本發(fā)明涉及石油開采技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種雙水平井蒸汽輔助重力泄油過程中的循環(huán)預(yù)熱方法及裝置。

背景技術(shù)：

相對于常規(guī)原油來說，稠油雖然粘度高，流動困難，開采難度大，但是資源總量豐富，據(jù)有關(guān)專家估計(jì)全世界的稠油總資源量比常規(guī)原油資源量高十余倍，具有替代常規(guī)石油能源的戰(zhàn)略地位。而且稠油資源分布廣泛，幾乎所有產(chǎn)油國都有發(fā)現(xiàn)。隨著熱力開采技術(shù)的發(fā)展，稠油油藏的開采規(guī)模也在逐步擴(kuò)大，產(chǎn)量在不斷增長，稠油熱采在石油工業(yè)中已經(jīng)占有較為重要的位置。我國稠油資源分布很廣，儲量豐富。陸上稠油、瀝青資源約占石油總資源量的五分之一以上。目前已在12個(gè)盆地發(fā)現(xiàn)了70多個(gè)稠油油田或區(qū)塊。到1994年底，累積投入開發(fā)的地質(zhì)儲量為8.ll×108t。我國稠油開采的歷史可以追溯到60年代初，在新疆克拉瑪依油田，最先開展了蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)試驗(yàn)之后，在引進(jìn)國外注蒸汽開采的先進(jìn)技術(shù)和裝備基礎(chǔ)上，經(jīng)消化吸收，逐步形成了適應(yīng)我國稠油油藏特點(diǎn)的注蒸汽開采技術(shù)，極大地促進(jìn)了我國稠油大規(guī)模工業(yè)化開采。我國己經(jīng)成為世界主要稠油生產(chǎn)國之一，但是我國稠油開采存在如下問題：開采方式單，主要是蒸汽吞吐。雖然技術(shù)成熟，開發(fā)效果好，但是技術(shù)適用范圍小，產(chǎn)量上升空間有限，對特稠油和超稠油不適用。為了滿足我國經(jīng)濟(jì)快速增長的需要，迫切需要擴(kuò)大稠油的可采儲量，而特稠油、超稠油資源量豐富，可作為普通稠油的接替儲量。蒸汽輔助重力泄油技術(shù)就是針對特稠油、超稠油高粘度特點(diǎn)而應(yīng)運(yùn)而生的一種經(jīng)濟(jì)有效的開采方法。

蒸汽輔助重力泄油(SAGD，Steam assisted gravity drainage)的理論由羅杰.巴特勒博士首次提出，最初的概念是基于注水采鹽的原理。其基本原理為：通過向油藏中注入蒸汽加熱地層原油，增加了原油的流動性；同時(shí)，由于蒸汽的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原油的密度，在重力差異的作用下被加熱的原油和冷凝的液態(tài)水向下運(yùn)移，蒸汽向上運(yùn)移填補(bǔ)原來的空間。蒸汽輔助重力泄油技術(shù)在加拿大油砂礦區(qū)已經(jīng)成熟配套，并實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，具有穩(wěn)產(chǎn)期長，穩(wěn)產(chǎn)期產(chǎn)量水平高、采收率高等突出優(yōu)勢。自2008年以來，在中國新疆、遼河等稠油油區(qū)開展了大規(guī)模的蒸汽輔助重力泄油工業(yè)化試驗(yàn)，目前已轉(zhuǎn)入蒸汽輔助重力泄油商業(yè)化生產(chǎn)井有100多個(gè)，對實(shí)現(xiàn)稠油的持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)以及中國能源戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要的意義。

蒸汽輔助重力泄油(SAGD)的布井方式主要有兩種，第一種是雙水平井組合，在靠近油藏的底部鉆一對相互平行的水平井，上部的水平井為注汽井，下部的水平井為生產(chǎn)井。第二種布井方式為直井水平井組合，即在靠近油藏底部鉆一口水平井，在水平井的正上方或者斜上方鉆幾口直井，直井為注汽井，水平井為生產(chǎn)井。由于水平井增大了井眼與地層的接觸范圍，增加了地層的加熱范圍和動用范圍，雙水平井蒸汽輔助重力泄油技術(shù)在加拿大得到了廣泛的研究和現(xiàn)場試驗(yàn)。

雙水平井組合蒸汽輔助重力泄油開采稠油油藏一般分為兩個(gè)階段：地層預(yù)熱階段和重力泄油階段。目前雙水平井組合蒸汽輔助重力泄油主要有蒸汽吞吐預(yù)熱啟動和注蒸汽循環(huán)預(yù)熱啟動兩種方法。蒸汽吞吐預(yù)熱啟動注入壓力高、溫度高，容易對完井井身結(jié)構(gòu)造成損害，且水平段吸汽均勻性差，容易對后期蒸汽輔助重力泄油生產(chǎn)造成不利影響。注蒸汽循環(huán)預(yù)熱啟動，加熱均勻，啟動平穩(wěn)，因此目前現(xiàn)場多采用注蒸汽循環(huán)預(yù)熱方式。循環(huán)預(yù)熱階段的目標(biāo)是在最短的時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)油層的均勻加熱，使注汽井和生產(chǎn)井均勻加熱連通。循環(huán)預(yù)熱階段一般分為三步：(1)蒸汽在兩口井中循環(huán)，儲層主要通過熱傳導(dǎo)來傳遞熱量；(2)在兩井之間形成井間壓差，注汽井壓力高于生產(chǎn)井，使井間原油往生產(chǎn)井流動，為轉(zhuǎn)入完全的蒸汽輔助重力泄油生產(chǎn)做準(zhǔn)備；(3)上部注蒸汽井環(huán)空停止排液，下部生產(chǎn)井停止注蒸汽，轉(zhuǎn)入完全的蒸汽輔助重力泄油生產(chǎn)階段。

