井筒流体温度分布计算方法
朝阳沟油田地层温度影响因素探讨
朝阳沟油田地层温度影响因素探讨作者：于建玮来源：《中国新技术新产品》2013年第10期摘要：在油气田开发中，通常用同位素测井和环空找水测井来了解油田开发中的注入剖面和产出剖面。
但对于那些地层和流体性质特殊的疑难井来说具有一定的局限性，尤其对地层温度进行的分析，在许多情况下都要遇到地下热力学问题。
储层温度的确定是制订油气田开发方案的一个重要参数，如何预测储层温度尤为重要。
通过分析地层的热传导特点，区域地质构造，结合传热学的基本原理，对地层温度变化的因素做了重点分析。
关键词：地表温度；地层热传导；断裂中图分类号：TE32 文献标识码：A随油田开发的深入和生产测井技术的发展，发现对朝阳沟油田地热研究程度较低，在以往的地质勘探过程中，地温只作为常规的测试项目提供测试成果，有必要对该井田地温的变化规律及其影响因素进行分析研究。
结合前人研究成果，通过对朝阳沟油田地温状况的研究，找出本区地温分布规律，分析产生高低温的地质因素，为下一步油田安全生产过程中采取合理的措施提供依据。
根据热力学理论，我们知道温度的传递方式主要有热传导、热对流和热辐射，在我们正常的油田生产过程中，主要会遇到热传导和热对流，其中井筒中主要是热对流方式（如图1a），地层内主要是热传导方式传递热量（如图1b）。
井筒中的流体通过对流传递热量，然后通过热传导进入地层。
1 地面温度的影响通常我们测试的同位素测井和环空找水测井时需要测试温度曲线，所测温度曲线上反映的是井筒内温度。
朝阳沟油田所有井井深都小于2485m，均为青山口组地层，平均地层地温方程T=4.06H+2.15，地温梯度为4.06℃/hm。
按照梯度方程计算，井深在900m-1100m的井，井温范围在38.69℃-46.81℃。
但是井筒内温度是以热对流方式传递，在很大程度受地面温度影响。
同时地面温度受季节、时刻以及注水井注入液体甚至注入量的影响。
利用能量和动量方程进行差分运算就可以分别计算出井筒内及地层的温度分布情况。
油井井筒传热模型及温度计算
第四节 油井井筒传热模型及温度计算 正确计算油井井筒温度是进行油井动态分析，特别是油井结蜡预测和井筒热力分析的基础性工作之一。
本节根据能量守恒原理导出井筒传热基本方程，重点介绍Shiu & Beggs 井筒温度计算方法。
一、油井井筒传热模型将流体在井筒油管内流动考虑为稳定的一维问题，建立如图1-21所示的坐标系。
对管流dz 微元段，建立下式能量守恒方程（SI 单位制）。
sin =--dh dq vdvg dz dz dzθ (1-107)式中 h ——流体比焓；q ——流体径向热流量。
由热力学基本方程可导出流体比焓梯度。
=-f p p J dT dh dpc c dz dz dzα(1-108)式中c p ——流体的定压比热；T f ——油管内流体流动温度；αJ ——焦耳－汤姆孙系数； 以上其它符号的意义同前。
考虑油套管同心，其井筒径向结构如图1-26所示。
若忽略油管内壁水膜及金属的热阻，根据复合多层圆筒壁热阻串联原理，考虑环空流体和水泥环热阻的井筒总传热系数为图1-26 井筒径向温度分布()1ln 1to wb co to r ccem r r r U h h K -⎡⎤=+⎢⎥+⎣⎦（1-109）T e式中 r wb 、r to 、r co ——井眼半径、油、套管外半径（图1-26）；K cem ——水泥环导热系数；h r 、h c ——环空流体辐射系数、对流换热系数。
在单位井段上，产出流体从油管至井壁的热流量梯度为()2=--to to f h mr U dqT T dz W π(1-110)式中 T h ——井壁温度（图1-26）；W m ——产出流体质量流量。
