一种热水循环加热降粘工艺的井筒温度场获取方法及装置

摘要

本发明涉及一种热水循环加热降粘工艺的井筒温度场获取方法及装置，其中，方法包括：确定数据参数；利用所述数据参数获取地层热阻、水泥环热阻、套管壁热阻、液体与套管内壁之间的热对流液体热阻、空气与套管内壁之间的热对流热阻、油管内外壁之间的热传导热阻、原油与油管内壁之间的热对流热阻、空心杆内外壁之间的热对流热阻、热流体与空心杆内壁之间的热对流热阻、内管内外壁之间的热对流热阻和热流体与内管之间的热对流热阻；利用热阻信息确定单位长度的井筒单元径向热损失；利用单位长度的井筒单元径向热损失确定正注和/或反注情况下内管热水温度场、空心杆热水温度场以及油管内原油温度场。

说明书

技术领域

本发明涉及稠油举升技术领域，特别涉及一种热水循环加热降粘工艺的井筒温度场获 取方法及装置。

背景技术

电加热技术是在空心抽油杆内下入加热电缆，使空心抽油杆和加热电缆组成集肤效应 加热体，利用集肤效应加热原理使原油在井筒内降粘的采油工艺技术。电加热技术以其地 面管理简单、维护方便及热效率高等特点，在采油厂各稠油区块生产中发挥着显著作用， 是稠油区块井筒降粘的主要工艺之一。

随着稠油区块的持续开发,大规模应用电加热井筒降粘技术导致的高能耗问题日益突 出，给采油单位生产运行和成本控制带来较大压力。双空心杆技术是近年发展起来的一项 新型降粘技术，如图1所示，该技术的工作原理分为两种不同的情况：(1)正注：井口 热水通过地面进热水保温软管进入双空心管内外管空间流到井下，到井下再经过双空心管 内管返回到地面，再通过出水保温软管进入出油管线，和油井产出液一起进到计量站。(2) 反注：井口热水通过地面进热水保温软管进入双空心管内管中间流到井下，到井下再经过 双空心管内外管空间返回到地面，再通过出水保温软管进入出油管线，和油井产出液一起 进到计量站。

双层空心抽油杆热水循环加热降粘工艺的核心管柱结构由内、外两层管组成，外管为 42mm空心杆，内管为24或19mm的连续油管，如图1所示。空心杆通过抽油杆下接一 段普通实心抽油杆，实心抽油杆再接活塞，为抽油泵提供动力。空心杆下完后注满水，试 压合格后在空心杆中间下入小直径连续油管，油管下完后井口之上留出2～3m接掺水管 线，空心光杆上端接掺水三通，油管与空心管内壁形成环形空间。以反注为例，油管与环 形空间之间形成掺水回路，掺水从油管进入，从环形空间流出，油管可以为保温管(2.5mm 保温层)，热水通过油管进入井下的过程中热量损失很少。空心杆为导热体，热水在流经 环形空间返回地面的过程中将热量通过空心杆传给油层产液，产液受热后粘度降低，从而 有利于原油的采出与集输。热水由地面加热炉提供热源，根据油井生产情况和掺水进出口 温度可随时调整加热温度及掺液流速。

双层空心抽油杆热水循环加热降粘工艺技术的关键之一是确定井口的热水掺入排量 和温度。这两参数指标主要受原油粘度随温度变化的影响。因此，要确定合理的井口掺入 排量和温度，就必须研究原油的在井筒中温度场、压力场的分布。通过查询大量文献、资 料，目前尚无类似的计算方法，因此无法准确预测出双层空心抽油杆热水循环加热降粘工 艺的关键参数。

发明内容

为解决现有技术的问题，本发明提出一种热水循环加热降粘工艺的井筒温度场获取方 法及装置，能够准确预测出双层空心抽油杆热水循环加热降粘工艺的关键参数。

为实现上述目的，本发明提供了一种热水循环加热降粘工艺的井筒温度场获取方法， 包括：

确定数据参数；

利用所述数据参数获取地层热阻R₁、水泥环热阻R₂、套管壁热阻R₃、液体与套管内 壁之间的热对流液体热阻R₄、空气与套管内壁之间的热对流热阻R₅、油管内外壁之间的 热传导热阻R₆、原油与油管内壁之间的热对流热阻R₇、空心杆内外壁之间的热对流热阻 R₈、热流体与空心杆内壁之间的热对流热阻R₉、内管内外壁之间的热对流热阻R₁₀和热流 体与内管之间的热对流热阻R₁₁；

