稠油电加热辅助蒸汽重力泄油的加热电缆传热规律

周超; 董亮亮; 宋红兵; 冯海洋; 张锦刚; 张万鹏; 谢航

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2500325

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (6) :2378-2384 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2500325

石油、天然气工业

稠油电加热辅助蒸汽重力泄油的加热电缆传热规律

周超 ¹^,² ,
董亮亮 ³^,^* ,
宋红兵 ¹^,² ,
冯海洋 ³ ,
张锦刚 ¹^,² ,
张万鹏 ¹^,² ,
谢航 ¹^,²

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Heat Transfer Law of Heating Cable for Heavy Oil Electrical Heating-assisted Steam-assisted Gravity Drainage

ZHOU Chao ¹^,² ,
DONG Liang-liang ³^,^* ,
SONG Hong-bing ¹^,² ,
FENG Hai-yang ³ ,
ZHANG Jin-gang ¹^,² ,
ZHANG Wan-peng ¹^,² ,
XIE Hang ¹^,²

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摘要

针对稠油电加热辅助蒸汽重力泄油(electrical heating-assisted steam-assisted gravity drainage,EH-SAGD)过程中,井下大功率加热电缆与蒸汽辅助重力泄油(steam assisted gravity drainage,SAGD)互作用机理及加热电缆传热规律认识缺乏的问题。基于传热学和流体力学理论,构建了400 m井筒蒸汽循环电加热热-流耦合计算模型,系统研究了芯线的排布方式、蒸汽注汽量、加热功率及注汽温度对温度场的影响规律,揭示了多参数协同作用下的传热机制。结果表明:注汽量应不低于20 t/d以避免原油焦化和电缆过热;增大加热功率可显著提高蒸汽和芯线温度,加热功率应控制在2 kW/m以内防止加热器失效;当芯线间距大于15 mm时,增大芯线间距,可有效减少芯线局部热量堆积;适度降低注入温度在保证加热效率的前提下可优化能耗。研究结果为稠油电加热辅助SAGD技术在工程实践中加热电缆的布局设计、注汽参数优选及安全运行提供了理论依据。

Abstract

In the process of EH-SAGD (electrical heating-assisted steam-assisted gravity drainage) of heavy oil, there is a lack of understanding of the interaction mechanism between downhole high-power heating cable and SAGD and the heat transfer law of heating cable. Based on the theory of heat transfer and fluid mechanics, a heat-flow coupling calculation model of 400 m wellbore steam circulation electric heating was constructed. The influence of the arrangement of the core wire, the amount of steam injection, the heating power and the steam injection temperature on the temperature field was systematically studied, and the heat transfer mechanism under the synergistic effect of multiple parameters was revealed. The results show that the steam injection rate should not be less than 20 t/d to avoid crude oil coking and cable overheating; increasing the heating power can significantly increase the temperature of steam and core wire. The heating power should be controlled within 2 kW/m to prevent heater failure. When the core wire spacing is greater than 15 mm, increasing the core wire spacing can effectively reduce the local heat accumulation of the core wire. Appropriately reducing the injection temperature can optimize the energy consumption while ensuring the heating efficiency. The research work in this paper provides a theoretical basis for the layout design of heating cables, the optimization of steam injection parameters and the safe operation of heavy oil electrical heating-assisted SAGD technology in engineering practice.

Graphical abstract

关键词

加热电缆 / SAGD / 数值模拟 / 蒸汽 / 温度场分布

Key words

heating cable / SAGD / numerical simulation / steam / temperature field distribution

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周超, 董亮亮, 宋红兵, 冯海洋, 张锦刚, 张万鹏, 谢航. 稠油电加热辅助蒸汽重力泄油的加热电缆传热规律[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(6): 2378-2384 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2500325

ZHOU Chao, DONG Liang-liang, SONG Hong-bing, FENG Hai-yang, ZHANG Jin-gang, ZHANG Wan-peng, XIE Hang. Heat Transfer Law of Heating Cable for Heavy Oil Electrical Heating-assisted Steam-assisted Gravity Drainage[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(6): 2378-2384 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2500325

