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1、稠油热采过程中热影响区域分析摘 要针对稠油热采过程中注入大量高温蒸汽而造成井筒部分热损失难以控制的问题，从热工角度初步分析了高温蒸汽在井筒部分的传热过程，建立了井筒及周围地层部分的二维、瞬态传热数学模型，根据所求得的温度场以及定量热损失经验公式，探讨了隔热油管视导热系数和蒸汽温度对单位长度井筒热损失的影响。研究表明：井筒单位长度热损失随着隔热油管视导热系数和蒸汽温度的增加而增加，且隔热油管视导热系数对井筒单位长度热损失的影响更大。高温高压蒸汽流经井筒段后进入油层段，蒸汽通过射孔进入油层，并与油层进行传质传热，从而形成油层热影响区域。本文利用有限元分析软件 ANSYS，对辽河某热采井建立了井筒、

2、地层和油层部分的二维、非稳态数学模型，并模拟分析了油层和周围地层温度场，在此基础之上探讨了注汽时间对油层热影响区域的影响。研究表明：油层热影响区域先随着注汽时间的增大而增大，而后基本不变，且注汽时间在 35 天最佳。关键词：视导热系数；注汽温度；热损失；热影响区域；ANSYSAnalysis of Heat Affected Zone during the Thermal Recovery ProcessAbstractFor the purpose of reducing the heat loss in the mineshaft during the steam injection pr

3、ocess, a two dimension, unsteady state heat transfer model of the mineshaft and surrounding soil was established and then the temperature field was obtained. Base the Heat loss experience formula, the apparent heat conductivity and steam temperature to heat loss per length of the mineshaft influence

4、 were discussed. The results shown that the heat loss per length of the mineshaft increased with the apparent heat conductivity and steam temperature increase, furthermore, the apparent heat conductivity affected larger than that of steam temperature.High temperature and high pressure steam flows th

5、rough the wellbore segment backward, such as the reservoir section, the steam through the perforation into the reservoir, and reservoir mass and heat transfer, and thus the formation of a reservoir heat-affected zone is build. Using the finite element analysis software ANSYS, a thermal recovery well

6、bore, formation and reservoir part of the two non-steady-state mathematical model of Liaohe was build, and simulation Analysis of the temperature field of the reservoir and surrounding strata was made, and the relationgship between the time of steam injection and the reservoir heat-affected zone was

7、 discussed. The studys have shown that: at first,reservoir heat-affected region increased with the increase of the steam injection time, and then kept unchang, the time of steam injection in 3 to 5 days was the best.Key words: thermal conductivity; steam temperature;heat loss;heat affected zone;ANSY

8、S目 录1 绪论.11.1 目的意义.11.2 国内外的研究现状.21.2.1 井筒热损失的研究.21.2.2 油层热影响区域的研究.31.3 本文的研究内容及创新点.41.3.1 研究内容.41.3.2 创新点.52 研究方法.62.1 有限元分析法简介.62.2 ANSYS 简介.62.2.1 ANSYS 发展过程.72.2.2 ANSYS 技术特点.72.2.3 ANSYS 使用环境.82.2.4 ANSYS 程序功能.82.2.5 ANSYS 热分析概述.92.2.6 ANSYS 求解步骤.93 井筒热损失.103.1 问题描述.113.2 数学模型的建立.113.2.1 能量平衡方程

9、.113.2.2 连续介质的守恒方程.133.2.3 传热过程分析.143.2.4 基本假设.163.2.5 控制方程.163.2.6 边界条件.163.3 ANSYS 模拟.163.3.1 建立有限元模型.173.3.2 施加载荷计算.183.3.3 求解.183.3.4 后处理.183.4 模拟结果与分析.193.4.1 隔热油管视导热系数对井筒热损失的影响.193.4.2 注汽温度对单位长度井筒热损失的影响.214 油层热影响区域.234.1 问题描述.244.2 数学模型的建立.244.2.1 连续介质的守恒方程.254.2.2 多孔介质的守恒方程.274.2.3 传热过程分析.284

10、.2.4 基本假设.294.2.5 边界条件.294.3 ANSYS 模拟.294.3.1 建立有限元模型.294.3.2 施加载荷计算.314.3.3 求解.314.3.4 后处理.314.4 模拟结果与分析.325 结 论.38谢辞.39参考文献.401 绪论1.1 目的意义稠油在世界石油资源中储量丰富，据统计，其总量约为 1000108吨，中国是世界上稠油资源丰富的国家之一，预测资源量约为 198 亿吨。稠油由于粘度大，流动性差等特点，常规开采方法并不适用，基于稠油对温度的敏感性特点，热力采油已成为国内外普遍认同的开采方法，即向地下油层内注入高温高压蒸汽，一方面可以提高油层温度、降低稠油

