基于R-K-S方程的同心双管注多元热流体传热特征研究

为了解同心双管注多元热流体的传热特征,获得最优的井底蒸汽参数,基于实际气体R-K-S状态方程和质量、能量与动量守恒方程,结合经典地层内瞬态传热模型,建立了同心双管注多元热流体井筒传热数学模型。在验证模型的基础上,分析了井筒内混合汽/气典型传热特征,近井口处无接箍油管和内油管环空之间的温差较小,会导致流体热物性参数剧烈变化,但温度梯度快速趋于一致。应用该模型对非凝结气含量和注汽温度进行了优化计算,结果表明,非凝结气含量增大,井底过热度减小;随着无接箍油管注汽温度升高,井底过热度增加。研究结果表明,注汽参数对井筒内热参数分布有明显影响,现场作业时要根据井眼实际情况优选注汽参数。      

海上非凝结气与过热蒸汽混注井筒传热特征研究

为了优化海上稠油油藏"非凝结气与过热蒸汽"（简称为"混合汽/气"）混注过程中的注汽参数,根据质量、能量和动量守恒方程,建立了井筒内非等温流动数学模型,结合海水中传热模型、地层内瞬态导热模型,建立了完整的海上稠油油藏注混合汽/气井筒传热模型,利用有限差分法和迭代法计算得到井筒内的压力和温度分布。研究结果表明:海水流动能明显增加井筒热损失,降低混合汽/气的温度;随着非凝结气含量增加,混合汽/气的温度和过热度均下降;随着注汽压力增加,过热度不断下降。海上稠油油藏注混合汽/气井筒传热模型为优选注汽参数和分析海水对井筒热损失的影响提供了理论依据。      

热采水平井注多元热流体水平段传质传热模型

以裸眼完井水平井注过热型多元热流体为研究对象,通过引入过热型多元热流体各组分热物性参数实验数据,利用质量、动量和能量守恒方程,建立了裸眼完井水平井注过热型多元热流体传质传热模型。在模型验证的基础上,研究了非凝结气质量分数、注汽速度和注汽温度对热物性参数分布的影响。研究表明:随着非凝结气质量分数增加,井筒内同一位置流体温度和过热度均减小;随着注汽速度增加,井筒内同一位置过热度不断升高;跟端注汽温度升高,沿程吸汽量减少,过热度增加。模型对于矿场分析裸眼水平井传质传热规律、优选注汽参数具有重要指导意义。     

垂直井筒内超临界蒸汽流动过程中的传热特性计算与分析

为了系统研究超临界蒸汽在井筒中的流动规律并准确计算其流动过程中的传热特性与热损失量,在对超临界蒸汽的物理化学性质进行数学描述的基础上,综合考虑超临界蒸汽的物理化学性质及其流动过程中的传热规律,基于质量守恒、动量守恒与能量守恒原理,建立了垂直井筒内超临界蒸汽流动过程中的热损失计算数学模型并进行了相应的敏感性分析。研究结果表明,井筒内超临界蒸汽的压力随井深增加而增大,温度随井深增加而降低;对于3 000 m井深而言,当注汽速率达到12 t/h时,井筒沿程温度呈现略微降低后又逐渐升高的波动特征,而当注汽速率为8 t/h时,温度降低后在井深约为850 m处开始增加,至约2 300 m处又逐渐降低;初始注汽温度越高,井筒沿程温度下降越快,同时压力升高越快,在井深为1 000 m处,注汽温度为400℃时的温度降低幅度仅为0.45%,而注汽温度为450℃时的温度降低幅度却达到5.17%;超临界蒸汽流动过程中,如果注汽速率过低或井筒深度过大,均会呈现相态转变特征,注汽速率为2 t/h时的相态转变深度约为1 000 m,而注汽速率为4 t/h时的相态转变深度约为2 150 m。     

蒸汽驱地面管线及井筒热效率评价

通过编制注汽管线热效率计算软件,对新疆油田重油开发公司汽驱过程中地面管线和井筒热损失分别进行计算,然后进行总体热效率评价。评价结果表明,在整个注汽管网中,井筒部分的热损失是最为集中的管段;要减少这部分热损失,提高热效率,可以采用隔热油管注汽措施。汽驱时井筒部分全部采用隔热油管注汽,比采用光油管注汽可减少82%的井筒热损失,每年节约燃气成本近3 000万元。     

双水平井蒸汽辅助重力泄油注汽井筒关键参数预测模型

依据普通水平井注蒸汽井筒内参数预测模型,结合双油管质量流速耦合计算,推导出SAGD循环预热及生产过程中,不同管柱结构组合条件下注汽井筒内蒸汽流动的质量守恒、能量守恒及动量守恒方程,建立了双油管注汽井井筒沿程参数计算模型。利用该模型对某SAGD注汽井循环预热过程中井筒内沿程温度、压力等参数进行了计算,结果与现场监测结果吻合,证明了模型的准确性。利用该模型计算得出现有管柱结构下SAGD循环预热阶段最低注汽速度为60 t/d,注汽井最大水平段长度为564 m;针对现有管柱结构在SAGD生产过程中为两段式配汽,A点存在段通及点窜风险等缺点,对现有水平段内的长、短油管组合进行了优化,优化后的短油管下入水平段A点后150 m、长油管下入水平段B点,数值模拟结果表明,采用优化后管柱结构组合,在SAGD生产阶段可实现三段式配汽,有效降低了A点段通及点窜风险。     

