稠油注汽管線保溫效益評估系統①

林 琳,劉 芳,佟 巍,盧 仲,段騰飛,閔泓泊

1(東北石油大學 計算機與信息技術學院,大慶 163318)

2(大慶油田 第一采油廠信息中心,大慶 163001)

新疆油田稠油開采應用熱采技術,該技術通過加熱油藏來改善地層的滲流特性,以達到提高原油產量、采收率和開采效益的目的.熱采過程中,需要持續地注入高溫蒸汽,但由于高溫蒸汽與環境存在較大的溫差導致管線和設備都存在不同程度的熱量損失,使得注入蒸汽的溫度和干度有所降低,對蒸汽品質和油藏產量有較大影響[1].為了增強注汽效果,注汽系統需要增大注汽流量以補償熱量損失,但這對采油能耗影響較大.目前,新疆油田有注汽管線約800 km,其熱損失約占到整個注汽系統的10%,且能源消耗量占比逐年增加.

在稠油開采的過程中,提高管線的保溫效果對降低熱損失有著至關重要的作用.但在實際生產中對保溫參數及材料的選擇還存在人工計算、人工繪圖等現象.如果將信息數據處理技術與稠油注汽管線保溫效益計算相結合,將稠油注汽管線保溫效益的計算程序化,實現保溫效益計算的自動化處理,結果展示的圖形化,可以極大提高工作效益.

經實際調研,稠油開采行業對熱損失的計算模型中做了很多研究.Huygenher[2]研究了一套用于估算溫度和熱損失量的曲線,Earlougher[3]利用了油藏工程、數值模擬、計算機技術等方法和手段,對地面管線及井筒的熱損失、蒸汽壓力和蒸汽干度與井筒中的總傳熱系數進行耦合分析,但目前對于注汽管線蒸汽流動傳熱計算模型研究較少,且有些計算結果與實際情況偏差較大.

本文針對稠油注汽管線全生命周期保溫效益研究的實際需求,應用信息技術建立數據處理及計算系統,優化管線保溫效益計算方法,實現節能降耗的目的.信息數據處理是建立系統工程和實現自動控制的基本環節,要從大量的原始數據中提取有價值的信息,并對數據進行加工整理,包含對數據的搜集、存儲、處理、分類、歸并、計算、排序、轉換、檢索和共享的演變與推導全過程.該系統的應用,能夠對注汽管線保溫效益計算過程中的采集、處理、以及信息的計算提供幫助,并具有優選保溫材料、優化保溫結構,提高油田開發的經濟效益等重要的工程現實意義.系統以信息流程設計為先導,智能數據庫建設為基礎,構建信息化、智能化與自動化程度較高的熱采工程項目執行與管理系統,實現協同工作.并以此為模板,推動信息處理技術在稠油保溫計算方面的應用與發展.

1 模型構建與分析

蒸汽在管線中流動時不斷與周圍環境進行熱量交換,影響蒸汽品質[4].在研究管線熱損失、蒸汽熱物性參數以及保溫效益分析、保溫層結構優化算法等的基礎上,構建蒸汽管線保溫效益評估模型.通過分析管線高度、表面發射率、環境溫度及風速的影響,確定了保溫管線與周圍環境之間的輻射換熱為主要影響因素.構建了簡化的管線注汽參數計算模型和保溫層厚度經濟性分析模型,優化分析了注汽參數和保溫層厚度的影響規律,為油田管線注汽參數和保溫層厚度的選擇提供指導依據.

1.1 注汽管線表面散熱損失計算分析

稠油注汽開采過程中,地面蒸汽管線表面散熱損失直接影響著注汽熱采效果,精確計算注汽管線表面散熱損失可提高熱采效率、降低輸送能耗.基于注汽管線傳熱特點,建立注汽管線二維穩態傳熱模型,采用有限體積法進行求解,分析管線高度、空氣溫度、風速和保溫材料表面發射率對注汽管線表面散熱損失的影響規律.

通過設定管線的內徑、保溫材料厚度等物理、數學模型[5],建立管線表面散熱損失計算的理論模型:

管段散熱量 φ,如式(1)所示:

管線外表面復合換熱系數α,如式(2)所示:

其中,a,b,m為常數;twall、tair、tpingjun分別為保溫管線外表面溫度(℃)、空氣溫度(℃)、管段流體進出口溫度的平均值(℃);vair為風速(m/s);d0為保溫管線外徑(m);l0為管線微元長度(m);di為管線內徑(m);δ為保溫層厚度(m);λ1、λ2分別為管線材料和保溫材料導熱系數W/(m·k)[6].

