CN106194135A - 双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热方法及装置，其中，该方法包括：根据油藏静态参数和注汽井的管柱结构参数，分析垂直井筒中过热蒸汽的沿程热力参数变化规律，计算过热蒸汽在注汽井的水平井跟端处的热力参数；根据油藏静态参数，在不同的注汽井管柱结构参数下，在水平段进行双油管注过热蒸汽时，计算水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态；根据过热蒸汽在注汽井的水平井跟端处的热力参数和水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态，调整注汽井的管柱结构参数，确定向注汽井注入过热蒸汽的注汽参数，采用调整后的管柱结构参数和确定的注汽参数向注汽井注入过热蒸汽进行循环预热，使得注汽井的水平井趾端处于持续过热状态。

Description

双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热方法及装置

技术领域

本发明涉及石油开采技术领域，特别涉及一种双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热方法及装置。

背景技术

相对于常规原油来说，稠油虽然粘度高，流动困难，开采难度大，但是资源总量丰富，据有关专家估计全世界的稠油总资源量比常规原油资源量高十余倍，具有替代常规石油能源的战略地位。而且稠油资源分布广泛，几乎所有产油国都有发现。随着热力开采技术的发展，稠油油藏的开采规模也在逐步扩大，产量在不断增长，稠油热采在石油工业中已经占有较为重要的位置。我国稠油资源分布很广，储量丰富。陆上稠油、沥青资源约占石油总资源量的五分之一以上。目前已在12个盆地发现了70多个稠油油田或区块。到1994年底，累积投入开发的地质储量为8.ll×108t。我国稠油开采的历史可以追溯到60年代初，在新疆克拉玛依油田，最先开展了蒸汽吞吐、蒸汽驱试验之后，在引进国外注蒸汽开采的先进技术和装备基础上，经消化吸收，逐步形成了适应我国稠油油藏特点的注蒸汽开采技术，极大地促进了我国稠油大规模工业化开采。我国己经成为世界主要稠油生产国之一，但是我国稠油开采存在如下问题：开采方式单，主要是蒸汽吞吐。虽然技术成熟，开发效果好，但是技术适用范围小，产量上升空间有限，对特稠油和超稠油不适用。为了满足我国经济快速增长的需要，迫切需要扩大稠油的可采储量，而特稠油、超稠油资源量丰富，可作为普通稠油的接替储量。蒸汽辅助重力泄油技术就是针对特稠油、超稠油高粘度特点而应运而生的一种经济有效的开采方法。

蒸汽辅助重力泄油(SAGD，Steam assisted gravity drainage)的理论由罗杰.巴特勒博士首次提出，最初的概念是基于注水采盐的原理。其基本原理为：通过向油藏中注入蒸汽加热地层原油，增加了原油的流动性；同时，由于蒸汽的密度远远小于原油的密度，在重力差异的作用下被加热的原油和冷凝的液态水向下运移，蒸汽向上运移填补原来的空间。蒸汽辅助重力泄油技术在加拿大油砂矿区已经成熟配套，并实现了大规模商业化应用，具有稳产期长，稳产期产量水平高、采收率高等突出优势。自2008年以来，在中国新疆、辽河等稠油油区开展了大规模的蒸汽辅助重力泄油工业化试验，目前已转入蒸汽辅助重力泄油商业化生产井有100多个，对实现稠油的持续稳产以及中国能源战略目标的实现具有重要的意义。

蒸汽辅助重力泄油(SAGD)的布井方式主要有两种，第一种是双水平井组合，在靠近油藏的底部钻一对相互平行的水平井，上部的水平井为注汽井，下部的水平井为生产井。第二种布井方式为直井水平井组合，即在靠近油藏底部钻一口水平井，在水平井的正上方或者斜上方钻几口直井，直井为注汽井，水平井为生产井。由于水平井增大了井眼与地层的接触范围，增加了地层的加热范围和动用范围，双水平井蒸汽辅助重力泄油技术在加拿大得到了广泛的研究和现场试验。

双水平井组合蒸汽辅助重力泄油开采稠油油藏一般分为两个阶段：地层预热阶段和重力泄油阶段。目前双水平井组合蒸汽辅助重力泄油主要有蒸汽吞吐预热启动和注蒸汽循环预热启动两种方法。蒸汽吞吐预热启动注入压力高、温度高，容易对完井井身结构造成损害，且水平段吸汽均匀性差，容易对后期蒸汽辅助重力泄油生产造成不利影响。注蒸汽循环预热启动，加热均匀，启动平稳，因此目前现场多采用注蒸汽循环预热方式。循环预热阶段的目标是在最短的时间内，实现油层的均匀加热，使注汽井和生产井均匀加热连通。循环预热阶段一般分为三步：(1)蒸汽在两口井中循环，储层主要通过热传导来传递热量；(2)在两井之间形成井间压差，注汽井压力高于生产井，使井间原油往生产井流动，为转入完全的蒸汽辅助重力泄油生产做准备；(3)上部注蒸汽井环空停止排液，下部生产井停止注蒸汽，转入完全的蒸汽辅助重力泄油生产阶段。

目前通常采用注普通湿蒸汽进行双水平井蒸汽辅助重力泄油循环预热，由于在循环预热过程中热量不断经井筒向油层传导，蒸汽干度逐渐降低，在水平井跟端部位容易发生积液，造成水平井跟端部位过度加热，形成注采井间在跟端部位优先热连通，使注汽井和生产井加热连通不均匀，从而不利于蒸汽辅助重力泄油生产。