渤海稠油热采隔热管优选和注氮工艺优化

渤海油田热采井已进行多轮次蒸汽吞吐,优化井筒隔热技术已成为热采井注汽中关键的技术之一。目前渤海油田L油田A23井已进行了三轮次的蒸汽吞吐现场作业,其中第三轮次注汽管柱在第二轮次注汽基础上进行了优化改进,采用了4-1/2″气凝胶隔热油管注汽工艺,较A23井二轮次使用的高真空隔热油管,有效降低隔热油管每千米的热损失由14.24%降为10.21%;同时采用了环空井筒间歇注氮工艺,降低井筒环空热损,较上一轮次有效地降低了11.86%的总注氮量。通过使用气凝胶隔热油管及环空间歇注氮工艺,降低了注汽井筒热损失,有效地节约了海上热采井注汽成本。     

注蒸汽井套管的热应力数值分析

利用ANSYS有限元软件的耦合场分析功能,通过模拟现场热采工况,开展了稠油注蒸汽井井筒的温度场、应力场数值模拟研究。结果表明,采用隔热性能较好的隔热油管不仅能够大大减少井筒的热损失,增加注汽效果,而且可以使套管壁温度和套管Mises应力大幅降低,从而有效地保护套管,使其不发生强度破坏;注汽过程中施加预应力,可使套管达到屈服时的注汽温度升高,这对套管具有一定的保护作用。模拟研究结果为制定合理的注蒸汽井套管损坏预防措施提供了依据。     

蒸汽辅助重力泄油中注过热蒸汽技术研究

为了分析和评价稠油开采注过热蒸汽工艺的效果及技术条件，根据热量传热原理和流体流动理论，建立了过热蒸汽流动与传热数学模型，计算了过热蒸汽沿程的温度分布和压力分布，对比了不同流量的注汽效果。结果表明，随着地面注汽营线和井深的增加，过热蒸汽的过热度和压力明显下降。随着过热蒸汽流量的增大，沿程摩阻系数增大，出口压力降低，过热度减小，出口比焓升高，井底压力明显小于湿蒸汽压力。注过热蒸汽适于压力低、埋藏浅的油藏开发，不适于较厚的块状油层。     

海上热采井筒隔热工艺管柱研制与应用

海上稠油热采井埋藏深,而且多为水平井。在注汽过程中,采用隔热油管+环空注氮气的井筒隔热工艺,向地层中注入大量氮气,使作业成本增加、气窜风险加大;隔热油管接箍不具有隔热功能、注汽管柱存在"贴壁"现象,导致热损失增加。研制了海上热采井筒隔热工艺管柱及配套工具。工艺管柱主要由热敏封隔器、隔热型伸缩管、隔热型油管扶正器及隔热型接箍组成。该工艺管柱能够节省作业成本、提高注汽管柱的隔热效果、减少井筒热损失、保护套管和水泥环,提高海上稠油热采的安全性、经济性以及有效性。     

稠油油藏注过热蒸汽加热半径计算新模型

过热蒸汽注入油层后,经历了从过热蒸汽到湿蒸汽再到热水的相态变化过程,在加热区内形成过热区、蒸汽区和热水区,因此以注普通湿蒸汽为基础的传统加热半径计算模型对其不再适用。为了准确计算注过热蒸汽的加热半径,结合注过热蒸汽过程中油层温度分布的实际情况,根据瞬时热平衡原理,构建了一个新的稠油油藏注过热蒸汽加热半径计算模型。结果表明:新模型计算结果与CMG STARS数值模拟计算结果吻合较好,最大相对误差为7.4%,新模型具有正确性;虽然提高井底蒸汽过热度对扩大加热区范围并无明显作用,但其能有效增大井筒附近过热区半径。     

L形高真空多层绝热低温管道热-结构耦合分析

用于输送LNG等低温介质的高真空多层绝热(HV-MLI)低温管道常处于深冷环境且要承受流体内压,在热-结构耦合作用下的受力较为复杂。为了研究HV-MLI低温管道各部件在复杂载荷作用下的响应状况,以某水平—竖直走向的L形HV-MLI低温管道为例,建立了热-结构耦合分析有限元模型,计算得出了不同工况下的管道温度场分布情况,以及管道中内管、外管、热桥、波纹管和绝热支撑上的应力及应力随各载荷的变化关系。分析结果表明:(1)绝热支撑和热桥是影响管道漏热量的主要部件,以输送LN_2为例,通过上述两个部件的漏热量分别占管道总漏热量的49.07%和49.32%;(2)内管、外管、弯头及热桥等部件应力较小且低于材料屈服极限,实际使用过程中不易发生危险;(3)波纹管应力随输送介质温度的降低和补偿内管长度的增加而增大,水平管段波纹管的应力较高,是管道中的危险部件;(4)内管所受内压是影响绝热支撑应力的主要因素,随内管内压的增大,水平管段与竖直管段中离弯头最近的绝热支撑应力大幅增加,而远离弯头的其他位置处的绝热支撑应力变化不大,因而可适当增加离弯头最近的绝热支撑厚度,同时减少远离弯头处支撑的厚度,以便在保证强度的同时减少漏热量。     

