CN105403590B - 隔热管导热系数测试方法及装置 - Google Patents
隔热管导热系数测试方法及装置 Download PDFInfo
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- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
Abstract
本申请实施例公开了一种隔热管导热系数测试方法及装置。所述方法包括：获取油气井中隔热管、套管和水泥层的结构参数；在向所述油气井的井筒内注入水蒸汽后，获取所述井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及第二位置处水蒸汽的温度和干度，所述井筒为油气井中隔热管形成的井筒；根据所述隔热管、套管和水泥层的结构参数，以及所述井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及所述井筒内第二位置处水蒸汽的温度和干度，获取所述油气井内隔热管的导热系数。本申请实施例的方法和装置，可以在井下对隔热管的导热系数进行测试。
Description
技术领域
本申请涉及石油勘探技术领域，特别涉及一种隔热管导热系数测试方法及装置。
背景技术
目前，国内外开采稠油，大多采用热力采油方法。该方法主要是将高温高压蒸汽注入油层，利用蒸汽加热和驱油作用，达到稠油开采的目的。为了减少热量的损失、降低热采成本，通常使用隔热管将高温高压蒸汽注入油层，而注入油层蒸汽的热损失主要是由隔热管的导热系数决定的，因此，需要对隔热管的导热系数进行检测。
现有技术中，在将隔热管下入油气井之前，通常在地面通过实验测试隔热管的导热系数。这样，在后续的开采过程中，通常将在地面测定的导热系数作为隔热管在油气井中的导热系数。
在实现本申请过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
随着隔热管的老化，其导热系数一般也会发生变化。地面测定的导热系数与隔热管在油气井中的真实导热系数往往存在较大的差异，并且随着时间的增长，该差异会变大，从而使得在开采现场难以通过隔热管的导热系数准确地预测油气井井筒的热损失。因此，急需一种能够在井下直接对隔热管的导热系数进行测试的方法。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种隔热管导热系数测试方法及装置，以在井下对隔热管的导热系数进行测试。
为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种隔热管导热系数测试方法及装置是这样实现的：
一种隔热管导热系数测试方法，包括：
获取油气井中隔热管、套管和水泥层的结构参数；
在向所述油气井的井筒内注入水蒸汽后，获取所述井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及第二位置处水蒸汽的温度和干度，所述井筒为油气井中隔热管形成的井筒；
根据所述隔热管、套管和水泥层的结构参数，以及所述井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及所述井筒内第二位置处水蒸汽的温度和干度，获取所述油气井内隔热管的导热系数。
一种隔热管导热系数测试装置，包括：
第一获取模块，用于获取油气井中隔热管、套管和水泥层的结构参数；
第二获取模块，用于在向所述油气井的井筒内注入水蒸汽后，获取所述井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及第二位置处水蒸汽的温度和干度，所述井筒为油气井中隔热管形成的井筒；
第三获取模块，用于根据所述隔热管、套管和水泥层的结构参数，以及所述井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及所述井筒内第二位置处水蒸汽的温度和干度，获取所述油气井内隔热管的导热系数。
