杜明俊 史東波 邵艷波 張學(xué) 韓禹 李棟 劉慧超

摘 ?????要：采用隔熱油管作為生產(chǎn)管柱是提高井口油溫、降低集輸系統(tǒng)能耗的有效措施。通過調(diào)研分析，優(yōu)選二氧化硅氣凝膠作為井下油管絕熱材料，建立了井下隔熱油管流動與傳熱控制方程，數(shù)值模擬了隔熱油管的傳熱特性，以實(shí)際油井為例研究了保溫層厚度對管內(nèi)油流溫降的影響。研究結(jié)果表明：采用6、10?mm、6+10?mm、3+10?mm，4種保溫結(jié)構(gòu)，均滿足生產(chǎn)要求，為氣凝膠納米絕熱材料制造保溫隔熱油管提供了理論依據(jù)。

關(guān) ?鍵 ?詞：隔熱油管;氣凝膠;傳熱特性;數(shù)值研究

中圖分類號：TE357 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2020）01-0134-04

Numerical Study on Heat Transfer Characteristics of

Downhole Insulated Tubing?With Aerogel Insulation?Material

DU Ming-jun¹， SHI Dong-bo²， SHAO Yan-bo¹， ZHANG Xue¹， HANG Yu¹， LI Dong¹， LIU Hui-chao¹

（1. China Petroleum Engineering & Construction Corporation North China Branch， Hebei?Renqiu?062552， China）

2. N0.1 Oil Extraction?Plant?of?PetroChina?Huabei?Oilfield?Company， Hebei?Renqiu?062552， China）

Abstract： Using insulated tubing as production string is an effective measure to raise wellhead oil temperature and to reduce energy consumption of gathering and transportation system. Through investigation and analysis， aerosol?was used?as heat insulation material for downhole tubing， the governing equation of flow and heat transfer for downhole insulated tubing was established， the heat transfer characteristics of the insulated tubing were?numerically simulated. Taking the actual oil well as an example， the influence of the thickness of the insulation layer on the temperature drop of the oil flow in the pipe was?studied. The results showed?that the 4 insulation structures all met the production requirements， including 6 mm， 10?mm， 6+10?mm and 3+10?mm， which could provide a theoretical basis for the production of thermal insulation tubing with?nanoaerosil insulation materials.

Key words： Insulated tubing; aerogel;?Heat transfer characteristics; Numerical study

隨著全球能源的日趨緊張及油田不斷走向開發(fā)后期，節(jié)能降耗、降低成本已成為油田工作的重要組成部分。通過對比油田生產(chǎn)各階段的能耗數(shù)據(jù)可知，油田集輸系統(tǒng)能耗所占比重最大，且從單項(xiàng)用能數(shù)據(jù)來看，熱能和電能是未來油田節(jié)能的重點(diǎn)。

華北油田開發(fā)至今，已有40多年的歷史，目前大部分區(qū)塊已進(jìn)入開發(fā)中后期，含水高，能耗大、流程適應(yīng)性差。優(yōu)化、簡化集輸工藝是降低華北油田整體系統(tǒng)能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵。目前，華北油田在分析油田用能現(xiàn)狀后，經(jīng)多方專家論證，擬取消三管伴熱集輸工藝，改輸?shù)秃?，輸送低含水油的關(guān)鍵參數(shù)就是進(jìn)站油溫，不僅影響管輸安全，而且對原油脫水效率、結(jié)蠟及存儲均有較大影響，提高井口油溫是降低前端集輸系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵。

提高井口溫度，即減小井筒溫降，采用隔熱油管是行之有效的措施^[1-3]。根據(jù)華北油田井下隔熱油管的使用情況，油井采用隔熱油管后，具有四方面的優(yōu)勢;第一，井口升溫后，降低了集輸系統(tǒng)加熱爐能耗;第二，油管內(nèi)產(chǎn)液流態(tài)得到改善，減少抽油機(jī)舉升電耗;第三，降低井筒結(jié)蠟量，減少洗井次數(shù)，減少熱洗壓產(chǎn)損失;第四，減少藥劑（降粘劑、清蠟劑等）用量，降低運(yùn)行成本。

隔熱油管的問世，起源于稠油油藏的開發(fā)，由于蒸汽驅(qū)熱量損失較大，各國學(xué)者在20世紀(jì)80年代開始致力于隔熱油管的研究，經(jīng)過30多年的理論分析與優(yōu)化，逐漸得到了較為理想的井筒傳熱數(shù)學(xué)模型^[4-6];但由于部分參數(shù)的選取較為困難或計(jì)算時(shí)采用總傳熱系數(shù)進(jìn)行當(dāng)量，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況存在一定誤差^[7，8]。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜流動與傳熱問題得到了有效解決，不僅大大提高了計(jì)算精度，而且可直觀分析各物理量的變化規(guī)律，是一種理想的科學(xué)研究方法^{[9，10]}。

