真空隔热油管温度场分布计算

0 引言

目前，稠油主要采用注蒸汽的开采（热采）方式，即向地下油层内注入高温高压蒸汽，一方面可以提高油层温度、降低稠油粘度；另一方面可使油层压力升高、增加驱油能力。由于蒸汽与地层之间存在温差，蒸汽流动过程中又有摩擦阻力，因此，注汽过程中存在着能量损失。

真空隔热油管作为注蒸汽驱油的配套措施，广泛应用于稠油热采中。目前，关于真空隔热油管温度场分布研究时，大都没有考虑接箍段隔热性能差对散热的影响。但是，由于接箍段热阻较小，热损失较大，管轴方向上温度变化剧烈，不考虑接箍段的散热会给真空隔热油管温度场分布计算带来了较大的误差。

1 传热过程分析

如图2-1所示，带有接箍段真空隔热油管由接箍段、外管、真空层和内管组成，真空隔热油管内注高温蒸汽，真空隔热油管-套管之间的环空注低温氮气。

在上述工艺条件下，真空隔热油管的传热过程包括径向上稳态传热和轴向上非稳态传热过程，整个传热过程包括以下传热环节：（1）真空隔热油管内高温蒸汽、真空隔热油管内管、真空层、真空隔热油管外管、环空内低温氮气和套管之间的热交换和各层内的导热；（2）真空隔热油管内高温蒸汽和油管-套管环空间低温氮气通过接箍段进行热交换；（3）由于不可忽视的摩擦损失及重力势能损失的存在，真空隔热油管内注入的高温蒸汽在轴向流动过程中的能量变化，导致蒸汽本身由高温向低温的导热过程。

2 数学模型

依据热平衡原理，选取井筒内的一微元流体单元体为研究对象，真空隔热油管内高温蒸汽在注入过程中遵循热力学第一定律，其能量平衡方程为：

（1）

径向热损失可表示为：

（2）

总传热系数可表示为：

（3）

式中：为蒸汽凝结换热热阻，m2・℃/W；为隔热油管热阻，m2・℃/W；为隔热管内隔热层换热热阻，m2・℃/W；为环空辐射换热热阻，m2・℃/W；为环空对流热热阻，m2・℃/W。

3 计算结果及分析

设置真空隔热油管内注入的蒸汽温度为350℃，真空隔热油管-套管间环空的氮气温度分别为50℃，真空隔热油管视导热系数分别为0.006W/（m・℃）、0.02W/（m・℃）、0.04W/（m・℃）、0.06W/（m・℃）、0.08W/（m・℃）、0.1W/（m・℃）、0.5W/（m・℃）和1W/（m・℃），计算真空隔热油管和接箍段外壁的温度，结果如图2所示。

根据图2可以看出：随着真空隔热油管的导热系数增大，真空隔热油管外壁的稳定温度逐渐升高，在其长度中点的一侧，随着油管长度增加，其外壁的温升逐渐增加，但同一位置处的温升相等；接箍段未与真空隔热油管相连接部分，其外壁温度基本相等，与真空隔热油管相连接部分，其外壁的温度随真空隔热油管的导热系数增大而升高，同一位置处的温升相等，不同位置处的温升呈现升高的趋势。

参考文献：

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