蒸汽從鍋爐出口到井口地面注氣管線熱損失

王端哲

摘 要：蒸汽吞吐井中，注入蒸汽在井筒中的相態(tài)特性和采出流體在井筒中的流變特性都與井筒中的溫度、壓力分布密切相關(guān)。本文通過(guò)對(duì)影響管道保溫效果的因素，找出蒸汽吞吐井的隔熱、加熱及工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，都需要知道井筒內(nèi)不同位置處的溫度壓力值。研究稠油熱采井注采過(guò)程中沿程的溫度和壓力變化規(guī)律，優(yōu)化注汽工藝參數(shù)，提高稠油熱采效率。

關(guān)鍵詞：蒸汽;井口;管線;熱損失

蒸汽吞吐過(guò)程中其傳熱傳質(zhì)包括物理的、化學(xué)的、熱動(dòng)力學(xué)的各種現(xiàn)象，是一個(gè)十分復(fù)的綜合作用過(guò)程，為具有不同流動(dòng)梯度的非穩(wěn)定流。油層中傳熱及溫度分布表現(xiàn)為：注蒸汽開(kāi)始時(shí)，地面管線及井筒中損失一部分熱量，因而凝結(jié)為熱水，最先進(jìn)入油層的是一部分熱水而后才是濕飽和蒸汽進(jìn)入油層。由于油層原始溫度與注入蒸汽的溫度相差很大，因而這部分蒸汽也變?yōu)闊崴?，并釋放出熱量加熱油層，直到井底地帶溫度提高到注入蒸汽溫度時(shí)，才開(kāi)始形成蒸汽帶，而且只有繼續(xù)注入蒸汽的汽化潛熱大于蒸汽帶向頂?shù)讓印A層的熱損失量時(shí)，蒸汽帶才能保持并向前擴(kuò)展。高溫蒸汽，一方面將導(dǎo)致原油和水發(fā)生膨脹，另一方面也將導(dǎo)致巖石發(fā)生膨脹使孔隙體積減少，從而增加了油的產(chǎn)出量。另外高溫蒸汽可改變巖石的潤(rùn)濕性，吞吐降壓后的壓實(shí)作用以及高溫蒸汽的蒸餾裂解作用等均可改善原油的生產(chǎn)狀態(tài)。

蒸汽吞吐井中，注入蒸汽在井筒中的相態(tài)特性和采出流體在井筒中的流變特性都與井筒中的溫度、壓力分布密切相關(guān)，蒸汽吞吐井的隔熱、加熱及工藝參數(shù)設(shè)計(jì)都需要知道井筒內(nèi)不同位置處的溫度壓力值。

1 影響管道保溫效果的因素

在自然界中熱傳遞的方式主要有三種：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。在稠油熱采的過(guò)程中這三種熱傳遞方式一直貫穿著整個(gè)稠油的開(kāi)發(fā)過(guò)程中。

蒸汽管道作為稠油熱采工藝中注汽系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，是影響井口干度的主要因素。飽和蒸汽在輸汽管線中流動(dòng)時(shí)，不斷地同周圍環(huán)境、分支管路之間進(jìn)行熱量交換和質(zhì)量交換，導(dǎo)致蒸汽的流量、壓力、熱焓和蒸汽干度逐漸變化，引起輸汽管路內(nèi)各處的注汽壓差和蒸汽干度不同，進(jìn)而使熱采井口處蒸汽壓力和蒸汽干度發(fā)生變化。

影響管道保溫效果的因素很多，主要有：保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)、保溫層表面散熱系數(shù)、管道所處環(huán)境溫度及常年平均風(fēng)速、管道架空的高度系數(shù)，保溫層厚度及施工質(zhì)量等。一般來(lái)說(shuō)，在同樣熱損失的情況下，導(dǎo)熱系數(shù)及保溫層表面散熱系數(shù)愈大，保溫層厚度愈厚。所處環(huán)境常年平均氣溫越低、常年平均風(fēng)速愈大、室外管道架得愈高，所需的保溫層厚度就愈厚。

在注蒸汽開(kāi)采稠油的過(guò)程中，最關(guān)鍵的技術(shù)之一是必須最大限度地減少注入蒸汽在井筒中的熱量損失，保證注入井底的蒸汽干度較高，并且套管溫度不超過(guò)極限安全溫度，以防止套管不致因熱應(yīng)力損壞及管外水泥環(huán)超高溫變質(zhì)。這是注蒸汽開(kāi)采稠油過(guò)程中必須解決的技術(shù)難題。

1.1雙管伴熱副管注蒸汽過(guò)程總傳導(dǎo)系數(shù)確定

雙管拌熱副管注蒸汽過(guò)程總傳導(dǎo)系數(shù)確定與上面有所差別，在開(kāi)采前由主管注入蒸汽的井筒傳熱過(guò)程，在開(kāi)采時(shí)雙管進(jìn)行拌熱的傳熱過(guò)程略有不同。

