CN103308551A - 用于超临界二氧化碳表面传热系数测量的实验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于超临界二氧化碳表面传热系数测量的实验装置与方法。实验装置包括超临界二氧化碳循环系统和注入水循环系统，超临界二氧化碳循环系统具有测量管线段内管，注入水循环系统具有测量管线段外管，测量管线段内管嵌套于测量管线段外管之中；水在测量管线段外管、测量管线段内管之间的环空内流动；超临界二氧化碳循环系统为二氧化碳提供高温高压下闭合的循环回路；注入水循环系统实现超临界二氧化碳在测量管线段内管中进行热交换。本发明能够实现较大压力和温度范围内超临界二氧化碳的表面传热系数的测量，可得到不同温压条件下超临界二氧化碳表面传热系数；设备简单、操作方便、可行性高；测量方法科学，能够实现较高精度的参数测量。

Description

用于超临界二氧化碳表面传热系数测量的实验装置与方法

技术领域

本发明属于非常规油气开采技术领域，具体地，涉及一种用于超临界二氧化碳表面传热系数测量的实验装置与方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，对石油天然气能源的需求与日俱增，而我们国家现在重新发现整装大庆、胜利、辽河这样整装大型油田的机会不会太多，在近期发现的油气资源里面，天然气的资源非常丰富。特别是非常规天然气，包括页岩气，煤层气还有致密天然气。与常规油气藏相比，非常规油气资源的渗透率极低，开发难度大，保护油气层的钻完井技术能有效提高非常规油气藏的最终采收率，超临界二氧化碳流体由于其自身具有的优异特性使它成为了一种极具应用潜力的保护油气层钻完井流体介质。

超临界二氧化碳具有特殊的相态特征，具有粘度小、扩散系数大、密度大、流动性好、良好的溶解性和传质特性，并且在临界点附近对温度和压力尤为敏感，初步研究表明，创新性地利用超临界二氧化碳的这些基本特点，可望使钻井、压裂过程中对储层污染的问题得到妥善的解决。目前，受温度、压力影响，超临界二氧化碳传热规律相当复杂，所得试验数据较少，对于传热的机理也没有一个系统的解释，因而成为超临界流体传热领域的一个难点。超临界二氧化碳表面传热系数(或对流换热系数)的早期研究主要用于二氧化碳制冷技术，但很少针对超临界二氧化碳在管道中的流动规律与换热性能进行实验研究，只进行了一些数值模拟。超临界二氧化碳表面传热系数是传热规律分析的重要参数，研究表明二氧化碳表面传热系数受温度压力影响很大，特别是在临界点附近变化剧烈。

发明内容

为克服现有技术所存在的缺陷，本发明提供一种用于超临界二氧化碳表面传热系数测量的实验装置与方法，该实验装置操作简单，方法易于实施，可以快速的测量出不同温压条件下超临界二氧化碳的表面传热系数，进而系统分析超临界二氧化碳流动和传热机理，为超临界二氧化碳钻完井工程设计和理论研究提供实验基础。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于超临界二氧化碳表面传热系数测量的实验装置，包括：超临界二氧化碳循环系统和注入水循环系统，其特征在于：超临界二氧化碳循环系统具有测量管线段内管，注入水循环系统具有测量管线段外管，测量管线段内管嵌套于测量管线段外管之中；水在测量管线段外管、测量管线段内管之间的环空内流动；超临界二氧化碳循环系统为二氧化碳提供高温高压下闭合的循环回路；注入水循环系统用于实现超临界二氧化碳在测量管线段内管中进行热交换。

用于超临界二氧化碳表面传热系数测量的实验方法，采用上述的实验装置，其特征在于，进行超临界二氧化碳表面传热系数测量实验时，二氧化碳气源内的二氧化碳通过气体增压泵增压以及加热系统加热达到超临界状态，通过调节气体增压泵和加热系统，达到预期的压力和温度条件，打开气体循环泵开始循环，同时注入水系统也开始反向循环，待流动参数稳定后，开始进行超临界二氧化碳表面传热系数的测定。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：(1)、能够实现较大压力和温度范围内超临界二氧化碳的表面传热系数的测量，可得到不同温压条件下超临界二氧化碳表面传热系数；(2)、设备简单、操作方便、可行性高；(3)、测量方法科学，能够实现较高精度的参数测量。

附图说明

图1是本发明的用于超临界二氧化碳表面传热系数测量的实验装置示意图。

图中：1、二氧化碳气源；2、气体缓冲罐；3、气体增压泵；4、加热系统；5、压力计；6、二氧化碳进口测量温度计；7、测量管线段内管；8、第一测量管线段内管外壁温度计；9、第二测量管线段内管外壁温度计；10、第三测量管线段内管外壁温度计；11、二氧化碳出口测量温度计；12、冷却装置；13、气体循环泵；14、水罐；15、循环水泵；16、电磁流量计；17、水进口测量温度计；18、测量管线段外管；19、水出口测量温度计。

