【正文】 . 單管環(huán)狀及放射狀（電熱輔助）不加熱集油 ： 將一座計(jì)量閥組間的幾口井用一條集油管線串聯(lián)成一個(gè)環(huán)狀 ，并在井口安裝電加熱器的集油方式。單管放射狀（電熱輔助）不加熱集油方式是在一座計(jì)量間的高產(chǎn)液井采用單管不加熱集油方式，而低產(chǎn)液井停止摻水，并在井口安裝電加熱器進(jìn)行電熱輔助的集油方式。 研究 的 主要內(nèi)容 技術(shù)內(nèi)容 建立不加熱摻水集輸工藝的常溫輸送數(shù)學(xué)模型。 進(jìn)行流變性實(shí)驗(yàn)，確定粘度和含水率、溫度之間的綜合關(guān)系。 提供優(yōu)化摻水流程有關(guān)參數(shù)：摻水量、摻水溫度。 預(yù)測(cè)最大容許停摻水時(shí)間。 技術(shù)方法和路線 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)資料調(diào)研，分析原油不加熱集輸和摻水集輸工藝流程； 利用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，在不同含水率下對(duì)產(chǎn)出液進(jìn)行流變測(cè)量，確定粘溫關(guān)系； 針對(duì)不加熱摻水管線，通過(guò)熱力計(jì)算和水力計(jì)算，確定 南陽(yáng)油田趙 5 井的最佳摻水量和摻水溫度，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的 ； 以原油常溫輸送、傳熱學(xué)技術(shù)為指導(dǎo)，綜合油、氣、水集輸過(guò)程中的動(dòng)態(tài)運(yùn)行資料，對(duì)油井產(chǎn)出液在集輸中的溫降、壓降進(jìn)行分析，并計(jì)算其能耗 ； 根據(jù)實(shí)際允許最大回壓，建立埋地管線溫降的數(shù)學(xué)模型，從而預(yù)測(cè)最大容許停摻水時(shí)間。 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 3 第 2 章 管流溫度與壓力分布數(shù)學(xué)模型 趙 5 井 基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 表 21 原油物性參數(shù)表 地層原油物性 飽和壓力（ MPa） ~ 體積系數(shù) ~ 粘度（ mPas） ~ 氣油比（ m3/t） 17~ 脫氣原油物性 相對(duì)密度 ~ 南陽(yáng)油田趙 5 井原油摻水 不加熱集輸技術(shù)研究 4 粘度（ mPas） ~ 凝固點(diǎn)（ ℃ ） ~ 含蠟量（ %） ~ 含膠量（ %） ~ 水型 NaHCO3 總礦化度 (104mg/l) 2063~8356 氯離子 (104mg/l) 6350~57764 表 22 管道相關(guān)參數(shù)表 保溫層材料 黃夾克 保溫層厚度 40mm 管線中心埋深 埋深處平均地溫 12℃ 表 23 趙 5 井基本參數(shù)表 管長(zhǎng)(km) 日產(chǎn)液(t/d) 日產(chǎn)水(t/d) 日產(chǎn)油(t/d) 含水率(%) 出油溫度(℃ ) 回油溫度(℃ ) 32 37 管內(nèi)流體溫度分布數(shù)學(xué)模型 管內(nèi)流體 流動(dòng)時(shí) 因?yàn)橐?不斷 和 管外 介質(zhì) 進(jìn)行熱交換 ， 所以 溫度 會(huì) 逐漸 降低。 管線通常 是 處于熱力不穩(wěn)定狀態(tài) 的。因?yàn)榱黧w損失的 熱量 和沿程 溫度分布受 到 管道散熱 情況、 輸量、環(huán)境 狀況 、 流體溫度 等 許多 因素影響 ，而 這些因素是隨時(shí)間 的變化而 變化的 。工程上 對(duì)管線進(jìn)行溫降計(jì)算 時(shí)通常把 正常工況 定義 為熱力、水力穩(wěn)定狀況 。 在本文所研究的摻熱水集輸流程中，摻水管道和集油管道為埋地并行敷設(shè)，兩管單獨(dú)保溫，兩管之間的間距不等，最遠(yuǎn)的間距為幾十公分。因此，在本研究中暫不考慮兩管之間的相互影響。 1. 物理模型 a） 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 5 b） 圖 21 物理模型示意圖 2. 數(shù)學(xué)模型 為了簡(jiǎn)化計(jì)算作如下假設(shè)： ① 管網(wǎng)工況穩(wěn)定，管道處于熱力穩(wěn)定狀態(tài)； ② 管道保溫層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定； ③ 徑向溫差較小，可以忽略不計(jì)，只認(rèn)為它只在管道軸向方向存在溫差； ④ 伴熱管與集油管間的相互影響忽略不計(jì)； ⑤ 只存在軸向速度，并且同一截面上的速度相等 。 ⑥ 輸送介質(zhì)為不可壓縮性流 體。 3. 模型的導(dǎo)出 設(shè)管外介質(zhì)溫度為 0t ， dx 微元段上的管內(nèi)介質(zhì)溫度為 t ，流量為 G ，水力坡降為i ，流體經(jīng)過(guò) dx 段后溫度變化為 dt ，以管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)起點(diǎn) 為坐標(biāo)原點(diǎn)，以流動(dòng)方向?yàn)樽鴺?biāo)正方向。則管內(nèi)介質(zhì)在微元段 dx 上的熱平衡關(guān)系如下 [9]： 0()g G idt K D t t d x G Cdt?? ? ? （ 21） 式中 g—— 重力加速度 （ m/s2）； G —— 管內(nèi)輸送介質(zhì)的質(zhì)量流量 （ kg/s） ； i —— 水力坡降 （ m/m） ； K —— 管道總傳熱系數(shù) （ W/（ m2℃）） ； 0t —— 管外環(huán)境溫度 （ ℃ ） ； D —— 管道外直徑 （ m） ； C —— 管線平均溫度下管內(nèi)輸送介質(zhì)的比熱容， J/(kgK)，原油的比熱容一般在1880～ 2100 J/(kgK)之間，南陽(yáng)原油取 2100 J/(kgK)；水的比熱 容約為 4180 J/(kgK)。 輸送原油乳化液時(shí)，可以采用質(zhì)量加權(quán)的方法計(jì)算混合液的比熱容，即： O m o w m wm o m wC q C qC qq?? ? （ 22） 南陽(yáng)油田趙 5 井原油摻水 不加熱集輸技術(shù)研究 6 式中 moq 、 mwq —— 分別為油和水的質(zhì)量流量 （ kg/s） ； oC 、 wC —— 分別為油和水的比熱容 （ J/（ kgK）） 。 式（ 21）左端第一項(xiàng)為單位時(shí)間 dx 微元段管內(nèi)流體摩擦損失轉(zhuǎn)化的熱量，左端第二項(xiàng)為單位時(shí)間 dx 微元段流體向管外介質(zhì)的散熱量，右端為 dx 微元段管內(nèi)流體熱量的變化。 考慮到本文所研究的管線長(zhǎng)度不長(zhǎng)、管徑不大，摩擦熱對(duì)沿程溫度分布的影響不大，故忽略摩擦熱的作用。由此，式（ 21）簡(jiǎn)化為 ： 0()K D t tdtdx G C???? （ 23） 上式一般給出定解條件 ： (0) Rtt? （ 24） ()Lt L t? （ 25） 式中 Rt —— 管段起點(diǎn)的流體溫 度 （ ℃ ） ； Lt —— 距離起點(diǎn) L 處的流體溫度 （ ℃ ） 。 假設(shè)管長(zhǎng) L 的管道的總傳熱系數(shù) K 為常數(shù)，對(duì)式（ 23）積分，可得沿程溫降公式，即蘇霍夫公式 ： ? ?00 K D LGcLRt t t t e ??? ? ? （ 26） 式（ 23）、（ 26）就是管線沿程溫度分布的數(shù)學(xué)模型。 4. 模型的求解 根據(jù)上述研究思路，利用計(jì)算機(jī)編程 計(jì)算出 “單井 ——計(jì)量站 ”的摻水管線與集油管線的沿程溫度分布。 5. 摻水點(diǎn)混合液溫度的計(jì)算 在摻水點(diǎn)處，油水混合后的混合液溫度 t21 的確定方法： 假設(shè)油井產(chǎn)液量為 11q ，原油含水率為 ? ，則在忽略油水混合時(shí)的散熱損失的前提下，根據(jù)能量守恒定律，冷流體吸收的熱量等于熱流體放出的熱量，即 ： ? ? ? ?1 1 2 1 1 1 1 1 2 1( ( 1 ) )o w wC C q t t q C t t??? ? ? ? ? （ 27） 式中 21t —— 熱污水與原油混合后的溫度 （ ℃ ） ； 1t —— 摻水點(diǎn)處熱污水的溫度 （ ℃ ） ； 11t —— 原油的井口出油溫度 （ ℃ ） ； 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 7 1q —— 熱污水的質(zhì)量流量 （ kg/s） ； 11q —— 油井產(chǎn)液的質(zhì)量流量 （ kg/s） ； 其他符號(hào)意義同上。 由式（ 27）可得 t21 的計(jì)算式為 ： 1 1 1 1 1 121 1 1 1( (1 ) )( (1 ) )w o ww o wq C t q C C tt q C q C C??? ? ?? ? ? ? （ 28） 6. 