理工类毕业论文(论文)范例

辽宁石油化工大学毕业设计 论文 Graduation Project Thesis for Undergraduate of LSHU 题题 目目 TITLE 学 院 School 专业班级 Major Steam temperature Heat loss Heat affected zone ANSYS 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 I 目录 1 1 绪论绪论 1 1 1 1 目的意义 1 1 2 国内外的研究现状 2 1 2 1 井筒热损失的研究 2 1 2 2 油层热影响区域的研究 3 1 3 本文的研究内容及创新点 4 1 3 1 研究内容 4 1 3 2 创新点 5 2 2 研究方法研究方法 6 6 2 1 有限元分析法简介 6 2 2 ANSYS 简介 6 2 2 1 ANSYS 发展过程 7 2 2 2 ANSYS 技术特点 7 2 2 3 ANSYS 使用环境 8 2 2 4 ANSYS 程序功能 8 2 2 5 ANSYS 热分析概述 9 2 2 6 ANSYS 求解步骤 9 3 3 井筒热损失井筒热损失 1111 3 1 问题描述 11 3 2 数学模型的建立 11 3 2 1 能量平衡方程 11 3 2 2 连续介质的守恒方程 13 3 2 3 传热过程分析 14 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 II 3 2 4 基本假设 16 3 2 5 控制方程 16 3 2 6 边界条件 16 3 3 ANSYS 模拟 16 3 3 1 建立有限元模型 16 3 3 2 施加载荷计算 17 3 3 3 求解 18 3 3 4 后处理 18 3 4 模拟结果与分析 18 3 4 1 隔热油管视导热系数对井筒热损失的影响 18 3 4 2 注汽温度对单位长度井筒热损失的影响 20 4 4 油层热影响区域油层热影响区域 2222 4 1 问题描述 22 4 2 数学模型的建立 22 4 2 1 连续介质的守恒方程 23 4 2 2 多孔介质的守恒方程 25 4 2 3 传热过程分析 26 4 2 4 基本假设 27 4 2 5 边界条件 27 4 3 ANSYS 模拟 27 4 3 1 建立有限元模型 27 4 3 2 施加载荷计算 28 4 3 3 求解 29 4 3 4 后处理 29 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 III 4 4 模拟结果与分析 29 5 5 结论结论 3232 参考文献参考文献 3333 谢辞谢辞 3535 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 1 1 绪论 1 1 目的意义 稠油在世界石油资源中储量丰富 据统计 其总量约为 1000 108吨 中国是世界上稠 油资源丰富的国家之一 预测资源量约为 198 亿吨 稠油由于粘度大 流动性差等特点 常规开采方法并不适用 基于稠油对温度的敏感性特点 热力采油已成为国内外普遍认同 的开采方法 即向地下油层内注入高温高压蒸汽 一方面可以提高油层温度 降低稠油粘 度 另一方面可使油层压力升高 增加驱油能力 常见的热力采油方法有 蒸汽吞吐采油 和 蒸汽驱采油 两种方式 蒸汽吞吐采油 是先向油井注入一定量的蒸汽 焖井一段时间 待蒸汽的热能向油层扩散后 再开井生产 的一种开采稠油的增产方法 蒸汽吞吐作业的过程分为三个阶段 即注汽 焖井及回采 蒸汽驱采油 是稠油油藏经过蒸汽吞吐采油之后 为进一步提高采收率而采取的一项热 采方法 因为蒸汽吞吐采油只能采油各个油井附近油层中的原油 在油井与油井之间还留 有大量的死油区 蒸汽驱采油 是由注入井连续不断地往油层中注入高干度的蒸汽 蒸汽 不断地加热油层 从而大大降低了地层原油的粘度 注入的蒸汽在地层中变为热的流体 将原油驱赶到生产井的周围 并被采到地面上来 在注蒸汽的过程中 由于蒸汽与地层之间存在温差 蒸汽流动过程中又有摩擦阻力 因此注汽过程中存在着能量损失 注汽过程中的能量损失 特别是井筒中的能量损失 直 接影响热采效果 为了有效地减少这部分能量损失 提高热采效果 需要对注汽井筒进行 传热分析 进而探讨隔热油管视导热系数和蒸汽温度对单位长度井筒热损失的影响 这为 热采过程中热量的高效 合理利用提供了一定的理论依据 蒸汽流经井筒后进入目的层即油层 高温高压的蒸汽会通过射孔与油层进行传质传热 将热量释放给原油 使其温度升高 粘度降低 同时增加油层压力 达到驱油效果 但随 着蒸汽与油层热量交换的进行 蒸汽自身温度降低 逐渐冷凝成液体 阻止热量继续扩散 会形成热影响区域 研究油层热影响区域对合理确定注汽时间和钻井位置具有重要指导意 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 2 义 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 井筒热损失的研究 自本世纪初以来 就有许多研究者致力于井筒热损失的研究 井筒传热研究工作的先 驱 Ramey 以能量平衡为基础 忽略了流体流动过程中动能和摩擦的影响 最先提出了考虑 时间和井深影响时的井筒液体温度计算的理论模型 该模型作为井筒热损研究的雏型 给 出了井筒内注入气体和流体两种工质关于井深和时间的温度解析表达式 为后来的井筒热 损研究奠定了基础 但该模型中的时间函数要求注入流体的时间不得小于 7 天 所以此模 型的精度在时间小于 7 天的时候受到限制 另外该模型仅适用于单相流 并在建立模型过 程中假设井筒流体的物性参数不随温度变化 