密闭热流体研究报告401

1、项目验收材料井筒密闭热流体循环降粘工艺研究研 究 报 告2012年3月目 录第一章 前言1第二章 井筒密闭热流体循环工艺分析52.1井筒中循环水、产出液流动的温度场计算52.2井筒中循环水、产出液流动的压力场计算112.2.1井筒气液两相管流模型112.2.2产出液在油管内的两相流动122.2.3热水在隔热管、抽油杆环空内的流动132.2.4井筒压力场的计算132.3水的物性参数求解172.3.1水的热力学性质172.3.2未饱和水的热迁移性质20第三章 抽油工艺分析213.1抽油杆柱的载荷计算213.1.1悬点静载荷213.1.2悬点惯性载荷223.1.3悬点振动载荷223.1.4摩擦载荷2

2、33.2悬点最大和最小载荷233.3抽油机扭矩23第四章 计算程序开发与设计254.1 软件的研制开发目的254.2 软件需求分析与功能说明254.3 开发环境的选择254.4 软件设计264.5 软件的使用264.5.1软件的安装264.5.2进入系统264.5.3降粘计算过程264.5.4操作274.5.5退出274.6 软件特点274.7 软件的界面27第五章 计算实例分析315.1油井基本数据315.2循环热水流量对降粘工艺的影响315.3循环热水温度对降粘工艺的影响35第六章 结论与建议39参考文献40第一章 前言注蒸汽开采稠油是一种行之有效的方法，已成为国内外广泛采用的开采稠油、超

3、稠油的常规方法。世界上稠油资源极为丰富，随着石油科技的日益发展，世界高凝油藏、稠油油藏不断被发现，全世界稠油的总资源量约为已经探明的常规原油储量的6倍，约为15500108t。稠油油藏的分布范围十分广泛，世界上各产油国几乎都有稠油资源，目前发现的稠油资源主要集中在美国、加拿大、委内瑞拉和中国。我国的稠油资源也非常丰富，预计储量在80108t以上，主要分布在松辽、渤海湾、准噶尔等盆地。稠油产量已成为我国原油产量构成的重要组成部分，且逐年增长。一些稠油区块的油质较稠，虽然在油藏条件下原油具有一定的流动性和较好的供油能力，但原油进入井筒向地面流动的过程中，受井筒温度、原油含水等因素的影响，粘度发生急

4、剧变化，逐渐失去流动性部分稠油井或超稠油井依靠地层的能量不能将原油举升到地面，无法实现油井配产要求。为解决上述问题，必须加强井筒降粘工艺技术研究，目前国内外在稠油开采过程中常用的井筒降粘工艺主要有：电加热、热流体循环、掺稀油及掺化学剂乳化降粘工艺等。井筒电加热降粘工艺由于耗电量大，运行成本和初始投资高昂，降粘效果较好，但对于含水量大、矿化度高、超稠油降粘效果不理想；井筒化学降粘工艺地面流程相对复杂，运行成本较高，而且生产的原油分离工艺复杂，化学降粘剂需要根据不同油井原油物性进行筛选。井筒掺稀降粘工艺则利用区块自己生产的稀油进行，成本低，降粘效果好，但地面生产工艺相对复杂，当在油井含水达到一定程

5、度，产出液出现反向乳化的情况下，降粘效果较差。热流体循环工艺主要依靠稠油的强热敏感性，适用于油层较浅、高凝固点、高粘度稠油油藏。热流体循环工艺的特点：（1）工艺原理简单，一次投资大；（2）循环热水温度应保证产液温度不低于粘温曲线拐点值，防止由于温度太低，温度突变（可出现对掺入水加热情况）；（3）井筒热流体循环工艺是针对稠油依赖于温度的强热敏感性；（4）井筒热流体循环工艺基本不受井深的限制，它除了提高产液的温度外，还可以通过提高井筒中混合液（产液+掺入的热流体）的含水量来降低粘度。常用的热流体有热水、水蒸气、柴油等。常用的热流体循环可分为井筒热流体循环和空心抽油杆热流体循环；井筒热流体循环按其循

6、环方式又可分为开式循环、闭式循环。开式循环是指循环液从油套环空进入，在井下某一深度与产出液混合后一起被举升到地面，开式循环又分为正循环和反循环，见图1。闭式循环又称分程式热流体循环，见图2。与开式热流体循环不同的是：循环热流体与从油层采出的原油不相掺混，因而解决了由于热流体施加于油层压力而导致的油井举升困难问题。闭式热流体循环中，热流体所携带的热量是通过油管壁传递给油管中的油气混合物，使之升温而达到防蜡、降粘的目的。采用的热流体可以是柴油、水或其他流体，当然也可以为原油，但要求这种原油含蜡少、凝固点低、粘度不甚高等特点，以保证在关井后便于再启动。空心抽油杆热流体循环：该工艺的热效率大大高于应用

