一种注蒸汽井筒传热过程中的热损失量评估方法及装置
阅读说明：本技术 一种注蒸汽井筒传热过程中的热损失量评估方法及装置 (Heat loss evaluation method and device in heat transfer process of steam injection well barrel ) 是由 邓瑞 于 2020-12-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种注蒸汽井筒传热过程中的热损失量评估方法、装置及计算机可读存储介质,所述方法包括以下步骤：获取井眼半径及地层热扩散系数,根据所述井眼半径及地层热扩散系数,获取无因次地层时间函数；获取油管的外壁温度、套管的内壁温度及环空液体的等效导热系数,根据油管的外壁温度、套管的内壁温度及环空液体的等效导热系数获取总传热系数；获取油管外半径、蒸汽温度及水泥环外缘温度,根据所述油管外半径、蒸汽温度、水泥环外缘温度、无因次地层时间函数及总传热系数,得到井筒传热过程中的热损失量。本发明所述的注蒸汽井筒传热过程中的热损失量评估方法,实现了对注蒸汽井筒传热过程中的热损失量的评估。(The invention relates to a method and a device for evaluating heat loss in a heat transfer process of a steam injection well barrel and a computer readable storage medium, wherein the method comprises the following steps: acquiring a borehole radius and a formation thermal diffusion coefficient, and acquiring a dimensionless formation time function according to the borehole radius and the formation thermal diffusion coefficient; acquiring the outer wall temperature of an oil pipe, the inner wall temperature of a sleeve and the equivalent heat conductivity coefficient of annular liquid, and acquiring a total heat transfer coefficient according to the outer wall temperature of the oil pipe, the inner wall temperature of the sleeve and the equivalent heat conductivity coefficient of the annular liquid; and obtaining the outer radius of the oil pipe, the steam temperature and the outer edge temperature of the cement sheath, and obtaining the heat loss in the heat transfer process of the shaft according to the outer radius of the oil pipe, the steam temperature, the outer edge temperature of the cement sheath, the dimensionless formation time function and the total heat transfer coefficient. The method for evaluating the heat loss amount in the heat transfer process of the steam injection well barrel realizes the evaluation of the heat loss amount in the heat transfer process of the steam injection well barrel.)
技术领域
本发明涉及注蒸汽采油技术领域，尤其涉及一种注蒸汽井筒传热过程中的热损失量评估方法、装置及计算机可读存储介质。
背景技术
世界上的稠油资源非常丰富，其地质储量远远超过常规原油储量。到目前为止，已探明储量达三千亿吨，而稀油资源只有1700亿吨可供开采，稠油是二十一世纪的重要资源。中国的稠油资源也十分丰富，分布广泛，目前中国已经成为四大稠油开采国之一，稠油资源是我国一项巨大的潜在资源，在今后的能源结构中起着至关重要的作用。