利用热阻信息确定单位长度的井筒单元径向热损失Q；

从井口开始，在反注情况下，利用所述井筒单元径向热损失Q计算内管井筒单元下端 的温度值，利用内管井筒单元下端的温度值确定整个内管的温度场；利用热流体与空心杆 内壁之间的热对流热阻R₉、内管内外壁之间的热对流热阻R₁₀、热流体与内管之间的热对 流热阻R₁₁和井筒单元径向热损失Q获得内管外壁的温度、空心杆内壁的温度；利用所述 内管外壁的温度确定内管外壁的温度场，利用所述空心杆内壁的温度确定空心杆内壁的温 度场；利用内管外壁的温度、空心杆内壁的温度获得内管与空心杆环空的温度；利用内管 与空心杆环空的温度确定内管与空心杆环空的温度场；利用井筒单元径向热损失Q、油管 内外壁之间的热传导热阻R₆、原油与油管内壁之间的热对流热阻R₇、空心杆内外壁之间 的热对流热阻R₈、热流体与空心杆内壁之间的热对流热阻R₉、内管内外壁之间的热对流 热阻R₁₀和热流体与内管之间的热对流热阻R₁₁确定油管内壁温度、油管外壁温度；利用 油管内壁温度值确定油管内壁温度场，利用油管外壁温度值确定油管外壁温度场；利用油 管内壁温度、油管外壁温度确定外油管井底入口处初始的原油温度；利用外油管入口处初 始的原油温度以及原油比热容和原油的质量流速确定外油管内原油的温度场分布。

优选地，所述数据参数包括：井口注入热水的排量和温度；水泥导热系数；井眼半径； 内管内外径；空心杆内外径；深度；油管内外径；油管导热系数；套管导热系数；套管内 径；套管外径；井筒液体含水率；原油导热系数；水的导热系数；原油相对密度；地层导 热系数；地表温度；地温梯度。

优选地，所述井筒单元径向热损失Q的表达式为：

$Q=\frac{T_s-T_e}{R}dl$

其中，T_s为内管热水温度，T_e表示底层温度，R为井筒单元径向总热阻，井筒单元径 向总热阻分两种情况，第一种在正注情况下，R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉；另一种 在反注情况下，R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉+R₁₀+R₁₁。

优选地，所述内管的温度的表达式为：

CmT_s-Q/1000＝CmT_s'

其中，T_s'表示内管热水变化后的温度；C表示水的比热容；m表示热水的质量流量； T_s为内管热水温度；

所述内管外壁的温度的表达式为：

T_{n_to}＝T_s-(R₁₀+R₁₁)Q/dl

其中，T_{n_to}表示内管外壁的温度，T_s为内管热水温度；R₁₀表示内管内外壁之间的热 对流热阻，R₁₁表示热流体与内管之间的热对流热阻；

所述空心杆内壁的温度的表达式为：

T_i＝T_s-(R₉+R₁₀+R₁₁)Q/dl

其中，T_s为内管热水温度，R₉为热流体与空心杆内壁之间的热对流热阻，R₁₀为内管 内外壁之间的热对流热阻，R₁₁为热流体与内管之间的热对流热阻；T_i表示空心杆内壁的 温度；

所述内管与空心杆环空的温度的表达式为：

$T_H=\frac{T_{n\_to}+T_i}{2}$

其中，T_H表示内管与空心杆环空的温度；

所述油管内壁温度的表达式为：

T_ti＝T_s-(R₇+R₈+R₉+R₁₀+R₁₁)Q/dl

其中，T_ti表示油管内壁温度；

所述油管外壁温度场的表达式为：

T_to＝T_s-(R₆+R₇+R₈+R₉+R₁₀+R₁₁)Q/dl

所述油管入口处初始的原油温度的表达式为：

$T_u=\frac{T_{ti}+T_{to}}{2}$

其中，T_u表示油管入口处初始的原油温度；

所述井筒原油温度场的表达式为：

${T_u}^{\prime }=\frac{C_2{m}_2{T}_u-Q}{C_2{m}_2}$

其中，T_u′表示井筒原油温度场；C₂表示原油的比热容，C₂＝4.2×f_w+2.2×(1-f_w)； m₂表示原油的质量流速，q表示产液量；γ_o表示原油密度。

对应地，为实现上述发明目的，本发明还提出一种热水循环加热降粘工艺的井筒温度 场获取装置，包括：

第一参数确定单元，用于确定数据参数；

第二参数确定单元，用于利用所述第一参数确定单元确定的数据参数获取地层热阻 R₁、水泥环热阻R₂、套管壁热阻R₃、液体与套管内壁之间的热对流液体热阻R₄、空气与 套管内壁之间的热对流热阻R₅、油管内外壁之间的热传导热阻R₆、原油与油管内壁之间 的热对流热阻R₇、空心杆内外壁之间的热对流热阻R₈、热流体与空心杆内壁之间的热对 流热阻R₉、内管内外壁之间的热对流热阻R₁₀和热流体与内管之间的热对流热阻R₁₁；

