注蒸汽热力采油

注蒸汽热力采油1第一页，共五十八页，2022年，8月28日第三章注蒸汽系统热损失§1热量的传递§2注气工艺流程§3地面管线的热损失§4井筒热损失第二页，共五十八页，2022年，8月28日§1热量的传递

热传导:相互接触而温度不同的物体或物体中温度不同的各部分之间的饿热量传递的现象，也可以说是热量从高温部分传递到低温部分。—导热系数，Kcal/（h.m0C）第三页，共五十八页，2022年，8月28日§1热量的传递

热对流:流体中温度不同的各部分之间，由于相对的宏观运动将热量从一处带到另一出的现象。—对流换热系数，Kcal/（h.m0C）第四页，共五十八页，2022年，8月28日§1热量的传递

热辐射:不相互接触具有不同温度的物体间热量的传递现象。—对流换热系数，Kcal/（h.m0C）第五页，共五十八页，2022年，8月28日第三章注蒸汽系统热损失§1热量的传递§2注气工艺流程§3地面管线的热损失§4井筒热损失第六页，共五十八页，2022年，8月28日§2注汽工艺流程

注汽系统主要包括蒸汽发生器系统、地面管线系统和注汽井筒系统。由蒸汽发生器产生高温、高压热流体，经由地面管线输送到井口，流经井筒到达井底。其流程图：注汽系统第七页，共五十八页，2022年，8月28日一、蒸汽发生器系统§2注汽工艺流程

蒸汽发生器系统是蒸汽热力采油的主要系统，它由主体（蒸汽发生器）和辅助系统（燃烧器、给水泵、水处理设备及监控仪表）组成。﹡组成：

生成蒸汽热力采油所需要的高温、高压流体。﹡作用：第八页，共五十八页，2022年，8月28日二、地面管线系统§2注汽工艺流程

地面管线系统是输送高温、高压流体的输送管道。目前使用的管线为架空硅酸盐纤维保温管线，沿管线程有膨胀弯头和过路“龙门”，主干呈枝状分布，末端成环状管网，这样便于蒸汽的调配。三、注汽井筒系统

是将蒸汽输送到井底的输送管道。常用的注汽管柱有两种，一种是隔热油管、伸缩管、封隔器组成的管柱，另一种是氮气隔热油管。第九页，共五十八页，2022年，8月28日第三章注蒸汽系统热损失§1热量的传递§2注气工艺流程§3地面管线的热损失§4井筒热损失第十页，共五十八页，2022年，8月28日§3地面管线的热损失※1架空管线热损失※2地下埋管热损失※3水平管线的沿程压力※4蒸汽干度的计算第十一页，共五十八页，2022年，8月28日§3地面管线的热损失一、架空管线热损失架空管线结构示意图：1.假设条件⑴架空管线外存在绝热层；⑵蒸汽温度Ts和大气温度Ta是固定的；⑶管线结构如图所示。第十二页，共五十八页，2022年，8月28日由热损失关系得：—单位长度上，单位时间内热损失，kcal/（h·m）—单位长度上的热阻。综合架空管线结构示意图，可以分析热阻§3地面管线的热损失2.热损失计算由管壁上的液体膜层、污垢层、管壁、绝热层和气膜层几部分组成，即：第十三页，共五十八页，2022年，8月28日§3地面管线的热损失⑴管壁液膜层对流换热热阻

管壁上的液体膜层流体基本上不流动，具有热传导机理，但是该层的厚度与蒸汽流速有关，所以可以用对流换热来计算其热阻。

—液膜层对流换热系数，⑵管壁上的污垢层对流换热热阻

污垢层的厚度也与蒸汽流速有关，也可以用对流换热来计算其热阻。第十四页，共五十八页，2022年，8月28日—污垢层对流换热系数，§3地面管线的热损失⑶管壁热传导换热热阻—管壁的导热系数，第十五页，共五十八页，2022年，8月28日⑷绝热层热传导换热热阻§3地面管线的热损失—绝热层导热系数，⑸管线与空气的强迫对流换热热阻—强迫对流换热系数，第十六页，共五十八页，2022年，8月28日§3地面管线的热损失因此单位长度管线上的热阻为：第十七页，共五十八页，2022年，8月28日§3地面管线的热损失※1架空管线热损失※2地下埋管热损失※3水平管线的沿程压力※4蒸汽干度的计算第十八页，共五十八页，2022年，8月28日§3地面管线的热损失二、底下埋管热损失

底下埋管是利用大地作为绝热层（如图），Rohsenow和Hartnett利用如下公式给出了埋管热组的近似计算：第十九页，共五十八页，2022年，8月28日—地层导热系数，一般取值0.5518§3地面管线的热损失其中：

