基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方法以及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方法及系统，所述方法包括：获取与空心杆电加热以及井筒相关的数据资料；根据所述井筒中动液面的高度以及井筒的深度设定步长；根据所述的步长将所述的井筒分为多个井筒段；根据所述的数据资料分别确定所述多个井筒段中液体的温度；所述的多个井筒段中液体的温度组成井筒温度场分布。实现了确定井筒温度场分布，为后续选择合理的电加热功率以满足现有稠油、特稠油以及超稠油的开采提供了数据依据。
【专利说明】基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方法以及系统
【技术领域】
[0001] 本发明关于油气田勘探【技术领域】，特别是关于稠油、特稠油以及超稠油的举升技 术，具体的讲是一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方法及系统。
【背景技术】
[0002] 稠油、特稠油以及超稠油的开采过程中，随着温度的下降，原油在沿井筒向上流动 的过程中的粘度不断变大。当温度低于一定水平时，原油基本停止流动，出现原油挂壁现 象，导致举升的难度增加，以至于无法正常开采。
[0003] 在井筒举升的过程中，粘度受温度的影响非常大。空心杆电加热技术是加热高凝 油、稠油的一种常用的成熟的方法。现有技术中，我国使用的井筒电加热结构绝大多数都是 将电缆导线安装在空心抽油杆内，末端与空心抽油杆壁相连，而将空心抽油杆本身作为回 路，利用空心抽油杆金属的集肤效应发热。该方法能够大幅度提高出口原油的温度，并且随 着加热强度的增加，原油的温度也随之上升，粘度随之降低。
[0004] 实际使用过程中，需要根据不同产液量油井的井口温度和加热深度确定出合理的 电加热功率，如此既可以节能降耗，又可以延长电缆的使用寿命。而要正确的选择油井加热 功率需从井筒温度场的分布出发进行计算。
[0005] 因此，如何确定出井筒温度场的分布，进而据此选择合理的电加热功率以满足现 有稠油、特稠油以及超稠油的开采是本领域亟待解决的技术难题。
【发明内容】
[0006] 为了解决现有技术中的空心杆电加热技术由于无法确定出井筒温度场，进而难以 选择合理的电加热功率造成的无法满足现有稠油、特稠油以及超稠油的开采的难题，本发 明提供了一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方法及系统，是一种精确的基于空 心杆电加热确定井筒温度场分布的方案，通过获取与空心杆电加热以及井筒相关的数据资 料，根据设定步长将井筒分为多个井筒段，依次确定每个井筒段中液体的温度，如此则得到 了井筒温度场分布，为后续选择合理的电加热功率以满足现有稠油、特稠油以及超稠油的 开采提供了数据依据。
[0007] 本发明的目的之一是，提供一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方法， 包括：获取与空心杆电加热以及井筒相关的数据资料；根据所述井筒中动液面的高度以及 井筒的深度设定步长；根据所述的步长将所述的井筒分为多个井筒段；根据所述的数据资 料分别确定所述多个井筒段中液体的温度；所述的多个井筒段中液体的温度组成井筒温度 场分布。
[0008] 本发明的目的之一是，提供了一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的系 统，包括：数据资料获取装置，用于获取与空心杆电加热以及井筒相关的数据资料；步长设 定装置，用于根据所述井筒中动液面的高度以及井筒的深度设定步长；井筒段确定装置，用 于根据所述的步长将所述的井筒分为多个井筒段；液体温度确定装置，用于根据所述的数 据资料分别确定所述多个井筒段中液体的温度；井筒温度场分布确定装置，用于所述的多 个井筒段中液体的温度组成井筒温度场分布。
[0009] 本发明的有益效果在于，提供了一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方 法及系统，是一种精确的基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方案，通过获取与空心 杆电加热以及井筒相关的数据资料，根据设定步长将井筒分为多个井筒段，依次确定每个 井筒段中液体的温度，如此则得到了井筒温度场分布，为后续选择合理的电加热功率以满 足现有稠油、特稠油以及超稠油的开采提供了数据依据，进而提高了稠油、特稠油以及超稠 油的开采的效率。
[0010] 为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例， 并配合所附图式，作详细说明如下。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 为了更清楚地说明本发明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 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0012] 图1为本发明实施例提供的一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方法 的流程图；
