溫度對(duì)鹽水導(dǎo)熱系數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)研究

李懷科， 劉衛(wèi)麗

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，河北燕郊065201）

溫度對(duì)鹽水導(dǎo)熱系數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)研究

李懷科， 劉衛(wèi)麗

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，河北燕郊065201）

為探討溫度對(duì)鹽水導(dǎo)熱系數(shù)的影響，特別是深水低溫條件下的導(dǎo)熱系數(shù)，采用瞬態(tài)熱線(xiàn)法測(cè)定不同溫度下（4～60 ℃）下5種常用鹽水溶液的導(dǎo)熱系數(shù)，并分析了溫度對(duì)每種鹽導(dǎo)熱系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于待測(cè)鹽水體系而言，相同濃度下，每種鹽的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的變化趨勢(shì)相同，即4～20 ℃低溫段，鹽的導(dǎo)熱系數(shù)曲線(xiàn)緩慢增長(zhǎng)，隨后溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響逐漸增大；相同溫度下，導(dǎo)熱系數(shù)隨 著鹽濃度的升高而降低。文中還對(duì)現(xiàn)場(chǎng)2口深水井所用的鹽水測(cè)試液的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2種配方的導(dǎo)熱系數(shù)受溫度的影響較小，4 ℃和50 ℃的導(dǎo)熱系數(shù)的差值分別為0.036 、0.53 W/（m·K）；當(dāng)溫度高于40 ℃以后，2種體系的導(dǎo)熱系數(shù)不受溫度影響。

導(dǎo)熱系數(shù)；溫度；熱線(xiàn)法；鹽水

油氣井在測(cè)試和完井過(guò)程中為了平衡地層壓力以及出于保護(hù)油氣層的目的，通常選用無(wú)機(jī)鹽或有機(jī)鹽作為測(cè)試液和完井液的加重材料[1-3]。與常規(guī)井不同，深水井的溫度場(chǎng)從井口到井底被泥線(xiàn)分為兩段：泥線(xiàn)以上海水段溫度不斷降低，而泥線(xiàn)以下溫度隨著深度的增加而升高[4-5]。深水井測(cè)試過(guò)程中井底高溫流體（特別是氣層）在經(jīng)過(guò)海水段的過(guò)程中會(huì)把部分熱量傳遞給海水，造成流體本身的熱量損失，易出現(xiàn)生成氣體水合物、析蠟等現(xiàn)象[6-7]。現(xiàn)有文獻(xiàn)中只指出部分鹽水常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)[7]，有些文獻(xiàn)只給出了部分鹽在幾個(gè)溫度點(diǎn)下的導(dǎo)熱系數(shù)，缺乏完整性。因此，研究不同溫度下鹽水的導(dǎo)熱系數(shù)，特別是低溫條件下導(dǎo)熱系數(shù)如何變化，對(duì)于科研人員建立油氣井測(cè)試過(guò)程中井筒流體熱量分布模型以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工程師掌握深水井測(cè)試過(guò)程中地層流體的溫度變化顯得尤為重要。

1 實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)試流程

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

采用目前國(guó)際導(dǎo)熱系數(shù)研究領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)的先進(jìn)的瞬態(tài)熱線(xiàn)法（Transient Hot Wire），該方法具有測(cè)試準(zhǔn)確度高，速度快，樣品用量少，操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)[8-9]。瞬態(tài)熱線(xiàn)法以無(wú)限大介質(zhì)中的徑向一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題為理論基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)一系列求解，最后根據(jù)下面的計(jì)算公式計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)λ。室內(nèi)測(cè)試儀器實(shí)物如圖1所示。

式中：q為單位長(zhǎng)度的熱流量，W/m2；Tid為熱線(xiàn)溫度，K；t為時(shí)間，s。

圖1 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀

1.2 測(cè)試流程

1）將待測(cè)液體樣品（約200 mL）置于溫控箱中，將傳感器垂直置于待測(cè)樣品中。

2）設(shè)置實(shí)驗(yàn)溫度，啟動(dòng)溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冷卻或加熱。

