CN102011573B - 一种在水平井中均匀注入多元热流体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在水平井中均匀注入多元热流体的方法，包括以下步骤：(1)对水平井中水平段进行分段；(2)将各段水平井中管柱上泄流孔大小及末端泄流孔个数进行初始设定；(3)检测多元热流体温度、压力及干度；(4)迭代计算各段水平井井筒沿程温度、压力、干度及热损失；(5)迭代推算每段水平井中管柱上实际泄流孔个数及泄流孔大小；(6)根据计算结果对管柱进行打孔，将打孔后管柱下入井中，然后将多元热流体注入该管柱。本发明油藏适应范围广，且技术相对简单、成本低，不需要改变现有井口和注汽管，可使水平井段油藏均匀吸汽，提高油层的动用程度，保证水平井注入多元流体开采油藏达到最佳的开采效果。

Description

一种在水平井中均匀注入多元热流体的方法

技术领域

本发明涉及稠油热采技术，尤其涉及一种在水平井中均匀注入多元热流体的方法。

背景技术

目前海上稠油油田正在开展多元热流体(N₂+CO₂+蒸汽)吞吐应用试验。国内外水平井现场实测和模拟研究表明，水平井笼统注汽方式容易造成水平井段汽体局部突进、油藏动用不均匀，水平段油藏动用好井段仅占水平段长度的1/3—1/2，而且，水平段油藏动用不均会随着注汽周期的增加而加剧，甚至造成局部汽窜和出水。

国外加拿大和国内辽河油田重点研究和应用了水平井双管注汽工艺技术，采用内外管方式分别对水平井跟部和端部注汽，蒸汽从两个通道注入，一个是从上部1.9"无接箍油管注入到水平段脚尖，一个是从下部41/2"真空隔热管和1.9"无接箍油管环空井注到脚跟处，由地面流量调解阀门进行流量控制，实现二个出汽点不同排量的控制。双管注汽技术能够在井口实现注汽量的动态调整，使注汽利用率得到提高，在一定程度上改善了水平井开发效果，但技术要求和成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种油藏适应范围广，且应用方法简单、成本低，不需要改变现有井口和注汽管的在水平井中均匀注入多元热流体的方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种在水平井中均匀注入多元热流体的方法，包括以下步骤：

(1)测量水平井整体长度，并根据测量结果对水平井中水平段进行分段；

(2)测量水平井内径，并根据测量结果将各段水平井中管柱上泄流孔大小及末端泄流孔个数进行初始设定；

(3)检测准备注入的多元热流体温度、压力及干度；

(4)根据步骤(3)中检测结果及水平井沿程特性迭代计算各段水平井井筒沿程温度、压力、干度及热损失，其中，井筒沿程温度损失：

$q^{\′}=-\frac{d{H}_m}{\mathrm{dz}}+G_{\mathrm{tol}}g$

上式中，q′为井筒单位时间、单位长度的热损失；

H_m为多元热流体的总能量流量；

G_tol为多元热流体质量流量；

g为重力加速度；

z为井深；

井筒压力为：

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}={\mathrm{\ρ}}_{m}g\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{\λ}\frac{{\mathrm{\ρ}}_m{u}_m^2}{2d}$

上式中，p为压力；

ρ_m为多元热流体密度；

g为重力加速度；

z为井深；

θ为井斜角；

λ为阻力系数；

u_m为多元热流体速度；

d为油管直径。

干度计算公式：

$\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dz}}=\frac{c_1{M}_{H_{2}O}}{G_{H_{2}O}}\frac{1}{(p-p_w{)}^2}(p\frac{{\mathrm{dp}}_w}{\mathrm{dT}}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dz}}-p_w\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}})$

上式中，χ为蒸汽干度；

z为井深；

为饱和水质量流量；

为水的摩尔质量；

p为压力；

p_w为水的饱和压力；

T为多元热流体温度；

油管内蒸汽至水泥环外缘在dz段内的传热量为：

dQ＝2πr_toU_to(T_s-T_h)dz

上式中，Q为井筒径向热流量；

r_to-油管外径；

U_to-总传热系数；

T_h-水泥环外缘温度；

T_s-多元热流体温度；

z为井深。

从水泥环外缘至地层的导热为：

dQ＝2πλ_e(T_h-T_e)dz/f(t)

