（热能工程专业论文）油田特高含水期油气水埋地混输管道温降计算方法研究.pdf

大庆石油学院硕士学位论文 油田特高含水期油气水埋地混输管道温降计算方法研究 摘要 对油井实施不加热集油是国内外矿场油气集输系统节能降耗的主要措施之一。从二 十世纪七十年代开始，我国胜利、中原、辽河、长庆、扶余、华北、江苏、河南、大庆 等油田相继开展了油气水混输不加热输送工艺的试验研究。但不加热输送的基础理论和 影响因素研究仍不完善，不加热集输热力计算方法缺乏系统的试验及理论研究。尤其是 油田进入特高含水采油期后( 综合含水超过8 5 ) ，油井的总产液量不断上升，井口出油 温度升高，油气水的流动状态及水力热力特性发生了变化，急需研究相应的热力计算方 法，开发不加热集输辅助运行管理软件，为油田实施和推广不加热集油提供技术支持， 以便进一步提高油田整体经济效益和油气资源综合利用水平。 本文从试验及理论两个方面，对油田特高含水期油气水埋地混输管道温降计算方法 进行研究，并开发不加热集输辅助运行管理软件。主要开展了以下几方面工作： 1 、测试了不同温度、不同含水率、不同产液量及不同含气情况下集油管道的温降， 为理论计算方法研究提供了基础数据。 2 、在严寒地区沼泽地、耕地、荒地及洼地，测试了土壤非冻结及冻结状态的导热系 数、导温系数及容积比热；在严寒地区高低地势不同深度处布置了自然温度场测试传感 器，对土壤自然温度场进行了监测，为验证土壤自然温度场计算方法提供了基础数据， 并分析了气温突变对对不同深度处土壤自然温度场的影响。 3 、研究了土壤热物性变化对土壤自然温度场的影响。考虑大气环境温度的年周期性 变化，编制了土壤温度场计算软件，利用所测试的严寒地区土壤物性参数，对土壤自然 温度场进行了计算，并与测试结果进行了对比分析；分析了土壤导热系数、导温系数、 冻结及非冻结状态土壤热物性参数对土壤温度场的影响，得出了严寒地区土壤冻结与非 冻结物性参数对土壤自然温度场影响非常小的结论。 4 、建立了油气水埋地混输管道温降计算数学模型。在模型建立过程中，充分考虑了 气体的焦耳一汤姆逊效应、管道倾斜、土壤温度场的年周期性变化及时间延迟的影响。 对比分析结果表明，井口温度计算结果与测试值的相对误差在2 0 9 6 之内。 5 、对影响油气水埋地混输管道温降的各个影响因素进行了分析，得出了产气量、含 水率、土壤导温系数以及年最高气温对温降的影响程度很小，而产液量、管长、管道入 口、温度管道埋深、管道保温状况、土壤导热系数及年平均气温对温降的影响很大的结 论。 6 、在埋地管道温降计算中考虑管道裸露情况，并建立了最小掺水量计算模型，为油 气水埋地混输管道温降计算方法应用到油田生产中提供了方便。 7 、在油气水混输管道不加热集输界限及水力热力计算方法研究的基础上，开发了“特 摘要 高含水采油期不加热集输辅助运行管理软件”。该软件能计算油田特高含水期( 含水率 超过8 5 ) 原油集输管道的温降及压降，数值模拟全年特高含水期油气水= t g 埋地管道 全年井口压力、计量间回油温度运行图，给出集油管道的全年运行指导建议。 本文进行的探索和研究，为油田特高含水期不加热集输系统运行管理提供了理论参考 及科学依据，有助于多相流学科的发展，具有重大的学术和应用价值。 关键词：特高含水期；油气水；混输管道；不加热集输；温度：土壤 大庆石油学院硕士学位论文 t h el i m i tc o n f i r m i n ga n dh y d r a u l i c t h e n u o d y 7 n a m i cc a l c u l a t i o nm e t h o d r e s e a r c hf o ro i l g a s - w a t e rm i x i n gt r a n s p o r t a t i o ns a f ei np i p e l i n ed u r i n g o i lp r o d u c i n gw i t hs u p p e rh i g hw a t e rc u t a b s t r a c t u o g g t ( u n h e a t e do i l - g a sg a t h e r i n ga n dt r a n s f e r i n g ) i so n eo ft h em a i nm e a s n r e st h a t r e d u c et h ee n e r g yc o n s u m i n gi nd o m e s t i ca n do v e r s e a so i lf i e l d s o m eo i lf i e l d sh a v ed o n e u o g g tt e c l m i c se x p e r i m e n ts i n c e1 9 7 0 s ，s u c ha ss h e n g l io i lf i e l d ，z h o n g y u a no i lf i e l d , l i a o h e o i lf i e l d ，c h a n g q i n go i lf i e l d ，f u y uo i lf i e l d , h