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稠油相较于常规原油具有黏度高、比重大、流动性差等特点^[1]。据统计,全球稠油油藏地质储量高达15 500×10⁸t,稠油在中国石油资源的占比超过20%,具有很大的开发潜力^[2-4]。目前对于稠油的开采主要采用蒸汽吞吐,蒸汽驱和蒸汽辅助重力泄油(steam assisted gravity drainage,SAGD)等热采技术,而SAGD技术是目前应用最广泛的热采技术,相比传统热采技术能更好地提高原油采收率^[5-7]。随着电加热技术逐渐应用到稠油开发过程中,近年来关于稠油电加热辅助开采技术的研究越来越多,电加热对稠油油藏而言是一种有效地提高原油采收率(enhanced oil recovery,EOR)技术,能大幅提高原油采收率,改善蒸汽腔发育形态,在SAGD的启动预热及生产阶段均有较好的应用前景^[8]。井下大功率电加热技术是利用电阻发热产生的热量,在注入热流体的情况下,持续加热井筒内介质,提高井底蒸汽热焓,实现降黏增效^[9-13]。目前电加热辅助SAGD技术仍存在耗电量大、电加热效率低、注采参数与加热电缆功率关系不明确等问题,而中国现有加热电缆存在使用温度低、可靠性差、总体使用寿命较低等。故对加热电缆传热特性的研究就显得尤为重要。

中外学者对稠油电加热机理及传热规律开展了诸多研究。Peraser等^[14]和Zhu等^[15]针对水平井开展了井底电加热技术研究,相比常规稠油SAGD开采方式,在电加热协同辅助加热下,原油的采收率均有所提高;韩连福等^[16]针对薄层油页岩电加热原位改性技术开展了研究,研究认为电加热技术可以在较短时间范围就有较大的裂解范围,具有周期短、出油快等优点;Wang等^[17]设计了一种新型双层壳体的加热电缆,其传热损失相比单层壳体加热电缆降低了87.2%;Hassanzadeh等^[18]和Rangle-German等^[19]通过向地层中补充适量水或溶剂,发现加热电缆的传热效率大幅提高,同时也减轻了加热电缆因温度过高导致加热电缆镁粉热绝缘性下降的问题;Wu等^[20]对井下电加热SAGD技术进行了研究,研究结果均表明井底电加热技术能够有效地提高SAGD效率;Yang等^[21]研究了加热电缆材料属性对加热电缆温度分布的影响,发现加热器的功率、密度和热容对温度分布影响显著,而导热系数的影响较小;风城油田(中国新疆)开展了井下大功率电加热SAGD启动技术现场试验,试验结果表明,该技术整体热效率提高了20%,蒸汽使用量减少了90%。卢迎波等^[22]F油田齐古组油藏条件开展了电加热辅助吞吐技术研究,研究表明较常规吞吐阶段油层温度提高100~150 ℃,油气比显著上升。实际应用显示,电加热器下入后水平段的动用程度提高了26%,温度显著提升。朱广海等^[23]大港油田X井验证了电加热传热井筒温度场数值计算的准确性,并指出随着加热功率增加,产出液温度升高。何万军等^[24]在新疆油田重A井区FHW01TW井组开展了浅层超稠油双水平井SAGD电加热预热试验,结果表明:电加热能够实现井筒内的快速升温,缩短预热时间并减少蒸汽耗量。

受限于井下大功率加热电缆与SAGD互相作用机理及传热规律认识缺乏等问题,现阶段电加热辅助SAGD技术仍处于理论和现场试验阶段。为此,现通过系统研究不同芯线布局及注汽参数的热效应,揭示电加热辅助SAGD的传热与流体特性,更为稠油开发中的加热电缆芯线优化设计与注汽参数优化提供理论依据和技术指导。