由以上本申请实施例提供的技术方案可见，本申请实施例可以获取油气井中隔热管、套管和水泥层的结构参数，然后在向所述油气井的井筒内注入水蒸汽后，获取所述井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及第二位置处水蒸汽的温度和干度，最后可以根据所述隔热管、套管和水泥层的结构参数，以及所述井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及所述井筒内第二位置处水蒸汽的温度和干度，获取所述油气井内隔热管的导热系数。与现有技术相比，本申请实施例可以根据所述隔热管、套管和水泥层的结构参数，以及所述井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及所述井筒内第二位置处水蒸汽的温度和干度，获取所述油气井内隔热管的导热系数，从而可以在井下直接对隔热管的导热系数进行测试，进而可以在开采现场通过隔热管的导热系数准确地预测油气井井筒的热损失。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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。
图1为本申请实施例开采稠油的油气井的井壁单侧剖面示意图；
图2为本申请实施例隔热管导热系数测试方法的流程图；
图3为本申请实施例隔热管导热系数测试装置的功能模块示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
一般地，在油气井钻井完成后，为了防止井壁坍塌堵塞井口，可以对油气井进行固井。固井的过程一般是将套管下入到油气井的井孔内，然后在套管与井壁之间浇筑水泥以对套管和井壁之间的空间进行密封固定。其中，套管与井壁之间浇筑的水泥构成了油气井的水泥层。而对于开采稠油的油气井，为了实现隔热，通常还可以在套管内下入隔热管，并在隔热管与套管形成的环形空间内填充介质，例如水或空气等，以减少热量的损失。隔热管通常由内管和外管组成。在隔热管的内管和外管之间为绝热层，其内部可以为真空，或者可以填充有绝热材料。
下面介绍本申请隔热管导热系数测试方法的一个实施例。该实施例可以测定用于开采稠油的油气井中隔热管的导热系数。对于开采稠油的油气井，其井壁的单侧剖面可以如图1所示。在图1中，虚线表示油气井井筒的纵向中心轴线，1为隔热管内管内部的单侧剖面，2为隔热管内管的单侧剖面，3为绝热层的单侧剖面，4为隔热管外管的单侧剖面，5为环形空间的单侧剖面，6为套管的单侧剖面，7为水泥层的单侧剖面，r1为隔热管内管外壁的半径，r2为隔热管外管内壁的半径，r3为隔热管外管外壁的半径，r4为套管外壁的半径，r5为水泥层外壁的半径，r6为隔热管内管内壁的半径，r7为套管内壁的半径。因此，本申请的实施例可以包括如图2所示的步骤：
S201：获取油气井中隔热管、套管和水泥层的结构参数。
所述隔热管的结构参数可以包括隔热管内管外壁的半径、外管内壁的半径、外管外壁的半径。所述套管的结构参数可以包括套管外壁的半径。所述水泥层的结构参数可以包括水泥层外壁的半径。
通过油气井的结构参数，可以获取油气井中隔热管、套管和水泥层的结构参数。
在一些实施方式中，所述隔热管的结构参数还可以包括隔热管内管内壁的半径。所述套管的结构参数还可以包括套管内壁的半径。
S202：在向所述油气井井筒内注入水蒸汽后，获取所述井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及第二位置处水蒸汽的温度和干度，所述井筒为油气井中隔热管形成的井筒。
具体地，在油气井中套管所形成的井筒内，可以分别在第一位置处和第二位置处放置测试仪器。其中，第一位置处的深度值与第二位置处的深度值一般是不相同的，二者之间的差值可以根据实际的需要灵活设定。在向所述油气井井筒内注入水蒸汽后，通过第一位置处的测试仪器和第二位置处的测试仪器，可以分别获取第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及第二位置处水蒸汽的温度和干度。其中，所述水蒸汽可以为饱和状态下的水蒸汽。
S203：根据所述隔热管、套管和水泥层的结构参数，以及所述井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及所述井筒内第二位置处水蒸汽的温度和干度，获取所述油气井内隔热管的导热系数。
可以根据井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及井筒内第二位置处水蒸汽的温度和干度，获取井筒内第一位置处与第二位置处之间的水蒸汽沿所述井筒径向的传热量，然后根据所述隔热管、套管和水泥层的结构参数，以及所述传热量，获取所述油气井内隔热管的导热系数。
具体地，隔热管与套管形成的环形空间内填充的介质可以包括水和空气。当所述环形空间内填充的介质为空气时，可以通过如下的公式(1)获取所述油气井内隔热管的导热系数。当所述环形空间内填充的介质为水时，可以通过如下的公式(2)获取所述油气井内隔热管的导热系数。
式(1)和式(2)中，
