热传导热阻。在具体的实施方式中，套管壁热传导热阻用R₁表示，通过如下公式确定：其中，K_cas为套管导热系数，r_co为套管内壁半径，r_ci为套管外壁半径。

确定井筒段0-100米的水泥环热传导热阻，在具体的实施方式中，水泥环热传导热阻用R₂表示，通过如下公式确定：其中，R₂为水泥环热传导热阻，K_cem为水泥环导热系数，r_h为井筒半径。

确定井筒段0-100米的地层热传导热阻，在具体的实施方式中，地层热传导热阻用R₃表示，通过如下公式确定：f(t)为中间变量，K_e为地层导热系数，a为地层平均散热系数，t为油井生产时间。

确定井筒段0-100米的液体与套管之间热对流液体热阻，在具体的实施方式中，液体与套管之间热对流液体热阻用R₄表示，通过如下公式确定：

$R_4=\frac{1}{2\mathrm{\π}({\mathrm{\λ}}_0*(1-f_w)+{\mathrm{\λ}}_w*f_w)}\ln \frac{r_{\mathrm{ci}}}{r_{\mathrm{to}}}$

其中，λ_o＝0.01172(1-0.00054T)/γ_o

λ_w＝3.51153-0.04436(T+273.15)+2.41233×10^-4×(T+273.15)²-6.051×10^-7×(T+273.15)³+7.22766×10^-10(T+273.15)⁴-3.3716×10^-13(T+273.15)⁵

R₄为液体与套管之间热对流液体热阻，λ_o为原油导热系数，γ_o为原油相对密度，λ_w为水导热系数，f_w为液体含水率、r_to为油管外壁半径，T为液体与套管之间环空流体温度值。

确定井筒段0-100米的油管内外壁之间热传导热阻，在具体的实施方式中，油管内外壁之间热传导热阻用R₅表示，通过如下公式确定：

$R_5\frac{1}{2\mathrm{\π}{K}_{\mathrm{tub}}}\ln \frac{r_{\mathrm{to}}}{r_{\mathrm{ti}}}$

其中，R₅为油管内外壁之间热传导热阻，K_tub为油管导热系数，r_ti为油管内壁半径。

则井筒段0-100米的总热阻用R表示，则R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅。

(2)、根据总热阻确定井筒段的总导热系数。则

(3)、根据热传导建立井筒的热能平衡方程。根据热传导，可建立井筒的热能平衡方程为：

K[θ-(t₀-ml)]dl+gGdl-qdl+Wdθ＝0

则 $\mathrm{\θ}=\frac{K(t_0-\mathrm{ml})\mathrm{dl}-\mathrm{gGdl}+\mathrm{qdl}+W{\mathrm{\θ}}_0}{\mathrm{Kdl}+W}$

其中，K为井筒段的总导热系数，θ为井筒段0-100米的液体温度，t₀为油管末端的地层温度即井底温度，m为地温梯度，l为沿井深方向的长度，g为重力加速度，q为热源强度，G为混合物的质量流量，dl为每个井筒段的纵向长度，即步长，θ₀为每个井筒段底部的温度，对于井筒段0-100米而言，θ₀＝t₀，dl具体为每个井筒段的长度100米，如此可以计算出井筒段0-100米的液体温度θ。W为油气混合物的水当量，M_f为原油质量流量，C_f为原油比热，M_g为水质量流量，C_g为水的比热，W可如下计算：W＝M_fC_f+M_gC_g。

根据井筒段0-100米的液体温度θ即可计算得到100-200米的液体温度，其中此时的dl为100米，θ₀为井筒段0-100米的温度。

根据井筒段100-200米的液体温度θ即可计算得到200-300米的液体温度，其中此时的dl为100米，θ₀为井筒段100-200米的温度。

2、第一类井筒段

井筒段300-400米、400-500米、500-600米、600-700米、700-800米、800-900米、900-1000米均为第一类井筒段，以下井筒段300-400米为例进行说明。

(1)、确定井筒段300-400米的套管壁热传导热阻。在具体的实施方式中，套管壁热传导热阻用R₁表示，通过如下公式确定：其中，K_cas为套管导热系数，r_co为套管内壁半径，r_ci为套管外壁半径。

