基于气凝胶绝热材料的隔热油管传热特性研究

    杜明俊 史东波 邵艳波 张学 韩禹 李栋 刘慧超

    

    

    

    

摘 ?????要：采用隔热油管作为生产管柱是提高井口油温、降低集输系统能耗的有效措施。通过调研分析，优选二氧化硅气凝胶作为井下油管绝热材料，建立了井下隔热油管流动与传热控制方程，数值模拟了隔热油管的传热特性，以实际油井为例研究了保温层厚度对管内油流温降的影响。研究结果表明：采用6、10?mm、6+10?mm、3+10?mm，4种保温结构，均满足生产要求，为气凝胶纳米绝热材料制造保温隔热油管提供了理论依据。

    关 ?键 ?词：隔热油管;气凝胶;传热特性;数值研究

中图分类号：TE357 ??????文献标识码：?A ??????文章编号： 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

    随着全球能源的日趋紧张及油田不断走向开发后期，节能降耗、降低成本已成为油田工作的重要组成部分。通过对比油田生产各阶段的能耗数据可知，油田集输系统能耗所占比重最大，且从单项用能数据来看，热能和电能是未来油田节能的重点。

    华北油田开发至今，已有40多年的历史，目前大部分区块已进入开发中后期，含水高，能耗大、流程适应性差。优化、简化集输工艺是降低华北油田整体系统能耗，实现节能的关键。目前，华北油田在分析油田用能现状后，经多方专家论证，拟取消三管伴熱集输工艺，改输低含水油，输送低含水油的关键参数就是进站油温，不仅影响管输安全，而且对原油脱水效率、结蜡及存储均有较大影响，提高井口油温是降低前端集输系统能耗的关键。

    提高井口温度，即减小井筒温降，采用隔热油管是行之有效的措施[1-3]。根据华北油田井下隔热油管的使用情况，油井采用隔热油管后，具有四方面的优势;第一，井口升温后，降低了集输系统加热炉能耗;第二，油管内产液流态得到改善，减少抽油机举升电耗;第三，降低井筒结蜡量，减少洗井次数，减少热洗压产损失;第四，减少药剂（降粘剂、清蜡剂等）用量，降低运行成本。

    隔热油管的问世，起源于稠油油藏的开发，由于蒸汽驱热量损失较大，各国学者在20世纪80年代开始致力于隔热油管的研究，经过30多年的理论分析与优化，逐渐得到了较为理想的井筒传热数学模型[4-6];但由于部分参数的选取较为困难或计算时采用总传热系数进行当量，导致计算结果与实际工况存在一定误差[7，8]。随着数值模拟技术的发展，复杂流动与传热问题得到了有效解决，不仅大大提高了计算精度，而且可直观分析各物理量的变化规律，是一种理想的科学研究方法[9，10]。

    目前，市场上常用的井下隔热油管主要有二类;一是用于稠油油藏的真空隔热油管，二是用于常规油藏的保温隔热油管。真空隔热油管保温效果好，但制造难度大、对井筒的安装尺寸要求高且油管接箍处漏热量较大，需要进一步改进。张晓辉[11]针对真空隔热油管接箍处漏热，制备了隔热涂层，通过性能测试，该涂层可有效降低接箍处漏热。刘玉龙[12]针对真空隔热油管接箍处漏热及补偿器不隔热等问题进行了分析，给出改进措施。刘花军等[13]针对高温稠油井热力补偿特性，研制了新型油管热力补偿器，有效解决了补偿器不隔热问题，降低井筒散热量。卫栋等[14]对真空隔热油管结构进行系统研究，分析了各结构对视导热系数的影响，给出了隔热油管设计要点。周赵川等[15]对真空隔热油管传热特性进行研究，建立管柱优化数学模型，给出隔热油管最佳下入深度。

    对于保温隔热油管，通常是对油管外壁进行保温或喷涂隔热涂料，常规的保温材料或隔热涂料导热系数较大，受井筒尺寸的限制，隔热层又不能过厚，虽然具有一定的保温效果，但达不到预期指标。笔者依据井筒流动特性，基于新型材料的高绝热性能，建立了井下隔热油管传热数学模型，数值模拟了隔热油管的传热特性，所得成果可为常规油藏井下隔热油管的优化设计提供重要保障。

    1 ?绝热材料选择

    受油井环空尺寸及井筒斜度的限制，隔热油管外径不宜过大，结合目前市场上常见的隔热油管，外包绝热材料厚度通常在6～10 mm不等，这就要求所选择的保温材料应具备高绝热性能，从而满足温降要求。

    气凝胶纳米绝热材料通过近10年的不断研究、优化和升级，目前已成功应用于石油化工、船舶车辆、冶金电力、建筑等工程领域，并取得了突出成效。二氧化硅气凝胶作为气凝胶绝热材料的一种，因其具有纳米多孔结构（1～100 nm）、低密度（200 kg/m3）、低导热系数（0.013～0.025 W/（m·℃）、高孔隙率（80%～99.8%）、高比表面积（200～1 000 m2/g）等特点，被称为迄今为止保温性能最好的绝热材料[16-18]。其孔径尺寸低于常压下空气分子平均自由程，在气凝胶空隙中空气分子近似静止，从而避免了空气的对流传热，而气凝胶极低的体积密度及纳米网格结构的弯曲路径也阻止了气态和固态热传导，趋于“无穷多”的空隙壁可以使热辐射降至最低，这三方面共同作用，几乎阻断了热传递的所有途径，使气凝胶可达到其他材料无法比拟的绝热效果[19]。