當(dāng)副管壁溫度高于主管壁溫度時(shí)，副管注汽過(guò)程中既向主管傳遞熱量，又向套管傳遞熱量。副管與主管、套管之間的傳熱包括熱輻射和自然對(duì)流傳熱（熱傳導(dǎo)及自然對(duì)流）。輻射傳熱與輻射面積有關(guān)，從雙管拌熱剖面圖中可以看出，副管與主管之間的熱量傳遞存在一個(gè)角度 的輻射面，副管與套管之間的輻射傳熱面為 ，因此當(dāng)副管與主管、套管三管之間的相對(duì)位置確定后就可以計(jì)算出他們之間的輻射面積，計(jì)算出輻射傳熱系數(shù);副管與主管、套管之間還通過(guò)環(huán)空介質(zhì)的自然對(duì)流和熱傳導(dǎo)進(jìn)行傳熱，因?yàn)闊醾鲗?dǎo)及自然對(duì)流是通過(guò)環(huán)空介質(zhì)進(jìn)行熱傳遞的，故可以將雙管拌熱中的不規(guī)則環(huán)空介質(zhì)等效為等體積的規(guī)則環(huán)空介質(zhì)，即將環(huán)空等效為一個(gè)以副管為中心的同心環(huán)空，半徑為 ，則可以根據(jù)定義分別計(jì)算出副管與主管、套管之間的自然對(duì)流傳熱系數(shù)。

2 稠油流變性實(shí)驗(yàn)研究

稠油在井筒中流動(dòng)的粘度明顯地影響到抽油井的動(dòng)態(tài)。.因此，為給稠油井抽油工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的粘度數(shù)據(jù)，研究不同溫度、不同剪切速率、不同含水稠油的粘度是很有必要的。

由于稠油油藏含有高的膠質(zhì)瀝青，原油中的膠質(zhì)瀝青具有較大的分子量，它們以微粒形式高度分散于石油中，構(gòu)成所謂“親液膠體體系”，使原油具有非牛頓流體流變特性。蒸汽吞吐開(kāi)采稠油油田，井筒中由于水的存在，一方面將形成油水乳狀液，增加原油在井筒中流動(dòng)時(shí)的粘度;另一方面，游離水的存在將減小稠油在井筒中流動(dòng)時(shí)的粘度，這兩方面因素的作用主要取決于油水混和物的乳化程度。

由以上分析可知，稠油在井筒中流動(dòng)時(shí)的粘度與井筒中的溫度、油井含水密切相關(guān)。由于稠油中石蠟和膠質(zhì)瀝青的存在，使稠油具有非牛頓流體流變特性，所以，井筒中稠油粘度還與剪切速率即油井產(chǎn)量有關(guān)。

2.1? 基本方法原理

國(guó)內(nèi)外研究稠油流變性的方法主要是采用轉(zhuǎn)筒式粘度計(jì)和高壓細(xì)管式流變儀，其主要方法原理如下：

2.1.1 轉(zhuǎn)筒式粘度計(jì)測(cè)定稠油粘度基本方法原理

轉(zhuǎn)筒式粘度計(jì)可分為內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)式同軸圓筒旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、外筒旋轉(zhuǎn)式旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)和單一圓筒旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。它們通過(guò)測(cè)定圓筒在被測(cè)流體中的旋轉(zhuǎn)力矩來(lái)確定流體的應(yīng)變速度（剪切速率）和粘度的關(guān)系。這種儀器操作方便，儀器上一般可直接讀出應(yīng)變速度、粘度、轉(zhuǎn)矩、剪切應(yīng)力等數(shù)據(jù)（如Brokfield粘度計(jì)），根據(jù)儀器測(cè)定的應(yīng)變速度和粘度的關(guān)系曲線，可以確定流體的流變特性及流體性質(zhì)（如牛頓流體、假塑性流體等）。

2.1.2用高壓細(xì)管式流變儀測(cè)定稠油粘度基本方法原理

高壓細(xì)管式流變儀通過(guò)流體在細(xì)管內(nèi)的恒定剪切流動(dòng) ，實(shí)測(cè)流體通過(guò)細(xì)管流動(dòng)的壓差和流量，推算剪應(yīng)力與剪應(yīng)變速度的關(guān)系以及流體的有效粘度與流速的關(guān)系，從而確定流體的流變特性。高壓細(xì)管式流變儀測(cè)定稠油的流變性時(shí)，稠油在細(xì)管中流動(dòng)穩(wěn)定的時(shí)間較長(zhǎng)，因此，應(yīng)用高壓細(xì)管式流變儀研究稠油的流變性遠(yuǎn)復(fù)雜于轉(zhuǎn)筒式粘度計(jì)研究稠油的流變性。