井筒单元径向热损失确定单元，用于利用热阻信息确定单位长度的井筒单元径向热损 失Q；

反注单元，用于从井口开始，在反注情况下，利用所述井筒单元径向热损失Q计算内 管井筒单元下端的温度值，利用内管井筒单元下端的温度值确定整个内管的温度场；利用 热流体与空心杆内壁之间的热对流热阻R₉、内管内外壁之间的热对流热阻R₁₀、热流体与 内管之间的热对流热阻R₁₁和井筒单元径向热损失Q获得内管外壁的温度、空心杆内壁的 温度；利用所述内管外壁的温度确定内管外壁的温度场，利用所述空心杆内壁的温度确定 空心杆内壁的温度场；利用内管外壁的温度、空心杆内壁的温度获得内管与空心杆环空的 温度；利用内管与空心杆环空的温度确定内管与空心杆环空的温度场；利用井筒单元径向 热损失Q、油管内外壁之间的热传导热阻R₆、原油与油管内壁之间的热对流热阻R₇、空 心杆内外壁之间的热对流热阻R₈、热流体与空心杆内壁之间的热对流热阻R₉、内管内外 壁之间的热对流热阻R₁₀和热流体与内管之间的热对流热阻R₁₁确定油管内壁温度、油管 外壁温度；利用油管内壁温度值确定油管内壁温度场，利用油管外壁温度值确定油管外壁 温度场；利用油管内壁温度、油管外壁温度确定外油管井底入口处初始的原油温度；利用 外油管入口处初始的原油温度以及原油比热容和原油的质量流速确定外油管内原油的温 度场分布。

为实现上述发明目的，本发明还提出一种热水循环加热降粘工艺的井筒温度场获取方 法，包括：

确定数据参数；

利用所述数据参数获取地层热阻R₁、水泥环热阻R₂、套管壁热阻R₃、液体与套管内 壁之间的热对流液体热阻R₄、空气与套管内壁之间的热对流热阻R₅、油管内外壁之间的 热传导热阻R₆、原油与油管内壁之间的热对流热阻R₇、空心杆内外壁之间的热对流热阻 R₈、热流体与空心杆内壁之间的热对流热阻R₉、内管内外壁之间的热对流热阻R₁₀和热流 体与内管之间的热对流热阻R₁₁；

利用热阻信息确定单位长度的井筒单元径向热损失Q；

从井口开始，在正注情况下，利用所述井筒单元径向热损失Q计算内管与空心杆环空 井筒单元下端的温度值，利用内管与空心杆环空井筒单元下端的温度值确定整个内管与空 心杆环空的温度场；从整个内管与空心杆环空的温度场中获得内管的井底温度；利用内管 的井底温度确定内管单元径向热损失；利用内管单元径向热损失和内管的井底温度确定内 管的温度；利用内管的温度确定内管的温度场；利用井筒单元径向热损失Q、油管内外壁 之间的热传导热阻R₆、原油与油管内壁之间的热对流热阻R₇、空心杆内外壁之间的热对 流热阻R₈、热流体与空心杆内壁之间的热对流热阻R₉确定油管内壁温度、油管外壁温度； 利用油管内壁温度确定油管内壁温度场，利用油管外壁温度确定油管外壁温度场；利用油 管内壁温度、油管外壁温度确定外油管井底入口处初始的原油温度，利用外油管入口处初 始的原油温度确定井筒原油温度场分布。

优选地，所述数据参数包括：井口注入热水的排量和温度；水泥导热系数；井眼半径； 内管内外径；空心杆内外径；深度；油管内外径；油管导热系数；套管导热系数；套管内 径；套管外径；井筒液体含水率；原油导热系数；水的导热系数；原油相对密度；地层导 热系数；地表温度；地温梯度。

优选地，所述井筒单元径向热损失Q的表达式为：

$Q=\frac{T_s-T_e}{R}dl$

其中，T_s为内管热水温度，T_e表示底层温度，R为井筒单元径向总热阻，井筒单元径 向总热阻分两种情况，第一种在正注情况下，R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉；另一种 在反注情况下，R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉+R₁₀+R₁₁。

优选地，在正注情况下，所述内管与空心杆环空的温度表达式为：

CmT_{s_h}-(Q+Q')/1000＝CmT'_{s_h}

其中，T′_{s_h}表示内管与空心杆环空热水变化后的温度；C表示水的比热容；m表示 热水的质量流量；T_{s_h}为内管与空心杆环空热水温度；Q'表示表示内管热水吸热量， T_e表示底层温度，R为井筒单元径向总热阻， R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉；

所述内管的温度的表达式为：

CmT_s-Q/1000＝CmT_s'

其中，T_s'表示内管热水变化后的温度；C表示水的比热容；m表示热水的质量流量； T_s为内管热水温度；T_e表示底层温度，R为井筒单元径向总热阻， R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉+R₁₀+R₁₁；

所述油管内壁温度的表达式为：

T_ti＝T_s-(R₇+R₈+R₉)Q/dl

其中，T_s为内管热水温度；T_ti表示油管内壁温度场；T_e表示底层温度， R为井筒单元径向总热阻，R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉；

所述油管外壁温度的表达式为：

T_to＝T_s-(R₆+R₇+R₈+R₉)Q/dl

其中，T_to表示油管外壁温度；T_s为内管热水温度；T_e表示底层温度， R为井筒单元径向总热阻，R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉；