这与实际物理过程不相符 1 国内外许多研 究者在 Ramey 模型的基础上继续做了多方面的研究 如 Hasan 和 Kabir 建立起井筒内两相 流模型 改善了 Ramey 模型仅适用于单相流的不足 此模型可用于计算井筒液体温度的分 布 2 6 Pacheco 和 Farouq Ali 以流体流动的能量平衡方程为基础 建立了能同时计算蒸汽 压力和蒸汽干度的数学模型 7 该模型弥补了 Ramey 模型中没有考虑水泥壳的影响的缺点 另外此模型结构形式较复杂 但它可以用来较精确地计算蒸汽物性和热损失随深度和时间 的变化 不过此模型还用到了 Ramey 模型中不完善的理论 如地层时间函数 f 的计算 所以适用精度也受到一定限制 Satter 在使用 Ramey 模型时 考虑了注汽过程中的蒸汽相 变影响 进而提出了一种预测冷凝流体干度随深度及时间变化的计算方法 模型中提出的 关系式 8 可用于计算饱和蒸汽注入时的井筒热损失 Squier 等人对热水通过井筒注入时提出 了一个完整的分析方法 9 Huygen 和 Huitt 10 给出了在蒸汽注入期间的井筒热损失理论和实 验结果 同时指出辐射热损失的重要性 Willhite 提出了完整的计算总传热系数的方法 11 Holst 和 Flock 以及 Earlougher 总结前面的一些成果 并考虑了蒸汽压力的计算 12 13 Eickmeier 等人采用有限差分模型计算注入初期过渡过程特性 14 Hasan 等人又对井筒压力 降和热损失计算进行了完善 但这些模型对于目前井筒注汽热损失的计算尚有一些不足 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 3 首先它们在计算过程中 把某些参数看作是不随温度变化的常量 这与实际并不完全相符 另外由于隔热管的发展 上述模型中的总传热系数不能较真实地反映井筒现在结构 给计 算精度的提高带来困难 我国对稠油热采的相关研究比较晚 胡智勉 王弥康对注汽井筒总传热系数的计算方 法提出了一些见解 15 16 王弥康在 Ramey 模型的基础上 从传热机理出发 给出了蒸汽井 井筒热传递定量计算的数学模型 该模型避免了 Ramey 公式仅适用于长时间注汽的不足 扩大了计算时间的适用范围 从而改善了井筒传热计算的精度 17 沈惠坊将地面管线与井 筒进行了综合考虑 探讨了计算蒸汽压力降 干度降及热量损失的计算模型 18 李景勤 陈艳华 王志国等人建立了计算井筒热损数学模型 并提出了热损合理分布的概念 19 21 倪学锋提出了井筒内参数计算模型 22 刘文章提出了用物理模拟方法确定井筒总传热系数 的方法 23 1 2 2 油层热影响区域的研究 1968 年 Spillette Nielsen 通过建立一个二维模型 对油层注冷水和注热水后温度分布进 行了模拟计算 把流场分布和温度分布藕合在了一起进行迭代 24 1970 年埃克米尔等人在 研究井筒换热和温度分布时 建立了一套关于注液和产液期间 液体与井筒周围地层间热 交换的有限差分模型 计算中将油管 环空液 套管 水泥环及地层情况全部考虑在内 该模型可以有效地模拟实际井筒条件 计算短时间和长时间注液 产液时井筒内温度的变 化 模型只是基于热传导的模式进行分析的 没有考虑注入层的对流传热和井筒中的对流 传热 1970 年 Smith R C Steffensen R J 等人提出了利用温度测井的计算机分析估计 流动剖面 25 他们通过改变影啊温度特性的参数 对注水井的温度测井进行了详细的研究 研究结果表明温度测井对地层的热学特性以及井眼的几何形状具有敏感性 另外 指出了注 入水的温度和小流量的漏失对温度测井的影响 并对温度测井解释提出了指导性意见 1972 年维脱霍特与梯克萨通过改变注入速率 注入深度和注入时间 来研究注入期间井下 的温度分布 并对注入层中的温度分布进行了研究 1973 年 Steffenson RJ SmlthR C 等人 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 4 提出在油层中 由于流动的存在 势必发生热交换 要计算井眼的温度必须确定井筒周围 油藏的大片区域内的温度分布 并提出了著名的 Joul 一 Thomson 效应 1982 年 John Fagley H SeottFogler C BrentDavenport R S Millhone 等人对关井前后井筒的热传递进行 了数值模拟 26 提出关井前一段时间的热注是一种解释老井注入剖面的潜在的重要工具 1988 年袁益壮针对在油藏中水驱油的流动和传热问题提出了多孔介质中完全可压缩 可混 溶驱动问题的差分方法 1994 年 FredericMaubeuge MichelP Didek MartynB Beardsen 等 人提出了一个多层注入模型 27 1995 年胡耀江等人建立了水饱和的一维多孔介质在一端注 入蒸汽后 热液区温度分布的数学模型 提出了运用拉氏变换及数值反演求解此问题的计 算方法 28 1996 年冯恩民等人在建立的温度模型中 除了考虑热传导外 特别强调了水井 中与油层内传质传热 构造了关于导热系数 比热等参变量的优化识别模型 29 还有部分 学者利用解析法求解地层中的温度分布 1 3 本文的研究内容及创新点 1 3 1 研究内容 本文研究内容主要分为两个部分 即井筒热损失和油层热影响区域 A 井筒热损失 利用传热学 热力学 流体力学等知识分析隔热油管内管至地层的传热过程 建立 连续介质的守恒方程 并建立数学模型 利用有限元软件 ANSYS 建立隔热油管内管至地层的有限元模型 并利用其热分析 模块对模型进行热分析 求得注汽过程中井筒的温度场分布云图 