目前，市場上常用的井下隔熱油管主要有二類;一是用于稠油油藏的真空隔熱油管，二是用于常規(guī)油藏的保溫隔熱油管。真空隔熱油管保溫效果好，但制造難度大、對井筒的安裝尺寸要求高且油管接箍處漏熱量較大，需要進(jìn)一步改進(jìn)。張曉輝^[11]針對真空隔熱油管接箍處漏熱，制備了隔熱涂層，通過性能測試，該涂層可有效降低接箍處漏熱。劉玉龍^[12]針對真空隔熱油管接箍處漏熱及補(bǔ)償器不隔熱等問題進(jìn)行了分析，給出改進(jìn)措施。劉花軍等^[13]針對高溫稠油井熱力補(bǔ)償特性，研制了新型油管熱力補(bǔ)償器，有效解決了補(bǔ)償器不隔熱問題，降低井筒散熱量。衛(wèi)棟等^[14]對真空隔熱油管結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)研究，分析了各結(jié)構(gòu)對視導(dǎo)熱系數(shù)的影響，給出了隔熱油管設(shè)計(jì)要點(diǎn)。周趙川等^[15]對真空隔熱油管傳熱特性進(jìn)行研究，建立管柱優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，給出隔熱油管最佳下入深度。

對于保溫隔熱油管，通常是對油管外壁進(jìn)行保溫或噴涂隔熱涂料，常規(guī)的保溫材料或隔熱涂料導(dǎo)熱系數(shù)較大，受井筒尺寸的限制，隔熱層又不能過厚，雖然具有一定的保溫效果，但達(dá)不到預(yù)期指標(biāo)。筆者依據(jù)井筒流動特性，基于新型材料的高絕熱性能，建立了井下隔熱油管傳熱數(shù)學(xué)模型，數(shù)值模擬了隔熱油管的傳熱特性，所得成果可為常規(guī)油藏井下隔熱油管的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要保障。

1 ?絕熱材料選擇

受油井環(huán)空尺寸及井筒斜度的限制，隔熱油管外徑不宜過大，結(jié)合目前市場上常見的隔熱油管，外包絕熱材料厚度通常在6～10 mm不等，這就要求所選擇的保溫材料應(yīng)具備高絕熱性能，從而滿足溫降要求。

氣凝膠納米絕熱材料通過近10年的不斷研究、優(yōu)化和升級，目前已成功應(yīng)用于石油化工、船舶車輛、冶金電力、建筑等工程領(lǐng)域，并取得了突出成效。二氧化硅氣凝膠作為氣凝膠絕熱材料的一種，因其具有納米多孔結(jié)構(gòu)（1～100 nm）、低密度（200 kg/m³）、低導(dǎo)熱系數(shù)（0.013～0.025 W/（m·℃）、高孔隙率（80%～99.8%）、高比表面積（200～1 000 m²/g）等特點(diǎn)，被稱為迄今為止保溫性能最好的絕熱材料^[16-18]。其孔徑尺寸低于常壓下空氣分子平均自由程，在氣凝膠空隙中空氣分子近似靜止，從而避免了空氣的對流傳熱，而氣凝膠極低的體積密度及納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的彎曲路徑也阻止了氣態(tài)和固態(tài)熱傳導(dǎo)，趨于“無窮多”的空隙壁可以使熱輻射降至最低，這三方面共同作用，幾乎阻斷了熱傳遞的所有途徑，使氣凝膠可達(dá)到其他材料無法比擬的絕熱效果^[19]。

圖1給出了不同保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化曲線。由圖1不難看出，氣凝膠絕熱材料不僅適用溫度范圍廣，而且不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)均是已知絕熱材料中最低的，且氣凝膠納米絕熱材料除具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)外，還具有較好的抗壓、抗拉伸強(qiáng)度、抗紫外老化、超強(qiáng)憎水性及高耐火性等優(yōu)點(diǎn)，因此，隔熱油管采用氣凝膠納米材料作為絕熱層是最優(yōu)的選擇。

2 ?模型的建立

整個(gè)井筒的傳熱過程較為復(fù)雜，主要包括以下環(huán)節(jié)：

（1）油流與油管內(nèi)壁之間的對流換熱;

（2）油管本身的導(dǎo)熱;

（3）油管外壁與保溫層內(nèi)壁之間的導(dǎo)熱;

（4）絕熱層（材料空隙內(nèi)發(fā)生導(dǎo)熱、輻射及對流）自身的導(dǎo)熱;

（5）絕熱層外壁與環(huán)空油氣的對流換熱;

（6）環(huán)空內(nèi)油氣自身對流換熱;

（7）環(huán)空油氣與套管內(nèi)壁面的對流換熱;

