楊清玲

中國(guó)石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院（遼寧盤(pán)錦124010）

稠油熱采地面管線(xiàn)蒸汽熱力參數(shù)計(jì)算及影響因素分析

楊清玲

中國(guó)石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院（遼寧盤(pán)錦124010）

注蒸汽熱力采油技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于稠油油藏開(kāi)發(fā)，為了獲得地面注汽管線(xiàn)上任意位置的蒸汽熱力參數(shù)，在考慮井口壓力約束作用的基礎(chǔ)上，建立了地面注汽管線(xiàn)綜合傳熱數(shù)學(xué)模型，并采用節(jié)點(diǎn)分析方法對(duì)相互耦合的參數(shù)模型求解計(jì)算。同時(shí)，應(yīng)用計(jì)算實(shí)例分析了地面管線(xiàn)內(nèi)蒸汽的熱力學(xué)參數(shù)（壓力、溫度、干度等）的影響因素。結(jié)果表明，為了提高蒸汽干度利用率和減小地面管線(xiàn)沿程熱損失，應(yīng)優(yōu)選導(dǎo)熱系數(shù)低、絕熱性能好的保溫材料，增加注汽速率，提高鍋爐出口蒸汽干度，減小鍋爐出口蒸汽壓力，從而為管線(xiàn)輸汽系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)提供參考。

稠油熱采；地面管線(xiàn)；熱力參數(shù)；壓力約束

注蒸汽熱力采油成為當(dāng)今稠油強(qiáng)化開(kāi)采的主要方式，包括蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)兩種技術(shù)。稠油注蒸汽熱采就是將鍋爐產(chǎn)生的高壓高溫飽和濕蒸汽，由地面管線(xiàn)運(yùn)輸至井口、再由井口通過(guò)井筒傳輸注入油層，達(dá)到降低稠油黏度的目的。蒸汽的溫度、壓力、干度等熱力參數(shù)由于地面管線(xiàn)輸送過(guò)程中產(chǎn)生的熱損失而發(fā)生變化，這直接決定注蒸汽熱采效果的好壞。本文給出了地面管線(xiàn)蒸汽運(yùn)輸過(guò)程中各種熱力參數(shù)的計(jì)算公式，并且編制了相應(yīng)的計(jì)算軟件，可以較為方便地計(jì)算出稠油熱采注蒸汽過(guò)程中地面管線(xiàn)內(nèi)任意位置蒸汽的壓力、溫度、干度、熱損失等重要參數(shù)，基于計(jì)算出的地面管線(xiàn)內(nèi)蒸汽熱力參數(shù)，可以提出減少蒸汽熱量損失的措施，提高注汽效率。

1 地面管線(xiàn)傳熱過(guò)程分析及計(jì)算模型建立

1.1 熱損失計(jì)算

根據(jù)傳熱學(xué)理論，對(duì)地面管線(xiàn)做如下假設(shè)：

1）蒸汽的溫度Ts和大氣的溫度Ta是固定不變的（微元段）。

2）管線(xiàn)的橫截面積A不變。

根據(jù)熱損失基本計(jì)算公式［1-2］：

式中：q為單位時(shí)間內(nèi)、單位長(zhǎng)度地面管線(xiàn)內(nèi)蒸汽的熱損失，W/m；R為單位長(zhǎng)度地面管線(xiàn)上的熱阻，（m·℃）/W。

地面管線(xiàn)內(nèi)熱阻由管壁上的液體膜層對(duì)流換熱、污垢層對(duì)流換熱、管壁導(dǎo)熱、絕熱層導(dǎo)熱和氣膜層強(qiáng)迫對(duì)流換熱幾部分組成，即：

式中：hf為液膜層對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；ri為管線(xiàn)內(nèi)半徑，m；hp為污垢層對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；λp為管線(xiàn)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；ro為管線(xiàn)外半徑，m；λins為保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；rins為保溫層外半徑，m；hfc為保溫層外表面上強(qiáng)迫對(duì)流熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

1.2 壓降計(jì)算

為了建立地面管線(xiàn)內(nèi)蒸汽流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，假設(shè)如下［3］：

1）鍋爐出口蒸汽的參數(shù)（干度、溫度、壓力及注汽速率）保持不變。

2）地面管線(xiàn)內(nèi)蒸汽的流動(dòng)視為一維穩(wěn)定流動(dòng)。理想情況下，水與蒸汽混合均勻，具有相同的流速，可將其視為均勻流體。

將鍋爐出口做為坐標(biāo)原點(diǎn)，Z軸方向?yàn)楣芫€(xiàn)內(nèi)蒸汽流動(dòng)的方向。根據(jù)動(dòng)量守恒定律，總壓力梯度由摩擦梯度、重力梯度和加速度梯度組成［4］，即：