11、粘度；另一方面可使油层压力升高、增加驱油能力。1.2 国内外的研究现状1.2.1 井筒热损失的研究自本世纪初以来，就有许多研究者致力于井筒热损失的研究。井筒传热研究工作的先驱 Ramey 以能量平衡为基础，忽略了流体流动过程中动能和摩擦的影响，最先提出了考虑时间和井深影响时的井筒液体温度计算的理论模型。该模型作为井筒热损研究的雏型，给出了井筒内注入气体和流体两种工质关于井深和时间的温度解.1.2.2 油层热影响区域的研究1968 年 Spillette，Nielsen 通过建立一个二维模型，对油层注冷水和注热水后温度分布进行了模拟计算，把流场分布和温度分布藕合在了一起进行迭代24。1970 年

12、埃克米尔等人在研究井筒换热和温度分布时，建立了一套关于注液和产液期间，液体与井筒周围地层间热交换的有限差分模型。计算中将油管、环空液、套管、水求解地层中的温度分布。 3 井筒热损失3.1 问题描述以辽河油田某钻井为研究对象，注汽时间 T=5d，油套环空导热系数 yt为0.023W/mK，套管导热系数 tg为 43.2 W/mK，水泥环导热系数 cem为 0.81 W/mK，地层导热系数 cm为 1.745 W/mK，地层热扩散系数 c 为 0.027 m2/h，地层初始温度 Tcm=40oC，蒸汽与隔热油管内壁对流换热系数 为 10 kw/m2oC。3.2 数学模型的建立隔热油管内管内半径 r

13、1为 0.031m，外半径 r2为 0.0365m；隔热油管外管内半径 r3为 0.05015m，外半径 r4为 0.05715m；套管内半径 r5为 0.0809m，外半径 r6为 0.0889m；水泥环外半径 r7为 0.1239m；地层半径 r8为 0.2478m，详见图 3-1 井筒及周围地层截面示意图。r8r7r6r5r2r1r4r3蒸 汽隔热层环 空 水泥环地层 图 3-1 井筒及其周围地层截面示意图依据热平衡原理，选取井筒内的一微元流体单元体为研究对象，如图 3-2 所示。当蒸汽纵向流入或流出该单元体的控制面 1、2 时，携带的能量可表示为： （3-2 1i ).2(2，iiio

14、igzvhmE1）式中：蒸汽携带的能量，W；iE 蒸汽流量，kg/s；om蒸汽焓值，J/kg ；ih蒸汽流速，m/s ；iv 高度，m ；iz重力加速度，9.81m/s2。g 3.4.1 隔热油管视导热系数对井筒热损失的影响现在使用的隔热油管多为抽真空隔热油管，结合预应力隔热油管标准（SY/T 5324-94）中提出的视导热系数概念，把隔热管的隔热层内以导热、对流和辐射三种方式传递的热量视为以纯导热方式传递的热量。其中，视导热系数数值划分为五个范围等级，如表 3-1 所示，因此，分别选取视导热系数为0.07、0.05、0.03、0.01 和 0.005 W/mK。 表 3-1 隔热油管等级分类

15、 单位：W/mK隔热性能等级ABCDE视导热系数0.060.080.040.060.020.040.0060.020.0020.0065 结 论 通过 分析， 得到以下结论。1）井筒热损失（1）井筒单位长度热损失整体上随着隔热油管视导热系数的增大而增大。视导热系数从 0.07W/mK 提高至 0.03 W/mK 后，单位长度热损失的变化速率随着视导热系数的减小而出现明显的降低，建议选用隔热油管视导热系数在0.030.005W/mK。 （2）单位长度井筒的热损失随着注汽温度的升高几乎呈线性增大的趋势。每提高 50，井筒单位长度热损失相差约 2W/m。（3）视导热系数对井筒单位长度热损失的影响大于

16、注汽温度的影响。2）油层热影响区域（1）高温区从第 3 天开始逐渐向地层扩散，造成热损失。（2）油层热影响区域先随着注汽时间的增大而逐渐增大，在第 5 天达到最大，而后热影响区域基本保持不变，大约在 17.4 米左右。（3）综合 1、2 两点，建议注汽时间在 35 天。谢 辞时光荏苒，岁月如梭，四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。经过几个月的查资料、整理材料、写作，今天终于可以顺利的完成论文。本文是在*老师的精心指导下完成的。在本论文的研究期间，贾老师从开题论证、方案设计到论文的撰写都给予了我相当大的帮助，每一个环节都倾注了贾老师大量的心血和精力。贾老师渊博的学识、丰富的实践经验和严谨的治学态度使我受