具体实施方式

如图1所示，用于超临界二氧化碳表面传热系数测量的实验装置，包括：超临界二氧化碳循环系统和注入水循环系统。超临界二氧化碳循环系统为二氧化碳提供高温高压下闭合的循环回路；注入水循环系统用于实现超临界二氧化碳在测量管线段内管中进行热交换。

超临界二氧化碳循环系统，包括二氧化碳气源1、气体缓冲罐2、气体增压泵3、加热系统4、测量管线段内管7、冷却装置12和气体循环泵13；气体缓冲罐2、气体增压泵3、加热系统4、测量管线段内管7、冷却装置12和气体循环泵13依次通过管线连接成密闭环路，二氧化碳由气体缓冲罐2向气体增压泵3循环流动；二氧化碳气源1与气体缓冲罐2相连。在密闭环路中，所有部件和管路均耐压60MPa，温度上限为500K，可实现超临界二氧化碳在高温高压下表面传热系数的实验测量。二氧化碳气源1提供实验所需的二氧化碳，气体缓冲罐2用于储存高压的二氧化碳气体，气体增压泵3为二氧化碳增压以满足实验压力要求，加热系统4对二氧化碳加热以达到实验温度要求，测量管线段内管7为超临界二氧化碳流动提供流动通道，冷却装置12为超临界二氧化碳冷却降温，以满足下一次实验条件要求，气体循环泵13为二氧化碳提供闭合循环所需的动力。测量段管线内管7为内径8mm、壁厚2mm、长度5m的铜管。

加热系统4和测量管线段内管7之间的连接管线上安装有压力计5、二氧化碳进口测量温度计6，压力计5位于加热系统4和二氧化碳进口测量温度计6之间，并且二氧化碳进口测量温度计6靠近测量管线段内管7；测量管线段内管7上等间距安装有第一测量管线段内管外壁温度计8、第二测量管线段内管外壁温度计9、第三测量管线段内管外壁温度计10，测量管线段内管7、冷却装置12之间的连接管线上安装有二氧化碳出口测量温度计11，且二氧化碳出口测量温度计11靠近测量管线段内管7设置。压力计5实时观测实验管路压力，二氧化碳进口测量温度计6测量二氧化碳在测量管线段内管7进口处温度，第一测量管线段内管外壁温度计8、第二测量管线段内管外壁温度计9、第三测量管线段内管外壁温度计10测量所处位置的内管外壁温度，二氧化碳出口测量温度计11测量二氧化碳在测量管线段内管7出口处的温度。

注入水循环系统，包括水罐14、循环水泵15、电磁流量计16、测量管线段外管18；水罐14、循环水泵15、电磁流量计16、测量管线段外管18通过管线依次连接，形成闭合的循环回路；水由水罐14向循环水泵15循环流动。测量管线段外管18进口处安装水进口测量温度计17，测量管线段外管18出口处安装水出口测量温度计19。水罐14用于提供实验所用的水，循环水泵15为水提供闭合循环所需的动力，电磁流量计16测量水循环管路中水的质量流量，水进口测量温度计17测量水在测量管线段进口处温度，水出口测量温度计19测量水在测量管线段出口处温度。测量管线段外管18为内径16mm、壁厚1mm、长度4.6m的铜管。

测量管线段内管7嵌套于测量管线段外管18之中，测量管线段内管7的两端分别预留0.2m的流动稳定段，水在测量管线段外管18、测量管线段内管7之间的环空内相对于超临界二氧化碳闭合循环回路反向流动。

本发明进行超临界二氧化碳表面传热系数测量实验时，二氧化碳气源1内的二氧化碳通过气体增压泵3增压以及加热系统4加热达到超临界状态，通过调节气体增压泵3和加热系统4，达到预期的压力和温度条件，打开气体循环泵13开始循环，同时注入水系统也开始反向循环，待流动参数稳定后，开始进行超临界二氧化碳表面传热系数的测定，具体方法如下：

(1)、开启实验设备，建立循环，稳定2min；

(2)、读取二氧化碳进口测量温度计6的温度T_bi、二氧化碳出口测量温度计11的温度T_bo，计算得到超临界二氧化碳在测量管线段内管7中的平均温度：

$T_b=\frac{T_{\mathrm{bi}}+T_{\mathrm{bo}}}{2}---\left(1\right)$

式中，T_b为超临界二氧化碳在测量管线段内管7中的平均温度，K；T_bi为超临界二氧化碳在测量管线段内管7进口处的温度；T_bo为超临界二氧化碳在测量管线段内管7出口处的温度，K。

