稠油热采地面管线蒸汽热力参数计算及影响因素分析

杨清玲

中国石油辽河油田分公司钻采工艺研究院（辽宁盘锦124010）

稠油热采地面管线蒸汽热力参数计算及影响因素分析

杨清玲

中国石油辽河油田分公司钻采工艺研究院（辽宁盘锦124010）

注蒸汽热力采油技术已经广泛应用于稠油油藏开发，为了获得地面注汽管线上任意位置的蒸汽热力参数，在考虑井口压力约束作用的基础上，建立了地面注汽管线综合传热数学模型，并采用节点分析方法对相互耦合的参数模型求解计算。同时，应用计算实例分析了地面管线内蒸汽的热力学参数（压力、温度、干度等）的影响因素。结果表明，为了提高蒸汽干度利用率和减小地面管线沿程热损失，应优选导热系数低、绝热性能好的保温材料，增加注汽速率，提高锅炉出口蒸汽干度，减小锅炉出口蒸汽压力，从而为管线输汽系统的工艺设计提供参考。

稠油热采；地面管线；热力参数；压力约束

注蒸汽热力采油成为当今稠油强化开采的主要方式，包括蒸汽吞吐和蒸汽驱两种技术。稠油注蒸汽热采就是将锅炉产生的高压高温饱和湿蒸汽，由地面管线运输至井口、再由井口通过井筒传输注入油层，达到降低稠油黏度的目的。蒸汽的温度、压力、干度等热力参数由于地面管线输送过程中产生的热损失而发生变化，这直接决定注蒸汽热采效果的好坏。本文给出了地面管线蒸汽运输过程中各种热力参数的计算公式，并且编制了相应的计算软件，可以较为方便地计算出稠油热采注蒸汽过程中地面管线内任意位置蒸汽的压力、温度、干度、热损失等重要参数，基于计算出的地面管线内蒸汽热力参数，可以提出减少蒸汽热量损失的措施，提高注汽效率。

1 地面管线传热过程分析及计算模型建立

1.1 热损失计算

根据传热学理论，对地面管线做如下假设：

1）蒸汽的温度Ts和大气的温度Ta是固定不变的（微元段）。

2）管线的横截面积A不变。

根据热损失基本计算公式［1-2］：

式中：q为单位时间内、单位长度地面管线内蒸汽的热损失，W/m；R为单位长度地面管线上的热阻，（m·℃）/W。

地面管线内热阻由管壁上的液体膜层对流换热、污垢层对流换热、管壁导热、绝热层导热和气膜层强迫对流换热几部分组成，即：

式中：hf为液膜层对流换热系数，W/（m2·℃）；ri为管线内半径，m；hp为污垢层对流换热系数，W/（m2·℃）；λp为管线的导热系数，W/（m·℃）；ro为管线外半径，m；λins为保温层的导热系数，W/（m·℃）；rins为保温层外半径，m；hfc为保温层外表面上强迫对流热系数，W/（m2·℃）。

1.2 压降计算

为了建立地面管线内蒸汽流动的数学模型，假设如下［3］：

1）锅炉出口蒸汽的参数（干度、温度、压力及注汽速率）保持不变。

2）地面管线内蒸汽的流动视为一维稳定流动。理想情况下，水与蒸汽混合均匀，具有相同的流速，可将其视为均匀流体。

将锅炉出口做为坐标原点，Z轴方向为管线内蒸汽流动的方向。根据动量守恒定律，总压力梯度由摩擦梯度、重力梯度和加速度梯度组成［4］，即：

式中：θ为管线倾角，（°）；ρm为湿蒸汽的平均密度，kg/m3；νm为湿蒸汽的平均速度，m/s；A为流动截面积，m2；G为锅炉出口湿蒸汽的注入速率，kg/s。

在地面管线蒸汽流动过程中，气体体积流量远大于液体体积流量，故可近似看作理想气体。将整个地面管线分成若干段，在每一段内进行积分，计算得到每一段出口处蒸汽压力的计算公式为：

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

式中ρm和fm是湿蒸汽的平均密度与两相流摩阻系数，计算采用奥尔基捷维斯基经验公式。

针对注汽井井口压力数据情况，各个微元段压降之和应等于锅炉出口压力和井口压力之差，即：

式中：P0为锅炉出口压力，MPa；PN为井口压力，MPa。

1.3 干度计算

依据能量守恒定律，单位时间单位长度地面管线内蒸汽能量的减少等于单位时间单位长度地面管线内的热损失［5］，因此建立如下能量控制方程：

式中：θ为管线倾角，（°）；h为饱和湿蒸汽焓值J/kg，h=hgx+h1（1-x）；hg为饱和蒸汽焓值，J/kg；hl为饱和水焓值，J/kg；x为蒸汽干度；g为重力加速度，m/s2。