7、油管循环的效率，对于平均温度可以提高40左右。其原因是循环液始终与套管接触，减少了热传递。 （a）反循环 （b）正循环图1 开式热流体循环工艺图 2 常规闭式热流体循环工艺为了进一步提高产出液的温度，降低热量损失，提出一种新型闭式热流体循环工艺，见图3。该工艺采用空心抽油杆内加一隔热管，热流体从隔热管内注入，通过隔热管和抽油杆间环空循环放热后流出；油管和抽油杆间是产出液的流道，保持油套环空。该循环工艺的优势是：充分利用循环热水携带的热量以及油套环空的隔热效果，提高产出液的出口温度，使产出液在井筒中维持较高的温度，达到井筒降粘的目的。油层油层253mm隔热管101.6mm油 管套 管抽油泵热水产

8、出液505mm空心杆图3 新型热水闭式循环降粘举升工艺示意图封割器因此，对稠油组分、油品性质、流变性、粘温关系等进行综合分析的基础上，对比分析前期井筒降粘工艺，根据产液性质、油品性质、含水率等优化闭式热水循环降粘工艺参数，从而进一步提高系统效率，有效指导油气生产，为形成完善的配套工艺技术提供技术支撑。第二章 井筒密闭热流体循环工艺分析整个闭式循环降粘工艺中，热水在隔热管内向下流动，同时将一部分热量传递给隔热管和空心抽油杆环空中向上流动的循环排出水；同时排出水又与空心抽油杆和油管环空中向上流动的产出液进行热量的交换；而产出液又通过油套环空、水泥环将热量传递给地层，整个过程伴随着动量、热量的传递。

9、2.1井筒中循环水、产出液流动的温度场计算根据合理的假设将上所述管柱结构示意图简化为图4所示的物理模型。由于注入时采用隔热管，这样将热水携带的热量绝大部分带入底部，通过往上的流动与产出液进行热量交换，从而确保产出液的温度不至于由于散热降低。同时由于保存了油套环空，从而使得产出液散热的速度有所减缓，也有利于维持产出液的温度。图 4 新型闭式热流体循环工艺热水在井筒隔热管内自上往下流动，到空心杆底部后从空心杆与隔热管环空中返回地面，产出液则在空心杆与油管环空中自下向上流动，油套管之间的环空中可能是空气、水或油水混合物。由于水泥环外侧的地层体积和热容量比水泥环内侧的井筒大得多，水泥环与地层交界处的温

10、度随热水循环时间的推移缓慢上升，且温度与未受热影响远处地层温度的差值不大。相反，循环热水温度与地层温度的差值较大。因而可以假定水泥环内侧(以下简称“井筒内”)热量传递是稳态的，而水泥环外侧(以下简称“地层内”)热量传递则按非稳态处理。井筒热量传递方式比较复杂，自内向外有：注入热水与隔热管内壁之间的受迫对流换热，隔热管的导热，隔热管外侧和空心杆内侧环空的对流换热，空心杆的导热，空心杆外侧和油管内侧的对流换热，油管的导热，油套管环空中对流辐射同时作用的换热以及水泥环的导热等环节，这些热阻径向串并联组成“井筒内”的传热。如果把这一传热过程按非稳态处理，求解是非常困难的。井筒内稳态传热的合理假设把这一

11、时间因素划归到井筒外侧地层的导热中。后者属圆柱坐标系中非稳态纯导热问题。如果把井筒长度分成足够短的若干段，不计及每段长度方向的热传递，则为径向一维非稳态导热的典型命题，可用解析法或数值法求解。井筒内稳定传热的假设并非意味井筒内各处温度(包括)不随时间变化。由地层非稳态导热得出的随时间变化的温度，再反馈到井筒内稳态传热公式的温差(-)中去，间接地反映了井筒内传热的非稳态性质。因此有人把井筒内的传热称为“拟稳态”。热流体在井筒流动过程中，井筒中径向热流量，即由隔热管径向流向井筒周围的热流量，就是井筒热损失。2.1.1假设条件井口产出液的压力、温度保持不变，动液面在一定时间内保持不变；油管与套管形成

12、的环形空间充满低压空气；根据ramey和satter的方法，将井筒的径向传热看作是由油管中心到水泥环外缘的一维稳态传热和水泥环外缘到地层之间的一维不稳态传热；忽略地层导热系数沿井深方向的变化，并视为一个常数。2.1.2井筒热传递数学模型根据图4，热水从隔热管中注入，从隔热管和空心抽油杆之间的环空返回；原油从空心抽油杆和油管环空流出，他们之间进行了热量的传递。沿井深方向取微元长度，根据能量平衡可得： (1)式中，为隔热管内外流体间、油管内外流体间、环形空间流体与地层间的传热系数，w/(m)；为循环热水的质量流量，kg/s；为产出液的质量流量，kg/s；为隔热管内热水的温度，；为空心抽油杆内循环热