得到如下結論:

(1)無論有無輻射換熱,隨著注汽管線距地面高度的升高,對注汽管線熱流量損失影響較小.

(2)管線保溫層外表面對流換熱系數與風速呈線性變化,當不考慮輻射換熱時,隨著入口速度增大,注汽管線表面散熱損失增多;當考慮輻射換熱時,隨著入口速度增大,對注汽管線表面散熱損失降低.

(3)無論有無輻射換熱,隨著溫度升高,注汽管線表面散熱損失降低.

(4)隨著注汽管線外表面發射率增加,模擬數值和計算值的相對誤差變大,誤差范圍波動較大,吻合較差.

結論表明,管線外表面與環境間的輻射換熱影響較大,且管線高度、風速及環境溫度等均有不同程度的影響.因此,在進行管線熱傳遞分析過程中應考慮輻射換熱.

1.2 地面管線蒸汽熱力參數預測模型

通過建立蒸汽在水平地面管線內流動的熱損失和壓降一維耦合模型和保溫層厚度經濟性分析模型[7],通過微元法進行各節點管線蒸汽干度求解,分析了不同鍋爐出口溫度和壓力、蒸汽流量等因素下管線沿程干度變化規律,并優化了保溫層厚度[8].

得到如下結論:

(1)在同一地面管線位置:隨著注汽溫度與注汽壓力的提高,管線沿程干度下降越快.在不同的注汽流量時,初始注汽流量越小,管段沿程干度下降愈快.鍋爐出口蒸汽干度越小,管線沿程蒸汽干度下降越慢.

(2)確定保溫層厚度對蒸汽管線運行經濟性的影響,采用經濟厚度在降低蒸汽管線熱損費用方面具有顯著優勢,可實現其經濟效益最大化,并且需重視保溫材料服役期間老化程度對管線傳熱性能惡化引起運行費用增加的影響.

1.3 地面管線保溫層結構變異傳熱特性研究

隨著使用年份增加,架空管線保溫層結構會出現不同程度的結構變異,如軟保溫層受重力作用常出現結構沉降現象[9],其結構的上薄下厚會對保溫性能造成影響.因此,通過建立了稠油注汽管線結構變異計算模型,研究保溫結構偏心與鏤空對地面稠油注汽管線傳熱特性的影響規律.準確計算保溫管線在實際工程中的散熱損失及性能效益具有重要指導價值.

得到如下結論:

(1)偏心沉降對保溫層外表面溫度的影響:保溫材料外表面溫度受偏心沉降影響較大,且偏心沉降越嚴重,則保溫材料外表面溫度影響越大.因此,保溫材料偏心沉降對管線傳熱的影響應加以重視.

(2)梯度風速對偏心管線傳熱特性的影響:室外環境風速的增加對保溫層的保溫效果有一定的影響.由于風速增加導致的熱損失,偏心保溫管線下壁面熱流密度增量大于上壁面,這是由于其內部空氣層受到了室外風速的擾動,增加了其對流換熱強度.

(3)管徑對偏心管線傳熱特性的影響:管徑越大越有利于減小管線偏心造成的熱損失.管徑的增加,使得保溫管線與室外環境接觸的面積增加,導致熱損失變大.

(4)土壤輻射對偏心管線傳熱特性的影響:冬季稠油注汽保溫管線的溫度遠高于土壤溫度,土壤輻射對偏心保溫管線下壁面影響較為顯著.

1.4 稠油熱采地面注汽管線保溫經濟效益評估的參數確定

基于以上對稠油熱采地面注汽管線保溫經濟效益評估影響因素的分析,確定環境溫度、風速、外表面溫度等參數并確定默認值及根據當地的條件設定參數的取值范圍,見表1.

表1 計算參數符號及范圍

2 系統框架設計

基于對稠油保溫效益評估模型構建與分析,對稠油注汽管線效益信息評估系統進行需求分析,建立開發稠油注汽管線保溫效益信息評估系統的系統框架及算法流程.

2.1 系統的建設目標

(1)設計一套稠油注汽管線保溫效益評估系統框架,推動信息處理技術在稠油保溫效益方面的應用.

(2)搭建稠油注汽管線保溫效益評估系統的數據管理系統以實現對數據的精確化、結構化處理.

(3)實現信息的結構化處理、以及數據的精確化計算和數據輸出.

(4)通過大數量的數據檢驗,進行不斷的改進,搭建完善的稠油注汽管線保溫效益評估系統.