所述外油管入口处初始的原油温度的表达式为：

$T_u=\frac{T_{ti}+T_{to}}{2}$

所述井筒原油温度场的表达式为：

${T_u}^{\prime }=\frac{C_2{m}_2{T}_u-Q}{C_2{m}_2}$

其中，T_u′表示井筒原油温度场；T_e表示底层温度，R为井筒单元径向总 热阻，R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉；C₂表示原油的比热容， C₂＝4.2×f_w+2.2×(1-f_w)；m₂表示原油的质量流速，q表示产液量；γ_o表 示原油密度。

对应地，本发明还提出一种热水循环加热降粘工艺的井筒温度场获取装置，包括：

第一参数确定单元，用于确定数据参数；

第二参数确定单元，用于利用所述第一参数确定单元确定的数据参数获取地层热阻 R₁、水泥环热阻R₂、套管壁热阻R₃、液体与套管内壁之间的热对流液体热阻R₄、空气与 套管内壁之间的热对流热阻R₅、油管内外壁之间的热传导热阻R₆、原油与油管内壁之间 的热对流热阻R₇、空心杆内外壁之间的热对流热阻R₈、热流体与空心杆内壁之间的热对 流热阻R₉、内管内外壁之间的热对流热阻R₁₀和热流体与内管之间的热对流热阻R₁₁；

井筒单元径向热损失确定单元，用于利用热阻信息确定单位长度的井筒单元径向热损 失Q；

正注单元，用于从井口开始，在正注情况下，利用所述井筒单元径向热损失Q计算内 管与空心杆环空井筒单元下端的温度值，利用内管与空心杆环空井筒单元下端的温度值确 定整个内管与空心杆环空的温度场；从整个内管与空心杆环空的温度场中获得内管的井底 温度；利用内管的井底温度确定内管单元径向热损失；利用内管单元径向热损失和内管的 井底温度确定内管的温度；利用内管的温度确定内管的温度场；利用井筒单元径向热损失 Q、油管内外壁之间的热传导热阻R₆、原油与油管内壁之间的热对流热阻R₇、空心杆内外 壁之间的热对流热阻R₈、热流体与空心杆内壁之间的热对流热阻R₉确定油管内壁温度、 油管外壁温度；利用油管内壁温度确定油管内壁温度场，利用油管外壁温度确定油管外壁 温度场；利用油管内壁温度、油管外壁温度确定外油管井底入口处初始的原油温度，利用 外油管入口处初始的原油温度确定井筒原油温度场。

上述技术方案具有如下有益效果：

本技术方案计算方法具有良好的计算稳定性和较高的计算精度，通过该算法和解释工 具，可以很好的对双层空心抽油杆热水循环加热降粘工艺的井口掺入热水的排量和温度进 行预测，已达到井筒原油降粘的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明 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的前提下，还可以根 据这些附图获得其他的附图。

图1为正注、反注示意图；

图2a为本发明提出的一种热水循环加热降粘工艺的井筒温度场获取方法流程图之一；

图2b为本发明提出的一种热水循环加热降粘工艺的井筒温度场获取方法流程图之二；

图3a为本发明提出的一种热水循环加热降粘工艺的井筒温度场获取装置框图之一；

图3b为本发明提出的一种热水循环加热降粘工艺的井筒温度场获取装置框图之二；

图4为本装置实施例的呈现效果图之一；

图5为本装置实施例的呈现效果图之二；

图6为本装置实施例的呈现效果图之三；

图7为本装置实施例的呈现效果图之四；

图8为本装置实施例的呈现效果图之五；

图9为本装置实施例的呈现效果图之六。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实 施例，都属于本发明保护的范围。

本技术方案的工作原理为：针对双层空心抽油杆热水循环加热降粘工艺的两种不同注 入方式的原油，用热力学、流体力学等基本原理建立描述了双层空心抽油杆热水循环井筒 温度场分布的数学模型，并用数值方法进行求解，以了解和掌握掺热水过程中内管、内管 与空心杆环形空间、井筒的温度分布和变化趋势，以指导生产实践选择合理的井口掺入热 水的排量和温度。

示例性方法

基于上述工作原理，本发明提出一种热水循环加热降粘工艺的井筒温度场获取方法。 如图2a所示。方法包括：

步骤201)：确定数据参数；

在步骤201中，所述数据参数包括：井口注入热水的排量和温度；水泥导热系数；井 眼半径；内管内外径；空心杆内外径；深度；油管内外径；油管导热系数；套管导热系数； 套管内径；套管外径；井筒液体含水率；原油导热系数；水的导热系数；原油相对密度； 地层导热系数；地表温度；地温梯度。