[0013] 图2为图1中的步骤S104的具体流程图；
[0014] 图3为图2中的步骤S201的具体流程图；
[0015] 图4为图3中的步骤S304的具体流程图；
[0016] 图5为图3中的步骤S305的具体流程图；
[0017] 图6为本发明实施例提供的一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的系统 的结构框图；
[0018] 图7为本发明实施例提供的一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的系统 中的液体温度确定装置104的具体结构框图；
[0019] 图8为本发明实施例提供的一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的系统 中的总热阻确定模块201的具体结构框图；
[0020] 图9为本发明实施例提供的一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的系统 中的第一总热阻确定单元304的具体结构框图；
[0021] 图10为本发明实施例提供的一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的系统 中的第二总热阻确定单元305的具体结构框图；
[0022] 图11为现有技术中的抽油机井空心杆电加热工艺结构示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0024] 本发明针对稠油、特稠油以及超稠油的开采，提出了一种空心杆电加热计算井筒 温度场分布的计算方法，并形成了一套解释工具。通过对电加热后井筒温度场的分段计算 分析，后续可以计算出每段的原油粘度，进一步的可以计算出杆液摩擦力和管液摩擦载荷， 最终可以杆柱上行程计算出抽油机悬点载荷。
[0025] 本发明的基本假设条件包括：
[0026] (1)、忽略抽油杆、井筒和地层岩石纵向上的换热；
[0027] (2)、井口产出液的压力、温度保持不变；
[0028] (3)、电缆加热功率不变，每段单元发热功率相同；
[0029] (4)、以抽油杆中线为对称轴，抽油杆、井筒和地层岩石各向同性；
[0030] (5)、模型系统中的热物性参数与温度无关，即认为是恒物性的；
[0031] (6)、原始地层温度呈线性分布。
[0032] 图1为本发明提出的一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方法的具体 流程图，由图1可知，所述的方法包括：
[0033] SlOl :获取与空心杆电加热以及井筒相关的数据资料。
[0034] 在具体的实施例中，与空心杆电加热以及井筒相关的数据资料包括套管导热系 数、套管内壁半径、套管外壁半径、水泥环导热系数、井筒半径、地层导热系数、地层平均散 热系数、油井生产时间、原油相对密度、原油导热系数、水导热系数、液体含水率、油管外壁 半径、油管导热系数和油管内壁半径。
[0035] S102 :根据所述井筒中动液面的高度以及井筒的深度设定步长。图11为现有技术 中的抽油机井空心杆电加热工艺结构示意图。由图11可知，1为地层，2为水泥环，3为套 管，4为动液面,5为加热电缆,6为油管,7为井内液体,8为油层。
[0036] S103 :根据所述的步长将所述的井筒分为多个井筒段。在具体的实施方式中，假 设井筒的总深度为1000米，如图11所示，动液面的高度为300米，设定的步长为100米，则 该实施方式中总共可以将井筒分为10个井筒段，从井底到井口依次为0-100米、100-200 米、200-300 米、300-400 米、400-500 米、500-600 米、600-700 米、700-800 米、800-900 米、 900-1000 米。
[0037] S104 :根据所述的数据资料分别确定所述多个井筒段中液体的温度。图2为步骤 S104的具体流程图。
[0038] S105 :所述的多个井筒段中液体的温度组成井筒温度场分布。
[0039] 图2为步骤S104的具体流程图，由图2可知，步骤S104具体包括：
[0040] S201 :依次确定每个井筒段的总热阻。图3为步骤S201的具体流程图。在具体的 实施方式中，设井筒段的总热阻为R。
[0041] S202 :根据所述的总热阻确定每个井筒段的总导热系数。在具体的实施方式中，
【权利要求】
