姜紅梅

摘要：針對(duì)遼河油田稠油開(kāi)采，熱采工藝是非常有效的開(kāi)采工藝。稠油熱采工藝中注汽溫度最高可達(dá)350，在此溫度下利用水產(chǎn)生的體積膨脹力和飽和蒸汽壓力可滿足一些封隔器的動(dòng)力來(lái)源。本文通過(guò)對(duì)誰(shuí)的熱膨脹力的分析和計(jì)算，指導(dǎo)水作為膨脹劑的應(yīng)用。，

關(guān)鍵詞：稠油 水 定容膨脹 定壓膨脹

當(dāng)溫度升高時(shí)，氣體和大多數(shù)液體都會(huì)有體積的膨脹。水是一種性能穩(wěn)定、安全可靠的液體，對(duì)水的熱膨脹和飽和蒸汽壓的研究已非常透徹，故本試驗(yàn)中以水作為膨脹劑，從定容、變?nèi)輧煞矫嫜芯颗蛎泟┰谏郎剡^(guò)程中，膨脹劑的熱膨脹量和膨脹劑對(duì)活塞的熱膨脹力。

簡(jiǎn)單液體的簡(jiǎn)化狀態(tài)方程如下：

等壓體積膨脹系數(shù) 和等溫壓縮系數(shù) 都很小，在一定溫度范圍內(nèi)為常數(shù)，可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)出，也可查閱相關(guān)資料。本研究中等溫壓縮系數(shù)通過(guò) 計(jì)算，水的密度和壓強(qiáng)及等壓體積膨脹系數(shù)從文獻(xiàn)附錄七中查閱。 由充裝水時(shí)確定，取 為充裝溫度即室溫（25℃）， 是在溫度 時(shí)水的容積，即設(shè)定充裝容積。

1、定容狀態(tài)下水的熱膨脹力的分析與計(jì)算

封隔器再設(shè)計(jì)時(shí)一般會(huì)設(shè)計(jì)剪切銷(xiāo)釘防止在下井過(guò)程中中途坐封，通過(guò)定容狀態(tài)的分析與計(jì)算就可以解決此問(wèn)題。定容狀態(tài)下，

本試驗(yàn)裝置裝完膨脹劑后，活塞與液面設(shè)定為無(wú)縫隙的理想狀態(tài)，即可設(shè)定初始?jí)簭?qiáng) 。帶入式（1）可得：

通過(guò)理論計(jì)算滿液狀態(tài)下，膨脹劑對(duì)活塞的壓強(qiáng)。圖2-1為系統(tǒng)滿液定容加熱過(guò)程T-P圖。

從圖1可以得出，滿液狀態(tài)下，系統(tǒng)容積不變的情況下，水加熱時(shí)體積發(fā)生膨脹，膨脹力在0-250之間上升緩慢，當(dāng)溫度超過(guò)250是迅速上升。

2變?nèi)轄顟B(tài)下熱膨脹時(shí)體積膨脹的計(jì)算與分析

熱膨脹力測(cè)試裝置的活塞測(cè)量填充液體的熱膨脹量，其行程是代表溫度的函數(shù)，活塞的行程變化量：

設(shè)定初始水充滿高度 mm，活塞面積 mm2，則 mm3，不同溫度下對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)值和等壓體積膨脹系數(shù)采用文獻(xiàn)[6]附錄七中的對(duì)應(yīng)的數(shù)值。通過(guò)計(jì)算得出圖2變?nèi)轄顟B(tài)飽和水T-△h圖。

圖2中數(shù)據(jù)表明，水定壓加熱至飽和水的過(guò)程中，水達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的體積增量隨著溫度的升高而增大;同時(shí)，從式（2）中我們可以得出結(jié)論，在活塞面積一定時(shí)，活塞行程的變化量與 成正比，故隨著溫度的升高，活塞的行程變化量 也在增大。

3、干飽和蒸汽時(shí)活塞隨溫度的行程變化量

工質(zhì)水從液態(tài)全部轉(zhuǎn)化為干飽和蒸汽，系統(tǒng)滿足克拉貝龍方程[7]工程熱力學(xué)：

充裝高度 mm時(shí)，通過(guò) （式中，M物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，單位g/mol）計(jì)算得出系統(tǒng)工質(zhì)物質(zhì)的量 =27.8mol。溫度為給定值，其它數(shù)值通過(guò)查文獻(xiàn)[6]附錄三和附錄十可知。將相關(guān)數(shù)值代入式（5）計(jì)算，得出不同溫度下的水蒸汽體積V通過(guò)式（2）計(jì)算活塞的行程變化量 （假定活塞行程受氣體膨脹力作用不受限制，可無(wú)限向上運(yùn)動(dòng)），計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4 飽和蒸汽T-△h圖。

由圖4可以看出，干飽和蒸汽會(huì)隨著溫度的升高，系統(tǒng)的體積減小，活塞高度變小。但是高度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初始高度，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

（1）?????? 以水為膨脹劑的封隔器初封隔溫度在230℃-350℃可提供5.3MPa5-84.67MPa的壓力。

（2）?????? 當(dāng)活塞動(dòng)力小于該溫度下的飽和蒸汽壓時(shí)，封隔器的壓縮距符合飽和水的活塞移動(dòng)高度，即230℃-350℃高度從3.89mm-43.68mm。

（3）?????? 當(dāng)活塞移動(dòng)高度繼續(xù)增大時(shí)，系統(tǒng)壓力會(huì)增大重新達(dá)到平衡

參考文獻(xiàn)：

[1] Willhite G P.Design Criteria for Completion of Steam Injection Wells[J].JPT，1967，19（1）5～21.

[2] Holliday G H.Calculation of Allowable Maximum Casing Temperature to Prevent Tension Failures in Thermal Wells[C].ASME Paper，1969

[3] 張?jiān)收?，賈忠慧，朱翠娥，等.注蒸汽井的溫度場(chǎng)及其套管的熱應(yīng)力[J].石油鉆采工藝，1992，14（4）：59～63.

[4] 崔孝秉，曹玲，張宏，等.注蒸汽熱采井套管損壞機(jī)理研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1997，21（3）：57～64.

[5] 孟祥玉等.勝利油田套管損壞的現(xiàn)狀及建議.石油鉆采工藝，1994;16（2）：10～14

[6] 張玉民，阮耀鐘.熱學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2002

[7] 嚴(yán)家騄編著.工程熱力學(xué) 第二版[M].北京：高等教育出版社，1989