一种重力火驱生产井混合液的温度计算、控制方法及装置

摘要

本申请提供一种重力火驱生产井混合液的温度计算、控制方法及装置。所述方法包括：计算生产井井筒热损失的上限值；根据所述井筒热损失的上限值设置脚跟处井筒分段单元径向热损失初始值；根据所述设置的热损失初始值迭代计算得出所述生产井井筒从脚跟到脚尖的第一温度场分布；根据所述第一温度场分布计算脚尖油管出口处热水温度T2，并计算所述脚尖处油水混合液的初始温度：根据所述第一温度场分布和所述脚尖处油水混合液的初始温度计算所述脚尖至脚跟的第二温度场分布；根据计算得到的生产井混合液的第二温度场分布调节井口的注入参数，控制所述混合物温度。利用本申请中各个实施例，可以快速、准确计算并控制生产井混合液的温度。

说明书

技术领域

本发明属于石油火驱开采技术领域，尤其涉及一种重力火驱中水平生产井混合液的温度 计算、控制方法及装置。

背景技术

在石油开采领域，火驱开采法是一种常用的且非常重要的石油开采方法。该方法通常是 指将空气或氧气注入到地下油层里面，使其与油层中的有机燃料燃烧，用燃烧产生的热量加 热待开采原油，加热后原油在重力的驱动下卸到水平生产井的水平段，然后通过水平井的提 升作用将石油开采出来的方法。

火驱开采法是一种在油层内部产生热量的热力采油技术，在石油开采领域具有明显技术 优势和潜力，它具有驱油效率高(一般达80％～90％)、单位成本低(与蒸汽相当)、油藏适应 范围广(从薄油层到厚油层、从浅油层到深油层、从稀油到稠油，及已开发油藏)等特点，是 石油开采尤其是稠油开采的重要手段。常用的火驱开采方式是直井+水平井组合。直井为注 气井，用于将燃烧产生的热量向前推进加热待开采的原油。加热后并达到一定流动性的原油 在重力的驱动作用下卸到水平生产井的水平段，原油通过水平段的筛管空隙进入油管和筛管 的环空之间，最后通过生产管柱将原油举升到地面。由于目前火驱开采主要针对粘度较大的 稠油、超稠油，因此在水平生产井内原油的温度一旦降低到一定阀值，原油流动性就会变得 非常差，对石油举升造成很大困难。水平井内原油的温度是后续传输过程中最重要的参数， 直接影响到整个火驱采油效率及能耗

在现场石油开采中常常需要对水平生产管的原油进行伴热，使其达到一定的温度，以保 证原油在高温状态下的良好流动性。现有技术中传统的油井测温装置采用的是套管式温度测 量，这种测试装置安装和使用都十分费时费力，且使用和维护成本较高。同时，在测定管道 中流体温度时，为了保护温度计，通常会在管道中装有测温套管，导致该测试装置由于存在 传热热阻，导致测量温度的准确性不高。

发明内容

本申请目的在于提供一种重力火驱生产井混合液的温度计算、控制方法及装置，能根据 特定采集的参数及算法计算得出生产井内原油的温度，并可以根据计算得出的温度进行相应 的调控，降低垂直生产井内原油举升难度，同时降低使用和维护成本，省时省力。

本申请提供的一种重力火驱生产井混合液的温度计算、控制方法及装置是这样实现的：

一种重力火驱生产井混合液的温度计算、控制方法，所述方法包括：

S1：计算生产井井筒热损失的上限值；

S2：根据所述井筒热损失的上限值设置脚跟处井筒分段单元径向热损失初始值；

S3：根据所述设置的热损失初始值迭代计算得出所述生产井井筒从脚跟到脚尖的第一温 度场分布；

S4：根据所述第一温度场分布计算脚尖油管出口处热水温度T₂，并利用下述公式计算所 述脚尖处油水混合液的初始温度T：

L_vΔm_汽+C_水Δm_水T₂+C_油Δm_油T₁＝CΔmT

上述公式中：L_v为汽化潜热，J/kg；C＝C_汽f_w+C_油(1-f_w)，C_汽为蒸汽比热容，J/(kg·℃)； C_油为原油比热容，J/(kg·℃)；Δm_油为蒸汽与原油混合瞬间原油质量，kg；Δm_汽为蒸汽与原 油混合瞬间蒸汽质量，kg；m为水、蒸汽与原油后混合液质量；T₁为重力火驱卸油后流到脚 尖处原有的初始温度，℃；T₂为油管脚尖出口处热水温度，℃；f_w为产出液含水率；

