劉立君，王東巖，李曉慶

(1.東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.常熟理工學(xué)院電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215500)

0 引言

為改善塔河油田原油在井筒中的流態(tài)和結(jié)蠟現(xiàn)象，提高井筒及井口原油溫度，簡(jiǎn)化地面集輸流程，降低抽油機(jī)載荷，擬通過(guò)保溫技術(shù)提高井口的出油溫度，為此特開(kāi)展井筒抗壓保溫材料測(cè)試與咨詢項(xiàng)目的研究。

項(xiàng)目前期調(diào)研了稠油油田井筒保溫現(xiàn)狀。中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)研究院[1]針對(duì)渤海油田在稠油井注熱流體吞吐開(kāi)采過(guò)程，提出了一種隔熱涂層與真空技術(shù)相結(jié)合的隔熱技術(shù)。西南石油大學(xué)油氣田地質(zhì)與開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和大慶油田采油工程研究院[2]在隔熱保溫涂料的研究發(fā)展及應(yīng)用中指出，在稠油熱采過(guò)程中可使用具有很好結(jié)合強(qiáng)度、高硬度、較低導(dǎo)熱能力和對(duì)流傳熱能力以及良好抗腐蝕性能的隔熱保溫涂料。大港油田采油工藝研究院[3]優(yōu)選出了一種新型太空隔熱保溫涂料，該涂料導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到0.04 W/(m·K)，在南部稠油油田的官一聯(lián)、南一聯(lián)等站應(yīng)用新型隔熱涂料，取得了較好的效果。渤海裝備遼河熱采機(jī)械公司[4]針對(duì)遼河油田稠油開(kāi)采中隔熱油管連接處熱損失嚴(yán)重的問(wèn)題，制備了隔熱涂層，當(dāng)涂層厚度為4 cm，隔熱油管內(nèi)部蒸汽溫度為350 ℃時(shí)，涂層外表面的溫度為46 ℃。氣凝膠絕熱材料[5]具有的豐富纖細(xì)納米網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)有效的降低了材料的固態(tài)熱傳導(dǎo)，抑制了氣體分子的對(duì)流傳導(dǎo)，加之功能性材料對(duì)熱輻射的吸收和反射，使材料具有極低導(dǎo)熱系數(shù)，與目前常用絕熱保溫材料相比絕熱效果可提高2～10倍。中國(guó)石油大學(xué)[6]設(shè)計(jì)了適用于稠油熱采的氣凝膠復(fù)合隔熱套管，該發(fā)明由內(nèi)管、鋁箔、二氧化硅氣凝膠氈、外管、陶瓷耐熱環(huán)堵和接箍組成。納諾科技公司[7]指出氣凝膠涂料是以質(zhì)輕、疏水、隔熱的二氧化硅氣凝膠粉末為主要原料，采用特殊工藝均勻地分散在水性厚質(zhì)涂料介質(zhì)中，制備而成的漿料。該涂料提高了高效隔熱指標(biāo)，并有效解決了氣凝膠在運(yùn)輸和使用過(guò)程中的粉塵問(wèn)題。江兆強(qiáng)[8]等人在對(duì)比二氧化硅氣凝膠、聚氨酯泡沫、玻璃棉和水泥珍珠巖在直埋管道以及架空管道中的應(yīng)用時(shí)指出應(yīng)針對(duì)不同保溫結(jié)構(gòu)采用不同的保溫材料，才可獲得更高收益。

綜上所述可以看出，井筒外保溫體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，易于實(shí)現(xiàn)整體保溫，避免接箍處出現(xiàn)熱橋，總體保溫性能穩(wěn)定。所用材料一般有兩種：涂料和型材。保溫涂料功效穩(wěn)定且優(yōu)良，型材中性能最優(yōu)異的為二氧化硅氣凝膠，氣凝膠涂料則兼具了二者超強(qiáng)隔熱性能、高強(qiáng)度、防腐、疏水、可施工于異型處等優(yōu)點(diǎn)。

1 保溫材料性能測(cè)試指標(biāo)及材料優(yōu)選

根據(jù)調(diào)研結(jié)果和油田具體情況確定保溫材料性能測(cè)試指標(biāo)并初步篩選保溫材料進(jìn)行性能測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行材料優(yōu)選以備后續(xù)仿真計(jì)算。

1.1 材料主要性能指標(biāo)

項(xiàng)目研究過(guò)程中，確定了保溫材料需滿足的性能指標(biāo)主要有密度ρ、導(dǎo)熱系數(shù)λ、抗壓強(qiáng)度σ及憎水率H。其中具體要求如下：