由于焓是压力的函数，湿蒸汽平均流速为湿蒸汽平均密度的函数，所以（6）式可写为：

令：

因为某一深度下C1、C2、C3是常数，所以（8）式为一阶常微分线性方程，其定解条件为：

方程特解为：

稠油注蒸汽地面管线沿程压力降和热损失求解之后，可根据（9）式求出管线内任意位置蒸汽的干度。

2 求解方法

为了计算出地面管线内蒸汽的热损失，必须先计算管线内沿程的压力降和蒸汽的干度，但是计算蒸汽的干度又需要先计算单位地面管线长度内蒸汽的热损失和压力降，各个热力参数相互耦合，需要通过节点分析方法进行求解，主要步骤如下：

1）以锅炉出口的蒸汽参数（p0、T0、x0）作为计算的起始点。

2）取地面管线一段长度Δz，假设在Δz长度内蒸汽的干度降Δxi和压力降Δpi，可参考锅炉出口和井口的压力平均值给出Δz管线长度的压力降，则该段的平均干度xavi=xi-1-Δxi/2和平均压力pavi=pi-1-Δpi/2。根据pavi查出相应的平均饱和温度Tavi和其他物性参数ρl、ρg、μl、μg、Zg、Hg，为后面计算饱和湿蒸汽的平均密度ρm和摩擦阻力系数fm的计算做准备，根据理想气体定律和动量守恒定律计算出Δz长度上的压力降Δpi'。将计算值Δpi'与假定值Δpi比较，反复迭代，直到为止，得到该段的出口压力pi和对应的饱和温度Ti，作为下一Δz的初值。同时计算饱和温度Ti、饱和压力pi下的焓值hli、hgi，为计算该段的蒸汽干度做准备。

3）假定地面管线外表面温度Twi，利用公式计算hrc，从而计算出总热阻R和热损失qi，再将热损失qi代入地面管线管内到保温层外壁传热计算公式，得到管线外表面温度Twi'，反复迭代，直到|Twi-Twi'|/Twi＜ε为止，最后求出热损失qi。

4）由能量平衡方程计算蒸汽的干度xi，反复迭代，直到，否则重复上述2）～4）计算步骤，并将计算得到的干度xi作为下一Δz的初始干度值。

5）取下一微元段Δz，重复上述2）～4）计算步骤，直到整个地面管线计算完毕，并且满足，，否则重复上述2）～5）计算步骤，从而得到管线任意位置pi、Ti、xi、qi（i=0，1，…，N）。

图1 保温层导热系数对管线沿程蒸汽干度的影响曲线

图2 注汽速率对管线沿程蒸汽干度的影响曲线

图3 锅炉出口蒸汽干度对管线沿程蒸汽干度的影响曲线

图4 锅炉出口蒸汽压力对管线沿程蒸汽干度的影响曲线

3 计算结果与影响因素分析

这里以辽河油田曙光采油厂的一口注汽井为例，该井锅炉出口温度336℃，锅炉出口压力13.9MPa，锅炉出口排量18t/h，锅炉出口干度0.75，井口温度301.43℃，井口压力8.907MPa，管线内径0.1m，管线外径0.108m，管线长度850m，管线表面黑度0.85，管材导热系数57.0W/（m·℃），保温材料导热系数0.2W/（m·℃），保温层厚度0.07m。

从图1、图2、图3、图4可以看出：在地面管线同一位置，随着保温层导热系数的减小，蒸汽干度逐渐增加，并且保温层导热系数越小，管线沿程蒸汽干度下降越慢；在地面管线同一位置，随着注汽速率的增大，蒸汽干度逐渐增加，并且注汽速率越大，管线沿程蒸汽干度下降越慢；在地面管线同一位置，随着锅炉出口蒸汽干度的增大，蒸汽干度逐渐增加，并且锅炉出口蒸汽干度越大，管线沿程蒸汽干度下降越慢；地面管线同一位置，随着锅炉出口压力的减小，蒸汽干度逐渐增加，并且锅炉出口压力越小，管线沿程蒸汽干度下降越慢。从图5、图6可以看出：在地面管线同一位置，随着保温层导热系数的减小，累计热损失逐渐减小，并且保温层导热系数越小，累计热损失增加越慢；在地面管线同一位置，随着注汽速率的增大，累计热损失逐渐减小，并且注汽速率越大，累计热损失增加越慢。

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

杨清玲（1982-），女，硕士，工程师，现主要从事测试解释理论与方法研究。