13、水回水温度，；为油管内内产出液的温度，；、分别为热水比热、产出液当量比热，j/(kg)；为热水向循环回水的传热量，w；为循环回水向产出液的散热量，w；为产出液向地层的散热量，w；为井深，m；为初始地层温度。，k；为地表温度，k；为地温梯度，k/m；z为井深，m；。2.1.3油管中心至水泥环外缘的传热由稳态传热公式得： （2）式中，为传热系数， ；r为总传热热阻；为注入热水温度，k；为水泥环外缘初温度，k；为井筒长度，m；为单位时间内长度上的热损失，kw；为隔热管内径，m。热阻包括以下九部分：（1）隔热管内侧热水流换热热阻： （3）式中，为热水对流换热系数，kw/（m2k）。（2）隔热管的导热热

14、阻： （4）式中，为隔热管导热系数，kw/（mk）；为隔热管外半径，m。（3）隔热管与空心抽油杆环空的循环回水对流换热热阻： （5）式中，为循环热水回水对流换热系数，kw/（m2k）。（4）空心抽油杆的导热热阻： （6）式中，为空心抽油杆导热系数，kw/（mk）；为空心抽油杆内半径，m；为空心抽油杆外半径，m。（5）空心抽油杆与油管环空产出液对流换热热阻： （7）式中，为产出液在杆管环空中的对流换热系数，kw/（m2k）。（6）油管的导热热阻： （8）式中，为油管导热系数，kw/（mk）；为油管内半径，m；为油管外半径，m。（7）环空的自然对流和辐射换热的热阻： （9）式中，为环空内自然对流换

15、热系数，kw/(m2k)；为环空内辐射换热系数，kw/(m2k)。在计算井筒内流体温度分布、套管温度及井筒热损失率时，最关键的是如何确定在具体井筒机构条件下总传热系数。而且，最困难的是如何准确计算出环空液体或气体的热对流、热传导及热辐射都存在的条件下的环空传热系数。因为它与油管外表面性质、液体的物理性质（尤其是高温下的粘度变化），油管外壁与套管内壁之间的温度与距离，套管内壁表面性质等等都有影响，计算很复杂。这里用一种传统的计算方法。 确定辐射传热系数： 当油管环空或隔热管与套管之间充有气体时，辐射热流量取决于注入管外壁温度与套管内壁温度，按stefan-boltzmann定律，得： （10）星

16、号是绝对温度（），是stefan-boltzmann常数,。是由油管外壁表面向套管内壁表面辐射散热有效系数，它代表吸收辐射的能力。对于井筒条件： （11）式中，及是油管外壁及套管内壁的辐射系数，无因次。是两个表面间的总交换稀疏。对于井筒传热条件，平常取值为1.0。因此（11）式简化为： （12） 由公式（10）的因子分解，可得出辐射传热系数的表达式为： （13） （14） 如已知及就可计算出。 确定自然对流传热系数：在油套环空间的热传导及自然对流引起的径向热流速度为： （15）式中，为热传导及热对流引起的径向热流速度，w；为环空液体的等效导热系数（也称环空介质当量导热系数），即在环空平均温度及

17、压力下，包括自然对流影响的环空液体的综合导热系数，。当自然对流很小时，是环空液体或气体的导热系数。因为， （16） （17）的表达式为： （18） （19）式中，为环空介质导热系数，w/(m)；为瑞利准数，无因次；为环空介质的热膨胀系数，；为环空中介质在平均温度下的密度，kg/m2；为环空中介质在平均温度下的定压比热，j/(kg)。（8）套管的导热热阻： （20）式中，为套管的导热系数，kw/(mk)；为套管外半径，m；为套管内半径，m。（9）水泥环的导热热阻： （21）式中，为水泥环导热系数，kw/（mk）；为水泥环外缘半径，m。在这九项中， 和其值太小，可忽略不计，若以隔热管外表面为基准面

18、积，总传热热阻可写为： （22）总传热系数为： （23） 各传热系数为： （24） （25） （26）2.1.4从水泥环外缘至地层的导热 由于这是不稳定的热传导，随时间而变化，用公式可表示为： （27）式中，为地层导热系数，j/（mk）；为无因次地层导热时间函数。 我们可用hasan公式： （28）式中，为无因次变量，；这里，为（注汽或）生产时间, d；为地层平均热扩散系数, ，。式（27）中，为水泥环与地层交界面的温度，；为平均原始地层温度，；为随时间变化的导热传热函数。2.2井筒中循环水、产出液流动的压力场计算井筒中注入的循环水为单相流，产出液则可能由于含油伴生气呈现为两相流。在沿井筒流动

19、过程中，由于热量不断向地层散失，介质的压力、温度不断变化，由此将影响到介质的物性参数的变化，而物性参数的变化又会反过来影响压力和温度的变化。2.2.1井筒气液两相管流模型（一）按外形划分两相流模型由于气液两相流中气相密度小于液相密度，因此它们在水平管内流动、垂直向上流动、垂直向下流动、倾斜向上流动、倾斜向下流动等不同情况下，外形互不相同。在实验室目测或高速摄影得到的图象说明了这一现象。不同学者给出了多种流型的名称，如泡状流、塞状流、分层流、波状流、弹状流、环状流、团块流、细束环状流、雾状流、下降膜流等等。这样给计算两相流压降造成了困难。这说明按外形划分两相流流型不是一种好方法。（二）按流体力学