u a b e io i lf i e l d ，j i a n g s uo i lf i e l d ，h e n a no i lf i e l d a n dd a q i n go i lf i e l de t c b u tb a s i ct h e o r ya n di n f l u e n t i a lf a c t o r so fu o g g th a v e n tb e e n p e r f e c ty e t t h em e t h o dt od e f i n el i m i ta n dt od oh y d r a u l i c t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o no f o i l g a s w a t e rt h r e e p h a s ep i p e l i n e sh a v e n tb e e ns t u d i e db yt h es y s t e m i ce x p e r i m e n ta n dt h e o r y r e s e a r c h t h eo u t p u to fo i lw e l lp r o d u c e dl i q u i da n dt h eo i l g a s w a t e rt e m p a r e u r eo f o i l - w e l l - h e a di c r e a s ec o n t i n u o u s l y 、i t hs u p p e rh i g hw a t h e rc u ts ot h a tt h eo i l g a s w a t e rt h r e e p h a s ef l o wp a t t e r na n dh y d r o t h e r m os p e c i a l i t yc h a n g eg r e a t l y i no r d e rt op r o v i d et e c h n i ch e l p f o ru o g g ta n da d v a n c et h et o t a le c o n o m i cb e n e f i to fo i lf i e l d s ，i tn e e du r g e n t l yt or e e s t a b l i s h s t u d y o nt h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o nm e t h o do fo i l g a s w a t e rp i p e l i n e s ，a n dd e v e l e p m a n a g e m e n ts o f t w a r e w es d u d yo nt h en e wt e c h n i c a lt h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i n gm e t h o do fo i l - - g a s - w a t e r m i x i n gp i p e l i n e sf o ru o g g ts y s t e m , a n dm a k ea s s i s t a n tr u n n i n gm a n a g e m e n ts o f t w a r ei nt h i s p a p e r t h ef o l l o w i n g sa r ed o n e ： 1 i no r d e rt os d u d yt h e r m o d y n a m i c sc a l c u l a t i o nm e t h o do fo i l - g a s - w a t e rt h r e e p h a s e b u r i e dp i p e l i n e sb yt e s t i n gd a t a s ，t e m p e r a t u r ed r o pa l et e s t e du n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ， w a t e r - c u t , l i q u i dp r o d u c t i o no u p u ta n dg a sp r o d u c t i o no u t p u ti no i lg a t h e r i n gp i p e l i n e 2 d i f f e r e n tk i n d so fs o i la r ec o l l e c t e df r o me v e r g l a d e ，i n f i e l da n db a d l a n d si ns e v e r ec o l d r e g i o n w em e a s u r e dt h e i rw a t e r - c o n t a