上式中，Q为井筒径向热流量；

λ_e-地层传热系数；

T_e-地面温度；

T_h-水泥环外缘温度；

f(t)-无量纲时间函数；

z为井深；

(5)根据步骤(4)中计算结果及步骤(1)、(2)中初始设定值以及均匀注入原则迭代推算每段水平井中管柱上实际泄流孔个数及泄流孔大小，其中，第i段泄流孔直径为：

$d_i=2\sqrt{\frac{q}{{\mathrm{n\πv}}_{o\left(i\right)}}}$

上式中，d_i为第i段泄流孔直径；

q为多元热流体流量；

n为水平段分段数；

v_o(i)为第i段泄流孔出流速度。

第i段泄流孔个数为：

$N_i=\frac{\mathrm{\π}{\left(\frac{d_i}{2}\right)}^2}{A_1}=\frac{q}{{\mathrm{nv}}_{o\left(i\right)}{A}_1}$

上式中，d_i为第i段泄流孔直径；；

A₁为预置泄流孔面积；

q为多元热流体流量；

n为水平段分段数；

v_o(i)为第i段泄流孔出流速度；

(6)根据步骤(5)中计算结果对管柱进行打孔，将打孔后管柱下入井中，然后将多元热流体注入该管柱。

进一步，所述步骤(1)中按照每50-70米一段的原则对水平井进行分段。

进一步，所述步骤(2)中设定泄流孔大小为1-2厘米。

进一步，所述步骤(2)中根据泄流孔最大限速设定末端泄流孔个数。

进一步，所述步骤(3)中分别采用温度计、压力计及湿度计检测准备注入的多元热流体的温度、压力及干度。

进一步，所述步骤(5)中在管柱上进行360度螺旋打孔。

本发明具有如下优点：

1、本发明根据对水平井及多元热流体各参数测量结果对水平井沿程温度、压力、干度及热损失进行计算，并根据计算结果修正水平井中管柱上泄流孔大小及个数，以达到在水平井中均匀注入热流体的目的，其油藏适应范围广，且技术相对简单、成本低，不需要改变现有井口和注汽管，可使水平井段油藏均匀吸汽，提高油层的动用程度，保证水平井注入多元流体开采油藏达到最佳的开采效果。

2、本发明应用过程简单、可靠，可实现自动化操作，本发明且可在多种不同场合使用，只需调整测量参数，本发明使用可靠性高，效果好。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1示出了水平井井身结构示意图；

图2示出了水平段均匀注入示意图。

具体实施方式

本发明包括以下步骤：

(1)测量水平井整体长度，并根据测量结果对水平井中水平段进行分段。

水平井井身结构如图1所示，包括井口1、井筒2及水平段3，水平段3管柱6上设置有泄流孔4。此处主要长度为水平段长度，为了使水平段能够实现均匀注入，在均质油藏中，一般每50-70米分为一段。

(2)测量水平井内径，并根据测量结果将各段水平井中管柱上泄流孔大小及末端泄流孔个数进行初始设定。

水平段均匀注入如图2所示，多元热流体5注入管柱6，管柱6上设置泄流孔4，多元热流体5通过泄流孔4进入管柱6与筛管7之间的环空8，筛管7与地层9之间还堆积砾石层10。

泄流孔尺寸太大会影响注入管柱结构性能；泄流孔尺寸太小，泄流孔节流压差大、射流速度大，对筛管造成一定冲击，因此，一般泄流孔大小尺寸设置在1-2厘米。末端泄流孔个数要根据注入管柱末端是否开口、泄流孔最大限速(<30m/s)进行设置。

(3)检测准备注入的多元热流体温度、压力及干度。

分别采用温度计、压力计及湿度计检测准备注入的多元热流体的温度、压力及干度。

(4)根据步骤(3)中检测结果及水平井沿程特性迭代计算各段水平井井筒沿程温度、压力、干度及热损失。

由于热损失的计算涉及到多元热流体的压力、温度及干度，因此必须先计算多元热流体的压力、温度及干度分布；而要确定井底的压力、温度及干度，就必须根据多元热流体的注入速率和井筒管柱参数计算井筒的热损失和压力降。由此可以看出井筒多元热流体压力、温度、干度及热损失的计算是相互耦合的，每一个的计算要经过迭代才能确定。