确定井筒段300-400米的水泥环热传导热阻，在具体的实施方式中，水泥环热传导热阻用R₂表示，通过如下公式确定：其中，R₂为水泥环热传导热阻，K_cem为水泥环导热系数，r_h为井筒半径。

确定井筒段300-400米的地层热传导热阻，在具体的实施方式中，地层热传导热阻用R₃表示，通过如下公式确定：f(t)为中间变量，K_e为地层导热系数，a为地层平均散热系数，t为油井生产时间。

确定井筒段300-400米的液体与套管之间热对流液体热阻，在具体的实施方式中，液体与套管之间热对流液体热阻用R₄表示，通过如下公式确定：

$R_4=\frac{1}{2\mathrm{\π}({\mathrm{\λ}}_0*(1-f_w)+{\mathrm{\λ}}_w*f_w)}\ln \frac{r_{\mathrm{ci}}}{r_{\mathrm{to}}}$

其中，λ_o＝0.01172(1-0.00054T)/γ_o

λ_w＝3.51153-0.04436(T+273.15)+2.41233×10^-4×(T+273.15)²-6.051×10^-7×(T+273.15)³+7.22766×10^-10(T+273.15)⁴-3.3716×10^-13(T+273.15)⁵

R₄为液体与套管之间热对流液体热阻，λ_o为原油导热系数，γ_o为原油相对密度，λ_w为水导热系数，f_w为液体含水率、r_to为油管外壁半径，T为液体与套管之间环空流体温度值。

确定井筒段300-400米的油管内外壁之间热传导热阻，在具体的实施方式中，油管内外壁之间热传导热阻用R₅表示，通过如下公式确定：

$R_5=\frac{1}{2\mathrm{\π}{K}_{\mathrm{tub}}}\ln \frac{r_{\mathrm{to}}}{r_{\mathrm{ti}}}$

其中，R₅为油管内外壁之间热传导热阻，K_tub为油管导热系数，r_ti为油管内壁半径。

确定井筒段300-400米的气体与油管内壁之间热对流热阻，在具体的实施方式中，气体与油管内壁之间热对流热阻用R₆表示，通过如下公式确定：

$R_6=\frac{1}{2\mathrm{\π}(h_c+h_r)r_{\mathrm{ci}}}$

其中，h_c为环空中气体的热传热系数，h_r为环空中气体的热辐射传热系数。

具体的，环空中气体的热辐射传热系数h_r通过如下公式计算：

$h_r=\mathrm{\δ}{F}_{\mathrm{tci}}(T_{\mathrm{to}}^{*2}+T_{\mathrm{ci}}^{*2})+(T_{\mathrm{to}}^{*}+T_{\mathrm{ci}}^{*})$

$T_{\mathrm{to}}^{*}=T_{\mathrm{to}}+273.15$

$T_{\mathrm{ci}}^{*}=T_{\mathrm{ci}}+273.15$

$\frac{1}{F_{\mathrm{tci}}}=\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_o}+\frac{r_{\mathrm{to}}}{r_{\mathrm{ci}}}(\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ci}}}-1)$

T_to＝T_ti-R₅Q_k/dl

T_ci＝T_co+R₁Q_k/dl

T_co＝T_h+R₂Q_k/dl

T_h＝T_e+R₃Q_k/dl

其中，δ为Stefan-Boltzmann常数，2.189×10^-8W/(m²·K)；F_tci为油管或绝热管外壁表面向套管内壁表面辐射有效系数；ε_o为绝热管外壁黑度；ε_ci为套管内壁黑度。为油管外壁的绝对温度。T_to为油管外壁温度，T_ci为套管内壁温度，为套管内壁的绝对温度，T_co为套管外壁温度，T_h为水泥环外温度，T_e为地层温度。T_ti为油管内壁温度。Q_k为井筒段径向热损失。dl为步长。