λins为油气井中隔热管的导热系数，单位为kcal/(m·h·℃)；
λcem为油气井中水泥层的导热系数，单位为kcal/(m·h·℃)，具体为已知；
r1为油气井中隔热管内管外壁的半径，r2为油气井中隔热管外管内壁的半径，r3为油气井中隔热管外管外壁的半径，r4为油气井中套管外壁的半径，r5为油气井中水泥层外壁的半径，其单位均为m；
hc为油气井中隔热管与套管形成的环形空间内的自然对流换热系数，hr为油气井中隔热管与套管形成的环形空间内的辐射换热系数，其单位均为kcal/(m2·h·℃)，具体为已知；
Δt为注入的水蒸汽温度与目标地层温度之间的差值，其单位为℃，其中，所述目标地层为深度值在第一位置处的深度值与第二位置处的深度值之间并且与油气井井壁相接触的地层，所述油气井井壁为油气井中水泥层的外壁；进一步地，目标地层的温度一般等于地层温度梯度乘以深度加上地表温度。其中，地表温度一般取为15°，地层温度梯度一般为每米0.03度。例如，深度为1000米地层的温度可以为1000*0.03°+15°＝45°。
A为第一位置处与第二位置处之间井筒的换热面积，其单位为m2；
Q为油气井井筒内第一位置处与第二位置处之间的水蒸汽沿井筒径向的传热量，其单位为kcal/h。
进一步地，可以根据第一位置处与第二位置处深度值的差值，以及隔热管内管的外壁半径，通过如下的公式(3)计算得到油气井井筒的换热面积。
A＝2πr2L (3)
式(3)中，
L为第一位置处与第二位置处深度值的差值。
进一步地，根据井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及所述井筒内第二位置处水蒸汽的温度和干度，获取所述井筒内第一位置处与第二位置处之间的水蒸汽沿所述井筒径向的传热量，可以通过如下的公式(4)计算Q值。
Q＝4.1868q(hm1-hm2) (4)
式(4)中，
q为向井筒内注入水蒸汽的速度，其单位为kg/h；
hm1为第一位置处水蒸汽的焓值，其单位为kJ/kg，具体可以根据井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度计算得到；
hm2为第二位置处水蒸汽的焓值，其单位为kJ/kg，具体可以根据井筒内第二位置处水蒸汽的温度和干度计算得到。
更进一步地，可以通过如下的公式(5)计算第一位置处水蒸汽的焓值，通过如下的公式(6)计算第二位置处水蒸汽的焓值。
hm1＝(1-X1)hl1+X1hg1 (5)
式(5)中，
hl1为第一位置处水蒸汽中水的焓值，其单位为kJ/kg；
hg1为第一位置处水蒸汽中蒸汽的焓值，其单位为kJ/kg；
X1为第一位置处水蒸汽的干度值。
hm2＝(1-X2)hl2+X2hg2 (6)
式(6)中，
X2为第二位置处水蒸汽的干度值；
hl2为第二位置处水蒸汽中水的焓值，其单位为kJ/kg；
hg2为第二位置处水蒸汽中蒸汽的焓值，其单位为kJ/kg。
更进一步地，可以通过如下的公式(7)计算第一位置处水蒸汽中水的焓值，通过如下的公式(8)计算第二位置处水蒸汽中水的焓值。
式(7)中，
T1为第一位置处水蒸汽的温度。
式(8)中，
T2为第二位置处水蒸汽的温度。
更进一步地，可以通过如下的公式(9)计算第一位置处水蒸汽中蒸汽的焓值，通过如下的公式(10)计算第二位置处水蒸汽中蒸汽的焓值。
图2对应的实施例，可以获取油气井中隔热管、套管和水泥层的结构参数，然后在向所述油气井的井筒内注入水蒸汽后，获取所述井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及第二位置处水蒸汽的温度和干度，最后可以根据所述隔热管、套管和水泥层的结构参数，以及所述井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及所述井筒内第二位置处水蒸汽的温度和干度，获取所述油气井内隔热管的导热系数。与现有技术相比，图2所对应的实施例可以根据所述隔热管、套管和水泥层的结构参数，以及所述井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及所述井筒内第二位置处水蒸汽的温度和干度，获取所述油气井内隔热管的导热系数，从而可以在井下直接对隔热管的导热系数进行测试，进而可以在开采现场通过隔热管的导热系数准确地预测油气井井筒的热损失。
本申请实施例还提供一种隔热管导热系数测试装置。如图3所示，该装置可以包括第一获取模块301、第二获取模块302和第三获取模块303。其中，
第一获取模块301，用于获取油气井中隔热管、套管和水泥层的结构参数；
