注蒸汽井筒隔热油管接箍散热损失_赵海谦 (1)

W / （ m · K ） ；k 为总 式（ 5 ） 中 λ e 为地层的导热系数， W / （ m ·K） 。 传热系数， t D = 0 . 808 186 + 0 . 291 013 ln τ D + 3 . 412 646 × 10 （ lnτ D ） － 1 . 218 956 × 10 （ lnτ D ） － 2 . 589 422 × 10 （ lnτ D ） － 1 . 006 206 × 10 （ lnτ D ） 式（ 6 ） 中：τ D = aτ / r 。 2. 6 摩擦阻力功（ 损失压力能） dZ 段内的蒸汽所作的推动功（ 技术功） 为
第 10 卷 第 11 期 2010 年 4 月 1671-1815 （ 2010 ） 11-2723-05
科
学
技
术
与
工
程
Science Technology and Engineering
Vol. 10 No. 11 Apr. 2010 2010 Sci. Tech. Engng.
动力技术
注蒸汽井筒隔热油管接箍散热损失
［ 4］ 2 7 －5 5 －4 4 －4 3 －2 2
dW = －
) ∫ ( － [ RTln P + dP + 0 . 030 41dP ] P
Z +dZ Z
RT + 0 . 030 41 dp = P
为区分隔热油管外径半径 r4 ， 接箍外径半径记 为 R′ 将通过接箍段的传热也看作是纯导热， 将接 4， 箍的传热性能参数定义为接箍视导热系数 λ jg 则接箍热阻为 r2 ln（ r′ 4 / r1 ） λ jg
H z + dz 为 z 及 z － dz 处的焓， kJ；v z 、 v z － dz 为 式（ 1 ） 中 H z 、 z 及 z － dz 处的速度， m / h； ρ z 、 ρ z － dz 为 z 及 z － dz 处的 kg / m3 。Q dz 为蒸汽散热量， kJ。 流体密度， 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。 2. 2 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 ρ z A z v z = ρ z + dz A z + dz v z + dz = m 0 2. 3 井筒内流体的动量平衡方程 把蒸汽在油管内的流动属于气液两相流的流 为描述其流动特性， 通常从两相流压力降的研 动， 究出发。 管 内 稳 态 均 质 两 相 流 满 足 动 量 平 衡 方 程
［ 3］
1. 3
基本假设 （ 1 ） 视井筒为若干同心圆管组成的结构， 如图
3 所示；（ 2 ） 从油管内的蒸汽到水泥环外缘间的热 量传递为一维稳态传热， 由水泥环外缘到地层间的 传热为一维不稳态导热；（ 3 ） 地层中的物理参数为 常数， 忽略其随温度和深度的变化；（ 4 ） 视油管内的 蒸汽流为一维均质两相流；（ 5 ） 隔热结构为双层隔 夹层抽真空或充入惰性气体；（ 6 ） 油套管环空 热管， 无泄漏现象； 为低压空气；（ 7 ） 管柱密封条件良好， （ 8 ） 整个井筒分成若干段， 每一段内蒸汽的物性参 数为常量。
图2 井筒内隔热管抽真空的传热热阻连接图
1 —凝结换热热阻，2 —隔热管壁导热热阻，3 —隔热管内隔热层换 4 —环空辐射换热热阻， 5 —环空对流热热阻， 6 —套管壁导 热热阻， 7 —水泥导热热阻 热热阻，
2
隔热油管井筒传热热力综合数学模型
v2 v2 z z － dz = Hz －dz + g（ z － dz） + ρz －dz + Qdz 2 2 （1）
赵海谦 王忠华 刘晓燕 王志国 曹喜承
（ 大庆石油学院，大庆 163318 ）
摘
要
蒸汽沿井筒流动过程中 ， 蒸汽参数 （ 压力、 温度及干度等 ） 、 径向散热损失和轴向压力 ， 沿流动过程变化。 运用传热
学、 热力学及流体力学等学科知识 ， 建立了井筒数值模拟综合计算模型 ， 并进行了模拟计算。 所建模型， 对接箍散热量的计算 没有采用估算的方式， 而是采用接箍视导热系数的方法 。 计算结果表明， 各级别的隔热油管， 井筒传热中接箍散热损失所占 比例差别较大， 从 A 级到 E 级， 散热损失所占比例 12. 8% ～ 74. 7% ， 因此接箍散热损失按 30% 估算是不合理的。 关键词 隔热油管 井筒 接箍 数值模拟
如下。
用长度加权平均的方法考虑接箍损失， 即按每 10 m 长井筒中有 9 m 隔热管和 1 m 的光管计算总 传热系数。有 k = 0. 1kh + 0. 9kg W / （ m2 ·K ） 。 为光管的传热系数， 接箍热损失约占隔热管热损失的 30 % 。 设 x 为考 虑 接 箍 热 损 失 后 总 传 热 系 数 增 加 的 百 分 比