发明内容

本发明实施例提供了一种双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热方法，以解决现有技术中注汽井和生产井加热连通不均匀的技术问题。该方法包括：采集油藏静态参数和双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中注汽井的管柱结构参数；根据所述油藏静态参数和所述注汽井的管柱结构参数，分析从注汽井井口到注汽井的水平井跟端之间的垂直井筒中过热蒸汽的沿程热力参数变化规律，计算过热蒸汽在所述注汽井的水平井跟端处的热力参数；根据所述油藏静态参数，在不同的注汽井管柱结构参数下，在从注汽井的水平井跟端到水平井趾端之间的水平段进行双油管注过热蒸汽时，计算所述水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态；根据过热蒸汽在所述注汽井的水平井跟端处的热力参数和所述水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态，调整所述注汽井的管柱结构参数，确定向所述注汽井注入所述过热蒸汽的注汽参数，采用调整后的管柱结构参数和确定的注汽参数向所述注汽井注入所述过热蒸汽进行循环预热，使得所述注汽井的水平井趾端处于持续过热状态。

在一个实施例中，分析从注汽井井口到注汽井的水平井跟端之间的垂直井筒中过热蒸汽的沿程热力参数变化规律，包括：根据过热蒸汽在所述垂直井筒中的质量守恒原理、动量定理和能量守恒原理，分析过热蒸汽在所述垂直井筒中的沿程热力参数变化规律。

在一个实施例中，分析从注汽井井口到注汽井的水平井跟端之间的垂直井筒中过热蒸汽的沿程热力参数变化规律，包括：取所述垂直井筒的微元体进行受力分析，通过以下公式分析过热蒸汽在所述垂直井筒中的温度分布：其中，表示单位长度内过热蒸汽的温度变化；C_p为过热蒸汽的比定压热容；w₀为垂直井筒的微元体质量流量； 为单位长度单位时间内通过热传导向油层传递的热量；为单位长度单位时间内摩擦损失的能量； 为单位长度的热焓值变化；ν为过热蒸汽比容；g为重力加速度；为单位长度的压力变化；T是过热蒸汽的温度；已知过热蒸汽在注汽井井口处的压力后，通过以下公式分析过热蒸汽在所述垂直井筒中的压力分布：dPA＝-τ_f+ρ₁v₁ ²A-ρ₂v₂ ²A，其中，dP为单位长度的过热蒸汽压降；A为垂直井筒的横截面积；τ_f为摩擦阻力；ρ₁是微元体上端处过热蒸汽的密度；ρ₂是微元体下端处过热蒸汽的密度；v₁是微元体上端处过热蒸汽的流速；v₂是微元体下端处过热蒸汽的流速。

在一个实施例中，在不同的注汽井管柱结构参数下，计算从注汽井的水平井跟端到水平井趾端之间的水平段在进行双油管注过热蒸汽时，在所述水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态，包括：取所述水平段的微元段进行受力分析，通过以下公式计算在所述水平段内过热蒸汽的压力分布：其中，是单位长度水平段的压力变化；A_m是水平段环空横截面积；v_m是单位长度水平段内过热蒸汽的流速；是单位长度水平段的吸汽速度；是单位压降下的温度变化；p是过热蒸汽压力；T是过热蒸汽温度；是单位长度的摩擦力；v_is为油层质量吸汽速度；通过以下公式计算在所述水平段内过热蒸汽的温度分布：其中，表示单位长度水平段内过热蒸汽的温度变化；w_i为水平段的微元段质量流量；ΔL为水平段的微元段长度；ρ为过热蒸汽密度； 为单位长度水平段通过热传导向油层传递的热量；为单位长度水平段通过传质向油层传递的热量；h为微元段的热焓值；v_sx为双油管条件下水平段井筒环空任意微元段内过热蒸汽的质量流速。

在一个实施例中，单位长度水平段的油层质量吸汽速度公式为：v_is＝J_pI_p(P_s-P_r)，其中，J_p为微元段的采液指数；I_p为微元段的吸汽指数；P_s为微元段的平均过热蒸汽压力；P_r为地层压力；β为单位转换系数；K_h为地层水平渗透率；K_v为地层垂向渗透率；K_ro为油相相对渗透率；K_rw为水相相对渗透率；B_o为原油体积系数；B_w为地层水体积系数；μ_o为原油粘度；μ_w为地层水粘度；A_d为水平井微元段的泄油面积；r_w为水平井井筒半径；s为表皮因子。

本发明实施例还提供了一种双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热装置，以解决现有技术中注汽井和生产井加热连通不均匀的技术问题。该装置包括：数据采集模块，用于采集油藏静态参数和双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中注汽井的管柱结构参数；第一计算模块，用于根据所述油藏静态参数和所述注汽井的管柱结构参数，分析从注汽井井口到注汽井的水平井跟端之间的垂直井筒中过热蒸汽的沿程热力参数变化规律，计算过热蒸汽在所述注汽井的水平井跟端处的热力参数；第二计算模块，用于根据所述油藏静态参数，在不同的注汽井管柱结构参数下，在从注汽井的水平井跟端到水平井趾端之间的水平段进行双油管注过热蒸汽时，计算所述水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态；预热模块，用于根据过热蒸汽在所述注汽井的水平井跟端处的热力参数和所述水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态，调整所述注汽井的管柱结构参数，确定向所述注汽井注入所述过热蒸汽的注汽参数，采用调整后的管柱结构参数和确定的注汽参数向所述注汽井注入所述过热蒸汽进行循环预热，使得所述注汽井的水平井趾端处于持续过热状态。

在一个实施例中，所述第一计算模块，具体用于根据过热蒸汽在所述垂直井筒中的质量守恒原理、动量定理和能量守恒原理，分析过热蒸汽在所述垂直井筒中的沿程热力参数变化规律。