1 电加热辅助SAGD技术控制方程

1.1 物理模型

电加热辅助SAGD技术是指井筒内加热电缆+饱和蒸汽协同加热,饱和蒸汽从水平井跟端注汽管注入,注汽管内定点下入加热电缆,对蒸汽进行辅助加热,大幅提高井筒内蒸汽温度及热焓值。高温蒸汽从注汽管末端释放进入井筒环空,蒸汽通过冷凝释放潜热与井筒壁和油层进行换热,换热后的蒸汽从短油管返回至地面。该过程可改善蒸汽腔发育、减少蒸汽用量、提高采收率。具体流程示意图如图1所示。

基于水平井稠油电加热工艺和热蒸汽在水平长直井筒内的流动状态,可认为蒸汽在注汽管和井筒内的流动状态为一维稳态流动;蒸汽速度和压力在径向方向不发生变化,只随着轴向位置的变化而变化。蒸汽、注汽管和井筒间的传热方式为热传导和热对流,热辐射在地层传热中占比较小而不予考虑。

1.2 连续性方程

蒸汽在注汽管和井筒中流动、加热过程的质量流量不随着位置变化而变化,遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律^[25-26]。

1.2.1 质量守恒方程

(1)$\frac{\partial \rho}{\partial t}+\nabla \cdot(\rho v)=0$

式(1)中:ρ为蒸汽平均密度,kg/m³;v为蒸汽速度,m/s;t为时间,s。

1.2.2 动量守恒方程

(2)$\frac{\partial(\rho v)}{\partial t}+\nabla \cdot(\rho v v)=-\nabla P+\nabla \tau+\rho g+F$

式(2)中:P为流体微团表面的压强分布,Pa;τ为流体微元表面的黏性应力,Pa·s;g为重力加速度,m/s²;F为作用于流体微元的合外力,N。

1.2.3 能量守恒方程

(3)$ \frac{\partial(\rho E)}{\partial t}+\nabla \cdot[v(\rho E+P)]=\nabla \cdot\left(k_{\mathrm{eff}} \Delta T\right)+S_{\mathrm{h}}$

式(3)中:E为能量,J;k_eff为有效导热系数,W/(m·k);T为温度,K;S_h为能量方程源项,J。

1.3 传热方程

根据不同的传热机理,物体间的传热方式可分为热传导、热对流和热辐射3种形式,而热辐射在地层传热中占比较小不予考虑。

1.3.1 热传导

当两个不同温度的物体相互接触或同一物体内部存在温度差,依靠物体内部的分子、原子等微观粒子的热运动产生的能量传递现象称为热传导。因此加热电缆内部以及注汽管内部的传热形式即为热传导,其表达式为

(4)q=-λ

$\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}x}$

式(4)中:q为热流密度,W/m²;λ为导热系数,W/(m·k)。

1.3.2 热对流

流体的不同部分之间发生相互混合并引起热量传递现象称为热对流。因此加热电缆与蒸汽以及蒸汽与注汽管、井筒间的传热形式即为热对流,其表达式为

(5)$\frac{Q}{t}$=hA(T-T_m)

式(5)中:Q为内传递的热量;h为对流传热系数,W/(m²·k);A为换热面积,m²;T_m为周围介质的温度,K。

2 井筒蒸汽循环电加热计算模型

2.1 井筒蒸汽循环电加热仿真建模

以典型油田稠油SAGD预热工况条件为例,建立了长400 m的水平井蒸汽循环电加热模型,并在井筒内设有380 m的注汽管和加热电缆。注汽井:注汽管:4¹/₂ in(1 in=2.54 cm)平式油管+3¹/₂内接箍油管,短油管:2³/₈ in内接箍油管;蒸汽循环换热阶段,通过数值模拟方法研究了蒸汽在注汽管和井筒内部的流动和传热规律。井筒蒸汽循环电加热模型如图2所示;加热电缆截面结构形式如图3所示。

将如图2所示的井筒蒸汽循环电加热模型进行网格划分,对流体域采用全局六面体结构化网格进行划分,对中心加热电缆剖面进行网格加密处理,在注气量80 t/d,注入温度245 ℃,加热功率2 kW/m的标准工况下进行了网格无关性验证,具体的网格数量和出口温度如表1所示。当网格数量由534 842增加至1 445 845,出口温度波动幅度小于2%,结果趋于稳定,综合考虑误差率和网格计算量,方案3的网格数量较为合理。