(A)井筒压力计算

井筒内气液两相管流的压力降是摩擦损失、势能变化和动能变化的综合结果，所遵循的动量平衡方程为(取垂直向下为正方向)：

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}={\mathrm{\&rho;}}_{m}g\sin \mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&lambda;}\frac{{\mathrm{\&rho;}}_m{u}_m^2}{2d}---\left(1\right)$

(B)井筒干度计算

多元热流体在井筒中的流动为两相、多组分的复杂流动，液相为水，而气相是由饱和蒸汽、N₂、CO₂组成的混合气体，由气体分压定律可知：饱和蒸汽的分压力与所占的摩尔百分数成正比：

$y_{H_{2}O}^{\&prime;\&prime;}=p_w\left(T\right)/p=\frac{G_{H_{2}O}^{\&prime;\&prime;}}{M_{H_{2}O}}/[\frac{G_{H_{2}O}^{\&prime;\&prime;}}{M_{H_{2}O}}+\frac{G_{{\mathrm{CO}}_2}}{M_{{\mathrm{CO}}_2}}+\frac{G_{N_2}}{M_{N_2}}]---\left(2\right)$

其中，水蒸汽饱和压力p_w可由水蒸汽性质求得。

令 $c_1=[\frac{G_{{\mathrm{CO}}_2}}{M_{{\mathrm{CO}}_2}}+\frac{G_{N_2}}{M_{N_2}}]$

设此时蒸汽干度为x，则有

代入(2)式整理可得：

$\frac{p_w\left(T\right)}{p}=\frac{{\mathrm{xG}}_{H_{2}O}}{M_{H_{2}O}{c}_1}---\left(3\right)$

由于T为z的函数，x、p也是z的函数，p_w为T的函数，对式(3)求导，即可得到干度计算公式：

$\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dz}}=\frac{c_1{M}_{H_{2}O}}{G_{H_{2}O}}\frac{1}{{(p-p_w)}^2}(p\frac{{\mathrm{dp}}_w}{\mathrm{dT}}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dz}}-p_w\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}})---\left(4\right)$

(C)井筒温度计算

根据能量平衡方程，井筒单位时间内、单位长度上的热损失等于单位时间内、单位长度上多元热流体能量的减少，即(忽略动能损失)：

$q^{\&prime;}=-\frac{{\mathrm{dH}}_m}{\mathrm{dz}}+\mathrm{Gg}---\left(5\right)$

其中， $H_m=G_{{\mathrm{CO}}_2}{h}_{{\mathrm{CO}}_2}\left(T\right)+G_{N_2}{h}_{N_2}\left(T\right)+(1-x)G_{H_{2}O}{h}_{H_{2}o}^{\&prime;}\left(T\right)+{\mathrm{xG}}_{H_{2}O}{h}_{H_{2}O}^{\&prime;\&prime;}\left(T\right)$

对式(5)求导得：

$\frac{{\mathrm{dH}}_m}{\mathrm{dz}}=G_{{\mathrm{CO}}_2}\frac{{\mathrm{dh}}_{{\mathrm{CO}}_2}}{\mathrm{dT}}+G_{N_2}\frac{{\mathrm{dh}}_{N_2}}{\mathrm{dT}}[(1-x)G_{H_{2}O}\frac{{\mathrm{dh}}_{H_{2}o}^{\&prime;}}{\mathrm{dT}}+{\mathrm{xG}}_{N_{2}O}\frac{{\mathrm{dh}}_{H_{2}O}^{\&prime;\&prime;}}{\mathrm{dT}}]\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dZ}}+{\mathrm{rG}}_{H_{2}O}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dz}}---\left(6\right)$

其中，将式(6)代入式(5)整理后可得到温度计算公式：

$\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dz}}=[{\mathrm{rc}}_1\frac{M_{H_{2}O}}{{(p-p_w)}^2}{p}_w\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}+\mathrm{Gg}-q_1]/c_2---\left(7\right)$