在一个实施例中，所述第一计算模块，包括：第一温度计算单元，用于取所述垂直井筒的微元体进行受力分析，通过以下公式分析过热蒸汽在所述垂直井筒中的温度分布：其中，表示单位长度内过热蒸汽的温度变化；C_p为过热蒸汽的比定压热容；w₀为垂直井筒的微元体质量流量； 为单位长度单位时间内通过热传导向油层传递的热量；为单位长度单位时间内摩擦损失的能量； 为单位长度的热焓值变化；ν为过热蒸汽比容；g为重力加速度；为单位长度的压力变化；T是过热蒸汽的温度；第一压力计算单元，用于已知过热蒸汽在注汽井井口处的压力后，通过以下公式分析过热蒸汽在所述垂直井筒中的压力分布：dPA＝-τ_f+ρ₁v₁ ²A-ρ₂v₂ ²A，其中，dP为单位长度的过热蒸汽压降；A为垂直井筒的横截面积；τ_f为摩擦阻力；ρ₁是微元体上端处过热蒸汽的密度；ρ₂是微元体下端处过热蒸汽的密度；v₁是微元体上端处过热蒸汽的流速；v₂是微元体下端处过热蒸汽的流速。

在一个实施例中，所述第二计算模块，包括：第二压力计算单元，用于取所述水平段的微元段进行受力分析，通过以下公式计算在所述水平段内过热蒸汽的压力分布：其中，是单位长度水平段的压力变化；A_m是水平段环空横截面积；v_m是单位长度水平段内过热蒸汽的流速；是单位长度水平段的吸汽速度；是单位压降下的温度变化；p是过热蒸汽压力；T是过热蒸汽温度；是单位长度的摩擦力；v_is为油层质量吸汽速度；第二温度计算单元，用于通过以下公式计算在所述水平段内过热蒸汽的温度分布：其中，表示单位长度水平段内过热蒸汽的温度变化；w_i为水平段的微元段质量流量；ΔL为水平段的微元段长度；ρ为过热蒸汽密度； 为单位长度水平段通过热传导向油层传递的热量；为单位长度水平段通过传质向油层传递的热量；h为微元段的热焓值；v_sx为双油管条件下水平段井筒环空任意微元段内过热蒸汽的质量流速。

在一个实施例中，单位长度水平段的油层质量吸汽速度公式为：v_is＝J_pI_p(P_s-P_r)，其中，J_p为微元段的采液指数；I_p为微元段的吸汽指数；P_s为微元段的平均过热蒸汽压力；P_r为地层压力；β为单位转换系数；K_h为地层水平渗透率；K_v为地层垂向渗透率；K_ro为油相相对渗透率；K_rw为水相相对渗透率；B_o为原油体积系数；B_w为地层水体积系数；μ_o为原油粘度；μ_w为地层水粘度；A_d为水平井微元段的泄油面积；r_w为水平井井筒半径；s为表皮因子。

在本发明实施例中，向注汽井内注入过热蒸汽，与现有技术中的普通湿蒸汽相比，过热蒸汽在注汽井井底干度较高，甚至仍为过热蒸汽，使得在循环预热过程中能够在注汽井和生产井之间快速地建立热连通，并且加热更加均匀；同时，还对过热蒸汽在注汽井的垂直井筒和水平段中的热力参数分布进行分析，可以根据过热蒸汽在注汽井的水平井跟端处的热力参数和水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态，调整注汽井的管柱结构参数，调整后的管柱结构参数使得注汽井的水平井趾端处于持续过热状态，确定向注汽井注入过热蒸汽的注汽参数，通过采用调整后的管柱结构参数和确定的注汽参数进行循环预热，可以进一步提高加热均匀程度，有助于强化循环预热效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种垂直井筒的微元体受力分析示意图；

图3是本发明实施例提供的一种蒸汽辅助重力泄油注汽井双油管管柱结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热装置的结构框图。

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明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本发明实施例中，提供了一种双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热方法，如图1所示，该方法包括：

步骤101：采集油藏静态参数和双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中注汽井的管柱结构参数；

步骤102：根据所述油藏静态参数和所述注汽井的管柱结构参数，分析从注汽井井口到注汽井的水平井跟端之间的垂直井筒中过热蒸汽(在饱和蒸汽的基础上继续定压加热即得到过热蒸汽)的沿程热力参数变化规律，计算过热蒸汽在所述注汽井的水平井跟端处的热力参数；

步骤103：根据所述油藏静态参数，在不同的注汽井管柱结构参数下，在从注汽井的水平井跟端到水平井趾端之间的水平段进行双油管注过热蒸汽时，计算所述水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态；

步骤104：根据过热蒸汽在所述注汽井的水平井跟端处的热力参数和所述水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态，调整所述注汽井的管柱结构参数，确定向所述注汽井注入所述过热蒸汽的注汽参数，采用调整后的管柱结构参数和确定的注汽参数向所述注汽井注入所述过热蒸汽进行循环预热，使得所述注汽井的水平井趾端处于持续过热状态。

由图1所示的流程可知，在本发明实施例中，向注汽井内注入过热蒸汽，与现有技术中的普通湿蒸汽相比，过热蒸汽在注汽井井底干度较高，甚至仍为过热蒸汽，使得在循环预热过程中能够在注汽井和生产井之间快速地建立热连通，并且加热更加均匀；同时，还对过热蒸汽在注汽井的垂直井筒和水平段中的热力参数分布进行分析，可以根据过热蒸汽在注汽井的水平井跟端处的热力参数和水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态，调整注汽井的管柱结构参数，调整后的管柱结构参数使得注汽井的水平井趾端处于持续过热状态，确定向注汽井注入过热蒸汽的注汽参数，通过采用调整后的管柱结构参数和确定的注汽参数进行循环预热，可以进一步提高加热均匀程度，有助于强化循环预热效果。