S5：根据所述第一温度场分布和所述脚尖处油水混合液的初始温度利用下述公式从所述 井筒脚尖开始计算所述脚尖至脚跟的第二温度场分布：

上述公式中，T_ti为油管内壁温度，T_to为油管内壁温度，Q_液为油水混合液热损失，ρ为 油水混合液密度，ρ＝ρ_水f_w+ρ_油(1-f_w)，r_ci为套管内壁半径，r_co为套管外壁半径，R₁为 蒸汽与管内壁之间的热对流热阻，R₂为油管内外壁之间的热传导热阻，R₃为环空热对流热 阻，K_cos为常数，T′_l为前一段混合液温度，在初始时，所述T′_l为所述计算得出的脚尖处油水混合 液的初始温度T；

S6：根据计算得到的生产井混合液的第二温度场分布调节井口的注入参数，控制所述混 合液的温度。

一种生产井混合液的温度计算装置，所述装置包括：

参数获取单元，用于获取计算混合液温度所需的预置的特定参数；

热损失上限计算模块，用于计算生产井井筒热损失的上限值；

初始值设置模块，用于根据所述井筒热损失的上限值设置脚跟处井筒分段单元径向热损 失初始值；

第一温度场分布计算模块，用于根据所述设置的热损失初始值迭代计算得出所述生产井 井筒从脚跟到脚尖的第一温度场分布；

脚尖初始温度计算模块，用于根据所述第一温度场分布计算脚尖油管出口处热水温度， 并计算所述脚尖处油水混合液的初始温度：

第二温度场分布计算模块，用于根据所述第一温度场分布和所述脚尖处油水混合液的初 始温度利用下述公式从所述井筒脚尖开始计算所述脚尖至脚跟的第二温度场分布：

上述公式中，T_ti为油管内壁温度，T_to为油管内壁温度，Q_液为油水混合液热损失，ρ为 油水混合液密度，ρ＝ρ_水f_w+ρ_油(1-f_w)，r_ci为套管内壁半径，r_co为套管外壁半径，R₁为 蒸汽与管内壁之间的热对流热阻，R₂为油管内外壁之间的热传导热阻，R₃为环空热对流热 阻，K_cas为常数，T′_l为前一段混合液温度，在初始时，所述T′_l为所述计算得出的脚尖处油水混合 液的初始温度T。

本申请所述火驱生产井内油水混合液的计算、控制方法，计算热损失上限值和出脚跟处 指定位置的热阻及温度，采用分段迭代算法计算出从脚跟到脚尖油管的第一温度场分布，然 后根据所述第一温度场分布以及由此计算得到的脚尖混合液初始温度反向计算得出所述混 合液的第二温度场分布。根据计算得到的生产井混合液的第二温度场分布调节井口的注入参 数，控制所述混合液的温度。本申请中以井筒单元径向热流量热损失作为迭代变量，选取略 小于井筒单元径向热流量热损失上限值的数值作为迭代初始值，使得迭代过程收敛并且经过 多次迭代使得计算结果更加接近真实数据。并且不需要在设置单独的混合液温度测试装置， 过滤掉了上述温度测试装置的热阻，并且降低生产运营和维护成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术 描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记 载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请重力火驱采油水平生产井井筒的剖面结构示意图；

图2是本申请重力火驱采油中水平生产井的位置示意图；

图3是本申请提供的一种重力火驱生产井混合液的温度计算、控制方法一种实施例的流 程示意图；

图4是本申请提供的一种重力火驱生产井混合液的温度计算、控制方法另一种实施例的 流程示意图；

图5是本申请提供的一种重力火驱生产井混合液的温度计算、控制方法另一种实施例的 流程示意图；

图6是本申请提供的一种生产井混合液的温度计算装置的模块结构示意图；

图7是本申请提供的一种生产井混合液的温度计算装置另一种实施例的模块结构示意图；

图8本申请提供的一种生产井混合液的温度计算装置另一种实施例的模块结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中 的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅 是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人 员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

图1为本申请重力火驱采油水平生产井井筒的剖面结构示意图。如图1所示，水平段采用 普通油管，油管外层是套管(筛管)，所述水平生产井空间位置及作业环境按地层位置从上 至下依次可以为蒸汽、油管、环空层、套管、地层。通常上层加热的蒸汽温度最高，由于井 筒中各层之间热传递时存在热损失，在井筒的半径方向从上至下温度逐次降低。如图1所示， 蒸汽流经直井段的隔热管，然后流经水平段的油管，从尾管处流出。原油通过水平段的筛管 空隙进入油管和筛管的环空之间。在油管尾部流出的蒸汽与热水与重力驱卸下来的原油混合， 混合后的原油即为产出液，最后通过生产管柱将原油举升到地面。图2是本申请重力火驱采 油中水平生产井的位置示意图，如图2所示，水平生产井在垂直下井水平拐弯处A端通常称为 脚跟，另一端B端通常称为脚尖。

下面是本申请一种重力火驱生产井混合液温度的计算方法的一个实施例。图3是所述一 种重力火驱生产井混合液温度的计算、控制方法一种实施例的流程示意图，如图3所示所述 方法包括：