应用Ramey 推荐的无因次时间函数f(t D )，上式可表示为()()2=--e h e m D K dqT T dz W f t π (1-111)式中 K e 、T e ——地层传热系数、地层初始温度；用Hasan-Kabir(1991)公式(1-112)计算f(t D )。
井筒流动实验实验报告
一、实验目的1. 理解井筒流动的基本原理，掌握井筒流动的基本规律；2. 掌握井筒流动实验的基本操作步骤和数据处理方法；3. 分析井筒流动过程中气液两相的相互作用和流动特性。
二、实验原理井筒流动是指气体和液体在井筒中流动的现象。
根据流体力学原理，井筒流动可分为层流和湍流两种状态。
层流是指气体和液体分层流动，各层之间互不干扰；湍流是指气体和液体流动时，各层之间发生剧烈混合，流动不稳定。
井筒流动实验主要研究以下参数：流速、流量、压力、温度、气液比等。
通过实验，可以分析井筒流动过程中的气液两相相互作用，以及流动对产量和井筒结构的影响。
三、实验仪器1. 井筒流动实验装置：包括实验管、气源、液源、压力表、流量计、温度计等；2. 高速摄像仪：用于观察井筒流动现象；3. 数据采集系统：用于实时采集实验数据。
四、实验步骤及内容1. 准备实验装置，连接好气源、液源、压力表、流量计、温度计等；2. 打开气源和液源，调节流量，使气体和液体在实验管中流动；3. 通过压力表、流量计、温度计等测量气液两相的流速、流量、压力、温度等参数；4. 利用高速摄像仪观察井筒流动现象，记录流动图像；5. 对实验数据进行处理和分析，得出井筒流动规律。
五、数据记录1. 实验管长度：L；2. 实验管直径：D；3. 气体流量：Qg；4. 液体流量：Ql；5. 压力：P；6. 温度：T；7. 气液比：R；8. 井筒流动现象描述。
六、数据处理与分析1. 根据实验数据，绘制流速、流量、压力、温度等参数与时间的关系曲线；2. 分析井筒流动过程中气液两相的相互作用，探讨流动对产量和井筒结构的影响；3. 通过对比不同实验条件下的实验数据，总结井筒流动规律。
七、实验结果1. 在实验过程中，观察到井筒流动现象随实验条件的变化而变化。
当气液比增大时，井筒流动稳定性降低，容易出现湍流现象；2. 通过数据分析，得出以下结论：a. 井筒流动过程中，气体和液体在管内分层流动，各层之间互不干扰；b. 井筒流动稳定性与气液比密切相关，气液比越大，流动稳定性越低；c. 井筒流动对产量和井筒结构有较大影响，湍流现象可能导致产量下降和井筒结构破坏。
油管掺液稠液泵井筒流体温度分布计算
井 筒流体 的温度 分 布模 型 ， 到 地 层 产 出 液 在泵 人 得 口处 的温度 ， 为泵 上 部 分 温 度 分 布模 型 的 一个 边 作
界条件 ， 然后求解泵上部分流体的温度分布
布随着生产时间也是不断变化的。笔者根据传热理 论 同时考虑这些 因素 ， 立油 管掺液 、 空产 出情 况 建 环 下的稠油泵井筒温度分布计算模型。
式中， 为井 筒流体 温度 ， ； ℃ ｈ为深度
作者简介 ： 董长银（９ ６ ． （ ｔ７ 一） 男 祝旗）河南卫辉人， 在读博士研究生 ． 事采油工程与肪砂 方面的研究工作 。 占 Ｌ
维普资讯
第２ 卷 ６
第 ２期
董长银 等 ： 油管掺 液稠 油泵井筒流体 温度 分布 计算
１ 问题 的 提 出
油管掺液稠油泵是一种通过油管掺液 、 油套环 空产出而进行井简降粘的新 型抽油泵， 井筒流体温 度分布对其 工作 状 况 影 响较 大 。它 由上 、 两个 不 下
同直径 的抽 吸泵组 成 ， 上冲 程 中 上泵 腔通 过油 管 吸 进 地面掺 人液 ， 泵腔 吸进 地层液 ； 冲程 中上泵腔 下 下 内的掺 人液进 人 下泵 腔 ， 与地 层 液 混合 后 由排 出凡 尔排 进环 空中 ， 稠油 泵井筒 结构 如图 １ 示 。上 、 所 下 两个 凡尔 的顺 利打开 与关 闭是稠 油泵正 常工作 的关 键， 而对其影 响较 大 的是 流体 粘 度 及 温度 ， 因此 ， 准 确 的井筒温 度分布计算 是油 管掺液 稠油泵 工作 条件 与工 作参数设置 及 整 个生 产 系统 优化 的重 要基 础。 ｌ往 的井筒温 度分布计 算 因未考虑 流体相 变引起 的 三 ｛ 焦耳一 汤姆 森效应而 与实 际值存 在偏差 ， 筒温 度 分 井
