保溫型井下隔熱油管的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究

杜明俊，楊子寧，滕 彧，馬克迪，焦亞東，徐 乙

（1. 中國石油工程建設(shè)有限公司 華北分公司，河北 任丘062552；2. 中化（舟山）興海建設(shè)有限公司，浙江 舟山316000）

隨著全球能源的日趨緊張及我國油田不斷進(jìn)入開發(fā)中后期，節(jié)能降耗、降低成本已成為油田工作的重要組成部分。通過對比油田生產(chǎn)各階段的能耗數(shù)據(jù)可知，集輸系統(tǒng)能耗所占比重最大，且從單項(xiàng)用能數(shù)據(jù)來看，熱能和電能又是未來油田節(jié)能的重點(diǎn)目標(biāo)。優(yōu)化簡化傳統(tǒng)工藝，采用新技術(shù)、新材料、新設(shè)備是降低油田整體能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵措施。

小斷塊、零散井作為各大油田產(chǎn)能建設(shè)的重要組成部分，受依托條件的影響，集輸能耗居高不下。華北油田在分析生產(chǎn)用能現(xiàn)狀后，擬取消井口加熱及伴熱設(shè)施，采用不加熱單管集油工藝。該集油工藝的關(guān)鍵就是要確保井口油溫滿足集輸過程所需的最低熱量，從而確保管輸安全。

提高井口油溫，即減小井筒溫降，采用隔熱油管是行之有效的措施[1?3]。隔熱油管的問世，起源于稠油油藏的開發(fā)，由于蒸汽驅(qū)熱量損失較大，各國學(xué)者在20 世紀(jì)80 年代開始致力于隔熱油管的研究，經(jīng)過30 多年的理論分析與優(yōu)化，逐步形成了較為理想的井筒傳熱數(shù)學(xué)模型[4?6]；但由于部分參數(shù)的選取較為困難或求解時(shí)采用總傳熱系數(shù)進(jìn)行核算，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況存在一定誤差[7?8]。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜流動與傳熱問題得到了有效解決，不僅大大提高了計(jì)算精度，而且可直觀分析各物理量的變化規(guī)律，是一種理想的科學(xué)研究方 法[9?11]。

目前，市場上常用的井下隔熱油管主要有兩類，一是用于稠油油藏的真空隔熱油管，二是用于常規(guī)油藏的保溫隔熱油管。真空隔熱油管保溫效果好，但制造難度大，對井筒的安裝尺寸要求高，接箍處漏熱需要進(jìn)一步改進(jìn)。保溫隔熱油管，通常是對油管外壁進(jìn)行保溫或噴涂隔熱涂料，常規(guī)的保溫材料或隔熱涂料導(dǎo)熱系數(shù)較大，受井筒尺寸限制，保溫層不能過厚，雖然其具有一定的保溫效果，但達(dá)不到預(yù)期指標(biāo)。

本文基于新型絕熱材料的傳熱特性及不加熱單管集油工藝參數(shù)要求，設(shè)計(jì)了高效節(jié)能型井下隔熱油管并開展實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，所得成果為工程實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。

1 新型絕熱材料的選擇

近幾年，納米科技的蓬勃發(fā)展為絕熱技術(shù)的深入研究提供了機(jī)遇和保障，不僅從材料強(qiáng)度、隔熱效果方面有所提高，在應(yīng)用領(lǐng)域也有所拓展。所謂的新型絕熱材料，主要分為液體（涂料型）和固體（保溫氈型）兩種形式，其原理均是將隔熱原料（陶瓷微球、玻璃微球、二氧化硅顆粒等）與基材進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，形成具有特定功能的絕熱材料。

本文對二氧化硅氣凝膠納米絕熱氈及新型液體隔熱涂層的絕熱特性進(jìn)行對比研究。為了驗(yàn)證兩種材料的真實(shí)傳熱特性，采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方式對兩種材料開展溫降測試，并通過有限元方法驗(yàn)證兩種材料的真實(shí)導(dǎo)熱系數(shù)，進(jìn)而優(yōu)選隔熱油管絕熱材料。