探讨注汽温度和油管视导热系数对井筒热损失的影响 B 油层热影响区域 利用传热学 热力学 流体力学等知识分析套管至油层的传热过程 建立连续介质 的守恒方程和多孔介质的守恒方恒 并建立数学模型 利用有限元软件 ANSYS 建立套管至油层的有限元模型 并利用其热分析模块对模 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 5 型进行热分析 求得不同时刻油层的温度场分布云图 探讨注汽时间与油层热影响区域之间的关系 1 3 2 创新点 1 在以往的井筒温度场及热损失研究中 以数值解法为主 本文利用有限元软件 ANSYS 的热分析模块求得了井筒温度场分布云图 并结合热损失计算经验公式 探讨了注 汽温度和油管视导热系数对热损失的影响 与数值法相比 本文研究方法可以清楚 直观 地观察到温度场的分布情况 2 利用有限元软件 ANSYS 的热分析模块模拟分析了油层热影响区域 并探讨了注 汽时间与油层热影响区域之间的关系 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 6 2 研究方法 2 1 有限元分析法简介 有限元法 finite element method 是一种高效能 常用的计算方法 有限元法在早期 是以变分原理为基础发展起来的 所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述 的各类物理场中 这类场与泛函的极值问题有着紧密的联系 自从 1969 年以来 某些学 者在流体力学中应用加权余数法中的迦辽金法 Galerkin 或最小二乘法等同样获得了有限 元方程 因而有限元法可应用于以任何微分方程所描述的各类物理场中 而不再要求这类 物理场和泛函的极值问题有所联系 其原理是将连续的求解域离散为一组单元的组合体 用在每个单元内假设的近似函数 来分片的表示求解域上待求的未知场函数 近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各 节点的数值插值函数来表达 从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问 题 有限元法作为目前工程中应用较为广泛的一种数值计算方法 以其独有的计算优势得 到了广泛的发展和应用 ANSYS 软件以其多物理场耦合分析功能而成为 CAE 工程设计 中的计算机辅助工程 软件的应用主流 在热分析工程应用中得到了较为广泛的应用 2 2 ANSYS 简介 ANSYS 程序是融结构 热 流体 电磁 声学于一体的大型通用有限元商用分析软件 可广泛应用于核工业 铁道 石油化工 航空航天 机械制造 能源 电子 造船 汽车 交通 国防军工 土木工程 生物医学 轻工 地矿 水利 日用家电等各个领域 该软 件可在大多数计算机及操作系统中运行 从 PC 到工作站直至巨型计算机 ANSYS 文件在 其所有的产品系列和工作平台上均兼容 该软件基于 Motif 的菜单系统使用户能够通过对 话框 下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择 此举大大方便了用户操作 它由世 界上著名的有限元分析软件公司美国 ANSYS 公司开发的 能与多数 CAD 软件配合使用 实现数据的共享和交换 是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一 在 ANSYS 公司相继收 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 7 购 ICEM CENTURY DYNAMICS AAVID THERMAL FLUENT 等世界著名有限元分析 程序制造公司并将产品整合之后 ANSYS 实际上已成为世界上最通用和有效的商用有限元 软件 2 2 1 ANSYS 发展过程 ANSYS 公司是由美国匹兹堡大学的 John Swanson 博士在 1970 年创建的 其总部位于 美国宾夕法尼亚州的匹兹堡 目前是世界 CAE 行业最大的公司 自创建以来 ANSYS 公 司一直致力于设计分析软件的开发 不断吸取新的计算方法和计算技术 领导着世界有限 元技术的发展 ANSYS 程序的最初版本与本文用的版本 ANSYS 10 0 相比有很大区别 最初版本仅仅 提供了热分析和线性分析功能 是一个批处理程序 而且只能在大型计算机上使用 20 世 纪 70 年代初 随着非线性 子结构以及更多的单元类型的加入 ANSYS 程序发生了很大 的变化 新技术的融入进一步满足了用户的需求 20 世纪 70 年代末 交互方式的加入是 该软件最为显著的变化 此举使得模型生成和结果评价大为简化 2 2 2 ANSYS 技术特点 与其他有限元计算软件相比 ANSYS 具有以下技术特征 能实现多场及多场耦合功能 集前后处理 分析求解及多场分析于一体 独一无二的优化功能 唯一具有流场优化功能的 CFD 软件 具有强大的非线性分析功能 具备快速求解器 最早采用并行计算技术的 FEA 软件 支持从微机 工作站到巨型机的所有硬件平台 从微机 工作站 大型机直至巨型机 与所有硬件平台的全部数据文件兼容 从微机 工作站 大型机直至巨型机 所有硬件平台具有统一用户界面 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 8 可与大多数的 CAD 软件集成并具备接口 可进行智能网格划分 具有多层次多框架的产品系列 具备良好的用户开发环境 2 2 3 ANSYS 使用环境 ANSYS 程序是一个功能强大的有限元计算分析软件包 它可运行于 PC NT 工作站 UNIX 