环空中气体的热传热系数h_c通过如下公式计算：

$h_c=\frac{0.049{\left(G_r{P}_r\right)}^{0.55}{P_r}^{0.074}{K}_{\mathrm{ha}}}{r_o\ln \frac{r_{\mathrm{ci}}}{r_{\mathrm{to}}}}$

$G_r=\frac{{(r_{\mathrm{ci}}-r_{\mathrm{to}})}^{2}g{{\mathrm{\ρ}}^2}_{\mathrm{an}}\mathrm{\β}(T_{\mathrm{to}}-T_{\mathrm{ci}})}{{U^2}_{\mathrm{an}}}$

$R_r=\frac{C_{\mathrm{an}}-U_{\mathrm{an}}}{K_{\mathrm{ha}}}$

其中，Gr为Grashof数，Pr为Prandtl数，K_ha为环空流体的导热系数，W/(m·K)；g为重力加速度，m/s²；ρ_an为环空流体在平均温度T_an下的密度，kg/m³；U_an为环空流体在平均温度T_an下的粘度，mPa·s；C_an为环空流体在平均温度T_an下的热容，J(m³·K)。T_an为油套环空的平均温度。

则井筒段300-400米的总热阻用R表示，则R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆。

(2)、根据总热阻确定井筒段的总导热系数。则

(3)、根据热传导建立井筒的热能平衡方程。根据热传导，可建立井筒的热能平衡方程为：

K[θ-(t₀-ml)]dl+gGdl-qdl+Wdθ＝0

则 $\mathrm{\θ}=\frac{K(t_0-\mathrm{ml})\mathrm{dl}-\mathrm{gGdl}+\mathrm{qdl}+W{\mathrm{\θ}}_0}{\mathrm{Kdl}+W}$

其中，K为井筒段的总导热系数，θ为井筒段300-400米的液体温度，t₀为油管末端的地层温度即井底温度，m为地温梯度，l为沿井深方向的长度，g为重力加速度，q为热源强度，G为混合物的质量流量，dl为步长，θ₀为井筒段底部的温度，对于井筒段300-400米而言，θ₀具体为200-300米底部的温度，，如此可以计算出井筒段300-400米的液体温度θ。W为油气混合物的水当量，M_f为原油质量流量，C_f为原油比热，M_g为水质量流量，C_g为水的比热，W可如下计算：W＝M_fC_f+M_gC_g。

根据井筒段400-500米的液体温度θ即可计算得到500-600米的液体温度，其中此时的dl为步长，θ₀为井筒段400-500米底部的温度。

根据井筒段500-600米的液体温度θ即可计算得到600-700米的液体温度，其中此时的dl为步长，θ₀为井筒段500-600米底部的温度。如此类推，即可计算出井筒段300-400米、400-500米、500-600米、600-700米、700-800米、800-900米、900-1000米的液体温度。

3、0-100米、100-200米、200-300米、300-400米、400-500米、500-600米、600-700米、700-800米、800-900米、900-1000米各自的液体温度即可组成井筒温度场分布。

本方案不用进行总导热系数的迭代计算，计算速度更快，可以任意设置计算步长，当步长越小，计算精度越高。该方法具有非常好的稳定性和收敛性，更加适合计算机编程。如下所示：

1、数据准备，数据主要包括：水泥导热系数；井眼半径；油管内径；油管外径；油管下入深度；油管导热系数；套管导热系数；套管内径；套管外径；井筒液体含水率；原油导热系数；水的导热系数；原油相对密度；地层导热系数；油管末端的地层温度；地温梯度等。

2、计算热阻R。

3、从井底开始计算，令l＝H，k＝1，θ₀＝t₀。(H为井筒深度)。

4、计算总导热系数K。

5、根据热能平衡方程计算井筒中液体的温度。

6、令k＝k+1,θ₀＝θ，l＝l-dl继续迭代计算。若l<＝0,则迭代结束。

综上所述，本发明提供了一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方法及系统，该方案是针对稠油、特稠油以及超稠油的开采，粘度主要受温度影响大的特点提出的，是一种精确的基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方案，通过获取与空心杆电加热以及井筒相关的数据资料，根据设定步长将井筒分为多个井筒段，依次确定每个井筒段中液体的温度，如此则得到了井筒温度场分布，为后续选择合理的电加热功率以满足现有稠油、特稠油以及超稠油的开采提供了数据依据，进而提高了稠油、特稠油以及超稠油的开采的效率。