2.2 边界条件

以注汽管入口为坐标原点,构建三维井筒蒸汽循环电加热模型。流体介质为水蒸气,密度为可变的理想气体;由于注汽管流出至井筒时过流面积突然增大以及井筒出口的过流面积急剧减小,蒸汽在该两处会产生局部湍流,因此采用湍流模型模拟蒸汽流动状态;采用质量流量入口与压力出口边界,蒸汽注入量为10~80 t/d,初始温度为100~245 ℃,地层(井筒壁)温度为80 ℃采用对流换热边界,其余均为耦合传热,详细的材料参数如表2所示。

2.3 井筒蒸汽循环电加热辅助加热性能评价

为了获得蒸汽被加热前后在井筒内的温度分布规律以及加热电缆的加热效果,计算了加热电缆在加热和未加热,注汽量为80 t/d,注气温度为245 ℃,加热功率为2 kW/m工况下的井筒温度分布情况。

如图4和图5所示,加热电缆未工作时,蒸汽在整个管柱内的流动为放热过程,蒸汽沿径向方向分别与注汽管、井筒壁及外界换热,蒸汽温度在轴向方向逐渐递减,径向方向由内向外呈辐射状递减。

如图6和图7所示,加热电缆工作时,蒸汽在管柱内的流动为吸热和放热过程。井筒管内的蒸汽受到加热电缆的加热,温度沿注汽管轴向依次升高,在注汽管出口端达到最大。蒸汽经注汽管出口进入井筒环空并与井筒壁面和环境发生热交换,井筒环空的温度逐渐下降。加热电缆的温度沿着水平井跟端向趾端逐渐增大,最高温度达到了380 ℃。仿真结果表明,电加热辅助SAGD能够有效提高井筒内流体的温度,有助于提高稠油热采的效率。

如图8所示,采用电加热辅助加热的方式显著提高了蒸汽在水平井内的温度。EH-SAGD过程注汽管内的蒸汽沿轴向逐渐上升,进入井筒环空后与外界换热温度逐渐减低,SAGD过程蒸汽温度沿注汽管轴向逐渐减低,在进入井筒环空后蒸汽温度呈现出先下降后上升的趋势,这是因为注汽管前半段的散热量大于井筒环空蒸汽对外界的散热量,导致温度上升。相比与SAGD过程,电加热辅助SAGD由于加热电缆的加热作用注汽管和井筒内的蒸汽平均温度提升幅度分别为92.7%和79%,大大提高了井底蒸汽的温度,有助于稠油开采效率的提高。

3 加热电缆传热特性规律分析

为了研究加热电缆在辅助蒸汽循环加热的传热特性,分别计算了不同注汽量、注汽温度、芯线加热功率、芯线排布对应的芯线和蒸汽温度分布规律,在满足加热电缆加热效果的同时避免芯线温度过高的条件下选定了较优的芯线排布和注汽参数。

3.1 芯线间距对应的温度分布规律

芯线在加热电缆中的排布方式对加热电缆的加热效果影响不同,采取了5种芯线的排布方式:从左往右芯线间距依次为14 mm(芯线相互接触)、15 mm、16 mm、17.3 mm和19.5mm(芯线与加热电缆护套接触))对标准工况下的加热效果进行了分析,具体结构如图9所示。

从图10可知,当芯线间距超过15 mm时,蒸汽与芯线的最高温度均随着芯线间距的增大而减小,而芯线自身的温度变化幅度明显大于蒸汽的温度变化幅度,这说明了芯线间距变化对芯线自身温度影响更大。芯线间距越大,芯线自身温度越低,但芯线间距为0时,由于金属护套相互接触增强了导热,使得温度有所降低。因此,增大芯线与加热电缆护套的间距可以避免加热电缆由于热量堆积造成芯线过热和护套超过材料耐温极限的现象。