S1：计算生产井井筒热损失的上限值。

通常在采油过程中，与井筒热损失相关的参数主要包括三个方面：

第一种是井筒的结构及其相关的物理性质参数，例如：油管内壁半径r_ti、油管外壁半径 r_to、套管内径r_ci、套管外径r_to、套管导热系数、套管长度l等。

第二种是地层的热物性参数，例如：地表温度T_e、地层导热系数K_e等。

第三种是井口注入参数，例如：注汽压力P_s、注汽干度X_i、注汽速率M_s、注汽时间t等。

本实施例中可以采用下述方法计算所述井筒热损失的上限值：

S101：计算井筒径向指定位置的热阻值，具体的可以包括R₁、R₂、R₃、R₄、R₅。

首先计算井筒各部分的热传导热阻或热对流热阻。通常生产井井筒的热损失是由热对流 和热传导引起的，本申请中井筒热损失计算数学模型的详细描述可以参见文献《稠油注蒸汽 热采工程》，这里仅列出为获取本申请的技术方案所用到的主要计算公式。在推导模型中可 以将水平段管柱图划分成若干个单元，每段单元长度dl，分别计算所述井筒直径方向上指定 位置的热阻值。井筒中径向指定的各个部分的热传导或热对流及相应的热阻值计算方法可以 依次如下：

蒸汽与油管内壁之间的热对流：

$Q=\frac{T_s-T_{\mathrm{ti}}}{R_1}\mathrm{dl},R_1=\frac{1}{{2\mathrm{\pi h}}_f{\gamma }_{\mathrm{ti}}}---\left(1\right)$

上式(1)中：Q为单位长度dl上的热损失速度，W；T_s为注入蒸汽温度，℃；T_ti为油管 内壁温度，℃；R₁为蒸汽与管内壁之间的热对流热阻，m·K/W；h_f为水膜传热系数，为已知 量，W/(m²·K)；γ_ti为油管内壁半径，m。

油管内外壁之间的热传导：

$Q=\frac{T_{\mathrm{ti}}-T_{\mathrm{to}}}{R_2}\mathrm{dl},R_2=\frac{1}{{2\mathrm{\pi K}}_{\mathrm{tub}}}\ln \frac{{\gamma }_{\mathrm{to}}}{{\gamma }_{\mathrm{ti}}}---\left(2\right)$

上式(2)中：T_to为油管外壁温度，℃；R₂为油管内外壁之间的热传导热阻，m·K/W；K_tub为油 管导热系数，W/(m·K)；r_to为油管外壁半径，m。

环空中充满油水混合液体时，混合液体的热对流：

$Q=\frac{T_{\mathrm{to}}-T_{\mathrm{ci}}}{R_3},R_3=\frac{\ln \frac{{\gamma }_{\mathrm{ci}}}{{\gamma }_{\mathrm{to}}}}{{2\mathrm{\pi h}}_c{\gamma }_{\mathrm{to}}}---\left(3\right)$

上式(3)中：T_ci为套管内壁温度，℃；R₃为环空热对流热阻，m·K/W；h_c为环空内混 合液的强迫对流传热系数，W/(m²·K)。

套管壁的热传导：

$Q=\frac{T_{\mathrm{ci}}-T_{\mathrm{co}}}{R_1}\mathrm{dl},R_4=\frac{1}{{2\mathrm{\pi K}}_{\mathrm{cas}}}\ln \frac{{\gamma }_{\mathrm{co}}}{{\gamma }_{\mathrm{ci}}}---\left(4\right)$

上式(4)中：T_co为套管外壁温度，℃；R₄为套管壁的热传导热阻，m·K/W；K_cas为套 管导热系数，W/(m·K)；r_ci为套管内壁半径，m；r_co为套管外壁半径，m。

地层的热传导：

$Q=\frac{T_h-T_e}{R_6}\mathrm{dl},R_6=\frac{f\left(t\right)}{{2\mathrm{\pi K}}_e}---\left(5\right)$

上式(6)中：T_e为地层温度，℃；R₅为筛管与地层交界处的热传导热阻，m·K/W；K_e为 地层导热系数，W/(m·K)。

S102：计算地层温度T_e。

在本实施例中可以采用下述公式计算水平生产井下方地层的地层温度T_e：

T_e＝(b₀+a1*h/100)   (6)

上式(7)中：b₀为地表温度；℃；a1为地温梯度，℃/100m；h为直井段井深，m。所述 的地温梯度在地球物理勘探领域通常可以指从垂直方向向下，地层垂深每增加100米时相应 的地层温度所增加的量。该地温梯度可以是根据作业现场实际的地理环境选取的经验值，是 一个已知值。这里所述的直井段井深h可以表示所述水平生产井下方地层的深度。

S103：计算井筒热损失上限值。

上述公式(1)-(7)中，只有公式(3)计算所需的参量环空内混合液的强迫对流传热 系数h_c为未知量，不能直接计算得到R₃的值，其余均可以通过直接计算得到热阻的阻值。