空心杆中管掺热液体闭式循环井筒流体温度计算模型
体 通过 空心 杆 中管 与空 心 杆 的 环形 空 间注 入 ， 由空 心杆 中管 的 中心返 出。
地 层 产
空 心 空 心
得 了 良好 的开采 效果 和经 济效 益 ， 热效 率低 ， 但 注入 的热 流体 与地层 产 出流体 混合 后增 加 了地 面流 体处 理 费用 。为此 ， 研究 了抽 油 机井 空 心杆 中管掺 热 液
艺 掺人热 液体 的循 环方 式包括 正循 环和 反循 环 。正
循 环举 升工 艺 （ １ 是指热 液体 通过 空心 杆 中管 中 图 ） 心 注人 ， 由杆 中管 与空 心杆 的环形 空 间返 出 ， 地层 产
方式 下井 筒 中流体 的温度计 算模 型 为
ｄｉ ｒ￣
一
＝
Ｋ（ｉ ｏ） 。Ｔ 一Ｔ ｔ ｕ
。
为 加 热 后 井 筒 中地 层 产 出 流 体 的温 度 ， ｏ Ｃ；
Ｋ （ｉ ２Ｔ 一ｒ ｏ） ，ｔ ｕ
（ Ｔｕ ｏ） ｔ
（
Ｔｕ ｏ） ｔ
为井筒 中地层 产 出 流体 的水 当 量 ， ￣ 为 井筒 Ｗ／Ｃ； 中地层 产 出流体 与 地层 间 的换 热 系 数 ， （ ・＝； ｗ／ ｍ ｏ ） 【 为地 表恒 定温度 ， ｍ为 地 温梯度 ， ／ ｏ Ｃ； ￣ ｍ。 Ｃ
同理 ， 立 空 心杆 中管 掺 热液 体 闭式 反循 环 方 建
式 时井 筒 中流体 的温 度计 算模 型 为
＝
数 ， （ ・Ｃ） ｒ 为 掺 入 热 液 体 在 返 出 段 的 温 Ｗ／ ｍ ｏ ； ｏ
水平井井筒流态分析方法
水平井井筒流态分析方法水平井是油田开发中重要的钻井方式之一，通常采用快速钻进技术进行施工。
但是，在实际的井筒施工中，往往由于地层的复杂性，导致油井流体的流态变化，从而对油田的开发和生产造成困难。
因此，对水平井井筒流态进行分析，具有非常重要的意义。
本文将重点介绍水平井井筒流态分析方法。
一、井筒流态的分类井筒流态是指在油井掏空区域内，油气流体在井筒内流动的状态。
根据油井内流体的运动规律，常见的井筒流态可分为三种类型： 1. 层流流态；2. 过渡流态；3. 湍流流态。
1. 层流流态：流体在井筒内呈稳定状态，流动速度按一定的规律分布，呈现层状分布。
层流流态下，流动速度均匀，阻力较小，黏性作用较显著，一般适用于井深较小、粘度较大的区域。
1. 模拟实验法：通过模拟实验，在实验装置中模拟出井筒内流体的流动情况，通过对实验数据的处理和分析，得到井筒内流体的流态类型和流动规律。
模拟实验法的优点是实验可控，可模拟出不同水平井的油气流动情况，缺点是实验成本较高，数据处理复杂，不能真实反映出实际井筒的细节情况。
2. 数值模拟法：利用数值计算方法，通过建立数学模型，描述井筒内流体的流动，分析井筒的流态变化规律。
数值模拟法的优点是可反映出井筒内油气流动的变化规律，能够预测井筒运动状态，缺点是需要对井筒内气体黏性、温度等进行精确的描述和建模，还需要付出较高的计算成本。
3. 结构物理模型法：采用实物结构物理模型，通过真实物体的仿真、调整和测试，得到井筒的流态变化规律。
结构物理模型法的优点是可以通过实验反映出真实的油气流动状态，在模型化建设的过程中可以考虑到井筒的复杂部分，缺点是实验成本比较高，建模时间可能会增加。
4. 现场测试法：在现场进行测试，根据井筒内流体的运动情况，对井筒的流态进行分析，通过现场测试法可以反映出真实的井筒运动状态，但是由于条件的限制，测试的数据存在一定的不确定性。
三、总结针对水平井井筒流态的分析方法，不同的方法各有优缺点。