實(shí)驗(yàn)采用D60×3 mm 的無縫鋼管，制作0.6 m長管段，共4 段，兩端焊接封堵。其中：6 mm 厚二氧化硅氣凝膠隔熱氈保溫管2 段，6 mm 厚新型液體隔熱涂層保溫管2 段，做平行實(shí)驗(yàn)，對同一時(shí)刻的溫降數(shù)據(jù)取平均值。管內(nèi)熱水初始溫度為60 ℃，環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱恒溫-10 ℃。

圖1 給出了不同實(shí)驗(yàn)管段的溫降曲線。由圖1分析可知，新型液體涂層在-10 ℃環(huán)境中保溫特性較差，采用6 mm 保溫層，4 h 后管內(nèi)熱水由最初的60 ℃降至6 ℃，平均每小時(shí)降低13.5 ℃。而采用氣凝膠隔熱氈在-10 ℃環(huán)境中具有較好的保溫特性，相同條件下，7 h 后管內(nèi)熱水由最初的60 ℃降至14 ℃，平均每小時(shí)降低6.6 ℃。

管內(nèi)熱水的溫降過程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，無法采用經(jīng)驗(yàn)公式來獲取傳熱方程的精確解。為了驗(yàn)證材料的真實(shí)導(dǎo)熱系數(shù)，采用有限元方法求解管內(nèi)熱水溫降過程的傳熱方程并獲取精確解。

圖1 不同實(shí)驗(yàn)管段的溫降曲線Fig.1 Temperature drop curves of different experimental pipe sections curve of aerogel insulation felt

通過分析6 mm 二氧化硅氣凝膠隔熱氈保溫管的溫降數(shù)據(jù)，經(jīng)求解得該材料的導(dǎo)熱系數(shù)在0.018 W/（m·℃）左右（見圖2），與廠家描述的該溫度下導(dǎo)熱系數(shù)為0.016 W/(m·℃)較為接近。進(jìn)一步分析6 mm 新型液體涂層保溫管的溫降數(shù)據(jù)，經(jīng)反算得該材料的導(dǎo)熱系數(shù)在0.050 W/(m·℃)左右，與廠家描述的綜合導(dǎo)熱系數(shù)為0.025 W/(m·℃)相差較大。從實(shí)驗(yàn)及模擬的數(shù)據(jù)來看，液體涂層雖然具有一定的保溫效果，但是無法滿足工程需要，且受井下作業(yè)環(huán)境的影響，液體涂層耐磨性及抗磕碰能力差，不宜使用。

圖2 氣凝膠隔熱氈實(shí)驗(yàn)與模擬溫降曲線Fig. 2 Experimental and simulated temperature drop

二氧化硅氣凝膠絕熱材料，因其具有納米多孔結(jié)構(gòu)、低密度、低導(dǎo)熱系數(shù)、高孔隙率、高比表面積等特點(diǎn)，被稱為迄今為止保溫性能最好的絕熱材料。其孔徑尺寸低于常壓下空氣分子平均自由程，在氣凝膠空隙中空氣分子近似靜止，從而避免了空氣的對流傳熱；而氣凝膠極低的體積密度及納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的彎曲路徑也阻止了氣態(tài)和固態(tài)熱傳導(dǎo)；趨于“無窮多”的空隙壁可以使熱輻射降至最低。這三方面的共同作用，幾乎阻斷了熱傳遞的所有途徑，使氣凝膠達(dá)到其它材料無法比擬的絕熱效果。因此，井下隔熱油管采用二氧化硅氣凝膠隔熱氈作為保溫材料是較佳的選擇。

2 隔熱油管保溫效果測試

為了驗(yàn)證隔熱油管的保溫效果，按照設(shè)計(jì)圖紙加工長6 m 的隔熱油管6 根（見圖3），首尾依次連接，采用循環(huán)水泵、流量計(jì)、電磁恒溫水浴、溫度變送器等設(shè)備組成實(shí)驗(yàn)裝置（見圖4），室內(nèi)環(huán)境溫度通過中央空調(diào)進(jìn)行控制。