具体实施时，为了实现可以分析垂直井筒中过热蒸汽的沿程热力参数变化规律和水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态，在本实施例中，可以根据假设条件，分别建立垂直井筒段过热蒸汽综合数学模型和水平段的双油管注过热蒸汽井筒沿程参数计算模型，该综合数学模型可以分析垂直井筒中过热蒸汽的沿程热力参数变化规律，以获得水平井跟端的过热蒸汽热力参数(例如，过热蒸汽的温度及压力)；该井筒沿程参数计算模型可以计算水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态。具体的，基本假设条件包括：1)过热蒸汽在垂直井筒内为等质量流过程，注汽井井口的注汽参数(例如，注汽温度、压力及注汽速率)恒定不变；2)在垂直井筒段，从油管到水泥环外缘为一维稳态传热，从水泥环外缘到地层为一维非稳态传热；3)井底使用封隔器，油套环形空间不会窜入过热蒸汽，油套环形空间充满低压空气；4)水平段所处油层均质等厚。

具体实施时，建立垂直井筒段过热蒸汽综合数学模型可以通过计算过热蒸汽在垂直井筒中的温度分布和压力分布实现，例如，可以根据过热蒸汽在垂直井筒中的质量守恒原理、动量定理和能量守恒原理，建立上述综合数学模型，以分析过热蒸汽在垂直井筒中的沿程热力参数变化规律。

具体的，分析从注汽井井口到注汽井的水平井跟端之间的垂直井筒中过热蒸汽的沿程热力参数变化规律，包括：

取垂直井筒的微元体进行受力分析，如图2所示，根据上述假设条件，过热蒸汽在垂直井筒内流动时质量流量不变，质量平衡方程为：

w₀＝ρ₁v₁A＝ρ₂v₂A (1)

其中，w₀为垂直井筒的微元体质量流量，单位是：kg/s；v₁是微元体上端处过热蒸汽的流速，单位是：m/s；v₂是微元体下端处过热蒸汽的流速，单位是：m/s；A为垂直井筒横截面积，单位是：m²；ρ₁是微元体上端处过热蒸汽的密度，单位是：kg/m³；ρ₂是微元体下端处过热蒸汽的密度，单位是：kg/m³。

考虑井筒重力的冲量，动量定理方程为：

dPA＝-τ_f+ρ₁v₁ ²A-ρ₂v₂ ²A (2)

其中，dP为单位长度的过热蒸汽压降(如图2所示，dP＝P₂-P₁，P₂是微元体下端处过热蒸汽的压力，P₁是微元体上端处过热蒸汽的压力)，单位是：Pa；A为垂直井筒的横截面积，单位是：m²；τ_f为摩擦阻力，单位是：N；ρ₁是微元体上端处过热蒸汽的密度，单位是：kg/m³；ρ₂是微元体下端处过热蒸汽的密度，单位是：kg/m³；v₁是微元体上端处过热蒸汽的流速，单位是：m/s；v₂是微元体下端处过热蒸汽的流速，单位是：m/s。

具体实施时，已知过热蒸汽在注汽井井口处的压力后，可以通过公式(2)分析过热蒸汽在垂直井筒中的压力分布，进而计算得到过热蒸汽在注汽井的水平井跟端处的压力参数。

垂直井筒内注入的过热蒸汽遵循热力学第一定律，因此，垂直井筒中的能量守恒方程为：

$\frac{{\mathrm{dQ}}_c}{dz}+\frac{{\mathrm{dw}}_f}{dz}=-w_0\frac{dh}{dz}-w_0\frac{d}{dz}\left(\frac{v^2}{2}\right)+w_{0}g---\left(3\right)$

其中，为单位长度单位时间内通过热传导向油层传递的热量，单位是：J/(m·s)；为单位长度单位时间内摩擦损失的能量，单位是：J/(m·s)；w₀为垂直井筒的微元体质量流量，单位是：kg/s；ν为过热蒸汽比容，单位是：m³/kg；g为重力加速度，单位是：m/s²；为单位长度的压力变化；T是过热蒸汽的温度；为单位长度的热焓值变化，过热蒸汽的热焓值方程为：

$\frac{dh}{dz}=C_p\frac{dT}{dz}+\[\mathrm{\ν}-T\left(\frac{\∂\mathrm{\ν}}{\∂T}\right)\]\frac{dP}{dz}---\left(4\right)$

其中，C_p为过热蒸汽的比定压热容，单位是：kJ/(kg·℃)；表示单位长度内过热蒸汽的温度变化；为单位长度的压力变化；T是过热蒸汽的温度。

联立公式(3)和公式(4)即可得到用于求解过热蒸汽在垂直井筒的温度分布公式：

$\frac{dT}{dz}=-\frac{1}{C_p}\{\frac{1}{w_0}(\frac{{\mathrm{dQ}}_c}{dz}+\frac{{\mathrm{dW}}_f}{dz})+\frac{d}{dz}\left(\frac{v^2}{2}\right)-g+\[\mathrm{\ν}-T\left(\frac{\∂\mathrm{\ν}}{\∂T}\right)\]\frac{dP}{dz}\}---\left(5\right)$

上述公式(1)～(5)即构成了垂直井筒段过热蒸汽综合数学模型，通过该综合数学模型可以求得过热蒸汽在垂直井筒内的温度分布及压力分布。

具体实施时，建立水平段的双油管注过热蒸汽井筒沿程参数计算模型的过程可以通过计算过热蒸汽在水平段中的温度分布和压力分布实现，例如，通过以下方法建立水平段的双油管注过热蒸汽井筒沿程参数计算模型，计算在水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态：

注汽井双油管井筒如附图3所示，短油管下入水平段A点(即水平井跟端)，长油管下入水平段B点(即水平井趾端)。A点的注汽温度及压力根据垂直井筒段过热蒸汽综合数学模型计算得出。