在本实施例中，可以将井筒从脚跟到脚尖划分为若干分段单元，可以在井筒的半径方向 上将每分段dl长度上井筒分段单元的热损失设为Q，单位为千焦/小时，根据注蒸汽采油的原 理，井筒半径方向上各部分Q值满足下式：

$Q=\frac{T_s-T_{\mathrm{ti}}}{R_1}\mathrm{dl}=\frac{T_{\mathrm{ti}}-T_{\mathrm{to}}}{R_2}\mathrm{dl}=\frac{T_{\mathrm{to}}-T_{\mathrm{ci}}}{R_3}\mathrm{dl}=\frac{T_{\mathrm{ci}}-T_{\mathrm{co}}}{R_4}\mathrm{dl}=\frac{T_{\mathrm{co}}-T_e}{R_5}\mathrm{dl}---\left(7\right)$

公式(7)中，T_s为注入蒸汽温度；T_ti为油管内壁温度；T_to为油管外壁温度；T_h为水泥 环外温度；T_co为套管外壁温度；T_ci为套管内壁温度；T_e为地层温度；dl表示当前井筒分段， 米。

根据公式(7)可以得到下面两式：

T_to＝T_s-(R₁+R₂)Q/dl   (8)

T_ci＝T_e+(R₄+R₅)Q/dl   (9)

将上述(8)、(9)代入公式(3)得到所述井筒热损失上限值Q_m：

$Q_m=\frac{T_s-T_e}{R_1+R_2+R_3+R_4+R_5}\mathrm{dl}---\left(10\right)$

上式中，R₁为蒸汽与管内壁之间的热对流热阻，R₂为油管内外壁之间的热传导热阻，R₃ 为环空热对流热阻，R₄为套管壁的热传导热阻，R₅为筛管与地层交界处的热传导热阻，T_s为 注入蒸汽温度可以直接测量得到，T_e为地层温度。

一般的情况下，在水平井井口处的热损失为最大，若环空层不存在热损失，即R₃的值为 0，则井口处的井筒分段单元径向热损失最大。本申请中可以将R₃的值为0时的井筒热损失作 为井筒分段单元径向热损失的上限值。

获取井筒相应参数，计算井筒中半径方向环空部分以外各处的热阻值及地层温度，并根 据所述计算得出的热阻值及地层温度计算井筒分段单元径向热损失上限值。

S2：根据所述井筒热损失的上限值设置脚跟处井筒分段单元径向热损失初始值。

井筒分段单元径向热损失的初始值可以用Q₀表示。在重力火驱开采中，由于脚跟处燃烧 产生的水和蒸汽向脚尖方向流动，可以在油管尾部与重力驱动卸下的原油混合形成油水混合 液。所述油水混合液通过油井与套管(筛管)之间的环空从所述脚尖回流到所述脚跟处，然 后可以通过垂直生产井将油水混合液抽取到地面。基于本实施例所述的生产方式，在实施例 中可以设置一个脚跟处井筒的热损失初始值。由于井筒分段单元径向热损失的值一定不大于 上限值Q_m，因此井筒分段单元径向热损失的初始值Q₀的取值为0～Q_m。例如本实施例中可 以根据实验的经验可以取Q₀的值为0.9Q_m。

S3：根据所述设置的热损失初始值迭代计算得出所述生产井井筒从脚跟到脚尖的第一温 度场分布。

该实施步骤中可以将所述水平生产井井筒总长度L划分为若干段，每一分段可以用dl表 示。本实施例中从油管脚跟分段处开始计算每一分段的温度场分布数据，所述的dl可以理解 为表示为计算完当前分段的温度场分布数据后需要当前分段增加dl计算的下一分段的温度 场分布的预定步长。所述预定步长dl的取值范围可以为：0≤dl≤L。本实施例中可以分别 用k和Q_k表示第k次循环和第k次迭代后的井筒热损失，然后采用下述方法迭代计算所述油 管从脚跟到脚尖的温度场分布数据：

S301：分别用k和Q_k表示第k次循环和第k次迭代后的井筒热损失，所述生产井井筒脚 跟处开始，令所述l＝0，k＝1，Q_k＝NQ_m，0≤N≤1，如上所述，N可以取值为0.9，即井 筒分段单元径向热损失的初始值用Q₀可以为0.9倍的热损失上限值Q_m。获取所述井筒脚跟 处指定位置的热阻值和地层温度T_e。

上述所述指定位置的热阻值包括R₁、R₂、R₃、R₄、R₅，所述R₁为蒸汽与管内壁之间的 热对流热阻，R₂为油管内外壁之间的热传导热阻，R₃为环空热对流热阻，取值为0，R₄为 套管壁的热传导热阻，R₅为筛管与地层交界处的热传导热阻，其中环空热对流热阻R₃初始取 值为0。