第二获取模块302，用于在向所述油气井的井筒内注入水蒸汽后，获取所述井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及第二位置处水蒸汽的温度和干度，所述井筒为油气井中隔热管形成的井筒；
第三获取模块303，用于根据所述隔热管、套管和水泥层的结构参数，以及所述井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及所述井筒内第二位置处水蒸汽的温度和干度，获取所述油气井内隔热管的导热系数。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本申请可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。
虽然通过实施例描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。
Claims (7)
1.一种隔热管导热系数测试方法，其特征在于，包括：
获取油气井中隔热管、套管和水泥层的结构参数；
在向所述油气井的井筒内注入水蒸汽后，获取所述井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及第二位置处水蒸汽的温度和干度，所述井筒为油气井中隔热管形成的井筒；
根据井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及所述井筒内第二位置处水蒸汽的温度和干度，获取所述井筒内第一位置处与第二位置处之间的水蒸汽沿所述井筒径向的传热量；
根据所述隔热管、套管和水泥层的结构参数，以及所述传热量，获取所述油气井内隔热管的导热系数；其中，
当隔热管与套管形成的环形空间内的介质为空气时，所述获取所述油气井内隔热管的导热系数，包括：通过如下的公式获取所述油气井内隔热管的导热系数；
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λins为油气井中隔热管的导热系数；
λcem为油气井中水泥层的导热系数；
r1为油气井中隔热管内管外壁的半径，r2为油气井中隔热管外管内壁的半径，r3为油气井中隔热管外管外壁的半径，r4为油气井中套管外壁的半径，r5为油气井中水泥层外壁的半径；
hc为环形空间内的自然对流换热系数，hr为环形空间内的辐射换热系数；
Δt为注入水蒸汽温度与目标地层温度之间的差值，所述目标地层为深度值在第一位置处的深度值与第二位置处的深度值之间并且与油气井井壁相接触的地层，所述油气井井壁为油气井中水泥层的外壁；
A为第一位置处与第二位置处之间井筒的换热面积；
Q为油气井井筒内第一位置处与第二位置处之间的水蒸汽沿井筒径向的传热量；
当隔热管与套管形成的环形空间内的介质为水时，所述获取所述油气井内隔热管的导热系数，包括：通过如下的公式获取所述油气井内隔热管的导热系数；
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λins为油气井中隔热管的导热系数；
λcem为油气井中水泥层的导热系数；
r1为油气井中隔热管内管外壁的半径，r2为油气井中隔热管外管内壁的半径，r3为油气井中隔热管外管外壁的半径，r4为油气井中套管外壁的半径，r5为油气井中水泥层外壁的半径；
hc为环形空间内的自然对流换热系数，hr为环形空间内的辐射换热系数；
Δt为注入水蒸汽温度与目标地层温度之间的差值，所述目标地层为深度值在第一位置处的深度值与第二位置处的深度值之间并且与油气井井壁相接触的地层，所述油气井井壁为油气井中水泥层的外壁；
A为第一位置处与第二位置处之间井筒的换热面积；
Q为油气井井筒内第一位置处与第二位置处之间的水蒸汽沿井筒径向的传热量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
A＝2πr2L，
其中，
L为第一位置处与第二位置处深度值的差值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及所述井筒内第二位置处水蒸汽的温度和干度，获取所述井筒内第一位置处与第二位置处之间的水蒸汽沿所述井筒径向的传热量，具体包括：
根据井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及所述井筒内第二位置处水蒸汽的温度和干度，通过如下的公式获取所述井筒内第一位置处与第二位置处之间的水蒸汽沿所述井筒径向的传热量：
Q＝4.1868q(hm1-hm2)，
其中，
