稠油注汽管線熱損失計算分析與評價

郭建忠　蘇先進

摘 要：向油井注入高干度的蒸汽是提高油汽比的關鍵點。本文通過保溫管線傳熱機理的研究；計算保溫材料每千米熱損失、蒸汽干度降低值；通過鈦陶瓷保溫材料和硅酸鋁巖棉保溫材料的保溫性能、防水性能、機械性能、使用壽命的比較，可以看出鈦陶瓷保溫材料以上四方面性能均優于硅酸鋁保溫材料，是注汽管線保溫材料的升級換代產品。

關鍵詞：注汽管線；保溫材料；鈦陶瓷；硅酸鋁；熱損失；干度

稠油熱采是向油層注入高溫高壓蒸汽，注入地層蒸汽干度越高，其熱焓越高。如何保證注入油層蒸汽的干度，是本文研究的重點。提高井底注汽干度有兩個方面，一是提高鍋爐出口干度，二是減少輸汽過程中的熱損失。本文重點研究如何減少輸汽過程中的熱損失，在鍋爐出口干度一定的情況下，以保證井底干度達到設計要求。

1注汽管網熱損失計算

蒸汽輸送熱損失包括注汽管線熱損失、閥門熱損失、支墩熱損失，根據《注汽管線熱損失分析與保溫技術研究》知道，支墩熱損失占輸汽過程中熱損失的13.6%，閥門散熱損失占輸汽過程中熱損失的2.3%，兩項為15.9%，注汽管線熱損失占84.1%。因為閥門、支墩熱損失理論計算較困難，使用 儀器現場測量支墩權平均求得占總熱損失的比重。如果能計算出注汽管線的熱損失值，就可求得墩和閥門的散熱損失。下面重點研究注汽管線的熱損失的理論計算。注汽管線散熱損失主要包括注汽管壁通過保溫層的導熱，保溫層和空氣的對流輻射換熱，在工程計算中，可將對流、輻射換熱系數復合成對流換熱系數。

2 注汽管線熱損失數學模型建立

通過注汽管線保溫層導熱公式，建立保溫層熱損失數學模型。

保溫層導熱公式： （1）

公式是注汽管線保溫層傳熱的數學模型。式中t1為注汽鋼管外壁溫度， 由于鋼管蒸汽對管壁對流換熱系數、管壁導熱系數非常高，鋼導熱性能良好，可認為管壁溫度等于管內蒸汽溫度。因此t1可通過蒸汽焓熵圖表查得。 λ是保溫材料的導熱系數，和材料的性質使用溫度有關，可通過查表計算求得。 h是復合對流換熱系數，影響因素較多，計算過程復雜，主要和保溫層直徑、形狀、風速、保溫層外表溫度、環境溫度有關。通過經驗公式計算求得。

2.1鈦陶瓷保溫材料熱損失計算

鈦陶瓷保溫材料導熱系數經驗公式為

2.2壓力損失計算

蒸汽輸送過程中還存在壓力損失，在輸汽過程中，蒸汽的狀態參數壓力、溫度、焓、干度是不斷變化的。壓力損失和蒸汽干度、流量、管徑、、閥門、彎頭管壁粗造度有關。算出壓力損失后，可求得1000m處的蒸汽壓力。壓力損失包括摩擦阻力損失和局部阻力損失。

2.3摩擦阻力損失計算

3鈦陶瓷新型保溫材料與硅酸鋁巖棉保溫材料比較

3.1鈦陶瓷與硅酸鋁巖棉保溫材料保溫性能

由于注汽管線生產特點通常為間歇式運行，造成管道的不均勻性伸長或縮短，這樣容易造成內外層硅酸鋁的松動及內外層之間的互錯，形成較大空腔，傳熱方式由傳導改變為對流與輻射換熱，減弱了保溫層的保溫作用。硅酸鋁理論導熱系數為0.065w/m.k，使用條件下導熱系，0.0805w/m.k。硅酸鋁保溫層的熱損失使用壽命為3年左右。

3.2干度保留值

通過理論計算鈦陶瓷保溫的管線蒸汽干度比硅酸鋁巖棉保溫的管線蒸汽干度高1.2%實際上硅酸鋁巖棉保溫層的熱流密度遠大于理論計算值。因該保溫材料不憎水，容易被雨水浸泡，加上踩踏等原因，導致保溫層下沉，使得保溫層厚度不均勻，上半部變薄，下半部變厚。2013年油田熱能監測站對固定注汽管線進行了熱損失現場測量，每千米注汽管線干度降低值高達20%，從而驗證了隨著使用時間的延長，保溫性能不斷下降的結論。

3.3兩種保溫材料熱損失比較

使用鈦陶瓷新型保溫材料每天可節省燃料量為 815-724.99=90 Kg，每年可節省燃料量為90*365*0.7=22995 Kg。使用鈦陶瓷新型保溫材料每天可節省燃料量為1590-695.52=894.48 Kg，每年可節省燃料量為894.5*365*0.7=228544.75 Kg

3.4鈦陶瓷與硅酸鋁巖棉保溫材料防水性能

鈦陶瓷保溫材料不沾水，防水性能良好，可以在潮濕環境長期使用。由于防水，所以在雨季仍然有良好的保溫性能。硅酸鋁巖棉不具有憎水的性能，一旦外保護層出現破損，硅酸鋁便出現吸水、吸濕現象，一方面造成保溫層黏貼、下沉，另一方面因保溫料積水后干燥能力弱，加劇了管線的外部腐蝕，安全運行系數降低。

3.5鈦陶瓷與硅酸鋁巖棉保溫材料機械性能

鈦陶瓷保溫材料為硬質材料設計，不會下沉、脫落，不怕外力擠壓及踩踏。投產兩年某油田（鈦陶瓷）管線保溫現場的保溫層仍完好無損。硅酸鋁巖棉保溫材料使用一段時間后，出現下沉、脫落，上部保溫層堆積變薄等現象，并且部分區域開關閘門時操作人員需要爬到管線上面，保溫層易被踩踏破壞。

參考文獻

1. 程紫燕. 勝利油田稠油熱采數值模擬研究進展[J]. 油氣地質與采收率. 2010（06）

2. 趙貴菊. 稠油熱采采集系統的開發和應用[J]. 數字石油和化工. 2008（12）