溫度對鹽水導熱系數(shù)影響的實驗研究

李懷科， 劉衛(wèi)麗

（中海油田服務股份有限公司油田化學研究院，河北燕郊065201）

溫度對鹽水導熱系數(shù)影響的實驗研究

李懷科， 劉衛(wèi)麗

（中海油田服務股份有限公司油田化學研究院，河北燕郊065201）

為探討溫度對鹽水導熱系數(shù)的影響，特別是深水低溫條件下的導熱系數(shù)，采用瞬態(tài)熱線法測定不同溫度下（4～60 ℃）下5種常用鹽水溶液的導熱系數(shù)，并分析了溫度對每種鹽導熱系數(shù)的影響。實驗結果表明，對于待測鹽水體系而言，相同濃度下，每種鹽的導熱系數(shù)與溫度的變化趨勢相同，即4～20 ℃低溫段，鹽的導熱系數(shù)曲線緩慢增長，隨后溫度對導熱系數(shù)的影響逐漸增大；相同溫度下，導熱系數(shù)隨 著鹽濃度的升高而降低。文中還對現(xiàn)場2口深水井所用的鹽水測試液的導熱系數(shù)進行了室內測定，結果發(fā)現(xiàn)，2種配方的導熱系數(shù)受溫度的影響較小，4 ℃和50 ℃的導熱系數(shù)的差值分別為0.036 、0.53 W/（m·K）；當溫度高于40 ℃以后，2種體系的導熱系數(shù)不受溫度影響。

導熱系數(shù)；溫度；熱線法；鹽水

油氣井在測試和完井過程中為了平衡地層壓力以及出于保護油氣層的目的，通常選用無機鹽或有機鹽作為測試液和完井液的加重材料[1-3]。與常規(guī)井不同，深水井的溫度場從井口到井底被泥線分為兩段：泥線以上海水段溫度不斷降低，而泥線以下溫度隨著深度的增加而升高[4-5]。深水井測試過程中井底高溫流體（特別是氣層）在經(jīng)過海水段的過程中會把部分熱量傳遞給海水，造成流體本身的熱量損失，易出現(xiàn)生成氣體水合物、析蠟等現(xiàn)象[6-7]?，F(xiàn)有文獻中只指出部分鹽水常溫下的導熱系數(shù)[7]，有些文獻只給出了部分鹽在幾個溫度點下的導熱系數(shù)，缺乏完整性。因此，研究不同溫度下鹽水的導熱系數(shù)，特別是低溫條件下導熱系數(shù)如何變化，對于科研人員建立油氣井測試過程中井筒流體熱量分布模型以及現(xiàn)場測試工程師掌握深水井測試過程中地層流體的溫度變化顯得尤為重要。

1 實驗方法和測試流程

1.1 實驗方法

采用目前國際導熱系數(shù)研究領域內公認的先進的瞬態(tài)熱線法（Transient Hot Wire），該方法具有測試準確度高，速度快，樣品用量少，操作簡單，自動化程度高等特點[8-9]。瞬態(tài)熱線法以無限大介質中的徑向一維非穩(wěn)態(tài)導熱問題為理論基礎，經(jīng)過一系列求解，最后根據(jù)下面的計算公式計算導熱系數(shù)λ。室內測試儀器實物如圖1所示。

式中：q為單位長度的熱流量，W/m2；Tid為熱線溫度，K；t為時間，s。

圖1 導熱系數(shù)測定儀

1.2 測試流程

1）將待測液體樣品（約200 mL）置于溫控箱中，將傳感器垂直置于待測樣品中。

2）設置實驗溫度，啟動溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)冷卻或加熱。

3）等溫度達到實驗溫度時，先進行熱平衡檢測，待電壓曲線平穩(wěn)后開始測量，軟件將自動采集并計算出待測液體的導熱系數(shù)。

2 結果與分析

借助導熱系數(shù)測定儀（型號TC3100）對目前比較常用的5種常用鹽（NaCl、KCl、CaCl2、NaCOOH、KCOOH）不同溫度下的導熱系數(shù)進行了室內評價，其具體結果和分析如下。

2.1 NaCl導熱性能評價

不同濃度NaCl水溶液（5%～30%）在不同溫度下的導熱系數(shù)變化曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著NaCl濃度的升高，其導熱系數(shù)逐漸降低，這說明，高濃度的NaCl水溶液具有較低的導熱性能；不同濃度NaCl水溶液曲線表現(xiàn)出相同的變化趨勢，即隨著溫度的升高其導熱系數(shù)呈增長趨勢，且曲線4～20 ℃之間變化平緩，當溫度超過20 ℃以后曲線的斜率大，增長速度快。

圖2 不同溫度、不同濃度NaCl水溶液導熱系數(shù)曲線

2.2 KCl導熱性能評價

圖3 為不同溫度下KCl水溶液的導熱系數(shù)變化情況。從圖3可以看出，KCl水溶液的導熱系數(shù)隨著溫度的升高而增大，相同溫度下，導熱系數(shù)隨著濃度的升高而降低，曲線分為2段：前半段是緩慢增長段（4～20 ℃低溫段），后半段為快速增長段（20～60 ℃中溫段），而且當KCl的濃度每增長5%時，各溶液導熱系數(shù)的降低差值基本相同。