(3)、读取第一测量管线段内管外壁温度计8的温度T₁、第二测量管线段内管外壁温度计9的温度T₂、第三测量管线段内管外壁温度计10的温度T₃，计算得到测量管线段内管7外壁的平均温度：

$T_{\mathrm{wo}}=\frac{T_1+T_2+T_3}{3}---\left(2\right)$

式中，T_wo为测量管线段内管7外壁的平均温度，K；T₁、T₂、T₃分别为第一测量管线段内管外壁温度、第二测量管线段内管外壁温度、第三测量管线段内管外壁温度，K。

(4)、读取电磁流量计16、水进口测量温度计17、水出口测量温度计19的读数，计算得到水热通量：

$q_w=\frac{m_w\·C_{\mathrm{pw}}\·(T_{\mathrm{wout}}-T_{\mathrm{win}})}{\mathrm{\π}{D}_{i}L}---\left(3\right)$

式中，q_w为水热通量，J/m²；m_w为水的质量流量，kg/s；C_pw为水的定压比热，取4186J/(kg·K)；T_win为水进口温度，K；T_wout为水出口温度，K；D_i为测量管线段内管内径，m；L为测量管线段外管长度，m。

(5)、由测量管线段内管7外壁的平均温度，计算得到测量管线段内管7内壁的平均温度：

$T_{\mathrm{wi}}=T_{\mathrm{wo}}+\frac{D_i}{2\mathrm{\λ}}\ln \left(\frac{D_o}{D_i}\right)q_w---\left(4\right)$

式中，T_wi为测量管线段内管7内壁的平均温度，K；T_wo为测量管线段内管7外壁的平均温度，K；D_o为测量管线段内管外径，m；D_i为测量管线段内管内径，m；q_w为水热通量，J/m²；λ为测量管线段内管的导热系数（《数值传热学》中可查得），w/(m·k)。

(6)、计算得到超临界二氧化碳的表面传热系数：

$h=\frac{q_w}{T_b-T_{\mathrm{wi}}}---\left(5\right)$

式中，h为超临界二氧化碳的表面传热系数，W/(m²·K)；q_w为水热通量，J/m²；T_b为超临界二氧化碳在测量管线段内管7中的平均温度，K；T_wi为测量管线段内管7内壁的平均温度，K。

同时，本发明可以研究不同温压下的超临界二氧化碳对流传热情况，从而研究超临界二氧化碳的传热机理，为超临界二氧化碳钻完井工程设计和理论研究提供实验基础。

Claims (10)

1.一种用于超临界二氧化碳表面传热系数测量的实验装置，包括：超临界二氧化碳循环系统和注入水循环系统，其特征在于：超临界二氧化碳循环系统具有测量管线段内管，注入水循环系统具有测量管线段外管，测量管线段内管嵌套于测量管线段外管之中；水在测量管线段外管、测量管线段内管之间的环空内流动；超临界二氧化碳循环系统为二氧化碳提供高温高压下闭合的循环回路；注入水循环系统用于实现超临界二氧化碳在测量管线段内管中进行热交换。

2.根据权利要求1所述的用于超临界二氧化碳表面传热系数测量的实验装置，其特征在于，超临界二氧化碳循环系统，包括二氧化碳气源、气体缓冲罐、气体增压泵、加热系统、测量管线段内管、冷却装置和气体循环泵；气体缓冲罐、气体增压泵、加热系统、测量管线段内管、冷却装置和气体循环泵依次通过管线连接成密闭环路，二氧化碳由气体缓冲罐向气体增压泵循环流动；二氧化碳气源与气体缓冲罐相连。

3.根据权利要求1-2所述的用于超临界二氧化碳表面传热系数测量的实验装置，其特征在于，加热系统和测量管线段内管之间的连接管线上安装有压力计、二氧化碳进口测量温度计，压力计位于加热系统和二氧化碳进口测量温度计之间，并且二氧化碳进口测量温度计靠近测量管线段内管；测量管线段内管上等间距安装有第一测量管线段内管外壁温度计、第二测量管线段内管外壁温度计、第三测量管线段内管外壁温度计，测量管线段内管、冷却装置之间的连接管线上安装有二氧化碳出口测量温度计，且二氧化碳出口测量温度计靠近测量管线段内管设置。