3）等溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)，先進(jìn)行熱平衡檢測(cè)，待電壓曲線(xiàn)平穩(wěn)后開(kāi)始測(cè)量，軟件將自動(dòng)采集并計(jì)算出待測(cè)液體的導(dǎo)熱系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

借助導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀（型號(hào)TC3100）對(duì)目前比較常用的5種常用鹽（NaCl、KCl、CaCl2、NaCOOH、KCOOH）不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了室內(nèi)評(píng)價(jià)，其具體結(jié)果和分析如下。

2.1 NaCl導(dǎo)熱性能評(píng)價(jià)

不同濃度NaCl水溶液（5%～30%）在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線(xiàn)如圖2所示。由圖2可知，隨著NaCl濃度的升高，其導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低，這說(shuō)明，高濃度的NaCl水溶液具有較低的導(dǎo)熱性能；不同濃度NaCl水溶液曲線(xiàn)表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，即隨著溫度的升高其導(dǎo)熱系數(shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且曲線(xiàn)4～20 ℃之間變化平緩，當(dāng)溫度超過(guò)20 ℃以后曲線(xiàn)的斜率大，增長(zhǎng)速度快。

圖2 不同溫度、不同濃度NaCl水溶液導(dǎo)熱系數(shù)曲線(xiàn)

2.2 KCl導(dǎo)熱性能評(píng)價(jià)

圖3 為不同溫度下KCl水溶液的導(dǎo)熱系數(shù)變化情況。從圖3可以看出，KCl水溶液的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而增大，相同溫度下，導(dǎo)熱系數(shù)隨著濃度的升高而降低，曲線(xiàn)分為2段：前半段是緩慢增長(zhǎng)段（4～20 ℃低溫段），后半段為快速增長(zhǎng)段（20～60 ℃中溫段），而且當(dāng)KCl的濃度每增長(zhǎng)5%時(shí)，各溶液導(dǎo)熱系數(shù)的降低差值基本相同。

圖3 不同溫度、不同濃度KCl水溶液導(dǎo)熱系數(shù)曲線(xiàn)

2.3 CaCl2導(dǎo)熱性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)測(cè)定不同濃度（10%～50%）的氯化鈣水溶液在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，氯化鈣水溶液的導(dǎo)熱系數(shù)位于0.54～0.65 W/（m·K）之間，當(dāng)溫度低于 20 ℃時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)變化較小，當(dāng)溫度高于20 ℃以后，溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)有較大影響。氯化鈣的濃度高于20%以后，不論是低溫段還是高溫段，導(dǎo)熱系數(shù)的變化趨勢(shì)變緩。

圖4 不同溫度、不同濃度CaCl2水溶液導(dǎo)熱系數(shù)曲線(xiàn)

2.4 NaCOOH導(dǎo)熱性能評(píng)價(jià)

不同濃度NaCOOH溶液在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)變化關(guān)系如圖5所示。從圖5可以明顯得出如下2點(diǎn)認(rèn)識(shí)：不同濃度的甲酸鈉溶液的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律相同，即先緩慢增長(zhǎng)再逐漸增大；當(dāng)甲酸鈉的濃度大于40%以后，與低濃度相比，溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響系數(shù)降低，曲線(xiàn)趨于平緩，且溫度超過(guò)40 ℃后導(dǎo)熱系數(shù)的相差較小，差值只有 0.01 W/（m·K）。

圖5 不同溫度、不同濃度NaCOOH水溶液導(dǎo)熱系數(shù)曲線(xiàn)

2.5 KCOOH導(dǎo)熱性能評(píng)價(jià)

不同溫度下、不同濃度甲酸鉀溶液的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)如圖6所示。由圖6可以看出，與無(wú)機(jī)鹽相比，甲酸鉀具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)；隨著甲酸鉀溶液濃度的升高，溶液的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高緩慢增大；不同濃度甲酸鉀溶液的導(dǎo)熱系數(shù)曲線(xiàn)之間的差值不斷降低，曲線(xiàn)也越來(lái)越緩；各個(gè)導(dǎo)熱系數(shù)曲線(xiàn)隨溫度的變化呈線(xiàn)性變化，曲線(xiàn)的斜率隨著濃度的升高而逐漸降低。