目前注蒸汽热采技术在国内外稠油油田被广泛地应用，由锅炉产生的高温高压的水蒸汽经地面管线和井筒进入油藏的过程中，必然伴随着热量损失，直接影响热采的效果。蒸汽从地面管道流出后，就会进入井筒直到最后进入各射孔层，在进入射孔层之前，蒸汽在井筒中还是会沿着井筒损失热量，这样就会引起蒸汽干度的变化，进入各射孔层的热量也会变化，因此，需要评估注汽过程中，蒸汽在井筒中损失热量的情况，从而判断吸汽效果的好坏，指导和调整注汽参数，为油田适时调整开发方案提供参考。现有技术中缺少评估注蒸汽井筒传热过程中的热损失量的方案。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种注蒸汽井筒传热过程中的热损失量评估方法、装置及计算机可读存储介质，用以解决现有技术中缺少评估注蒸汽井筒传热过程中的热损失量方案的问题。
本发明提供一种注蒸汽井筒传热过程中的热损失量评估方法，包括以下步骤：
获取井眼半径及地层热扩散系数，根据所述井眼半径及地层热扩散系数，获取无因次地层时间函数；
获取油管的外壁温度、套管的内壁温度及环空液体的等效导热系数，根据油管的外壁温度、套管的内壁温度及环空液体的等效导热系数获取总传热系数；
获取油管外半径、蒸汽温度及水泥环外缘温度，根据所述油管外半径、蒸汽温度、水泥环外缘温度、无因次地层时间函数及总传热系数，得到井筒传热过程中的热损失量。
进一步地，根据所述井眼半径及地层热扩散系数，获取无因次地层时间函数，具体包括，根据所述井眼半径、地层热扩散系数及无因次地层时间函数计算公式获取无因次地层时间函数，所述无因次地层时间函数计算公式为
其中，α为地层热扩散系数，τ为计算时间，rh为井眼半径。
进一步地，根据油管的外壁温度、套管的内壁温度及环空液体的等效导热系数获取总传热系数，具体包括，根据所述油管的外壁温度及套管的内壁温度，确定环空辐射换热系数，根据环空液体的等效导热系数，确定自然对流传热系数，根据所述环空辐射换热系数及自然对流传热系数，获取总传热系数。
进一步地，根据所述油管的外壁温度及套管的内壁温度，确定环空辐射换热系数，具体包括，根据所述油管的外壁温度、套管的内壁温度及辐射换热系数公式，确定环空辐射换热系数，所述辐射换热系数公式为hr＝σFtci(Tto *2+Tci *2)(Tto *+Tci *)，其中，*为绝对温度，σ为常数，Ftci为油管外表面向套管内表面辐射散热有效系数，Tto为油管的外壁温度，Tci为套管的内壁温度。
进一步地，根据环空液体的等效导热系数，确定自然对流传热系数，具体包括，根据所述环空液体的等效导热系数及自然对流传热系数公式，确定自然对流传热系数，所述自然对流传热系数公式为其中，Khc为环空液体的等效导热系数，rto为油管的外半径，rci为套管的内半径。
进一步地，根据所述环空辐射换热系数及自然对流传热系数，获取总传热系数，具体包括，根据所述环空辐射换热系数、自然对流传热系数及总传热系数计算公式，获取总传热系数，所述总传热系数计算公式为其中hc、hr分别为环空辐射换热系数、自然对流传热系数,rco为套管的外半径，Kcem水泥环的导热系数,rh井眼半径。
进一步地，根据所述油管外半径、蒸汽温度、水泥环外缘温度、无因次地层时间函数及总传热系数，得到井筒传热过程中热损失量，具体包括，根据所述油管外半径、蒸汽温度、水泥环外缘温度、无因次地层时间函数及总传热系数，得到井筒内微元段dz的径向传热量，由井筒内微元段的径向传热量获取井筒传热过程中的热损失量。
进一步地，根据所述油管外半径、蒸汽温度、水泥环外缘温度、无因次地层时间函数、总传热系数及传热公式，得到井筒内微元段dz的径向传热量，所述传热公式为
其中，Ke地层导热系数，Te为地层温度，rto为油管外半径，Ts为蒸汽温度，Th为水泥环外缘温度，dQ为井筒内微元段dz的径向传热量。
本发明还提供了一种注蒸汽井筒传热过程中的热损失量评估装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如上述任一技术方案所述的注蒸汽井筒传热过程中的热损失量评估方法。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机该程序被处理器执行时，实现如上述任一技术方案所述的注蒸汽井筒传热过程中的热损失量评估方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过获取井眼半径及地层热扩散系数，根据所述井眼半径及地层热扩散系数，获取无因次地层时间函数；获取油管的外壁温度、套管的内壁温度及环空液体的等效导热系数，根据油管的外壁温度、套管的内壁温度及环空液体的等效导热系数获取总传热系数；获取油管外半径、蒸汽温度及水泥环外缘温度，根据所述油管外半径、蒸汽温度、水泥环外缘温度、无因次地层时间函数及总传热系数，得到井筒传热过程中热损失量；实现了对注蒸汽井筒传热过程中的热损失量的评估。
附图说明