其中， $c_2=G_{{\mathrm{CO}}_2}\frac{{\mathrm{dh}}_{{\mathrm{CO}}_2}}{\mathrm{dT}}+G_{N_2}\frac{{\mathrm{dh}}_{N_2}}{\mathrm{dT}}+(1-x)G_{H_{2}O}\frac{{\mathrm{dh}}_{{H_{2}o}^{\&prime;}}^{\&prime;}}{\mathrm{dT}}+{\mathrm{xG}}_{H_{2}O}\frac{{\mathrm{dh}}_{H_{2}O}^{\&prime;\&prime;}}{\mathrm{dT}}{\mathrm{rc}}_{1}p\frac{M_{H_{2}O}}{{(p-p_w)}^2}\frac{{\mathrm{dp}}_w}{\mathrm{dT}}$

联立式(1)、(4)、(7)即构成了多元热流体两相流温度、压力及干度数学模型。

(D)井筒热损失计算

采用Ramey(1962年由美国教授Ramey提出)和Satter(1965年Satter在Ramey方法的基础上完善推广)的方法，将热损失的径向传热看作是由油管中心到水泥环外缘的一维稳定传热，水泥环外缘到地层之间的一维不稳定传热两部分组成；而径向热损失是沿井深方向，并随时间变化的；假设在单位时间内，井筒某段长度dz上的热损失为dQ。

a)油管中心至水泥环外缘的传热

油管内蒸汽至水泥环外缘在dz段内的传热量为：

dQ＝2πr_toU_to(T_s-T_h)dz              (8)

其中， $U_{\mathrm{to}}=r_{\mathrm{to}}[\frac{1}{r_{\mathrm{ti}}{h}_f}+\frac{\ln \frac{r_{\mathrm{to}}}{r_{\mathrm{ti}}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{tub}}}+\frac{\ln \frac{r_i}{r_{\mathrm{to}}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ins}}}+\frac{1}{r_i(h_c+h_r)}+\frac{\ln \frac{r_{\mathrm{co}}}{r_{\mathrm{ci}}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{cas}}}+\frac{\ln \frac{r_h}{r_{\mathrm{co}}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{cem}}}]$

括号内各项分别为油管内壁强迫对流传热热阻、油管壁热阻、环空液体或气体的热阻、套管壁热阻及水泥环的热阻。

b)从水泥环外缘至地层的导热

由于是不稳定的热传导，对地层的热损失开始大，但随着注汽的进行，地层温度增加，传热动力温差ΔT将减小，导致热损失降低。

用公式表示为：

dQ＝2πλ_e(T_h-T_e)dz/f(t)         (9)

其中， $f\left(t\right)=0.982\ln [1+1.81\frac{\sqrt{\mathrm{at}}}{r_h}],$ 为无量纲时间函数。

(5)根据步骤(4)中计算结果及步骤(1)、(2)中初始设定值以及均匀注入原则迭代推算每段水平井中管柱上实际泄流孔个数及泄流孔大小。

根据求得的井筒沿程温度、压力及干度分布，结合水平段分段数及末端泄流孔大小、个数，以每段均匀注入为前提，反推水平段每段所需泄流孔大小、个数及出流速度。

(A)假设条件

为了使多元热流体沿整个水平段均匀注入地层，必须满足2个条件：

a)水平注入段油套环空内压力相等，且大于等于地层压力+注多元热流体压差，即(n为水平段均匀注入分段数)：

p_o1＝p_o2＝…＝p_oi＝…＝p_on＝p_o     (10)

b)水平段各段注入量相等，即

q₁＝q₂＝…＝q_i＝…＝q_n＝q/n         (11)

(B)水平段均匀注入参数求解

多元热流体在水平段流动时，其流态为紊流，出汽口n-1和n之间沿程压力损失为：

$p_{i-1}{-p}_i=\frac{8\mathrm{gl}}{C^{2}R}\frac{{\mathrm{\&upsi;}}_i^2}{2g}{\mathrm{\&rho;}}_{m}g(i=\mathrm{1,2}...n)---\left(12\right)$

