热采膨胀剂性能的研究

姜红梅

摘要：针对辽河油田稠油开采，热采工艺是非常有效的开采工艺。稠油热采工艺中注汽温度最高可达350，在此温度下利用水产生的体积膨胀力和饱和蒸汽压力可满足一些封隔器的动力来源。本文通过对谁的热膨胀力的分析和计算，指导水作为膨胀剂的应用。，

关键词：稠油 水 定容膨胀 定压膨胀

当温度升高时，气体和大多数液体都会有体积的膨胀。水是一种性能稳定、安全可靠的液体，对水的热膨胀和饱和蒸汽压的研究已非常透彻，故本试验中以水作为膨胀剂，从定容、变容两方面研究膨胀剂在升温过程中，膨胀剂的热膨胀量和膨胀剂对活塞的热膨胀力。

简单液体的简化状态方程如下：

等压体积膨胀系数 和等温压缩系数 都很小，在一定溫度范围内为常数，可通过试验测出，也可查阅相关资料。本研究中等温压缩系数通过 计算，水的密度和压强及等压体积膨胀系数从文献附录七中查阅。 由充装水时确定，取 为充装温度即室温（25℃）， 是在温度 时水的容积，即设定充装容积。

1、定容状态下水的热膨胀力的分析与计算

封隔器再设计时一般会设计剪切销钉防止在下井过程中中途坐封，通过定容状态的分析与计算就可以解决此问题。定容状态下，

本试验装置装完膨胀剂后，活塞与液面设定为无缝隙的理想状态，即可设定初始压强 。带入式（1）可得：

通过理论计算满液状态下，膨胀剂对活塞的压强。图2-1为系统满液定容加热过程T-P图。

从图1可以得出，满液状态下，系统容积不变的情况下，水加热时体积发生膨胀，膨胀力在0-250之间上升缓慢，当温度超过250是迅速上升。

2变容状态下热膨胀时体积膨胀的计算与分析

热膨胀力测试装置的活塞测量填充液体的热膨胀量，其行程是代表温度的函数，活塞的行程变化量：

设定初始水充满高度 mm，活塞面积 mm2，则 mm3，不同温度下对应的压强值和等压体积膨胀系数采用文献[6]附录七中的对应的数值。通过计算得出图2变容状态饱和水T-△h图。

图2中数据表明，水定压加热至饱和水的过程中，水达到饱和状态时的体积增量随着温度的升高而增大;同时，从式（2）中我们可以得出结论，在活塞面积一定时，活塞行程的变化量与 成正比，故随着温度的升高，活塞的行程变化量 也在增大。

3、干饱和蒸汽时活塞随温度的行程变化量

工质水从液态全部转化为干饱和蒸汽，系统满足克拉贝龙方程[7]工程热力学：

充装高度 mm时，通过 （式中，M物质的摩尔质量，单位g/mol）计算得出系统工质物质的量 =27.8mol。温度为给定值，其它数值通过查文献[6]附录三和附录十可知。将相关数值代入式（5）计算，得出不同温度下的水蒸汽体积V通过式（2）计算活塞的行程变化量 （假定活塞行程受气体膨胀力作用不受限制，可无限向上运动），计算结果见图4 饱和蒸汽T-△h图。

由图4可以看出，干饱和蒸汽会随着温度的升高，系统的体积减小，活塞高度变小。但是高度也远远大于初始高度，可以满足设计要求。

4 结论

（1）       以水为膨胀剂的封隔器初封隔温度在230℃-350℃可提供5.3MPa5-84.67MPa的压力。

（2）       当活塞动力小于该温度下的饱和蒸汽压时，封隔器的压缩距符合饱和水的活塞移动高度，即230℃-350℃高度从3.89mm-43.68mm。

（3）       当活塞移动高度继续增大时，系统压力会增大重新达到平衡

参考文献：

[1] Willhite G P.Design Criteria for Completion of Steam Injection Wells[J].JPT，1967，19（1）5～21.

[2] Holliday G H.Calculation of Allowable Maximum Casing Temperature to Prevent Tension Failures in Thermal Wells[C].ASME Paper，1969

[3] 张允真，贾忠慧，朱翠娥，等.注蒸汽井的温度场及其套管的热应力[J].石油钻采工艺，1992，14（4）：59～63.

[4] 崔孝秉，曹玲，张宏，等.注蒸汽热采井套管损坏机理研究[J].石油大学学报（自然科学版），1997，21（3）：57～64.

[5] 孟祥玉等.胜利油田套管损坏的现状及建议.石油钻采工艺，1994;16（2）：10～14

[6] 张玉民，阮耀钟.热学[M].北京：科学出版社，中国科学技术大学出版社，2002

[7] 严家騄编著.工程热力学 第二版[M].北京：高等教育出版社，1989