(1)耐高溫，有效工作溫度不低于150 ℃；

(2)耐高壓，承壓應(yīng)在35 MPa以上(依據(jù)泵掛深度及沉沒(méi)度而定)；

(3)自重輕，可用于超深井；

(4)防水性及防腐性好，憎水率在95%以上，能適應(yīng)井下高硫環(huán)境；

(5)造價(jià)合理，投資回收期短，適于推廣應(yīng)用。

1.2 材料性能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以上指標(biāo)，結(jié)合調(diào)研所獲常見(jiàn)保溫材料，針對(duì)9種材料開(kāi)展室內(nèi)性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 保溫材料綜合性能結(jié)果

1.3 保溫材料優(yōu)選

根據(jù)性能測(cè)試結(jié)果，優(yōu)選適用于塔河油田的井筒保溫材料。

動(dòng)液面以上材料推薦(僅以本次測(cè)試樣品性能為準(zhǔn))：

(1)NTxxx氣凝膠涂料；

(2)板狀氣凝膠；

動(dòng)液面以下材料推薦(僅以本次測(cè)試樣品性能為準(zhǔn))：

(1)NTxxx氣凝膠涂料；

(2)榮力恒業(yè)隔熱涂料+抗壓防水層。

由此可見(jiàn)，氣凝膠涂料是唯一一種滿足動(dòng)液面上下均可使用的材料，因此，選擇氣凝膠涂料作為實(shí)施方案中的保溫材料，開(kāi)展井口出油溫度預(yù)測(cè)。

2 全程噴涂外保溫耐高壓防水氣凝膠涂料仿真計(jì)算

本章主要進(jìn)行編寫(xiě)計(jì)算井筒原油出口端溫度的程序，計(jì)算保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合以上兩點(diǎn)因素與保溫結(jié)構(gòu)所達(dá)到的保溫效果綜合考慮保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

2.1 井筒原油出口溫度計(jì)算

通過(guò)對(duì)井筒傳熱的物理模型和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行詳細(xì)闡述，從而進(jìn)行仿真程序的編制。

2.1.1 井筒熱傳遞物理模型

通過(guò)對(duì)井筒傳熱物理模型的基本假設(shè)條件和井筒熱傳遞的具體環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)闡述，從而介紹井筒傳熱的物理模型。

(1)本模型的基本假設(shè)條件為：①視井筒為若干同心圓管組成的結(jié)構(gòu)；②從油管內(nèi)的井液到水泥環(huán)外緣間的熱量傳遞為一維穩(wěn)態(tài)傳熱，由水泥環(huán)外緣到地層中影響半徑內(nèi)的傳熱也為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱；③地層中的物理參數(shù)為常數(shù)，忽略其隨溫度和深度的變化；④視油管內(nèi)的井液為一維均質(zhì)單相流；⑤油套管環(huán)空為低壓空氣；⑥管柱密封條件良好，無(wú)泄漏現(xiàn)象；⑦整個(gè)井筒分成若干段，每一段內(nèi)原油的物性參數(shù)為常量。

(2)井筒熱傳遞環(huán)節(jié)包含以下幾種：①井液與油管內(nèi)壁的對(duì)流換熱；②油管、涂料、套管、水泥環(huán)和土壤的導(dǎo)熱；③油套環(huán)空內(nèi)對(duì)流和輻射復(fù)合換熱；④動(dòng)液面下水與壁面的對(duì)流換熱。

圖1 井筒尺寸簡(jiǎn)圖

2.1.2 井筒熱傳遞數(shù)學(xué)模型

(1)對(duì)于井筒取一極小微元段，記為dz，對(duì)于微元段dz上的徑向熱損失dQ可表示為

(1)

式中R——井筒微元段熱阻/K·W-1；

tf——油管內(nèi)原油溫度/K；

tk——土壤影響邊緣處溫度/K。

(2)對(duì)于井筒的微元段，軸向熱損失dQ可表示為

dQ=cmd(ti-to)

(2)

式中c——油管內(nèi)原油比熱容/J·(kg·K)-1；

m——油管內(nèi)原油質(zhì)量流量/kg·s-1；

ti——井筒微元段入口端溫度/K；

to——井筒微元段出口端溫度/K。

(3)管內(nèi)原油與油管內(nèi)壁對(duì)流換熱熱阻

(3)

式中h1——管內(nèi)原油的對(duì)流換熱系數(shù)/W·(m·K)-1；

d1——油管內(nèi)直徑/m。

確定管內(nèi)原油的流動(dòng)狀態(tài)。

管內(nèi)原油質(zhì)量流量m為0.49 kg/s，密度ρ為1 048.6 kg/m3，為求得管內(nèi)原油的速度u，作以下計(jì)算

(4)

