基于CIFLog平台注蒸汽剖面解释软件的研发与应用

李恒，郭海敏，石耀，朱涛 （长江大学地球物理与石油资源学院，湖北 武汉430100）

目前注蒸汽热采技术在稠油油田被广泛地应用，在高温高压蒸汽沿地面管线及井筒注入油藏的过程中，必然伴随着热量损失，直接影响热采的效果，蒸汽参数也会随之发生变化。因此，需要了解蒸汽参数在地面管线和井筒内的变化规律以及整个注汽过程的热损失情况，判断吸汽效果好坏，指导注汽参数的调整，从而达到增产的目的。前人开发的注蒸汽解释软件大多是独立运行的软件，且计算的参数不够完整。一体化网络测井平台 （CIFLog）是首个基于Java－NetBeans前沿计算机技术建立的第三代大型测井处理解释系统，能够在不同操作系统上高效运行，实现了勘探测井、生产测井和水淹层评价一体化［1］。笔者结合高温吸汽剖面监测技术的特点，应用热传递基本理论，在前人研究的基础上，建立了地面管线和井筒的温度、压力、干度、热损失及各吸汽层的吸汽百分比等主要参数的计算模型，基于CIFLog平台，采用Java语言，研制了注蒸汽剖面解释软件，经过对多口实例井资料进行处理对比，结果表明该软件应用效果较好。

1 计算模型

根据注入蒸汽流动的实际过程，将蒸汽从始端蒸汽发生器到目的层整个流动过程，分成地面管线和井筒2个部分。在地面管线中的流动为水平流，而在井筒中流动为下降流，笔者以锅炉出口蒸汽温度、压力、干度及流量为定值和计算的起始点，用管线长度作为计算循环步长，计算地面管线压力降、热损失和干度，得到井口的蒸汽压力、干度等参数作为井筒计算的起点，再以井筒深度作为计算循环步长，得到井筒中蒸汽压力、干度和热损失随井深变化关系。计算过程中主要采用了以下数学模型。

1.1 地面管线数学模型

蒸汽在地面管线内流动受诸多因素的影响，为了使问题简化，做出以下假设：①地面管线水平布置且横截面积不变；②湿蒸汽在地面管线中的流动是一维稳态流动；③锅炉出口蒸汽参数 （注汽速率、压力、温度及干度）保持不变［2］。

1）地面管线热损失计算模型 地面管线内供热介质的热量通过管道内表面向管道外表面传递，然后从保温结构的内表面传到外表面，再从保温结构的外表面向空气传递。传热方式先是导热然后是对流［3］。根据稳态传热理论可得热损失基本计算公式为：

式中，Q为管线传热量，W；K为总传热系数，W／（m2·℃）；rins为保温层外半径，m；ΔL为单位管道长度，m；Tp为管道内介质平均温度，℃；Ta为管道外空气温度，℃；ro为管线外半径，m；ri为管线内半径，m；λ1为管线的导热系数，W／（m·℃）；λ2为保温层的导热系数，W／（m·℃）；a为保温层外表面强迫对流换热系数，W／（m2·℃）；a1为保温层外表面对流换热系数，W／（m2·℃）；a2为保温层外表面辐射换热系数，W／（m2·℃）。

干度可用能量平衡原理进行计算，即单位时间内热量的损失等于单位时间内蒸汽内能的改变。在求出了管线每一点的热损失的基础上，可得管线中某点蒸汽干度计算式：

式中，h为蒸汽流量，kg／s；Lv为某压力下的汽化潜热，kJ／kg。

2）地面管线压力降计算模型 取锅炉出口为坐标原点，蒸汽眼管线流动方向为Z轴方向，总压降主要由摩擦阻力压降、加速压降组成，即：

其中，摩擦阻力压降为：

加速度压降为：

式（7）中若忽略混合物液相的压缩性等因素，结合连续性方程M＝ρmvmA＝常数，可得：

并将式（6）和式（8）代入式（5）中整理可得地面管线湿蒸汽压降计算公式：

式中，d为管线内径，m；A为管道截面的面积，m2；fm为蒸汽流体的摩擦阻力系数，vm为蒸汽平均流速，m／s，ρm为蒸汽流体的密度，kg／m3；is为蒸汽质量流量，kg／h；qg为蒸汽体积流量，m3／h，qg＝is／ρm。

1.2 井筒传热数学模型

1）井筒热损失计算模型 井筒内蒸汽的热损失比地面管线的热损失计算要复杂得多，井筒结构如图1所示。

假定井筒内热损失的径向传热是由油管中心到水泥环外缘 （井筒内）的一维稳态传热和水泥环外缘到地层之间 （地层内）的非稳态传热2部分组成。由稳定传热公式和Ramey近似式可得，井筒内一微元段dz的径向传热量为：

式中，Te为地层温度，℃；Ts为套管水泥环和地层交界面之间的温度，℃；rto为油管外半径，m；Ke为地层导热系数，W／（m·℃）；Uto为总传热系数，W／（m2·℃）；f（τD）为无因次地层时间函数。文献［4］分别列举了4个解析关系式，其中Hasan公式计算结果最精确，因此笔者采用该公式。Hasan公式为：