圖3 隔熱油管結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of thermal insulation tubing

圖4 隔熱油管室內(nèi)測試裝置Fig.4 Indoor test device for heat insulation tubing

圖5 給出了入口水溫50、60 ℃，室內(nèi)環(huán)境溫度分別為10 ℃和20 ℃兩種工況下（簡稱工況1、2）的出口水溫變化曲線。由圖5（a）可以看出，兩種工況下的出口水溫變化規(guī)律均為初始階段水溫逐漸升高，一定時(shí)間后趨于平穩(wěn)，且管體周圍環(huán)境溫度越高，出口水溫相對越高，趨于平穩(wěn)的時(shí)間越快。這主要是因?yàn)?，隔熱油管在每次?shí)驗(yàn)初期均需重新建立自身溫度場，且周圍環(huán)境溫度越高，實(shí)驗(yàn)前的管體自身溫度也越高，建立溫度場所需的熱量相對越少。

圖5 入口水溫50、60 ℃時(shí)的出水溫度變化Fig.5 Change of outlet water temperature at inlet water temperature 50 ℃and 60 ℃

從圖5（b）曲線的變化規(guī)律來看，與入口水溫50 ℃相同，分析原因也一致，此處不再贅述。

從實(shí)測的數(shù)據(jù)來看，入口水溫50、60 ℃，環(huán)境溫度10 ℃和20 ℃工況下，100 min 后出口水溫分別為49.52、49.65 ℃和59.45、59.61 ℃，熱損失率分別為0.96%、0.70% 和0.91%、0.65%。進(jìn)一步表明，隔熱油管保溫效果非常好，受外界環(huán)境溫度的影響較小，可極大削弱井下地層溫度梯度的影響。由于實(shí)驗(yàn)過程隔熱油管接頭處沒有保溫，會損失一定的熱量，這也是目前保溫型隔熱油管所面臨的實(shí)際問題。

3 井下隔熱油管的數(shù)值計(jì)算

3.1 模型的建立

整個(gè)井筒的傳熱過程較為復(fù)雜，主要包括以下環(huán)節(jié)：（1）油流與油管內(nèi)壁之間的對流換熱。（2）油管本身的導(dǎo)熱。（3）油管外壁與保溫層內(nèi)壁之間的導(dǎo)熱。（4）保溫層自身的導(dǎo)熱。（5）保溫層外壁與環(huán)空油氣的對流換熱。（6）環(huán)空內(nèi)油氣自然對流換熱。（7）環(huán)空油氣與套管內(nèi)壁面的對流換熱。（8）保溫層外壁與套管內(nèi)壁的輻射換熱。（9）油套管自身的導(dǎo)熱。（10）油套管外壁與水泥環(huán)套內(nèi)壁的導(dǎo)熱。（11）水泥環(huán)套自身導(dǎo)熱。（12）水泥環(huán)套外壁與地層的導(dǎo)熱。

3.1.1 數(shù)學(xué)模型 假設(shè)管內(nèi)介質(zhì)溫度在同一截面上一致，僅為時(shí)間和軸向距離的函數(shù)，管內(nèi)介質(zhì)的控制方程如下：

式中，A為流體面積，m2；z為管道軸向距離，m；v為軸向Z方向的流體速度，m/s；ρo為混合流體密度，kg/m3；t為管道運(yùn)行時(shí) 間，s；gc為量綱常數(shù)；P為管道內(nèi)流體的壓力，Pa；f為摩阻系數(shù)；h為熱膨脹系數(shù)，1/℃；d為管道內(nèi)徑，m；U為流體的內(nèi)能，J；h1為流體與油管內(nèi)壁的對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；T為流體溫度，℃；Tk為管內(nèi)壁溫度，℃。

油管、保溫層、套管、水泥環(huán)套、地層的傳熱方程如下：

式 中，i表示各層，取1-5；ρi為 第i層的密 度，kg/m3；ci為第i層的比熱容，J/（kg·℃）；Ti為第i層的溫度，℃；λi為第i層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）。