1. 一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的方法，其特征是，所述的方法包括： 获取与空心杆电加热以及井筒相关的数据资料； 根据所述井筒中动液面的高度以及井筒的深度设定步长； 根据所述的步长将所述的井筒分为多个井筒段； 根据所述的数据资料分别确定所述多个井筒段中液体的温度； 所述的多个井筒段中液体的温度组成井筒温度场分布。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的数据资料包括套管导热系数、套管内 壁半径、套管外壁半径、水泥环导热系数、井筒半径、地层导热系数、地层平均散热系数、油 井生产时间、原油相对密度、原油导热系数、水导热系数、液体含水率、油管外壁半径、油管 导热系数和油管内壁半径。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征是，根据所述的数据资料分别确定所述多个井 筒段中液体的温度包括： 依次确定每个井筒段的总热阻； 根据所述的总热阻确定每个井筒段的总导热系数； 根据热传导建立井筒的热能平衡方程； 根据所述的热能平衡方程以及所述的总导热系数确定每个井筒段中液体的温度。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征是，依次确定每个井筒段的总热阻包括： 依次判断每个所述的井筒段是否处于所述动液面与所述井筒对应的井口之间； 当判断为是时，将处于所述动液面与所述井筒对应的井口之间的多个井筒段均设为第 一类井筒段； 否则，将处于所述动液面与所述井筒对应的井底之间的多个井筒段均设为第二类井筒 段； 根据所述的数据资料确定所述第一类井筒段的总热阻； 根据所述的数据资料确定所述第二类井筒段的总热阻。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征是，根据所述的数据资料确定所述第一类井筒 段的总热阻包括： 依次确定每个井筒段的套管壁热传导热阻； 依次确定每个井筒段的水泥环热传导热阻； 依次确定每个井筒段的地层热传导热阻； 依次确定每个井筒段的液体与套管之间热对流液体热阻； 依次确定每个井筒段的油管内外壁之间热传导热阻； 依次确定每个井筒段的气体与油管内壁之间热对流热阻； 根据所述的套管壁热传导热阻、水泥环热传导热阻、地层热传导热阻、液体与套管之间 热对流液体热阻、油管内外壁之间热传导热阻以及气体与油管内壁之间热对流热阻确定所 述第一类井筒段的总热阻。
6. 根据权利要求4所述的方法，其特征是，根据所述的数据资料确定所述第二类井筒 段的总热阻包括： 依次确定每个井筒段的套管壁热传导热阻； 依次确定每个井筒段的水泥环热传导热阻； 依次确定每个井筒段的地层热传导热阻； 依次确定每个井筒段的液体与套管之间热对流液体热阻； 依次确定每个井筒段的油管内外壁之间热传导热阻； 根据所述的套管壁热传导热阻、水泥环热传导热阻、地层热传导热阻、液体与套管之间 热对流液体热阻以及油管内外壁之间热传导热阻确定所述第二类井筒段的总热阻。
7. 根据权利要求5或6所述的方法，其特征是： 依次确定每个井筒段的套管壁热传导热阻通过如下公式实现：
其中，R1为套管壁热传导热阻，Kms为套管导热系数，r。。为套管内壁半径，rc;i为套管外 壁半径； 依次确定每个井筒段的水泥环热传导热阻通过如下公式实现：
其中，R2为水泥环热传导热阻，K_为水泥环导热系数，rh为井筒半径； 依次确定每个井筒段的地层热传导热阻通过如下公式实现：
其中，f(t)为中间变量，
R3为地层热传导热阻，心为地层导热系 数，a为地层平均散热系数，t为油井生产时间； 依次确定每个井筒段的液体与套管之间热对流液体热阻通过如下公式实现：
其中，λ。= 0.01172(1-0. 00054Τ)/γ。 λν = 3· 51153-0. 04436(Τ+273· 15)+2. 41233Χ10_4Χ (Τ+273. 15)2-6· 051Χ10-7 X (Τ+273. 15) 3+7· 22766 X 10_1CI (Τ+273. 15) 4-3· 3716 X 10_13 (Τ+273. 15)5 &为液体与套管之间热对流液体热阻，λ。为原油导热系数，γ。为原油相对密度，λ ￥为 水导热系数，fw为液体含水率、rt。为油管外壁半径，T为液体与套管之间环空流体温度值； 依次确定每个井筒段的油管内外壁之间热传导热阻通过如下公式实现：
其中，R5为油管内外壁之间热传导热阻，Ktub为油管导热系数，rti为油管内壁半径。
8. 根据权利要求5所述的方法，其特征是，依次确定每个井筒段的气体与油管内壁之 间热对流热阻通过如下公式实现：
其中，R6为气体与油管内壁之间热对流热阻，h。为环空中气体的热传热系数，b为环空 中气体的热辐射传热系数。
9. 一种基于空心杆电加热确定井筒温度场分布的系统，其特征是，所述的系统包括： 数据资料获取装置，用于获取与空心杆电加热以及井筒相关的数据资料； 步长设定装置，用于根据所述井筒中动液面的高度以及井筒的深度设定步长； 井筒段确定装置，用于根据所述的步长将所述的井筒分为多个井筒段； 液体温度确定装置，用于根据所述的数据资料分别确定所述多个井筒段中液体的温 度； 井筒温度场分布确定装置，用于所述的多个井筒段中液体的温度组成井筒温度场分 布。
10. 根据权利要求9所述的系统，其特征是，所述的数据资料包括套管导热系数、套管 内壁半径、套管外壁半径、水泥环导热系数、井筒半径、地层导热系数、地层平均散热系数、 油井生产时间、原油相对密度、原油导热系数、水导热系数、液体含水率、油管外壁半径、油 管导热系数和油管内壁半径。
11. 根据权利要求10所述的系统，其特征是，所述的液体温度确定装置包括： 总热阻确定模块，用于依次确定每个井筒段的总热阻； 总导热系数确定模块，用于根据所述的总热阻确定每个井筒段的总导热系数； 热平衡方程确定模块，用于根据热传导建立井筒的热能平衡方程； 液体温度确定模块，用于根据所述的热能平衡方程以及所述的总导热系数确定每个井 筒段中液体的温度。