本发明提供的一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方法及系统，形成了一套解释工具。通过对电加热后井筒温度场的分段计算分析，后续可以计算出每段的原油粘度，进一步的可以计算出杆液摩擦力和管液摩擦载荷，最终可以杆柱上行程计算出抽油机悬点载荷。可以调整空心杆电缆加热功率和举升工艺参数，已达到优化举升系统效率的目的。且不用进行总导热系数的迭代计算，计算速度更快，可以任意设置计算步长，当步长越小，计算精度越高。该方法具有非常好的稳定性和收敛性，更加适合计算机编程。

本发明所涉及的方案具有良好的计算稳定性和较高的计算精度，通过该算法和解释工具，可以很好的对空心杆电缆加热功率和举升工艺参数进行预测和调整。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一般计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccess Memory，RAM)等。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (16)

1.一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方法，其特征是，所述的方法包括：

获取与空心杆电加热以及井筒相关的数据资料；

根据所述井筒中动液面的高度以及井筒的深度设定步长；

根据所述的步长将所述的井筒分为多个井筒段；

根据所述的数据资料分别确定所述多个井筒段中液体的温度；

所述的多个井筒段中液体的温度组成井筒温度场分布。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的数据资料包括套管导热系数、套管内壁半径、套管外壁半径、水泥环导热系数、井筒半径、地层导热系数、地层平均散热系数、油井生产时间、原油相对密度、原油导热系数、水导热系数、液体含水率、油管外壁半径、油管导热系数和油管内壁半径。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，根据所述的数据资料分别确定所述多个井筒段中液体的温度包括：

依次确定每个井筒段的总热阻；

根据所述的总热阻确定每个井筒段的总导热系数；

根据热传导建立井筒的热能平衡方程；

根据所述的热能平衡方程以及所述的总导热系数确定每个井筒段中液体的温度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，依次确定每个井筒段的总热阻包括：

依次判断每个所述的井筒段是否处于所述动液面与所述井筒对应的井口之间；

当判断为是时，将处于所述动液面与所述井筒对应的井口之间的多个井筒段均设为第一类井筒段；

否则，将处于所述动液面与所述井筒对应的井底之间的多个井筒段均设为第二类井筒段；

根据所述的数据资料确定所述第一类井筒段的总热阻；

根据所述的数据资料确定所述第二类井筒段的总热阻。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，根据所述的数据资料确定所述第一类井筒段的总热阻包括：

依次确定每个井筒段的套管壁热传导热阻；

依次确定每个井筒段的水泥环热传导热阻；

依次确定每个井筒段的地层热传导热阻；

依次确定每个井筒段的液体与套管之间热对流液体热阻；

依次确定每个井筒段的油管内外壁之间热传导热阻；

依次确定每个井筒段的气体与油管内壁之间热对流热阻；

根据所述的套管壁热传导热阻、水泥环热传导热阻、地层热传导热阻、液体与套管之间热对流液体热阻、油管内外壁之间热传导热阻以及气体与油管内壁之间热对流热阻确定所述第一类井筒段的总热阻。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征是，根据所述的数据资料确定所述第二类井筒段的总热阻包括：

依次确定每个井筒段的套管壁热传导热阻；

依次确定每个井筒段的水泥环热传导热阻；

依次确定每个井筒段的地层热传导热阻；

依次确定每个井筒段的液体与套管之间热对流液体热阻；

依次确定每个井筒段的油管内外壁之间热传导热阻；

根据所述的套管壁热传导热阻、水泥环热传导热阻、地层热传导热阻、液体与套管之间热对流液体热阻以及油管内外壁之间热传导热阻确定所述第二类井筒段的总热阻。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征是：

依次确定每个井筒段的套管壁热传导热阻通过如下公式实现：

$R_1=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}{K}_{\mathrm{cas}}}\ln \frac{r_{\mathrm{co}}}{r_{\mathrm{ci}}};$