热采井割缝筛管的热应力分析

筛管内过热的蒸汽使地层及筛管温度升高,对筛管产生相当大的热应力,此应力可能使筛管产生弯曲变形或断裂,导致油井停产或油井报废。因此,通过ANSYS有限元分析软件的数值模拟,计算得到筛管-地层的温度场分布,然后将筛管温度场导入到三维模型的应力场中,得到温度变化对割缝筛管的热应力和热变形。实例计算结果认为,蒸汽温度为350℃时,在正常注汽和突然停注2种状况下的筛管热应力分别为682.147、703.229MPa,其中突然停注时的热应力超过了筛管材料的屈服极限690MPa,这是导致筛管损坏的最危险状态,最大热应力发生在筛管缝中央。     

On the Thermal Decomposition of Reactive Materials of Variable Thermal Conductivity and Heat Loss Characteristics in a Long Pipe

In this article, we investigate the thermal decomposition of a stockpile of reactive material undergoing a steady-state exothermic chemical reaction inside a long pipe with heat loss characteristics at its surface. It is assumed that the thermal conductivity (k) of the material varies exponentially with temperature and the pipe surface exchanges heat with the ambient following Newton's law of cooling. The nonlinear differential equation governing the problem is tackled analytically using a regular perturbation technique (RPT) coupled with a computer-extended series solution (CESS) and a special type of Hermite-Padé approximation. The effects of various thermophysical parameters on the temperature field together with critical conditions for thermal ignition represented by turning points on the bifurcation diagram are obtained and discussed quantitatively. An increase in critical behavior is observed with a decrease in the material's thermal conductivity. However, the stability of the material is enhanced by an increase in the material's thermal conductivity.     

高温多元热流体注采中管材腐蚀分析

室内进行了高温多元热流体注采中管材遭受腐蚀破坏的模拟腐蚀评价,采用灰关联分析方法对腐蚀数据进行了分析。结果表明,含水率和CO2分压对油管钢腐蚀有显著影响,流速、温度和O2分压有较显著影响。针对腐蚀特点,主要考虑选用耐冲刷作用的高温CO2腐蚀缓蚀剂,以降低注热油管的腐蚀。     

井筒与油藏耦合数值模拟技术现状与发展趋势

从井流量方程、井筒内热多相管流计算、多段井模型和近井区域加密的扩展井模型等4个方面总结了井筒与油藏耦合数值模拟技术的研究进展,指出目前存在的主要问题包括:复杂结构井流量方程中参数取值误差很大,不能提供准确的源汇项;高含水阶段井筒内多相管流非常复杂,常用的计算流体力学模型误差很大;非等温井筒内流固耦合模拟机理认识不清楚,数值计算时间长;模拟多层合采时未考虑纵向非均质性,薄差油层的动用情况与实际不符。提出了基于多相管流计算的多段井模型与油藏耦合的数值模拟技术、扩展井模型与油藏耦合的数值模拟技术、考虑井筒出砂和结蜡等复杂现象的流固耦合数值模拟技术是未来的发展趋势。     

拘束度耦合模型计算管道焊接残余应力

焊接残余应力是造成焊缝开裂失效的主要原因,因而精确描述应力对于管道安全输送极为重要,而外加拘束是影响焊接应力分布的众多因素之一。为此,应用ANSYS仿真软件,采用实体—壳单元耦合建模方法,建立了拘束度与焊接过程的温度场和应力场耦合仿真模型,研究了拘束对油气管道焊缝应力的影响。同时,还基于自建的1套自拘束焊接试验装置,实现了不同拘束状态下管道的焊接,并通过应变仪采集焊接过程中的应力应变数据,与模拟结果进行对比,进而证明了ANSYS 仿真耦合模型的有效性。结果表明：①对于两端约束的钢管焊接对接接头,随着管长增加,焊缝处的轴向应力减小,在距离焊缝230 mm处的轴向应力亦减小;②焊趾处的塑性应变亦减小,整体焊接结构的拘束度降低;③焊接的管道残余应力随着拘束度的上升而增大,拘束情况对焊接残余应力的影响明显;④拘束度最大的0.5 m×0.5 m管子,其焊接残余拉应力最大可达140 MPa,高残余拉应力会严重削弱管道的整体性能。进而提出建议：加强管道建设期间的焊接施工管理,避免产生管道焊接时的强拘束。