图1为本发明提供的注蒸汽井筒传热过程中的热损失量评估方法的流程示意图；
图2为本发明提供的井筒的径向结构示意图。
附图标记：1-油管；2-环空；3-套管；4-水泥环；5-地层。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明实施例提供了一种注蒸汽井筒传热过程中的热损失量评估方法，其流程示意图，如图1所示，其包括以下步骤：
S1、获取井眼半径及地层热扩散系数，根据所述井眼半径及地层热扩散系数，获取无因次地层时间函数；
S2、获取油管的外壁温度、套管的内壁温度及环空液体的等效导热系数，根据油管的外壁温度、套管的内壁温度及环空液体的等效导热系数获取总传热系数；
S3、获取油管外半径、蒸汽温度及水泥环外缘温度，根据所述油管外半径、蒸汽温度、水泥环外缘温度、无因次地层时间函数及总传热系数，得到井筒传热过程中的热损失量。
一个具体实施例中，井筒的径向结构示意图，如图2所示，注蒸汽井筒主要包括由油管、套管和水泥环；
需要说明的是，蒸汽的注入一般有两种方式，一种是从套管注入，另一种是从油管注入；当从套管注入时，由于蒸汽会直接给套管壁加热，热量损失会更多；而从油管注入时，由于油管和套管之间的环空区域充满隔热介质，热量损失会减少，一般采用第二种方法，在环空中一般会充填空气、氮气等气体，可以在环空中间加入隔热管，以最好的隔热效果；
具体实施时，把井筒中蒸汽的径向传热看成是两部分组成，即油管中心到水泥环外缘的一维稳定传热和水泥环外缘到地层之间的一维不稳定传热，同时径向热损失是沿井深方向，并随时间变化的，因此，井筒热损失的计算必须在井筒某一深度和时间上分段进行，假设在单位时间内，井筒某段长度dz上的热损失为dQ；
由于是稳定传热，可知井筒在dz段内蒸汽从油管中心到水泥环外缘在传热量为dQ＝2πrtoUto(Ts-Th)dz，其中，Uto为总传热系数，W/(m2·℃)，rto为油管外半径，m，Ts为蒸汽温度，℃，Th为水泥环外缘温度，℃；这一传热量等于由水泥环外缘至未受影响的地层的不稳定导热量；由于是非稳定的热传导，热量随时间发生变化，则有
其中，Ke为地层导热系数，W/(m·℃)，Te为地层温度，℃；f(τD)为无因次地层时间函数；
优选的，根据所述井眼半径及地层热扩散系数，获取无因次地层时间函数，具体包括，根据所述井眼半径、地层热扩散系数及无因次地层时间函数计算公式获取无因次地层时间函数，所述无因次地层时间函数计算公式为
其中，α为地层热扩散系数(m2/s)，τ为计算时间(s)，rh为井眼半径(m)；
优选的，根据油管的外壁温度、套管的内壁温度及环空液体的等效导热系数获取总传热系数，具体包括，根据所述油管的外壁温度及套管的内壁温度，确定环空辐射换热系数，根据环空液体的等效导热系数，确定自然对流传热系数，根据所述环空辐射换热系数及自然对流传热系数，获取总传热系数。
优选的，根据所述油管的外壁温度及套管的内壁温度，确定环空辐射换热系数，具体包括，根据所述油管的外壁温度、套管的内壁温度及辐射换热系数公式，确定环空辐射换热系数，所述辐射换热系数公式为hr＝σFtci(Tto *2+Tci *2)(Tto *+Tci *)，其中，*为绝对温度，σ为常数，Ftci为油管外表面向套管内表面辐射散热有效系数，Tto为油管的外壁温度，Tci为套管的内壁温度；
一个具体实施例中，当油套环空中有气体时，辐射热量Qr由油管外壁的温度Tto与套管内壁温度Tci决定；则有
其中，*为绝对温度(T+273)；
σ为Stefan-Boltzman常数[1.173*10-19Btu/(ft2·h·℃)]；
Ftci为油管外表面Ato向套管内表面Aci辐射散热有效系数，它表示辐射吸收能力；Tto为油管的外壁温度；Tci为套管的内壁温度；对于井筒条件，
其中，εto为油管外壁辐射系数，无因次，εci为套管内壁辐射系数，无因次，为两个表面间的总交换系数；对于井简传热条件，取值为1.0；因此上式可简化为
根据式因子分解，可得出辐射换热系数hr的计算公式
由于在上面已经计算出Tci，而Tto在计算时近似把它当做某一深度点的蒸汽温度，所以hr可以用hr的计算公式计算；
优选的，根据环空液体的等效导热系数，确定自然对流传热系数，具体包括，根据所述环空液体的等效导热系数及自然对流传热系数公式，确定自然对流传热系数，所述自然对流传热系数公式为其中，Khc为环空液体的等效导热系数，rto为油管的外半径，rci为套管的内半径；
一个具体实施例中，油套环空的热传导及自然对流引起的径向传热速度为
其中，Qc为热传导及自然对流引起的径向传热速度，w；Khc为环空液体的等效导热系数，即在环空的平均温度和压力下，自然对流影响的环空液体的综合导热系数，W/(m2·℃)；当自然对流很小时，Khc＝Kha，Kha是环空液体或者气体的导热系数；因为
Qc＝2πrtohc(Tci-Tto)ΔL
所以hc可以由下面的公式确定：
在井筒条件下有
上式中的格拉绍夫数Gr和普朗特常数Pr分别由下面的计算式决定：
