氮?dú)廨o助蒸汽驅(qū)強(qiáng)化傳熱機(jī)理及成因探討

王一平

(中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257015)

0 引 言

蒸汽熱力降黏是稠油開發(fā)的重要手段，但注蒸汽過程中，蒸汽干度降低速度快、熱波及范圍小以及熱效率不高等問題嚴(yán)重制約了其開發(fā)效果[1-5]。而氮?dú)庾鳛橐环N較為廉價的氣體，用以輔助蒸汽開發(fā)，可有效改善蒸汽熱力效果，降低稠油開發(fā)成本[6-9]。隨氮?dú)廨o助蒸汽驅(qū)開發(fā)的廣泛應(yīng)用，氮?dú)獾闹T多作用機(jī)理，如隔熱、封堵以及增能助排等，已得到較為深入的研究[10-16]，但仍有部分礦場現(xiàn)象難以用上述機(jī)理進(jìn)行解釋。比如氮?dú)馀c蒸汽混合注入地層后，依據(jù)氮?dú)飧魺釞C(jī)理，氮?dú)鈺细灿谡羝豁敳?，延緩蒸汽向上覆巖層散熱，抑制蒸汽腔在縱向上的擴(kuò)展，而礦場溫度場監(jiān)測顯示，蒸汽腔會大幅向地層頂部擴(kuò)展，且頂部溫度會有明顯上升，該現(xiàn)象難以用氮?dú)獾母魺釞C(jī)理進(jìn)行解釋。因此，開展了氮?dú)鈴?qiáng)化蒸汽傳熱實驗、氮?dú)庥绊懻羝淠龑嶒炑芯浚云趯υ摤F(xiàn)象的作用機(jī)理進(jìn)行分析，并對機(jī)理成因進(jìn)行探討。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

(1) 氮?dú)鈴?qiáng)化蒸汽傳熱實驗。實驗裝置主要包括驅(qū)替泵、回壓泵、測量范圍為0～50 mL/min的帶截止閥的MKS氣體流量計(測量精度為±0.5 mL/min)、最高蒸汽輸出溫度為350 ℃的ZQ-1型蒸汽發(fā)生器、耐溫300 ℃的恒溫箱、直徑為0.4 mm的K型熱電偶(測量精度為±0.1 ℃)以及巖心管等。其中，巖心管內(nèi)巖心長度為60 cm，直徑為2.54 cm，在距巖心入口5、30、55 cm處分別放置熱電偶，以測量巖心不同位置的溫度變化，溫度數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動記錄。

(2) 蒸汽冷凝實驗。實驗裝置包括驅(qū)替泵、氣體流量計、蒸汽發(fā)生器、K型熱電偶、冷凝室、冷凝塊、由冷卻液和冷卻泵組成的冷卻系統(tǒng)等。實驗裝置中冷凝室規(guī)格為300 mm×20 mm×140 mm，黃銅制作的冷凝塊置于其中，冷凝塊的冷卻面與凝結(jié)面打磨光滑，其余部分進(jìn)行絕熱處理。為保證實驗過程中冷卻面溫度均勻，將冷卻液加壓后通過多個外徑為5 mm的噴嘴對冷卻面進(jìn)行噴射降溫。冷凝室入口處放置3根熱電偶，用以測量氮?dú)馀c蒸汽形成的混合氣體溫度，冷凝塊內(nèi)部以2 mm間距放置5根熱電偶，以測量冷凝塊內(nèi)溫度分布，測量結(jié)果通過計算機(jī)自動采集。

1.2 實驗方法

(1) 氮?dú)鈴?qiáng)化蒸汽傳熱實驗。實驗步驟：①制作6根滲透率為2 μm2的填砂管，然后將填砂管內(nèi)的巖心飽和水；②設(shè)置恒溫箱溫度為60 ℃，將巖心置于其中4 h以上，使巖心溫度達(dá)到恒定；③采用純蒸汽、先飽和氮?dú)夂笞⒓冋羝?、氮?dú)?蒸汽混注等3種方式對不同巖心進(jìn)行驅(qū)替，驅(qū)替時設(shè)置回壓為1.7 MPa，蒸汽溫度為220 ℃，蒸汽的注入速率為5 mL/min，氮?dú)庾⑷胨俾蕿?0 mL/min，記錄驅(qū)替過程巖心內(nèi)測溫點(diǎn)的溫度變化；④保持蒸汽的注入速率為5 mL/min，改變氮?dú)庾⑷胨俾蕿?0、30、50 mL/min，并與蒸汽混合，然后用不同氮?dú)夂康幕旌蠚怏w對不同巖心進(jìn)行驅(qū)替，記錄巖心內(nèi)測溫點(diǎn)的溫度變化。