式中：θ為管線(xiàn)傾角，（°）；ρm為濕蒸汽的平均密度，kg/m3；νm為濕蒸汽的平均速度，m/s；A為流動(dòng)截面積，m2；G為鍋爐出口濕蒸汽的注入速率，kg/s。

在地面管線(xiàn)蒸汽流動(dòng)過(guò)程中，氣體體積流量遠(yuǎn)大于液體體積流量，故可近似看作理想氣體。將整個(gè)地面管線(xiàn)分成若干段，在每一段內(nèi)進(jìn)行積分，計(jì)算得到每一段出口處蒸汽壓力的計(jì)算公式為：

式中：pi+1為微元段出口壓力，MPa；pi為微元段入口壓力，MPa；vi+1為微元段出口蒸汽平均速度，m/s；vi為微元段入口蒸汽平均速度，m/s。

式中ρm和fm是濕蒸汽的平均密度與兩相流摩阻系數(shù)，計(jì)算采用奧爾基捷維斯基經(jīng)驗(yàn)公式。

針對(duì)注汽井井口壓力數(shù)據(jù)情況，各個(gè)微元段壓降之和應(yīng)等于鍋爐出口壓力和井口壓力之差，即：

式中：P0為鍋爐出口壓力，MPa；PN為井口壓力，MPa。

1.3 干度計(jì)算

依據(jù)能量守恒定律，單位時(shí)間單位長(zhǎng)度地面管線(xiàn)內(nèi)蒸汽能量的減少等于單位時(shí)間單位長(zhǎng)度地面管線(xiàn)內(nèi)的熱損失［5］，因此建立如下能量控制方程：

式中：θ為管線(xiàn)傾角，（°）；h為飽和濕蒸汽焓值J/kg，h=hgx+h1（1-x）；hg為飽和蒸汽焓值，J/kg；hl為飽和水焓值，J/kg；x為蒸汽干度；g為重力加速度，m/s2。

由于焓是壓力的函數(shù)，濕蒸汽平均流速為濕蒸汽平均密度的函數(shù)，所以（6）式可寫(xiě)為：

令：

因?yàn)槟骋簧疃认翪1、C2、C3是常數(shù)，所以（8）式為一階常微分線(xiàn)性方程，其定解條件為：

方程特解為：

稠油注蒸汽地面管線(xiàn)沿程壓力降和熱損失求解之后，可根據(jù)（9）式求出管線(xiàn)內(nèi)任意位置蒸汽的干度。

2 求解方法

為了計(jì)算出地面管線(xiàn)內(nèi)蒸汽的熱損失，必須先計(jì)算管線(xiàn)內(nèi)沿程的壓力降和蒸汽的干度，但是計(jì)算蒸汽的干度又需要先計(jì)算單位地面管線(xiàn)長(zhǎng)度內(nèi)蒸汽的熱損失和壓力降，各個(gè)熱力參數(shù)相互耦合，需要通過(guò)節(jié)點(diǎn)分析方法進(jìn)行求解，主要步驟如下：

1）以鍋爐出口的蒸汽參數(shù)（p0、T0、x0）作為計(jì)算的起始點(diǎn)。

2）取地面管線(xiàn)一段長(zhǎng)度Δz，假設(shè)在Δz長(zhǎng)度內(nèi)蒸汽的干度降Δxi和壓力降Δpi，可參考鍋爐出口和井口的壓力平均值給出Δz管線(xiàn)長(zhǎng)度的壓力降，則該段的平均干度xavi=xi-1-Δxi/2和平均壓力pavi=pi-1-Δpi/2。根據(jù)pavi查出相應(yīng)的平均飽和溫度Tavi和其他物性參數(shù)ρl、ρg、μl、μg、Zg、Hg，為后面計(jì)算飽和濕蒸汽的平均密度ρm和摩擦阻力系數(shù)fm的計(jì)算做準(zhǔn)備，根據(jù)理想氣體定律和動(dòng)量守恒定律計(jì)算出Δz長(zhǎng)度上的壓力降Δpi'。將計(jì)算值Δpi'與假定值Δpi比較，反復(fù)迭代，直到為止，得到該段的出口壓力pi和對(duì)應(yīng)的飽和溫度Ti，作為下一Δz的初值。同時(shí)計(jì)算飽和溫度Ti、飽和壓力pi下的焓值hli、hgi，為計(jì)算該段的蒸汽干度做準(zhǔn)備。

