稠油熱采地面管線蒸汽熱力參數計算及影響因素分析

楊清玲

中國石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院（遼寧盤錦124010）

稠油熱采地面管線蒸汽熱力參數計算及影響因素分析

楊清玲

中國石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院（遼寧盤錦124010）

注蒸汽熱力采油技術已經廣泛應用于稠油油藏開發，為了獲得地面注汽管線上任意位置的蒸汽熱力參數，在考慮井口壓力約束作用的基礎上，建立了地面注汽管線綜合傳熱數學模型，并采用節點分析方法對相互耦合的參數模型求解計算。同時，應用計算實例分析了地面管線內蒸汽的熱力學參數（壓力、溫度、干度等）的影響因素。結果表明，為了提高蒸汽干度利用率和減小地面管線沿程熱損失，應優選導熱系數低、絕熱性能好的保溫材料，增加注汽速率，提高鍋爐出口蒸汽干度，減小鍋爐出口蒸汽壓力，從而為管線輸汽系統的工藝設計提供參考。

稠油熱采；地面管線；熱力參數；壓力約束

注蒸汽熱力采油成為當今稠油強化開采的主要方式，包括蒸汽吞吐和蒸汽驅兩種技術。稠油注蒸汽熱采就是將鍋爐產生的高壓高溫飽和濕蒸汽，由地面管線運輸至井口、再由井口通過井筒傳輸注入油層，達到降低稠油黏度的目的。蒸汽的溫度、壓力、干度等熱力參數由于地面管線輸送過程中產生的熱損失而發生變化，這直接決定注蒸汽熱采效果的好壞。本文給出了地面管線蒸汽運輸過程中各種熱力參數的計算公式，并且編制了相應的計算軟件，可以較為方便地計算出稠油熱采注蒸汽過程中地面管線內任意位置蒸汽的壓力、溫度、干度、熱損失等重要參數，基于計算出的地面管線內蒸汽熱力參數，可以提出減少蒸汽熱量損失的措施，提高注汽效率。

1 地面管線傳熱過程分析及計算模型建立

1.1 熱損失計算

根據傳熱學理論，對地面管線做如下假設：

1）蒸汽的溫度Ts和大氣的溫度Ta是固定不變的（微元段）。

2）管線的橫截面積A不變。

根據熱損失基本計算公式［1-2］：

式中：q為單位時間內、單位長度地面管線內蒸汽的熱損失，W/m；R為單位長度地面管線上的熱阻，（m·℃）/W。

地面管線內熱阻由管壁上的液體膜層對流換熱、污垢層對流換熱、管壁導熱、絕熱層導熱和氣膜層強迫對流換熱幾部分組成，即：

式中：hf為液膜層對流換熱系數，W/（m2·℃）；ri為管線內半徑，m；hp為污垢層對流換熱系數，W/（m2·℃）；λp為管線的導熱系數，W/（m·℃）；ro為管線外半徑，m；λins為保溫層的導熱系數，W/（m·℃）；rins為保溫層外半徑，m；hfc為保溫層外表面上強迫對流熱系數，W/（m2·℃）。

1.2 壓降計算

為了建立地面管線內蒸汽流動的數學模型，假設如下［3］：

1）鍋爐出口蒸汽的參數（干度、溫度、壓力及注汽速率）保持不變。

2）地面管線內蒸汽的流動視為一維穩定流動。理想情況下，水與蒸汽混合均勻，具有相同的流速，可將其視為均勻流體。

將鍋爐出口做為坐標原點，Z軸方向為管線內蒸汽流動的方向。根據動量守恒定律，總壓力梯度由摩擦梯度、重力梯度和加速度梯度組成［4］，即：

式中：θ為管線傾角，（°）；ρm為濕蒸汽的平均密度，kg/m3；νm為濕蒸汽的平均速度，m/s；A為流動截面積，m2；G為鍋爐出口濕蒸汽的注入速率，kg/s。

在地面管線蒸汽流動過程中，氣體體積流量遠大于液體體積流量，故可近似看作理想氣體。將整個地面管線分成若干段，在每一段內進行積分，計算得到每一段出口處蒸汽壓力的計算公式為：

式中：pi+1為微元段出口壓力，MPa；pi為微元段入口壓力，MPa；vi+1為微元段出口蒸汽平均速度，m/s；vi為微元段入口蒸汽平均速度，m/s。

式中ρm和fm是濕蒸汽的平均密度與兩相流摩阻系數，計算采用奧爾基捷維斯基經驗公式。

針對注汽井井口壓力數據情況，各個微元段壓降之和應等于鍋爐出口壓力和井口壓力之差，即：

式中：P0為鍋爐出口壓力，MPa；PN為井口壓力，MPa。

1.3 干度計算

依據能量守恒定律，單位時間單位長度地面管線內蒸汽能量的減少等于單位時間單位長度地面管線內的熱損失［5］，因此建立如下能量控制方程：

式中：θ為管線傾角，（°）；h為飽和濕蒸汽焓值J/kg，h=hgx+h1（1-x）；hg為飽和蒸汽焓值，J/kg；hl為飽和水焓值，J/kg；x為蒸汽干度；g為重力加速度，m/s2。