CO2注入井井筒温度及压力计算
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% 6 # 注入井井筒大学 ! 华东 " 机电工程学院 # 山东 青岛 "# 胜利油田孤东采油厂 # 山东 东营 "# / / ? ? ?$ #" ? 9 # 8 9 !"
# ! 刘自力!! 封 " 丽#
进行二氧化碳混相驱前 需 要 根 据 井 况 进 行 注 入 方 案 设 计 ! 以确定沿井筒方向二氧化碳温 "" 摘 " 要 ! 度" 压力及相态的变化情况 # 本文根据垂直管流的能量平衡方程及传热学理论 ! 结合 + A 0 \ 井筒温度分 布计算方法 ! 综合考虑了井筒内压力和温度相互作用下的二氧化碳密 度 " 相 态 以 及 摩 阻 等 影 响 因 素! 建 立了以井底所需混相压力及温度为边界条件的二氧化碳注入井温度压力 数 学 模 型 ! 并根据建立的模型 开发了应用软件 # 通过实例计算 ! 分析了注入速度 " 注入温度 " 井口注 入 压 力 等 注 入 因 素 对 井 底 压 力 和 温度的影响 ! 可有效指导现场施工 # 关键词 ! 二氧化碳 $ 混相驱 $ 压力 $ 温度场 $ 数值模拟 & ’ ! $ $ /%9 : ; ! # $ ! / $ /%$ $ ? ?%$ 7 ’"" 文章编号 ! & J 8 ? 9" 9"" 文献标识码 ! "" 中图分类号 ! 6 ""% # 注入井井底的压力和温度直接决定了 6 % 6 # 混相 # 能否实 现 与 油 藏 成 功 混 相 % 在 实 际 % 驱过程中 # 实测井 筒 压 力 & 温 度 有 一 定 困 难# 因此在 实施 % 6 # 驱前对井筒内压力和温度分布情况进行 !*7( % 计算 # 从 而 优 化 井 口 注 入 参 数 显 得 尤 为 重 要’ 本文根据垂直管流 的 能 量 平 衡 方 程 及 传 热 学 理 论 # 结合 + 考虑了各种因 A 0 \ 井筒温 度 分 布 计 算 方 法 # 素如二氧化碳密度 & 二氧化碳相态的变化 & 摩阻等对 压力的影响 # 建立了 综 合 考 虑 沿 程 流 体 相 态 及 热 物 理性质变化 的 井 筒 温 度 & 压 力 场 数 学 模 型# 为% 6 # 驱工艺参数优化和施工监测提供了一种技术手段 % !"% 6 # 在井筒中温度的计算 取地 面 井 口 为 坐 标 原 点 # 在任一深度处取微小 " 增量 # 则二氧化碳吸收的热量为 ) ] _OI% ] & ! ! # 式中 ) 为 处二氧化碳吸收的热量 U] b ] _ b M$ * ! $ % 为 二 氧 化 碳 液 体 的 热 容# P I 为二氧 K D+ C " * $ 化碳的注入速度 # 为二氧化碳升高的温度 # P L C% D # ! 而注气过程中 井 筒 的 热 损 失 量 或 热 增 加 量 " 为) ! " & ] b ] _ S # = ! O# Y Y! E*& !" 1‘ # $ ) 式中 ] b处 井 筒 的 热 损 失 量 M S _ Y 1 ! 为 bU] $ 为 以 油 管 外 表 面 为 基 准 的 传 热 为油管外径 # 0 ‘ Y
井筒流体温度分布计算方法
井筒流体温度分布计算方法井筒流体温度分布计算方法主要有传热传质方法和数值模拟方法。
传热传质方法主要包括经验公式计算法、热平衡计算法、温度修正计算法等；数值模拟方法主要包括有限差分法、有限元法、有限体积法、计算流体力学（CFD）方法等。
1.经验公式计算法：经验公式计算法是一种简单快捷的计算方法，适用于一般情况下的井筒流体温度分布计算。
常用的经验公式有Dahlberg公式、Kutateladze公式等。
这些公式通过对传热传质过程的相关参数进行简化，直接给出井筒流体温度分布结果。