目前通常采用注普通濕蒸汽進(jìn)行雙水平井蒸汽輔助重力泄油循環(huán)預(yù)熱，由于在循環(huán)預(yù)熱過程中熱量不斷經(jīng)井筒向油層傳導(dǎo)，蒸汽干度逐漸降低，在水平井跟端部位容易發(fā)生積液，造成水平井跟端部位過度加熱，形成注采井間在跟端部位優(yōu)先熱連通，使注汽井和生產(chǎn)井加熱連通不均勻，從而不利于蒸汽輔助重力泄油生產(chǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種雙水平井蒸汽輔助重力泄油過程中的循環(huán)預(yù)熱方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中注汽井和生產(chǎn)井加熱連通不均勻的技術(shù)問題。該方法包括：采集油藏靜態(tài)參數(shù)和雙水平井蒸汽輔助重力泄油過程中注汽井的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)；根據(jù)所述油藏靜態(tài)參數(shù)和所述注汽井的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析從注汽井井口到注汽井的水平井跟端之間的垂直井筒中過熱蒸汽的沿程熱力參數(shù)變化規(guī)律，計(jì)算過熱蒸汽在所述注汽井的水平井跟端處的熱力參數(shù)；根據(jù)所述油藏靜態(tài)參數(shù)，在不同的注汽井管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)下，在從注汽井的水平井跟端到水平井趾端之間的水平段進(jìn)行雙油管注過熱蒸汽時(shí)，計(jì)算所述水平段內(nèi)過熱蒸汽的熱力參數(shù)分布狀態(tài)；根據(jù)過熱蒸汽在所述注汽井的水平井跟端處的熱力參數(shù)和所述水平段內(nèi)過熱蒸汽的熱力參數(shù)分布狀態(tài)，調(diào)整所述注汽井的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定向所述注汽井注入所述過熱蒸汽的注汽參數(shù)，采用調(diào)整后的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)和確定的注汽參數(shù)向所述注汽井注入所述過熱蒸汽進(jìn)行循環(huán)預(yù)熱，使得所述注汽井的水平井趾端處于持續(xù)過熱狀態(tài)。

在一個(gè)實(shí)施例中，分析從注汽井井口到注汽井的水平井跟端之間的垂直井筒中過熱蒸汽的沿程熱力參數(shù)變化規(guī)律，包括：根據(jù)過熱蒸汽在所述垂直井筒中的質(zhì)量守恒原理、動量定理和能量守恒原理，分析過熱蒸汽在所述垂直井筒中的沿程熱力參數(shù)變化規(guī)律。

在一個(gè)實(shí)施例中，分析從注汽井井口到注汽井的水平井跟端之間的垂直井筒中過熱蒸汽的沿程熱力參數(shù)變化規(guī)律，包括：取所述垂直井筒的微元體進(jìn)行受力分析，通過以下公式分析過熱蒸汽在所述垂直井筒中的溫度分布：其中，表示單位長度內(nèi)過熱蒸汽的溫度變化；C_p為過熱蒸汽的比定壓熱容；w₀為垂直井筒的微元體質(zhì)量流量；為單位長度單位時(shí)間內(nèi)通過熱傳導(dǎo)向油層傳遞的熱量；為單位長度單位時(shí)間內(nèi)摩擦損失的能量；為單位長度的熱焓值變化；ν為過熱蒸汽比容；g為重力加速度；為單位長度的壓力變化；T是過熱蒸汽的溫度；已知過熱蒸汽在注汽井井口處的壓力后，通過以下公式分析過熱蒸汽在所述垂直井筒中的壓力分布：dPA＝-τ_f+ρ₁v₁²A-ρ₂v₂²A，其中，dP為單位長度的過熱蒸汽壓降；A為垂直井筒的橫截面積；τ_f為摩擦阻力；ρ₁是微元體上端處過熱蒸汽的密度；ρ₂是微元體下端處過熱蒸汽的密度；v₁是微元體上端處過熱蒸汽的流速；v₂是微元體下端處過熱蒸汽的流速。

在一個(gè)實(shí)施例中，在不同的注汽井管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)下，計(jì)算從注汽井的水平井跟端到水平井趾端之間的水平段在進(jìn)行雙油管注過熱蒸汽時(shí)，在所述水平段內(nèi)過熱蒸汽的熱力參數(shù)分布狀態(tài)，包括：取所述水平段的微元段進(jìn)行受力分析，通過以下公式計(jì)算在所述水平段內(nèi)過熱蒸汽的壓力分布：其中，是單位長度水平段的壓力變化；A_m是水平段環(huán)空橫截面積；v_m是單位長度水平段內(nèi)過熱蒸汽的流速；是單位長度水平段的吸汽速度；是單位壓降下的溫度變化；p是過熱蒸汽壓力；T是過熱蒸汽溫度；是單位長度的摩擦力；v_is為油層質(zhì)量吸汽速度；通過以下公式計(jì)算在所述水平段內(nèi)過熱蒸汽的溫度分布：其中，表示單位長度水平段內(nèi)過熱蒸汽的溫度變化；w_i為水平段的微元段質(zhì)量流量；ΔL為水平段的微元段長度；ρ為過熱蒸汽密度；為單位長度水平段通過熱傳導(dǎo)向油層傳遞的熱量；為單位長度水平段通過傳質(zhì)向油層傳遞的熱量；h為微元段的熱焓值；v_sx為雙油管條件下水平段井筒環(huán)空任意微元段內(nèi)過熱蒸汽的質(zhì)量流速。