2.2 系統的總體建設方案

針對信息技術在稠油注汽管線保溫效益研究中的的實際需求,本系統主要應實現4 類功能:管線熱損失計算、蒸汽熱物性參數計算、保溫效益分析及計算、保溫層結構優化及計算.提供相關參數設置、圖形化展示以及計算報告輸出等功能.系統能夠根據輸入的溫度、風速、保溫材料等參數及相關的計算公式對數據進行加工處理,并由此構建出5 種圖形可視化展示,包括:溫度曲線可視化、壓降曲線可視化、蒸汽干度曲線可視化、散熱損失曲線可視化、保溫效益曲線可視化.圖1為系統總體研究方案.

圖1 稠油注汽管線保溫效益評估系統總體研究方案

根據總體方案的需求,建立系統的實體關系圖,實現系統各模塊間的數據關系.實體關系圖如圖2所示.

圖2 稠油注汽管線保溫效益評估系統實體關系圖

2.3 系統功能架構設計

該系統主要實現的功能有:文件管理功能、參數設置功能、計算功能、數據可視化功能以及分析報告輸出等功能.系統功能模塊圖如圖3.

圖3 稠油注汽管線保溫效益評估系統功能模塊圖

(1)文件管理功能

操作者可通過另存項目、打開項目、新建項目、退出項目操作,實現對項目文件的管理功能.

(2)模參數設置功能

系統需要基本的參數設置:其中包括管內流體參數、環境參數等,通過各類參數進行計算.設置分為管線材料設置和保溫材料設置兩部分,并對所有數據進行循環檢測實現對數據的范圍約束從而實現數據檢測.

(3)計算功能

計算功能分為4 個子系統:根據相關的計算公式對數據進行加工處理,總體分為蒸汽熱物性參數計算子系統、管線熱損失計算子系統、全生命周期保溫效益分析及計算子系統、保溫層結構優化子系統.

(4)數據可視化功能

數據計算完成后,可以選擇5 個方面進行圖像可是化展示:通過控件Zergraph,利用給定X,Y 軸以及對應的二次關系來進行數據的可視化.通過可視化結果,用戶可以更直觀的觀測數據的整體性以及變化趨勢.構建出5 種圖像曲線的繪制包括:溫度曲線繪制、壓降曲線繪制、蒸汽干度曲線繪制、散熱損失曲線繪制、保溫效益曲線繪制.

(5)分析報告輸出功能:

最后對數據進行輸出,將數據表格變為可存儲至Excel,并將項目名稱命名給輸出文件名稱.可以實現選擇的方式有輸出至Excel、輸出至PDF 文檔.

3 系統的實現及應用

3.1 系統的開發環境

該系統的應用可在Windows7 以上系統運行,數據存儲采用單機數據庫,可滿足隨時辦公的需求.

系統的開發采用VS2017,是迄今為止最具生產力的Visual Studio 版本.其內建工具整合了.NET Core、Azure 應用程序、微服務(microservices)、Docker 容器等所有內容.

數據庫選擇的是SQLite 數據庫,它是一款輕型的數據庫.是遵守ACID的關系型數據庫管理系統,它包含在一個相對小的C 庫中.

用戶通過使用Winform 窗體中的MDI 容器,使多控件窗體在同一窗體中打開.MDI 父級容器包含文件、參數設置、計算、畫圖、數據輸出、工具欄等主菜單.通過選擇主菜單下相應的二級菜單,使相應頁面出現在MDI 子級窗口.并設置相應的快捷鍵和快捷圖標按鈕,方便用戶操作.

3.2 系統的應用

用戶進入系統后,首先新建/打開項目,選擇注汽方式,在菜單欄中的基本參數設置下的3 個子菜單依次填寫數據,并對已經填寫的數據進行數據檢測,若檢測不合格,重新修改數據,若檢測合格繼續執行蒸汽熱物性計算、管線散熱損失計算、保溫效益分析計算、結構優化計算4 個模塊的數學計算以及溫度曲線可視化、壓降曲線可視化、蒸汽干度曲線可視化、散熱損失曲線可視化、保溫效益曲線可視化5 種不同類型曲線的可視化展示,并將結果或圖像反饋給用戶.最終可將數據輸出至Excel 文件或PDF 文本文件.圖4為系統數據流圖.

圖4 稠油注汽管線保溫效益評估系統數據流圖

3.3 數據處理功能的實現

數據處理是本系統的一項重要功能,本節以已知鍋爐出口蒸汽參數對管線熱損失進行計算為例簡述數據處理的過程.