20、特征划分两相流流型综观上面按外形划分的众多流型，按它们流体力学的特征可以归纳为三种流型：1分散流（distributed flow）气液两相分布比较均匀2间歇流（intermittent flow）气液两相分布不规则、带有波动3分离流（segregated flow）气液两相有较清晰较平稳的分界面上面10几种流型都可以归并到这三种流型中，设法找出划分这三种流型的一些判据，并且分别确定这三种流型的流动特性（如摩阻系数），两相流压降问题就能解决。最后一个问题通常是用实验手段解决的。这类实验一直在进行中，力求实验越来越接近实际的两相流过程。到目前为止，还没有完全解决两相流问题。（三）两相流流型的几种

21、主要计算模型有些工艺过程中遇到的两相流只呈现分散流、间歇流或分离流中的某一种流型；另外一些工艺过程则可能在不同工况下遇到不同的流型，因此出现以下几种不同的计算模型：1均相（流）模型（homogeneous flow model）把两相流看成一种均匀相，此均匀相参数充分反映了液相和气相的特征。2分相（流）模型（separated flow model）把两相流看成气液各自分开的流动。3流型模型（flow pattern model）先判断不同流型，不同流型有不同的规律。由于产出液在输汽管线、注汽井和油层中流动会出现不同的流型，因此用流型模型计算产出液的压降比较合适。由于产出液举升过程是气液两相流

22、动，同时在流动过程中热量不断向外界散失，产液温度不断下降，混合密度、粘度、表面张力等不断变化，是流动多变而复杂，计算繁琐。目前国内外由许多相关的研究，认为beggs-brill方法（简称b-b法）比较精确。2.2.2产出液在油管内的两相流动井筒中产出液两相流动时，温度和压力的变化会使气液界面间的平衡打破，通过能量的交换后重新建立新的平衡。同时油、气、水各相的密度、粘度等参数也跟随变化。可见，产出液在井筒中的流动是多变而复杂的，计算繁琐。两相流体在井筒中流动时，取垂直向下为正方向，由能量方程可得： (29)式中，为井筒中产出液混合物压力，pa；为井筒深度，m；为产出液的密度，kg/m3；为产出液

23、气液混合物的速度，m/s；为能量损失；为所做的轴功，=0。将上式变形得， (30)式中，为摩阻压降，定义为，pa/m；为重力压降，定义为，pa/m；为加速压降，定义为，一般较小，可忽略，pa/m；为两相流摩擦系数，无量纲；为气液两相混合流速，m/s；、分别为气相、液相的表观流速，m/s；为井筒倾角，（）。因此，井筒内两相管流的压力降是摩擦能量损失、重位压降损失和加速压降损失之和，压力降公式可表示为=+ (31) 忽略加速压降，上式变为， (32) 式中，为油管当量内直径，m。2.2.3热水在隔热管、抽油杆环空内的流动热水在隔热管以及隔热管和空心抽油杆环空中的流动为单相流，根据动量方程，忽略加速

24、压降。由式（30）可得到热水流动的压力损失： (33) 式中，为热水的密度，kg/m3；为热水的流速，m/s；为隔热管的内直径（环空时为当量直径），m；为单相流的摩擦系数，可根据雷诺数判断流态得到。2.2.4井筒压力场的计算早期人们直接用层流湍流概念研究气液两相流动，著名的lockhart-martinnelli压降计算方法便是以层流湍流组合为基础。但是随着实验技术进展和研究深入，人们认识到不同的交界面构形反映了不同的水力特性，流型变化意味着相交接界面形状的变化，因而意味着相之间的动量传递模式和热量传递模式变化。也即改变了控制这类传递诸效应之间的相对权重。描述流型方法很多，最为简单的方法是形态

25、学法，它按两种相的相对形态确定流型的类别以及各流型相互转化的过渡条件。一般说来，蒸发管内出现的各种流型与具有同一当地流动条件下的绝热流到内的流型基本相同。若蒸法管受不太高均匀热流密度加热，只要流道足够长，入口为近饱和水，会依次发生如图所示的各种流型。即单相流体，泡状流，弹状流，环状流，弥散流，单相气体流动等。井筒内油气水两相管流的压力降是摩擦损失、势能变化和动能变化的综合结果，即垂直多相管流的压力梯度，是三个压降之和：静水压力梯度、耗于摩阻的压力梯度以及耗于加速度的压力梯度。由于注入井筒中的水蒸气含有气液两相，同时由于热量不断向地层散失，水蒸气的温度不断下降，其混合密度、粘度、表面张力等不断变

