1、#*辽 宁 石 油 化 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）Graduation Project (Thesis) for Undergraduate of LSHU题 目TITLE学 院School专 业 班 级Major Steam temperature; Heat loss; Heat affected zone; ANSYS#*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
2、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 .113.1 问题描述 .113.2 数学模型的建立 .113.2.1 能量平衡方程 .113.2.2 连续介质的守恒方程 .133.2.3 传热过程分析 .14#*3.2.4 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
3、元模型 .163.3.2 施加载荷计算 .173.3.3 求解 .183.3.4 后处理 .183.4 模拟结果与分析 .183.4.1 隔热油管视导热系数对井筒热损失的影响 .183.4.2 注汽温度对单位长度井筒热损失的影响 .204 油层热影响区域 .224.1 问题描述 .224.2 数学模型的建立 .224.2.1 连续介质的守恒方程 .234.2.2 多孔介质的守恒方程 .254.2.3 传热过程分析 .264.2.4 基本假设 .274.2.5 边界条件 .274.3 ANSYS 模拟 .274.3.1 建立有限元模型 .274.3.2 施加载荷计算 .284.3.3 求解 .2
4、94.3.4 后处理 .29#*4.4 模拟结果与分析 .295 结论 .32参考文献 .33谢辞 .35#*1 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、降低稠油粘度；另一方面可使油层压力升高、增加驱油能力。常见的热力采油方法有“蒸汽吞吐采油”和“蒸汽驱采油”两种方式。 “蒸汽吞吐采油”是先向油井注入一定
5、量的蒸汽，焖井一段时间，待蒸汽的热能向油层扩散后，再开井生产的一种开采稠油的增产方法。蒸汽吞吐作业的过程分为三个阶段，即注汽、焖井及回采。“蒸汽驱采油”是稠油油藏经过蒸汽吞吐采油之后，为进一步提高采收率而采取的一项热采方法，因为蒸汽吞吐采油只能采油各个油井附近油层中的原油，在油井与油井之间还留有大量的死油区。 “蒸汽驱采油”是由注入井连续不断地往油层中注入高干度的蒸汽，蒸汽不断地加热油层，从而大大降低了地层原油的粘度。注入的蒸汽在地层中变为热的流体，将原油驱赶到生产井的周围，并被采到地面上来。在注蒸汽的过程中，由于蒸汽与地层之间存在温差，蒸汽流动过程中又有摩擦阻力，因此注汽过程中存在着能量损失
6、，注汽过程中的能量损失，特别是井筒中的能量损失，直接影响热采效果。为了有效地减少这部分能量损失，提高热采效果，需要对注汽井筒进行传热分析，进而探讨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，这为热采过程中热量的高效、合理利用提供了一定的理论依据。蒸汽流经井筒后进入目的层即油层，高温高压的蒸汽会通过射孔与油层进行传质传热，将热量释放给原油，使其温度升高，粘度降低，同时增加油层压力，达到驱油效果。但随着蒸汽与油层热量交换的进行，蒸汽自身温度降低，逐渐冷凝成液体，阻止热量继续扩散，会形成热影响区域。研究油层热影响区域对合理确定注汽时间和钻井位置具有重要指导意#*义。1.2 国内外的研究现
7、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析表达式，为后来的井筒热损研究奠定了基础。但该模型中的时间函数要求注入流体的时间不得小于 7 天，所以此模型的精度在时间小于 7 天的时候受到限制。另外该模型仅适用于单相流，并在建立模型过程中假设井筒流体的物性参数不随温度变化，这与实际物理过程不相符 1。国内外许多研究者在 R
8、amey 模型的基础上继续做了多方面的研究，如 Hasan 和 Kabir 建立起井筒内两相流模型，改善了 Ramey 模型仅适用于单相流的不足，此模型可用于计算井筒液体温度的分布 26。 Pacheco 和 Farouq Ali 以流体流动的能量平衡方程为基础，建立了能同时计算蒸汽压力和蒸汽干度的数学模型 7。该模型弥补了 Ramey 模型中没有考虑水泥壳的影响的缺点。另外此模型结构形式较复杂。但它可以用来较精确地计算蒸汽物性和热损失随深度和时间的变化。不过此模型还用到了 Ramey 模型中不完善的理论，如地层时间函数 f ( )的计算，所以适用精度也受到一定限制。Satter 在使用 Ra
9、mey 模型时，考虑了注汽过程中的蒸汽相变影响，进而提出了一种预测冷凝流体干度随深度及时间变化的计算方法，模型中提出的关系式 8可用于计算饱和蒸汽注入时的井筒热损失。Squier 等人对热水通过井筒注入时提出了一个完整的分析方法 9；Huygen 和 Huitt10给出了在蒸汽注入期间的井筒热损失理论和实验结果，同时指出辐射热损失的重要性；Willhite 提出了完整的计算总传热系数的方法 11。Holst 和 Flock 以及 Earlougher 总结前面的一些成果，并考虑了蒸汽压力的计算 12,13；Eickmeier 等人采用有限差分模型计算注入初期过渡过程特性 14。Hasan 等人
10、又对井筒压力降和热损失计算进行了完善。但这些模型对于目前井筒注汽热损失的计算尚有一些不足，#*首先它们在计算过程中，把某些参数看作是不随温度变化的常量，这与实际并不完全相符；另外由于隔热管的发展，上述模型中的总传热系数不能较真实地反映井筒现在结构，给计算精度的提高带来困难。我国对稠油热采的相关研究比较晚。胡智勉、王弥康对注汽井筒总传热系数的计算方法提出了一些见解 15,16。王弥康在 Ramey 模型的基础上，从传热机理出发，给出了蒸汽井井筒热传递定量计算的数学模型，该模型避免了 Ramey 公式仅适用于长时间注汽的不足，扩大了计算时间的适用范围，从而改善了井筒传热计算的精度 17。沈惠坊将地
11、面管线与井筒进行了综合考虑，探讨了计算蒸汽压力降、干度降及热量损失的计算模型 18。李景勤、陈艳华、王志国等人建立了计算井筒热损数学模型，并提出了热损合理分布的概念 1921。倪学锋提出了井筒内参数计算模型 22。刘文章提出了用物理模拟方法确定井筒总传热系数的方法 23。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
12、将油管、环空液、套管、水泥环及地层情况全部考虑在内。该模型可以有效地模拟实际井筒条件，计算短时间和长时间注液、产液时井筒内温度的变化，模型只是基于热传导的模式进行分析的，没有考虑注入层的对流传热和井筒中的对流传热。1970 年，Smith，R.C.，Steffensen，R.J.等人提出了利用温度测井的计算机分析估计流动剖面 25。他们通过改变影啊温度特性的参数，对注水井的温度测井进行了详细的研究，研究结果表明温度测井对地层的热学特性以及井眼的几何形状具有敏感性:另外，指出了注入水的温度和小流量的漏失对温度测井的影响，并对温度测井解释提出了指导性意见。1972 年维脱霍特与梯克萨通过改变注入速率、注入深度和注入时间，来研究注入期间井下的温度分布，并对注入层中的温度分布进行了研究。1973 年 Steffenson.RJ，SmlthR.C.等人