管內(nèi)原油運(yùn)動(dòng)粘度取100×10-6m2/s，雷諾數(shù)Re計(jì)算如下

(5)

可知管內(nèi)原油流動(dòng)狀態(tài)為層流。

計(jì)算管內(nèi)原油流動(dòng)的入口段長(zhǎng)度。

為確定管內(nèi)原油充分發(fā)展段的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1是否會(huì)被入口段的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)影響，故作以下計(jì)算[9]

(6)

xfd,h≈0.05Re×D=0.298 m

(7)

由式(7)結(jié)果知，入口段長(zhǎng)度在整段傳熱過(guò)程中長(zhǎng)度可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為在整段傳熱過(guò)程中，管內(nèi)原油均處于充分發(fā)展段的狀態(tài)，故在不同深度的管道換熱過(guò)程中，可認(rèn)為h1為定值[10]。

由以上所得結(jié)論知，可將管內(nèi)原油流動(dòng)簡(jiǎn)化為內(nèi)部等表面溫度的圓管內(nèi)的充分發(fā)展的層流，得到原油的努塞爾數(shù)Nu=3.66[11]。

得出

(8)

式中k——管內(nèi)原油的導(dǎo)熱系數(shù)/W·m-1·K-1，0.15 W/m·K。

(4)油管導(dǎo)熱熱阻

(9)

式中d2——油管外直徑/m。

(5)涂料導(dǎo)熱熱阻

(10)

式中d3——涂料外直徑/m。

(6)環(huán)空環(huán)節(jié)復(fù)合熱阻

(11)

式中d4——套管內(nèi)直徑/m；

αc——環(huán)空熱阻對(duì)流換熱系數(shù)/W·m-2·K-1；

αr——環(huán)空熱阻輻射換熱系數(shù)/W·m-2·K-1，取αc+αr=10 W/m2·K。

(7)動(dòng)液面下水的對(duì)流換熱熱阻

(12)

式中h2——?jiǎng)右好嫦滤膹?qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)/W·m-2·K-1，取1 000。

(8)二開(kāi)套管導(dǎo)熱熱阻

(13)

式中d5——二開(kāi)套管外直徑，m。

(9)二開(kāi)水泥導(dǎo)熱熱阻

(14)

式中d6——二開(kāi)水泥層外直徑，m。

(10)一開(kāi)套管導(dǎo)熱熱阻

(15)

式中d7——一開(kāi)套管外直徑，m。

(11)一開(kāi)水泥導(dǎo)熱熱阻

(16)

式中d8——一開(kāi)水泥層外直徑/m。

(12)影響半徑內(nèi)土壤導(dǎo)熱熱阻

(17)

式中d9——影響范圍內(nèi)土壤外直徑/m。

(13)針對(duì)井筒不同井段的不同結(jié)構(gòu)，不同微元段內(nèi)總熱阻為以上10個(gè)熱阻中部分熱阻之和。

(14)計(jì)算微元段出口溫度to

計(jì)算至此，井筒微元段熱阻R已經(jīng)求得。由于原油與土壤進(jìn)行傳熱造成的徑向熱損失，導(dǎo)致了油管在軸向的溫度降低，故將R代入式(1)求得井筒的徑向熱損失dQ，由于ti已知，將dQ代入式(2)可求得井筒微元段出口原油溫度to。

(15)計(jì)算井筒出口溫度to

將每一微元段出口溫度賦值給下一微元段入口溫度，依次迭代，最后一個(gè)微元段的出口溫度即井筒原油出口溫度。

2.1.3 仿真程序編制

根據(jù)井筒熱傳遞的物理和數(shù)學(xué)模型、塔河油田基本井況以及已知的井筒設(shè)計(jì)參數(shù)，編制并計(jì)算能使井口出油溫度提高20 K的保溫結(jié)構(gòu)。以12266X井為例，基本工況如下：日產(chǎn)油量：42.3 m；動(dòng)液面高度(深度)：987 m；管腳溫度：384.81 K(2 750 m)；土壤溫度梯度：2.5 K/100 m；保溫前井口產(chǎn)出液溫度：308 K；原油密度：1.048 6 t/m3。由于井筒不同區(qū)段的結(jié)構(gòu)不同，所以每一段井筒的計(jì)算過(guò)程稍有區(qū)別，應(yīng)分段計(jì)算。記壓力計(jì)下深至一開(kāi)鉆井底端為井段1，一開(kāi)鉆井底端至動(dòng)液面為井段2，動(dòng)液面至二開(kāi)不同型號(hào)套管銜接處為井段3、二開(kāi)不同型號(hào)套管銜接處至地表為井段4，如圖2所示。