圖6 不同溫度、不同濃度KCOOH水溶液導(dǎo)熱系數(shù)曲線(xiàn)

2.6 鹽水測(cè)試液導(dǎo)熱系數(shù)評(píng)價(jià)

利用導(dǎo)熱系數(shù)儀測(cè)定了現(xiàn)場(chǎng)2口深水井所用鹽水測(cè)試液的導(dǎo)熱系數(shù)，2種體系的配方如下，導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示。

1#海水+45%CaCl2+0.5%PF-OSY+2%PF-CA101

2#海水+25%NaCl+20%乙二醇MEG+0.5%PF-OSY+2%PF-CA101

表1 測(cè)試液配方及導(dǎo)熱系數(shù)

由表1可以看出，2種配方的導(dǎo)熱系數(shù)受溫度的影響較小，當(dāng)溫度高于40 ℃以后，導(dǎo)熱系數(shù)趨于穩(wěn)定，不受溫度的變化而變化；由于2#配方中加入了一定量乙二醇，體系的導(dǎo)熱系數(shù)比1#配方明顯降低，這主要是由于乙二醇具有一定的防凍作用引起的。

3 結(jié)論

1.利用瞬態(tài)熱線(xiàn)法測(cè)定液體的導(dǎo)熱系數(shù)，該方法具有測(cè)試準(zhǔn)確度高、速度快、樣品用量少、操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。

2.測(cè)定了5種鹽在不同濃度下的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化情況，其變化曲線(xiàn)具有相同的變化規(guī)律，即在4～20 ℃低溫段，鹽的導(dǎo)熱系數(shù)曲線(xiàn)緩慢增大；溫度在20 ℃以上，溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響逐漸增大；在相同溫度下，導(dǎo)熱系數(shù)隨著鹽濃度的升高而降低。

3.測(cè)定了現(xiàn)場(chǎng)2種鹽水測(cè)試液的導(dǎo)熱系數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2種配方的導(dǎo)熱系數(shù)受溫度的影響較小，當(dāng)溫度高于40 ℃以后，導(dǎo)熱系數(shù)不受溫度影響。

[1]段澤輝， 李蔚萍， 孟文波， 等 . 陵水 17-2 氣田深水測(cè)試液類(lèi)型選擇[J].鉆井液與完井液，2015，32（ 6）：39-41.DUAN Zehui， LI Weiping， MENG Wenbo， et al. Deep testing fluids of LS17-2 gas well[J].Drilling Fluid &Completion Fluid， 2015， 32（ 6）： 39-41.

[2]JAVORA P H， STEVENS R F， DE VINE C S， et al.Deepwater completion challenges redefine best practices for completion and packer fluid selection[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Society of Petroleum Engineers， 2006.

[3]周姍姍， 許明標(biāo)， 由福昌， 等 . 深水無(wú)固相水基隔熱封隔液技術(shù)[J]. 鉆井液與完井液，2016， 33（ 2）：36-39.ZHOU Shanshan， XU Mingbiao， YOU Fuchang， et al.Solid-free thermal insulation water base packer fluid technology for deep water operation[J]. Drilling Fluid &Completion Fluid，2016， 33（ 2）： 36-39.

[4]李懷科， 羅健生， 耿鐵，等. 國(guó)內(nèi)外深水鉆井液技術(shù)進(jìn)展 [J]. 鉆井液與完井液，2015， 32（6）：85-88.LI Huaike， LUO Jiansheng， GENG Tie， et al.Technical progress of deep water drilling fluids in China and abroad[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2015， 32（6）：85-88.

[5]GUO B， DUAN S， GHALAMBOR A. A simple model for predicting heat loss and temperature profiles in insulated pipelines[J]. SPE Production & Operations，2006， 21（01）： 107-113.