26、化，是流动多变而复杂，计算繁琐。目前国内外由许多相关的研究，认为beggs-brill方法（简称b-b法）比较精确。b-b方法是流型模型中的一种计算两相流特性的方法，是beggs博士论文的核心内容，发表在1973年。beggs在一套长达27.4m的透明的聚丙烯管中进行的两相流实验，介质为空气和水，管径有2.54cm()和3.81cm()两种，管子可以倾斜，角度变化为，其中为气液垂直向下，为气液垂直向上，为气液水平流动，总共作了584次实验，空气和水的流量可以分别变化，因此可观察到各种流型。用b-b方法计算压力分布的步骤： 从已知压力出发，假定一个值，这两个压力点之间的距离为，算出摩阻系数，进而

27、可计算出，可得到另一个，将两个值进行比较，如果不相等，将赋予，如此循环下去，直到相等为止，计算步骤如下：（1）算出在这二个压力点之间平均压力； 其中，井筒深度，m；为在处的压力，mpa。（2）确定在平均深度处的水蒸气平均温度，该值可由温度场得到；（3）算出在平均压力和平均温度条件下液相和气相的密度、流体含气率；（4）算出水蒸气的混合密度（流量密度）、就地的气体和液体的流量； 式中，为流量密度，kg/m3；为水蒸气注入量，m3/s；为液相流量，m3/s；为气相流量，m3/s。（5）算出就地的表观气、液流速； 式中，为液相表观流速，m/s；为气相表观流速，m/s；为油管截面积，m2；为混合物表观流

28、速，m/s。（6）算出单位截面积上的气、液，以及总的质量流量： 式中，为单位截面积上的气相质量流量， kg/m2s；为单位截面积上的液相质量流量， kg/m2s；为单位截面积上总的质量流量， kg/m2s。（7）算出入口的液体含量（体积含液率） 式中 ：体积含液率。（8）算出弗洛德准数、液相粘度、气相粘度、混合粘度，以及液相的表面张力； 式中，为弗洛德准数，无因次；为液相粘度，mpas；为汽相粘度，mpas；为混合粘度，mpas。（9）算出无滑脱雷诺数及液相流速准数； ， （10）为确定流动为水平时，可能存在的流态谱式，要先算出各相关参数，和； （11）用下列范围确定流态谱式； 分异型：0.0

29、1及nfr 或 0.01及nfr； 过渡型：0.01及nfr； 间隔型：0.010.4及nfr 或 0.4及nfr； 分散型： 0.4及nfr 或 0.4及nfr。（12）算出水平滞留量（水平截面持液率） 式中的，分别按下表每种流型而定流态谱式分异型0.980.48460.0868间隔型0.8450.53510.0173分散型1.0650.58240.0609（13）算出斜度校正系数 式中的，和分别按下表不同流动状态选值流态谱式分异型，上坡0.0113.7683.5891.614间隔型，上坡2.960.3050.44730.0978分散型，上坡不必校正 各种流型的下坡：=4.70，=-0.36

30、92，=0.1244，=-0.5056。（14）算出液相滞留量的斜度校正系数，对垂向井来说： ；（15）算出液相滞留量及两相密度 (16)算出摩阻系数比： 式中，当值处于1 1.2区间时变为不定， 所以当处于这一区间时，函数改用下公式：。（17）算出无滑脱的摩阻系数 或 ；（18）算出两相摩阻系数 （19）算出 （20）算出 （21）将与相比较，如果，则停止运行计算；否则，将赋予，重新计算，直到满足上式条件为止。2.3水的物性参数求解2.3.1水的热力学性质（1）饱和温度和饱和压力水由液态水转变为气态水蒸气的过程称为汽化。汽化过程可以通过水表面的蒸发，也可以通过水的内部产生汽泡的沸腾来形成。水

31、表面附近动能较大的水分子克服表面张力逸出到上面的空间称为蒸发，蒸发可以在常温下发生。同时也有空间的水蒸汽分子碰撞回到水面，称之为凝结或液化。当水面上水蒸气分子数目较少时，蒸发出来的分子较多，即蒸发速度大；当水面上水蒸气分子数目逐渐增多，蒸汽压力增大，返回水面的蒸汽分子数目增多，即凝结速度大。当逸出分子数目等于返回分子数目，即两者达到动态平衡时，称之为饱和状态。水面上的水蒸气称之为饱和蒸汽，液态水称之为饱和水。此时汽水温度相同，称为饱和温度ts，水面上的蒸汽压力称为饱和压力ps。例如一烧杯水在30时，烧杯水面上的水蒸气压力达到0.004257mpa时，烧杯内的水不会再减少，它们分别为此状态下的t

32、s和ps。在30温度下，水蒸气压力与密度（分子数目）达到了最大值，如果再有蒸汽分子逸出，必有相同数目的蒸汽分子返回，故称为“饱和”。工程上所用的大量蒸汽都是在锅炉中加热产生的。对水加热，不但使表面发生汽化，而且水的内部也产生汽泡，形成强烈沸腾。在此过程中，水内部汽泡内的蒸汽压力等于或稍大于汽泡外壁所受的压力，汽泡升至水面而破裂，随之水蒸汽进入空间。因饱和蒸汽压力取决于温度，故汽泡的形成也只能发生在与给定压力相对应的饱和温度，即该压力下水的沸点。还以烧杯中的水为例。烧杯中的水内部要产生汽泡，必须让烧杯加热，烧杯敞口，水受到1bar大气压力，1bar压力相对应的饱和温度为=99.634，因此水必须

