蒸汽從鍋爐出口到井口地面注氣管線熱損失

王端哲

摘 要：蒸汽吞吐井中，注入蒸汽在井筒中的相態特性和采出流體在井筒中的流變特性都與井筒中的溫度、壓力分布密切相關。本文通過對影響管道保溫效果的因素，找出蒸汽吞吐井的隔熱、加熱及工藝參數設計，都需要知道井筒內不同位置處的溫度壓力值。研究稠油熱采井注采過程中沿程的溫度和壓力變化規律，優化注汽工藝參數，提高稠油熱采效率。

關鍵詞：蒸汽;井口;管線;熱損失

蒸汽吞吐過程中其傳熱傳質包括物理的、化學的、熱動力學的各種現象，是一個十分復的綜合作用過程，為具有不同流動梯度的非穩定流。油層中傳熱及溫度分布表現為：注蒸汽開始時，地面管線及井筒中損失一部分熱量，因而凝結為熱水，最先進入油層的是一部分熱水而后才是濕飽和蒸汽進入油層。由于油層原始溫度與注入蒸汽的溫度相差很大，因而這部分蒸汽也變為熱水，并釋放出熱量加熱油層，直到井底地帶溫度提高到注入蒸汽溫度時，才開始形成蒸汽帶，而且只有繼續注入蒸汽的汽化潛熱大于蒸汽帶向頂底層、夾層的熱損失量時，蒸汽帶才能保持并向前擴展。高溫蒸汽，一方面將導致原油和水發生膨脹，另一方面也將導致巖石發生膨脹使孔隙體積減少，從而增加了油的產出量。另外高溫蒸汽可改變巖石的潤濕性，吞吐降壓后的壓實作用以及高溫蒸汽的蒸餾裂解作用等均可改善原油的生產狀態。

蒸汽吞吐井中，注入蒸汽在井筒中的相態特性和采出流體在井筒中的流變特性都與井筒中的溫度、壓力分布密切相關，蒸汽吞吐井的隔熱、加熱及工藝參數設計都需要知道井筒內不同位置處的溫度壓力值。

1 影響管道保溫效果的因素

在自然界中熱傳遞的方式主要有三種：熱傳導、熱對流、熱輻射。在稠油熱采的過程中這三種熱傳遞方式一直貫穿著整個稠油的開發過程中。

蒸汽管道作為稠油熱采工藝中注汽系統的重要設備之一，是影響井口干度的主要因素。飽和蒸汽在輸汽管線中流動時，不斷地同周圍環境、分支管路之間進行熱量交換和質量交換，導致蒸汽的流量、壓力、熱焓和蒸汽干度逐漸變化，引起輸汽管路內各處的注汽壓差和蒸汽干度不同，進而使熱采井口處蒸汽壓力和蒸汽干度發生變化。

影響管道保溫效果的因素很多，主要有：保溫材料的導熱系數、保溫層表面散熱系數、管道所處環境溫度及常年平均風速、管道架空的高度系數，保溫層厚度及施工質量等。一般來說，在同樣熱損失的情況下，導熱系數及保溫層表面散熱系數愈大，保溫層厚度愈厚。所處環境常年平均氣溫越低、常年平均風速愈大、室外管道架得愈高，所需的保溫層厚度就愈厚。

在注蒸汽開采稠油的過程中，最關鍵的技術之一是必須最大限度地減少注入蒸汽在井筒中的熱量損失，保證注入井底的蒸汽干度較高，并且套管溫度不超過極限安全溫度，以防止套管不致因熱應力損壞及管外水泥環超高溫變質。這是注蒸汽開采稠油過程中必須解決的技術難題。

1.1雙管伴熱副管注蒸汽過程總傳導系數確定

雙管拌熱副管注蒸汽過程總傳導系數確定與上面有所差別，在開采前由主管注入蒸汽的井筒傳熱過程，在開采時雙管進行拌熱的傳熱過程略有不同。

當副管壁溫度高于主管壁溫度時，副管注汽過程中既向主管傳遞熱量，又向套管傳遞熱量。副管與主管、套管之間的傳熱包括熱輻射和自然對流傳熱（熱傳導及自然對流）。輻射傳熱與輻射面積有關，從雙管拌熱剖面圖中可以看出，副管與主管之間的熱量傳遞存在一個角度 的輻射面，副管與套管之間的輻射傳熱面為 ，因此當副管與主管、套管三管之間的相對位置確定后就可以計算出他們之間的輻射面積，計算出輻射傳熱系數;副管與主管、套管之間還通過環空介質的自然對流和熱傳導進行傳熱，因為熱傳導及自然對流是通過環空介質進行熱傳遞的，故可以將雙管拌熱中的不規則環空介質等效為等體積的規則環空介質，即將環空等效為一個以副管為中心的同心環空，半徑為 ，則可以根據定義分別計算出副管與主管、套管之間的自然對流傳熱系數。

2 稠油流變性實驗研究

稠油在井筒中流動的粘度明顯地影響到抽油井的動態。.因此，為給稠油井抽油工藝參數優化設計提供準確的粘度數據，研究不同溫度、不同剪切速率、不同含水稠油的粘度是很有必要的。

由于稠油油藏含有高的膠質瀝青，原油中的膠質瀝青具有較大的分子量，它們以微粒形式高度分散于石油中，構成所謂“親液膠體體系”，使原油具有非牛頓流體流變特性。蒸汽吞吐開采稠油油田，井筒中由于水的存在，一方面將形成油水乳狀液，增加原油在井筒中流動時的粘度;另一方面，游離水的存在將減小稠油在井筒中流動時的粘度，這兩方面因素的作用主要取決于油水混和物的乳化程度。

由以上分析可知，稠油在井筒中流動時的粘度與井筒中的溫度、油井含水密切相關。由于稠油中石蠟和膠質瀝青的存在，使稠油具有非牛頓流體流變特性，所以，井筒中稠油粘度還與剪切速率即油井產量有關。

2.1? 基本方法原理

國內外研究稠油流變性的方法主要是采用轉筒式粘度計和高壓細管式流變儀，其主要方法原理如下：

2.1.1 轉筒式粘度計測定稠油粘度基本方法原理

轉筒式粘度計可分為內筒旋轉式同軸圓筒旋轉粘度計、外筒旋轉式旋轉粘度計和單一圓筒旋轉粘度計。它們通過測定圓筒在被測流體中的旋轉力矩來確定流體的應變速度（剪切速率）和粘度的關系。這種儀器操作方便，儀器上一般可直接讀出應變速度、粘度、轉矩、剪切應力等數據（如Brokfield粘度計），根據儀器測定的應變速度和粘度的關系曲線，可以確定流體的流變特性及流體性質（如牛頓流體、假塑性流體等）。

2.1.2用高壓細管式流變儀測定稠油粘度基本方法原理

高壓細管式流變儀通過流體在細管內的恒定剪切流動 ，實測流體通過細管流動的壓差和流量，推算剪應力與剪應變速度的關系以及流體的有效粘度與流速的關系，從而確定流體的流變特性。高壓細管式流變儀測定稠油的流變性時，稠油在細管中流動穩定的時間較長，因此，應用高壓細管式流變儀研究稠油的流變性遠復雜于轉筒式粘度計研究稠油的流變性。