式（ 14 ） 中 h c 为环空内对流换热系数。
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3. 2. 5
套管管壁导热热阻 R5 r2 ln（ r6 / r5 ） λ cas
此可见目前在井筒散热损失计算均采用按油管散 热损失 30% 估算是不合理的。 （ 15 ）
表1 井筒结构及计算所需物性参数
参数值 62. 0 73. 0 100. 3 114. 3 35. 0 247. 8 0. 4 0. 812 16 1. 745 28 1. 032 × 10 － 6 8. 6 2. 1
［ 3］
3
3. 1
接箍传热的处理方法
传统井筒传热接箍散热损失处理方法 以往在解决井筒传热问题时， 接箍传热往往被
。
R′ 2 =
（ 12 ）
பைடு நூலகம்
忽略或者采用总传热系数修正法， 将接箍传热修正 到隔热油管的传热中去。 总传热系数修正法具体 做法
［ 3］
W / （ m·K） 。 式（ 12 ） 中：λ jg 为接箍视导热系数， 3. 2. 3 环空中介质（ 低压空气） 的辐射换热热阻 R′ 3 油套环空中介质 （ 低压空气 ） 的辐射换热热阻 R′ 3 可表示为 R′ 3 = r2 r′ 4 hr （ 13 ）
［ 1］
（8）
h r 为环空内辐射换热系数。 式（ 13 ） 中， 3. 2. 4 环空介质对流换热热阻 R′ 4 r2 r′ 4 hc 环空介质对流换热热阻 R′ 4 可表示为 R′ 4 = （ 14 ）
W / （ m2 · K ） ； k g 式（ 8 ） 中：k h 为隔热管的传热系数，
， 为
层， 整个传热过程包括以下环节： 1 ） 注入井筒的高温湿饱和蒸汽与隔热油管内 管内壁之间的凝结换热。 2 ） 隔热油管内管导热。 3 ） 隔热层内的传热。在隔热层内部， 热量的传 递由三部分组成： 通过玻璃丝纤维的导热、 通过孔 隙的辐射换热以及通过孔隙内空气的传热 。 4 ） 隔热油管外管导热。
套管管壁导热热阻 R5 可表示为 R5 =
W / （ m·K） 。 式（ 15 ） 中 λ cas 为套管导热系数， 3. 2. 6 水泥环导热热阻 R6 r2 ln（ r7 / r6 ） R6 = λ cem 接箍总传热系数 k′为 k′ = 水泥环导热热阻 R6 可表示为 （ 16 ）
井筒结构参数及物性参数 隔热油管内管内径 / mm 隔热油管内管外径 / mm 套管内径 / mm 套管外径 / mm 水泥环壁厚 / mm 水泥环外径 / mm 接箍视导热系数 / W（ m·K － 1 ） 水泥环导热系数 / W（ m·K － 1 ）
1
1. 1
井筒结构及传热过程分析
图1 井筒结构示意简图
井筒结构 井筒结构（ 简称井筒 ） 主要是由 （ 双层 ） 隔热油 1. 2
1 —隔热管内壁， 2 —隔热管外壁， 3 —隔热层， 4 —套管， 5 —水泥层， 6 —环空， 7 —封隔器， 8 —油层， 9 —地层
管、 套管、 水泥环、 封隔器、 接箍、 伸缩管等几部分组 成。其结构如图 1 所示
总传热系数修正法无疑会使计算以及程序的 （5） 编制得到简化， 但由于接箍传热占总传热的比重比 这种简单的修正带来的误差得不到有效的控 较大， 制。因此， 采用分别计算隔热油管总传热系数和接 箍总传热系数的方法， 计算出接箍的传热量， 详细 步骤如下： 3. 2 3. 2. 1 （6） 采用接箍视导热系数计算接箍散热损失 注入蒸汽与接箍衬管内壁之间的对流换热 热阻 R′ 1 当以隔热管内管外 表 面 为 基 准 （ 下 文 不 作 说 均为以隔热管内管外表面为基准 ） 时， 注入蒸汽 明， 与接箍衬管内壁之间的对流换热热阻 R′ 1 可表示为 R′ 1 = 3. 2. 2 （7） 接箍热阻 R′ 2 r2 r1 h f （ 11 ）
（2）
2
A z + dz 为 z 及 z + dz 处的横截面积， m ； 式 （ 2 ） 中 ：A z 、
， 即 dP = ρ m gdz － f ρ m v2 d z － ρ m vd v 2 d1 （3）
MPa；ρ m 为湿饱和 式（ 3 ） 中：dP 为 dz 段内的压力降， kg / m3 ； f 为摩阻系数； d1 为井筒内径， m。 蒸汽密度， fρ m v2 dz 表示 dz 段内 ρ m gdz 表示 dz 段内的势能变化， 2d 的摩擦损失， ρ m vdv 表示 dz 段内的动能变化。 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。 2. 4
［ 1］
传热过程分析 井筒中高温蒸汽的热量自蒸汽自发地传向地
。
从图 1 中可以看出， 注入饱和湿蒸汽的能量有 一部分会沿径向通过隔热油管、 套管、 水泥环传至 地层， 造成径向热量损失。 而蒸汽沿井筒纵向流动