过热蒸汽自长油管注入从短油管返回，过热蒸汽在压差的作用下，部分流入地层，取水平段的微元段进行受力分析，水平段环空内过热蒸汽流动质量守恒方程为：

${\mathrm{\Δv}}_{sx}-A_m\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}dx=v_{is}dx---\left(6\right)$

式中：v_is为单位长度水平段的油层质量吸汽速度，单位是：kg/s；A_m为水平段环空横截面积，单位是：m²；v_sx为双油管条件下水平段井筒环空任意微元段内过热蒸汽的质量流速，单位是：kg/s；为单位时间密度变化率，单位是：kg/(m³·s)。

过热蒸汽自B点进入环空，流向A点短油管，环空内过热蒸汽流动能量守恒方程为：

$\frac{{\mathrm{dQ}}_c}{dx}+\frac{{\mathrm{dW}}_f}{dx}=-\frac{d(v_{sx}h+\frac{v_{sx}{v}_m^2}{2})}{dx}-v_{sx}h+\frac{v_{sx}{v}_m^2}{2}---\left(7\right)$

式中：为单位长度水平段通过热传导向油层传递的热量；为单位长度水平段通过传质向油层传递的热量；h为微元段的热焓值。

结合公式(7)和过热蒸汽的热焓值方程，可以得到表示水平段内过热蒸汽的温度分布的公式如下：

$\frac{dT}{dx}=-\frac{1}{C_p}\{\frac{1}{w_i}(\frac{{\mathrm{dQ}}_c}{dx}+\frac{{\mathrm{dW}}_f}{dx})+\frac{d}{dx}\left(\frac{v_m^2}{2}\right)+\frac{{\stackrel{\‾}{v_m}}^2}{2}\frac{v_{is}\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\Δ}L}+\[\mathrm{\ν}-T\left(\frac{\∂\mathrm{\ν}}{\∂T}\right)\]\frac{dP}{dx}\}---\left(8\right)$

其中，表示单位长度水平段内过热蒸汽的温度变化；w_i为水平段的微元段质量流量；ΔL为水平段的微元段长度；ρ为过热蒸汽密度； 为单位长度水平段通过热传导向油层传递的热量；为单位长度水平段通过传质向油层传递的热量；h为微元段的热焓值；v_sx为双油管条件下水平段井筒环空任意微元段内过热蒸汽的质量流速。

根据动量守恒方程，水平井水平井筒内过热蒸汽压力方程为：

$\frac{dp}{dx}=-\frac{1}{A_m}\frac{v_m\frac{{\mathrm{dv}}_{is}}{dx}+\frac{{\mathrm{\τ}}_f}{dx}}{1+(\frac{1}{T}\frac{dT}{dp}-\frac{1}{p})\frac{v_m{v}_{is}}{A_m}}---\left(9\right)$

其中，是单位长度水平段的压力变化；A_m是水平段环空横截面积；v_m是单位长度水平段内过热蒸汽的流速；是单位长度水平段的吸汽速度；是单位压降下的温度变化；p是过热蒸汽压力；T是过热蒸汽温度；是单位长度的摩擦力；v_is为油层质量吸汽速度。

具体实施时，可以通过公式(9)来计算在水平段内过热蒸汽的压力分布。

上述公式(6)～(9)即构成了水平段过热蒸汽沿程参数计算模型，可以通过该水平段过热蒸汽沿程参数计算模型求得过热蒸汽在水平段内的温度及压力分布。

具体实施时，

单位长度(即水平段微元段)水平段的油层质量吸汽速度公式为：

v_is＝J_pI_p(P_s-P_r) (10)

$J_p=\mathrm{\β}\frac{2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{K_h}{K_v}}{K}_v\mathrm{\Δ}L(\frac{K_{ro}}{B_o{\mathrm{\μ}}_o}+\frac{K_{rw}}{B_w{\mathrm{\μ}}_w})}{\ln \frac{0.571\sqrt{A_d}}{r_w}+s-0.75}---\left(11\right)$

$I_p=\frac{2\ln \frac{A_d}{r_w^2}-3.86}{ln\frac{A_d}{r_w^2}-2.71}---\left(12\right)$

式中：J_p为微元段的采液指数，单位是：m³/(d·MPa)；I_p为微元段的吸汽指数，无因次；P_s为微元段的平均蒸汽压力，单位是：MPa；P_r为地层压力，单位是：MPa；β为单位转换系数，取值86.4；K_h为地层水平渗透率，单位是：μm²；K_v为地层垂向渗透率，μm²；K_ro为油相相对渗透率，无因次；K_rw为水相相对渗透率，无因次；B_o为原油体积系数，无因次；B_w为地层水体积系数，无因次；μ_o为原油粘度，单位是：mPa·s；μ_w为地层水粘度，单位是：mPa·s；A_d为水平井微元段的泄油面积，单位是：m²；r_w为水平井井筒半径，单位是：m；s为表皮因子，无因次。

根据井筒传热理论可计算水平段通过热传导向油层传递的热量为：

$\frac{{\mathrm{dQ}}_c}{dL}=2{\mathrm{\πr}}_{to}{U}_{to}{\mathrm{\λ}}_e\frac{T_a-T_r}{r_{to}{U}_{to}f\left(t\right)+{\mathrm{\λ}}_e}---\left(13\right)$

式中：U_to为总传热系数；T_a为环空流体温度，单位是：℃；T_r为油层温度，单位是：℃；λ_e为地层导热系数，单位是：W/(m·℃)；f(t)为地层导热时间函数，无因次。f(t)采用Hasan公式，即：当τ_D≤1.5时，当τ_D>1.5时，f(t)＝(0.4063+0.5lnτ_D)(1+0.6/τ_D)，其中τ_D为无因次时间，α为地层热扩散系数，单位是：m²/h；r_to为。