[6]EZZAT A M， MILLER J J， EZELL R， et al. Highperformance water-based insulating packer fluids[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Society of Petroleum Engineers， 2007.

[7]樊宏偉， 李振銀， 張遠(yuǎn)山， 等 . 無(wú)固相水基隔熱封隔液研究應(yīng)用現(xiàn)狀 [J]. 鉆井液與完井液，2014， 31（3）：83-88.FAN Hongwei， LI Zhenyin， ZHANG Yuanshan， et al.Status quo of study and application of solids-free water base heat-insulating packer fluid[J]. Drilling Fluid &Completion Fluid， 2014， 31（3）：83-88.

[8]陳文勝， 潘長(zhǎng)虹. 瞬態(tài)熱線(xiàn)法測(cè)定瓦斯水合物導(dǎo)熱系數(shù)[J]. 黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)， 2013， 23（ 3）： 251-253.CHEN Wensheng， PAN Changhong. Measurement of thermal conductivity of gas hydrate with transient hot-wire method[J]. Journal of Heilongjiang Institute of Science &Technology， 2013，23（ 3）：251-253.

[9]賀玉龍， 趙文， 張光明， 等 . 溫度對(duì)花崗巖和砂巖導(dǎo)熱系數(shù)影響的試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)測(cè)試，2013， 39（ 1）：114-116.HE Yulong， ZHAO Wen， ZHANG Guangming. Testing study on temperature effect on thermal conductivity for granite and sandstone[J]. China Measurement & Test，2013， 39（ 1）： 114-116.

[10]趙志強(qiáng)， 陳緣博， 易勇 . 基于 Pitzer 模型的復(fù)合鹽水完井液低溫相平衡計(jì)算 [J]. 鉆井液與完井液， 2017， 34（2）：126-130.ZHAO Zhiqiang， CHEN Yuanbo， YI Yong.Calculating low temperature phase equilibrium of NaCl-KCl-CaCl2completion fluid based on pitzer model[J].Drilling Fluid& Completion Fluid， 2017， 34（2）： 126-130.

Study on Effects of Temperature on Coeff i cient of Heat Conductivity of Saltwater

LI Huaike, LIU Weili
(Oilf i eld Chemistry R&D Institute, COSL, Yanjiao, Sanhe, Hebei 065201)

In studying the effects of temperature (especially low temperature in deep water) on the coef fi cient of heat conductivity(CHC) of saltwater, transient hot-wire method was adopted to measure the CHC of 5 kinds of commonly used saltwater at different temperatures (4～60 ℃). Analyses of the experimental data showed that, at the same salt concentration, CHC changed with temperature in similar pattern, i.e., at low temperatures (4～20 ℃), CHC increases slowly with temperature; at temperatures above 20 ℃, CHC increases fast with temperature. At the same temperature, CHC decreases with increase in salt concentration. Saltwater samples from 2 deep water wells were measured in laboratory for their CHC. It was found that CHC of the two samples was only slightly affected by temperature; the differences of CHC at 4 ℃and 50 ℃ were 0.036 W/(m·K) and 0.53 W/(m·K), respectively. At temperatures above 40 ℃, CHC of the two saltwater samples was not affected by changes in temperature.

Coef fi cient of heat conductivity; Temperature; Hot-wire method; Saltwater

李懷科，劉衛(wèi)麗.溫度對(duì)鹽水導(dǎo)熱系數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].鉆井液與完井液，2017，34（5）：54-57.

LI Huaike, LIU Weili. Study on effects of temperature on coefficient of heat conductivity of saltwater[J].Drilling Fluid &Completion Fluid，2017，34（5）：54-57.

TE257.6

A

1001-5620（2017）05-0054-04

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.05.010

李懷科，高級(jí)工程師，1983年生，碩士研究生，主要從事深水鉆完井液技術(shù)研究。電話(huà) （0316）3367036；Email：lihk6@cosl.com.cn。

2017-7-20；HGF=1701N10；編輯 王小娜）