33、加热到99.634以上，才可能在水的内部产生汽泡而沸腾。水的饱和温度与饱和压力之间为非线性的单调变化关系，即饱和压力增大，对应的饱和温度也升高。已编制成图和表，可由查，也可由查。也有许多繁简程度不同的函数关系式，即=f()或=f()。可以根据不同精度的要求，加以选择使用。（2）水的临界点当水的压力达到22.064mpa，把水加热到374，水立即全部汽化，没有饱和水和饱和蒸汽的区别。该状态称为临界点，临界点的参数为：临界压力pc=22.064mpa，临界温度tc=374。（3）水的定压加热（蒸汽定压发生）过程水进入锅炉以后被加热，在锅炉出口以蒸汽形式流出，忽略过程中的压力损失，可以认为是定压加热

34、过程，经历了预热、汽化和过热三个阶段，前后共有五种状态，见图5。水从未饱和状态（又称过冷水）加热到该压力所对应的饱和温度，成为饱和液体（常称饱和水）。继续吸热，饱和水开始沸腾，出现越来越多的汽泡，此时定压又定温，形成饱和水和饱和蒸汽的两相混合物，称为湿饱和蒸汽，简称湿蒸汽。继续吸热，直到液体水全部汽化成水蒸气，此时已不含液态水，称为干饱和蒸汽。对干饱和蒸汽继续加热，蒸汽温度将从饱和温度开始不断升高，超过该压力下的饱和温度，称为过热蒸汽。图5 水蒸汽定压发生过程示意图将水的定压加热和蒸汽定压发生过程表示在压力比容图（-图）和温熵图（-图）上，如图6所示。蒸汽的-图和-图可总结为一点、两线、三区、

35、五态。一点是临界点；两线是饱和水线（下界限线）和饱和蒸汽线（上界限线）；三区是未饱和水区（过冷水区）下界限线左方，湿饱和汽区在上、下界限线之间，过热蒸汽区在上界限线右方；五态（五种状态）指的是：未饱和水状态、饱和水状态、湿饱和蒸汽状态、干饱和蒸汽状态和过热蒸汽状态。图6 蒸汽的-图和-图（4）汽化潜热在某一压力下，1kg饱和水转变为1kg干饱和蒸汽需要吸收的热量称为汽化潜热，单位为kj/kg。同样，1kg干饱和蒸汽凝结成1kg饱和水放出的热量也与汽化潜热相等。汽化潜热的数值与压力有关（见图7），压力越低，汽化潜热越大。压力达到临界压力=22.064mpa，汽化潜热=0 kj/kg，即饱和水一加

36、热就立刻变为干饱和蒸汽。(mpa)22.064rkj/kg2500图7 汽化潜热与压力的变化曲线不同压力下的汽化潜热r可查表或函数关系式r=f(t)计算得到。（5）水和水蒸气的主要热力学性质 本课题采用的是高压下的热水，但热水的温度为7595，没有达到饱和温度，所以应该属于未饱和水状态（过冷水）。未饱和水的热力学性质有压力p、温度t、比容v、比热焓h和比熵s等。其中压力p和温度t往往为已知变量，经常使用的是比热焓h，其单位为kj/kg。未饱和水的焓h由压力p和温度t确定，即。未饱和水的焓与压力、温度的关系比较复杂。现已制成图和表，可由p，t数据直接查未饱和水和过热蒸汽的性质表。也有一些繁简程度

37、不同的函数计算式，直接从这些计算式得到它们的焓值。2.3.2未饱和水的热迁移性质在热采工艺的设计和运行管理中，人们最关心的是热流体注入油层到底有多少热量，在经地面管线和井筒的过程中损失了多少热量，以及如何减少这些热量损失。为此，除了必须了解热流体的热力学性质外，还须了解其热迁移性质，其中主要是粘度及导热系数等。未饱和水的热迁移性质可以从传热学等专著查得。也可以从一些函数计算式中计算得到。由于热流体循环过程中，热水的压力、温度沿程变化，计算过程中需要多次反复进行。查表的方法不能适应计算要求，因此比较精确的未饱和水的热力学性质、热迁移性质的函数计算式显得很有用。原任职于美国德士古石油公司的美籍华人

38、钱思复的论文被广泛引用来计算水和水蒸气各种热物性参数，可根据精确度的要求加以选择使用。第三章 抽油工艺分析在稠油开采区，由于稠油粘度高，在有杆泵抽汲过程中出现较大的摩擦力，导致抽油机驴头悬点载荷的最大值大大增加，而悬点最小载荷显著地减小。抽油机驴头悬点最大载荷不仅是设计或选择抽油机和确定电动机动率的依据，也是设计和选择抽油杆的重要依据。一般而言，悬点载荷的最大值表征了可供选用的抽油杆和抽油泵组合时可能的最大下泵深度。但是对于稠油并，较大的摩擦力使悬点最大载荷剧增，于是抽油机的有效提升能力降低，下泵深度就减小。因此，实测并研究稠油开采中抽油机悬点载荷的有关参数，计算出摩擦力的大小以及对悬点载荷的