过热蒸汽井筒摩擦系数f采用现有算法进行计算，是雷诺数R_e和管壁相对粗糙度Δ的函数，即：当R_e≤2000时，f＝64/R_e；当R_e>2000时，f＝[1.14-2lg(Δ+21.25Re^-0.9)]^-2。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热装置，如下面的实施例所述。由于双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热装置解决问题的原理与双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热方法相似，因此双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热装置的实施可以参见双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图4是本发明实施例的双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热装置的一种结构框图，如图4所示，包括：数据采集模块401、第一计算模块402、第二计算模块403和预热模块404，下面对该结构进行说明。

数据采集模块401，用于采集油藏静态参数和双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中注汽井的管柱结构参数；

第一计算模块402，用于根据所述油藏静态参数和所述注汽井的管柱结构参数，分析从注汽井井口到注汽井的水平井跟端之间的垂直井筒中过热蒸汽的沿程热力参数变化规律，计算过热蒸汽在所述注汽井的水平井跟端处的热力参数；

第二计算模块403，用于根据所述油藏静态参数，在不同的注汽井管柱结构参数下，在从注汽井的水平井跟端到水平井趾端之间的水平段进行双油管注过热蒸汽时，计算所述水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态；

预热模块404，用于根据过热蒸汽在所述注汽井的水平井跟端处的热力参数和所述水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态，调整所述注汽井的管柱结构参数，确定向所述注汽井注入所述过热蒸汽的注汽参数，采用调整后的管柱结构参数和确定的注汽参数向所述注汽井注入所述过热蒸汽进行循环预热，使得所述注汽井的水平井趾端处于持续过热状态。

在一个实施例中，所述第一计算模块，具体用于根据过热蒸汽在所述垂直井筒中的质量守恒原理、动量定理和能量守恒原理，分析过热蒸汽在所述垂直井筒中的沿程热力参数变化规律。

在一个实施例中，所述第一计算模块，包括：第一温度计算单元，用于取所述垂直井筒的微元体进行受力分析，通过以下公式分析过热蒸汽在所述垂直井筒中的温度分布：其中，表示单位长度内过热蒸汽的温度变化；C_p为过热蒸汽的比定压热容；w₀为垂直井筒的微元体质量流量； 为单位长度单位时间内通过热传导向油层传递的热量；为单位长度单位时间内摩擦损失的能量； 为单位长度的热焓值变化；ν为过热蒸汽比容；g为重力加速度；为单位长度的压力变化；T是过热蒸汽的温度；第一压力计算单元，用于已知过热蒸汽在注汽井井口处的压力后，通过以下公式分析过热蒸汽在所述垂直井筒中的压力分布：dPA＝-τ_f+ρ₁v₁ ²A-ρ₂v₂ ²A，其中，dP为单位长度的过热蒸汽压降；A为垂直井筒的横截面积；τ_f为摩擦阻力；ρ₁是微元体上端处过热蒸汽的密度；ρ₂是微元体下端处过热蒸汽的密度；v₁是微元体上端处过热蒸汽的流速；v₂是微元体下端处过热蒸汽的流速。

在一个实施例中，所述第二计算模块，包括：第二压力计算单元，用于取所述水平段的微元段进行受力分析，通过以下公式计算在所述水平段内过热蒸汽的压力分布：其中，其中，是单位长度水平段的压力变化；A_m是水平段环空横截面积；v_m是单位长度水平段内过热蒸汽的流速；是单位长度水平段的吸汽速度；是单位压降下的温度变化；p是过热蒸汽压力；T是过热蒸汽温度；是单位长度的摩擦力；v_is为油层质量吸汽速度；第二温度计算单元，用于通过以下公式计算在所述水平段内过热蒸汽的温度分布：

其中，表示单位长度水平段内过热蒸汽的温度变化；w_i为水平段的微元段质量流量；ΔL为水平段的微元段长度；ρ为过热蒸汽密度； 为单位长度水平段通过热传导向油层传递的热量；为单位长度水平段通过传质向油层传递的热量；h为微元段的热焓值；v_sx为双油管条件下水平段井筒环空任意微元段内过热蒸汽的质量流速。

在一个实施例中，单位长度水平段的油层质量吸汽速度公式为：v_is＝J_pI_p(P_s-P_r)，其中，J_p为微元段的采液指数；I_p为微元段的吸汽指数；P_s为微元段的平均过热蒸汽压力；P_r为地层压力；β为单位转换系数；K_h为地层水平渗透率；K_v为地层垂向渗透率；K_ro为油相相对渗透率；K_rw为水相相对渗透率；B_o为原油体积系数；B_w为地层水体积系数；μ_o为原油粘度；μ_w为地层水粘度；A_d为水平井微元段的泄油面积；r_w为水平井井筒半径；s为表皮因子。

在本发明实施例中，向注汽井内注入过热蒸汽，与现有技术中的普通湿蒸汽相比，过热蒸汽在注汽井井底干度较高，甚至仍为过热蒸汽，使得在循环预热过程中能够在注汽井和生产井之间快速地建立热连通，并且加热更加均匀；同时，还对过热蒸汽在注汽井的垂直井筒和水平段中的热力参数分布进行分析，可以根据过热蒸汽在注汽井的水平井跟端处的热力参数和水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态，调整注汽井的管柱结构参数，调整后的管柱结构参数使得注汽井的水平井趾端处于持续过热状态，确定向注汽井注入过热蒸汽的注汽参数，通过采用调整后的管柱结构参数和确定的注汽参数进行循环预热，可以进一步提高加热均匀程度，有助于强化循环预热效果。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热方法，其特征在于，包括：