i n i n gr a t e ，d r yd e n s i t y , t h e r m a lc o n d u c t i v i t y , t e m p e r a t u r e d i f f u s i v i t ya n dv o l u m e t r i cs p e c i f i cb e a tc a p a c i t yw i t hb o t ls t a t e so ff r o z e na n dt h a w s o m e t e m p e r a t u r es e n s o r sa r eb u r i e di ns o i li nd i f f e r e n td e p t ho fh i g ha n d l o wh y p s o g r a p h yi ns e v e r e c h i l l i n e s sr e g i o n t h es o i ln a t u r a lt e m p e r a t u r ef i e l di sm e a s u r e d t h e s et e m p e r a t u r ed a t a sa r e b a s eo fv e r i f y i n gt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h es o i ln a t n w a lt e m p e r a t u r ef i e l d w ea n a l y z e dt h e n m n i n gm e t h o do fo i l - g a s - w a t e rg a t h e r i n gp i p e sw h e na l m o s p h e r ee n v i r o n m e n tt e m p e r a u r e c h a n g e ds u d d e n l y 3 ，t h ec h a n g e so fs o i l sn a t u r a lt e m p e r a t u r eh a v eb e e ns d u d i e dw i t ht h ec h a n g e so fs o i l s h e a tp h y s i c a lc h a r a c t e r s t h ec a l c u l a t i n gp r o g r a mo fs o i lt e m p e r a t u r ef i e l di sm a d ew i t ht h e 摘要 a n n u a lp e r i o d i cv a r i e t y t h es o i ln a t u r a lt e m p e r a t u r ef i e l di s c o m p u t e db yt h ep h y s i c a l p a r a m e t e r st e s t e di nt h es e v e r ec o l dr e g i o n t h em a t h e m a t i c sm o d e lo fp e r i o d i cn o n - s t e a d ys o i l t e m p e r a t u r ef i e l di ss a t i s f i e dt h o u g h tc o n t r a s t i n ga n a l y s i sb e t w e e nc a l c u l a t i o nr e s u l ta n d e x p e r i m e n tr e s e t w ed r a wac o n c l n s i o nt h a tt h es o i ln a t u r a lt e m p e r a t u r ec h a n g e sv e r yl i t t l e w i t l lt h ef r o z e na n dt h a ws o i lh e a tp h y s i c a lc h a r a c t e r s 4 t h et e m p e r a t u r ed r o pc a l c u l a t i n gm a t h e m a t i c sm o d e lo f o i l g a s - w a t e r t h r e e p h a s eb u r i e d p i p e l i n ei se s t a b l i s h e d w ec o n s i d e r e dt h ee f f e c to f t o m - j o u l e se f f e c t ，p i p e l i n es l o p e ，t h ea n n u a l p e r i o d i c i t yc h a n g eo fs o i lt e m p e r a t u r ef i e l da n dt i m ed e l a yw h e nt h em