其中， $C=\frac{1}{j}{R}^{1/6},j=0.01~0.02,R=\frac{d}{4};$ υ_i为第i段注入管内多元热流体流速，其计算公式：

同时由局部压力损失公式：

$p_{i-1}-p_i=\mathrm{\&lambda;}\frac{l}{4R}\frac{{\mathrm{\&upsi;}}_i^2}{2g}{\mathrm{\&rho;}}_{m}g---\left(13\right)$

因此， $\mathrm{\&zeta;}\frac{v_{o(i-1)}^2}{2g}{\mathrm{\&rho;}}_{m}g=\mathrm{\&zeta;}\frac{v_{o\left(i\right)}^2}{2g}{\mathrm{\&rho;}}_{m}g+\frac{8\mathrm{gl}}{C^{2}R}\frac{{\mathrm{\&upsi;}}_i^2}{2g}{\mathrm{\&rho;}}_{m}g---\left(14\right)$

则，第i-1段泄流孔出流速度为：

$v_{o(i-1)}=\sqrt{\frac{\mathrm{\&zeta;}{v}_{o(i}^2)+\frac{8\mathrm{gl}}{C^{2}R}{\mathrm{\&upsi;}}_i^2}{\mathrm{\&zeta;}}}---\left(15\right)$

其中，v_o(n)可根据末端泄流孔大小、个数求得，因此根据公式(15)反推，可逐个求出每段泄流孔出口速度。

由于每段均匀注入(注入量已知)，则由第i段泄流孔出流速度公式，可求得此段泄流孔的直径：

$d_i=2\sqrt{\frac{q}{\mathrm{n\&pi;}{\mathrm{\&nu;}}_{o\left(i\right)}}}---\left(16\right)$

根据预置泄流孔面积A₁，则第i段所需泄流孔个数：

$N_i=\frac{\mathrm{\&pi;}{\left(\frac{d_i}{2}\right)}^2}{A_1}=\frac{q}{n{v}_{o\left(i\right)}{A}_1}---\left(17\right)$

联立式(15)、(16)、(17)，并结合步骤1中设置的水平段分段数、末端泄流孔个数及泄流孔大小，即可求得水平段每段所需泄流孔大小、个数及泄流速度。

(6)根据步骤(5)中计算结果对管柱进行打孔，将打孔后管柱下入井中，然后将多元热流体注入该管柱。

根据每段泄流孔参数，在水平段注入管柱上进行360度螺旋打孔，下入该管柱便可实现多元热流体的均匀注入。

本发明根据对水平井及多元热流体各参数测量结果对水平井沿程温度、压力、干度及热损失进行计算，并根据计算结果修正水平井中管柱上泄流孔大小及个数，以达到在水平井中均匀注入热流体的目的，其油藏适应范围广，且技术相对简单、成本低，不需要改变现有井口和注汽管，可使水平井段油藏均匀吸汽，提高油层的动用程度，保证水平井注入多元流体开采油藏达到最佳的开采效果。

下面结合一个具体实施例作详细说明：

一水平井计划实施多元热流体注入作业，其井口注入参数(温度：140℃、压力：8MPa)，多元热流体组分(N₂：687Nm³/h、CO₂：147Nm³/h及水：6.9t/h)，注热管柱组合及隔热方式：采用4-1/2″真空隔热油管+环空充氮，井垂直段：500m、造斜段：700、水平段：310m(水平段末端开口)。