工作站以及巨型计算机等各类计算机及操作系统中 其数据文件在其所有的产品系 列和工作平台上均兼容 该软件有多种不同版本 本文应用版本为 ANSYS 10 0 版 其微 机版本要求的操作系统为 Windows95 98 2000 XP 也可运行与 UNIX 系统中 微机版的基 本硬件要求为 显示分辨率为 1024 768 像素 显示内存为 2MB 以上 硬盘大于 350MB 推荐使用 17 英寸显示器 ANSYS 多物理场耦合的功能 允许在同一模型上进行各种耦合计算 例如 热 结构 耦合 热 电耦合 磁 结构耦合以及热 电 磁 流体耦合 同时在 PC 上生成的模型可运行于 工作站及巨型计算机上 所有这一切就保证了 ANSYS 用户对多领域工程问题的求解 ANSYS 可与多种先进的 CAD 如 AutoCAD Pro Engineer NASTRAN Alogor I DEAS 等 软件共享数据 利用 ANSYS 的数据接口 可以精确地将在 CAD 系统下生成的 几何模型数据传输到 ANSYS 并通过必要的修补可准确地在模型上划分网格并进行求解 这样就可以节省用户在创建模型的过程中所花费的大量时间 使用户的工作效率大幅度提 高 2 2 4 ANSYS 程序功能 ANSYS 程序主要包括 3 个部分 30 前处理模块 求解模块和后处理模块 前处理模块 提供了一个强大的实体建模及网格划分工具 用户可以方便地构造有限元模型 求解模块 包括结构分析 结构线性分析 结构非线性分析和结构高度非线性分析 热分析 流体动 力学分析 电磁场分析 声场分析 压电分析以及多物理场的耦合分析 可模拟多种物理 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 9 介质的相互作用 具有灵敏度分析及优化分析能力 后处理模块可将计算结果以彩色等值 线显示 梯度显示 矢量显示 粒子流显示 立体切片显示 透明及半透明显示等图形方 式显示出来 也可将计算结果以图表 曲线形式显示或输出 ANSYS 程序提供了 100 种以 上的单元类型 用来模拟实际工程中的各种结构和材料 2 2 5 ANSYS 热分析概述 在实际生产过程中 常常会遇到多种多样的热量传递问题 如计算某个系统或部件的 温度分布 热量的获取或损失 热梯度 热流密度 热应力 相变等 所涉及的部门包括 能源 化工 冶金 建筑 电子 航空航天 农业 制冷 船舶等 以机械加工为例 往 往需要估算和控制工件温度场 分析不同工作条件下 不同材料及几何形状对温度场变化 的影响以及防止加工过程工件中缺陷的产生 ANSYS 作为新颖的有限元分析软件在热分析 问题方面具有强大的功能 而且界面友好 易于掌握 用户可以随心所欲地选择图形用户 界面方式 GUI 或命令流方式进行计算 ANSYS 的热分析模块一般包括 ANSYS Muliphysics ANSYS Mechanical ANSYS Thermal ANSYS FLOTRAN ANSYS ED 五种 其中 ANSYS FLOTRAN 不含相变热分析 ANSYS 热分析基于能量守恒原理的 热平衡方程 用有限元法计算物体内部各节点的温度 并导出其他热物理参数 运用 ANSYS 软件可进行热传导 热对流 热辐射 相变 热应力及接触热阻等问题的分析求解 2 2 6 ANSYS 求解步骤 ANSYS 求解模型的过程中的主要步骤 定义单元类型及选项 根据所分析的问题在单元库中选择分析问题的单元类型 定义单元是常数 单元是常数是与特定单元有关的量 定义材料属性 在材料属栏中选择性的输入热导率 泊松比 密度等所需参数 建立几何模型 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 10 定义网格并划分参数 网格划分以创建的模型 ANSYS 在后处理器中可以查看结果 显示等值线 显示分析结果数据 对结果数据进行计算和路径操作 绘制云图 结合本文研究内容及 ANSYS 10 0 软件的 ANSYS Thermal 热分析模块功能 ANSYS 10 0 适用于本文研究内容 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 11 3 井筒热损失 3 1 问题描述 以辽河油田某钻井为研究对象 注汽时间 T 5d 油套环空导热系数 yt为 0 023W m K 套管导热系数 tg为 43 2 W m K 水泥环导热系数 cem为 0 81 W m K 地层 导热系数 cm为 1 745 W m K 地层热扩散系数 c 为 0 027 m2 h 地层初始温度 Tcm 40oC 蒸汽与隔热油管内壁对流换热系数 为 10 kw m2 oC 3 2 数学模型的建立 隔热油管内管内半径 r1为 0 031m 外半径 r2为 0 0365m 隔热油管外管内半径 r3为 0 05015m 外半径 r4为 0 05715m 套管内半径 r5为 0 0809m 外半径 r6为 0 0889m 水泥 环外半径 r7为 0 1239m 地层半径 r8为 0 2478m 详见图 3 1 井筒及周围地层截面示意图 图图 3 1 井筒及其周围地层截面示意图井筒及其周围地层截面示意图 3 2 1 能量平衡方程 依据热平衡原理 选取井筒内的一微元流体单元体为研究对象 如图 3 2 所示 r8 r7 r6 r5 r2 r1 r4 r3 蒸 汽 隔热层 环 空 水泥环 地层 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 12 图图 3 2 流体单元能量平衡模型流体单元能量平衡模型 当蒸汽纵向流入或流出该单元体的控制面 1 2 时 携带的能量可表示为 3 2 1i 2 2 i i ioi gz