注蒸汽熱力采油

注蒸汽熱力采油1第一頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日第三章注蒸汽系統(tǒng)熱損失§1熱量的傳遞§2注氣工藝流程§3地面管線的熱損失§4井筒熱損失第二頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§1熱量的傳遞

熱傳導(dǎo):相互接觸而溫度不同的物體或物體中溫度不同的各部分之間的餓熱量傳遞的現(xiàn)象，也可以說是熱量從高溫部分傳遞到低溫部分?！獙?dǎo)熱系數(shù)，Kcal/（h.m0C）第三頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§1熱量的傳遞

熱對(duì)流:流體中溫度不同的各部分之間，由于相對(duì)的宏觀運(yùn)動(dòng)將熱量從一處帶到另一出的現(xiàn)象。—對(duì)流換熱系數(shù)，Kcal/（h.m0C）第四頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§1熱量的傳遞

熱輻射:不相互接觸具有不同溫度的物體間熱量的傳遞現(xiàn)象?！獙?duì)流換熱系數(shù)，Kcal/（h.m0C）第五頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日第三章注蒸汽系統(tǒng)熱損失§1熱量的傳遞§2注氣工藝流程§3地面管線的熱損失§4井筒熱損失第六頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§2注汽工藝流程

注汽系統(tǒng)主要包括蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)、地面管線系統(tǒng)和注汽井筒系統(tǒng)。由蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生高溫、高壓熱流體，經(jīng)由地面管線輸送到井口，流經(jīng)井筒到達(dá)井底。其流程圖：注汽系統(tǒng)第七頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日一、蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)§2注汽工藝流程

蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)是蒸汽熱力采油的主要系統(tǒng)，它由主體（蒸汽發(fā)生器）和輔助系統(tǒng)（燃燒器、給水泵、水處理設(shè)備及監(jiān)控儀表）組成。﹡組成：

生成蒸汽熱力采油所需要的高溫、高壓流體。﹡作用：第八頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日二、地面管線系統(tǒng)§2注汽工藝流程

地面管線系統(tǒng)是輸送高溫、高壓流體的輸送管道。目前使用的管線為架空硅酸鹽纖維保溫管線，沿管線程有膨脹彎頭和過路“龍門”，主干呈枝狀分布，末端成環(huán)狀管網(wǎng)，這樣便于蒸汽的調(diào)配。三、注汽井筒系統(tǒng)

是將蒸汽輸送到井底的輸送管道。常用的注汽管柱有兩種，一種是隔熱油管、伸縮管、封隔器組成的管柱，另一種是氮?dú)飧魺嵊凸?。第九?yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日第三章注蒸汽系統(tǒng)熱損失§1熱量的傳遞§2注氣工藝流程§3地面管線的熱損失§4井筒熱損失第十頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§3地面管線的熱損失※1架空管線熱損失※2地下埋管熱損失※3水平管線的沿程壓力※4蒸汽干度的計(jì)算第十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§3地面管線的熱損失一、架空管線熱損失架空管線結(jié)構(gòu)示意圖：1.假設(shè)條件⑴架空管線外存在絕熱層；⑵蒸汽溫度Ts和大氣溫度Ta是固定的；⑶管線結(jié)構(gòu)如圖所示。第十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日由熱損失關(guān)系得：—單位長(zhǎng)度上，單位時(shí)間內(nèi)熱損失，kcal/（h·m）—單位長(zhǎng)度上的熱阻。綜合架空管線結(jié)構(gòu)示意圖，可以分析熱阻§3地面管線的熱損失2.熱損失計(jì)算由管壁上的液體膜層、污垢層、管壁、絕熱層和氣膜層幾部分組成，即：第十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§3地面管線的熱損失⑴管壁液膜層對(duì)流換熱熱阻

管壁上的液體膜層流體基本上不流動(dòng)，具有熱傳導(dǎo)機(jī)理，但是該層的厚度與蒸汽流速有關(guān)，所以可以用對(duì)流換熱來(lái)計(jì)算其熱阻。