3.2 注汽量对应的温度分布规律

芯线间距采用15 mm,其余参数不变,以蒸汽注汽量作为变量,计算加热电缆加热功率为2 kW/m时,不同注汽量对加热电缆加热效果的影响以及芯线和蒸汽温度分布规律,注汽量按10、20、40、60、80 t/d取值。不同注汽量对应的温度分布结果如图11所示。

从图11可知,蒸汽与芯线的平均温度以及注汽管截面的平均温差均随着注汽量的增大而减小。随着注汽量的增大,温度下降幅度逐渐减小,当注汽量为20 t/d时,蒸汽平均温度超过340 ℃,较小的注汽量虽然可以提高加热效率,但也会造成蒸汽温度过高造成原油焦化和加热电缆过热超过额定阈值的现象。因此,根据实际应用需要,蒸汽注汽量不宜低于20 t/d。

3.3 芯线加热功率对应的温度分布规律

新疆风城油田SAGD试验区循环预热过程中,为保证返回井筒环空采注汽管出口的蒸汽干度不为0,因此采用电加热辅助SAGD计算时蒸汽的最低注汽速度为40 t/d。芯线加热功率按1、2、3 kW/m取值。不同芯线加热功率对应的温度分布结果如图12所示。

如图12所示,蒸汽、芯线的平均温度和注汽管截面平均温差均随着加热功率的增大而增大,二者呈线性递增关系。增大芯线加热功率能提高蒸汽的温度但会造成芯线局部温度过高,超过护套耐温极限。同时功率越大,加热电缆耗电量也越大,加工制作也越困难,对芯线和护套的材料要求越高。结合目前的生产实际和应用需求,推荐加热功率不宜超过2 kW/m。

3.4 注汽温度对应的温度分布规律

由于沿程的热量损失,相较于锅炉出口的蒸汽温度,到达水平段跟段的蒸汽有所下降,为保证到达井底的蒸汽质量能够实现对稠油的降黏满足生产需要,对井口注入温度有一定要求,由于加热电缆对蒸汽的加热作用,注汽温度可按100、152、175、225、245 ℃取值,不同注汽温度对应的芯线和蒸汽温度如图13所示。

如图13所示,芯线和蒸汽的平均温度均随着注汽温度的增大而增大,注汽管截面温差趋于稳定。这是因为加热功率是恒定的,单位时间内蒸汽吸收的热量恒定,温度变化趋于稳定。当注入温度为245 ℃,加热稳定后蒸汽平均温度超过了原油焦化温度。同时注汽温度越高地面产生蒸汽需要消耗的能量则越高,对井下电加热辅助加热蒸汽的热利用率越低。

4 结论

基于稠油电加热辅助SAGD技术理论,建立400 m井筒蒸汽循环电加热仿真计算模型,分别对加热电缆截面温度影响因素进行了分析计算,得出了以下结论。

(1)针对电加热辅助SAGD较常规SAGD技术的差异及特点,分别计算了两种工况下的井筒温度场变化。结果表明,电加热辅助技术可以有效提高水平井筒内的蒸汽温度,改善井底蒸汽的质量,有利于稠油开采。

(2)加热电缆芯线的排布方式对芯线温度有影响。当芯线间距大于15 mm时,芯线间距越大,芯线和蒸汽温度越低,可有效缓解芯线处热量堆积。

(3)注汽量越大,芯线和蒸汽温度越低,油管截面温差减小。同时生产过程中,注汽量不宜过低,注汽量低于20 t/d 时芯线及蒸汽温度过高超过了原油的焦化温度。

(4)加热功率越大,芯线和蒸汽温度越高,油管截面温差越大。当加热功率超过2 kW/m,蒸汽和芯线温度过高,同时加热电缆功率越大,耗电量和制造难度越大,因此加热功率不宜超过2 kW/m。

(5)注汽温度越高,芯线和蒸汽温度越高,当注汽温度超过245 ℃,加热过后的蒸汽超过了原油焦化温度,因此注汽温度不宜过高。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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2025-01-14	2026-02-28	2025-11-19
Online Date
2026-05-30

摘要