步骤202)：利用所述数据参数获取地层热阻R₁、水泥环热阻R₂、套管壁热阻R₃、液 体与套管内壁之间的热对流液体热阻R₄、空气与套管内壁之间的热对流热阻R₅、油管内 外壁之间的热传导热阻R₆、原油与油管内壁之间的热对流热阻R₇、空心杆内外壁之间的 热对流热阻R₈、热流体与空心杆内壁之间的热对流热阻R₉、内管内外壁之间的热对流热 阻R₁₀和热流体与内管之间的热对流热阻R₁₁；

在步骤202中，利用步骤201获得的数据参数确定R₁～R₁₁，设置基本假设条件为：

(1)井口产出液的压力、温度保持不变；

(2)油管与套管形成的环形空间充满低压空气；

(3)以内管中线为对称轴，空心抽油杆、外油管、套管和地层岩石各向同性；

(4)模型系统中的热物性参数与温度无关，即认为是恒物性的；

(5)原始地层温度呈线性分布。

对于地层热阻R₁来说，

在该式中，K_e为地层导热系数，单位为W/(m·K)；a为 地层平均散热系数，单位为m²/d；t为油井生产时间，r_h表示井筒半径，单位为m。

对于水泥环热阻R₂来说，

在该式中，K_cem为水泥环导热系数，单位为W/(m·K)；r_co为套管外壁半径，单位 为m。

对于套管壁热阻R₃来说，

在该式中，K_cas表示套管导热系数，单位为W/(m·K)；r_ci表示套管内壁半径，单位 为m。

对于液体与套管内壁之间的热对流液体热阻R₄来说，

$R_4=\frac{1}{2\pi ({\lambda }_o*(1-f_w)+{\lambda }_w*f_w)}ln\frac{r_{ci}}{r_{to}}$

其中，f_w表示液体含水率，r_to表示油管外壁半径，λ_o表示原油导热系统； λ_o＝0.1172(1-0.00054T)/γ_o；γ_o为原油相对密度；T表示油管外壁温度和套管内壁温 度相加除以2；λ_w＝3.51153-0.04436(T+273.15)+2.41233×10^-4×(T+273.15)²-6.051×10^-7×(T+273.15)³+7.22766×10^-10(T+273.15)⁴-3.3716×10^-13(T+273.15)⁵；r_to表示油管 外壁半径；r_ci表示套管内壁半径。

对于空气与套管内壁之间的热对流热阻R₅来说，

$R_5=\frac{1}{2\pi (h_c+h_r)r_{ci}}$

其中，h_c表示环空中空气的热辐射传热系数，$G_r=\frac{{(r_{ci}-r_{to})}^3{\mathrm{g\rho }}_{an}^2\beta (T_{to}-T_{ci})}{U_{an}^2},P_r=\frac{C_{an}-U_{an}}{K_{ha}};$G_r为Grashof数；P_r为Prandtl数；K_ha为环空流体的导热系数；g表示重力加速度；ρ_an为环空流体在平均 温度下的密度；U_an为环空流体在平均温度下的粘度；C_an为环空流体在平均温度下的热 容；T_to表示油管外壁温度；T_ci表示套管内壁温度；h_r表示环空中气体的热辐射传热系 数；$h_r={\mathrm{\delta F}}_{tci}(T_o^{*2}+T_{ci}^{*2})+(T_o^{*}+T_{ci}^{*});T_o^{*}=T_o+273.15,T_{ci}^{*}=T_{ci}+273.15;$δ为Stefan-Boltzmann常数，2.189×10^-8W/(m2·K)；F_tci为 油管或绝热管外壁表面向套管内壁表面辐射有效系数；ε_o表示绝热管外壁黑度；ε_ci表示 套管内壁黑度；表示外油管外壁的绝对温度值；；表示套管内壁的绝对温度值。