S302：利用下述公式计算所述当前分段的蒸汽的平均温度T_s：

T_s＝195.94P^0.225-17.8    (11)

上式公式(12)中P为该段的平均压力。在本实施例中可以采用Beggs-Bill算法(具体 计算详见张琪主编《采油工程原理与设计》P50)计算获取所述平均压力P：

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dl}}=-\frac{[{\rho }_1{H}_1+{\rho }_g(1-H_1)]g\sin \theta +\frac{\mathrm{\lambda Gv}}{2\mathrm{DA}}}{1-\frac{[{\rho }_1{H}_1+{\rho }_g(1-H_l)]{\mathrm{vv}}_{\mathrm{sg}}}{p}}---\left(12\right)$

上述公式(13)中：p──当前分段平均压力(绝对)，Pa；z──轴向流动的距离，m；ρ_l── 液相密度，kg/m³；ρ_g──气相密度，kg/m³；H_l──持液率，m³/m³；g──重力加速度，m/s²；θ── 管道与水平方向的夹角，°；λ──两相流动的沿程阻力系数，无因次；G──混合物的质量流 量，kg/s；v──混合物的流速，m/s；v_sg──气相的折算速度，m/s；D──管道直径，m；A── 管道截面积，m²。相应的，通过公司(13)计算得出的当前分段的平均压力可以表示为P_k。

S303：计算当前所述分段下述指定位置的各处温度：

油管内壁温度为：T_ti＝T_s-R₁Q_k/dl    (13)

油管外壁温度为：T_to＝T_ti-R₂Q_k/dl    (14)

筛管与地层交界处温度为：T_co＝T_e+R₅Q_k/dl    (15)

筛管内壁温度为：T_ci＝T_co+R₄Q_k/dl    (16)

利用上述公式(13)～(16)可以计算获取出当前分段井筒预定指定位置的温度数 据。

S304：重新计算环空热对流热阻R₃。

上述中初始环空热对流热阻R₃为预先假设的初始值，在此可以基于选取的当前分段 热损失Q_k和上述公式(15)、(16)计算得到的筛管外壁温度T_co、内壁温度T_ci，根据公 式(3)重新计算环空热对流热阻R₃。

本实施例中计算环空热对流热阻R₃的公式(3)中的参数环空内混合液的强迫对流 传热系数h_c的计算公式可以为：

$h_c=\frac{0.049{\left(G_{\gamma }{P}_{\gamma }\right)}^{0.33}{P}_{\gamma }^{0.074}{K}_{\mathrm{h\alpha }}}{{\gamma }_{\mathrm{to}}\ln \frac{{\gamma }_{\mathrm{ci}}}{{\gamma }_{\mathrm{to}}}}---\left(17\right)$

上述公式(17)中：

$G_{\gamma }=\frac{{({\gamma }_{\mathrm{ci}}-{\gamma }_{\mathrm{to}})}^{3}g{\rho }_{\mathrm{an}}^2\beta (T_{\mathrm{to}}-T_{\mathrm{ci}})}{U_{\mathrm{an}}^2}---\left(18\right)$

$P_{\gamma }=\frac{C_{\mathrm{an}}{U}_{\mathrm{an}}}{K_{\mathrm{ha}}}---\left(19\right)$

其中，$\beta =\frac{1}{T_{\mathrm{an}}^{*}}=\frac{1}{T_{\mathrm{an}}+273.15}---\left(20\right)$

$T_{\mathrm{an}}=\frac{T_{\mathrm{ci}}+T_{\mathrm{to}}}{2}---\left(21\right)$

上述公式(17)～(21)中：Gr为Grashof数；Pr为Prandtl数；K_ha为环空流体的导热 系数，W/(m·K)；g为重力加速度，m/s²；ρ_an为环空流体在平均温度T_an下的密度，kg/m³；ρ_an为环 空流体在平均温度T_an下的粘度，mPas；C_an为环空流体在平均温度T_an下的热容，J(m³K)。

S305：井筒热损失校正。

为保证迭代过程的稳定性和数据的可靠性，本实施例中需要对当前分段井筒热损失 进行校正。具体的校正方法可以包括：

S3051：基于重新计算获取的环空热对流热阻R₃利用下式计算总热阻值R：

R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅    (22)

S3052：基于所述总热阻值R重新计算当前分段的热损失Q_k。

所述当前分段的热损失Q_k的计算公式可以为：

$Q_k=\frac{T_s-T_e}{R}\mathrm{dl}----\left(23\right)$

S3053：判断所述重新计算的当前分段的热损失Q_k是否满足：Q_k≥Q_m，如果满足， 则令Q_k＝Q_m。

S306：利用所述井筒校正后的井筒热损失Q_k重新计算S303中所述的各处的温度及 相应的热阻值R₁、R₂、R₃、R₄、R₅。具体的可以将所述校正后的井筒热损失Q_k代 入公式(13)～(16)中重新计算S303中所述的各处的温度及相应的热阻值。