圖2 井筒尺寸詳圖

區(qū)別于數(shù)學(xué)模型中的符號(hào)標(biāo)識(shí)，記油管內(nèi)徑、油管外徑、涂料外徑、二開(kāi)套管上段內(nèi)徑、二開(kāi)套管下段內(nèi)徑、二開(kāi)套管外徑、二開(kāi)鉆頭外徑、一開(kāi)套管內(nèi)經(jīng)、一開(kāi)套管外徑、一開(kāi)鉆頭外徑和土壤影響直徑分別為d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8、d9、d10和d11，記原油液相導(dǎo)熱系數(shù)、油管導(dǎo)熱系數(shù)、套管導(dǎo)熱系數(shù)、水泥導(dǎo)熱系數(shù)、土壤導(dǎo)熱系數(shù)、涂料受水壓后導(dǎo)熱系數(shù)和涂料導(dǎo)熱系數(shù)分別λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7，記動(dòng)液面下水的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)和環(huán)空綜合換熱系數(shù)分別為h1和h2，井段1、井段2、井段3和井段4底端所處深度分別為L(zhǎng)1、L2、L3和L4，平均溫度下原油比熱容為c，產(chǎn)油質(zhì)量流量為a，井段底端原油溫度為t，四段井筒的不同設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2至表6。

表2 四個(gè)井段均具有且相同的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 井段1特有設(shè)計(jì)參數(shù)

表4 井段2特有設(shè)計(jì)參數(shù)

表5 井段3特有設(shè)計(jì)參數(shù)

表6 井段4特有設(shè)計(jì)參數(shù)

經(jīng)程序計(jì)算，保溫后，12266X井的井口原油出口溫度為to=329.230 16 K，滿足提高20 K的預(yù)期要求。

2.2 經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

為了降低產(chǎn)出液粘度，塔河油田采用摻稀油技術(shù)進(jìn)行降粘，選用氣凝膠保溫材料進(jìn)行保溫后，井筒內(nèi)原油溫度得到提高，可以有效降低摻稀比。區(qū)別于井筒原油出口溫度計(jì)算，記涂層內(nèi)徑和涂層外徑分別為d1和d2、涂層厚度為δ、涂層外壁線面積為s、涂層體積為v1、涂層密度為ρ、涂層質(zhì)量為m、管長(zhǎng)為L(zhǎng)、涂料價(jià)格為a、施工價(jià)格為b、單位長(zhǎng)度涂料成本為c、單位長(zhǎng)度施工成本為d、單位長(zhǎng)度總成本為e、單位時(shí)間節(jié)能量為P、全年時(shí)間為t、全年節(jié)能量為Q、天然氣低位發(fā)熱量為p、折合天然氣體積為v2、天然氣價(jià)格為f、天然氣總成本為g、投資回報(bào)年限為y、初投資為h、初投資及投資回報(bào)年限計(jì)算為下表7和表8。

表7 初投資計(jì)算

表8 投資回報(bào)年限

由涂料價(jià)格22元/kg，施工價(jià)格260元/m2，可得初投資約為26.5萬(wàn)元；由井口出油溫度提高21 K可算得全年節(jié)能量約為6.5×108kJ，折合天然氣節(jié)約量約4.3萬(wàn)元/年，最終投資回報(bào)年限約6年零3個(gè)月。

3 結(jié)論

編制了井筒沿程溫降計(jì)算程序，利用程序開(kāi)展了仿真計(jì)算，以實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出的保溫材料構(gòu)建井筒保溫體系，預(yù)測(cè)了保溫后井筒出口溫度及保溫效果。

(1)根據(jù)室內(nèi)性能測(cè)試結(jié)果，塔河油田動(dòng)液面以上材料推薦：NTxxx氣凝膠涂料或板狀氣凝膠；動(dòng)液面以下材料推薦：NTxxx氣凝膠涂料或榮力恒業(yè)隔熱涂料+抗壓防水層(僅以本次測(cè)試樣品性能為準(zhǔn))；

(2)選擇氣凝膠涂料作為保溫材料建立了井筒傳熱的物理模型和數(shù)學(xué)模型，開(kāi)展井口出油溫度預(yù)測(cè)。油管外涂覆6 mm厚的氣凝膠隔熱保溫涂料，可使原油出口溫度由308 K提升至329 K；

(3)開(kāi)展了經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)，經(jīng)計(jì)算得初投資約為26.5萬(wàn)元，最終投資回報(bào)年限約6年零3個(gè)月。