    图1给出了不同保温材料导热系数随温度的变化曲线。由图1不难看出，气凝胶绝热材料不仅适用温度范围广，而且不同温度下的导热系数均是已知绝热材料中最低的，且气凝胶纳米绝热材料除具有较低的导热系数外，还具有较好的抗压、抗拉伸强度、抗紫外老化、超强憎水性及高耐火性等优点，因此，隔热油管采用气凝胶纳米材料作为绝热层是最优的选择。

    2 ?模型的建立

    整个井筒的传热过程较为复杂，主要包括以下环节：

    （1）油流与油管内壁之间的对流换热;

    （2）油管本身的导热;

    （3）油管外壁与保温层内壁之间的导热;

    （4）绝热层（材料空隙内发生导热、辐射及对流）自身的导热;

    （5）絕热层外壁与环空油气的对流换热;

    （6）环空内油气自身对流换热;

    （7）环空油气与套管内壁面的对流换热;

    （8）绝热层外壁与套管内壁的辐射换热;

    （9）套管自身的导热;

    （10）套管外壁与水泥环套内壁的导热;

    （11）水泥环套自身导热;

    （12）水泥环套外壁与地层的导热。

2.1??数学模型

    假设管内油温在同一截面上均匀分布，仅为时间和垂直轴向距离的函数，垂直管内油流的控制方程如下：

    连续性方程：

    

    动量方程：

    

    能量方程：

    

    式中：A—流体面积，m2;

    Z—管道轴向距离，m;

    v—轴向Z方向的流体速度，m/s;

r0—流体密度，kg/m3;

t—管道运行时间，s;

gc—量纲常数;

P—管道内流体的压力，Pa;

f—摩阻系数;

h—热膨胀系数，1/℃;

d—管道内径，m;

U—流体的内能，J;

h1—流体与油管内壁的对流换热系数，W/（m2·℃）;

T—流体温度，℃;

Tk—管内壁温度，℃。

    井筒的传热由6部分组成，即油管、保温层的导热、环空油气对流换热、套管、水泥环套及地层的导热。油管、保温层、套管、水泥环套、地层的传热方程如下：

    

    式中：i=1～5 —分別表示各层;

ri?—第i层的密度，kg/m3;

ci?—第i层的比热，J/（kg·℃）;

Ti?—第i层的温度，℃;

li?—第i层的导热系数，W/（m·℃）。

    环空油气对流换热满足质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，此处不再赘述。

2.2 ?边界条件

    油流与油管内壁面、环空油气与保温层外壁面及套管内壁面均为流固耦合传热，即各交界面处靠近壁面的流体被滞止而处于无滑移状态，它们之间的热量传递主要是对流换热及辐射传热。

    

    式中：lS—固体导热系数，W/（m·K）;

lL?—流体导热系数，W/（m·K）;

TS、TL?—分别为流固耦合界面处固体温度和流体温度;。

qf?—辐射换热热流密度。

    井口附近地表与大气环境为对流换热边界，井下动液面处为恒温边界。

    3 ?数值模拟及结果分析

    以华北油田某采油井为例，日产液量20.7 t，动液面1 150 m，井口油温35 ℃，动液面处油温58.5 ℃，油管内径63 mm，壁厚5 mm，套管内径157 mm，壁厚10 mm。地层平均导热系数2.5 W/（m·K），比热880 J/（kg·K），密度2 650 kg/m3，按照冬季最冷月设计，地表温度-6 ℃，20 m处恒温层温度为14 ℃，20 m以下地温梯度为3.7 ℃/100 m。地温梯度曲线见图2，油管（裸管）温降曲线见图3。

    由图2可知，地表至地下14 m处，地温梯度较大，土壤温度场主要受大气环境影响，14 m以下各层土体温度基本恒定，不受地表环境的影响。从图3给出的油管（裸管）温降曲线不难看出，在地表附近管内油流温降较快，这主要是地表附近地层温度较低导致的。

    由于该采油井的原油析蜡温度为50 ℃，因此，在设计隔热油管时，除了要具有优异的保温效果外，还要确保采用隔热油管后井筒不结蜡，即井口油温不低于50 ℃为标准，设计隔热油管。

    受动液面高度的限制，该油井拟设计的隔热油管长度为1 000 m，采用同厚度或不同厚度（各500 m）组合的方式，来优化隔热油管设计，从而降低成本。利用有限差分法对井下隔热油管传热特性进行数值计算，得出不同工况下的管内温降曲线见图4。

    由图4分析可知：上述4种保温方案，均可满足井口50 ℃的油温要求，说明采用气凝胶纳米绝热材料制作保温隔热油管是可行的。从技术经济角度综合考虑，采用3+10 mm组合的保温结构为最优方案。从图4给出的管内油流温降曲线不难看出，采用同一厚度保温材料，管内油流温降基本呈线性变化，且随着保温层厚度的增加，线性化越明显;采用上下两段不同厚度的保温材料，管内油流温降曲线在二者交界处均存在一个明显的拐点，且上下两段保温层厚度差异越大，拐点越明显，这主要是由于采用不同厚度的保温层，散热量不同导致的。

    4 ?结论及建议

4.1 ?結论

    （1）SiO2气凝胶绝热材料适用温度范围广、导热系数低、有较好的抗压、抗拉伸强度、抗紫外老化和超强憎水性及高耐火性，可作为保温隔热油管的首选材料;

    （2）建立了保温隔热油管流动与传热控制方程，为保温结构方案优化设计提供了理论依据;

    （3）实际井例计算结果表明：6、10 mm、6+10 mm和3+10 mm 4种保温结构均能满足该井生产要求;其中3+10 mm保温结构方案投资最低为首选方案。

4.2??建议

    （1）继续开展降低油管两端裸管散热量的简捷可靠技术措施研究;

    （2）进一步优选预制保温隔热油管采用的黏结剂，提高保温隔热油管使用的可靠性和安全性。

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