在一個(gè)實(shí)施例中，單位長度水平段的油層質(zhì)量吸汽速度公式為：v_is＝J_pI_p(P_s-P_r)，其中，J_p為微元段的采液指數(shù)；I_p為微元段的吸汽指數(shù)；P_s為微元段的平均過熱蒸汽壓力；P_r為地層壓力；β為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)；K_h為地層水平滲透率；K_v為地層垂向滲透率；K_ro為油相相對滲透率；K_rw為水相相對滲透率；B_o為原油體積系數(shù)；B_w為地層水體積系數(shù)；μ_o為原油粘度；μ_w為地層水粘度；A_d為水平井微元段的泄油面積；r_w為水平井井筒半徑；s為表皮因子。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種雙水平井蒸汽輔助重力泄油過程中的循環(huán)預(yù)熱裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)中注汽井和生產(chǎn)井加熱連通不均勻的技術(shù)問題。該裝置包括：數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集油藏靜態(tài)參數(shù)和雙水平井蒸汽輔助重力泄油過程中注汽井的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)；第一計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述油藏靜態(tài)參數(shù)和所述注汽井的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析從注汽井井口到注汽井的水平井跟端之間的垂直井筒中過熱蒸汽的沿程熱力參數(shù)變化規(guī)律，計(jì)算過熱蒸汽在所述注汽井的水平井跟端處的熱力參數(shù)；第二計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述油藏靜態(tài)參數(shù)，在不同的注汽井管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)下，在從注汽井的水平井跟端到水平井趾端之間的水平段進(jìn)行雙油管注過熱蒸汽時(shí)，計(jì)算所述水平段內(nèi)過熱蒸汽的熱力參數(shù)分布狀態(tài)；預(yù)熱模塊，用于根據(jù)過熱蒸汽在所述注汽井的水平井跟端處的熱力參數(shù)和所述水平段內(nèi)過熱蒸汽的熱力參數(shù)分布狀態(tài)，調(diào)整所述注汽井的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定向所述注汽井注入所述過熱蒸汽的注汽參數(shù)，采用調(diào)整后的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)和確定的注汽參數(shù)向所述注汽井注入所述過熱蒸汽進(jìn)行循環(huán)預(yù)熱，使得所述注汽井的水平井趾端處于持續(xù)過熱狀態(tài)。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一計(jì)算模塊，具體用于根據(jù)過熱蒸汽在所述垂直井筒中的質(zhì)量守恒原理、動量定理和能量守恒原理，分析過熱蒸汽在所述垂直井筒中的沿程熱力參數(shù)變化規(guī)律。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一計(jì)算模塊，包括：第一溫度計(jì)算單元，用于取所述垂直井筒的微元體進(jìn)行受力分析，通過以下公式分析過熱蒸汽在所述垂直井筒中的溫度分布：其中，表示單位長度內(nèi)過熱蒸汽的溫度變化；C_p為過熱蒸汽的比定壓熱容；w₀為垂直井筒的微元體質(zhì)量流量；為單位長度單位時(shí)間內(nèi)通過熱傳導(dǎo)向油層傳遞的熱量；為單位長度單位時(shí)間內(nèi)摩擦損失的能量；為單位長度的熱焓值變化；ν為過熱蒸汽比容；g為重力加速度；為單位長度的壓力變化；T是過熱蒸汽的溫度；第一壓力計(jì)算單元，用于已知過熱蒸汽在注汽井井口處的壓力后，通過以下公式分析過熱蒸汽在所述垂直井筒中的壓力分布：dPA＝-τ_f+ρ₁v₁²A-ρ₂v₂²A，其中，dP為單位長度的過熱蒸汽壓降；A為垂直井筒的橫截面積；τ_f為摩擦阻力；ρ₁是微元體上端處過熱蒸汽的密度；ρ₂是微元體下端處過熱蒸汽的密度；v₁是微元體上端處過熱蒸汽的流速；v₂是微元體下端處過熱蒸汽的流速。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述第二計(jì)算模塊，包括：第二壓力計(jì)算單元，用于取所述水平段的微元段進(jìn)行受力分析，通過以下公式計(jì)算在所述水平段內(nèi)過熱蒸汽的壓力分布：其中，是單位長度水平段的壓力變化；A_m是水平段環(huán)空橫截面積；v_m是單位長度水平段內(nèi)過熱蒸汽的流速；是單位長度水平段的吸汽速度；是單位壓降下的溫度變化；p是過熱蒸汽壓力；T是過熱蒸汽溫度；是單位長度的摩擦力；v_is為油層質(zhì)量吸汽速度；第二溫度計(jì)算單元，用于通過以下公式計(jì)算在所述水平段內(nèi)過熱蒸汽的溫度分布：其中，表示單位長度水平段內(nèi)過熱蒸汽的溫度變化；w_i為水平段的微元段質(zhì)量流量；ΔL為水平段的微元段長度；ρ為過熱蒸汽密度；為單位長度水平段通過熱傳導(dǎo)向油層傳遞的熱量；為單位長度水平段通過傳質(zhì)向油層傳遞的熱量；h為微元段的熱焓值；v_sx為雙油管條件下水平段井筒環(huán)空任意微元段內(nèi)過熱蒸汽的質(zhì)量流速。

