稠油在管线输送中的热量散失规律

[摘 要]孤东采油厂采油四矿采油25队处于油田的稠油区块，稠油管理一直是冬季生产运行中不容忽视的问题。受制于天气因素的影响，稠油的输送矛盾越发明显。如何使稠油在输送时减少热量损失，以便从单井井口顺利到达干线，解决其输送难题，是我们一直力求探寻的目标。

[关键词]稠油；管线输送；热量散失

中图分类号：TQ116.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）17-0209-01

原油在运输过程中，随着流经管线的延长而不断散发热量。热量散失造成原油温度的下降。如果原油的温度过低，必然造成流动的不畅通性，从而使得原油不能顺利到达干线，严重时甚至造成管线堵塞而停井，影响生产，这在稠油运输中表现尤为明显。因此，研究原油在管线中的热量散失规律就显得特别重要。

1、热量散失简介

众所周知，热量通常由高温传向低温，直到平衡为止。热量转移过程一般需经过感热、传热、散热三个阶段。这就涉及到一个热量在传递时的散失问题。

热量在传递过程中，受到热传递速率的影响。热传递速率与传递物体的长度成反比、与横截面积成正比、与温度差成正比。

物体的导热系数与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关。非晶体结构、密度较低的材料，导热系数较小。材料的含水率、温度较低时，导热系数亦较小。通常把导热系数较低的材料称为保温材料，而将导热系数在0.05 W/（m・K）以下的材料称为高效保温材料。而材料导热性能的高低，是由材料本身、导热系数的大小决定的，导热系数越小，其导热能力越低，绝热性能也越好。

对管线的保温材料来讲，理想状况是导热系数越低越好。例如石棉的导热系数就非常低，而铁和铝的导热系数都非常高。下表是几种常见物质的导热系数统计。

2、管线热量散失影响因素

2.1 管线材质因素（导热系数）

目前使用的输油管线可分为以下几类

（1）黄夹克保温钢管

黄夹克保温钢管是单井外输中用得较多的一种材料，其外层多为聚乙烯做成的外壳，中间填充由聚氨酯组成的泡沫保温材料。该材料绝热性能较好，使得钢管具有优良的保温功能。所以由该类保温管线输送的流体热量损失较低，受输送距离、温差、液量变化影响小。

（2）沥青或胶带防腐钢管

沥青及胶带等物质也为较好隔热材料，但其厚度小，仅起防腐作用，因此保温效果一般。目前现场用于掺水和输油较少。

（3）玻璃钢管

玻璃钢管主要以玻璃纤维及其制品为增强材料，以高分子成分的不饱和聚脂树脂、环氧树脂等为基体材料，以石英砂及碳酸钙等无机非金属颗粒作为主要原料而构成。

玻璃钢管具有耐腐蚀性能好，抗老化性能和耐热性能好，抗冻性能好，重量轻、强度高、运输方便，壁光滑、输送能力强，不结垢、不生锈、水阻小。玻璃钢本身具有一定隔热性能，但其厚度小，因此保温效果一般。

由于玻璃钢管不易结垢，故在25队主要用于掺水流程。

2.2 流速对散热的影响（管径和流量）

管线直径对流体热量散失的影响主要表现在两个方面：一是管径大，增加了热交换面积；二是对同等流量的流体管径大，则流速慢，增加了热交换的时间。毫无疑问，原油外输管线越长，其热量损失越多。但无论是从理论上还是在现场测量，所得热量损失与距离不是线性关系，而是一条曲线。

这就是著名的苏霍夫温降公式：

Ln[（TQ-TO）/（TL-TO）]=KπDL/Gc

式中，TQ和TL分别表示管路起、始点油温，TO表示周围介质的自然温度，K表示传热系数，D表示管路外表面积，L表示原油流经管路距离，G表示原油的质量流量，c表示原油的比热。

可以看出，在管路起点处，原油温度高，粘度低，与周围介质的温差大，温降快；而靠近管路终点处，原油温度低，粘度较高，温降慢。

很明显，随着管线距离的增加，原油热量的损失总量越多，温降总量越快。

1.热量散失与温差关系

具体到25队现场温差对热量散失的影响，表现在以下几个方面：

（1）流体自身温度

一般而言，在外部条件一定的情况下，流体自身温度越高，与外部交换的热量越多，温度损失越大。反之，流体自身温度越低，与外部交换的热量越少，温度损失也越小。

（2）季节及地温温度变化影响

25队生产区域属典型温带季风性气候，四季明显，一年中气温在-12℃―37℃之间波动，地温50厘米以下在0-25℃之间，而近地表温度与气温变化接近，近年来冻土层一般在10厘米以内。

2.经过区域土壤情况

我矿由于处于滩海及自然保护区区域，地下水位高，土壤湿度大，并且部分管线穿越大面积水域，因此造成管线热量的散失现象较严重。湿土和水域，因湿度增大导致土壤导热系数增加，从而使得原油热量散失加快，增大了原油流动的难度。尤其管线经过水域时，由于水的对流传热作用使得管线外壁温度散失较快，大大加剧了热量散失。

3、如何做好保温工作

（1）合理的管线材质

不同材质类型的管线，其保温效果明显不同。黄夹克泡沫钢管保温效果较好，目前在油田的油井输送中运用较多，建议加大使用力度。

（2）相匹配的管线横截面积

管线横截面积太大，稠油的热量散失越多，粘度降低越快，不利于原油的输送。而管线横截面积太小，通过的单位体积原油有限，也不利于原油的输送。因此，在稠油输送时，应重点考虑每口油井的产液量，以及配掺水量，从而取得横截面积合理的管线。

（3）有效的管线长度

管线的长度是稠油输送中不容忽视的焦点。由于稠油的热量损失与管线长度成正比，这就要求在铺设管线时尽可能沿直线运行，既是节省经济，又能保证热量散失的最小化。同时，如果所要求的管线必须较长，则应考虑在途中增加加热炉，以确保热量的有效供给。

（4）较大的管线埋深

管线的埋藏深浅也对稠油的热量散失起着重要作用。埋深过浅，热量损失越快，原油输送越困难。埋藏过深，则加大工作量，造成不必要的经济浪费。因此，埋深通常以80-100cm为宜。

（5）有利的土壤类型

由于土壤类型的差异，使得土壤的导热系数有所不同，造成管线的热量散失也不尽相同。因此，在埋深管线时，尽可能选择干燥土壤，规避水区，是较为有利的可取方法。