為簡化過程,以一爐一注,兩層保溫為例.通過設置主管線參數:主管線長度500 m;保溫管線外徑0.54 m;管線內徑0.3 m;管線材料導熱系數44.8 W/(m·℃);管線內壁絕對粗糙度k:0.000 045 7;散熱修正系數1;保溫管線表面黑度yi=0.85;流量G=15 t/h;入口溫度tin=313 ℃;入口壓力pin=10.2 MPa;入口干度xin=0.72.保溫材料選擇玻璃棉氈(厚度0.12 m,導熱系數0.033).輸入劃分網格n=100、計算精度e=0.001、溫度tair=20 ℃、風速Vair2 m/s.參數輸入后可進行數據檢測,對偏離實際情況的數據進行提醒,并可進行人工修正.

計算過程:

(1)定義所有變量,讀入所有輸入參數值.

(2)主管線:循環步數i=劃分網格n.用j計數,初始為0.

(3)判斷:如果i>1,那么把(i–1)次計算的出口溫度tout、出口壓力pout、出口干度xout分別賦給tin、pin和xin,結束判斷語句.

(4)子管線:若已知支線入口參數,計算步驟與主管線一樣.

計算實現偽代碼如下:

FOR i=1 to 分段數n=100 STEP 1{int j=0;IF(i >1)THEN tin=tout[(i-1)];pin=pout[(i-1)];xin=xout[(i-1)];END IF FOR j=0 to j<1000 STEP 1 tin <- tout- 0.001;//各參數減去計算精度pin <- pout- 0.001;xin <- xout- 0.001;Do While Abs(temp3- tout))/ tout >e) Or Abs(temp4- pout))/pout >e) Or Abs(temp5- xout))/xout >e){if (j >1000){//把當前出口溫度、出口壓力等插入數據庫//跳出循環}End IF temp3 <- tout;temp4 <-pout;temp5 <- xout;//出口溫度賦給臨時參數//計算管線飽和水平均密度smd <- 927.016 74- 37.823 49 * pout + 1.987 09 * pout2-0.059 76 * pout3;//飽和蒸汽平均密度zqmd、平均干度xpj、管道內流速v1 等參數值……//計算輻射熱換系數、外表面溫度、傳熱系數、分段散熱量等參數

賦值:tair + 25 賦值給twall;tair + 20 賦值給temp1;h2 +10 賦值給temp2(h2 初值為0)Do While Abs(temp1- twall) >e Or Abs(temp2- h2)>e賦值:temp1<-twall temp2 <-h2//輻射熱換系數h2 <- (5.23 * yi)/(twall- tair) * (twall + 273.15)/100)4- (tair +273.15)/100)4;//外表面溫度twall <- (((tin + tout)/2)+ (h1 + h2)* r1 * tair)/((h1 + h2)*r1 + 1);Loop Loop if (pout >21.1 OR pout <5.5 OR xout <0.1 OR xout >0.9){//輸出節點數i、和分段熱損失zsr、tout、pout、xout和zsrall//跳出循環//存入數據庫}}Exit For End If Next i

3.4 系統的運行界面

通過輸入相應的實際運行參數,系統可實現對數據的計算、對數據計算結果的可視化展示以及對數據的結果輸出保存等功能.圖5為系統參數錄入界面、圖6為計算結果輸出界面、圖7為系統的結果可視化展示界面.經實際運行計算結果準確,可指導優選保溫材料、優化保溫結構進而提升管線輸送蒸汽的品質.

圖5 稠油注汽管線保溫效益評估系統參數設置

圖6 計算結果

圖7 計算結果可視化展示

4 結論

本系統從新疆油田稠油熱采中發現的實際問題出發,通過對管線熱損失、蒸汽熱物性參數、保溫效益分析、保溫層結構優化算法的研究,構建了稠油注汽管線保溫效益評估模型并設計了一套適用于稠油注汽管線保溫效益評估系統開發框架.系統構建了稠油注汽管線保溫效益評估的數據庫架構,實現對數據的輸入、加工、存儲處理.并最終呈現一套完整的稠油注汽管線保溫效益評估系統.該系統的應用,可實現稠油注汽管線保溫效益信息評估系統的信息結構化處理和數據高速精確化計算,實現系統熱損失計算、蒸汽熱物性參數計算、保溫效益分析及保溫層結構優化的功能.下一步,將通過大數量數據檢驗,不斷改進,優化完善的稠油注汽管線保溫效益評估系統.