39、影响，无论对采油机械的设计还是稠油开采都具有现实意义。由于采用新闭式热流体循环降粘工艺，所以应该对抽油杆柱载荷进行分析，一是通过载荷计算，看工艺参数是否满足电机功率的要求；二是便于与以往降粘工艺的比较。3.1抽油杆柱的载荷计算有杆泵采油在运行时，抽油机炉头悬点上作用的载荷有三类：（1）静载荷，包括抽油杆自重、柱塞上部液柱形成的静液柱载荷。（2）动载荷，包括抽油杆柱和油管内的流体做不等速运动而产生的抽油杆和液柱的动载荷，即惯性载荷。（3）摩阻载荷，包括光杆和密封盒的摩擦力，抽油杆与液体之间的摩擦力，抽油杆和油管之间的摩擦力，液体在杆管环形空间的流动阻力，液体通过泵阀和柱塞内孔的局部水力阻力，柱塞

40、和泵筒之间半干摩擦阻力。3.1.1悬点静载荷悬点静载荷计算用下式表示：上行程 下行程 （34）式中，为上行程悬点静载荷，n；为下行程悬点静载荷，n；为油管内流体密度，kg/m3；为每米抽油杆在液体中重力，组合杆分段计算，kgf/m；为泵深，m；为动液面，m；为柱塞面积，m2；为油管压力，mpa；为套管压力，mpa。3.1.2悬点惯性载荷悬点惯性载荷计算用下式表示：上行程 下行程 （35）其中，式中，为上行程悬点最大惯性载荷，n；为下行程悬点最大惯性载荷，n；为冲程，m；为冲数，min-1；为每米抽油杆在空气中重力，kgf/m；为考虑油管过流断面变化引起液柱加速度变化的系数；为油管的流通断面面积

41、，m2；为平均抽油杆截面积，m2。3.1.3悬点振动载荷实际的抽油杆柱和液柱，由于它们长度很长，具有相当的弹性和可压缩性，而抽油杆柱做周期性地上、下运动和液柱载荷周期性地作用于下端，使抽油杆产生弹性震动，同时液柱下端周期性地被柱塞推动而使液柱也产生振动，如果油管下部未锚定，在液柱载荷周期性地作用下，管柱也要产生振动。这三组弹性体的振动互相影响，加上阻尼作用，使得整个系统的振动作用相当复杂，因此，要准确地计算弹性震动载荷是很困难的，这里仅介绍一种忽略强迫振动项的简单计算方法。 （36）其中，式中，为在抽油杆顶端产生的振动载荷，n；为常数，其值取决于，当此数值为01时=0，为13时=1，为35时=

42、2，为57时=3；为钢材弹性模量，kn/m2；为抽油杆变形，m；为静变形结束时的悬点速度，为上冲程，为下冲程，m/s；为前臂长，m；为抽油杆内声波传播速度，m/s；为曲柄转角，；为静变形结束时的曲柄转角，。3.1.4摩擦载荷摩擦载荷一般由5部分组成：抽油杆和油管之间的摩擦力，根据现场经验，在直井内通常不超过抽油杆重力的1.5%；柱塞和泵筒之间半干摩擦阻力，根据现场经验，当泵径不超过70mm时，半干摩擦力不超过1717n；抽油杆与液体之间的摩擦力，可用式（37）计算；液柱与油管之间的摩擦力，根据高粘度油井的现场资料统计，约等于0.77；液体通过游动阀的摩擦阻力，一般可忽略不计。 （37）式中，m

43、为油管内径与抽油杆直径之比；为液体动力粘度，pa.s。这样，摩擦载荷可表示为上行程 下行程 （38）式中，为上冲程摩擦载荷，n；为下冲程摩擦载荷，n。3.2悬点最大和最小载荷 （39）式中，为悬点最大载荷，n；为悬点最小载荷，n。3.3抽油机扭矩各种抽油机在运行过程中，曲柄轴上承受的扭矩，包括由悬点载荷所形成的负荷扭矩和由平衡重所形成的平衡扭矩，这两项叠加形成净扭矩，即曲柄轴上实际承受的扭矩。净扭矩可以用下式计算。 （40）式中，为净扭矩，kn.m；为前臂长，m；为后臂长，m；为游梁平衡重心至游梁支点o的距离，m；p为悬点载荷，kn；为游梁平衡重，kn；为从水平位置算起的游梁摆角，；为悬点加速