对于油管内外壁之间的热阻R₆来说，

$R_6=\frac{1}{2{\mathrm{\pi K}}_{tub}}ln\frac{r_{to}}{r_{ti}}$

其中，K_tub表示油管导热系数；r_ti表示油管内壁半径；r_to表示油管外壁半径。

对于原油与油管内壁之间的热对流热阻R₇来说，

$R_7=\frac{1}{2\pi ({\lambda }_o*(1-f_w)+{\lambda }_w*f_w)}ln\frac{r_{ti}}{r_o}$

其中，f_w表示液体含水率，r_o表示空心杆外壁半径，λ_o表示原油导热系统；

对于空心杆内外壁之间的热对流热阻R₈来说，

$R_8=\frac{1}{2{\mathrm{\pi K}}_{Rod}}ln\frac{r_o}{r_i}$

其中，K_Rod表示空心杆导热系数；r_o表示空心杆外壁半径，r_i表示空心杆内壁半径。

对于热流体与空心杆内壁之间的热对流热阻R₉来说，

$R_9=\frac{1}{2{\mathrm{\pi \lambda }}_w}ln\frac{r_i}{r_{n\_to}}$

其中，r_{n_to}表示内油管外壁半径。

对于内管内外壁之间的热对流热阻R₁₀来说，

$R_{10}=\frac{1}{2{\mathrm{\pi K}}_{tub}}ln\frac{r_{n\_to}}{r_{n\_ti}}$

其中，K_tub表示油管导热系数；r_{n_to}表示内油管外壁半径；r_{n_ti}表示内油管内壁 半径。

对于热流体与内管之间的热对流热阻R₁₁来说，

$R_{11}=\frac{1}{2{\mathrm{\pi \lambda }}_w}.$

步骤203)：利用热阻信息确定单位长度的井筒单元径向热损失Q；

将整个井筒在纵向上分成若干个单元，主要热损失实在径向上的热损失，根据能量守 恒定律推导出热损失的计算方程为：

$Q=\frac{T_s-T_e}{R}dl$

式中：T_s为内管热水内壁温度；Q为井筒单元径向热损失；T_e为底层温度， T_e＝T_ins+adl，T_ins为地表温度；a为地温梯度；R为井筒单元径向总热阻。井筒单元径 向总热阻分两种情况，第一种在正注情况下，R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉；另 一种在反注情况下，R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉+R₁₀+R₁₁。

步骤204)：利用单位长度的井筒单元径向热损失Q确定在反注情况下井筒原油温度 场；

从井口开始，在反注情况下，利用所述井筒单元径向热损失Q计算内管井筒单元下端 的温度值，

所述内管井筒单元下端的温度值的表达式为：

CmT_s-Q/1000＝CmT_s'

其中，T_s'表示内管热水变化后的温度；C表示水的比热容；m表示热水的质量流量； T_s为内管热水温度；

循环一个单元长度dl，循环计算的内管井筒长度小于井深的任意长度，比如取10m为一个单 元，将计算得到的内管井筒单元下端的温度值作为下一个单元长度dl的内管内壁温度T_s，利 用所述内管井筒单元下端的温度值的表达式计算下一个单元长度dl的内管热水变化后的 温度T_s'，循环迭代计算，直至内管井筒长度大于等于井深，则迭代结束。每个单元长度对 应的内管热水变化后的温度T_s'构成整个内管的温度场。

利用热流体与空心杆内壁之间的热对流热阻R₉、内管内外壁之间的热对流热阻R₁₀、 热流体与内管之间的热对流热阻R₁₁和井筒单元径向热损失Q获得内管外壁的温度值、空 心杆内壁的温度值；

所述内管外壁的温度的表达式为：

T_{n_to}＝T_s-(R₁₀+R₁₁)Q/dl

其中，T_{n_to}表示内管外壁的温度，T_s为内管热水温度；R₁₀表示内管内外壁之间的热 对流热阻，R₁₁表示热流体与内管之间的热对流热阻；

所述空心杆内壁的温度的表达式为：

T_i＝T_s-(R₉+R₁₀+R₁₁)Q/dl

其中，T_s为内管热水温度，R₉为热流体与空心杆内壁之间的热对流热阻，R₁₀为内管 内外壁之间的热对流热阻，R₁₁为热流体与内管之间的热对流热阻；T_i表示空心杆内壁的 温度；

与内管井筒单元下端的温度场相类似，通过循环迭代法，利用内管外壁的温度值确定 内管外壁的温度场，利用空心杆内部的温度值确定空心杆内部的温度场；

利用内管外壁的温度、空心杆内壁的温度获得内管与空心杆环空的温度；所述内管与 空心杆环空的温度的表达式为：

$T_H=\frac{T_{n\_to}+T_i}{2}$

其中，T_H表示内管与空心杆环空的温度。

利用内管与空心杆环空的温度T_H确定内管与空心杆环空的温度场。

利用井筒单元径向热损失Q、油管内外壁之间的热传导热阻R₆、原油与油管内壁之间 的热对流热阻R₇、空心杆内外壁之间的热对流热阻R₈、热流体与空心杆内壁之间的热对 流热阻R₉、内管内外壁之间的热对流热阻R₁₀和热流体与内管之间的热对流热阻R₁₁确定 油管内壁温度、油管外壁温度；

所述油管内壁温度的表达式为：

T_ti＝T_s-(R₇+R₈+R₉+R₁₀+R₁₁)Q/dl

其中，T_ti表示油管内壁温度；

所述油管外壁温度的表达式为：

T_to＝T_s-(R₆+R₇+R₈+R₉+R₁₀+R₁₁)Q/dl

与内管井筒单元下端的温度场相类似，通过循环迭代法，利用油管内壁温度值确定油 管内壁温度场，利用油管外壁温度值确定油管外壁温度场；

利用油管内壁温度、油管外壁温度确定外油管入口处初始的原油温度；

所述油管入口处初始的原油温度的表达式为：

$T_u=\frac{T_{ti}+T_{to}}{2}$

其中，T_u表示油管入口处初始的原油温度。

利用外油管入口处初始的原油温度确定井筒原油温度场；同时，获得原油比热容和原 油的质量流速；

所述井筒原油温度场的表达式为：

${T_u}^{\prime }=\frac{C_2{m}_2{T}_u-Q}{C_2{m}_2}$

其中，T_u′表示井筒原油温度场；C₂表示原油的比热容，C₂＝4.2×f_w+2.2×(1-f_w)； m₂表示原油的质量流速，q表示产液量；γ_o表示原油密度。