其中，R₁为套管壁热传导热阻，K_cas为套管导热系数，r_co为套管内壁半径，r_ci为套管外壁半径；

依次确定每个井筒段的水泥环热传导热阻通过如下公式实现：

$R_2=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}{K}_{\mathrm{cem}}}\ln \frac{r_h}{r_{\mathrm{co}}};$

其中，R₂为水泥环热传导热阻，K_cem为水泥环导热系数，r_h为井筒半径；

依次确定每个井筒段的地层热传导热阻通过如下公式实现：

$R_3=\frac{f\left(t\right)}{2\mathrm{\&pi;}{K}_e}$

其中，f(t)为中间变量，R₃为地层热传导热阻，K_e为地层导热系数，a为地层平均散热系数，t为油井生产时间；

依次确定每个井筒段的液体与套管之间热对流液体热阻通过如下公式实现：

$R_4=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}({\mathrm{\&lambda;}}_0*(1-f_w)+{\mathrm{\&lambda;}}_w*f_w)}\ln \frac{r_{\mathrm{ci}}}{r_{\mathrm{to}}}$

其中，λ_o＝0.01172(1-0.00054T)/γ_o

λ_w＝3.51153-0.04436(T+273.15)+2.41233×10^-4×(T+273.15)²-6.051×10^-7

×(T+273.15)³+7.22766×10^-10(T+273.15)⁴-3.3716×10^-13(T+273.15)⁵

R₄为液体与套管之间热对流液体热阻，λ_o为原油导热系数，γ_o为原油相对密度，λ_w为水导热系数，f_w为液体含水率、r_to为油管外壁半径，T为液体与套管之间环空流体温度值；

依次确定每个井筒段的油管内外壁之间热传导热阻通过如下公式实现：

$R_5=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}{K}_{\mathrm{tub}}}\ln \frac{r_{\mathrm{to}}}{r_{\mathrm{ti}}}$

其中，R₅为油管内外壁之间热传导热阻，K_tub为油管导热系数，r_ti为油管内壁半径。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征是，依次确定每个井筒段的气体与油管内壁之间热对流热阻通过如下公式实现：

$R_6=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}(h_c+h_r)r_{\mathrm{ci}}}$

其中，R₆为气体与油管内壁之间热对流热阻，h_c为环空中气体的热传热系数，h_r为环空中气体的热辐射传热系数。

9.一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的系统，其特征是，所述的系统包括：

数据资料获取装置，用于获取与空心杆电加热以及井筒相关的数据资料；

步长设定装置，用于根据所述井筒中动液面的高度以及井筒的深度设定步长；

井筒段确定装置，用于根据所述的步长将所述的井筒分为多个井筒段；

液体温度确定装置，用于根据所述的数据资料分别确定所述多个井筒段中液体的温度；

井筒温度场分布确定装置，用于所述的多个井筒段中液体的温度组成井筒温度场分布。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征是，所述的数据资料包括套管导热系数、套管内壁半径、套管外壁半径、水泥环导热系数、井筒半径、地层导热系数、地层平均散热系数、油井生产时间、原油相对密度、原油导热系数、水导热系数、液体含水率、油管外壁半径、油管导热系数和油管内壁半径。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征是，所述的液体温度确定装置包括：

总热阻确定模块，用于依次确定每个井筒段的总热阻；

总导热系数确定模块，用于根据所述的总热阻确定每个井筒段的总导热系数；

热平衡方程确定模块，用于根据热传导建立井筒的热能平衡方程；

液体温度确定模块，用于根据所述的热能平衡方程以及所述的总导热系数确定每个井筒段中液体的温度。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征是，所述的总热阻确定模块包括：

判断单元，用于依次判断每个所述的井筒段是否处于所述动液面与所述井筒对应的井口之间；

第一设置单元，用于当所述的判断单元判断为是时，将处于所述动液面与所述井筒对应的井口之间的多个井筒段均设为第一类井筒段；

第二设置单元，用于当所述的判断单元判断为否时，将处于所述动液面与所述井筒对应的井底之间的多个井筒段均设为第二类井筒段；

第一总热阻确定单元，用于根据所述的数据资料确定所述第一类井筒段的总热阻；

第二总热阻确定单元，用于根据所述的数据资料确定所述第二类井筒段的总热阻。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征是，所述的第一总热阻确定单元包括：