采集油藏静态参数和双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中注汽井的管柱结构参数；

根据所述油藏静态参数和所述注汽井的管柱结构参数，分析从注汽井井口到注汽井的水平井跟端之间的垂直井筒中过热蒸汽的沿程热力参数变化规律，计算过热蒸汽在所述注汽井的水平井跟端处的热力参数；

根据所述油藏静态参数，在不同的注汽井管柱结构参数下，在从注汽井的水平井跟端到水平井趾端之间的水平段进行双油管注过热蒸汽时，计算所述水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态；

根据过热蒸汽在所述注汽井的水平井跟端处的热力参数和所述水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态，调整所述注汽井的管柱结构参数，确定向所述注汽井注入所述过热蒸汽的注汽参数，采用调整后的管柱结构参数和确定的注汽参数向所述注汽井注入所述过热蒸汽进行循环预热，使得所述注汽井的水平井趾端处于持续过热状态。

2.如权利要求1所述的双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热方法，其特征在于，分析从注汽井井口到注汽井的水平井跟端之间的垂直井筒中过热蒸汽的沿程热力参数变化规律，包括：

根据过热蒸汽在所述垂直井筒中的质量守恒原理、动量定理和能量守恒原理，分析过热蒸汽在所述垂直井筒中的沿程热力参数变化规律。

3.如权利要求2所述的双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热方法，其特征在于，分析从注汽井井口到注汽井的水平井跟端之间的垂直井筒中过热蒸汽的沿程热力参数变化规律，包括：

取所述垂直井筒的微元体进行受力分析，通过以下公式分析过热蒸汽在所述垂直井筒中的温度分布：

$\frac{dT}{dz}=-\frac{1}{C_p}\{\frac{1}{w_0}(\frac{{\mathrm{dQ}}_c}{dz}+\frac{{\mathrm{dW}}_f}{dz})+\frac{d}{dz}\left(\frac{v^2}{2}\right)-g+\[v-T\left(\frac{\∂v}{\∂T}\right)\]\frac{dP}{dz}\}$

其中，表示单位长度内过热蒸汽的温度变化；C_p为过热蒸汽的比定压热容；w₀为垂直井筒的微元体质量流量； 为单位长度单位时间内通过热传导向油层传递的热量；为单位长度单位时间内摩擦损失的能量； 为单位长度的热焓值变化；ν为过热蒸汽比容；g为重力加速度；为单位长度的压力变化；T是过热蒸汽的温度；

已知过热蒸汽在注汽井井口处的压力后，通过以下公式分析过热蒸汽在所述垂直井筒中的压力分布：

dPA＝-τ_f+ρ₁v₁ ²A-ρ₂v₂ ²A

其中，dP为单位长度的过热蒸汽压降；A为垂直井筒的横截面积；τ_f为摩擦阻力；ρ₁是微元体上端处过热蒸汽的密度；ρ₂是微元体下端处过热蒸汽的密度；v₁是微元体上端处过热蒸汽的流速；v₂是微元体下端处过热蒸汽的流速。

4.如权利要求1至3中任一项所述的双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热方法，其特征在于，在不同的注汽井管柱结构参数下，计算从注汽井的水平井跟端到水平井趾端之间的水平段在进行双油管注过热蒸汽时，在所述水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态，包括：

取所述水平段的微元段进行受力分析，通过以下公式计算在所述水平段内过热蒸汽的压力分布：

$\frac{dp}{dx}=-\frac{1}{A_m}\frac{v_m\frac{{\mathrm{dv}}_{is}}{dx}+\frac{{\mathrm{\τ}}_f}{dx}}{1+(\frac{1}{T}\frac{dT}{dp}-\frac{1}{p})\frac{v_m{v}_{is}}{A_m}}$

其中，是单位长度水平段的压力变化；A_m是水平段环空横截面积；v_m是单位长度水平段内过热蒸汽的流速；是单位长度水平段的吸汽速度；是单位压降下的温度变化；p是过热蒸汽压力；T是过热蒸汽温度；是单位长度的摩擦力；v_is为油层质量吸汽速度；

通过以下公式计算在所述水平段内过热蒸汽的温度分布：

$\frac{dT}{dx}=-\frac{1}{C_p}\{\frac{1}{w_i}(\frac{{\mathrm{dQ}}_c}{dx}+\frac{{\mathrm{dW}}_f}{dx})+\frac{d}{dx}\left(\frac{v_m^2}{2}\right)+\frac{{\stackrel{\‾}{v_m}}^2}{2}\frac{v_{is}\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\Δ}L}+\[v-T\left(\frac{\∂v}{\∂T}\right)\]\frac{dP}{dx}\}$

其中，表示单位长度水平段内过热蒸汽的温度变化；w_i为水平段的微元段质量流量；ΔL为水平段的微元段长度；ρ为过热蒸汽密度； 为单位长度水平段通过热传导向油层传递的热量；为单位长度水平段通过传质向油层传递的热量；h为微元段的热焓值；v_sx为双油管条件下水平段井筒环空任意微元段内过热蒸汽的质量流速。

5.如权利要求4所述的双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热方法，其特征在于，单位长度水平段的油层质量吸汽速度公式为：

v_is＝J_pI_p(P_s-P_r)

其中，J_p为微元段的采液指数；I_p为微元段的吸汽指数；P_s为微元段的平均过热蒸汽压力；P_r为地层压力；β为单位转换系数；K_h为地层水平渗透率；K_v为地层垂向渗透率；K_ro为油相相对渗透率；K_rw为水相相对渗透率；B_o为原油体积系数；B_w为地层水体积系数；μ_o为原油粘度；μ_w为地层水粘度；A_d为水平井微元段的泄油面积；r_w为水平井井筒半径；s为表皮因子。