在一個(gè)實(shí)施例中，單位長度水平段的油層質(zhì)量吸汽速度公式為：v_is＝J_pI_p(P_s-P_r)，其中，J_p為微元段的采液指數(shù)；I_p為微元段的吸汽指數(shù)；P_s為微元段的平均過熱蒸汽壓力；P_r為地層壓力；β為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)；K_h為地層水平滲透率；K_v為地層垂向滲透率；K_ro為油相相對滲透率；K_rw為水相相對滲透率；B_o為原油體積系數(shù)；B_w為地層水體積系數(shù)；μ_o為原油粘度；μ_w為地層水粘度；A_d為水平井微元段的泄油面積；r_w為水平井井筒半徑；s為表皮因子。

在本發(fā)明實(shí)施例中，向注汽井內(nèi)注入過熱蒸汽，與現(xiàn)有技術(shù)中的普通濕蒸汽相比，過熱蒸汽在注汽井井底干度較高，甚至仍為過熱蒸汽，使得在循環(huán)預(yù)熱過程中能夠在注汽井和生產(chǎn)井之間快速地建立熱連通，并且加熱更加均勻；同時(shí)，還對過熱蒸汽在注汽井的垂直井筒和水平段中的熱力參數(shù)分布進(jìn)行分析，可以根據(jù)過熱蒸汽在注汽井的水平井跟端處的熱力參數(shù)和水平段內(nèi)過熱蒸汽的熱力參數(shù)分布狀態(tài)，調(diào)整注汽井的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)整后的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)使得注汽井的水平井趾端處于持續(xù)過熱狀態(tài)，確定向注汽井注入過熱蒸汽的注汽參數(shù)，通過采用調(diào)整后的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)和確定的注汽參數(shù)進(jìn)行循環(huán)預(yù)熱，可以進(jìn)一步提高加熱均勻程度，有助于強(qiáng)化循環(huán)預(yù)熱效果。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。在附圖中：

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種雙水平井蒸汽輔助重力泄油過程中的循環(huán)預(yù)熱方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種垂直井筒的微元體受力分析示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種蒸汽輔助重力泄油注汽井雙油管管柱結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種雙水平井蒸汽輔助重力泄油過程中的循環(huán)預(yù)熱裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施方式和附圖，對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。在此，本發(fā)明的示意性實(shí)施方式及其說明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。

在本發(fā)明實(shí)施例中，提供了一種雙水平井蒸汽輔助重力泄油過程中的循環(huán)預(yù)熱方法，如圖1所示，該方法包括：

步驟101：采集油藏靜態(tài)參數(shù)和雙水平井蒸汽輔助重力泄油過程中注汽井的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)；

步驟102：根據(jù)所述油藏靜態(tài)參數(shù)和所述注汽井的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析從注汽井井口到注汽井的水平井跟端之間的垂直井筒中過熱蒸汽(在飽和蒸汽的基礎(chǔ)上繼續(xù)定壓加熱即得到過熱蒸汽)的沿程熱力參數(shù)變化規(guī)律，計(jì)算過熱蒸汽在所述注汽井的水平井跟端處的熱力參數(shù)；

步驟103：根據(jù)所述油藏靜態(tài)參數(shù)，在不同的注汽井管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)下，在從注汽井的水平井跟端到水平井趾端之間的水平段進(jìn)行雙油管注過熱蒸汽時(shí)，計(jì)算所述水平段內(nèi)過熱蒸汽的熱力參數(shù)分布狀態(tài)；

步驟104：根據(jù)過熱蒸汽在所述注汽井的水平井跟端處的熱力參數(shù)和所述水平段內(nèi)過熱蒸汽的熱力參數(shù)分布狀態(tài)，調(diào)整所述注汽井的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定向所述注汽井注入所述過熱蒸汽的注汽參數(shù)，采用調(diào)整后的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)和確定的注汽參數(shù)向所述注汽井注入所述過熱蒸汽進(jìn)行循環(huán)預(yù)熱，使得所述注汽井的水平井趾端處于持續(xù)過熱狀態(tài)。

由圖1所示的流程可知，在本發(fā)明實(shí)施例中，向注汽井內(nèi)注入過熱蒸汽，與現(xiàn)有技術(shù)中的普通濕蒸汽相比，過熱蒸汽在注汽井井底干度較高，甚至仍為過熱蒸汽，使得在循環(huán)預(yù)熱過程中能夠在注汽井和生產(chǎn)井之間快速地建立熱連通，并且加熱更加均勻；同時(shí)，還對過熱蒸汽在注汽井的垂直井筒和水平段中的熱力參數(shù)分布進(jìn)行分析，可以根據(jù)過熱蒸汽在注汽井的水平井跟端處的熱力參數(shù)和水平段內(nèi)過熱蒸汽的熱力參數(shù)分布狀態(tài)，調(diào)整注汽井的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)整后的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)使得注汽井的水平井趾端處于持續(xù)過熱狀態(tài)，確定向注汽井注入過熱蒸汽的注汽參數(shù)，通過采用調(diào)整后的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)和確定的注汽參數(shù)進(jìn)行循環(huán)預(yù)熱，可以進(jìn)一步提高加熱均勻程度，有助于強(qiáng)化循環(huán)預(yù)熱效果。