o d e lw a sd e v e l o p e d t h e c o n t r a s t i n gr e s d ti n d i c a t e st h a tt h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o rb e t w e e nt h ec a l c u l a t i o nw e l lh e a d t e m p e r a t u r ea n dt e s tr e s u l ti ss m a l l e rt h a n 9 s ot h et h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o nm e t h o di s 丘tf o rt h em i x t u r et r a n s p o r t a t i o np i p e l i n ew i t hs u p p e rh i g hw a t e rc u t 5 f a c t o r si n f l u e n c i n go nt h et e m p e r a t u r ed r o po ft h eo i l 一g a s - w a t e rc o l l e c t i o nb u r i e dp i p e a r ea n a l y z e d w ed r a wac o n c l u s i o nt h a tt h et e m p e r a t u r ed r o pc h a n g e sv e r yl i t t l ew i t hg a s o u t p u t ，w a t e r - c u t , s o i l sc o e f f i c i e n to f t h e r m a ld i f f u s i v i t ya n dt h eh i g h e s ta i rt e m p e r a t u r e ，o nh e o t h e rs i d e , t h et e m p e r a t u r ed r o pc h a n g e ss e r i o u sw i t hl i q u i do u t p u t ，l e n g t ho fp i p e ，h e a t r e s i s t a n c eo f p i p ea n dt h ea v e r a g ea i rt e m p e r a t u r e 6 t h ec a s et h a tb u r i e dp i p ei sb a r ei sc o n s i d e r e di nt h et e m p e r a t u r e d r o pc o m p u t a t i o n a n d t h em i n i m u m sc o m p u t a t i o nm o d e lo fa d d e dh o tw a t e ri sb u l l e d t h e ym a k eac o n v e n i e n c ef o r t h et e m p e r a t u r ed r o pc o m p u t a t i o nm o d e l sa p p l i c a t i o ni no i lf i e l d 7 b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h el i m i to fo i l g a s - w a t e ra n dh y d r a u l i c t h e r m o d y n a m i c c a l c u l a t i o nm e t h o do fo i l - g a s - w a t e rm i x t u r et r a n s p o r t a t i o np i p e l i n eg a t h e r i n ga n dt r a n s f e r r i n g w i t h o u th e a t i n g ，t h es o f t w a r en a m e d ”a s s i s t a n to p e r a t i n gs o f t w a r ef o rt h er u na n dm a n a g e m e n t o fu o g g t d u r i n gs u p p e rh i g h l y - w a t e r ys t a g e ”i sd e v e l o p e d t h i ss o t t v g a r ec a nc a l c u l a t et h e t e m p e r a t u r ed r o pa n dp r e s s u r ed r o pi nt r a n s p o r t a t i f i o np i p e l i n eo ft h ew a t e r - c o n t a i