v hmE 1 式中 蒸汽携带的能量 W i E 蒸汽流量 kg s o m 蒸汽焓值 J kg i h 蒸汽流速 m s i v 高度 m i z 重力加速度 9 81m s2 g 该流体单元的能量平衡表达式为 3 2 2 1 2 1 102 2 2 20 zg v hmzg v hmQ 2 E1 E2 1 2 3 Q 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 13 式中 单位时间的径向散热量 W Q 蒸汽的物性参数在井筒截面上是不变的 但不同截面处的物性参数是随温度变化的 由式 3 2 看出蒸汽沿井筒纵向的焓值在减少 蒸汽的能量是按递减规律传至地层的 3 2 2 连续介质的守恒方程 A 井筒内流体的能量平衡方程 井筒油管内高温蒸汽在注入过程中遵循热力学第一规律 其能量平衡方程为 3 dz dzz dzz z zz Q v gH v gzH 2 dz z 2 2 dz z 2 3 式中 z 及 z dz 处的焓 kJ z H dzz H vz vz dz z 及 z dz 处的速度 m h z 及 z dz 处的流体密度 kg m3 z dz z Q dz 蒸汽散热量 kJ 公式 3 3 表示包括蒸汽焓 势能和动能在 z 处的蒸汽能量与 z dz 处的蒸汽能量及 蒸汽散热量的平衡方程 B 井筒内流体的连续性方程 高温蒸汽在油管内流动时 质量流量保持不变 因此满足流体的连续性方程 即 3 0 mvAvA dzzdzzdzzzzz 4 式中 z 及 z dz 处的横截面积 m2 z A dzz A vz vz dz z 及 z dz 处的速度 m h z 及 z dz 处的流体密度 kg m3 z dzz C 井筒内流体的动量平衡方程 把蒸汽在油管内的流动看作是两相流的流动 为描述其流动特性 通常从两相流压力 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 14 降的研究出发 管内稳态均质两相流满足动量平衡方程 即 3 vdvdz d vf gdzdP m m m 2 1 2 5 式中 段内的压力降 MPa dPdz 蒸汽密度 kg m3 m 摩阻系数 f 井筒内径 m 1 d 表示段内的势能变化 表示段内的摩擦损失 表示段内gdz m dzdzvdv m dz 的动能变化 也就是说管内两相流的压力降是摩擦损失 势能变化和动能变化的综合结果 D 油管内湿蒸汽的焓 由于湿蒸汽为汽水两相混合物 所以它的焓可用相同温度或压力下的饱和水 饱和蒸 汽及湿蒸汽的干度来表示 即 3 1 xhxhh lg 6 式中 蒸汽干度 x 湿蒸汽的焓 kJ kg h 饱和蒸汽的焓 kJ kg g h 饱和水的焓 kJ kg l h 3 2 3 传热过程分析 根据热力学 31 和传热学 32 知识对井筒传热进行分析 由于水泥环外侧的地层体积和热 容量比水泥环内侧的井筒大得多 水泥环与地层交界处的温度 随注入时间的推移缓慢上 k t 升 表征热量在地层中扩散速率的参数 热扩散系数 的数量级仅为 10 7 2m s 因而 dz d vf m 1 2 2 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 15 与未受热影响的远处地层温度的差值不大 相反 隔热管内蒸汽温度与的差别较 k t ci t f t k t 大 有一个数量级的差别 因而 可以假设水泥环内侧 简称井筒内 热量传递是稳态的 而水泥层外侧 简称地层内 热量传递则按非稳态处理 A 井筒内稳态传热 井筒内传热过程主要包括 蒸汽与隔热油管内壁之间的对流换热 隔热油管多孔隔热 材料中伴有热辐射的导热 油套管环空中对流 辐射同时作用的换热以及套管 水泥环和 地层的导热等环节 对于注汽井一微元段 dz 的径向热损失 可表示为 3 2 2kf ttdzkrdQ 7 式中 段内井筒的径向热损失 W dQdz 隔热油管外半径 m 2 r 以隔热油管内管外表面为基准面积的总传热系数 W m2 k k 当井筒内隔热管抽真空时 可表示为 k 3 1 76 54 321 11 1 RR RR RRRk 8 式中 蒸汽凝结换热热阻 1 R 隔热油管热阻 2 R 隔热管内隔热层换热热阻 3 R 环空辐射换热热阻 4 R 环空对流热热阻 5 R 套管壁导热热阻 6 R 水泥环导热热阻 7 R 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 16 B 地层内非稳态传热 在井筒稳态传热的同一微元段 dz 内 地层非稳态导热方程如下 3 eee t ar t rr t11 2 2 9 初始条件时 0 3 Zattt Tbcie 10 边界条件时 0 3 0 r te 11 3 77 2 rr r t dzrdQ e e 12 式中 地层内某处温度 oC e t rfte 地层导热系数 W m K e 地层扩散系数 smc 2 p e e 3 2 4 基本假设 1 从油管内的蒸汽到地层的热量传递为一维稳态传热 地层为非稳态导热 2 视油管内的蒸汽流为一维均质两相流 且无相变及泄露现象 3 忽略地层温度梯度的影响 3 2 5 控制方程 根据传热基本理论 二维瞬态传热问题的控制方程为 3 T y T x T1 2 2 2 2 13 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 17 式中 x y 分别指的是 x 和 y 方向 是时间 s 是热扩散率 m2 s 3 2 6 边界条件 蒸汽与油管内壁之间属于对流换热 所以油管内壁为第三类边界 应满足 3 f TTa n T k 14 在不考虑地温梯度的情况下 