第一热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的套管壁热传导热阻；

第二热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的水泥环热传导热阻；

第三热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的地层热传导热阻；

第四热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的液体与套管之间热对流液体热阻；

第五热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的油管内外壁之间热传导热阻；

第六热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的气体与油管内壁之间热对流热阻；

总热阻第一确定单元，用于根据所述的套管壁热传导热阻、水泥环热传导热阻、地层热传导热阻、液体与套管之间热对流液体热阻、油管内外壁之间热传导热阻以及气体与油管内壁之间热对流热阻确定所述第一类井筒段的总热阻。

14.根据权利要求12所述的系统，其特征是，所述的第二总热阻确定单元包括：

第一热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的套管壁热传导热阻；

第二热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的水泥环热传导热阻；

第三热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的地层热传导热阻；

第四热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的液体与套管之间热对流液体热阻；

第五热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的油管内外壁之间热传导热阻；

总热阻第二确定单元，用于根据所述的套管壁热传导热阻、水泥环热传导热阻、地层热传导热阻、液体与套管之间热对流液体热阻以及油管内外壁之间热传导热阻确定所述第二类井筒段的总热阻。

15.根据权利要求13或14所述的系统，其特征是：

依次确定每个井筒段的套管壁热传导热阻通过如下公式实现：

$R_1=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}{K}_{\mathrm{cas}}}\ln \frac{r_{\mathrm{co}}}{r_{\mathrm{ci}}};$

其中，R₁为套管壁热传导热阻，K_cas为套管导热系数，r_co为套管内壁半径，r_ci为套管外壁半径；

依次确定每个井筒段的水泥环热传导热阻通过如下公式实现：

$R_2=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}{K}_{\mathrm{cem}}}\ln \frac{r_h}{r_{\mathrm{co}}};$

其中，R₂为水泥环热传导热阻，K_cem为水泥环导热系数，r_h为井筒半径；

依次确定每个井筒段的地层热传导热阻通过如下公式实现：

$R_3=\frac{f\left(t\right)}{2\mathrm{\&pi;}{K}_e}$

其中，f(t)为中间变量，R₃为地层热传导热阻，K_e为地层导热系数，a为地层平均散热系数，t为油井生产时间；

依次确定每个井筒段的液体与套管之间热对流液体热阻通过如下公式实现：

$R_4=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}({\mathrm{\&lambda;}}_0*(1-f_w)+{\mathrm{\&lambda;}}_w*f_w)}\ln \frac{r_{\mathrm{ci}}}{r_{\mathrm{to}}}$

其中，λ_o＝0.01172(1-0.00054T)/γ_o

λ_w＝3.51153-0.04436(T+273.15)+2.41233×10^-4×(T+273.15)²-6.051×10^-7

×(T+273.15)³+7.22766×10^-10(T+273.15)⁴-3.3716×10^-13(T+273.15)⁵

R₄为液体与套管之间热对流液体热阻，λ_o为原油导热系数，γ_o为原油相对密度，λ_w为水导热系数，f_w为液体含水率、r_to为油管外壁半径，T为液体与套管之间环空流体温度值；

依次确定每个井筒段的油管内外壁之间热传导热阻通过如下公式实现：

$R_5=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}{K}_{\mathrm{tub}}}\ln \frac{r_{\mathrm{to}}}{r_{\mathrm{ti}}}$

其中，R₅为油管内外壁之间热传导热阻，K_tub为油管导热系数，r_ti为油管内壁半径。

16.根据权利要求13所述的系统，其特征是，依次确定每个井筒段的气体与油管内壁之间热对流热阻通过如下公式实现：

$R_6=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}(h_c+h_r)r_{\mathrm{ci}}}$

其中，R₆为气体与油管内壁之间热对流热阻，h_c为环空中气体的热传热系数，h_r为环空中气体的热辐射传热系数。