(2) 蒸汽冷凝實驗。實驗步驟：①開啟冷卻系統(tǒng)，對冷凝塊的冷卻面進(jìn)行噴射降溫，直至冷凝塊的溫度達(dá)到恒定；②保持蒸汽溫度為105 ℃，速率為5 mL/min，改變氮?dú)馑俾蕿?、20、50 mL/min，并與蒸汽混合，形成不同氮?dú)夂康幕旌蠚怏w，然后使混合氣體流經(jīng)冷凝塊的凝結(jié)面，并觀察冷凝塊內(nèi)熱電偶的溫度變化；③待冷凝塊內(nèi)熱電偶溫度穩(wěn)定后，記錄冷凝室入口以及冷凝塊內(nèi)置的熱電偶溫度。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 氮?dú)鈴?qiáng)化蒸汽傳熱機(jī)理及效果評價

圖1為不同驅(qū)替方式下巖心溫度分布情況。由圖1可知，不同驅(qū)替方式下的溫度分布具有以下特征。

圖1 不同驅(qū)替方式下巖心溫度分布

(1) 采用先飽和氮?dú)夂笞⒄羝绞津?qū)替時，巖心遠(yuǎn)端溫度要高于單純注蒸汽，且溫度下降速度略有變緩。這是因為先飽和氮?dú)鈺r，巖心內(nèi)部孔隙可達(dá)到較高的氮?dú)怙柡投?，后期用蒸汽?qū)替時，蒸汽通道內(nèi)的氮?dú)獠粫煌耆?qū)出，剩余的氮?dú)鈺接谕ǖ纼?nèi)壁，由于氮?dú)獾母魺嶙饔?，會在通道?nèi)壁形成一層隔熱膜，從而減少蒸汽熱損失，提高巖心遠(yuǎn)端溫度。該驅(qū)替方式體現(xiàn)的主要是氮?dú)獾母魺嶙饔谩?/p>

(2) 相比先飽和氮?dú)夂笞⒄羝尿?qū)替方式，采用氮?dú)?蒸汽混注時，3個測溫點(diǎn)的溫度分布規(guī)律會發(fā)生明顯變化：巖心入口端溫度有一定程度的降低，但中后段的溫度卻有大幅升高，且氣體在巖心內(nèi)的溫度下降速度明顯變緩。說明采用氮?dú)?蒸汽混注時，氮?dú)獍l(fā)揮作用的主要機(jī)理并不是隔熱作用，且該作用機(jī)理導(dǎo)致蒸汽的熱量釋放速度明顯變緩，使蒸汽熱量向地層深處傳播，有效擴(kuò)大熱波及。該作用機(jī)理在文中稱之為氮?dú)獾摹皬?qiáng)化傳熱機(jī)理”。

(3) 只有氮?dú)?蒸汽混注才能產(chǎn)生較為明顯的強(qiáng)化傳熱效果，且氮?dú)獾膹?qiáng)化傳熱機(jī)理對擴(kuò)大蒸汽熱波及的作用效果要強(qiáng)于氮?dú)獾母魺嶙饔谩?/p>

2.2 氮?dú)鈴?qiáng)化蒸汽傳熱機(jī)理成因探討

為進(jìn)一步對氮?dú)鈴?qiáng)化傳熱的機(jī)理成因進(jìn)行探討，設(shè)計了氮?dú)庥绊懻羝淠龑嶒?。通過測量冷凝塊內(nèi)溫度分布隨混合氣體中氮?dú)夂康淖兓?guī)律，分析氮?dú)鈱φ羝淠齻鳠徇^程的影響。表1為不同氮?dú)夂肯吕淠龎K溫度分布情況。

表1 不同氮?dú)夂肯吕淠龎K溫度分布

測得冷凝塊內(nèi)溫度分布后，需對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以計算蒸汽的冷凝傳熱系數(shù)，冷凝傳熱系數(shù)的大小反映了蒸汽與固體界面之間的熱傳遞速度。具體計算方法為：①已知冷卻面溫度與5個測溫點(diǎn)的溫度，結(jié)合冷凝塊體積，可求得冷凝塊內(nèi)溫度梯度，記作T=f(y)；②通過冷凝塊溫度梯度公式計算冷凝塊的凝結(jié)面溫度；③根據(jù)能量守恒原則，混合氣體與凝結(jié)面之間的熱量傳遞等于冷凝塊的凝結(jié)面與冷卻面之間的熱量傳遞，據(jù)此可計算得到蒸汽的冷凝傳熱系數(shù)：

h=λ(Tw-Tb)/(Tm-Tw)

(1)

式中：h為蒸汽的冷凝傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；λ為冷凝塊(黃銅)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Tw為凝結(jié)面溫度，℃；Tb為冷卻面溫度，℃；Tm為氮?dú)?蒸汽混合氣體的溫度，℃，可通過放置在冷凝室入口處的熱電偶測得。