地层温度为定值 因此地层边界处为第一类边界条件 其他边界均为绝热边界 3 3 ANSYS 模拟 利用 ANSYS 10 0 热分析软件 做出在不同隔热油管视导热系数和注汽温度时的井筒 温度场分布情况 3 3 1 建立有限元模型 1 打开 ANSYS 10 0 有限元分析软件 过滤图形用户界面 2 确定工作文件名 heat loss in well 单位制默认为国际单位制 3 进入 PREP7 前处理器 选择 plane55 热分析单元 并设置成轴对称单元 4 将已知物性参数定义为材料热物性参数 5 根据图 3 1 建立有限元模型 如图 3 3 6 采用自由网格划分方法对模型进行网格划分 结果如图 3 4 3 3 2 施加载荷计算 A 定义分析类型 定义新的分析类型为瞬态分析 Transient B 设置瞬态热分析的初始条件 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 18 由于初始温度场是不均匀的且又是未知的 所以首先要进行稳态热分析 为稳态热分 析建立初始条件 在井筒壁处施加对流载荷 在地层处施加原始地层温度场载荷 其他边 界为绝热边界 图图 3 3 井筒有限元模型井筒有限元模型 图图 3 4 网格划分结果网格划分结果 3 3 3 求解 采用 GUI 命令 Main Solution Load Step Opts Time Frequenc Time Time Step 设 置计算终止时间为 0 01s 时间步长为 0 01s 并将时间积分效果设定为 Off 对模型进行稳 态热分析 稳态热分析结束后 将时间积分效果设定为 On 并删除所有节点的温度载荷 计算终 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 19 止时间设定为 5 天 时间步长设定为 1 小时 对模型进行瞬态热分析 3 3 4 后处理 对于瞬态热分析 ANSYS 提供了两种后处理方式 即 POST 1 和 POST 26 本文采用 POST 1 进行后处理 利用 GUI 命令 Main Menu General Postproc Plot Results 显示温度 场彩色云图 并拾取套管内径边缘处温度 3 4 模拟结果与分析 取水泥环与地层之间截面的平均温度作为温度参数 并结合文献 33 中给出的热损失经 验公式 分别算出在不同的隔热油管视导热系数及注汽温度下井筒热损失情况 3 4 1 隔热油管视导热系数对井筒热损失的影响 现在使用的隔热油管多为抽真空隔热油管 结合预应力隔热油管标准 SY T 5324 94 中提出的视导热系数概念 把隔热管的隔热层内以导热 对流和辐射三种方式传递的热量 视为以纯导热方式传递的热量 其中 视导热系数数值划分为五个范围等级 如表 3 1 所 示 因此 分别选取视导热系数为 0 07 0 05 0 03 0 01 和 0 005 W m K 表表 3 1 隔热油管等级分类隔热油管等级分类 单位 W m K 隔热性能等级ABCDE 视导热系数0 06 0 080 04 0 060 02 0 040 006 0 020 002 0 006 在实际的稠油热采过程中 注汽温度一般为 300 350 之间 基于此 本文以蒸汽温 度为 312 情况下进行模拟 图 3 5 为在视导热系数为 0 07 时的温度分布云图 结合热损 失经验公式 得到单位长度井筒热损失与视导热系数之间的关系 如表 3 2 和图 3 6 所示 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 20 图图 3 5 视导热系数为视导热系数为 0 07 W m K 时的温度分布云图时的温度分布云图 表表 3 2 不同视导热系数下的计算结果不同视导热系数下的计算结果 序号 视导热系数 W m K 套管温度 oC 热损失 W m 1 2 3 4 5 0 005 0 01 0 03 0 05 0 07 41 588 42 848 46 046 47 797 48 902 2 715 4 870 10 338 13 332 15 222 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 21 图图 3 6 隔热油管视导热系数对井筒热损失的影响隔热油管视导热系数对井筒热损失的影响 根据图 3 6 分析可知 井筒单位长度热损失整体上随着隔热油管视导热系数的增大而 增大 其中 对于 A 级的隔热油管 单位长度井筒热损失约达 15W m 左右 而对于 E 级 的隔热油管 单位长度井筒热损失仅约为 3 5W m 两者单位长度井筒热损失相差约 11 5W m 因此 选用视导热系数高级别的隔热油管对于降低井筒单位长度的热损失具有 明显的影响 此外 当视导热系数从 0 07W m K 提高至 0 03 W m K 后 单位长度热损失 的变化速率随着视导热系数的减小而出现明显的降低 综上所述 在实际的应用过程中 建议选用隔热油管视导热系数在 0 03 0 005W m K 3 4 2 注汽温度对单位长度井筒热损失的影响 上述视导热系数的建议范围内 在视导热系数为 0 03 W m K 情况下 分别研究以注汽 温度分别为 312 324 333 346 和 350oC 五种情况下 注汽温度对单位长度井筒热损失的 影响 详细情况如表 3 3 和图 3 7 所示 图 3 8 为当注汽温度为 324oC 时的温度分布云图 表表 3 3 不同注汽温度下的计算结果不同注汽温度下的计算结果 序号注汽温度 oC 套管温度 oC 热损失 W m 1 2 312 324 48 902 49 297 15 222 15 897 