（8）絕熱層外壁與套管內(nèi)壁的輻射換熱;

（9）套管自身的導(dǎo)熱;

（10）套管外壁與水泥環(huán)套內(nèi)壁的導(dǎo)熱;

（11）水泥環(huán)套自身導(dǎo)熱;

（12）水泥環(huán)套外壁與地層的導(dǎo)熱。

2.1??數(shù)學(xué)模型

假設(shè)管內(nèi)油溫在同一截面上均勻分布，僅為時(shí)間和垂直軸向距離的函數(shù)，垂直管內(nèi)油流的控制方程如下：

連續(xù)性方程：

動量方程：

能量方程：

式中：A—流體面積，m²;

Z—管道軸向距離，m;

v—軸向Z方向的流體速度，m/s;

r₀—流體密度，kg/m³;

t—管道運(yùn)行時(shí)間，s;

g_c—量綱常數(shù);

P—管道內(nèi)流體的壓力，Pa;

f—摩阻系數(shù);

h—熱膨脹系數(shù)，1/℃;

d—管道內(nèi)徑，m;

U—流體的內(nèi)能，J;

h₁—流體與油管內(nèi)壁的對流換熱系數(shù)，W/（m²·℃）;

T—流體溫度，℃;

T_k—管內(nèi)壁溫度，℃。

井筒的傳熱由6部分組成，即油管、保溫層的導(dǎo)熱、環(huán)空油氣對流換熱、套管、水泥環(huán)套及地層的導(dǎo)熱。油管、保溫層、套管、水泥環(huán)套、地層的傳熱方程如下：

式中：i=1～5 —分別表示各層;

r_i?—第i層的密度，kg/m³;

c_i?—第i層的比熱，J/（kg·℃）;

T_i?—第i層的溫度，℃;

l_i?—第i層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）。

環(huán)空油氣對流換熱滿足質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒方程，此處不再贅述。

2.2 ?邊界條件

油流與油管內(nèi)壁面、環(huán)空油氣與保溫層外壁面及套管內(nèi)壁面均為流固耦合傳熱，即各交界面處靠近壁面的流體被滯止而處于無滑移狀態(tài)，它們之間的熱量傳遞主要是對流換熱及輻射傳熱。

式中：l_S—固體導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）;

l_L?—流體導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）;

T_S、T_L?—分別為流固耦合界面處固體溫度和流體溫度;。

q_f?—輻射換熱熱流密度。

井口附近地表與大氣環(huán)境為對流換熱邊界，井下動液面處為恒溫邊界。

3 ?數(shù)值模擬及結(jié)果分析

以華北油田某采油井為例，日產(chǎn)液量20.7 t，動液面1 150 m，井口油溫35 ℃，動液面處油溫58.5 ℃，油管內(nèi)徑63 mm，壁厚5 mm，套管內(nèi)徑157 mm，壁厚10 mm。地層平均導(dǎo)熱系數(shù)2.5 W/（m·K），比熱880 J/（kg·K），密度2 650 kg/m³，按照冬季最冷月設(shè)計(jì)，地表溫度-6 ℃，20 m處恒溫層溫度為14 ℃，20 m以下地溫梯度為3.7 ℃/100 m。地溫梯度曲線見圖2，油管（裸管）溫降曲線見圖3。

由圖2可知，地表至地下14 m處，地溫梯度較大，土壤溫度場主要受大氣環(huán)境影響，14 m以下各層土體溫度基本恒定，不受地表環(huán)境的影響。從圖3給出的油管（裸管）溫降曲線不難看出，在地表附近管內(nèi)油流溫降較快，這主要是地表附近地層溫度較低導(dǎo)致的。

由于該采油井的原油析蠟溫度為50 ℃，因此，在設(shè)計(jì)隔熱油管時(shí)，除了要具有優(yōu)異的保溫效果外，還要確保采用隔熱油管后井筒不結(jié)蠟，即井口油溫不低于50 ℃為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)隔熱油管。

受動液面高度的限制，該油井?dāng)M設(shè)計(jì)的隔熱油管長度為1 000 m，采用同厚度或不同厚度（各500 m）組合的方式，來優(yōu)化隔熱油管設(shè)計(jì)，從而降低成本。利用有限差分法對井下隔熱油管傳熱特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出不同工況下的管內(nèi)溫降曲線見圖4。

由圖4分析可知：上述4種保溫方案，均可滿足井口50 ℃的油溫要求，說明采用氣凝膠納米絕熱材料制作保溫隔熱油管是可行的。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度綜合考慮，采用3+10 mm組合的保溫結(jié)構(gòu)為最優(yōu)方案。從圖4給出的管內(nèi)油流溫降曲線不難看出，采用同一厚度保溫材料，管內(nèi)油流溫降基本呈線性變化，且隨著保溫層厚度的增加，線性化越明顯;采用上下兩段不同厚度的保溫材料，管內(nèi)油流溫降曲線在二者交界處均存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，且上下兩段保溫層厚度差異越大，拐點(diǎn)越明顯，這主要是由于采用不同厚度的保溫層，散熱量不同導(dǎo)致的。