由于焓是壓力的函數，濕蒸汽平均流速為濕蒸汽平均密度的函數，所以（6）式可寫為：

令：

因為某一深度下C1、C2、C3是常數，所以（8）式為一階常微分線性方程，其定解條件為：

方程特解為：

稠油注蒸汽地面管線沿程壓力降和熱損失求解之后，可根據（9）式求出管線內任意位置蒸汽的干度。

2 求解方法

為了計算出地面管線內蒸汽的熱損失，必須先計算管線內沿程的壓力降和蒸汽的干度，但是計算蒸汽的干度又需要先計算單位地面管線長度內蒸汽的熱損失和壓力降，各個熱力參數相互耦合，需要通過節點分析方法進行求解，主要步驟如下：

1）以鍋爐出口的蒸汽參數（p0、T0、x0）作為計算的起始點。

2）取地面管線一段長度Δz，假設在Δz長度內蒸汽的干度降Δxi和壓力降Δpi，可參考鍋爐出口和井口的壓力平均值給出Δz管線長度的壓力降，則該段的平均干度xavi=xi-1-Δxi/2和平均壓力pavi=pi-1-Δpi/2。根據pavi查出相應的平均飽和溫度Tavi和其他物性參數ρl、ρg、μl、μg、Zg、Hg，為后面計算飽和濕蒸汽的平均密度ρm和摩擦阻力系數fm的計算做準備，根據理想氣體定律和動量守恒定律計算出Δz長度上的壓力降Δpi'。將計算值Δpi'與假定值Δpi比較，反復迭代，直到為止，得到該段的出口壓力pi和對應的飽和溫度Ti，作為下一Δz的初值。同時計算飽和溫度Ti、飽和壓力pi下的焓值hli、hgi，為計算該段的蒸汽干度做準備。

3）假定地面管線外表面溫度Twi，利用公式計算hrc，從而計算出總熱阻R和熱損失qi，再將熱損失qi代入地面管線管內到保溫層外壁傳熱計算公式，得到管線外表面溫度Twi'，反復迭代，直到|Twi-Twi'|/Twi＜ε為止，最后求出熱損失qi。

4）由能量平衡方程計算蒸汽的干度xi，反復迭代，直到，否則重復上述2）～4）計算步驟，并將計算得到的干度xi作為下一Δz的初始干度值。

5）取下一微元段Δz，重復上述2）～4）計算步驟，直到整個地面管線計算完畢，并且滿足，，否則重復上述2）～5）計算步驟，從而得到管線任意位置pi、Ti、xi、qi（i=0，1，…，N）。

圖1 保溫層導熱系數對管線沿程蒸汽干度的影響曲線

圖2 注汽速率對管線沿程蒸汽干度的影響曲線

圖3 鍋爐出口蒸汽干度對管線沿程蒸汽干度的影響曲線

圖4 鍋爐出口蒸汽壓力對管線沿程蒸汽干度的影響曲線

3 計算結果與影響因素分析

這里以遼河油田曙光采油廠的一口注汽井為例，該井鍋爐出口溫度336℃，鍋爐出口壓力13.9MPa，鍋爐出口排量18t/h，鍋爐出口干度0.75，井口溫度301.43℃，井口壓力8.907MPa，管線內徑0.1m，管線外徑0.108m，管線長度850m，管線表面黑度0.85，管材導熱系數57.0W/（m·℃），保溫材料導熱系數0.2W/（m·℃），保溫層厚度0.07m。

從圖1、圖2、圖3、圖4可以看出：在地面管線同一位置，隨著保溫層導熱系數的減小，蒸汽干度逐漸增加，并且保溫層導熱系數越小，管線沿程蒸汽干度下降越慢；在地面管線同一位置，隨著注汽速率的增大，蒸汽干度逐漸增加，并且注汽速率越大，管線沿程蒸汽干度下降越慢；在地面管線同一位置，隨著鍋爐出口蒸汽干度的增大，蒸汽干度逐漸增加，并且鍋爐出口蒸汽干度越大，管線沿程蒸汽干度下降越慢；地面管線同一位置，隨著鍋爐出口壓力的減小，蒸汽干度逐漸增加，并且鍋爐出口壓力越小，管線沿程蒸汽干度下降越慢。從圖5、圖6可以看出：在地面管線同一位置，隨著保溫層導熱系數的減小，累計熱損失逐漸減小，并且保溫層導熱系數越小，累計熱損失增加越慢；在地面管線同一位置，隨著注汽速率的增大，累計熱損失逐漸減小，并且注汽速率越大，累計熱損失增加越慢。

The thermal recovery technology by steam injection has been widely used in heavy oil reservoir development.In order to ob?tain the thermodynamic parameters of the steam at any position of ground steam injection pipeline，the comprehensive heat transfer math?ematical model of the ground steam injection pipeline was established in consideration of the wellhead pressure constraint，and the pa?rameter models coupling each other are solved by using the nodal analysis method.At the same time，the influence factors（pressure，tem?perature，dry degree and so on）of the thermodynamic parameters of the steam in the ground pipeline are analyzed by the calculation ex?ample.It is shown that，in order to improve the utilization ratio of steam dry degree and decrease the heat loss of the ground pipeline，the thermal insulation material with low thermal conductivity and good insulation property should be used to increase the steam injection rate，improve the steam dryness at the outlet of boiler and reduce the steam pressure at the outlet of boiler，which can provide reference for the process design of the steam transportation pipeline system.

thermal recovery of heavy oil；ground pipeline；thermal parameter；pressure constraint

楊清玲（1982-），女，碩士，工程師，現主要從事測試解釋理論與方法研究。