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 22 3 4 5 333 346 350 49 592 49 987 50 082 16 401 17 077 17 239 根据上图分析所知 单位长度井筒的热损失随着注汽温度的升高几乎呈线性增大的趋 势 在注汽温度为 312oC 情况下 单位长度井筒热损失约为 15 2W m 在注汽温度在 350oC 情况下 单位长度井筒热损失约为 17 2W m 由此可见 注汽温度的提高对于井筒 单位长度热损失的影响较小 每提高 50oC 井筒单位长度热损失相差约 2W m 图图 3 7 注汽温度对井筒热损失的影响注汽温度对井筒热损失的影响 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 23 图图 3 8 注汽温度为注汽温度为 324oC 时的温度分布云图时的温度分布云图 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 24 4 油层热影响区域 4 1 问题描述 高温高压的蒸汽流经井筒后进入封隔器以下的油层区 通过射孔与油层进行传质传热 传热过程如图 4 1 所示 图图 4 1 油层传热过程示意图油层传热过程示意图 以辽河油田某钻井为研究对象 注汽时间 T 10d 套管导热系数 tg为 43 2 W m K 水 泥环导热系数 cem为 1 2 W m K 油层综合导热系数 cm为 2 53 W m K 地层导热系数为 1 968 W m K 地层热扩散系数 c 为 0 027 m2 h 地层初始温度 Tcm 40oC 蒸汽与隔热油管 内壁对流换热系数 为 10 kw m2 oC 4 2 数学模型的建立 套管内半径 r1为 0 0809m 外半径 r2为 0 0889m 水泥环外半径 r3为 0 1239m 地层 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 25 和油层半径 r4为 20m 详见图 4 2 油层截面示意图 蒸 汽 水 泥 环 地 层 油 层 套 管 r1 r2 r3 0 5m m 1m 图图 4 2 油层截面示意图油层截面示意图 4 2 1 连续介质的守恒方程 求解与流体中动量 热量和质量传递有关的问题时 首先应根据基本的守恒定律对该 物理系统建立一组方程 这些方程包括 能量平衡方程 连续性方程 焓方程 A 连续介质的能量平衡方程 井筒油管内高温蒸汽在注入过程中遵循热力学第一规律 其能量平衡方程为 4 dz dzz dzz z zz Q v gH v gzH 2 dz z 2 2 dz z 2 1 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 26 式中 Hz Hz dz z 及 z dz 处的焓 kJ vz vz dz z 及 z dz 处的速度 m h z 及 z dz 处的流体密度 kg m3 z dz z Qdz 蒸汽散热量 kJ 上式表示包括蒸汽焓 势能和动能在 z 处的蒸汽能量与 z dz 处的蒸汽能量及蒸汽散 热量的平衡方程 B 连续介质的连续性方程 高温蒸汽在油管内流动时 质量流量保持不变 因此满足流体的连续性方程 即 4 0 mvAvA dzzdzzdzzzzz 2 式中 z 及 z dz 处的横截面积 m2 z A dzz A vz vz dz z 及 z dz 处的速度 m h z 及 z dz 处的流体密度 kg m3 z dzz C 连续介质的动量平衡方程 把蒸汽在油管内的流动看作是两相流的流动 为描述其流动特性 通常从两相流压力 降的研究出发 管内稳态均质两相流满足动量平衡方程 即 4 vdvdz d vf gdzdP m m m 2 1 2 3 式中 段内的压力降 MPa dPdz 蒸汽密度 kg m3 m 摩阻系数 f 井筒内径 m 1 d 表示段内的势能变化 表示段内的摩擦损失 表示段内gdz m dzdzvdv m dz dz d vf m 1 2 2 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 27 的动能变化 D 油管内湿蒸汽的焓 由于湿蒸汽为汽水两相混合物 所以它的焓可用相同温度或压力下的饱和水 饱和蒸 汽及湿蒸汽的干度来表示 即 4 1 xhxhh lg 4 式中 蒸汽干度 x 湿蒸汽的焓 kJ kg h 饱和蒸汽的焓 kJ kg g h 饱和水的焓 kJ kg l h 4 2 2 多孔介质的守恒方程 A 多孔介质的质量守恒方程 多孔介质的质量守恒方程为 4 0 1 v t 5 式中 密度 kg m3 介质的孔隙度 渗流速度 m d v B 多孔介质的动力学方程 a 单相流 在只有饱和牛顿流体的空隙介质中 达西定律如下 4 Dgp k v 6 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 28 式中 流体的渗流速度 m d v 渗透率 k 2 m 粘度 Pa s 流体的密度 kg m3 压力 MPa p D 垂直高度 m G 重力加速度 m s2 b 多相流 多相流的渗流微分方程为 4 7 11 lll l rl s t qDgp kk 式中 sl l 相流体的饱和度 ql 流体流入或流出的流体质量流量 kg s 4 2 3 传热过程分析 A 井筒内稳态传热 井筒内传热过程主要包括 蒸汽与套管内壁之间的对流换热 套管与水泥环和水泥环 与油层的导热等环节 对于注汽井一微元段 dz 的径向热流量 可表示为 4 2 2kf ttdzkrdQ 8 式中 段内井筒的径向热流量 W dQdz 套管外半径 m 2 r 