τD为无因次变量：

式中，α为地层热扩散率，m2／s；τ为计算时间，s；rh为井眼半径，m。

套管内表面温度为：

式中，Kcem为水泥环导热系数，W／（m·℃）；rco为套管外半径，m；rh为井眼半径，m。

在井筒有隔热管的条件下，总传热系数Uto为：

图1 井筒径向结构与温度分布示意图

式中，Kins为隔热油管的导热系数，W／（m·℃）；hc为环空热传导和自然对流传热系数，W／（m2·℃）；hr为环空辐射传热系数，W／（m2·℃）。

计算Uto的难点在于hc和hr的确定，因为计算hc和hr需要知道套管的温度，而套管温度的计算又需要计算总传热系数，因此总传热系数Uto要经过迭代确定。

2）井筒压力降计算模型 井筒中湿蒸汽压力降由摩擦阻力压降、加速压降和重力压降组成，其中摩擦阻力压降和加速压降与地面管线计算方法相同，因此总压力降可以表示为：

2 软件实现

基于上述计算模型，笔者设计并开发了注蒸汽剖面解释软件，该软件是基于CIFLog基础平台，利用其提供的数据接口，采用Java语言在NetBeans6.8集成开发环境中开发的一个独立的应用系统，可以分析计算注汽过程中管道与井筒的热损失，压力损失等参数，还能计算储油层吸汽量、吸汽百分数并生成吸汽剖面。该软件界面友好、操作方便、流程简单，能够在WindowsXP、Windows7及Windows8操作系统上运行，主要有4个功能模块：

1）基础参数分析。井的基本信息录入与保存，包括井名、油层顶底深度、管柱信息、井口温度、压力、注汽量等参数。

图2 地面管线热损失计算界面

2）地面管线热损失分析。该功能为软件的核心部分，设置了3个页面，包括管线参数设置、热损失计算和曲线图绘制，界面如图2所示。主要采用迭代法计算地面管线的沿程压力、热损失、干度等参数并绘制管道热损失、干度损失曲线图。

3）井筒热损失分析。该功能为软件的核心部分，包括井筒测试数据的导入，迭代计算井筒不同深度点的套管温度、压力、热损失、干度等参数，绘制井筒热损失、干度损失曲线图。界面如图3所示。

4）吸汽剖面分析。包括射孔层信息录入；涡轮流量计实测数据导入；计算各个油层吸汽百分数、吸汽量、吸汽强度等参数，自动判断吸汽效果；计算结果表查看、修改和保存；生成吸汽剖面。

图3 井筒热损失计算界面

3 实例应用

哈萨克斯坦Karazhanbas油田X井的基本数据如下：

1）地面管线参数。管线长度251m，管线内直径0.08m，管道外直径0.09m，保温层厚度0.01m；保温层导热系数0.05W／（m·℃），环境温度2℃，当地风速0m／s，保温层外表面黑度0.25；锅炉出口蒸汽参数：温度303.5℃，压力9MPa，速率160t／d，干度26%。

2）井筒热注参数。井眼半径0.13m，套管外半径0.085m，套管内半径0.08m，油管外半径0.036m，隔热材料厚度0.01m，地层平均散热系数9.972×10－7m2／s，地层导热系数2.65W／ （m·℃），水泥环导热系数0.52W／（m·℃），隔热材料导热系数0.04W／（m·℃），油管外壁辐射系数0.65，套管内壁辐射系数1；地表温度2℃，地温梯度0.03℃／m；井口注入参数：温度298℃，压力8.3MPa，蒸汽干度23%，注汽时间8d。

利用解释软件对该井注汽过程中地面管线和井筒沿程温度、压力、热损失和干度进行计算，其中地面管线计算的井口压力温度和干度可以与井口测试结果进行对比，对比结果如表1所示，可以看出误差均在5%以内，计算结果可靠。由于没有井筒现场实测数据，将结果与国外同类软件进行了对比，如表2所示，可以看出，误差均在4%以内。

表1 地面管线计算结果对比

表2 井筒计算结果对比

根据计算结果，利用该软件还绘制了地面管线热损失曲线图和井筒热损失曲线图，如图4和图5所示。

图4 地面管线热损失曲线图

图5 井筒热损失曲线图

软件还可以利用现场涡轮流量计实测数据计算各射孔的吸汽量，解释结果与生产实际基本相符，同时可结合CIFLog底层自动生成吸汽剖面。表3为X井的计算结果。

表3 射孔层吸汽量

4 结论

1）基于CIFLog平台所开发的注蒸汽解释软件能够对地面、井筒和地层整个注蒸汽过程中各蒸汽参数进行快速准确的计算，各模块功能齐全。

2）实例测试表明，该软件计算结果正确可信，可以满足对现场施工进行指导的需要，实时调整注汽参数，提高热采效果。

3）该软件计算结果与实测值的误差主要是由于软件所采用的计算模型都进行了基本假设，而实际过程中影响因素多种多样，因此后续可以考虑一些因素，进一步优化模型，提高软件解释精度。

［1］ 陈春 .中国石油新一代测井软件CIFLog［J］.石油勘探与开发，2011，38（3）：281.

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