地面蒸汽管道熱力計算模型及影響因素分析

葛彥昭，岳永勝，李 煜，荊 琪，李冬元

（1.華北油田公司華隆綜合服務處，河北霸州 065700；2.東北石油大學土木建筑工程學院，黑龍江大慶 163318）

地面蒸汽管道熱力計算模型及影響因素分析

葛彥昭1，岳永勝1，李 煜1，荊 琪1，李冬元2

（1.華北油田公司華隆綜合服務處，河北霸州 065700；2.東北石油大學土木建筑工程學院，黑龍江大慶 163318）

稠油注蒸汽開采過程中地面蒸汽管道的能量損失直接影響著注汽熱采效果，合理的地面蒸汽管道能量計算模型十分重要。目前已有一些關于地面蒸汽管道能量損失的計算模型，但是應用于現場實際工程計算還存在不足之處。為了能更好地與現場工程實際相結合，基于地面蒸汽管道傳熱特點，建立了管道的熱損失、壓降、干度工程計算模型，編制了計算程序，并分析了影響管內蒸汽干度的因素。研究結果表明，編程計算數據與現場數據吻合較好。

地面管道；干度；稠油熱采；模型

0 引言

隨著石油開采技術的不斷提高，稠油油藏越來越引起石油工作者的重視。稠油是一種高黏度、高密度的原油，由于稠油在石油資源中所占比例較大，因此如何開采稠油使之成為可動用儲量，是石油界一直探究的問題。稠油的開采方式有很多，主要分三種[1]：稠油冷采技術；稠油熱采技術；冷熱結合的復合式采油技術。當前主要以熱采為主，即向地層中注入高溫高壓蒸汽，但注汽過程中蒸汽管道的能量損失直接影響熱采效果。當今已有一些關于蒸汽管道能量損失方面的理論研究成果，但受到現場實際情況和計算機技術的限制，能量損失計算不太準確，有些結果與實際相差很大。目前國內外關于蒸汽管道的研究較多，在計算壓降方面主要是采用Beggs-Brill[2]、Orkiszewski[3]等方法，即在計算氣液兩相流壓力損失時從微元體機械守恒的角度出發推導壓降方程，但忽略了自身的能量變化；王彌康[4]對熱傳遞的定量計算進行了研究。但學者們主要側重于理論模型，為了能更好地指導現場實際工作，本文在前人研究的基礎上，結合現場實際建立比較簡單實用的模型，對合理選擇注蒸汽熱力工藝參數，提高熱采井使用壽命和稠油開采經濟效益有著非常重要的意義。

本文以某油井為研究對象，將現場實際數據與編程計算的數據進行對比，并分析不同的因素對干度的影響。

1 地面蒸汽管道數學模型的建立

蒸汽通過地面管道流動時，由于克服流動摩擦阻力導致壓力下降，同時由于熱能向管道周圍環境散失造成干度損失。若計算地面管道的熱損失，必須先計算蒸汽干度，而計算蒸汽干度又必須先計算熱損失和壓力降。

為了建立蒸汽在地面管道內流動的數學模型，做如下假設：

（1）鍋爐出口蒸汽參數 （注汽速率、壓力、溫度及干度）保持不變。（2）地面管道水平布置且管道的橫截面積不變。（3）蒸汽在地面管道內的流動為一維穩定流動。

1.1 管道熱損失的傳熱過程及計算

供熱介質的熱量通過管道內表面向管道外表面傳遞，然后從保溫結構的內表面傳到外表面，再從保溫結構外表面向保溫結構周圍的空氣傳遞[5]。計算公式如下：

式中Φ——傳熱量/W；

k1——保溫管道的傳熱系數（以保溫管道外表面為基準）/（W/（m2·℃））；

d0——管道外徑/m；

l0——單位管道長度/m；

tp——管道內介質平均溫度/℃；ta——管道外空氣溫度/℃。

其中：

式中λ1——管道導熱系數/（W/（m·℃））；

λ2——保溫材料導熱系數/（W/（m·℃））；

di——管道內徑/m；

α——管道外表面復合換熱系數/（W/(m2·℃)）；

δ——保溫結構厚度/m。

式中α1——管道外表面對流換熱系數/（W/（m2·℃））；

α2——管道外表面輻射換熱系數/（W/（m2·℃））；

Vair——空氣流速/（m/s）；

ε——管道外表面輻射黑度；

tw——水平管道外表面溫度/℃。

1.2 壓降損失計算

水平管路中壓降主要由沿程壓降ΔPf、局部壓降ΔPj、黏性壓降ΔPv、加速壓降 ΔPa、重力壓降ΔPg幾部分組成，所以總的壓降可以表示為:

沿程壓降是由壁面剪切應力以及相間剪切應力引起的，由于氣體分散在液體中，因此對于壓降計算均采用均相模型，即：

式中λ——導熱系數/（W/（m·℃））；

v——蒸汽流速/（m/s）；

ρm——流體在均相流下的密度/（t/m3）[6]。

ρm= ρ″β + ρ′（1- β）

其中 β為體積含汽率；ρ′為管道內介質平均條件下飽和水的密度；ρ″為管道內介質平均條件下飽和蒸汽的密度。

由于此處為過熱蒸汽管道，因此黏性壓降可以忽略不計，并且管道為水平放置，因此重力壓降影響非常小，也忽略不計。

加速壓降是由于氣體膨脹引起的，盡管假設在單元模型里為不可壓縮流動，然而這種假設和實際情況有很大的差異。氣體沿管道流動時，隨著壓力的逐漸減小，氣體不斷膨脹，從而使氣相速度逐漸增加，這種加速伴隨著壓力梯度逐漸變化，因此這個壓降在模型里也經常被忽略。