6.一种双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热装置，其特征在于，包括：

数据采集模块，用于采集油藏静态参数和双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中注汽井的管柱结构参数；

第一计算模块，用于根据所述油藏静态参数和所述注汽井的管柱结构参数，分析从注汽井井口到注汽井的水平井跟端之间的垂直井筒中过热蒸汽的沿程热力参数变化规律，计算过热蒸汽在所述注汽井的水平井跟端处的热力参数；

第二计算模块，用于根据所述油藏静态参数，在不同的注汽井管柱结构参数下，在从注汽井的水平井跟端到水平井趾端之间的水平段进行双油管注过热蒸汽时，计算所述水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态；

预热模块，用于根据过热蒸汽在所述注汽井的水平井跟端处的热力参数和所述水平段内过热蒸汽的热力参数分布状态，调整所述注汽井的管柱结构参数，确定向所述注汽井注入所述过热蒸汽的注汽参数，采用调整后的管柱结构参数和确定的注汽参数向所述注汽井注入所述过热蒸汽进行循环预热，使得所述注汽井的水平井趾端处于持续过热状态。

7.如权利要求6所述的双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热装置，其特征在于，所述第一计算模块，具体用于根据过热蒸汽在所述垂直井筒中的质量守恒原理、动量定理和能量守恒原理，分析过热蒸汽在所述垂直井筒中的沿程热力参数变化规律。

8.如权利要求7所述的双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热装置，其特征在于，所述第一计算模块，包括：

第一温度计算单元，用于取所述垂直井筒的微元体进行受力分析，通过以下公式分析过热蒸汽在所述垂直井筒中的温度分布：

$\frac{dT}{dz}=-\frac{1}{C_p}\left\{\frac{1}{w_0}\right(\frac{{\mathrm{dQ}}_c}{dz}+\frac{{\mathrm{dW}}_f}{dz})+\frac{d}{dz}\left(\frac{v^2}{2}\right)-g+\[v-T\left(\frac{\∂v}{\∂T}\right)\]\frac{dP}{dz}\}$

其中，表示单位长度内过热蒸汽的温度变化；C_p为过热蒸汽的比定压热容；w₀为垂直井筒的微元体质量流量； 为单位长度单位时间内通过热传导向油层传递的热量；为单位长度单位时间内摩擦损失的能量； 为单位长度的热焓值变化；ν为过热蒸汽比容；g为重力加速度；为单位长度的压力变化；T是过热蒸汽的温度；

第一压力计算单元，用于已知过热蒸汽在注汽井井口处的压力后，通过以下公式分析过热蒸汽在所述垂直井筒中的压力分布：

dPA＝-τ_f+ρ₁v₁ ²A-ρ₂v₂ ²A

其中，dP为单位长度的过热蒸汽压降；A为垂直井筒的横截面积；τ_f为摩擦阻力；ρ₁是微元体上端处过热蒸汽的密度；ρ₂是微元体下端处过热蒸汽的密度；v₁是微元体上端处过热蒸汽的流速；v₂是微元体下端处过热蒸汽的流速。

9.如权利要求6至8中任一项所述的双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热装置，其特征在于，所述第二计算模块，包括：

第二压力计算单元，用于取所述水平段的微元段进行受力分析，通过以下公式计算在所述水平段内过热蒸汽的压力分布：

$\frac{dp}{dx}=-\frac{1}{A_m}\frac{v_m\frac{{\mathrm{dv}}_{is}}{dx}+\frac{{\mathrm{\τ}}_f}{dx}}{1+(\frac{1}{T}\frac{dT}{dp}-\frac{1}{p})\frac{v_m{v}_{is}}{A_m}}$

其中，是单位长度水平段的压力变化；A_m是水平段环空横截面积；v_m是单位长度水平段内过热蒸汽的流速；是单位长度水平段的吸汽速度；是单位压降下的温度变化；p是过热蒸汽压力；T是过热蒸汽温度；是单位长度的摩擦力；v_is为油层质量吸汽速度；

第二温度计算单元，用于通过以下公式计算在所述水平段内过热蒸汽的温度分布：

$\frac{dT}{dx}=-\frac{1}{C_p}\{\frac{1}{w_i}(\frac{{\mathrm{dQ}}_c}{dx}+\frac{{\mathrm{dW}}_f}{dx})+\frac{d}{dx}\left(\frac{v_m^2}{2}\right)+\frac{{\stackrel{\‾}{v_m}}^2}{2}\frac{v_{is}\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\Δ}L}+\[v-T\left(\frac{\∂v}{\∂T}\right)\]\frac{dP}{dx}\}$

其中，表示单位长度水平段内过热蒸汽的温度变化；w_i为水平段的微元段质量流量；ΔL为水平段的微元段长度；ρ为过热蒸汽密度； 为单位长度水平段通过热传导向油层传递的热量；为单位长度水平段通过传质向油层传递的热量；h为微元段的热焓值；v_sx为双油管条件下水平段井筒环空任意微元段内过热蒸汽的质量流速。

10.如权利要求9所述的双水平井蒸汽辅助重力泄油过程中的循环预热装置，其特征在于，单位长度水平段的油层质量吸汽速度公式为：

v_is＝J_pI_p(P_s-P_r)

其中，J_p为微元段的采液指数；I_p为微元段的吸汽指数；P_s为微元段的平均过热蒸汽压力；P_r为地层压力；β为单位转换系数；K_h为地层水平渗透率；K_v为地层垂向渗透率；K_ro为油相相对渗透率；K_rw为水相相对渗透率；B_o为原油体积系数；B_w为地层水体积系数；μ_o为原油粘度；μ_w为地层水粘度；A_d为水平井微元段的泄油面积；r_w为水平井井筒半径；s为表皮因子。