基于上述工作原理，本发明提出另一种热水循环加热降粘工艺的井筒温度场获取方 法。如图2b所示。本方法的步骤201～步骤203同图2a展示的一样，唯一不同的是最后一 步，图2b的最后一步为：

步骤204’)：利用单位长度的井筒单元径向热损失Q确定在正注情况下井筒原油温度 场；

从井口开始，在正注情况下，利用所述井筒单元径向热损失Q计算内管与空心杆环空 井筒单元下端的温度值，利用内管与空心杆环空井筒单元下端的温度值确定整个内管与空 心杆环空的温度场；

所述内管与空心杆环空的温度表达式为：

CmT_{s_h}-(Q+Q')/1000＝CmT'_{s_h}

其中，T′_{s_h}表示内管与空心杆环空热水变化后的温度；C表示水的比热容；m表示 热水的质量流量；T_{s_h}为内管与空心杆环空热水温度；Q'表示内管热水吸热量， T_e表示底层温度，R为井筒单元径向总热阻， R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉。

与内管井筒单元下端的温度场相类似，通过循环迭代法，利用内管与空心杆环空的温 度确定内管与空心杆环空的温度场。

从整个内管与空心杆环空的温度场中获得内管与空心杆相接触点的温度，该接触点位 于内管的底部，即对应的温度为内管的井底温度。也就是说，最终获得内管的井底温度。

利用内管的井底温度确定内管单元径向热损失；所述内管单元径向热损失的表达式 为：

$Q=\frac{T_s-T_e}{R}dl$

其中，T_e表示内管的井底温度，R为井筒单元径向总热阻， R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉+R₁₀+R₁₁。

利用内管单元径向热损失和内管的井底温度确定内管的温度；所述内管的温度的表达 式为：

CmT_s-Q/1000＝CmT_s′

其中，T_s'表示内管热水变化后的温度；C表示水的比热容；m表示热水的质量流量； T_s为内管热水的井底温度。

与内管井筒单元下端的温度场相类似，通过循环迭代法，利用所述内管的温度确定内 管的温度场。

利用井筒单元径向热损失Q、油管内外壁之间的热传导热阻R₆、原油与油管内壁之间 的热对流热阻R₇、空心杆内外壁之间的热对流热阻R₈、热流体与空心杆内壁之间的热对流 热阻R₉确定油管内壁温度、油管外壁温度；

所述油管内壁温度的表达式为：

T_ti＝T_s-(R₇+R₈+R₉)Q/dl

其中，T_s为内管热水温度；T_ti表示油管内壁温度场；T_e表示底层温度， R为井筒单元径向总热阻，R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉；

所述油管外壁温度的表达式为：

T_to＝T_s-(R₆+R₇+R₈+R₉)Q/dl

其中，T_to表示油管外壁温度场；T_s为内管热水温度；T_e表示底层温度， R为井筒单元径向总热阻，R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉；

与内管井筒单元下端的温度场相类似，通过循环迭代法，利用油管内壁温度值确定油 管内壁温度场，利用油管外壁温度值确定油管外壁温度场；

并利用油管内壁温度场、油管外壁温度场确定外油管入口处初始的原油温度；所述外 油管入口处初始的原油温度的表达式为：

$T_u=\frac{T_{ti}+T_{to}}{2}$

利用外油管入口处初始的原油温度确定井筒原油温度场，同时，获得原油比热容和原 油的质量流速。

所述井筒原油温度场的表达式为：

${T_u}^{\prime }=\frac{C_2{m}_2{T}_u-Q}{C_2{m}_2}$

其中，T_u′表示井筒原油温度场；T_e表示底层温度，R为井筒单元径向总 热阻，R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉；C₂表示原油的比热容， C₂＝4.2×f_w+2.2×(1-f_w)；m₂表示原油的质量流速，q表示产液量；γ_o表 示原油密度。

该方法是针对稠油、特稠油以及超稠油的开采，粘度主要受温度影响大的特点，提出 了一种计算空心杆内下乳连续油管，通过掺热水降低原油粘度的方法，在此工艺基础上形 成了一套计算井筒温度场分布的方法，并形成了一套解释工具。通过对掺热水后井筒温度 场的分步计算分析，以了解和掌握掺热水过程中内管、内管与空心杆环形空间、井筒的温 度分布和变化趋势，以指导生产实践选择合理的井口掺入热水的排量和温度；