1.3 管道內水蒸氣的干度計算

由于地面管道的熱損失導致飽和蒸汽能量（包括位能和內能）的降低，從而導致蒸汽干度的變化；同時由于管道壓力的變化，導致飽和蒸汽動能的改變。根據能量平衡原理可建立如下能量控制方程：

把整個系統看作與外界達到良好的絕緣，根據能量守恒可得[8]：

式中V1——管道入口蒸汽流速/（m/s）；

V2——管道出口蒸汽流速/（m/s）；Hin——管道入口焓值/（kJ/kg）；Hout——管道出口焓值/（kJ/kg）。

通過查閱文獻[9]可得到管段焓值hi（kJ/kg）的計算公式：

式中h′i——管段入口條件下飽和水的焓值/（kJ/kg）；

h″i——管段入口條件下飽和蒸汽的焓值/（kJ/kg）；

xi——管段入口條件下濕蒸汽的干度。

管段出口條件下的蒸汽干度xout：

式中hout——蒸汽對環境散熱后的焓值/（kJ/kg）；h′out——管段出口條件下飽和水的焓值/（kJ/kg）；

h″out——管段出口條件下飽和蒸汽的焓值/（kJ/kg）。

2 計算結果與討論

某地面蒸汽管道的注汽參數和管道參數如下：注汽為一爐一井方式，鍋爐出口溫度313℃，鍋爐出口壓力10.2 MPa，鍋爐出口排量15 t/h，鍋爐出口干度72%，設計注汽量2 800 m3，實測時注汽量2 040 m3，井口溫度為288℃，井口壓力為7.217 MPa，管道內徑0.1 m，管道外徑0.18 m，管道長度1 000 m，管道表面黑度0.85，絕對粗糙度0.000 045 7，保溫層厚度 0.05 m，管材導熱系數57 W/（m·℃）， 保溫材料導熱系數 0.2 W/（m·℃），環境溫度20℃，平均風速2 m/s，計算步長100 m。

程序計算結果與現場實際數據對比見圖1。

通過現場實測數據與計算數據對比，可知在長1 000 m管道中兩種干度數據相差在6%以內，誤差范圍比較小，吻合比較好。

3 結論

（1）建立了地面蒸汽管道的熱損失、壓降、干度的計算模型，結果證實該模型適用于地面蒸汽管道過熱蒸汽流動計算，而且計算簡單可靠。

（2）本模型可以應用到現場實際水平井的產量估算和生產動態的預測。

[1]李鵬華.稠油開采技術現狀及展望[J].油氣田地面工程，2009，28（2）：9-10.

[2]Beggs H D，Brill J P.A Study of Two-Phase Flow in Inclined Pipes[J].JPT，1973，（5）:607-617.

[3]Orkiszewski J.Predicting Two-Phase Pressure Drops in Vertical Pipe[J].JPT，1967，（6）:829-838.

[4]王彌康.注蒸汽井井筒熱傳遞的定量計算[J].石油大學學報，1994，18（4）:77-82.

[5]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京:高等教育出版社，1998.

[6]龐樹聲，胡修慈.垂直上升絕熱管內汽、液兩相流的壓降[J].化學工程，1990，18（6）:9-24.

[7]Черникин А В.管道水力摩阻系數計算[J].油氣儲運，1999，18（2）：26-28.

[8]劉想平，張兆順，劉翔鶚，等.水平井筒內與滲流耦合的流動壓降計算模型[J].西南石油學院學報，2005，22（2）:36-39.

[9]劉陽，陳保東，李雪.油田地面蒸汽管道干度計算方法[J].遼寧石油化工大學學報，2008，（9）：50-52.

Thermodynamic Calculation Model and Influencing Factors Analysis of Ground Steam Pipeline

GE Yan-zhao（Hualong Comprehensive Sevice Division， PetroChina Huabei Oilfield Company， Bazhou 065700，China），YUE Yong-sheng，LI Yu，et al.

In the process of heavy oil exploitation,the energy loss of the ground steam pipelines directly affects the oil thermal recovery with steam injection,a reasonable calculation model is important for the surface energy loss of the steam pipelines.There are already some calculation models about the ground steam pipeline energy loss,but there are still shortcomings in applying the models to the actual field engineering calculations.In order to combine with the field reality better,this paper establishes the engineering calculation model dealing with heat loss,pressure drop and dryness based on the heat transfer characteristics of the ground steam pipelines,then transfers it to a computer program,analyzes the factors which impact the steam dryness inside the pipeline.The results show that the calculated data match the actual data well.

ground pipeline;dryness;oil thermal recovery;model

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.04.002

葛彥昭 （1978-），男，河北保定人，工程師，2004年畢業于大慶石油學院建筑環境與設備工程專業，現從事給水、排水、采暖等施工設計工作。

2011-06-17；

2012-04-17