忽略環(huán)空油氣自然對流換熱的影響。

3.1.2 邊界條件 油流與油管內(nèi)壁面、環(huán)空油氣與保溫層外壁面及套管內(nèi)壁面均為流固耦合傳熱，即各交界面處靠近壁面的流體被滯止而處于無滑移狀態(tài)，它們之間的熱量傳遞主要是對流換熱及輻射傳熱。

式中，λs為固體導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；λl為流體導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；Ts、Tl分別為流固耦合界面處固體溫度和流體溫度；ql為輻射換熱熱流密度。

井口附近地表與大氣環(huán)境為對流換熱邊界，井下動液面處為恒溫邊界。

3.2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

以華北油田某小斷塊采油井為例，日產(chǎn)液量20.7 t，井口油溫35 ℃，動液面1 150 m，按冬季最冷月設(shè)計(jì)，地表平均溫度-6 ℃，20 m 處恒溫層溫度為14 ℃，20 m 以下地溫梯度為3.7 ℃/（100 m）。

根據(jù)不加油單管集油要求，采用隔熱油管后，該井的井口油溫不應(yīng)低于50 ℃，因此，以井下隔熱油管總長1 000 m，井口油溫不低于50 ℃為標(biāo)準(zhǔn)，開展隔熱油管設(shè)計(jì)，并進(jìn)行方案比選。

表1 給出了不同結(jié)構(gòu)形式隔熱油管溫降數(shù)據(jù)，圖6 給出了不同結(jié)構(gòu)形式隔熱油管溫降曲線變化規(guī)律。

表1 不同結(jié)構(gòu)形式隔熱油管的保溫性能對比Table 1 Comparison of thermal insulation performance of thermal insulation tubing with different structures ℃

圖6 不同結(jié)構(gòu)形式隔熱油管內(nèi)油流溫降曲線Fig.6 Temperature drop curves of oil flow in thermal in?sulation tubing with different structures

由表1 及圖6 分析可知，上述4 種方案均可滿足井口油溫不低于50 ℃的要求，說明采用氣凝膠納米絕熱材料制作的隔熱油管是可行的。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度綜合考慮，采用10 mm+3 mm 組合的結(jié)構(gòu)形式方案最優(yōu)。從圖6 給出的管內(nèi)油流溫降曲線不難看出，采用同一厚度保溫材料，管內(nèi)油流溫降基本呈線性變化，且隨著保溫層厚度的增加，線性化越明顯；采用上下兩段不同厚度的保溫材料，管內(nèi)油流溫降曲線在二者交界處均存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，且上下兩段保溫層厚度差異越大，拐點(diǎn)越明顯，主要是由于采用不同厚度的保溫層，散熱量不同導(dǎo)致的。

4 結(jié)論及建議

本文通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬技術(shù)，研究了保溫型井下隔熱油管的材料選擇及傳熱特性。研究表明，采用氣凝膠納米絕熱材料可有效降低管內(nèi)介質(zhì)散熱量，是保溫型隔熱油管的首選材料。且通過算例得到井下隔熱油管油流溫降曲線，進(jìn)一步驗(yàn)證了采用氣凝膠納米絕熱材料制作隔熱油管是可行的。

從目前保溫型隔熱油管的使用情況來看，還存在兩點(diǎn)不足：一是保溫隔熱油管受井下作業(yè)工具的影響，油管兩端必須預(yù)留部分裸管，該裸露部分散熱量較大，雖然學(xué)者們研究了多種措施，但應(yīng)用便捷性及效果并不理想，還需要進(jìn)一步優(yōu)化；二是由于保溫層與管外壁黏結(jié)強(qiáng)度不夠，受機(jī)械吊裝作業(yè)的影響易出現(xiàn)保溫層脫管，破損，外護(hù)層局部掉落等問題，影響隔熱油管使用的安全性。若后續(xù)可實(shí)現(xiàn)二氧化硅氣凝膠納米材料一步法預(yù)制工藝，將徹底解決上述問題。