n i n ga s c e n d s 8 5 a n ds i m u l a t en u m e r i c a l l yt h eo p e r a t i n gc b x r to f t h ep r e s s u r eo nw e l lh e a da n dt h er e t u r n i n g o 1t e m p e r a t u r ei nm e a s u r i n gs p a c e t h es o t 如v 0 2 ea l s op r o v i d e sa na d v i c ef o rt h ew h o l e y e a r s o p e r a t i o no f u o g g t f o re v e r yw e l l t h ea c h i e v e m e n to f t h i sp a p e ri st h a tp r o v i d ea c a d e m i cr e f e r e n c ea n ds c i e n t i f i cm e a n sf o r t h eo p e r a t i n ga n dm a n a g e m e n to ft h en oh e a t i n go i l - g a s - w a t e rg a t e r i n ga n dd e l i v e r i n gw i t h s u p p e rh i g hw a t e rc u t ，t h ep a p e ri sh e l p f u lt ot h ed e v e l o p m e n to fm u l f i p h a s ef l o wa n di t s a c a d e m i ca n da p p l i e dv a l u ei sm o m e n t o u s k e y w o r d s ：s u p p e r - h i g h - w a t e r - c u t ；o i l - g a s w a t e r ；m i x t u r et r a n s p o r t a t i o np i p e l i n e ； t r a n s p o r t a t i o nw i t h o u th e a t i n g ；t e m p e r a t u r e ；s o i l i v 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 国内外研究概况，水平及发展趋势 油田是我国的能源支柱产业，既是产能大户，也是耗能大户。为了保证原油正常集 输，早期的油气集输系统普遍采用以油田气为燃料的加热输送工艺，每集输i t 原油般 要烧掉2 0 3 0 i 一油田气。随着油井综合含水的上升，加热炉耗气量呈急剧上升的趋势， 大部分热能用于加热混输掺水。我国最大的石油生产企业大庆油田，大部分油井己进入 特高含水( 质量含水率超高8 5 ) 开采阶段，有的油井综合含水已达到甚至超过9 0 ， 原油集油能耗已占地面工程总能耗7 8 ，大庆油田的年耗气达到1 3 1 0 。m 3 。油田进入特 高含水采油期的一个显著特点是总液量不断上升，井口出油温度升高，有条件实现部分 油j c - j t 年或季节不加热输送或降低掺水温度输送。但由于缺乏对特高含水采油期油气水 三相流埋地混输管道温降计算方法的研究，制约了油田油气水埋地混输管道不加热输送 节能降耗规模的扩大及生产成本的降低。 油井产出液是油气水三相的混合物，其沿集输管线的流动属于复杂的多相流动。埋 地混输管道沿程温降计算是油田开采过程的重要内容之一，关系到运行的安全性和经济 性。然而，由于多相流混输管道的温降计算和单相气体或液体有明显的不同，气液混合 物不仅通过管壁向外界敷热，而且气液之间还存在质量交换和能量交换，因而多相混输 管道的温降计算相当复杂。气液混合物中若有气体存在，就要考虑焦耳汤姆逊效应引起 的温降：若有液体存在，则要考虑液体摩擦生热引起的温升。由于混输管道是埋地敷设， 其温降还受大气环境温度周期性引起的土壤温度的周期性变化、延迟及土壤变热物性的 影响。由于埋地混输管道油气水三相流动问题的复杂性，目前还没有考虑土壤温度周期 性、延迟及变物性影响的适合工程应用的油气水混合物温降计算方法。实际工程中往往 只好采用单相流的苏霍夫温降公式进行估算，这样势必会造成很大误差。随着石油工业 的迅速发展，油田生产迫切需要提出一种计算油气集输三相埋地混输管道沿程温降的精 确方法。 本文拟通过研究国内外的研究现状，在考虑周期性非稳态大地温度场及温度延迟影 响下，建立埋地管道三相混输温降计算物理及数学模型：研究数学模型的求解方法，并 开发计算软件：在大庆采油现场测试各种含水、含气及各种地势条件下的三相埋地混输 管道温降值；用实测数据验证计算方法及求解软件的正确性。应用该软件，可模拟计算 任何季节特高含水期油气水三相埋地混输管道的温降值，给出合理集输掺水量。 第一章绪论 1 2 国内外研究概况及发展趋势 自2 0 世纪7 0 年代末以来，国外发达国家出现了一股石油工业多相混输技术研究 热，直到今天，仍方兴未艾。