—液膜層對(duì)流換熱系數(shù)，⑵管壁上的污垢層對(duì)流換熱熱阻

污垢層的厚度也與蒸汽流速有關(guān)，也可以用對(duì)流換熱來(lái)計(jì)算其熱阻。第十四頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日—污垢層對(duì)流換熱系數(shù)，§3地面管線的熱損失⑶管壁熱傳導(dǎo)換熱熱阻—管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，第十五頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日⑷絕熱層熱傳導(dǎo)換熱熱阻§3地面管線的熱損失—絕熱層導(dǎo)熱系數(shù)，⑸管線與空氣的強(qiáng)迫對(duì)流換熱熱阻—強(qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)，第十六頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§3地面管線的熱損失因此單位長(zhǎng)度管線上的熱阻為：第十七頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§3地面管線的熱損失※1架空管線熱損失※2地下埋管熱損失※3水平管線的沿程壓力※4蒸汽干度的計(jì)算第十八頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§3地面管線的熱損失二、底下埋管熱損失

底下埋管是利用大地作為絕熱層（如圖），Rohsenow和Hartnett利用如下公式給出了埋管熱組的近似計(jì)算：第十九頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日—地層導(dǎo)熱系數(shù)，一般取值0.5518§3地面管線的熱損失其中：

通過大量的礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，注蒸汽開始時(shí)地下埋管的熱損失明顯大于懸空管線的熱損失。因此，在蒸汽注入周期相對(duì)較短時(shí)（如蒸汽吞吐），土壤中水份有頻繁和明顯變化的地方，不宜將底下埋管作為絕熱方法。第二十頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§3地面管線的熱損失例：已知某輸送管線外包絕熱層，流過蒸汽溫度Ts為288℃，空氣溫度Ta為15.5℃,試計(jì)算每30m長(zhǎng)度管線上的熱損失。已知：ri=0.045mro=0.051mrins=0.127m第二十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日那么30m管線熱損失Q＝ql*30=3270kcal/h，僅考慮絕熱層熱阻計(jì)算的熱損失Q’＝3348kcal/h，相差2%左右。因此在注蒸汽熱力采油中，一般把絕熱層看作影響熱損失的唯一熱阻。§3地面管線的熱損失解：據(jù)題意得：由得：第二十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§3地面管線的熱損失※1架空管線熱損失※2地下埋管熱損失※3水平管線的沿程壓力※4蒸汽干度的計(jì)算第二十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§3地面管線的熱損失三、水平管線沿程壓力

當(dāng)?shù)孛婀芫€較短時(shí)，通常不考慮沿程壓力變化。如管線較長(zhǎng)，管網(wǎng)中有膨脹彎頭和過路“龍門”，則必須考慮沿程壓力的變化。膨脹彎和過路“龍門”的局部阻力常采用等價(jià)沿程阻力來(lái)處理。

管線內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)，壓力梯度是摩擦壓力梯度、位能壓力梯度和動(dòng)能壓力梯度的綜合結(jié)果，因此有：第二十四頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§3地面管線的熱損失⑴摩擦壓力梯度—摩擦系數(shù)，無(wú)因次；—汽液混合物密度，g/cm3；—混合物（液）（汽）比容，cm3/g；摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)有關(guān)：第二十五頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§3地面管線的熱損失時(shí)為層流，摩擦系數(shù)為：當(dāng)時(shí)為紊流，摩擦系數(shù)為：當(dāng)時(shí)為過渡流，摩擦系數(shù)為：當(dāng)—過渡流的紊流摩擦系數(shù)，代入①式的結(jié)果；①②③—過渡流的紊流摩擦系數(shù)，代入②式的結(jié)果；—管線粗糙度，m；第二十六頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§3地面管線的熱損失⑵動(dòng)能壓力梯度—混合物流速，m/s；

動(dòng)能在較高的流速下才有明顯變化，對(duì)于高干度的蒸汽流動(dòng)，氣體體積流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液體體積流量，因此必須考慮動(dòng)能變化，根據(jù)氣體狀態(tài)方程可得：—?dú)怏w體積流量，m3/s；—過斷面面積，m2；—蒸汽質(zhì)量速率，g/s；第二十七頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§3地面管線的熱損失⑶位能壓力梯度