4 ?結(jié)論及建議

4.1 ?結(jié)論

（1）SiO₂氣凝膠絕熱材料適用溫度范圍廣、導(dǎo)熱系數(shù)低、有較好的抗壓、抗拉伸強(qiáng)度、抗紫外老化和超強(qiáng)憎水性及高耐火性，可作為保溫隔熱油管的首選材料;

（2）建立了保溫隔熱油管流動與傳熱控制方程，為保溫結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù);

（3）實(shí)際井例計(jì)算結(jié)果表明：6、10 mm、6+10 mm和3+10 mm 4種保溫結(jié)構(gòu)均能滿足該井生產(chǎn)要求;其中3+10 mm保溫結(jié)構(gòu)方案投資最低為首選方案。

4.2??建議

（1）繼續(xù)開展降低油管兩端裸管散熱量的簡捷可靠技術(shù)措施研究;

（2）進(jìn)一步優(yōu)選預(yù)制保溫隔熱油管采用的黏結(jié)劑，提高保溫隔熱油管使用的可靠性和安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋洵成，管志川，韋龍貴，等.保溫油管海洋采油井筒溫度壓力計(jì)算耦合模型[J]. 石油學(xué)報(bào)，2012，33（6）： 1064-1067.

[2]白健華，劉義剛，吳華曉， 等.海上高含蠟油田隔熱油管防蠟優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 長江大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，12（35）：71-74.

[3]黃祥峰，劉鋒.東勝氣田排水采氣工藝技術(shù)難點(diǎn)及對策[J]. 天然氣與石油，2017， 56（3）： 80-83.

[4]王忠華.隔熱油管傳熱及影響因素研究[D]. 大慶：大慶石油學(xué)院，2009.

[5]曹喜承，王忠華，劉曉燕.真空隔熱油管傳熱性能研究[J]. 節(jié)能技術(shù)，2010，28（5）： 419-423.

[6]邵令東，賈馮睿，王雷， 等.隔熱油管視導(dǎo)熱系數(shù)和蒸汽溫度對井筒熱損失的影響[J]. 當(dāng)代化工，2012，41（10）： 1117-1119.

[7]林濤，張偉，鄒劍， 等.隔熱涂層與真空技術(shù)在稠油熱采中的應(yīng)用探討[J]. 石油地質(zhì)與工程，2016， 30（5）： 127-129.

[8]王志國，宋明啟，張欣， 等.井筒注汽過程隔熱油管傳熱性能實(shí)驗(yàn)分析[J]. 化工學(xué)報(bào)，2014，65（1）： 106-110.

[9]姚傳進(jìn)，雷光倫，蔣寶云， 等.高凝油井筒溫度場計(jì)算及流態(tài)轉(zhuǎn)變分析[J]. 石油鉆采工藝，2011，33（3）： 42-46.

[10]于鵬.隔熱油管接箍傳熱特性研究[C]. 大慶：東北石油大學(xué)，2013.

[11]張曉輝.隔熱油管連接處保溫涂層的制備與隔熱性能[J]. 材料保護(hù)，2018， 51（2）： 82-84.

[12]劉玉龍.常規(guī)套管井筒隔熱技術(shù)研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2011，11（21）： 5012-5015.

[13]劉花軍，王通，孫永濤， 等.新型油管高保溫?zé)崃ρa(bǔ)償器[J]. 石油機(jī)械，2014，42（9）： 69-71.

[14]衛(wèi)棟，夏季秋.油管隔熱層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對視導(dǎo)熱系數(shù)影響[J]. 石油礦場機(jī)械， 2013，42（4）： 61-63.

[15]周趙川，王輝，代向輝， 等.海上采油井筒溫度計(jì)算及隔熱管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 石油機(jī)械， 2014，42（4）： 43-48.

[16] 張澤，王曉棟，吳宇， 等.氣凝膠材料及其應(yīng)用[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào)，2018，46（10）： 1426-1442.

[17]周天宇，郜建松，孫志欽.蒸汽管道保溫技術(shù)優(yōu)化研究[J]. 石油化工設(shè)計(jì)，2018， 35（3）： 35-38.

[18]單友娜，景治嬌，葛雪松， 等.SiO₂/纖維素復(fù)合氣凝膠的制備及性能研究[J]. 化工新型材料，2018， 46（9）： 250-255.

[19]孫言，艾素芬，雷堯飛， 等.低密度二氧化硅氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)與隔熱性能表征[J]. 北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，45（1）： 43-48.