氮氣輔助蒸汽驅強化傳熱機理及成因探討

王一平

(中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257015)

0 引 言

蒸汽熱力降黏是稠油開發的重要手段，但注蒸汽過程中，蒸汽干度降低速度快、熱波及范圍小以及熱效率不高等問題嚴重制約了其開發效果[1-5]。而氮氣作為一種較為廉價的氣體，用以輔助蒸汽開發，可有效改善蒸汽熱力效果，降低稠油開發成本[6-9]。隨氮氣輔助蒸汽驅開發的廣泛應用，氮氣的諸多作用機理，如隔熱、封堵以及增能助排等，已得到較為深入的研究[10-16]，但仍有部分礦場現象難以用上述機理進行解釋。比如氮氣與蒸汽混合注入地層后，依據氮氣隔熱機理，氮氣會上覆于蒸汽腔頂部，延緩蒸汽向上覆巖層散熱，抑制蒸汽腔在縱向上的擴展，而礦場溫度場監測顯示，蒸汽腔會大幅向地層頂部擴展，且頂部溫度會有明顯上升，該現象難以用氮氣的隔熱機理進行解釋。因此，開展了氮氣強化蒸汽傳熱實驗、氮氣影響蒸汽冷凝實驗研究，以期對該現象的作用機理進行分析，并對機理成因進行探討。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

(1) 氮氣強化蒸汽傳熱實驗。實驗裝置主要包括驅替泵、回壓泵、測量范圍為0～50 mL/min的帶截止閥的MKS氣體流量計(測量精度為±0.5 mL/min)、最高蒸汽輸出溫度為350 ℃的ZQ-1型蒸汽發生器、耐溫300 ℃的恒溫箱、直徑為0.4 mm的K型熱電偶(測量精度為±0.1 ℃)以及巖心管等。其中，巖心管內巖心長度為60 cm，直徑為2.54 cm，在距巖心入口5、30、55 cm處分別放置熱電偶，以測量巖心不同位置的溫度變化，溫度數據通過數據采集系統自動記錄。

(2) 蒸汽冷凝實驗。實驗裝置包括驅替泵、氣體流量計、蒸汽發生器、K型熱電偶、冷凝室、冷凝塊、由冷卻液和冷卻泵組成的冷卻系統等。實驗裝置中冷凝室規格為300 mm×20 mm×140 mm，黃銅制作的冷凝塊置于其中，冷凝塊的冷卻面與凝結面打磨光滑，其余部分進行絕熱處理。為保證實驗過程中冷卻面溫度均勻，將冷卻液加壓后通過多個外徑為5 mm的噴嘴對冷卻面進行噴射降溫。冷凝室入口處放置3根熱電偶，用以測量氮氣與蒸汽形成的混合氣體溫度，冷凝塊內部以2 mm間距放置5根熱電偶，以測量冷凝塊內溫度分布，測量結果通過計算機自動采集。

1.2 實驗方法

(1) 氮氣強化蒸汽傳熱實驗。實驗步驟：①制作6根滲透率為2 μm2的填砂管，然后將填砂管內的巖心飽和水；②設置恒溫箱溫度為60 ℃，將巖心置于其中4 h以上，使巖心溫度達到恒定；③采用純蒸汽、先飽和氮氣后注純蒸汽、氮氣+蒸汽混注等3種方式對不同巖心進行驅替，驅替時設置回壓為1.7 MPa，蒸汽溫度為220 ℃，蒸汽的注入速率為5 mL/min，氮氣注入速率為30 mL/min，記錄驅替過程巖心內測溫點的溫度變化；④保持蒸汽的注入速率為5 mL/min，改變氮氣注入速率為10、30、50 mL/min，并與蒸汽混合，然后用不同氮氣含量的混合氣體對不同巖心進行驅替，記錄巖心內測溫點的溫度變化。

(2) 蒸汽冷凝實驗。實驗步驟：①開啟冷卻系統，對冷凝塊的冷卻面進行噴射降溫，直至冷凝塊的溫度達到恒定；②保持蒸汽溫度為105 ℃，速率為5 mL/min，改變氮氣速率為5、20、50 mL/min，并與蒸汽混合，形成不同氮氣含量的混合氣體，然后使混合氣體流經冷凝塊的凝結面，并觀察冷凝塊內熱電偶的溫度變化；③待冷凝塊內熱電偶溫度穩定后，記錄冷凝室入口以及冷凝塊內置的熱電偶溫度。

2 實驗結果與討論

2.1 氮氣強化蒸汽傳熱機理及效果評價

圖1為不同驅替方式下巖心溫度分布情況。由圖1可知，不同驅替方式下的溫度分布具有以下特征。

圖1 不同驅替方式下巖心溫度分布

(1) 采用先飽和氮氣后注蒸汽方式驅替時，巖心遠端溫度要高于單純注蒸汽，且溫度下降速度略有變緩。這是因為先飽和氮氣時，巖心內部孔隙可達到較高的氮氣飽和度，后期用蒸汽驅替時，蒸汽通道內的氮氣不會被完全驅出，剩余的氮氣會吸附于通道內壁，由于氮氣的隔熱作用，會在通道內壁形成一層隔熱膜，從而減少蒸汽熱損失，提高巖心遠端溫度。該驅替方式體現的主要是氮氣的隔熱作用。

(2) 相比先飽和氮氣后注蒸汽的驅替方式，采用氮氣+蒸汽混注時，3個測溫點的溫度分布規律會發生明顯變化：巖心入口端溫度有一定程度的降低，但中后段的溫度卻有大幅升高，且氣體在巖心內的溫度下降速度明顯變緩。說明采用氮氣+蒸汽混注時，氮氣發揮作用的主要機理并不是隔熱作用，且該作用機理導致蒸汽的熱量釋放速度明顯變緩，使蒸汽熱量向地層深處傳播，有效擴大熱波及。該作用機理在文中稱之為氮氣的“強化傳熱機理”。