具體實(shí)施時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)可以分析垂直井筒中過熱蒸汽的沿程熱力參數(shù)變化規(guī)律和水平段內(nèi)過熱蒸汽的熱力參數(shù)分布狀態(tài)，在本實(shí)施例中，可以根據(jù)假設(shè)條件，分別建立垂直井筒段過熱蒸汽綜合數(shù)學(xué)模型和水平段的雙油管注過熱蒸汽井筒沿程參數(shù)計(jì)算模型，該綜合數(shù)學(xué)模型可以分析垂直井筒中過熱蒸汽的沿程熱力參數(shù)變化規(guī)律，以獲得水平井跟端的過熱蒸汽熱力參數(shù)(例如，過熱蒸汽的溫度及壓力)；該井筒沿程參數(shù)計(jì)算模型可以計(jì)算水平段內(nèi)過熱蒸汽的熱力參數(shù)分布狀態(tài)。具體的，基本假設(shè)條件包括：1)過熱蒸汽在垂直井筒內(nèi)為等質(zhì)量流過程，注汽井井口的注汽參數(shù)(例如，注汽溫度、壓力及注汽速率)恒定不變；2)在垂直井筒段，從油管到水泥環(huán)外緣為一維穩(wěn)態(tài)傳熱，從水泥環(huán)外緣到地層為一維非穩(wěn)態(tài)傳熱；3)井底使用封隔器，油套環(huán)形空間不會竄入過熱蒸汽，油套環(huán)形空間充滿低壓空氣；4)水平段所處油層均質(zhì)等厚。

具體實(shí)施時(shí)，建立垂直井筒段過熱蒸汽綜合數(shù)學(xué)模型可以通過計(jì)算過熱蒸汽在垂直井筒中的溫度分布和壓力分布實(shí)現(xiàn)，例如，可以根據(jù)過熱蒸汽在垂直井筒中的質(zhì)量守恒原理、動量定理和能量守恒原理，建立上述綜合數(shù)學(xué)模型，以分析過熱蒸汽在垂直井筒中的沿程熱力參數(shù)變化規(guī)律。

具體的，分析從注汽井井口到注汽井的水平井跟端之間的垂直井筒中過熱蒸汽的沿程熱力參數(shù)變化規(guī)律，包括：

取垂直井筒的微元體進(jìn)行受力分析，如圖2所示，根據(jù)上述假設(shè)條件，過熱蒸汽在垂直井筒內(nèi)流動時(shí)質(zhì)量流量不變，質(zhì)量平衡方程為：

w₀＝ρ₁v₁A＝ρ₂v₂A (1)

其中，w₀為垂直井筒的微元體質(zhì)量流量，單位是：kg/s；v₁是微元體上端處過熱蒸汽的流速，單位是：m/s；v₂是微元體下端處過熱蒸汽的流速，單位是：m/s；A為垂直井筒橫截面積，單位是：m²；ρ₁是微元體上端處過熱蒸汽的密度，單位是：kg/m³；ρ₂是微元體下端處過熱蒸汽的密度，單位是：kg/m³。

考慮井筒重力的沖量，動量定理方程為：

dPA＝-τ_f+ρ₁v₁²A-ρ₂v₂²A (2)

其中，dP為單位長度的過熱蒸汽壓降(如圖2所示，dP＝P₂-P₁，P₂是微元體下端處過熱蒸汽的壓力，P₁是微元體上端處過熱蒸汽的壓力)，單位是：Pa；A為垂直井筒的橫截面積，單位是：m²；τ_f為摩擦阻力，單位是：N；ρ₁是微元體上端處過熱蒸汽的密度，單位是：kg/m³；ρ₂是微元體下端處過熱蒸汽的密度，單位是：kg/m³；v₁是微元體上端處過熱蒸汽的流速，單位是：m/s；v₂是微元體下端處過熱蒸汽的流速，單位是：m/s。

具體實(shí)施時(shí)，已知過熱蒸汽在注汽井井口處的壓力后，可以通過公式(2)分析過熱蒸汽在垂直井筒中的壓力分布，進(jìn)而計(jì)算得到過熱蒸汽在注汽井的水平井跟端處的壓力參數(shù)。

垂直井筒內(nèi)注入的過熱蒸汽遵循熱力學(xué)第一定律，因此，垂直井筒中的能量守恒方程為：

$\frac{{\mathrm{dQ}}_c}{dz}+\frac{{\mathrm{dw}}_f}{dz}=-w_0\frac{dh}{dz}-w_0\frac{d}{dz}\left(\frac{v^2}{2}\right)+w_{0}g---\left(3\right)$

其中，為單位長度單位時(shí)間內(nèi)通過熱傳導(dǎo)向油層傳遞的熱量，單位是：J/(m·s)；為單位長度單位時(shí)間內(nèi)摩擦損失的能量，單位是：J/(m·s)；w₀為垂直井筒的微元體質(zhì)量流量，單位是：kg/s；ν為過熱蒸汽比容，單位是：m³/kg；g為重力加速度，單位是：m/s²；為單位長度的壓力變化；T是過熱蒸汽的溫度；為單位長度的熱焓值變化，過熱蒸汽的熱焓值方程為：

$\frac{dh}{dz}=C_p\frac{dT}{dz}+\[\mathrm{\ν}-T\left(\frac{\∂\mathrm{\ν}}{\∂T}\right)\]\frac{dP}{dz}---\left(4\right)$

其中，C_p為過熱蒸汽的比定壓熱容，單位是：kJ/(kg·℃)；表示單位長度內(nèi)過熱蒸汽的溫度變化；為單位長度的壓力變化；T是過熱蒸汽的溫度。

聯(lián)立公式(3)和公式(4)即可得到用于求解過熱蒸汽在垂直井筒的溫度分布公式：

$\frac{dT}{dz}=-\frac{1}{C_p}\{\frac{1}{w_0}(\frac{{\mathrm{dQ}}_c}{dz}+\frac{{\mathrm{dW}}_f}{dz})+\frac{d}{dz}\left(\frac{v^2}{2}\right)-g+\[\mathrm{\ν}-T\left(\frac{\∂\mathrm{\ν}}{\∂T}\right)\]\frac{dP}{dz}\}---\left(5\right)$

