地面蒸汽管道熱力計(jì)算模型及影響因素分析

葛彥昭，岳永勝，李 煜，荊 琪，李冬元

（1.華北油田公司華隆綜合服務(wù)處，河北霸州 065700；2.東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318）

地面蒸汽管道熱力計(jì)算模型及影響因素分析

葛彥昭1，岳永勝1，李 煜1，荊 琪1，李冬元2

（1.華北油田公司華隆綜合服務(wù)處，河北霸州 065700；2.東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318）

稠油注蒸汽開采過程中地面蒸汽管道的能量損失直接影響著注汽熱采效果，合理的地面蒸汽管道能量計(jì)算模型十分重要。目前已有一些關(guān)于地面蒸汽管道能量損失的計(jì)算模型，但是應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程計(jì)算還存在不足之處。為了能更好地與現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際相結(jié)合，基于地面蒸汽管道傳熱特點(diǎn)，建立了管道的熱損失、壓降、干度工程計(jì)算模型，編制了計(jì)算程序，并分析了影響管內(nèi)蒸汽干度的因素。研究結(jié)果表明，編程計(jì)算數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)吻合較好。

地面管道；干度；稠油熱采；模型

0 引言

隨著石油開采技術(shù)的不斷提高，稠油油藏越來越引起石油工作者的重視。稠油是一種高黏度、高密度的原油，由于稠油在石油資源中所占比例較大，因此如何開采稠油使之成為可動(dòng)用儲(chǔ)量，是石油界一直探究的問題。稠油的開采方式有很多，主要分三種[1]：稠油冷采技術(shù)；稠油熱采技術(shù)；冷熱結(jié)合的復(fù)合式采油技術(shù)。當(dāng)前主要以熱采為主，即向地層中注入高溫高壓蒸汽，但注汽過程中蒸汽管道的能量損失直接影響熱采效果。當(dāng)今已有一些關(guān)于蒸汽管道能量損失方面的理論研究成果，但受到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制，能量損失計(jì)算不太準(zhǔn)確，有些結(jié)果與實(shí)際相差很大。目前國內(nèi)外關(guān)于蒸汽管道的研究較多，在計(jì)算壓降方面主要是采用Beggs-Brill[2]、Orkiszewski[3]等方法，即在計(jì)算氣液兩相流壓力損失時(shí)從微元體機(jī)械守恒的角度出發(fā)推導(dǎo)壓降方程，但忽略了自身的能量變化；王彌康[4]對(duì)熱傳遞的定量計(jì)算進(jìn)行了研究。但學(xué)者們主要側(cè)重于理論模型，為了能更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際建立比較簡(jiǎn)單實(shí)用的模型，對(duì)合理選擇注蒸汽熱力工藝參數(shù)，提高熱采井使用壽命和稠油開采經(jīng)濟(jì)效益有著非常重要的意義。

本文以某油井為研究對(duì)象，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)與編程計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并分析不同的因素對(duì)干度的影響。

1 地面蒸汽管道數(shù)學(xué)模型的建立

蒸汽通過地面管道流動(dòng)時(shí)，由于克服流動(dòng)摩擦阻力導(dǎo)致壓力下降，同時(shí)由于熱能向管道周圍環(huán)境散失造成干度損失。若計(jì)算地面管道的熱損失，必須先計(jì)算蒸汽干度，而計(jì)算蒸汽干度又必須先計(jì)算熱損失和壓力降。

為了建立蒸汽在地面管道內(nèi)流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，做如下假設(shè)：

（1）鍋爐出口蒸汽參數(shù) （注汽速率、壓力、溫度及干度）保持不變。（2）地面管道水平布置且管道的橫截面積不變。（3）蒸汽在地面管道內(nèi)的流動(dòng)為一維穩(wěn)定流動(dòng)。