S307：令k＝k+1,l＝l+dl，Q_k+1＝Q_k，P_k+1＝P_k；以所述S306重新计算的所述指定位 置的热阻值的作为所述井筒下一分段的初始热阻值计算所述下一分段的总热阻值，并以所述 下一分段的总热阻值R作为所述井筒下一分段的初始热阻值利用公式：计算所 述下一分段的热损失Q_k；以所述下一分段作为所述当前分段，重复步骤S303～S307进行迭代 计算，直到l>L，得到所述水平生产井井筒脚跟至脚尖的第一温度场分布数据；L为所述井筒 脚跟至脚尖长度。

利用上述过程可以计算得出因蒸汽及由蒸汽形成的热水形成的第一温度场分布数据，在 计算过程中迭代变量的修正受控于热损失速度上限值Q_m,从而保证了迭代过程的稳定性。同 时需要说明的是，在迭代过程中迭代次数k越多，U_to、Q_k、Gr、Pr、T_ti、T_to等值趋于稳定 数值，计算结果更加精确。另外，设置的分段单元或步长dl越小，计算精度也越高。

S4：根据所述第一温度场分布计算脚尖油管出口处热水温度T₂，并利用下述公式计算所 述脚尖处油水混合液的初始温度：

L_vΔm_汽+C_水Δm_水T₂+C_油Δm_油T₁＝CΔmT    (24)

Δm＝q*dt    (25)

q＝Q_液ρ/24000    (26)

ρ＝ρ_水f_w+ρ_油(1-f_w)    (27)

上述公式(24)中：L_v为汽化潜热，J/kg；C_汽为蒸汽比热容，J/(kg·℃)；C_油为原油比热 容，J/(kg·℃)；Δm_油为蒸汽与原油混合瞬间原油质量，kg；Δm_汽为蒸汽与原油混合瞬间蒸 汽质量，kg；m为水、蒸汽与原油后混合液质量；T₁为重力火驱卸油后流到脚尖处原有的初 始温度，℃；T₂为油管脚尖出口处热水温度，℃；f_w为产出液含水率；C＝C_汽f_w+C_油(1-f_w)；

上式公式(25)～(27)中，Δm_水＝q_汽*dtΔ_m＝q*dt，Δm_油＝Δm-Δm_水，q_汽为 注汽速率，t/h；q为原油流动速率，t/h；Q_液为生产井产液量，m³/d；ρ_油为脱水原油密度， kg/m³；ρ_水为水的密度，kg/m³；ρ为混合液密度，kg/m³。

下表为本实施例给出的饱和蒸汽密度与温度的关系表：

表1 饱和蒸汽密度与温度的关系表

温度范围(℃) 密度对于温度的回归方程(kg/m³) 10～20 0.001(0.02075T²+0.166T+5.674) 20～30 0.01(0.00315T²-0.037T+1.0091) 30～50 0.001(0.000632T³-0.02048T²+1.1736T-3.473) 50～70 0.00001(0.0984T³-7.364T²+386.4T-4911) 70～100 0.0001(0.0152T³-1.8996T²+123.202T-2548.87) 100～150 0.0001(0.02487T³-4.9338T²+442.021T-13761.2) 150～200 0.0001(0.04362T³-13.4749T²+1745.043T-80320.5) 200～250 0.0001(0.008611T³-3.95083T²+707.2292T-44435.969) 250～300 0.0001(0.024638T³-16.2298T²+3846.47T-312234.219)

相应的可以利用下述公式计算所述脚尖水的密度：

ρ_水＝-0.000003T²-0.000108T+1.000937

相应的可以利用下述公式计算所述脚尖原油的密度：

ρ_油＝ρ₀+(13.561-0.191x₁)×10^-3-(63.9-0.87x₁)×10^-5T^1.02

x₁＝INT[100(ρ₀-0.8001)]

上式中：ρ₀为地面20℃时原油密度，g/cm³；INT为取整函数。

采用本申请所述方法给出根据对辽河油田进行的火烧现场试验的杜66区块和其它稠油 区块的大量现场原油进行取样分析，拟合出的辽河油田稠油比热容与温度关系式：

C_油＝1000(A+BT+CT²+DT³+ET⁴+FT⁵)    (28)

样品 A B C D E F 辽河普通稠油 2.5834 -0.0441 0.0007 -4×10^-61×10^-8-1×10^-11杜66稠油 2.0297 -0.0054 0.0001 -5×10^-79×10^-10-2×10^-13

本申请中可以根据上述给出的稠油比热容与温度关系式计算所述为原油比热容C_油。

另一种实施例中，由于水平生产井散热较大，通常在所述脚尖油管末端不存在有蒸汽， 基本都是热水。在此情况下，L_vΔm_汽与C_汽取值为0，可以采用下述公式计算所述脚尖处油 水混合液的初始温度T：