通过大量的矿场实验表明，注蒸汽开始时地下埋管的热损失明显大于悬空管线的热损失。因此，在蒸汽注入周期相对较短时（如蒸汽吞吐），土壤中水份有频繁和明显变化的地方，不宜将底下埋管作为绝热方法。第二十页，共五十八页，2022年，8月28日§3地面管线的热损失例：已知某输送管线外包绝热层，流过蒸汽温度Ts为288℃，空气温度Ta为15.5℃,试计算每30m长度管线上的热损失。已知：ri=0.045mro=0.051mrins=0.127m第二十一页，共五十八页，2022年，8月28日那么30m管线热损失Q＝ql*30=3270kcal/h，仅考虑绝热层热阻计算的热损失Q’＝3348kcal/h，相差2%左右。因此在注蒸汽热力采油中，一般把绝热层看作影响热损失的唯一热阻。§3地面管线的热损失解：据题意得：由得：第二十二页，共五十八页，2022年，8月28日§3地面管线的热损失※1架空管线热损失※2地下埋管热损失※3水平管线的沿程压力※4蒸汽干度的计算第二十三页，共五十八页，2022年，8月28日§3地面管线的热损失三、水平管线沿程压力

当地面管线较短时，通常不考虑沿程压力变化。如管线较长，管网中有膨胀弯头和过路“龙门”，则必须考虑沿程压力的变化。膨胀弯和过路“龙门”的局部阻力常采用等价沿程阻力来处理。

管线内流体流动时，压力梯度是摩擦压力梯度、位能压力梯度和动能压力梯度的综合结果，因此有：第二十四页，共五十八页，2022年，8月28日§3地面管线的热损失⑴摩擦压力梯度—摩擦系数，无因次；—汽液混合物密度，g/cm3；—混合物（液）（汽）比容，cm3/g；摩擦系数与雷诺数有关：第二十五页，共五十八页，2022年，8月28日§3地面管线的热损失时为层流，摩擦系数为：当时为紊流，摩擦系数为：当时为过渡流，摩擦系数为：当—过渡流的紊流摩擦系数，代入①式的结果；①②③—过渡流的紊流摩擦系数，代入②式的结果；—管线粗糙度，m；第二十六页，共五十八页，2022年，8月28日§3地面管线的热损失⑵动能压力梯度—混合物流速，m/s；

动能在较高的流速下才有明显变化，对于高干度的蒸汽流动，气体体积流量远远大于液体体积流量，因此必须考虑动能变化，根据气体状态方程可得：—气体体积流量，m3/s；—过断面面积，m2；—蒸汽质量速率，g/s；第二十七页，共五十八页，2022年，8月28日§3地面管线的热损失⑶位能压力梯度

对于水平管线位能为0。所以水平地面管线沿程压力梯度为：在实际计算过程中，需要将管线划分为若干段，利用公式计算每一段压力变化。第二十八页，共五十八页，2022年，8月28日§3地面管线的热损失※1架空管线热损失※2地下埋管热损失※3水平管线的沿程压力※4蒸汽干度的计算第二十九页，共五十八页，2022年，8月28日§3地面管线的热损失四、蒸汽干度的计算单位时间内热量损失单位时间内蒸汽内能的变化＝能量平衡原理：

假设蒸汽发生器出口蒸汽干度为，到达井口仍是饱和状态，其干度为如果压力、温度不变。管线的热损失主要来自于一部分蒸汽冷凝为水释放的汽化潜热，从而引起干度的降低。如果不考虑位能和动能的变化，只考虑内能的变化，则：第三十页，共五十八页，2022年，8月28日—饱和蒸汽（热水）的焓，Kcal/kg；§3地面管线的热损失化简得：—汽化潜热，Kcal/kg；∴蒸汽干度为：其中、、和蒸汽的压力有关，可查水蒸汽表或回归得到。第三十一页，共五十八页，2022年，8月28日第三章注蒸汽系统热损失§1热量的传递§2注气工艺流程§3地面管线的热损失§4井筒热损失第三十二页，共五十八页，2022年，8月28日§4井筒热损失

井筒中热损失的大小直接决定着注入井筒底部的是蒸汽还是饱和水，决定着热效果的好坏。蒸汽在井筒中流动时与地面管线不同:

