空心抽油杆注蒸汽数学模型的解析解及其参数优化

空心抽油杆注蒸汽是一种适用于开采高凝固点、高粘度原油的实用技术。它的井筒温度分布数学模型是具有半隐式边界条件的常微分非线性方程组。通常采用差分方法求取模型的数值解,但数值求解是在很多假设的基础上进行的,尤其是蒸汽干度为零的深度不易确定,使得计算结果不准确。另外,由于数值计算耗时长,导致蒸汽参数优化设计的时间更长。在用迭代法求取方程系数和蒸汽干度为零的深度的基础上,推导了该模型的解析解。该解析解形式简单,使用方便,计算快捷。文中以加热能耗最小为目标,以井筒温度不低于拐点温度为约束,建立了空心抽油杆注蒸汽的优化设计目标函数,并以解析解为基础,用遗传算法对注入蒸汽的参数进行了优化设计。结果证明在解析解的基础上进行注入蒸汽参数的优化设计,运算效率大大提高。     

空心杆注蒸汽开采稠油的参数优化设计

空心抽油杆注蒸汽伴热是一种适用于开采高凝固点、高黏度原油的实用技术。为了减少该工艺的能量消耗,提高生产能力和经济效益,对注蒸汽参数进行设计,同时引入优化算法节省优化时间。以能耗最低为目标,以井筒温度不低于拐点温度为约束,建立了空心抽油杆注蒸汽伴热工艺的优化目标函数。考虑到该伴热工艺的井筒温度分布数学模型是具有半隐式边界条件的常微分非线性方程组,采用数值方法求解的时间较长,从而导致注汽参数优化设计的时间更长,因此,引入带约束的遗传算法对循环热流体的参数进行了优化设计。实例验证表明,进行参数优化设计后,能耗降低明显,经济效益增加显著;并且由于遗传算法的引入,使得计算时间大大减少。     

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。      

注蒸汽开发稠油油藏中的井筒热损失分析

注蒸汽开发稠油油藏过程中，为了预测沿井深和随时间变化的蒸汽温度分布、干度分布和蒸汽压力分布、套管和地层温度分布，以及焖井、开井生产过程中温度、压力的变化，首先必须建立注入过程中的井筒-地层温度分布模型。而这一模型建立的基础是井筒热损失的计算分析。文中应用热传递基本理论，通过井筒内能量守恒定理建立起注蒸汽井井筒热损失计算预测模型，重点分析了井筒总传热系数Uto和注汽速度对井筒热损失和井底蒸汽干度的影响，对注蒸汽开发稠油油藏有一定的指导作用。     

稠油水平井注蒸汽热采时加热深度的确定

通过对垂直井、斜直井井筒温度分布规律的研究，推导出水平井注蒸汽热采时井筒温度分布的理论模型，并进行了解析求解，依据油品性质（包括地层热物性参数），计算出了不同产量、含水量，不同油层条件下的井筒温度分布，从而确定出油井在不同条件下的加热深度。     

超低渗透油藏注蒸汽(热水)井筒温度压力预测

超低渗透油藏注蒸汽或注热水可提高井筒附近储层的渗透性和储层流体的流动性,从而提高单井产量。基于气液两相流体下降流动过程质量守恒原理和动量守恒原理及井筒传热机理,建立流体井筒流动的压力、温度及干度梯度耦合模型,并采用四阶龙格-库塔法数值求解。该模型考虑流体焦耳-汤姆逊效应及环空介质和地层热物性沿井深的变化。以某油田一口井为例,计算了温度、压力及干度,并与实测值相比,误差均在10%内,说明所建立的模型准确可靠。     

渤海稠油蒸汽吞吐环空注氮隔热工艺优化

稠油热采关键在于使热量有效被地层吸收,为改进海上稠油蒸汽吞吐环空注氮工艺缺陷,如:热量浪费和污染储层,针对渤海稠油蒸汽吞吐环空注氮工艺进行了改进。在正式注热前,增加氮气反循环工艺,顶替出井筒内完井液,之后再进行常规注氮气隔热、注热蒸汽的方式进行热采开发,经过氮气反循环,完井液被顶替出井筒,不会进入地层,经数值模拟分析,热蒸汽与稠油间的氮气腔能够有效扩大蒸汽波及范围,提高蒸汽吞吐热效率,且随着蒸汽吞吐轮次增加,增产效果会累加。环空注氮工艺优化在渤海蒸汽吞吐开发中应用,热采井单井产能提高3%,该技术不改变现有完井管柱结构,无需额外投资,经济效益良好,为渤海热采开发提供了技术借鉴。     