上述公式(1)～(5)即構(gòu)成了垂直井筒段過熱蒸汽綜合數(shù)學(xué)模型，通過該綜合數(shù)學(xué)模型可以求得過熱蒸汽在垂直井筒內(nèi)的溫度分布及壓力分布。

具體實(shí)施時(shí)，建立水平段的雙油管注過熱蒸汽井筒沿程參數(shù)計(jì)算模型的過程可以通過計(jì)算過熱蒸汽在水平段中的溫度分布和壓力分布實(shí)現(xiàn)，例如，通過以下方法建立水平段的雙油管注過熱蒸汽井筒沿程參數(shù)計(jì)算模型，計(jì)算在水平段內(nèi)過熱蒸汽的熱力參數(shù)分布狀態(tài)：

注汽井雙油管井筒如附圖3所示，短油管下入水平段A點(diǎn)(即水平井跟端)，長油管下入水平段B點(diǎn)(即水平井趾端)。A點(diǎn)的注汽溫度及壓力根據(jù)垂直井筒段過熱蒸汽綜合數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出。

過熱蒸汽自長油管注入從短油管返回，過熱蒸汽在壓差的作用下，部分流入地層，取水平段的微元段進(jìn)行受力分析，水平段環(huán)空內(nèi)過熱蒸汽流動質(zhì)量守恒方程為：

${\mathrm{\Δv}}_{sx}-A_m\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}dx=v_{is}dx---\left(6\right)$

式中：v_is為單位長度水平段的油層質(zhì)量吸汽速度，單位是：kg/s；A_m為水平段環(huán)空橫截面積，單位是：m²；v_sx為雙油管條件下水平段井筒環(huán)空任意微元段內(nèi)過熱蒸汽的質(zhì)量流速，單位是：kg/s；為單位時(shí)間密度變化率，單位是：kg/(m³·s)。

過熱蒸汽自B點(diǎn)進(jìn)入環(huán)空，流向A點(diǎn)短油管，環(huán)空內(nèi)過熱蒸汽流動能量守恒方程為：

$\frac{{\mathrm{dQ}}_c}{dx}+\frac{{\mathrm{dW}}_f}{dx}=-\frac{d(v_{sx}h+\frac{v_{sx}{v}_m^2}{2})}{dx}-v_{sx}h+\frac{v_{sx}{v}_m^2}{2}---\left(7\right)$

式中：為單位長度水平段通過熱傳導(dǎo)向油層傳遞的熱量；為單位長度水平段通過傳質(zhì)向油層傳遞的熱量；h為微元段的熱焓值。

結(jié)合公式(7)和過熱蒸汽的熱焓值方程，可以得到表示水平段內(nèi)過熱蒸汽的溫度分布的公式如下：

$\frac{dT}{dx}=-\frac{1}{C_p}\{\frac{1}{w_i}(\frac{{\mathrm{dQ}}_c}{dx}+\frac{{\mathrm{dW}}_f}{dx})+\frac{d}{dx}\left(\frac{v_m^2}{2}\right)+\frac{{\stackrel{\‾}{v_m}}^2}{2}\frac{v_{is}\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\Δ}L}+\[\mathrm{\ν}-T\left(\frac{\∂\mathrm{\ν}}{\∂T}\right)\]\frac{dP}{dx}\}---\left(8\right)$

其中，表示單位長度水平段內(nèi)過熱蒸汽的溫度變化；w_i為水平段的微元段質(zhì)量流量；ΔL為水平段的微元段長度；ρ為過熱蒸汽密度；為單位長度水平段通過熱傳導(dǎo)向油層傳遞的熱量；為單位長度水平段通過傳質(zhì)向油層傳遞的熱量；h為微元段的熱焓值；v_sx為雙油管條件下水平段井筒環(huán)空任意微元段內(nèi)過熱蒸汽的質(zhì)量流速。

根據(jù)動量守恒方程，水平井水平井筒內(nèi)過熱蒸汽壓力方程為：

$\frac{dp}{dx}=-\frac{1}{A_m}\frac{v_m\frac{{\mathrm{dv}}_{is}}{dx}+\frac{{\mathrm{\τ}}_f}{dx}}{1+(\frac{1}{T}\frac{dT}{dp}-\frac{1}{p})\frac{v_m{v}_{is}}{A_m}}---\left(9\right)$

其中，是單位長度水平段的壓力變化；A_m是水平段環(huán)空橫截面積；v_m是單位長度水平段內(nèi)過熱蒸汽的流速；是單位長度水平段的吸汽速度；是單位壓降下的溫度變化；p是過熱蒸汽壓力；T是過熱蒸汽溫度；是單位長度的摩擦力；v_is為油層質(zhì)量吸汽速度。

具體實(shí)施時(shí)，可以通過公式(9)來計(jì)算在水平段內(nèi)過熱蒸汽的壓力分布。

上述公式(6)～(9)即構(gòu)成了水平段過熱蒸汽沿程參數(shù)計(jì)算模型，可以通過該水平段過熱蒸汽沿程參數(shù)計(jì)算模型求得過熱蒸汽在水平段內(nèi)的溫度及壓力分布。

具體實(shí)施時(shí)，

單位長度(即水平段微元段)水平段的油層質(zhì)量吸汽速度公式為：

v_is＝J_pI_p(P_s-P_r) (10)

$J_p=\mathrm{\β}\frac{2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{K_h}{K_v}}{K}_v\mathrm{\Δ}L(\frac{K_{ro}}{B_o{\mathrm{\μ}}_o}+\frac{K_{rw}}{B_w{\mathrm{\μ}}_w})}{\ln \frac{0.571\sqrt{A_d}}{r_w}+s-0.75}---\left(11\right)$