12. 根据权利要求11所述的系统，其特征是，所述的总热阻确定模块包括： 判断单元，用于依次判断每个所述的井筒段是否处于所述动液面与所述井筒对应的井 口之间； 第一设置单元，用于当所述的判断单元判断为是时，将处于所述动液面与所述井筒对 应的井口之间的多个井筒段均设为第一类井筒段； 第二设置单元，用于当所述的判断单元判断为否时，将处于所述动液面与所述井筒对 应的井底之间的多个井筒段均设为第二类井筒段； 第一总热阻确定单元，用于根据所述的数据资料确定所述第一类井筒段的总热阻； 第二总热阻确定单元，用于根据所述的数据资料确定所述第二类井筒段的总热阻。
13. 根据权利要求12所述的系统，其特征是，所述的第一总热阻确定单元包括： 第一热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的套管壁热传导热阻； 第二热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的水泥环热传导热阻； 第三热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的地层热传导热阻； 第四热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的液体与套管之间热对流液体热阻； 第五热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的油管内外壁之间热传导热阻； 第六热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的气体与油管内壁之间热对流热阻； 总热阻第一确定单元，用于根据所述的套管壁热传导热阻、水泥环热传导热阻、地层热 传导热阻、液体与套管之间热对流液体热阻、油管内外壁之间热传导热阻以及气体与油管 内壁之间热对流热阻确定所述第一类井筒段的总热阻。
14. 根据权利要求12所述的系统，其特征是，所述的第二总热阻确定单元包括： 第一热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的套管壁热传导热阻； 第二热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的水泥环热传导热阻； 第三热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的地层热传导热阻； 第四热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的液体与套管之间热对流液体热阻； 第五热阻确定单元，用于依次确定每个井筒段的油管内外壁之间热传导热阻； 总热阻第二确定单元，用于根据所述的套管壁热传导热阻、水泥环热传导热阻、地层热 传导热阻、液体与套管之间热对流液体热阻以及油管内外壁之间热传导热阻确定所述第二 类井筒段的总热阻。
15. 根据权利要求13或14所述的系统，其特征是： 依次确定每个井筒段的套管壁热传导热阻通过如下公式实现：
其中，R1为套管壁热传导热阻，Kms为套管导热系数，r。。为套管内壁半径，rc;i为套管外 壁半径； 依次确定每个井筒段的水泥环热传导热阻通过如下公式实现：
其中，R2为水泥环热传导热阻，K_为水泥环导热系数，rh为井筒半径； 依次确定每个井筒段的地层热传导热阻通过如下公式实现：
其中，f(t)为中间变量，
，R3为地层热传导热阻，心为地层导热系 数，a为地层平均散热系数，t为油井生产时间； 依次确宙毎个#筒段的液休与耷管夕间热对流液体热阻通过如下公式实现：
其中，λ。= 0.01172(1-0. 00054Τ)/γ。 λν = 3· 51153-0. 04436(Τ+273· 15)+2. 41233Χ10_4Χ (Τ+273. 15)2-6· 051Χ10-7 X (Τ+273. 15) 3+7· 22766 X 10_1CI (Τ+273. 15) 4-3· 3716 X 10_13 (Τ+273. 15)5 &为液体与套管之间热对流液体热阻，λ。为原油导热系数，γ。为原油相对密度，λ ￥为 水导热系数，fw为液体含水率、rt。为油管外壁半径，T为液体与套管之间环空流体温度值； 依次确定每个井筒段的油管内外壁之间热传导热阻通过如下公式实现：
其中，R5为油管内外壁之间热传导热阻，Ktub为油管导热系数，rti为油管内壁半径。
16.根据权利要求13所述的系统，其特征是，依次确定每个井筒段的气体与油管内壁 之间热对流热阻通过如下公式实现：
其中，R6为气体与油管内壁之间热对流热阻，h。为环空中气体的热传热系数，匕为环空 中气体的热辐射传热系数。
【文档编号】E21B43/24GK104373117SQ201410534819
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年10月11日 优先权日:2014年10月11日
【发明者】马振, 袁鹏, 彭松良, 曲绍刚, 张成博, 王智博, 杨宝春, 方梁锋, 崔冠麟, 李君 , 刘锦, 贺梦琦, 杨昕, 高艳, 崔加利, 李鹏日, 张艳荣, 汪盈盈 申请人:中国石油天然气股份有限公司