接力热管式油管的传热性实验研究

2022-09-11

在油田开采过程中,由于稠油的自身粘度大、液体流动性差,对其开采造成了巨大的挑战。为了解决开采中热量散失增加流阻的难题,一般采取加热开采,成本高,实施难度比较大。热管技术的问世,为这一问题的解决提供了新思路,利用单支热管式抽油管进行开采得多了普遍的应用。但是这种开采方式同样存在弊端,因此有专家学者提出了构建接力热管式油管系统的方式来解决这一难题。

一、接力式热管概述

20世纪60年代,美国国家实验室开发出一种新的技术,其以热管作为换热元件,快速将热源的热量传递出去,其导热能力远远超过任何一种已知金属1。受材料自身的限制,现有的热管的最大长度不超过百米。难以适应高温稠油的开采的需求。有研究者尝试使用单支超长重力热管来承担抽油管,但是真空度、液池、流阻等问题都会对抽油杆的工作状态造成影响[1]。因此,提出了用接力式热管系统的方式来替代单支热管,将热力通过接力的方式进行传导。其热力传导性能可通过实验模拟获得。

二、接力式重力热管系统物理模型

接力式重力热管系统按照导热长度需求,由多支重力热管首尾拼接,形成井筒结构,构成完整的热传递系统。根据抽油杆的热力发散情况,油管内的稠油向地层散发热量,所以越是下端的油管的温度越低,形成自下而上的温度递减。考虑此种原因,单支热管内设计连续性热源及冷源,并在到达固定温度时开始作业,使得抽油杆可在不消耗外部能源的情况下,实现稠油从井底到井口的传递,保证油温均匀,避免稠油因温度降低丧失流动性,造成稠油开采受阻[2]。为了进一步研究接力热管的热力传递情况,保证实验效果,考虑作出如下设想:(1)稠油的一维稳态呈垂直向流动,且仅含油类物质,不伴有气体产生;(2)各热管工作状态稳定,不受其它热力因素影响,忽略稠油、热管壁的垂直向导热及上下抽动带来的温度浮动;(3)油管及套管间充水,实现纯导热。套管外部仅考虑单一地层,视稠油到地层散热为稳态。另外,为了方便计算,忽略各热管搭接部分的长度。在进行相关温度、流量等计算时,应依照单支热管蒸发段、冷凝段管外稠油温度分布规律及计算模型进行处理2。

三、接力热管式油管的传热性实验研究

(一)实验仪器概述

本文实验模拟真实稠油热传导环境,考虑实验的便利性,按照1:100的比例进行尺寸缩小,设置实验装置。整个系统由传热元件(热管),冷源、热源循环系统以及数据收集系统(测量仪器、PC端、分析软件)组成。为了充分测得接力热管式油管的性能,传热元件分为三种情况,即空管、单支超长热管以及接力式热管。接力式热管的长度为单支超长热管长度的1/2。其与规格及参数保持相同(单支超长热管的规格参数为外径0.025m*0.0025m*2.270m)。空管的规格与单支超长热管规格完全相同。热源管的规格参数为外径为0.051m*0.003m*2.165m,冷源管的规格0.076m*0.004m*2m,热源作为稠油,冷源则模拟地层环境。同时在冷水管外焊接螺旋翅片,保障冷水的流动环境。同时配置电磁流量计、热电偶进行流量及温度测定。为了保证热源的连续性和数据采集的多样性,实验中所用的热源由加热元件按照不同温度持续加热。

(二)实验内容

实验前按照设计图对实验系统进行组成,并分别对测量仪器的性能进行校准测定,保证测量精度的准确性,其中电磁流量计的精度为0.5级。用E型热电偶分别测得热源、冷源的进口、出口温度,沿热油管的水温分布。要求温度误差不超过0.007。同时使用电磁流量计对冷热水的流量计算冷源、热源的流量。其中确定热源流量为0.0833kg/s,冷源流量为0.1387kg/s,冷源的进口温度恒定值为13.3℃。实验过程中,对热源设定三级温度进行分别加热,提供实验热源,模拟真实稠油采集环境,分别对不同管口(空管、单支热管、接力热管)底部热源进口温度及轴向热水温度分布数据,热源出口温度数据以及总体传热量随热源进口温度变化的数据进行收集,并分析其中的规律变化,根据相关理论,获得不同热管形式传热性的详实数据。

(三)传热性结果分析

根据上述实验内容获得实验数据,并根据对不同管口底部热源进口温度及轴向热水温度分布、热源出口温度数据以及总体传热量随热源进口温度变化等数据绘制折线图,从而对传热性进行分析。根据本次实验结果可知,空管条件下的热源出口温度较低,当使用单支超长热管及接力热管进行出口温度测量时,其温度得到显著提升,可见两种热管在液体流动过程中对温度场起到保护作用,并实现了热量传递。考虑单支热管和接力热管的管外温度分布规律来看,每支重力热管冷凝端的顶端油温与上方相邻热管蒸发段的油温相等,从而可获得整个井筒内的油温分布。实验所获得的分布结果与理论计算方式相同。当热源的进口温度持续增加时,任一管的热源出口温度都相应增加。当保持相同进口温度时,单支热管的出口温度要略高于接力热管出口温度,空管的出口温度最低。那么根据实验前的设定可以分析,排除其他热力因素,接力热管及单支超长热管皆可以达到减少热量散失的目的。单独对比单支超长热管和接力热管系统的总传热岁进出口温度的变化可以发现,二者的总体热量传递变化差异十分微小,单支热管略高。进口温度增加量越大,则差异越不明显。可以说明接力热管可以替代单支超长热管来达到保持热源温度的目的[3]。

除了考虑热管的传热性能外,作为多支热管所构成的传热系统,其必须保持系统具有稳定性,避免采油过程中发生失效,从而影响传热效果,造成稠油流动受阻。那么推广至油田采集作业中的情况统计发现,因磨损而引发的平均热管失效率达38.44%,那么对单支超长热管和多支热管接力式热管的失效率进行分别计算,以四支为例其系统整体失效率为0.38444=0.02183=2.183%。那么由此可知在同等长度下,接力式热管的组成数量越多,其失效率越低,系统的稳定性也就越高3。但不可否认当支管数量持续增加时,传热性存在更多的散失。因此在进行接力热管式油管设计时要本着保持稳定性及热传性平衡的原则进行。最近研究发现,不同高分子纳米材料对接力热管式油管的传热性能有影响,需要通过实验进行进一步分析。

四、结论

根据上述实验结果及分析发现,单支超长热管以及接力式热管均能够对稠油的温度场进行保持,达到调节稠油流速,避免热力散失的问题。

但总体来讲,接力式热管的热传性能要略低于单支超长热管,综合流体温度分布趋势来看,差距并不大,同时免除了单支管内真空度不足、液池小、流阻大等问题,可以替代单支超长热管完成抽油杆作业需求。随着热管材料性能的逐步提升,以高分子纳米材料为主体的重力人管的推出,其热传性有望进一步增加。

摘要：接力热管式油管是继单支热管抽油管技术后提出的又一项稠油开采技术。它能够规避单支热管的不足,提升稠油的开采效率,保持良好的传热性和稳定性。本文在对接力式热管概念及其系统原理掌握的基础上,设计了一套实验系统对接力热管式油管系统进行传热性验证,实验证明同等条件下,接力热管式油管的传热性与单支热管式油管性能相似,并具有稳定性。

关键词：热管技术,接力热管式油管,传热性