气举环空注热天然气井筒温度预测新模型

气举环空注热天然气井筒传热过程复杂,在前人研究的基础上,全面考虑气举环空注热天然气井筒实际传热过程,建立新的井筒传热模型,修正了前人温度预测模型。通过现场试验实测数据拟合得到井筒传热新模型中环空传热等效半径,确定新温度预测模型必要参数,然后通过多个现场试验实例对新温度预测模型进行验证,从预测的准确性和热天然气影响深度两方面证明新温度预测模型较可靠。     

考虑注汽井筒压力变化的热损失计算

在注蒸汽热采过程中,井筒中压力的变化必然导致井筒温度和饱和蒸汽物性参数的变化。文章在考虑注汽井筒中压力变化的基础上,建立了井筒综合传热数学模型,对井筒传热过程进行了计算。计算结果表明,为了提高 蒸汽干度利用率和减小井筒热损失,应提高注汽速率,减小井口蒸汽压力,加大井口蒸汽干度。这一成果对于指导油井现场注蒸汽热采,综合评价系统注汽效率具有一定的指导意义。     

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。      

稠油油藏蒸汽驱合理井网密度研究

井网密度直接影响到蒸汽驱开发的采油速度、开发年限、最终采收率及投资和经济效益。通过分析蒸汽驱开采机理，提出了计算蒸汽驱产量的解析方法。在改进ＦａｒｏｕｑＡｌｉ模型基础上提出的解析模型考虑了蒸汽的重力分离、蒸汽驱前缘热水区的存在，对生产井生产过程中的变化作了更符合实际的处理。此模型可用于预测油水产量、蒸汽区的体积厚度、加热区的温度和油水饱和度等。根据蒸汽驱过程中注汽速度、采注比、井底蒸汽干度等操作条件的临界值，提出了稠油蒸汽驱过程中合理井网密度的优化方法，建立了优化模型。实例运算表明，优化方法及软件具实用性和可靠性。     

稠油油藏蒸汽吞吐井注采参数系统优化

蒸汽吞吐热力采油的效果取决于由注采参数决定的注入蒸汽的热能利用程度。将蒸汽在地面管线、井筒及地层中的流动作为一个整体系统，在地面、井筒管流及油藏数值模拟研究的基础上，基于节点分析技术，建立蒸汽吞吐注入系统组合模型，提出蒸汽吞吐井注采参数整体系统优化的设计方法。考虑蒸汽吞吐井的注入、采出费用建立经济评价模型，用模拟退火算法优化注采参数。应用结果表明，采用此方法优选出的参数进行生产，可提高蒸汽吞吐井的热能利用率和开采效果。图2表2参8     

溶剂辅助SAGD开采油砂快速启动技术

双水平井SAGD技术是油砂开采的主要方式。针对SAGD预热启动时间长的问题,采用蒸汽循环前注入溶剂方式,缩短预热时间,提高蒸汽利用效率。对溶剂与原油混合后降黏效率进行了测试;采用一维填砂模型,开展溶剂注入性能研究;采用三维物理模型,开展不同预热启动方式实验研究,分析SAGD不同启动方式的温度场、压力场随时间的变化规律。并以加拿大油砂为目标进行了SAGD启动方式及工艺参数优化。结果表明,溶剂可以大幅度降低原油黏度,前置注入溶剂可提高蒸汽注入能力,蒸汽-溶剂复合循环启动时间沿程平均降低幅度达15%,蒸汽注入量可减少21.4%。通过油藏数值模拟方法对比得出,加入溶剂井间达到80 ℃需要90 d,时间减少50%。因此,采用蒸汽-溶剂复合循环启动技术,可以有效提高加拿大油砂开采启动效率,并大幅度降低成本。     

轻质溶剂辅助蒸汽驱蒸汽腔扩展特征

在矿场即将实施轻质溶剂辅助水平井蒸汽驱开采薄层稠油油藏之际,选择用正己烷溶剂作为轻质溶剂,先采用二维物理模拟技术,研究了添加溶剂后蒸汽腔的展布规律和对生产动态的影响规律;之后,为进一步研究溶剂在蒸汽腔中的运移规律和对温度场、黏度场和含油饱和度场的影响规律,采用CMG公司的CMG-STARS模块,基于二维物理模型参数,对溶剂辅助蒸汽驱进行了数值模拟。研究表明:薄层稠油油藏在采用水平井蒸汽驱过程中添加单组分轻质溶剂能够有效降低蒸汽腔内部及蒸汽腔前缘的原油黏度,从而提高沿生产井方向的吸汽能力和驱油效率,与普通蒸汽驱对比,其具体表现为蒸汽腔体积大,沿注汽井方向扩展快,沿生产井方向扩展均匀,蒸汽前缘突破快,最终的波及范围大;生产过程中几乎无稳产阶段,且蒸汽前缘抵达生产井时产油速度达到峰值,之后高含水阶段发生汽窜且产油量小,最终驱替效率高。因此,添加溶剂辅助蒸汽驱相对于常规蒸汽驱可以有效降低地下稠油黏度,并且提高蒸汽在地层中的波及范围,从而高效地开发薄层稠油油藏。     