對(duì)于水平管線位能為0。所以水平地面管線沿程壓力梯度為：在實(shí)際計(jì)算過程中，需要將管線劃分為若干段，利用公式計(jì)算每一段壓力變化。第二十八頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§3地面管線的熱損失※1架空管線熱損失※2地下埋管熱損失※3水平管線的沿程壓力※4蒸汽干度的計(jì)算第二十九頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§3地面管線的熱損失四、蒸汽干度的計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)熱量損失單位時(shí)間內(nèi)蒸汽內(nèi)能的變化＝能量平衡原理：

假設(shè)蒸汽發(fā)生器出口蒸汽干度為，到達(dá)井口仍是飽和狀態(tài)，其干度為如果壓力、溫度不變。管線的熱損失主要來(lái)自于一部分蒸汽冷凝為水釋放的汽化潛熱，從而引起干度的降低。如果不考慮位能和動(dòng)能的變化，只考慮內(nèi)能的變化，則：第三十頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日—飽和蒸汽（熱水）的焓，Kcal/kg；§3地面管線的熱損失化簡(jiǎn)得：—汽化潛熱，Kcal/kg；∴蒸汽干度為：其中、、和蒸汽的壓力有關(guān)，可查水蒸汽表或回歸得到。第三十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日第三章注蒸汽系統(tǒng)熱損失§1熱量的傳遞§2注氣工藝流程§3地面管線的熱損失§4井筒熱損失第三十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§4井筒熱損失

井筒中熱損失的大小直接決定著注入井筒底部的是蒸汽還是飽和水，決定著熱效果的好壞。蒸汽在井筒中流動(dòng)時(shí)與地面管線不同:

分為考慮井筒壓力變化和不考慮井筒壓力變化兩種情況。一、不考慮井筒壓力變化⒈假設(shè)條件：⑴井口注入蒸汽的速率、壓力和干度保持不變；⑴壓力變化中重力項(xiàng)不能忽略;⑵井筒結(jié)構(gòu)不同，周圍環(huán)境不同，沿井深方向地層溫度逐漸增加，同時(shí)散熱方式以導(dǎo)熱為主。⑵井筒結(jié)構(gòu)如圖所示；第三十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§4井筒熱損失⑶井底使用封隔器，油管、套管環(huán)形空間充入低壓空氣；⑷從油井到水泥環(huán)外緣的熱量傳遞過程為一維穩(wěn)定傳熱過程，而從水泥環(huán)外緣到地層間的傳熱為一維不穩(wěn)定傳熱；⑸地層導(dǎo)熱系數(shù)視為一常數(shù)；⑹不考慮井筒壓力變化。第三十四頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日⒉熱損失計(jì)算：熱傳遞過程分兩部分，一部分由油井中心到水泥環(huán)外緣的一維穩(wěn)定傳熱；一部分是水泥環(huán)外緣到地層中心的一維不穩(wěn)定傳熱?！?井筒熱損失設(shè)在單位時(shí)間內(nèi)，井筒某段長(zhǎng)度上的熱損失為，總的熱阻為，則：⑴油管中心到水泥環(huán)外緣由穩(wěn)定傳熱公式可得：—蒸汽（水泥環(huán)外緣處）溫度，0C；第三十五頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日由圖中可以看出，熱阻由以下七部分組成：—液膜層和污垢層對(duì)流換熱系數(shù)，w/（m.0C）；§4井筒熱損失①液膜層和污垢層對(duì)流換熱熱阻—油管導(dǎo)熱換熱系數(shù)，w/（m.0C）；②內(nèi)管導(dǎo)熱熱阻第三十六頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日—絕熱層材料導(dǎo)熱換熱系數(shù)，w/（m.0C）；③絕熱層導(dǎo)熱換熱熱阻§4井筒熱損失—外管導(dǎo)熱換熱系數(shù)，w/（m.0C）；④外管導(dǎo)熱換熱熱阻—環(huán)空自然對(duì)流（輻射）換熱系數(shù)，w/（m.0C）；⑤環(huán)空自然對(duì)流和輻射換熱熱阻第三十七頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日—套管導(dǎo)熱換熱系數(shù)，w/（m.0C）；⑥套管導(dǎo)熱換熱熱阻§4井筒熱損失—水泥環(huán)導(dǎo)熱換熱系數(shù)，w/（m.0C）；⑦水泥環(huán)導(dǎo)熱換熱熱阻所以總熱阻由為：第三十八頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日令：§4井筒熱損失則：—總的傳熱系數(shù)，w/（m.0C）；⑵油管中心到水泥環(huán)外緣該過程是不穩(wěn)定傳熱，因此熱量是隨時(shí)間而變化的。對(duì)地層的熱損失開始時(shí)較大，但隨著注汽的進(jìn)行，地層溫度增加，傳熱動(dòng)力溫差減小，熱損失降低，如圖：⑴第三十九頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§4井筒熱損失設(shè)在長(zhǎng)度上的熱損失為，總的熱阻為，則：第四十頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日隨時(shí)間不斷變化，仿照一維徑向穩(wěn)定傳熱熱組的表達(dá)式：§4井筒熱損失其中則地層中不穩(wěn)定傳熱可表示為：—原始地層溫度，0C；—地面溫度，0C；—地溫梯度，0C/m；—地層導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m.0C）；—無(wú)因次地層導(dǎo)熱時(shí)間函數(shù)，可由K.Chiu等人的經(jīng)驗(yàn)公式給出：⑵第四十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§4井筒熱損失—熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/h；根據(jù)連續(xù)性方程可得：時(shí)間內(nèi)由油管中心到水泥環(huán)外緣傳遞的熱量時(shí)間內(nèi)從水泥環(huán)外緣至地層傳導(dǎo)的熱量即：第四十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§4井筒熱損失由此可得：應(yīng)當(dāng)指出，這里只有在為常數(shù)時(shí)才成立，也就是說只有在井口定注入工況的條件下，才能用于計(jì)算。對(duì)于變注入工況，注入速率、井口壓力和蒸汽干度的變化都將導(dǎo)致的改變；下圖表示了隨是的變化，這時(shí)可以利用疊加原理（與滲流力學(xué)中相似）可以得到第n時(shí)間段熱損失量。⑶第四十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§4井筒熱損失第四十四頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§4井筒熱損失其中：…...…...由此可的第n時(shí)間段的水泥環(huán)外緣處溫度為：⑷第四十五頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§4井筒熱損失由此可見，任何時(shí)刻的不僅取決于井口當(dāng)前的注入工礦條件，而且還取決于前一時(shí)刻的。為求的井筒的熱損失，需要求的某一時(shí)刻的，而該值又與有關(guān)。求取則需要迭代。第四十六頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§4井筒熱損失其迭代步驟為：①給設(shè)定初值，取0.5；②由公式⑶或⑷計(jì)算；③利用公式⑴計(jì)算；④計(jì)算外管壁溫度，和套管內(nèi)壁溫度；第四十七頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日⑤計(jì)算環(huán)空內(nèi)輻射換熱系數(shù)

；§4井筒熱損失—隔熱管輻射熱率，無(wú)因次；—套管內(nèi)壁發(fā)射率，無(wú)因次；—斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，=5.673×10-8w/（m2.0C）；⑥計(jì)算新的總傳熱系數(shù)

；⑦利用

是否滿足精度，判斷重復(fù)或結(jié)束；第四十八頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§4井筒熱損失程序框圖為：開始U2=0.5計(jì)算Th計(jì)算△Q計(jì)算T4、Tci計(jì)算hr計(jì)算

結(jié)束Yes

No第四十九頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日⒊干度的計(jì)算：§4井筒熱損失

井筒的熱損失必將導(dǎo)致飽和蒸汽能量（位能和內(nèi)能）的降低，從而導(dǎo)致蒸汽干度的降低，根據(jù)能量平衡原理：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位長(zhǎng)度上的熱損失單位時(shí)間單位長(zhǎng)度上飽和蒸汽能量的減少即：—飽和蒸汽的焓，Kcal/kg；第五十頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§4井筒熱損失—飽和水的焓，Kcal/kg；又井口以定工礦條件注入：∴第五十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日兩端同時(shí)除以得：§4井筒熱損失令：∴第五十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日則：∴§4井筒熱損失∵∴∴第五十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，2022年，8月28日§4井筒熱損失