圖3 不同溫度、不同濃度KCl水溶液導熱系數(shù)曲線

2.3 CaCl2導熱性能評價

室內測定不同濃度（10%～50%）的氯化鈣水溶液在不同溫度下的導熱系數(shù)，實驗結果如圖4所示。結果表明，氯化鈣水溶液的導熱系數(shù)位于0.54～0.65 W/（m·K）之間，當溫度低于 20 ℃時，導熱系數(shù)變化較小，當溫度高于20 ℃以后，溫度對導熱系數(shù)有較大影響。氯化鈣的濃度高于20%以后，不論是低溫段還是高溫段，導熱系數(shù)的變化趨勢變緩。

圖4 不同溫度、不同濃度CaCl2水溶液導熱系數(shù)曲線

2.4 NaCOOH導熱性能評價

不同濃度NaCOOH溶液在不同溫度下的導熱系數(shù)變化關系如圖5所示。從圖5可以明顯得出如下2點認識：不同濃度的甲酸鈉溶液的導熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律相同，即先緩慢增長再逐漸增大；當甲酸鈉的濃度大于40%以后，與低濃度相比，溫度對導熱系數(shù)的影響系數(shù)降低，曲線趨于平緩，且溫度超過40 ℃后導熱系數(shù)的相差較小，差值只有 0.01 W/（m·K）。

圖5 不同溫度、不同濃度NaCOOH水溶液導熱系數(shù)曲線

2.5 KCOOH導熱性能評價

不同溫度下、不同濃度甲酸鉀溶液的導熱系數(shù)數(shù)據(jù)如圖6所示。由圖6可以看出，與無機鹽相比，甲酸鉀具有較低的導熱系數(shù)；隨著甲酸鉀溶液濃度的升高，溶液的導熱系數(shù)隨著溫度的升高緩慢增大；不同濃度甲酸鉀溶液的導熱系數(shù)曲線之間的差值不斷降低，曲線也越來越緩；各個導熱系數(shù)曲線隨溫度的變化呈線性變化，曲線的斜率隨著濃度的升高而逐漸降低。

圖6 不同溫度、不同濃度KCOOH水溶液導熱系數(shù)曲線

2.6 鹽水測試液導熱系數(shù)評價

利用導熱系數(shù)儀測定了現(xiàn)場2口深水井所用鹽水測試液的導熱系數(shù)，2種體系的配方如下，導熱系數(shù)如表1所示。

1#海水+45%CaCl2+0.5%PF-OSY+2%PF-CA101

2#海水+25%NaCl+20%乙二醇MEG+0.5%PF-OSY+2%PF-CA101

表1 測試液配方及導熱系數(shù)

由表1可以看出，2種配方的導熱系數(shù)受溫度的影響較小，當溫度高于40 ℃以后，導熱系數(shù)趨于穩(wěn)定，不受溫度的變化而變化；由于2#配方中加入了一定量乙二醇，體系的導熱系數(shù)比1#配方明顯降低，這主要是由于乙二醇具有一定的防凍作用引起的。

3 結論

1.利用瞬態(tài)熱線法測定液體的導熱系數(shù)，該方法具有測試準確度高、速度快、樣品用量少、操作簡單、自動化程度高等特點。

2.測定了5種鹽在不同濃度下的導熱系數(shù)隨溫度的變化情況，其變化曲線具有相同的變化規(guī)律，即在4～20 ℃低溫段，鹽的導熱系數(shù)曲線緩慢增大；溫度在20 ℃以上，溫度對導熱系數(shù)的影響逐漸增大；在相同溫度下，導熱系數(shù)隨著鹽濃度的升高而降低。

3.測定了現(xiàn)場2種鹽水測試液的導熱系數(shù)。結果發(fā)現(xiàn)，2種配方的導熱系數(shù)受溫度的影響較小，當溫度高于40 ℃以后，導熱系數(shù)不受溫度影響。

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Study on Effects of Temperature on Coeff i cient of Heat Conductivity of Saltwater

LI Huaike, LIU Weili
(Oilf i eld Chemistry R&D Institute, COSL, Yanjiao, Sanhe, Hebei 065201)

In studying the effects of temperature (especially low temperature in deep water) on the coef fi cient of heat conductivity(CHC) of saltwater, transient hot-wire method was adopted to measure the CHC of 5 kinds of commonly used saltwater at different temperatures (4～60 ℃). Analyses of the experimental data showed that, at the same salt concentration, CHC changed with temperature in similar pattern, i.e., at low temperatures (4～20 ℃), CHC increases slowly with temperature; at temperatures above 20 ℃, CHC increases fast with temperature. At the same temperature, CHC decreases with increase in salt concentration. Saltwater samples from 2 deep water wells were measured in laboratory for their CHC. It was found that CHC of the two samples was only slightly affected by temperature; the differences of CHC at 4 ℃and 50 ℃ were 0.036 W/(m·K) and 0.53 W/(m·K), respectively. At temperatures above 40 ℃, CHC of the two saltwater samples was not affected by changes in temperature.

Coef fi cient of heat conductivity; Temperature; Hot-wire method; Saltwater

李懷科，劉衛(wèi)麗.溫度對鹽水導熱系數(shù)影響的實驗研究[J].鉆井液與完井液，2017，34（5）：54-57.

LI Huaike, LIU Weili. Study on effects of temperature on coefficient of heat conductivity of saltwater[J].Drilling Fluid &Completion Fluid，2017，34（5）：54-57.

TE257.6

A

1001-5620（2017）05-0054-04

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.05.010

李懷科，高級工程師，1983年生，碩士研究生，主要從事深水鉆完井液技術研究。電話 （0316）3367036；Email：lihk6@cosl.com.cn。

2017-7-20；HGF=1701N10；編輯 王小娜）