3）假定地面管線(xiàn)外表面溫度Twi，利用公式計(jì)算hrc，從而計(jì)算出總熱阻R和熱損失qi，再將熱損失qi代入地面管線(xiàn)管內(nèi)到保溫層外壁傳熱計(jì)算公式，得到管線(xiàn)外表面溫度Twi'，反復(fù)迭代，直到|Twi-Twi'|/Twi＜ε為止，最后求出熱損失qi。

4）由能量平衡方程計(jì)算蒸汽的干度xi，反復(fù)迭代，直到，否則重復(fù)上述2）～4）計(jì)算步驟，并將計(jì)算得到的干度xi作為下一Δz的初始干度值。

5）取下一微元段Δz，重復(fù)上述2）～4）計(jì)算步驟，直到整個(gè)地面管線(xiàn)計(jì)算完畢，并且滿(mǎn)足，，否則重復(fù)上述2）～5）計(jì)算步驟，從而得到管線(xiàn)任意位置pi、Ti、xi、qi（i=0，1，…，N）。

圖1 保溫層導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)管線(xiàn)沿程蒸汽干度的影響曲線(xiàn)

圖2 注汽速率對(duì)管線(xiàn)沿程蒸汽干度的影響曲線(xiàn)

圖3 鍋爐出口蒸汽干度對(duì)管線(xiàn)沿程蒸汽干度的影響曲線(xiàn)

圖4 鍋爐出口蒸汽壓力對(duì)管線(xiàn)沿程蒸汽干度的影響曲線(xiàn)

3 計(jì)算結(jié)果與影響因素分析

這里以遼河油田曙光采油廠的一口注汽井為例，該井鍋爐出口溫度336℃，鍋爐出口壓力13.9MPa，鍋爐出口排量18t/h，鍋爐出口干度0.75，井口溫度301.43℃，井口壓力8.907MPa，管線(xiàn)內(nèi)徑0.1m，管線(xiàn)外徑0.108m，管線(xiàn)長(zhǎng)度850m，管線(xiàn)表面黑度0.85，管材導(dǎo)熱系數(shù)57.0W/（m·℃），保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)0.2W/（m·℃），保溫層厚度0.07m。

從圖1、圖2、圖3、圖4可以看出：在地面管線(xiàn)同一位置，隨著保溫層導(dǎo)熱系數(shù)的減小，蒸汽干度逐漸增加，并且保溫層導(dǎo)熱系數(shù)越小，管線(xiàn)沿程蒸汽干度下降越慢；在地面管線(xiàn)同一位置，隨著注汽速率的增大，蒸汽干度逐漸增加，并且注汽速率越大，管線(xiàn)沿程蒸汽干度下降越慢；在地面管線(xiàn)同一位置，隨著鍋爐出口蒸汽干度的增大，蒸汽干度逐漸增加，并且鍋爐出口蒸汽干度越大，管線(xiàn)沿程蒸汽干度下降越慢；地面管線(xiàn)同一位置，隨著鍋爐出口壓力的減小，蒸汽干度逐漸增加，并且鍋爐出口壓力越小，管線(xiàn)沿程蒸汽干度下降越慢。從圖5、圖6可以看出：在地面管線(xiàn)同一位置，隨著保溫層導(dǎo)熱系數(shù)的減小，累計(jì)熱損失逐漸減小，并且保溫層導(dǎo)熱系數(shù)越小，累計(jì)熱損失增加越慢；在地面管線(xiàn)同一位置，隨著注汽速率的增大，累計(jì)熱損失逐漸減小，并且注汽速率越大，累計(jì)熱損失增加越慢。

The thermal recovery technology by steam injection has been widely used in heavy oil reservoir development.In order to ob?tain the thermodynamic parameters of the steam at any position of ground steam injection pipeline，the comprehensive heat transfer math?ematical model of the ground steam injection pipeline was established in consideration of the wellhead pressure constraint，and the pa?rameter models coupling each other are solved by using the nodal analysis method.At the same time，the influence factors（pressure，tem?perature，dry degree and so on）of the thermodynamic parameters of the steam in the ground pipeline are analyzed by the calculation ex?ample.It is shown that，in order to improve the utilization ratio of steam dry degree and decrease the heat loss of the ground pipeline，the thermal insulation material with low thermal conductivity and good insulation property should be used to increase the steam injection rate，improve the steam dryness at the outlet of boiler and reduce the steam pressure at the outlet of boiler，which can provide reference for the process design of the steam transportation pipeline system.

thermal recovery of heavy oil；ground pipeline；thermal parameter；pressure constraint

楊清玲（1982-），女，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事測(cè)試解釋理論與方法研究。