44、度，m/s2；g为重力加速度，m/s2；r为曲柄旋转半径，m；为曲柄与连杆的夹角，；为连杆与后臂的夹角，；为曲柄平衡重，kn。以上计算方法是确定扭矩最准确的方法，但计算比较繁琐，在选择抽油设备和预测新抽汲参数时需要知道最大扭矩，一般采用直接计算方法，可用下式进行。 （41）式中，为最大扭矩，kn.m。但是，式（41）计算结果偏低11%50%不等。因此根据国内矿场经验，统计最大扭矩经验公式，结果比较切合实际。 （42）第四章 计算程序开发与设计4.1 软件的研制开发目的井筒密闭热流体循环降粘工艺设计软件目的在于以密闭热流体循环降粘工艺原理为基础，优选出经济的井筒热流体循环降粘工艺参数，为现场的施

45、工作业提供技术支持。同时将这一过程计算机化，利用计算机的速度快、精度高、能够实现一些较为复杂的数学运算与逻辑判断等特性，实现对密闭热流体循环降粘工艺的分析计算。4.2 软件需求分析与功能说明软件需求：1、 接受现场的稠油井参数输入到软件的输入界面，根据密闭热流体循环降粘工艺理论进行分析计算，优化出合理的施工参数并输出；2、 软件要便于操作和使用。鉴于此，我们对软件的功能进行了如下设计：1、 能够接受稠油井的数据输入，根据密闭热流体循环降粘理论进行分析计算；2、 计算的结果能方便输出；3、 每项功能都提供菜单，简化软件的使用和操作。4.3 开发环境的选择软件采用windows窗体界面与目前流型软

46、件接轨，既实用又具备一定的先进性为原则，本软件开发环境如下：1、 操作系统，microsoft windows2000及以上操作系统。微软的操作系统具有极大的用户群，而且操作界面具有同一性，极易操作。windows系统具有较好的运行性能，而且目前大多数计算机上（包括许多品牌机在内）安装的依然是该版本的操作系统。2、 编程环境，visual basic 6.0。该产品是 microsoft公司推出的visual studio 6.0开发组件中的一种可视化的编程语言。3、 编程语言，visual basic 6.0。具有先进的可视化编程工具和面向对象的编程工具，便于本软件的各项功能的实现。4.4

47、软件设计通过对软件需求、功能要求和界面设计等多方面内容的全面考虑，利用面向对象的编程方法对该软件进行了设计，其软件功能图如图8所示：井筒降粘优化数据输出模块主应用程序模块界面显示模块数据读入模块帮助模块管参数绘制图8 软件功能结构图4.5 软件的使用4.5.1软件的安装 将安装盘放入驱动器，运行其中的setup.exe文件，软件即会自动安装在您的计算机中。并在“开始/程序”菜单建立快捷方式。4.5.2进入系统 在windows桌面上，点击“开始”栏，选择“程序”，找到【井筒密闭热流体循环降粘工艺设计软件】，打开本程序。首先显示一个进入窗体，然后进入软件的工作平台。4.5.3降粘计算过程 (1)

48、 基础数据输入l 选择“数据文件”主菜单“新建文件|打开”菜单，弹出一个窗体，该窗体用来确定设计有关基础数据，包括生产参数，管柱参数，机采参数，热水循环参数，地层参数等。点击“确定”按钮，即可完成参数输入。l 也可通过该窗体的“打开”按钮，将以前输入的数据文件打开进行参数输入。 (2) 井筒降粘设计l 定管柱参数：选择“降粘计算”主菜单“管柱参数计算”菜单，下拉子菜单“计算开始”，进行优化设计，经过一定时间后，计算结束。可以在“管柱参数计算”菜单下看到其它两个子菜单“曲线绘制”、“结果保存”。分别显示在管柱参数确定条件下计算得到的计算结果，绘制的井筒压力、温度分布图。 (3) 管柱图绘制l 选

49、择“生成管柱图”主菜单，弹出一个窗体，该窗体用来根据管柱参数绘制管柱图。首先在窗体右侧输入管柱设计的相关参数，点“画图”按钮即可完成管柱图绘制，点击“保存”按钮即可保存图片文件为bmp和jpg格式。4.5.4操作l 数据输入：当需要进行分析时，首先需要打开基础数据输入窗体，输入与分析相关的参数。输入数据有三种不同的方式：根据需要输入数据；根据需要修改默认值；打开以往数据。l 数据输出：点击各主菜单下对应子菜单浏览；打开相应的曲线图进行查阅。4.5.5退出 进入“数据文件”菜单后，选择“退出系统”或点击主窗体右上角的“”，退出系统。4.6 软件特点l 语言：vb语言，该语言是一种程序设计的高级语言，vb语言具有很多优点：可以编译、数据类型丰富、支持结构化程序设计和面向对象程序设计。此外，vb语言易于阅读，编译迅速，并且可以使用多个单元文件来进行模块化程序设计。l 标准：windows操作系统标准。软件的操作与windows系统一致，可参阅windows系统操作手册。l 操作方便：采用了下拉式菜单、右键弹出菜单，同时设计了快捷键、快捷按钮等，并有相关的提示。l 界面美观。4.7 软件的界面（1）启动窗体：（2）软件主平台（3）数据输入界面（4）计算结果绘图界面（5）计算结果保存（6