其中，g为重力加速度，1.2718×108m/h；ρan为流体在平均温度和压力下的密度，kg/m3；μan为在平均温度和压力下环空流体的粘度，kg/(m2·s)；β为环空流体的体积膨胀系数；Can为在平均温度和压力下环空流体的比热容，kJ/(kg·℃)；
公式Qc＝2πrtohc(Tci-Tto)ΔL的有效范围是5×104<GrPr<7.17×108，环空中为高压气体时，GrPr乘积在105～109之间；对于上面环空流体的参数，可以根据实际流体的物性表进行插值或者拟合；
9、优选的，根据所述环空辐射换热系数及自然对流传热系数，获取总传热系数，具体包括，根据所述环空辐射换热系数、自然对流传热系数及总传热系数计算公式，获取总传热系数，所述总传热系数计算公式为其中，hc、hr分别为环空辐射换热系数、自然对流传热系数,rco为套管的外半径，Kcem水泥环的导热系数,rh井眼半径；
需要说明的是，当井筒中只是单层油管，下部带有封隔器，油管和套管之间的环形空间是液体或者气体时，井筒总的传热系数可由下式计算
上式中括号内各项依次表示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；
由于井筒流体和油管内表面之间的传热系数hf是非常大的，其热阻基本可以忽略不计，油管和套管的导热系数Ktub和Kcas要比水泥环和地层的导热系数大得多，且油管壁和套管壁一般都很薄，因此他们的热阻很小，也可以忽略不计；这样可以把上式式简化为
其中，hc为环空气体或液体热传导和自然对流的传热系数，W/(m2·℃)；hr为环空气体或液体辐射传热系数，W/(m2·℃)；Kcem为水泥环的导热系数，W/(m2·℃)；rco为套管的外半径，m；rto为油管的外半径，m；当井筒中油管柱是双层隔热管，下端有封隔器，环空是液体或者气体时，井筒的总的传热系数由下面的公式计算
这个公式也可以简化成
其中，ri为隔热油管的外半径，m；Kins为隔热油管的导热系数，W/(m2·℃)；hc为环空气体或液体热传导和自然对流传热系数，W/(m2·℃)；hr＇为环空气体或液体辐射传热系数，W/(m2·℃)；这几个参数均与油管的外表面性质、液体的物理性质、油管外壁与套管内壁之间的温度与距离、套管内壁表面性质等有关；
具体实施例时，欲求某一时刻t下，Δz管长上的热损失ΔQ，则必须求得Th值，而Th值的大小又与Uto的取值有关，设定已知Uto，则可计算出Th及ΔQ值，从而得到新的计算值Ut'o，这样即可以将作为Uto迭代参数进行选代计；
Uto具体迭代计算的步骤如下：根据设定一个Uto值，计算f(τD)，计算出Th值，计算出Tci值，估算hr及hc，求出新的Uto值；一般情况下，计算出的Uto值与最初设定的Uto值会有差别，利用计算出的Uto，重复计算得到最新Uto值，这样进行迭代若干就可求准确的Uto值，从而确定最终的Uto值以后；
优选的，根据所述油管外半径、蒸汽温度、水泥环外缘温度、无因次地层时间函数及总传热系数，得到井筒传热过程中热损失量，具体包括，根据所述油管外半径、蒸汽温度、水泥环外缘温度、无因次地层时间函数及总传热系数，得到井筒内微元段dz的径向传热量，由井筒内微元段的径向传热量获取井筒传热过程中的热损失量。
优选的，根据所述油管外半径、蒸汽温度、水泥环外缘温度、无因次地层时间函数、总传热系数及传热公式，得到井筒内微元段dz的径向传热量，所述传热公式为
其中，Ke地层导热系数，Te为地层温度，rto为油管外半径，Ts为蒸汽温度，Th为水泥环外缘温度，dQ为井筒内微元段dz的径向传热量；
一个具体实施例中，由于井筒中热传递具有连续性，那么蒸汽从油管中心至水泥环外缘传递的热量等于水泥环外缘到地层传热量，因此水泥环外缘温度可表示为
同时可得到套管内表面温度
因此，可得井筒内一微元段dz的径向传热量为
实施例2
本发明实施例提供了一种注蒸汽井筒传热过程中的热损失量评估装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如实施例1所述的注蒸汽井筒传热过程中的热损失量评估方法。
实施例3
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机该程序被处理器执行时，实现如实施例1所述的注蒸汽井筒传热过程中的热损失量评估方法。
本发明公开了一种注蒸汽井筒传热过程中的热损失量评估方法、装置及计算机可读存储介质；通过获取井眼半径及地层热扩散系数，根据所述井眼半径及地层热扩散系数，获取无因次地层时间函数；获取油管的外壁温度、套管的内壁温度及环空液体的等效导热系数，根据油管的外壁温度、套管的内壁温度及环空液体的等效导热系数获取总传热系数；获取油管外半径、蒸汽温度及水泥环外缘温度，根据所述油管外半径、蒸汽温度、水泥环外缘温度、无因次地层时间函数及总传热系数，得到井筒传热过程中热损失量；实现了对注蒸汽井筒传热过程中的热损失量的评估。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种提高感压胶片压力测量精度的装置及方法