4.根据权利要求1-3所述的用于超临界二氧化碳表面传热系数测量的实验装置，其特征在于，注入水循环系统，包括水罐、循环水泵、电磁流量计、测量管线段外管；水罐、循环水泵、电磁流量计、测量管线段外管通过管线依次连接，形成闭合的循环回路；水由水罐向循环水泵循环流动，测量管线段外管进口处安装水进口测量温度计，测量管线段外管出口处安装水出口测量温度计。

5.根据权利要求1-3所述的用于超临界二氧化碳表面传热系数测量的实验装置，其特征在于，测量段管线内管为内径8mm、壁厚2mm、长度5m的铜管，测量管线段外管为内径16mm、壁厚1mm、长度4.6m的铜管。

6.根据权利要求1-5所述的用于超临界二氧化碳表面传热系数测量的实验装置，其特征在于，测量管线段内管嵌套于测量管线段外管之中，测量管线段内管的两端分别预留0.2m的流动稳定段，水在测量管线段外管、测量管线段内管之间的环空内相对于超临界二氧化碳闭合循环回路反向流动。

7.根据权利要求1-6所述的用于超临界二氧化碳表面传热系数测量的实验装置，其特征在于，在超临界二氧化碳循环系统的密闭环路中，所有部件和管路均耐压60MPa，温度上限为500K。

8.用于超临界二氧化碳表面传热系数测量的实验方法，采用权利要求1-7的实验装置，其特征在于，进行超临界二氧化碳表面传热系数测量实验时，二氧化碳气源内的二氧化碳通过气体增压泵增压以及加热系统加热达到超临界状态，通过调节气体增压泵和加热系统，达到预期的压力和温度条件，打开气体循环泵开始循环，同时注入水系统也开始反向循环，待流动参数稳定后，开始进行超临界二氧化碳表面传热系数的测定。

9.根据权利要求8所述的用于超临界二氧化碳表面传热系数测量的实验方法，其特征在于，具体方法如下：

(1)、开启实验设备，建立循环；

(2)、读取二氧化碳进口测量温度计的温度、二氧化碳出口测量温度计的温度，计算得到超临界二氧化碳在测量管线段内管中的平均温度：

$T_b=\frac{T_{\mathrm{bi}}+T_{\mathrm{bo}}}{2}$

式中，T_b为超临界二氧化碳在测量管线段内管中的平均温度，K；T_bi为超临界二氧化碳在测量管线段内管进口处的温度；T_bo为超临界二氧化碳在测量管线段内管7出口处的温度，K；

(3)、读取第一测量管线段内管外壁温度计的温度、第二测量管线段内管外壁温度计的温度、第三测量管线段内管外壁温度计的温度，计算得到测量管线段内管外壁的平均温度：

$T_{\mathrm{wo}}=\frac{T_1+T_2+T_3}{3}$

式中，T_wo为测量管线段内管外壁的平均温度，K；T₁、T₂、T₃分别为第一测量管线段内管外壁温度、第二测量管线段内管外壁温度、第三测量管线段内管外壁温度，K；

(4)、读取电磁流量计、水进口测量温度计、水出口测量温度计的读数，计算得到水热通量：

$q_w=\frac{m_w\·C_{\mathrm{pw}}\·(T_{\mathrm{wout}}-T_{\mathrm{win}})}{\mathrm{\π}{D}_{i}L}$

式中，q_w为水热通量，J/m²；m_w为水的质量流量，kg/s；C_pw为水的定压比热，取4186J/(kg·K)；T_win为水进口温度，K；T_wout为水出口温度，K；D_i为测量管线段内管内径，m；L为测量管线段外管长度，m；

(5)、由测量管线段内管外壁的平均温度，计算得到测量管线段内管内壁的平均温度：

$T_{\mathrm{wi}}=T_{\mathrm{wo}}+\frac{D_i}{2\mathrm{\λ}}\ln \left(\frac{D_o}{D_i}\right)q_w$

式中，T_wi为测量管线段内管内壁的平均温度，K；T_wo为测量管线段内管外壁的平均温度，K；D_o为测量管线段内管外径，m；D_i为测量管线段内管内径，m；q_w为水热通量，J/m²；λ为测量管线段内管的导热系数，w/(m·k)；

(6)、计算得到超临界二氧化碳的表面传热系数：

$h=\frac{q_w}{T_b-T_{\mathrm{wi}}}$

式中，h为超临界二氧化碳的表面传热系数，W/(m²·K)；q_w为水热通量，J/m²；T_b为超临界二氧化碳在测量管线段内管中的平均温度，K；T_wi为测量管线段内管内壁的平均温度，K。

10.根据权利要求8-9所述的用于超临界二氧化碳表面传热系数测量的实验方法，其特征在于，具体方法如下：建立循环后稳定2min。

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