C_水Δm_水T₂+C_油Δm_油T₁＝CΔmT。

S5：根据所述第一温度场分布和所述脚尖处油水混合液的初始温度从所述井筒脚尖开始 计算所述脚尖至脚跟的第二温度场分布。所述第二温度场分布即为本申请所要计算得到的生 产井内油水混合液的温度。

根据温度场分布1每段的步长dl从脚尖B端到脚跟A端分步计算每段混合液温度。

上述公式(29)中T_l为混合液温度，℃；C为混合液比热容，J/(kg·℃)；

上式公式(29)整理后的近似公式为：

上述公式中，T_ti为油管内壁温度，T_to为油管内壁温度，Q_液为油水混合液热损失，ρ为 油水混合液密度，ρ＝ρ_水f_w+ρ_油(1-f_w)，r_ci为套管内壁半径，r_co为套管外壁半径，R₁为 蒸汽与管内壁之间的热对流热阻，R₂为油管内外壁之间的热传导热阻，R₃为环空热对流热 阻，K_cas为常数，T′_l为前一段混合液温度。在初始计算所述第二温度场分布时，所述T′_l可以 取值为所述计算得出的脚尖处油水混合液的初始温度。

S6：根据计算得到的生产井混合液的第二温度场分布调节井口的注入参数，控制所述混 合液的温度。

根据所述生产井混合液的第二温度场分布可以计算得出生产井中各个位置混合液的温 度值，可以根据生产井内各个位置的温度值调节相应的井口注入参数，例如可以调节注入泵 的注汽速率或注汽压力，控制所述混合液的温度，以适应作业生产要求。

在另一种实施情况中，计算完井筒内蒸汽或水的第一温度场分布后可以得到B点处油管 外壁温度T_to的值，此时可以再计算完油管脚尖末端热水与原油混合后混合液温度值T_l。通常 所述油管外壁温度T_to的值大于所述油管末端混合液温度值T_l的值，本申请还给出了出现 T_to＜T_l的情况时所述第二温度场的计算方法。图4是本申请提供的一种重力火驱生产井混合 液温度的计算、控制方法另一种实施例的流程示意图，如图4所示，所述的一种重力火驱生 产井混合液的温度计算、控制方法还可以包括：

S501：比较所述生产井中脚尖处油管的外部温度T_to是否小于计算得出的脚尖处混合液温 度T_l，在出现所述出现T_to＜T_l的情况时采用下述公式(32)计算所述第二温度场分布：

整理后得到：

本申请提供的一种火驱生产井内油水混合液的计算、控制方法，计算热损失上限值和 出脚跟处指定位置的热阻及温度，采用分段迭代算法计算出从脚跟到脚尖油管的第一温度 场分布，然后根据所述第一温度场分布以及由此计算得到的脚尖混合液初始温度反向计算 得出所述混合液的第二温度场分布。本申请中以井筒单元径向热流量热损失作为迭代变量， 选取略小于井筒单元径向热流量热损失上限值的数值作为迭代初始值，使得迭代过程收敛 并且经过多次迭代使得计算结果更加接近真实数据。

在获取整个所述水平生产井内油水混合液的第二温度场分布后，可以根据需求获取不 同段的混合液的温度，可以使作业人员准确掌握生产井内混合液的温度情况。不仅如此， 利用本申请的另一个重要的工业应用为可以利用所述第二温度场分布获取脚跟处混合液 的温度。在生产作业中可以通过垂直生产井在所述脚跟处将混合液抽取到地面，此时在所 述脚跟处泵入口的混合液通常可以称为产出液。为保障将所述产出液顺利的抽取到地面， 需要保证所述脚跟泵入口处的产出液具有一定的流动性，达到一定的温度阀值，该温度阀 值通常大于100℃。因此可以利用本申请方法控制所述脚跟泵入口处产出液的温度。具体 的，图5是本申请提供的一种重力火驱生产井混合液温度的计算方法另一种实施例的流程 示意图，如图5所示，本申请所述一种重力火驱生产井混合液的温度计算、控制方法还可 以包括：

S7：利用所述第二温度场分布计算所述脚跟泵入口处产出液的温度；如果所述脚跟泵 入口出产出液的温度小于预定温度阀值，则相应的调节井口注入参数(例如注汽速率或注 汽压力)以保障所述泵入口产出液的温度不小于所述预定温度阀值。

利用本申请所述的生产井混合液的温度计算方法，还可以实时控制泵入口产出液的温度， 使产出液具有良好的流动性，使垂直生产井内原油的举升难度降低。并且本申请的监测和控 制方法获取常规测井参数并通过相应的计算即可获取产出液温度，使用简单，维护成本低， 省时省力。