傳熱系數(shù) K 的確定 對(duì)于加保溫層的輸液管道，管道總傳熱系數(shù) K 可按下式計(jì)算： 11 1 21ln2 ii i wK DD D DD D D? ? ??? ??? （ 29） 式中 1? —— 油流至管內(nèi)壁的放熱系數(shù) （ W/（ m2℃ ）） ； 2? —— 管外壁至周圍土壤的放熱系數(shù) （ W/（ m2℃ ）） ； i? —— 管路各相應(yīng)層的導(dǎo)熱系數(shù) （ W/（ m℃）） ； D —— 所選基準(zhǔn)傳熱面的直徑 （ m） ； iD —— 管道第 i 層的直徑 （ m） ； 1iD? —— 管道第 i+1 層的直徑 （ m） ； wD —— 管道最外層的直徑 （ m） ； 1D —— 管道的內(nèi)徑 （ m） 。 其中， 1? 與流體的性質(zhì) 和 流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)?？捎门c放熱準(zhǔn)數(shù) Nu、自然對(duì)數(shù)準(zhǔn)數(shù) Gr和流體物理性質(zhì)準(zhǔn)數(shù) Pr 之 間 的 數(shù)學(xué)關(guān)系式 [10]來(lái)表示。 對(duì)層流流動(dòng)（ Re＜ 2020，且 2Pr 5 10Gr ??? ）時(shí)有： 0 . 3 3 0 . 4 3 0 . 11 Pr0 . 1 7 R e P r Pryyy y yywGrD?? ??? ???? （ 210） 式中 Pr—— 流動(dòng)的普朗特準(zhǔn)數(shù)，其表達(dá)式為 ： Pr /vc??? （ 211） Re—— 雷諾數(shù)，其表達(dá)式為 ： 1Re /vD ?? （ 212） Gr—— 自然對(duì)流準(zhǔn)數(shù) ， 其表達(dá)式為 ： ? ?321 /fwG r D g t t???? （ 213） 南陽(yáng)油田趙 5 井原油摻水 不加熱集輸技術(shù)研究 8 對(duì)紊流（ Re10000，且 Pr2500）時(shí)有： 0 . 8 0 . 4 311Pr0 . 0 2 1 R e P r Pr yyy wD????? ???? （ 214） 過(guò)渡區(qū)（ 2020Re10000）時(shí)，放熱現(xiàn)象 通常會(huì) 增強(qiáng)， 這里提供一個(gè) 參考 公式 ： 0 . 8 7 0 . 411Pr0 . 0 1 2 ( R e 2 8 0 ) P r Pr yyy wD?????? ???? （ 215） 土壤的傳熱 和 土壤對(duì)大氣的放熱是 造成 埋 地 管道熱量散失的最主要 的因素 。 因此當(dāng)流動(dòng) 為紊流流動(dòng)時(shí)， 不保溫的埋 地 熱輸管道 的 總傳熱系數(shù) K 近似等于 2? 。 在本研究的計(jì)算中，依據(jù)河南油田所處的地理環(huán)境及氣候條件以及油田設(shè)計(jì)院有關(guān)工程師的意見(jiàn)，在本次研究中所有管道的總傳熱系數(shù) K 值按《油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范 GB503502020》中埋地硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料保溫集輸油管道總傳熱系數(shù) K選用表中所給數(shù)據(jù)選取，見(jiàn)表 24。 表 24 埋地硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料保溫集輸油管道總傳熱系數(shù) K 管道公稱直徑 （ mm） 稍濕 中等濕度 潮濕 水田及地下水中 保溫厚度 30（ mm） 50 65 80 100 150 保溫厚度 40（ mm） 50 65 80 100 150 在趙凹井區(qū)的集輸系統(tǒng)中，管線保溫層厚度為 40mm，摻水管線為 Φ48，集油管線為 Φ764，土壤潮濕程度按中等濕度選取。因此摻水管線的傳熱系數(shù)取，集油管線的傳熱系數(shù)取 。但實(shí)際管線由于投產(chǎn)已達(dá)十幾年甚至二十幾年以上，有些管段保溫層已經(jīng)破損，有些已經(jīng)外露，因此實(shí)際傳熱系數(shù)跟理論上選取的傳熱系數(shù)相差較大，因此有必要對(duì)摻水管段和集油管段的傳熱系數(shù)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算。其計(jì)算思路如下： 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 9 ① 輸入摻水管基本參數(shù)：管外徑 d管線長(zhǎng)度 L、管外環(huán)境溫度 t0、熱水管出口溫度 t熱水到 達(dá)進(jìn)口處溫度 t1摻水量 Q水的比容 c密度 ρ粘度μ壁厚 bih1； ② 輸入集油管基本參數(shù)：管外徑 d集油管長(zhǎng)度 L、油的比容 C密度 ρ集油管壁厚 bih回油溫度 TL；輸入井口基本參數(shù)：油井產(chǎn)液量 Q井口出油溫度 T原油含水率