稠油热采油藏经济开发模式研究

油田开发的市场化决定了油藏经济开发模式研究的必要性，经济开发决策因子研究是在不同油价下，根据极限油汽比与产油量的关系，确定出经济极限油汽比，单井经济界限日产油量等参数。对二连油田吉32断块经济开发决策因子的结果表明，随着油价和产油量的增加，极限油汽比逐降低，但降低幅度逐渐减小，在高产油量条件下，极限油汽比对油价的敏感程度相对于低油量条件下较小；考虑经济因素，油田最终采收率与油价有关，在油藏数值模拟研究的基础上，进行了吉32断块合理转换开采方式的研究，认为间歇注汽为优选转换开采方式，预测最终采收率可比一直采用吞吐方式提高3％左右。图3表3参7（侯健摘）。     

确定注蒸汽开发稠油油藏原油采收率的三参数注采特征曲线法

三参数注采特征曲线能够很好地揭示累积注汽量与累积产油量之间的半对数线性关系，可以用于注蒸汽开发稠油油藏原油采收率的计算。针对三参数注采特征曲线不能采用常规的最小二乘法确定模型参数的问题，提出了求解模型参数的两种简单方法，即线性回归法和等步长法。线性回归法仅适用于汽油比有规律增大的油藏，而等步长法与汽油比无关，适用范围较线性回归法要广。通过实例验证表明，用三参数法计算稠油油藏原油采收率是适用、有效的     

春10井区特稠油水平井蒸汽吞吐注采参数优化研究

春光油田春10井区主力产油层沙湾组Ⅱ2、Ⅱ1层地质情况复杂,在蒸汽吞吐开采过程中,缺乏合理、有效的方法指导注采参数的选择,阻碍了该区经济开发效益的提高。针对上述问题,建立了适合该区特稠油水平井蒸汽吞吐注采参数优化调整的地质模型,并利用数值模拟技术优化了注采参数,确定出分层系分类井的注采参数指标。     

加拿大M区块浅层油砂SAGD开采盖层稳定性研究

高温条件下上覆盖层的稳定性及对注入蒸汽的有效封堵作用对于浅层油砂蒸汽辅助重力泄油（SAGD）的成功开发至关重要。为了在加拿大M区块应用SAGD技术时为开发方案设计与安全生产提供技术支撑,通过X射线衍射分析、CT扫描、稳态平板法与三轴应力测试,获取了该区块油砂盖层岩心的矿物组成、微观结构、热力学参数及岩石力学参数;利用小型水力压裂试验确定了油砂储层及盖层岩石的最小地应力与地层破裂压力梯度;采用油藏流体模拟与应力模拟耦合的方法,分析了SAGD开发过程中盖层的应力分布状态。试验与模拟结果表明:M区块油砂盖层岩心中黏土矿物含量较高,遇水可能发生膨胀,造成强度降低;盖层岩石没有裂隙或微裂缝,但存在弱面区,岩石物性表现出非均质性;盖层的最小主应力为3.65 MPa,沿垂直方向,有利于对注入蒸汽进行有效封堵;整个开采生命期盖层的Mises应力最大值始终低于最小主应力,在设计的SAGD注汽温度与压力条件下,M区块油砂储层上覆盖层不会发生塑性形变或破坏,在整个生产期间能够保持密封的稳定性。研究形成的油砂SAGD开采盖层稳定性评价方法,为该类油藏热采注汽压力优化设计与矿场施工提供了理论依据。      

基于改进粒子群算法的蒸汽驱注采方案优化

针对蒸汽驱注采方案优化问题,以累积油汽比为优化目标,建立了以注汽速率、蒸汽干度和注汽压力等为约束条件的蒸汽驱注采方案优化数学模型,采用改进粒子群算法对该模型进行了求解,并优化了蒸汽驱的主要注采参数。改进粒子群算法以进化停滞步数为依据,对个体历史最优值和邻域内粒子的最优值实施随机扰动,并且只接受使个体适应度增加的随机扰动操作,使记忆中的最优粒子跳出局部最优解,保证了种群的多样性,提高了算法的精度和稳定性。实例计算证明,该优化模型计算结果准确,优化算法有效。通过该优化方法可快捷准确地进行蒸汽驱动态优化和方案调整,以便于指导蒸汽驱高效运行。