以套管外表面为基准面积的总传热系数 W m2 k k 的表达式为 k 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 29 4 1 321 RRRk 9 式中 蒸汽与套管内壁对流换热热阻 1 R 套管壁导热热阻 2 R 水泥环导热热阻 3 R B 油层传热分析 井筒蒸汽与套管通过对流换热向井筒周围散热 同时产生从射孔到油层的传质热传导 由于在有限元中无法解决传质问题 因此一般简化为具有一定半径的加热区模型 非稳态无内热源轴对称温度场的微分方程为 4 0c p 2 2 2 2 t T r T r T r x T rktrxTD 10 应用 Galerkin 法可得到轴对称温度场整体区域 变分 计算的基本方程为 4 11 T l D lp ll l P dS n T rkWdxdr t T rWc r T r W x T x W kr T J 0 利用温度场变分方程对模型进行剖分离散 单元分析及最终总体合成 即可完成模型 温度场的求解 4 2 4 基本假设 沿井深方向上的热能不发生传递 视蒸汽流为一维均质两相流 且无相变 忽略油层温度梯度的影响 以井眼中心为中心的同心圆上的温度是相同的 4 2 5 边界条件 蒸汽与套管内壁之间属于对流换热 所以套管内壁为第三类边界 应满足 4 f TTa n T k 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 30 12 加热区为第一类边界条件 由于不受油层温度梯度的影响 所以油层为第一类边界条 件 其他为绝热边界 4 3 ANSYS 模拟 4 3 1 建立有限元模型 打开 ANSYS 10 0 有限元分析软件 过滤图形用户界面 确定工作文件名 you ceng re ying xiang qu yu 单位制默认为国际单位制 进入 PREP7 前处理器 选择 plane55 热分析单元 并设置成轴对称单元 将已知物性参数定义为材料热物性参数 根据问题描述建立有限元模型 结果如图 4 3 所示 图图 4 3 油层有限元模型 局部放大图 油层有限元模型 局部放大图 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 31 采用自由网格划分方法对模型进行网格划分 结果如图 4 4 所示 图图 4 4 网格划分结果 局部放大图 网格划分结果 局部放大图 4 3 2 施加载荷计算 A 定义分析类型 定义新的分析类型为瞬态分析 transient B 设置瞬态热分析的初始条件 由于初始温度场是不均匀的且又是未知的 所以首先要进行稳态热分析 为稳态热分 析建立初始条件 在套管内壁处施加对流载荷 在油层和地层处施加原始温度场载荷 其 他边界为绝热边界 4 3 3 求解 采用 GUI 命令 Main Solution Load Step Opts Time Frequenc Time Time Step 设 置计算终止时间为 0 01s 时间步长为 0 01s 并将时间积分效果设定为 Off 对模型进行稳 态热分析 稳态热分析结束后 将时间积分效果设定为 On 并删除所有节点的温度载荷 计算终 止时间设定为 10 天 时间步长设定为 1 小时 对模型进行瞬态热分析 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 32 4 3 4 后处理 采用 POST 1 进行后处理 利用 GUI 命令 Main Menu General Postproc Plot Results 显示温度场彩色云图 4 4 模拟结果与分析 模拟油层温度场分布云图如图 4 5 至图 4 14 所示 图图 4 5 注汽第注汽第 1 天温度分布云图天温度分布云图 图图 4 6 注汽第注汽第 2 天温度分布云图天温度分布云图 图图 4 7 注汽第注汽第 3 天温度分布云图天温度分布云图 图图 4 8 注汽第注汽第 4 天温度分布云图天温度分布云图 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 33 图图 4 9 注汽第注汽第 5 天温度分布云图天温度分布云图 图图 4 10 注汽第注汽第 6 天温度分布云图天温度分布云图 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 34 图图 4 11 注汽第注汽第 7 天温度分布云图天温度分布云图 图图 4 12 注汽第注汽第 8 天温度分布云图天温度分布云图 图4 13 注汽第注汽第 9 天温度分布云图天温度分布云图 图图 4 14 注汽第注汽第 10 天温度分布云图天温度分布云图 油层热影响区域随时间的变化如图 4 15 图图 4 15 油层热影响区域油层热影响区域 根据以上各图分析可知 油层高温区从第 3 天开始逐渐向地层扩散 造成热损失 油 层热影响区域先随着注汽时间的增大而增大 大约以 0 2m d 的速度增大 第 5 天热影响区 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 35 域达到最大 而后热影响区域基本保持不变 维持在大约 17 4 米左右 辽宁石油化工大学毕业设计 论文 用纸 36 5 结论 A 井筒热损失 1 井筒单位长度热损失整体上随着隔热油管视导热系数的增大而增大 视导热系数 从 0 07W m K 提高至 0 03 W m K 后 单位长度热损失的变化速率随着视导热系数的减小 而出现明显的降低 建议选用隔热油管视导热系数在 0 03 0 005W m K 2 单位长度井筒的热损失随着注汽温度的升高几乎呈线性增大的趋势 每提高 50 井筒