1、水平段分段数、末端泄流孔个数及大小设置

水平段每段产度设置为62m，则水平段分段数为：310m/62m＝5段；末端泄流孔个数设置为40个，其大小为10mm。

2、联合压力、温度及热损失计算公式，迭代计算井筒每段压力、温度、热损失、焓、传热系数、流态分布，计算结果如表2所示。

表2井筒沿程参数分布

深度	压力	温度	热损失	蒸汽焓	传热系数	流态
							0	7.9178	139.136	0.00E+00	5.72E+02	0.836	GAP
41.64	8.0847	138.742	2.29E-01	5.70E+02	0.836	GAP
							71.08	8.2103	138.464	4.58E-01	5.69E+02	0.836	GAP
100.52	8.3371	138.187	6.87E-01	5.68E+02	0.835	GAP
							129.96	8.4649	137.912	9.14E-01	5.67E+02	0.835	GAP
159.4	8.5939	137.637	1.14E+00	5.66E+02	0.835	GAP
							188.84	8.7239	137.362	1.37E+00	5.65E+02	0.835	GAP
218.28	8.8551	137.089	1.59E+00	5.64E+02	0.834	GAP
							247.72	8.9873	136.816	1.82E+00	5.63E+02	0.834	GAP
277.16	9.1207	136.544	2.04E+00	5.62E+02	0.834	GAP
							306.6	9.2551	136.273	2.27E+00	5.61E+02	0.834	GAP
336.04	9.3905	136.003	2.49E+00	5.60E+02	0.833	GAP
							365.48	9.527	135.733	2.71E+00	5.59E+02	0.833	GAP
394.92	9.6646	135.465	2.94E+00	5.58E+02	0.833	GAP
							424.36	9.8032	135.197	3.16E+00	5.57E+02	0.833	GAP
453.8	9.9428	134.929	3.38E+00	5.56E+02	0.832	GAP
							483.24	10.0834	134.663	3.60E+00	5.55E+02	0.832	GAP
512.68	10.2251	134.397	3.82E+00	5.54E+02	0.832	GAP
							542.12	10.3678	134.132	4.04E+00	5.53E+02	0.831	GAP
571.56	10.5115	133.868	4.26E+00	5.52E+02	0.831	GAP
							601	10.6562	133.605	4.64E+00	5.51E+02	0.831	GAP
645	10.8742	133.213	4.97E+00	5.50E+02	0.831	GAP
							689	11.123	132.82	5.31E+00	5.49E+02	0.83	GAP
733	11.3994	132.426	5.64E+00	5.47E+02	0.83	GAP
							777	11.6907	132.033	5.98E+00	5.46E+02	0.829	GAP
821	11.981	131.642	6.31E+00	5.44E+02	0.829	GAP
							865	12.2572	131.254	6.64E+00	5.43E+02	0.829	GAP
909	12.521	130.869	6.97E+00	5.42E+02	0.828	GAP

953	12.7936	130.485	7.29E+00	5.40E+02	0.828	GAP
							997	13.0702	130.102	7.62E+00	5.39E+02	0.828	GAP
1041	13.2781	129.726	7.95E+00	5.37E+02	0.827	GAP
							1085	13.4285	129.357	8.27E+00	5.36E+02	0.827	GAP
1129	13.5472	128.992	8.59E+00	5.35E+02	0.826	GAP
							1173	13.6108	128.634	8.91E+00	5.33E+02	0.826	GAP
1200	13.6309	128.28	9.23E+00	5.32E+02	0.826	SLUG

3、根据水平段均匀注入参数计算公式，计算水平段每段泄流孔个数、泄流孔大小及泄流速度，计算结果如表3所示，最后依照此均匀设计参数，在水平段注入管柱上360度螺旋打孔，便可实现多元热流体在水平井中均匀注入。