2.热平衡计算法：热平衡计算法是一种基于热平衡原理的计算方法，适用于流体温度在井筒中实际变化较大的情况。
该方法将井筒流体划分为若干等温段，分别计算每一段的温度分布，然后根据热平衡原理来确定各等温段之间的温度。
3.温度修正计算法：温度修正计算法是一种对经验公式进行修正的方法，用于更精确地计算井筒流体温度分布。
这种方法考虑了上、下界温度的影响，以及其他一些边界条件，通过修正公式来改进流体温度分布的计算结果。
4.有限差分法：有限差分法是一种基于偏微分方程的数值解法，通过将井筒流体温度分布问题转化为离散化的差分方程来进行计算。
该方法将井筒划分为若干小区域，通过以离散方式近似偏微分方程，计算得到每一个小区域的温度，进而得到整个井筒中温度的分布情况。
5.有限元法：有限元法是一种将井筒流体温度分布问题离散化为一组有限元单元的方法。
该方法将井筒划分为若干形状各异的单元，通过建立单元之间的矩阵方程，利用有限元单元之间的连续性条件，求解得到井筒的温度分布。
6.有限体积法：有限体积法是一种将井筒流体温度分布问题离散化为有限体积单元的方法。
该方法将井筒划分为若干个体积单元，通过建立体积单元之间的质量、能量守恒的方程组，求解得到井筒中流体的温度分布。
7.计算流体力学（CFD）方法：计算流体力学（CFD）方法是一种基于数值模拟的方法，可以用于计算井筒流体温度分布。
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井筒流体温度分布计算方法
在多相管流压力计算中，需要油藏流体的高压物性数据，而流体的高压物性对压力和温度非常敏感，因而准确预测多相流体的温度是压力梯度计算的基础。
另外，油藏流体沿井筒向地面流动过程中，随着不断散热，其温度将不断降低，油温过低可能导致原油结蜡，因而多相流体温度的准确预测对怎样采取防蜡措施、是否增加井口加热设备等也是很重要的。
国内外对井筒流体温度分布进行了大量的工作。
早在1937年，Schlumberger 等人就提出了考虑井筒温度分布的意义。
五十年代初期，Nowak 和Bird 通过井筒温度分布曲线解释注水和注汽剖面。
Lasem 等人于1957年首先提出了计算井筒温度分布的方法。
Ramey.H.J 于1962年首先用理论模型描述了井筒中流体温度分布于井深和生产时间的关系。
Ramey.H.J 从能量守恒的观点出发，建立了计算井筒温度分布的能量守恒方程
J
dW dQ J g udu
J g gdZ dH l c c -=++
(2-8)
Ramey.H.J 利用该模型推导了向井中注入液体和气体时的温度分布公式。
当注入液体时：
A
z
l e b aA t T b aA aZ t Z T --+++-=])([),(0
(2-9)
当注入气体时：
A z
l e c a A b t T c a A b aZ t Z T -⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛
±+-++⎪⎭⎫ ⎝⎛±-+=7781)(7781),(0
(2-10)
式中： []
Uk
r t Uf r k W A c 112)(π+=
Eickmeier 等人于1970年在Ramey.H.J 研究的基础上建立了一套关于注液和产液期间液体和井筒周围地层间热交换的有限差分模型。
计算过程中，将油管、套管、水泥环及地层的传热全都考虑在内。
但作者仍然只是研究单相流体的温度分布，传热计算中把流体的物性等都看作是常数。
后来，Satter 对注蒸汽是相态的变化对温度分布的影响进行了研究。
Beggs 和Shiu 对Ramey.H.J 方程中的A 提出了估算方法。
在有关井筒流体和地层温度分布的计算中，许多文章中都采用了Ramey.H.J 的计算方法，但由于Ramey.H.J 的方法是建立在井筒流体与地层温度差不变的基