分为考虑井筒压力变化和不考虑井筒压力变化两种情况。一、不考虑井筒压力变化⒈假设条件：⑴井口注入蒸汽的速率、压力和干度保持不变；⑴压力变化中重力项不能忽略;⑵井筒结构不同，周围环境不同，沿井深方向地层温度逐渐增加，同时散热方式以导热为主。⑵井筒结构如图所示；第三十三页，共五十八页，2022年，8月28日§4井筒热损失⑶井底使用封隔器，油管、套管环形空间充入低压空气；⑷从油井到水泥环外缘的热量传递过程为一维稳定传热过程，而从水泥环外缘到地层间的传热为一维不稳定传热；⑸地层导热系数视为一常数；⑹不考虑井筒压力变化。第三十四页，共五十八页，2022年，8月28日⒉热损失计算：热传递过程分两部分，一部分由油井中心到水泥环外缘的一维稳定传热；一部分是水泥环外缘到地层中心的一维不稳定传热。§4井筒热损失设在单位时间内，井筒某段长度上的热损失为，总的热阻为，则：⑴油管中心到水泥环外缘由稳定传热公式可得：—蒸汽（水泥环外缘处）温度，0C；第三十五页，共五十八页，2022年，8月28日由图中可以看出，热阻由以下七部分组成：—液膜层和污垢层对流换热系数，w/（m.0C）；§4井筒热损失①液膜层和污垢层对流换热热阻—油管导热换热系数，w/（m.0C）；②内管导热热阻第三十六页，共五十八页，2022年，8月28日—绝热层材料导热换热系数，w/（m.0C）；③绝热层导热换热热阻§4井筒热损失—外管导热换热系数，w/（m.0C）；④外管导热换热热阻—环空自然对流（辐射）换热系数，w/（m.0C）；⑤环空自然对流和辐射换热热阻第三十七页，共五十八页，2022年，8月28日—套管导热换热系数，w/（m.0C）；⑥套管导热换热热阻§4井筒热损失—水泥环导热换热系数，w/（m.0C）；⑦水泥环导热换热热阻所以总热阻由为：第三十八页，共五十八页，2022年，8月28日令：§4井筒热损失则：—总的传热系数，w/（m.0C）；⑵油管中心到水泥环外缘该过程是不稳定传热，因此热量是随时间而变化的。对地层的热损失开始时较大，但随着注汽的进行，地层温度增加，传热动力温差减小，热损失降低，如图：⑴第三十九页，共五十八页，2022年，8月28日§4井筒热损失设在长度上的热损失为，总的热阻为，则：第四十页，共五十八页，2022年，8月28日随时间不断变化，仿照一维径向稳定传热热组的表达式：§4井筒热损失其中则地层中不稳定传热可表示为：—原始地层温度，0C；—地面温度，0C；—地温梯度，0C/m；—地层导热系数，w/（m.0C）；—无因次地层导热时间函数，可由K.Chiu等人的经验公式给出：⑵第四十一页，共五十八页，2022年，8月28日§4井筒热损失—热扩散系数，m2/h；根据连续性方程可得：时间内由油管中心到水泥环外缘传递的热量时间内从水泥环外缘至地层传导的热量即：第四十二页，共五十八页，2022年，8月28日§4井筒热损失由此可得：应当指出，这里只有在为常数时才成立，也就是说只有在井口定注入工况的条件下，才能用于计算。对于变注入工况，注入速率、井口压力和蒸汽干度的变化都将导致的改变；下图表示了随是的变化，这时可以利用叠加原理（与渗流力学中相似）可以得到第n时间段热损失量。⑶第四十三页，共五十八页，2022年，8月28日§4井筒热损失第四十四页，共五十八页，2022年，8月28日§4井筒热损失其中：…...…...由此可的第n时间段的水泥环外缘处温度为：⑷第四十五页，共五十八页，2022年，8月28日§4井筒热损失由此可见，任何时刻的不仅取决于井口当前的注入工矿条件，而且还取决于前一时刻的。为求的井筒的热损失，需要求的某一时刻的，而该值又与有关。求取则需要迭代。第四十六页，共五十八页，2022年，8月28日§4井筒热损失其迭代步骤为：①给设定初值，取0.5；②由公式⑶或⑷计算；③利用公式⑴计算；④计算外管壁温度，和套管内壁温度；第四十七页，共五十八页，2022年，8月28日⑤计算环空内辐射换热系数

；§4井筒热损失—隔热管辐射热率，无因次；—套管内壁发射率，无因次；—斯蒂芬-波尔兹曼常数，=5.673×10-8w/（m2.0C）；⑥计算新的总传热系数

；⑦利用

是否满足精度，判断重复或结束；第四十八页，共五十八页，2022年，8月28日§4井筒热损失程序框图为：开始U2=0.5计算Th计算△Q计算T4、Tci计算hr计算

结束Yes

No第四十九页，共五十八页，2022年，8月28日⒊干度的计算：§4井筒热损失

井筒的热损失必将导致饱和蒸汽能量（位能和内能）的降低，从而导致蒸汽干度的降低，根据能量平衡原理：单位时间内单位长度上的热损失单位时间单位长度上饱和蒸汽能量的减少即：—饱和蒸汽的焓，Kcal/kg；第五十页，共五十八页，2022年，8月28日§4井筒热损失—饱和水的焓，Kcal/kg；又井口以定工矿条件注入：∴第五十一页，共五十八页，2022年，8月28日两端同时除以得：§4井筒热损失令：∴第五十二页，共五十八页，2022年，8月28日则：∴§4井筒热损失∵∴∴第五十三页，共五十八页，2022年，8月28日§4井筒热损失