这一研究热极大地推动了多相混输技术的发展，无论从 理论研究、试验研究还是到工业性试验，都取得了一系列重大进展，为本课题的研究 提供必要的理论基础【1 4 1 。 s c h o r r e 是计算管道流体温降的先行者，他同时考虑到了管道与周围环境的传热以及 管道内的汤姆焦尔逊效应，提出了计算方程【5 】，按照此方法计算的温度沿管长方向不断递 减，但是他将汤姆焦尔逊效应假设为沿管长方向线性增加，导致计算出来的温度是沿 着管长方向不断递减，这与实际情况有很大差别；c o u l t e r 和b a r d o n 改进了s c h o r r e 的算 法，提出了著名的c o u l t e r - b a r d o n 公式，该计算公式对于焦耳汤姆逊效应严格考虑到了 流体热力性质的变化【6 】，适用于单相流或两相流，但是公式没有考虑到流体的势能损失， 只能够进行水平管道的计算，而且公式中的环境温度是一个固定值，而实际的情况往往 难以满足这点；a l v e s 在前人的基础上推导出了一个能够计算管道各种倾斜角度单相流或 两相流温差的方法统一了c o u l t e r - b a r d o n 公式及r a m e y 公式【，能够广泛应用到管道计 算，适用于组分模型，也适用于黑油模型，此外a l v e s 还提出了一个在黑油模型中计算 汤姆焦尔逊系数的模型；o o d d 提出了应用于管道两相流压力和温度的计算机程序，其模 型是将管道在管长方向上分成若干单元，每一单元的热力性质均采用组分模型计算 9 - 埘， 建立焓平衡方程，反复迭代计算出理想的温降；f u r u k a w 编写了双循环迭代程序计算管 道流体温降 i i 1 2 ，适用于两相流的计算，这个程序首先收敛于温度然后收敛于压力，将 使用焓平衡的模型和使用c o u l t e r - b a r d o n 公式进行了比较，他的研究表明对于高压力的水 平管道或者接近水平的管道，计算温降使用c o u l t e r - b a r d o n 模型能够达到很理想的精度， 没有必要使用复杂的焓平衡模型。 近年来国内对于多相流传热理论的研究也有所发展，喻西祟，冯叔初推导了多相流 温降公式i l ”，此公式与c o u l t e r - b a r d o n 公式基本一致，但没有考虑周围土壤温度变化的 影响；喻西祟对黑油模型在凝析油气多相集输管流工艺计算中的应用进行了系统研究， 概括了黑油模型在多相流集输各个方面的理论及公式 1 4 j ；刘武、陈才林等提出了多相流 温降计算式【l ”，此公式考虑了焦耳汤姆逊效应导致的温降，液体摩擦生热引起的温升，以及 地形起伏、气液相速度变化等因素对流体温度分布的影响，并用两个现场实例验证了四个 常用温降计算简化公式在油气混输工艺计算中的有效性：王树立赵志勇等提出计算油气 集输管线沿程温降的数学模型。这些模型从集输管线稳态的能量平衡微分方程出发，考 虑了平均含气率对传热的影响和焦耳。汤姆逊效应，得出了沿程温降的解析表达式。在压 降的计算上，采用了贝克给出的对应各种不同流型的压降计算经验关联式。由于压降与 流型有关，所以温降曲线也随流型发生变化【l “。张国忠研究了输油管道在周期性变化的 大庆石油学院硕士研究生学位论文 土壤温度场运行情况 1 7 】；刘晓燕等在寒区埋地长输管道安全性研究报告中详细研究了输 油温度与周围土壤温度场的关系1 1 8 1 ，并考虑大气环境的周期性变化，研究了输油管道优 化运行问题，给出了考虑大地温度场延迟的输油管道优化运行方案及降温运行效益【l ”。 计算埋地管道时需要计算土壤自然温度场，对于土壤温度场的计算，国内外提出了 很多算法。h e n d e r s o n - s e l l e r s ，g e d n e y 提出了基于p i l p s 温度计算方法田。】，b r a d e n 在 1 9 9 5 年推导出了a m b e t i 算法【2 4 j 。李树训在9 0 年代立井法凿井工程中对不同的温度场 进行了计算【”o j 。陈友昌在季节冻土区直埋供热管道热工计算中提出了土壤温度场计算 方法四。冯恩民考虑各参数之间的关系给出了耦合温度场计算模型【2 7 】。对于土壤是否冻 结对温度场的影响程度，一些学者提出了不同意见。m i t c h e l l 认为土壤的冻结会导致土壤 热物性变化，必然会引起土壤温湿度场很大变化1 2 。后来c h e r k a u e r 却发现土壤冻结导致 的土壤导热系数、导温系数的变化对温度场的影响效果并不是特别明显吲。l i f e n gl u o ， a l a nr o b o c k 在长期对土壤冻结时温度监测发现，土壤开始冻结和开始融化时水的相变会 对土壤的温度场产生一定影响，冻土的存在对温度场有缓和作用口0 1 。由此可见，关于土 壤是否冻结对土壤温度场的影响程度，存在很大分歧。 对于油气水多相混输的问题，刘晓燕等通过在大庆油田采油六厂和采油四厂大量的 实验，发现了油气水多相混熟存在一个安全界限，当集输管道的出口流体温度大于某一 个温度值且管道保证正常压力时，油气水多相就可以不用掺加热水，进行常温集输m 。2 】。 