Q为油气井井筒内第一位置处与第二位置处之间的水蒸汽沿井筒径向的传热量；
q为向井筒内注入水蒸汽的速度；
hm1为根据井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，计算得到的第一位置处水蒸汽的焓值；
hm2为根据井筒内第二位置处水蒸汽的温度和干度，计算得到的第二位置处水蒸汽的焓值。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，
hm1＝(1-X1)hl1+X1hg1，
其中，
hl1为第一位置处水蒸汽中水的焓值；
hg1为第一位置处水蒸汽中蒸汽的焓值；
X1为第一位置处水蒸汽的干度值；
相应地，hm2＝(1-X2)hl2+X2hg2，
其中，
X2为第二位置处水蒸汽的干度值；
hl2为第二位置处水蒸汽中水的焓值；
hg2为第二位置处水蒸汽中蒸汽的焓值。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，
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其中，
T1为第一位置处水蒸汽的温度；
相应地，
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其中，
T2为第一位置处水蒸汽的温度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述隔热管的结构参数包括隔热管内管外壁的半径、外管内壁的半径和外管外壁的半径，所述套管的结构参数包括套管外壁的半径，所述水泥层的结构参数包括水泥层外壁的半径。
7.一种隔热管导热系数测试装置，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获取油气井中隔热管、套管和水泥层的结构参数；
第二获取模块，用于在向所述油气井的井筒内注入水蒸汽后，获取所述井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及第二位置处水蒸汽的温度和干度，所述井筒为油气井中隔热管形成的井筒；
第三获取模块，用于根据井筒内第一位置处水蒸汽的温度和干度，以及所述井筒内第二位置处水蒸汽的温度和干度，获取所述井筒内第一位置处与第二位置处之间的水蒸汽沿所述井筒径向的传热量；根据所述隔热管、套管和水泥层的结构参数，以及所述传热量，获取所述油气井内隔热管的导热系数；其中，
当隔热管与套管形成的环形空间内的介质为空气时，所述获取所述油气井内隔热管的导热系数，包括：通过如下的公式获取所述油气井内隔热管的导热系数；
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λins为油气井中隔热管的导热系数；
λcem为油气井中水泥层的导热系数；
r1为油气井中隔热管内管外壁的半径，r2为油气井中隔热管外管内壁的半径，r3为油气井中隔热管外管外壁的半径，r4为油气井中套管外壁的半径，r5为油气井中水泥层外壁的半径；
hc为环形空间内的自然对流换热系数，hr为环形空间内的辐射换热系数；
Δt为注入水蒸汽温度与目标地层温度之间的差值，所述目标地层为深度值在第一位置处的深度值与第二位置处的深度值之间并且与油气井井壁相接触的地层，所述油气井井壁为油气井中水泥层的外壁；
A为第一位置处与第二位置处之间井筒的换热面积；
Q为油气井井筒内第一位置处与第二位置处之间的水蒸汽沿井筒径向的传热量；
当隔热管与套管形成的环形空间内的介质为水时，所述获取所述油气井内隔热管的导热系数，包括：通过如下的公式获取所述油气井内隔热管的导热系数；
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λins为油气井中隔热管的导热系数；
λcem为油气井中水泥层的导热系数；
r1为油气井中隔热管内管外壁的半径，r2为油气井中隔热管外管内壁的半径，r3为油气井中隔热管外管外壁的半径，r4为油气井中套管外壁的半径，r5为油气井中水泥层外壁的半径；
hc为环形空间内的自然对流换热系数，hr为环形空间内的辐射换热系数；
Δt为注入水蒸汽温度与目标地层温度之间的差值，所述目标地层为深度值在第一位置处的深度值与第二位置处的深度值之间并且与油气井井壁相接触的地层，所述油气井井壁为油气井中水泥层的外壁；
A为第一位置处与第二位置处之间井筒的换热面积；
Q为油气井井筒内第一位置处与第二位置处之间的水蒸汽沿井筒径向的传热量。
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