1.1 管道熱損失的傳熱過程及計(jì)算

供熱介質(zhì)的熱量通過管道內(nèi)表面向管道外表面?zhèn)鬟f，然后從保溫結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面?zhèn)鞯酵獗砻妫購谋亟Y(jié)構(gòu)外表面向保溫結(jié)構(gòu)周圍的空氣傳遞[5]。計(jì)算公式如下：

式中Φ——傳熱量/W；

k1——保溫管道的傳熱系數(shù)（以保溫管道外表面為基準(zhǔn)）/（W/（m2·℃））；

d0——管道外徑/m；

l0——單位管道長度/m；

tp——管道內(nèi)介質(zhì)平均溫度/℃；ta——管道外空氣溫度/℃。

其中：

式中λ1——管道導(dǎo)熱系數(shù)/（W/（m·℃））；

λ2——保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)/（W/（m·℃））；

di——管道內(nèi)徑/m；

α——管道外表面復(fù)合換熱系數(shù)/（W/(m2·℃)）；

δ——保溫結(jié)構(gòu)厚度/m。

式中α1——管道外表面對(duì)流換熱系數(shù)/（W/（m2·℃））；

α2——管道外表面輻射換熱系數(shù)/（W/（m2·℃））；

Vair——空氣流速/（m/s）；

ε——管道外表面輻射黑度；

tw——水平管道外表面溫度/℃。

1.2 壓降損失計(jì)算

水平管路中壓降主要由沿程壓降ΔPf、局部壓降ΔPj、黏性壓降ΔPv、加速壓降 ΔPa、重力壓降ΔPg幾部分組成，所以總的壓降可以表示為:

沿程壓降是由壁面剪切應(yīng)力以及相間剪切應(yīng)力引起的，由于氣體分散在液體中，因此對(duì)于壓降計(jì)算均采用均相模型，即：

式中λ——導(dǎo)熱系數(shù)/（W/（m·℃））；

v——蒸汽流速/（m/s）；

ρm——流體在均相流下的密度/（t/m3）[6]。

ρm= ρ″β + ρ′（1- β）

其中 β為體積含汽率；ρ′為管道內(nèi)介質(zhì)平均條件下飽和水的密度；ρ″為管道內(nèi)介質(zhì)平均條件下飽和蒸汽的密度。

由于此處為過熱蒸汽管道，因此黏性壓降可以忽略不計(jì)，并且管道為水平放置，因此重力壓降影響非常小，也忽略不計(jì)。

加速壓降是由于氣體膨脹引起的，盡管假設(shè)在單元模型里為不可壓縮流動(dòng)，然而這種假設(shè)和實(shí)際情況有很大的差異。氣體沿管道流動(dòng)時(shí)，隨著壓力的逐漸減小，氣體不斷膨脹，從而使氣相速度逐漸增加，這種加速伴隨著壓力梯度逐漸變化，因此這個(gè)壓降在模型里也經(jīng)常被忽略。

1.3 管道內(nèi)水蒸氣的干度計(jì)算

由于地面管道的熱損失導(dǎo)致飽和蒸汽能量（包括位能和內(nèi)能）的降低，從而導(dǎo)致蒸汽干度的變化；同時(shí)由于管道壓力的變化，導(dǎo)致飽和蒸汽動(dòng)能的改變。根據(jù)能量平衡原理可建立如下能量控制方程：

把整個(gè)系統(tǒng)看作與外界達(dá)到良好的絕緣，根據(jù)能量守恒可得[8]：

式中V1——管道入口蒸汽流速/（m/s）；

V2——管道出口蒸汽流速/（m/s）；Hin——管道入口焓值/（kJ/kg）；Hout——管道出口焓值/（kJ/kg）。

通過查閱文獻(xiàn)[9]可得到管段焓值hi（kJ/kg）的計(jì)算公式：

式中h′i——管段入口條件下飽和水的焓值/（kJ/kg）；

h″i——管段入口條件下飽和蒸汽的焓值/（kJ/kg）；

xi——管段入口條件下濕蒸汽的干度。

管段出口條件下的蒸汽干度xout：

式中hout——蒸汽對(duì)環(huán)境散熱后的焓值/（kJ/kg）；h′out——管段出口條件下飽和水的焓值/（kJ/kg）；

h″out——管段出口條件下飽和蒸汽的焓值/（kJ/kg）。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