通過上述步驟計算得到蒸汽冷凝傳熱系數(shù)與氮?dú)馕镔|(zhì)的量之間的關(guān)系(圖2)。由圖2可知，不同氮?dú)夂肯碌恼羝淠齻鳠嵯禂?shù)具有以下特點(diǎn)。

(1) 蒸汽中加入氮?dú)夂?，其冷凝傳熱系?shù)會明顯降低，反映出氮?dú)獾拇嬖跁φ羝c巖石固體表面之間的凝結(jié)傳熱起到抑制作用，從而降低了蒸汽與固體界面之間的熱交換速度。這是因為氮?dú)馐且环N非凝析氣體[17-19]，其存在增加了蒸汽冷凝過程中的傳質(zhì)傳熱阻力[20]，從而降低了蒸汽的冷凝傳熱系數(shù)。

圖2 蒸汽冷凝傳熱系數(shù)隨氮?dú)夂孔兓?guī)律

(2) 蒸汽冷凝傳熱系數(shù)隨氮?dú)夂康脑黾佣档停捣饾u變緩。認(rèn)識了氮?dú)鈱φ羝淠齻鳠嵯禂?shù)的影響后，可對礦場及實驗過程中的氮?dú)鈴?qiáng)化傳熱現(xiàn)象進(jìn)行解釋，并對其機(jī)理成因進(jìn)行探討：①在巖心入口處，純蒸汽、氮?dú)?蒸汽混注2種方式的熱焓基本相同，但氮?dú)獾拇嬖跁档驼羝睦淠齻鳠嵯禂?shù)，抑制蒸汽與巖石表面之間的熱傳遞，因此，采用氮?dú)?蒸汽混注時，巖心入口處的溫度要低于純蒸汽，但更多的蒸汽熱焓會被攜往巖心遠(yuǎn)端；②氣體向巖心遠(yuǎn)端流動過程中，由于純蒸汽具有較高的冷凝傳熱系數(shù)，與周圍巖石的傳熱速度遠(yuǎn)高于混合氣體，當(dāng)氣體到達(dá)巖心中后段時，混合氣體攜帶的熱焓遠(yuǎn)高于純蒸汽，導(dǎo)致周圍巖石更易被加熱到較高溫度，因此，采用混合氣體驅(qū)替時，巖心中后段溫度要高于純蒸汽驅(qū)替；③氮?dú)饽軓?qiáng)化蒸汽傳熱，其主要的機(jī)理成因是氮?dú)饽茉黾诱羝淠^程中的傳質(zhì)傳熱阻力，降低蒸汽冷凝傳熱系數(shù)，減緩蒸汽與巖石固體表面之間的熱交換速度，從而起到“緩釋”蒸汽熱量、擴(kuò)大蒸汽熱波及的作用。

2.3 氮?dú)鈴?qiáng)化傳熱機(jī)理對蒸汽用量的影響

為了便于對比，定義采用混合氣體驅(qū)替時，巖心某處到達(dá)指定溫度消耗的蒸汽量與純蒸汽驅(qū)消耗蒸汽量的比值為等溫耗汽率。距巖心入口端55 cm處測溫點(diǎn)溫度到達(dá)115 ℃(采用純蒸汽驅(qū)替時該點(diǎn)所能達(dá)到的最高溫度)時，不同氮?dú)夂肯禄旌蠚怏w的等溫耗汽率見表2。由表2可知，隨氮?dú)夂康脑黾樱鋸?qiáng)化傳熱效果增強(qiáng)，巖心遠(yuǎn)端升溫速度變快，等溫耗汽率降低。因此，在實際生產(chǎn)中，可將一定比例的氮?dú)馀c蒸汽混合注入地層，能有效擴(kuò)大蒸汽的熱波及，提高波及范圍內(nèi)蒸汽的利用效率，減少蒸汽用量，降低生產(chǎn)成本。

表2 不同氮?dú)夂肯碌牡葴睾钠?/p>

3 結(jié) 論

(1) 氮?dú)馀c蒸汽混合驅(qū)替時，氮?dú)獯嬖谳^為明顯的強(qiáng)化傳熱機(jī)理。該機(jī)理能起到“緩釋”蒸汽熱量、擴(kuò)大熱波及范圍以及提高遠(yuǎn)端地層溫度的作用，且其作用效果強(qiáng)于氮?dú)獾母魺嶙饔谩?/p>

(2) 氮?dú)鈴?qiáng)化傳熱機(jī)理的主要成因為：氮?dú)饽茉黾诱羝淠^程中的傳質(zhì)傳熱阻力，降低蒸汽的冷凝傳熱系數(shù)，減緩蒸汽與巖石固體表面之間的熱交換速度。

(3) 混合氣體中氮?dú)夂康脑黾佑兄趶?qiáng)化傳熱效果的提升，且能有效降低等溫耗汽率。

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