Понимание механизма теплообмена в процессе паропроницаемого гравитационного дренажа (SAGD) и сравнение теплопроводного и конвективного потоков в битумных залежах

Резюме: Паропроницаемый гравитационный дренаж (SAGD) — успешная технология термического извлечения, применяемая в залежах Атабаски и Пис-Ривер в центральной и северной части Альберты, Канада. В SAGD пар закачивается в горизонтальную нагнетательную скважину и распространяется наружу, теряя свою скрытую теплоту при контакте с холодным битумом на границе камеры истощения. В результате вязкость битума уменьшается на несколько порядков, его подвижность возрастает на несколько порядков, и он течёт под действием гравитации к горизонтальной добывающей скважине, расположенной на несколько метров ниже и параллельно нагнетательной. Механизмы теплообмена имеют ключевое значение для процесса SAGD. Хотя тепловая энергия передаётся от пара к пласта как теплопроводностью, так и конвекцией, в классических математических моделях SAGD, таких как модель Батлера, конвективный перенос тепла не учитывается. Исследователи, включая Butler и Stephens (1981), Reis (1992), Akin (2005), Liang (2005), Nukhaev et al. (2006) и Azad и Chalaturnyk (2010), рассматривали теплопроводность от пара к холодному пласта как единственный компонент теплообмена. Однако, поскольку теплоёмкость воды обычно в 2–5 раз выше, чем у битума, конвекция, вызванная движением конденсата в пласте, может поставить под сомнение эти выводы. Farouq-Ali (1997) первым критиковал предположение о том, что в SAGD действует только теплопроводность, отмечая, что при значительных объёмах конденсата ожидаемо доминирование конвекции, что возможно при высоких температурах. В ответ Edmunds (1999a) заявил, что на основании изменения энтальпии теплопередача в холодный пласт за счёт конвекции, вероятно, составляет менее 5% от теплопередачи за счёт теплопроводности. Ito (1999), ссылаясь на Ito и Suzuki (1996, 1999) и Ito et al. (1998), оспорил оценку Edmunds, предложив, что соотношение конвекции к теплопроводности должно быть порядка 50%. В данном исследовании были рассмотрены относительные роли конвективного и проводникового теплообмена на границе паровых камер SAGD. Разработанная математическая модель учитывала как теплопроводность, так и конвекцию, а результаты модели в целом согласуются с опубликованными полевыми данными. Исследование подтверждает вывод, что хотя конвекция может доминировать вблизи кромки камеры в пластах с высокой влажностью, в битумонасыщенных пластах её вклад в теплообмен менее 1% и может быть проигнорирован.