础上，井筒流体只局限于单相，并且其计算精度不高，因此其适用范围受到较大限制。
任瑛教授于1982年发表了有关常规采油井井筒流体温度分布的文章，他假设脱气及气体膨胀作功正好消耗于油气的举升，能量平衡方程式为：
()[]()θθwd qdl dl G G g dl ml t K g f l -=-++-'-
(2-11)
在井底时，0
,0t l '==θ，解出井筒中流体温度：
()()001ml t e K G G g q Wm W l
K l
f g l -'+⎪⎪⎭
⎫ ⎝
⎛
-+-+=-θ 如果忽略举升时油气混合物的相变及析蜡对温度的影响：
()001ml t e K Wm W l
K l l -'+⎪⎪⎭
⎫
⎝
⎛-=
-θ 张建等在1991年给出了空心杆热流体循环各种循环方式的温度分布计算的通用数学模型：
()()
)
(1i p i r r e e R MC K T T K ZD T T K ZD dZ
dT
=-⋅+-⋅= (2-12)
式中，ZD 为方向导数，向下流动是-1，向上流动时1；K 为当量传热系数；M 为质量流量；Cp 为流体比热；R 为与传热、导流系数有关的热阻；
1991年，A.R.Hason 和C.S.Kabir 提出：生产井中井筒流体的温度受井筒向周围地层热传递速度的影响, 同时该速度又是深度和生产时间的函数。
此外，当井筒中气体因压力降落而分离和膨胀时也会出现较大的温度变化，即发生所谓的“焦耳-汤姆逊效应”，该效应对产气较多的生产井的温度场会产生较大的影响。
该方法包含了一种热扩散方程的新解法以及井筒与地层之间对流换热和传导换热的影响，并考虑了焦耳—汤姆逊效应的影响。
井筒流体的能量方程为：
dQ J
g udu
J g gdZ dH c c =++
(2-13)
该式的解如下：
()ebh fbh A h h T pm c A h h ei f T T e
g JC g g e A T T well well -+⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛++-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+=⎪⎭⎫
⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-θφθsin sin 1 (2-14) 式中： () 2⎥⎦⎤
⎢⎣⎡+=e to to D to to e pm k U r T U r k W c A π
井筒总传热系数：
()1
ln 1-⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+=cem co wb to c to k r r r h U
1992年Alves 从质量守恒方程、运动方程和能量守恒方程出发建立了一套数学模型：
()()
⎪⎪⎪⎪
⎩⎪
⎪⎪⎪⎨
⎧
-
--=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+---==p p A d vg v dl d v e dl d A d g dl dp dl v d dl v d τπφρρτπφρρρsin )(21sin 022
(2-15)
通过推导和计算的出井筒温度分布计算公式：
()()()
()()⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡-+⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+-=---A L p A L e A L ei i ei ei e A dl
dp
C e A g e
T T l g T T 111sin sin φ
ρφφ (2-16)。