$I_p=\frac{2\ln \frac{A_d}{r_w^2}-3.86}{ln\frac{A_d}{r_w^2}-2.71}---\left(12\right)$

式中：J_p為微元段的采液指數(shù)，單位是：m³/(d·MPa)；I_p為微元段的吸汽指數(shù)，無因次；P_s為微元段的平均蒸汽壓力，單位是：MPa；P_r為地層壓力，單位是：MPa；β為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值86.4；K_h為地層水平滲透率，單位是：μm²；K_v為地層垂向滲透率，μm²；K_ro為油相相對滲透率，無因次；K_rw為水相相對滲透率，無因次；B_o為原油體積系數(shù)，無因次；B_w為地層水體積系數(shù)，無因次；μ_o為原油粘度，單位是：mPa·s；μ_w為地層水粘度，單位是：mPa·s；A_d為水平井微元段的泄油面積，單位是：m²；r_w為水平井井筒半徑，單位是：m；s為表皮因子，無因次。

根據(jù)井筒傳熱理論可計(jì)算水平段通過熱傳導(dǎo)向油層傳遞的熱量為：

$\frac{{\mathrm{dQ}}_c}{dL}=2{\mathrm{\πr}}_{to}{U}_{to}{\mathrm{\λ}}_e\frac{T_a-T_r}{r_{to}{U}_{to}f\left(t\right)+{\mathrm{\λ}}_e}---\left(13\right)$

式中：U_to為總傳熱系數(shù)；T_a為環(huán)空流體溫度，單位是：℃；T_r為油層溫度，單位是：℃；λ_e為地層導(dǎo)熱系數(shù)，單位是：W/(m·℃)；f(t)為地層導(dǎo)熱時(shí)間函數(shù)，無因次。f(t)采用Hasan公式，即：當(dāng)τ_D≤1.5時(shí)，當(dāng)τ_D>1.5時(shí)，f(t)＝(0.4063+0.5lnτ_D)(1+0.6/τ_D)，其中τ_D為無因次時(shí)間，α為地層熱擴(kuò)散系數(shù)，單位是：m²/h；r_to為。

過熱蒸汽井筒摩擦系數(shù)f采用現(xiàn)有算法進(jìn)行計(jì)算，是雷諾數(shù)R_e和管壁相對粗糙度Δ的函數(shù)，即：當(dāng)R_e≤2000時(shí)，f＝64/R_e；當(dāng)R_e>2000時(shí)，f＝[1.14-2lg(Δ+21.25Re^-0.9)]^-2。

基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明實(shí)施例中還提供了一種雙水平井蒸汽輔助重力泄油過程中的循環(huán)預(yù)熱裝置，如下面的實(shí)施例所述。由于雙水平井蒸汽輔助重力泄油過程中的循環(huán)預(yù)熱裝置解決問題的原理與雙水平井蒸汽輔助重力泄油過程中的循環(huán)預(yù)熱方法相似，因此雙水平井蒸汽輔助重力泄油過程中的循環(huán)預(yù)熱裝置的實(shí)施可以參見雙水平井蒸汽輔助重力泄油過程中的循環(huán)預(yù)熱方法的實(shí)施，重復(fù)之處不再贅述。以下所使用的，術(shù)語“單元”或者“模塊”可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的軟件和/或硬件的組合。盡管以下實(shí)施例所描述的裝置較佳地以軟件來實(shí)現(xiàn)，但是硬件，或者軟件和硬件的組合的實(shí)現(xiàn)也是可能并被構(gòu)想的。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例的雙水平井蒸汽輔助重力泄油過程中的循環(huán)預(yù)熱裝置的一種結(jié)構(gòu)框圖，如圖4所示，包括：數(shù)據(jù)采集模塊401、第一計(jì)算模塊402、第二計(jì)算模塊403和預(yù)熱模塊404，下面對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。

數(shù)據(jù)采集模塊401，用于采集油藏靜態(tài)參數(shù)和雙水平井蒸汽輔助重力泄油過程中注汽井的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)；

第一計(jì)算模塊402，用于根據(jù)所述油藏靜態(tài)參數(shù)和所述注汽井的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析從注汽井井口到注汽井的水平井跟端之間的垂直井筒中過熱蒸汽的沿程熱力參數(shù)變化規(guī)律，計(jì)算過熱蒸汽在所述注汽井的水平井跟端處的熱力參數(shù)；

第二計(jì)算模塊403，用于根據(jù)所述油藏靜態(tài)參數(shù)，在不同的注汽井管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)下，在從注汽井的水平井跟端到水平井趾端之間的水平段進(jìn)行雙油管注過熱蒸汽時(shí)，計(jì)算所述水平段內(nèi)過熱蒸汽的熱力參數(shù)分布狀態(tài)；