(3) 只有氮氣+蒸汽混注才能產生較為明顯的強化傳熱效果，且氮氣的強化傳熱機理對擴大蒸汽熱波及的作用效果要強于氮氣的隔熱作用。

2.2 氮氣強化蒸汽傳熱機理成因探討

為進一步對氮氣強化傳熱的機理成因進行探討，設計了氮氣影響蒸汽冷凝實驗。通過測量冷凝塊內溫度分布隨混合氣體中氮氣含量的變化規律，分析氮氣對蒸汽冷凝傳熱過程的影響。表1為不同氮氣含量下冷凝塊溫度分布情況。

表1 不同氮氣含量下冷凝塊溫度分布

測得冷凝塊內溫度分布后，需對溫度數據進行處理，以計算蒸汽的冷凝傳熱系數，冷凝傳熱系數的大小反映了蒸汽與固體界面之間的熱傳遞速度。具體計算方法為：①已知冷卻面溫度與5個測溫點的溫度，結合冷凝塊體積，可求得冷凝塊內溫度梯度，記作T=f(y)；②通過冷凝塊溫度梯度公式計算冷凝塊的凝結面溫度；③根據能量守恒原則，混合氣體與凝結面之間的熱量傳遞等于冷凝塊的凝結面與冷卻面之間的熱量傳遞，據此可計算得到蒸汽的冷凝傳熱系數：

h=λ(Tw-Tb)/(Tm-Tw)

(1)

式中：h為蒸汽的冷凝傳熱系數，W/(m2·℃)；λ為冷凝塊(黃銅)的導熱系數，W/(m2·℃)；Tw為凝結面溫度，℃；Tb為冷卻面溫度，℃；Tm為氮氣+蒸汽混合氣體的溫度，℃，可通過放置在冷凝室入口處的熱電偶測得。

通過上述步驟計算得到蒸汽冷凝傳熱系數與氮氣物質的量之間的關系(圖2)。由圖2可知，不同氮氣含量下的蒸汽冷凝傳熱系數具有以下特點。

(1) 蒸汽中加入氮氣后，其冷凝傳熱系數會明顯降低，反映出氮氣的存在會對蒸汽與巖石固體表面之間的凝結傳熱起到抑制作用，從而降低了蒸汽與固體界面之間的熱交換速度。這是因為氮氣是一種非凝析氣體[17-19]，其存在增加了蒸汽冷凝過程中的傳質傳熱阻力[20]，從而降低了蒸汽的冷凝傳熱系數。

圖2 蒸汽冷凝傳熱系數隨氮氣含量變化規律

(2) 蒸汽冷凝傳熱系數隨氮氣含量的增加而降低，但降幅逐漸變緩。認識了氮氣對蒸汽冷凝傳熱系數的影響后，可對礦場及實驗過程中的氮氣強化傳熱現象進行解釋，并對其機理成因進行探討：①在巖心入口處，純蒸汽、氮氣+蒸汽混注2種方式的熱焓基本相同，但氮氣的存在會降低蒸汽的冷凝傳熱系數，抑制蒸汽與巖石表面之間的熱傳遞，因此，采用氮氣+蒸汽混注時，巖心入口處的溫度要低于純蒸汽，但更多的蒸汽熱焓會被攜往巖心遠端；②氣體向巖心遠端流動過程中，由于純蒸汽具有較高的冷凝傳熱系數，與周圍巖石的傳熱速度遠高于混合氣體，當氣體到達巖心中后段時，混合氣體攜帶的熱焓遠高于純蒸汽，導致周圍巖石更易被加熱到較高溫度，因此，采用混合氣體驅替時，巖心中后段溫度要高于純蒸汽驅替；③氮氣能強化蒸汽傳熱，其主要的機理成因是氮氣能增加蒸汽冷凝過程中的傳質傳熱阻力，降低蒸汽冷凝傳熱系數，減緩蒸汽與巖石固體表面之間的熱交換速度，從而起到“緩釋”蒸汽熱量、擴大蒸汽熱波及的作用。

2.3 氮氣強化傳熱機理對蒸汽用量的影響

為了便于對比，定義采用混合氣體驅替時，巖心某處到達指定溫度消耗的蒸汽量與純蒸汽驅消耗蒸汽量的比值為等溫耗汽率。距巖心入口端55 cm處測溫點溫度到達115 ℃(采用純蒸汽驅替時該點所能達到的最高溫度)時，不同氮氣含量下混合氣體的等溫耗汽率見表2。由表2可知，隨氮氣含量的增加，其強化傳熱效果增強，巖心遠端升溫速度變快，等溫耗汽率降低。因此，在實際生產中，可將一定比例的氮氣與蒸汽混合注入地層，能有效擴大蒸汽的熱波及，提高波及范圍內蒸汽的利用效率，減少蒸汽用量，降低生產成本。

表2 不同氮氣含量下的等溫耗汽率

3 結 論

(1) 氮氣與蒸汽混合驅替時，氮氣存在較為明顯的強化傳熱機理。該機理能起到“緩釋”蒸汽熱量、擴大熱波及范圍以及提高遠端地層溫度的作用，且其作用效果強于氮氣的隔熱作用。

(2) 氮氣強化傳熱機理的主要成因為：氮氣能增加蒸汽冷凝過程中的傳質傳熱阻力，降低蒸汽的冷凝傳熱系數，減緩蒸汽與巖石固體表面之間的熱交換速度。

(3) 混合氣體中氮氣含量的增加有助于強化傳熱效果的提升，且能有效降低等溫耗汽率。

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