因而，建立合理油气水多相混输管道的温降计算模型，保证管道出口温度满足这个界限 要求，就可以进行安全集输，在节能及经济上具有很大的意义。 油气水多相混输管道的温降计算问题至今仍是一个大难题，尽管国内外已经推出了 一些计算方法，有几个计算软件已经商品化，但还没有考虑土壤温度周期性变化、时间 延迟及变物性影响的适合工程应用的埋地油气水混输管道温降计算方法。 1 3 本文的主要工作 本文拟考虑大气环境温度的年周期性变化，建立油田特高含水采油期油气水埋地混输 管道的温降计算模型，开发相应的应用软件，依托大庆油田，测试各个季节、各种产液 量、各种含气量条件下的特高含水采油期油气水混输埋地管道的温降值，并用测试结果 验证计算模型及计算方法，为大庆油田高含水采油期油气水混输管道安全输送及节能降 耗提供技术支持。本文主要工作如下： 测试严寒地区土壤冻结、非冻结状态的热物性参数以及土壤自然温度场，进行 土壤热物性对土壤自然温度场的影响因素分析； 测试不同状况下特高含水采油期油气水混输埋地管道的温降： 建立油气水混输埋地管道温降计算模型，用测试数据进行验证，并进行相关的 影响因素分析； 建立管道存在裸露时的温降计算模型； 第一章绪论 建立油气集输最小掺热水量计算模型 编写不加热集输辅助工具管理软件。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第二章土壤热物性、温度场的测试及土壤热物性对 自然温度的影响因素分析 本章首先测试严寒地区土壤冻结及非冻结状态的热物性参数，为土壤自然温度场计 算提供基础数据。其次在采油现场土壤不同深度处布置测温热电阻，监测大地自然土壤 温度场，为验证土壤温度场计算方法提供基础数据；在此基础上，给出土壤温度场计算 方法，研究了土壤冻结及非冻结物性参数对土壤温度场的影响，为油气水三相流埋地混 输管道温降计算模型建立奠定基础。 2 1 严寒地区土壤的物性参数测试 土壤热物性参数是土壤温度场及埋地混输管道温降计算的基础。有关土壤热物性及 冻结深度国内外已有相关研究，但未见严寒地区土壤密度、导热系数、导温系数及比热 等物性参数测试报道。在严寒地区取样，测试土壤在冻结及非冻结状态的热物性参数。 2 1 1 测试装置简介 根据以上原理设计的测试装置如图2 - l 所示。测试系统主要由试样盒、加热装置和 温度信号检测装置组成。 图2 - 1 土壤热物性测试装置示意图 f i g 2 1t e s ti n s t r u m e n t ss k e t c ho f e d a p h i ct h e r m a lp r o p e r t i e s 2 2 0 淡 第二章土壤热物性测试及温度场测试分析 2 1 1 1 试样盒 试样盒结构如图2 2 所示。试样盒由1 6 0 m m x l 6 0 m m 的有机玻璃板材制成，中间开 有1 0 0 m m 1 0 0 m m 的方孔用来盛试样，见图2 3 。制作试样盒的有机玻璃由厚度为5 m m 和l o m m 两层组成，用沉头螺钉固定，可以根据需要组成5 m m 、1 0 m m 和1 5 m m 厚的试 样。为了能够模拟出无限大平板的条件，整个测试装置需要使用4 个相同的试样盒。 薅曦加热器 绝热面热电偶 加热面熬电偶 薄膜加热器 图2 - 2 试样盒结构示意图 f i g 2 2t h es k e t c ho f s a m p l eb o xe o n s l m c t i o n 图2 - 3 试样盒结构平面示意图 f i 9 2 3t h ep l a n es k e t c ho fs a m p l eb o x c o n s t r u c t i o n 2 1 1 2 加热装置 加热装置由两片薄膜加热器和一台直流稳压电源组成。加热器采用高电阻率康铜箔 平面加热器，尺寸为1 0 0 m m x l 0 0 m m 。薄膜加热器本身的厚度仅为2 0um ，加上绝缘薄 膜的厚度总计不超过7 0 um ，热惯性很小。此外，它的电阻值稳定，在0 1 0 0 。c 范围内 几乎不变，这对于形成恒定热流边界条件是非常有利的。直流稳压电源采用的是h y l 7 1 1 双路可跟踪直流稳压电源，它在稳压工作方式下的电压偏差小于3 0 m v 。 2 1 1 3 温度信号检测装置 温度信号检测装置由5 8 6 兼容机，d a t a i i n k 的p g h - 8 1 1 2 型a d 卡，威达公司的 d b - - 8 8 9 d 型信号调理放大器，两支铜康铜热电偶和一个冰点瓶组成。信号的检测和 数据处理用专门开发的软件来完成。 2 1 2 严寒地区土样的选取及土壤热物性测试结果 为使严寒地区土壤的热物理性质测试具有代表性，从荒地、耕地、洼地、沼泽地等 1 2 个典型地点取粘土、粉质粘土土样，如表2 1 所示。测量原状土的含水率、干湿密度， 非冻结及冻结状态的导热系数、导温系数、容积热容，测试结果分别如表2 - 2 ，2 3 所示。 