預(yù)熱模塊404，用于根據(jù)過熱蒸汽在所述注汽井的水平井跟端處的熱力參數(shù)和所述水平段內(nèi)過熱蒸汽的熱力參數(shù)分布狀態(tài)，調(diào)整所述注汽井的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定向所述注汽井注入所述過熱蒸汽的注汽參數(shù)，采用調(diào)整后的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)和確定的注汽參數(shù)向所述注汽井注入所述過熱蒸汽進(jìn)行循環(huán)預(yù)熱，使得所述注汽井的水平井趾端處于持續(xù)過熱狀態(tài)。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一計(jì)算模塊，具體用于根據(jù)過熱蒸汽在所述垂直井筒中的質(zhì)量守恒原理、動量定理和能量守恒原理，分析過熱蒸汽在所述垂直井筒中的沿程熱力參數(shù)變化規(guī)律。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一計(jì)算模塊，包括：第一溫度計(jì)算單元，用于取所述垂直井筒的微元體進(jìn)行受力分析，通過以下公式分析過熱蒸汽在所述垂直井筒中的溫度分布：其中，表示單位長度內(nèi)過熱蒸汽的溫度變化；C_p為過熱蒸汽的比定壓熱容；w₀為垂直井筒的微元體質(zhì)量流量；為單位長度單位時(shí)間內(nèi)通過熱傳導(dǎo)向油層傳遞的熱量；為單位長度單位時(shí)間內(nèi)摩擦損失的能量；為單位長度的熱焓值變化；ν為過熱蒸汽比容；g為重力加速度；為單位長度的壓力變化；T是過熱蒸汽的溫度；第一壓力計(jì)算單元，用于已知過熱蒸汽在注汽井井口處的壓力后，通過以下公式分析過熱蒸汽在所述垂直井筒中的壓力分布：dPA＝-τ_f+ρ₁v₁²A-ρ₂v₂²A，其中，dP為單位長度的過熱蒸汽壓降；A為垂直井筒的橫截面積；τ_f為摩擦阻力；ρ₁是微元體上端處過熱蒸汽的密度；ρ₂是微元體下端處過熱蒸汽的密度；v₁是微元體上端處過熱蒸汽的流速；v₂是微元體下端處過熱蒸汽的流速。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述第二計(jì)算模塊，包括：第二壓力計(jì)算單元，用于取所述水平段的微元段進(jìn)行受力分析，通過以下公式計(jì)算在所述水平段內(nèi)過熱蒸汽的壓力分布：其中，其中，是單位長度水平段的壓力變化；A_m是水平段環(huán)空橫截面積；v_m是單位長度水平段內(nèi)過熱蒸汽的流速；是單位長度水平段的吸汽速度；是單位壓降下的溫度變化；p是過熱蒸汽壓力；T是過熱蒸汽溫度；是單位長度的摩擦力；v_is為油層質(zhì)量吸汽速度；第二溫度計(jì)算單元，用于通過以下公式計(jì)算在所述水平段內(nèi)過熱蒸汽的溫度分布：

其中，表示單位長度水平段內(nèi)過熱蒸汽的溫度變化；w_i為水平段的微元段質(zhì)量流量；ΔL為水平段的微元段長度；ρ為過熱蒸汽密度；為單位長度水平段通過熱傳導(dǎo)向油層傳遞的熱量；為單位長度水平段通過傳質(zhì)向油層傳遞的熱量；h為微元段的熱焓值；v_sx為雙油管條件下水平段井筒環(huán)空任意微元段內(nèi)過熱蒸汽的質(zhì)量流速。

在一個(gè)實(shí)施例中，單位長度水平段的油層質(zhì)量吸汽速度公式為：v_is＝J_pI_p(P_s-P_r)，其中，J_p為微元段的采液指數(shù)；I_p為微元段的吸汽指數(shù)；P_s為微元段的平均過熱蒸汽壓力；P_r為地層壓力；β為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)；K_h為地層水平滲透率；K_v為地層垂向滲透率；K_ro為油相相對滲透率；K_rw為水相相對滲透率；B_o為原油體積系數(shù)；B_w為地層水體積系數(shù)；μ_o為原油粘度；μ_w為地層水粘度；A_d為水平井微元段的泄油面積；r_w為水平井井筒半徑；s為表皮因子。

在本發(fā)明實(shí)施例中，向注汽井內(nèi)注入過熱蒸汽，與現(xiàn)有技術(shù)中的普通濕蒸汽相比，過熱蒸汽在注汽井井底干度較高，甚至仍為過熱蒸汽，使得在循環(huán)預(yù)熱過程中能夠在注汽井和生產(chǎn)井之間快速地建立熱連通，并且加熱更加均勻；同時(shí)，還對過熱蒸汽在注汽井的垂直井筒和水平段中的熱力參數(shù)分布進(jìn)行分析，可以根據(jù)過熱蒸汽在注汽井的水平井跟端處的熱力參數(shù)和水平段內(nèi)過熱蒸汽的熱力參數(shù)分布狀態(tài)，調(diào)整注汽井的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)整后的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)使得注汽井的水平井趾端處于持續(xù)過熱狀態(tài)，確定向注汽井注入過熱蒸汽的注汽參數(shù)，通過采用調(diào)整后的管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)和確定的注汽參數(shù)進(jìn)行循環(huán)預(yù)熱，可以進(jìn)一步提高加熱均勻程度，有助于強(qiáng)化循環(huán)預(yù)熱效果。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，上述的本發(fā)明實(shí)施例的各模塊或各步驟可以用通用的計(jì)算裝置來實(shí)現(xiàn)，它們可以集中在單個(gè)的計(jì)算裝置上，或者分布在多個(gè)計(jì)算裝置所組成的網(wǎng)絡(luò)上，可選地，它們可以用計(jì)算裝置可執(zhí)行的程序代碼來實(shí)現(xiàn)，從而，可以將它們存儲在存儲裝置中由計(jì)算裝置來執(zhí)行，并且在某些情況下，可以以不同于此處的順序執(zhí)行所示出或描述的步驟，或者將它們分別制作成各個(gè)集成電路模塊，或者將它們中的多個(gè)模塊或步驟制作成單個(gè)集成電路模塊來實(shí)現(xiàn)。這樣，本發(fā)明實(shí)施例不限制于任何特定的硬件和軟件結(jié)合。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明實(shí)施例可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。