表3水平段多元热流体均匀注入设计

下面是本发明中各参数情况：

d-油管直径，m；

Z-井深，m；

u_m-多元热流体平均速度，m/s；

ρ_m-多元热流体平均密度，kg/m³；

θ-井斜角，弧度；

χ-蒸汽干度，％；

P-多元热流体压力，MPa；

P_w-水的饱和压力，MPa；

T-多元热流体温度，℃；

λ-两相流摩阻系数；

q′-井筒单位时间、单位长度的热损失，W/m；

H_m-多元热流体的总能量流量，W；

G_tol-多元热流体质量流量，kg/s；

-CO₂、N₂、饱和水、饱和蒸汽的质量流量，kg/s；

-CO₂、N₂、饱和水、饱和蒸汽的热焓，kJ/kg；

-水、CO₂、N₂摩尔质量，kg/mol；

r_ti-油管内径，m；

r_to-油管外径，m；

r_ci-套管内径，m；

r_co-套管外径，m；

r_h-水泥环外径，m；

λ_tub-油管传热系数，W/(m·K)；

λ_cas-套管传热系数，W/(m·K)；

λ_cem-水泥环传热系数，W/(m·K)；

λ_e-地层传热系数，W/(m·K)；

T_h-水泥环外缘温度，℃；

T_e-地面温度，℃；

T_s-多元热流体温度，℃；

a-地温梯度，℃/m，通常a=0.03～0.035℃；

t-注热累计时间，h；

Z-井深，m；

u_m-多元热流体平均速度，m/s；

ρ_m-多元热流体平均密度，kg/m³

θ-地层热扩散系数，m²/h；

Q-井筒径向热流量，W；

U_to-总传热系数，W/(m²·K)；

f(t)-无量纲时间函数；

n-水平段均匀注入分段数；

l-每段长度，m；

P_i-水平段第i段油管内压力，MPa；(i＝1、2...n)

P_oi-水平段第i段油套环空压力，MPa；(i＝1、2...n)

P_o-水平段油套环空压力，MPa；

A-注入管柱截面积，m²。

u_i-第i段注入管柱内流速，m/s；(i＝1、2...n)

q_i-第i段流量，m³/s；(i＝1、2...n)

q-多元热流体注入流量，m³/s；

d_i-第i段泄流孔直径，m；(i＝1、2...n)

C-常数；

ζ-局部损失系数；

v_o(i)-第i段泄流孔出流速度，m/s；(i＝1、2...n)

N_i-第i段泄流孔数；(i＝1、2...n)

A₁-预置泄流孔面积，m²。

本发明应用过程简单、可靠，可实现自动化操作，本发明且可在多种不同场合使用，只需调整测量参数，本发明使用可靠性高，效果好。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种在水平井中均匀注入多元热流体的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)测量水平井整体长度，并根据测量结果对水平井中水平段进行分段；

(2)测量水平井内径，并根据测量结果将各段水平井中管柱上泄流孔直径及末端泄流孔个数进行初始设定；

(3)检测准备注入的多元热流体温度、压力及干度；

(4)根据步骤(3)中检测结果及水平井沿程特性迭代计算各段水平井井筒沿程温度、压力、干度及热损失，其中：

$q\text{'}=-\frac{{\mathrm{dH}}_m}{\mathrm{dz}}+G_{\mathrm{tol}}g$

上式中，q′为井筒单位时间、单位长度的热损失，单位瓦特／米；

H_m为多元热流体的总能量流量，单位瓦特；

G_tol为多元热流体质量流量，单位千克／秒；

g为重力加速度，单位为m/s²；

z为井深，单位米；

井筒压力为：

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}={\mathrm{\&rho;}}_{m}g\sin \mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&lambda;}\frac{{\mathrm{\&rho;}}_m{u}_m^2}{2d}$

上式中，p为压力，单位兆帕；

ρ_m为多元热流体密度，单位千克/立方米；

g为重力加速度，单位为m/s²；

z为井深，单位米；

θ为井斜角，单位弧度；

λ为阻力系数；

u_m为多元热流体速度，单位米／秒；

d为油管直径，单位米；

干度计算公式：

$\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dz}}=\frac{c_1{M}_{H_{2}O}}{G_{H_{2}O}}\frac{1}{{(p-p_w)}^2}(p\frac{{\mathrm{dp}}_w}{\mathrm{dT}}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dz}}-p_w\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}})$

上式中，χ为蒸汽干度，单位百分比；

z为井深，单位米；

$c_1=[\frac{G_{{\mathrm{CO}}_2}}{M_{{\mathrm{CO}}_2}}+\frac{G_{N_2}}{M_{N_2}}];$

为饱和水质量流量，单位千克/秒；

为水的摩尔质量，单位千克/摩尔；

为二氧化碳的质量流量，单位千克/秒；

为氮气的质量流量，单位千克/秒；

为二氧化碳的摩尔质量，单位千克/摩尔；

为氮气的摩尔质量，单位千克/摩尔；

p为压力，单位兆帕；

p_w为水的饱和压力，单位兆帕；

T为多元热流体温度，单位℃；

油管内蒸汽至水泥环外缘在dz段内的传热量为：

dQ=2πr_toU_to(T_s-T_h)dz

上式中，Q为井筒径向热流量，单位瓦特；

r_to-油管外径，单位米；

U_to-总传热系数，单位W/(m²·K)；

T_h-水泥环外缘温度，单位℃；

T_s-油管内蒸汽温度，单位℃；

z为井深，单位米；

从水泥环外缘至地层的导热为：

dQ=2πλ_e(T_h-T_e)dz/f(t)