某地面蒸汽管道的注汽參數(shù)和管道參數(shù)如下：注汽為一爐一井方式，鍋爐出口溫度313℃，鍋爐出口壓力10.2 MPa，鍋爐出口排量15 t/h，鍋爐出口干度72%，設(shè)計(jì)注汽量2 800 m3，實(shí)測(cè)時(shí)注汽量2 040 m3，井口溫度為288℃，井口壓力為7.217 MPa，管道內(nèi)徑0.1 m，管道外徑0.18 m，管道長度1 000 m，管道表面黑度0.85，絕對(duì)粗糙度0.000 045 7，保溫層厚度 0.05 m，管材導(dǎo)熱系數(shù)57 W/（m·℃）， 保溫材料導(dǎo)熱系數(shù) 0.2 W/（m·℃），環(huán)境溫度20℃，平均風(fēng)速2 m/s，計(jì)算步長100 m。

程序計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比見圖1。

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比，可知在長1 000 m管道中兩種干度數(shù)據(jù)相差在6%以內(nèi)，誤差范圍比較小，吻合比較好。

3 結(jié)論

（1）建立了地面蒸汽管道的熱損失、壓降、干度的計(jì)算模型，結(jié)果證實(shí)該模型適用于地面蒸汽管道過熱蒸汽流動(dòng)計(jì)算，而且計(jì)算簡(jiǎn)單可靠。

（2）本模型可以應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際水平井的產(chǎn)量估算和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的預(yù)測(cè)。

[1]李鵬華.稠油開采技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].油氣田地面工程，2009，28（2）：9-10.

[2]Beggs H D，Brill J P.A Study of Two-Phase Flow in Inclined Pipes[J].JPT，1973，（5）:607-617.

[3]Orkiszewski J.Predicting Two-Phase Pressure Drops in Vertical Pipe[J].JPT，1967，（6）:829-838.

[4]王彌康.注蒸汽井井筒熱傳遞的定量計(jì)算[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，18（4）:77-82.

[5]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社，1998.

[6]龐樹聲，胡修慈.垂直上升絕熱管內(nèi)汽、液兩相流的壓降[J].化學(xué)工程，1990，18（6）:9-24.

[7]Черникин А В.管道水力摩阻系數(shù)計(jì)算[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，1999，18（2）：26-28.

[8]劉想平，張兆順，劉翔鶚，等.水平井筒內(nèi)與滲流耦合的流動(dòng)壓降計(jì)算模型[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，22（2）:36-39.

[9]劉陽，陳保東，李雪.油田地面蒸汽管道干度計(jì)算方法[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，（9）：50-52.

Thermodynamic Calculation Model and Influencing Factors Analysis of Ground Steam Pipeline

GE Yan-zhao（Hualong Comprehensive Sevice Division， PetroChina Huabei Oilfield Company， Bazhou 065700，China），YUE Yong-sheng，LI Yu，et al.

In the process of heavy oil exploitation,the energy loss of the ground steam pipelines directly affects the oil thermal recovery with steam injection,a reasonable calculation model is important for the surface energy loss of the steam pipelines.There are already some calculation models about the ground steam pipeline energy loss,but there are still shortcomings in applying the models to the actual field engineering calculations.In order to combine with the field reality better,this paper establishes the engineering calculation model dealing with heat loss,pressure drop and dryness based on the heat transfer characteristics of the ground steam pipelines,then transfers it to a computer program,analyzes the factors which impact the steam dryness inside the pipeline.The results show that the calculated data match the actual data well.

ground pipeline;dryness;oil thermal recovery;model

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.04.002

葛彥昭 （1978-），男，河北保定人，工程師，2004年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)，現(xiàn)從事給水、排水、采暖等施工設(shè)計(jì)工作。

2011-06-17；

2012-04-17