示例性设备

基于上述工作原理，本发明还提出一种热水循环加热降粘工艺的井筒温度场获取装 置。如图3a所示，包括：

第一参数确定单元301，用于确定数据参数；

第二参数确定单元302，用于利用所述第一参数确定单元确定的数据参数获取地层热 阻R₁、水泥环热阻R₂、套管壁热阻R₃、液体与套管内壁之间的热对流液体热阻R₄、空气 与套管内壁之间的热对流热阻R₅、油管内外壁之间的热传导热阻R₆、原油与油管内壁之 间的热对流热阻R₇、空心杆内外壁之间的热对流热阻R₈、热流体与空心杆内壁之间的热 对流热阻R₉、内管内外壁之间的热对流热阻R₁₀和热流体与内管之间的热对流热阻R₁₁；

井筒单元径向热损失确定单元303，用于利用热阻信息确定单位长度的井筒单元径向 热损失Q；

反注单元304，用于从井口开始，在反注情况下，利用所述井筒单元径向热损失Q计 算内管井筒单元下端的温度值，利用内管井筒单元下端的温度值确定整个内管的温度场； 利用热流体与空心杆内壁之间的热对流热阻R₉、内管内外壁之间的热对流热阻R₁₀、热流 体与内管之间的热对流热阻R₁₁和井筒单元径向热损失Q获得内管外壁的温度、空心杆内 壁的温度；利用所述内管外壁的温度确定内管外壁的温度场，利用所述空心杆内壁的温度 确定空心杆内壁的温度场；利用内管外壁的温度、空心杆内壁的温度获得内管与空心杆环 空的温度；利用内管与空心杆环空的温度确定内管与空心杆环空的温度场；利用井筒单元 径向热损失Q、油管内外壁之间的热传导热阻R6、原油与油管内壁之间的热对流热阻R₇、 空心杆内外壁之间的热对流热阻R₈、热流体与空心杆内壁之间的热对流热阻R₉、内管内 外壁之间的热对流热阻R₁₀和热流体与内管之间的热对流热阻R₁₁确定油管内壁温度、油 管外壁温度；利用油管内壁温度值确定油管内壁温度场，利用油管外壁温度值确定油管外 壁温度场；利用油管内壁温度、油管外壁温度确定外油管入口处初始的原油温度；利用外 油管入口处初始的原油温度确定井筒原油温度场；同时，获得原油比热容和原油的质量流 速.

对应地，基于上述工作原理，本发明还提出另一种热水循环加热降粘工艺的井筒温度 场获取装置。如图3b所示，本装置的第一参数确定单元301、第二参数确定单元302、井 筒单元径向热损失确定单元303同图3a的功能一样，唯一不同的是最后一个单元，图3b 的最后一个单元为：

正注单元304’，用于从井口开始，在正注情况下，利用所述井筒单元径向热损失Q计 算内管与空心杆环空井筒单元下端的温度值，利用内管与空心杆环空井筒单元下端的温度 值确定整个内管与空心杆环空的温度场；从整个内管与空心杆环空的温度场中获得内管的 井底温度；利用内管的井底温度确定内管单元径向热损失；利用内管单元径向热损失和内 管的井底温度确定内管的温度；利用内管的温度确定内管的温度场；利用井筒单元径向热 损失Q、油管内外壁之间的热传导热阻R₆、原油与油管内壁之间的热对流热阻R₇、空心杆 内外壁之间的热对流热阻R₈、热流体与空心杆内壁之间的热对流热阻R₉确定油管内壁温 度、油管外壁温度；利用油管内壁温度确定油管内壁温度场，利用油管外壁温度确定油管 外壁温度场；利用油管内壁温度、油管外壁温度确定外油管入口处初始的原油温度，利用 外油管入口处初始的原油温度确定井筒原油温度场。

基于上述虚拟装置，下面结合一实施例介绍该装置的工作过程。

为实现上述虚拟装置的功能，整个工作系统包括数据采集模块和终端计算机系统。其 中，

1、数据采集模块

现场有一个数据采集的装置，通过该装置将井口注入热水的排量和温度；水泥导热系 数；井眼半径；内管内外径；空心杆内外径；深度；油管内外径；油管导热系数；套管导 热系数；套管内径；套管外径；井筒液体含水率；原油导热系数；水的导热系数；原油相 对密度；地层导热系数；地表温度；地温梯度等基础数据采集得到，然后通过光纤传输系 统，传输到终端计算机系统中。

2、终端计算机系统

终端计算机系统通过数据接收装置将数据录入计算机系统，计算机系统装有“计算软 件”，将接收到的基础数据自动导入到计算软件中，然后进行自动计算。如图4～图9所示。

双层空心抽油杆热水循环加热降粘工艺技术的关键之一是确定井口的热水掺入排量 和温度。这两参数指标主要受原油粘度随温度变化的影响。因此，要确定合理的井口掺入 排量和温度，就必须研究原油的在井筒中温度场、压力场的分布。通过查询大量文献、资 料，目前尚无类似的计算方法，因此无法准确预测出双层空心抽油杆热水循环加热降粘工 艺的关键参数，本专利意在填补上述空白，提供一种可供计算机程序实现的精确算法。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细 说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的 保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包 含在本发明的保护范围之内。