上式中，Q为井筒径向热流量，单位瓦特；

λ_e-地层传热系数，单位W/(m·K)；

T_e-地面温度，单位℃；

T_h-水泥环外缘温度，单位℃；

f(t)-无量纲时间函数， $f\left(t\right)=0.982\ln [1+1.81\frac{\sqrt{\mathrm{at}}}{r_h}];$

r_h为水泥环外径，单位米；

a为地温梯度，单位℃/m；

t为注热累计时间，单位小时；

z为井深，单位米；

温度计算公式：

$\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dz}}=[{\mathrm{rc}}_1\frac{M_{H_{2}O}}{{(p-p_w)}^2}{p}_w\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}+\mathrm{Gg}-q_1]{/c}_2$

其中， $c_2=G_{{\mathrm{CO}}_2}\frac{{\mathrm{dh}}_{{\mathrm{CO}}_2}}{\mathrm{dT}}+G_{N_2}\frac{{\mathrm{dh}}_{N_2}}{\mathrm{dT}}+(1-x)G_{H_{2}O}\frac{{\mathrm{dh}}_{H_{2}O\text{'}}^{\text{'}}}{\mathrm{dT}}+x{G}_{H_{2}O}\frac{{\mathrm{dh}}_{H_{2}O}^{\&prime;\&prime;}}{\mathrm{dT}}+{\mathrm{rc}}_{l}p\frac{M_{H_{2}O}}{{(p-p_w)}^2}\frac{{\mathrm{dp}}_w}{\mathrm{dT}}$

ql＝q/n；

$r=h_{H_{2}O}\text{'}\text{'}\left(T\right)-h_{H_{2}O}\text{'}\left(T\right);$

分别为二氧化碳、氮气、饱和水、饱和蒸汽的热焓，单位为千焦耳/千克；

(5)根据步骤(4)中计算结果及步骤(1)、(2)中初始设定值以及均匀注入原则迭代推算每段水平井中管柱上实际泄流孔个数及泄流孔直径，其中，第i段泄流孔直径为：

$d_i=2\sqrt{\frac{q}{\mathrm{n\&pi;}{v}_{o\left(i\right)}}}$

上式中，d_i为第i段泄流孔直径，单位米；

q为多元热流体流量，单位m³/s；

n为水平段分段数；

v_o(i)为第i段泄流孔出流速度，米/秒；

第i段泄流孔个数为：

$N_i=\frac{\mathrm{\&pi;}{\left(\frac{d_i}{2}\right)}^2}{A_1}=\frac{q}{n{v}_{o\left(i\right)}{A}_1}$

上式中，d_i为第i段泄流孔直径，单位米；

A₁为预置泄流孔面积，单位平方米；

q为多元热流体流量，单位t/s；

n为水平段分段数；

v_o(i)为第i段泄流孔出流速度，单位米/秒；

(6)根据步骤(5)中计算结果对管柱进行打孔，将打孔后管柱下入井中，然后将多元热流体注入该管柱。

2.如权利要求1所述的在水平井中均匀注入多元热流体的方法，其特征在于：所述步骤(1)中按照每50-70米一段的原则对水平井进行分段。

3.如权利要求1所述的在水平井中均匀注入多元热流体的方法，其特征在于：所述步骤(2)中设定泄流孔直径为1-2厘米。

4.如权利要求1所述的在水平井中均匀注入多元热流体的方法，其特征在于：所述步骤(2)中根据泄流孔最大限速设定末端泄流孔个数。

5.如权利要求1所述的在水平井中均匀注入多元热流体的方法，其特征在于：所述步骤(3)中分别采用温度计、压力计及湿度计检测准备注入的多元热流体的温度、压力及干度。

6.如权利要求1所述的在水平井中均匀注入多元热流体的方法，其特征在于：所述步骤(6)中在管柱上进行360度螺旋打孔。

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