基于本申请所述的一种重力火驱生产井混合液的温度计算、控制方法，本申请还提供一 种生产井混合液的温度计算装置，图6是本申请所述一种生产井混合液的温度计算装置的模 块结构示意图，如图6所示，所述装置可以包括：

参数获取单元101，可以用于获取计算混合液温度所需的预置的特定参数；

热损失上限计算模块102，可以用于根据获取的参数计算生产井井筒热损失的上限值；

初始值设置模块103，可以用于根据所述井筒热损失的上限值设置脚跟处井筒分段单元 径向热损失初始值；

第一温度场分布计算模块104，可以用于根据所述设置的热损失初始值迭代计算得出所 述生产井井筒从脚跟到脚尖的第一温度场分布；

脚尖初始温度计算模块105，可以用于根据所述第一温度场分布计算脚尖油管出口处热 水温度T₂，并利用下述公式计算所述脚尖处油水混合液的初始温度T：

L_vΔm_汽+C_水Δm_水T₂+C_油Δm_油T₁＝CΔmT

上述公式中：L_v为汽化潜热，J/kg；C＝C_汽f_w+C_油(1-f_w)，C_汽为蒸汽比热容，J/(kg·℃)； C_油为原油比热容，J/(kg·℃)；Δm_油为蒸汽与原油混合瞬间原油质量，kg；Δm_汽为蒸汽与原 油混合瞬间蒸汽质量，kg；m为水、蒸汽与原油后混合液质量；T₁为重力火驱卸油后流到脚 尖处原有的初始温度，℃；T₂为油管脚尖出口处热水温度，℃；f_w为产出液含水率；

第二温度场分布计算模块106，可以用于根据所述第一温度场分布和所述脚尖处油水混 合液的初始温度利用下述公式从所述井筒脚尖开始计算所述脚尖至脚跟的第二温度场分布：

上述公式中，T_ti为油管内壁温度，T_to为油管内壁温度，Q_液为油水混合液热损失，ρ为 油水混合液密度，ρ＝ρ_水f_w+ρ_油(1-f_w)，r_ci为套管内壁半径，r_co为套管外壁半径，R₁为 蒸汽与管内壁之间的热对流热阻，R₂为油管内外壁之间的热传导热阻，R₃为环空热对流热 阻，K_cas为常数，T′_l为前一段混合液温度，在初始时，所述T′_l为所述计算得出的脚尖处油水混合 液的初始温度。

上述所述第一温度场分布计算模块104，可以包括：

初始化模块，可以用于设置计算所述第一温度场分布的预置参数值；

指定温度计算模块，可以用于计算当前所述分段下述指定位置的各处温度：

环空热阻重计算模块，可以用于重新计算环空热对流热阻；

可以利用下述公式重新计算环空热对流热阻R₃：

$R_3=\frac{\ln \frac{{\gamma }_{\mathrm{ci}}}{{\gamma }_{\mathrm{to}}}}{{2\mathrm{\pi h}}_c{\gamma }_{\mathrm{to}}}$

热损失校正模块，可以用于基于预定规则校正当前分段井筒热损失；

重计算模块，可以用于利用所述井筒校正后的井筒热损失重新计算指定温度计算模块和 环空热阻重计算模块所述的指定位置各处的温度及相应的热阻值；

迭代模块：可以用于循环迭代计算所述生产井从脚跟至脚尖处的第一温度场分布数据。

图7是本申请所述一种生产井混合液的温度计算装置另一种实施例的模块结构示意图， 如图7所示，本申请所述的生产井混合液的温度计算装置还可以包括：

产出液温度计算模块107，可以用于利用所述第二温度场分布计算所述脚跟泵入口处产 出液的温度。

进一步的，图8是本申请所述一种生产井混合液的温度计算装置另一种实施例的模块结 构示意图，如图8所示，本申请所述的生产井混合液的温度计算装置还可以包括：

产出液温度调控模块108，可以用于基于所述计算得到的脚跟泵入口处产出液的温度调 节相应的井口注入参数，控制所述产出液的温度。

上述各个所述装置中各个模块中所涉及到的具体的计算过程可以参照本申请所述相应 的方法，在此不做赘述。

利用本申请所述的生产井混合液的温度计算装置可以有效、方便、准确的获取生产井内 混合液的温度分布情况，并可以根据生产井内的混合液的温度调控注入参数，对重力火驱石 油开采领域带来了很大的方便。

本申请所述涉及的方法部分可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中 描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、 程序、对象、组件、数据结构、类等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分 布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境 中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

上述实施例阐明的装置或模块涉及到的方法部分，具体可以由计算机芯片或实体实现， 或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块 分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现， 也可以将实现同一功能的模块由多个子模块或子单元的组合实现。

本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以 通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控 制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件， 而对其内部包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以 将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

本说明书中的各个实施例采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相 参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本申请可用于众多通用或 专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、多处理器系统、可编 程的电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算 环境等等。

虽然通过实施例描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而 不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。