大庆石油学院顺士研究生学位论文 表2 - 1 典型地点土祥采集 t a b 2 1t h es o i ls a m p l ec o l l e c t i n go f t y p i c a lp l a c e 土样密压( g e r a 3 ) 取样地点取样深度，m含水量肌 饱和度胍土壤分类 湿 干 七厂厂外 1 4 0 1 5 51 7 31 - 3 l3 2 38 0 8 粘土 叉路口1 1 5 1 3 01 7 01 3 42 6 57 0 4 粉质粘土 宋一联1 2 0 1 j 3 5t 9 11 5 72 1 88 0 7 粉质粘土 中一站 1 5 0 1 6 516 31 - 3 5 2 0 6 5 5 3 粉质粘土 跃进乡 1 2 5 1 4 017 914 2 2 5 8 7 7 o 粉质粘土 乡村第一路 1 2 0 1 3 51 4 71 2 32 0 04 4 6 粉质粘土 三井子 1 1 5 1 3 01 8 4l4 62 6 18 2 2 粉质粘土 中二站 14 5 1 6 01 4 812 8 1 5 93 8 3 粉质粘士 五站1 3 0 1 4 51 6 61 4 21 7 3 5 1 0粉质粘土 四厂洼地 0 5 0 o 8 01 5 6l - 3 i2 5 o7 6 o 粉质粘土 四厂荒地 0 5 0 0 8 01 4 51 2 62 0 o 5 5 0 粉质粘土 哈大公路 1 3 0 j 4 51 7 3l - 3 5 2 7 67 4 3粘土 表2 - 2 非冻结状态土壤热枷 生 t a b 2 2t h et h e r m a lp h y s i c a lp r o p e r t i e so f n o n - 丘e e z i n gs o i l 取样地点土壤 含水 二黻导懒导温系数容积比热 量 土壤环境分类 唔研w ( m 、( m 2 s ) 1 0 7k j ( m j 、 沼泽地( 七厂厂外) 粘土3 2 31 3 1 0i _ 2 94 3 6 32 9 5 7 0 耕地( 叉路口) 粉质粘土 2 6 51 3 4 01 3 04 7 0 92 7 6 8 3 荒地( 宋一联) 粉质粘土 2 1 81 5 7 0】4 3 4 7 9 5 2 9 9 1 1 耕地( 中一站) 粉质粘士2 0 61 3 5 00 6 82 6 9 32 5 2 7 5 洼地( 跃进乡) 粉质粘土 2 5 81 4 2 00 9 13 0 3 43 0 1 1 2 耕椒掰携 _ 蹲 粉质粘土2 0 01 2 3 00 8 73 4 1 02 5 5 8 0 洼地( 三井子) 粉质粘土 2 6 11 4 6 01 5 05 0 0 72 9 9 8 3 耕地( 中二蛳粉质粘土 1 5 91 2 8 00 9 84 4 8 22 1 8 7 3 耕地( 五站) 粉质粘土 1 7 31 4 2 01 2 55 0 6 22 4 5 9 2 洼地( 四厂)粉质粘土 2 5 01 3 1 01 1 63 9 3 42 9 4 8 6 荒地( 四厂)粉质粘土 2 0 o1 6 2 01 0 83 5 3 43 0 5 6 1 0 洼地( 哈大公路) 粘土2 7 ，61 3 5 0 13 8 4 3 0 23 1 9 6 0 7 第二章土壤热物性测试及温度场测试分析 袁2 - 3 冻结状态土壤热物性 t a b 2 3t h et h e r m a lp h y s i c a lp r o p e r t i e so f f r e e z i n gs o i l 取样地点 土壤含水量二f 峦变导懒导温系数容积比热 土壤环境 分类 电耐w ( m 、( m 2 ，s ) 1 0 7k j ( m 、 沼泽地( 七厂厂外)粘土 3 2 31 3 l ot 8 14 9 2 83 6 6 5 7 耕地( 叉路1 2 1 ) 粉质粘土 2 6 51 3 4 01 _ 8 2 5 1 0 93 7 6 8 3 荒地( 宋一联)粉质粘土 2 1 8 1 5 7 0 2 1 2 4 6 2 94 5 8 4 7 耕地( 中一站)粉质粘土2 0 61 3 5 00 7 52 5 8 22 8 9 7 7 洼地( g 无进乡)粉质粘土 2 5 81 4 2 01 1 72 9 7 63 9 4 6 1 耕地捐卜路 粉质粘土2 0 0 1 2 3 01 3 4 5 2 0 42 5 7 3 2 洼地( 三井子)粉质粘土 2 6 11 4 6 02 3 66 6 6 33 5 4 1 9 耕地( 中二站)粉质粘士 1 5 91 2 8 01 3 74 3 8 43 1 2 9 6 耕地( 五站) 粉质粘土 1 7 3 1 4 2 0 1 6 2 6 9 1 22 3 4 9 8 洼地( 四厂)粉质粘土 2 5 o1 3 1 0l _ 6 24 1 0 13 9 5 0 2 荒地( 四厂)粉质粘土 2 0 o1 6 2 01 4 6 3 4 9 94 1 7 2 6 n n ( 哈大公路)粘土 2 7 61 3 5 01 _ 4 l3 4 7 84 0 5 5 7 由表2 1 2 3 可见，所测土壤包括冻结及非冻结状态，土质类型分为粘土、粉质粘 土。土样的含水率为1 5 9 3 2 - 3 ，干密度( 容重) 在1 2 3 0 1 6 2 0 k g i n 3 之间变化，湿 密度( 容重) 为1 4 5 0 1 9 1 0 k g r n j 。 融化状态下