CN105545269A - 一种注入系统的热量补偿装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种注入系统的热量补偿装置,属于三维热采物理模型领域,为解决现有模型的注入系统热量损失等问题而设计。该注入系统的热量补偿装置的注入管线一端通过釜壁的管道伸入至釜体内腔,在注入管线外壁上且自注入管线伸入釜壁的一端起至注入管线位于釜体的外侧处缠绕有加热丝,加热丝外接电压,对应注入的不同温度的蒸汽接入相应的电压值。本发明的注入管线在伸入釜壁的部分设置加热丝,避免了蒸汽在穿行釜壁时由于温度和干度降低,导致流入釜内蒸汽的热量损失的问题,能够精确控制蒸汽进入釜内的温度和干度为设定的实验温度和实验干度。

Description

一种注入系统的热量补偿装置
技术领域
本发明涉及三维热采物理模型领域,尤其涉及一种三维热采物理模型注入系统的热量补偿装置。
背景技术
稠油热采三维物理模型的主要功能是依据油藏原型和相似准则考察稠油油藏注蒸汽开发的效果以及蒸汽在油层中的渗流规律,研究不同稠油油藏注蒸汽以提高采收率的宏观机理。
稠油热采三维物理模型装置主要包括模型本体、注入系统、测控系统和产出系统等。其中注入系统是利用蒸汽发生器向模型本体(釜体)内注入用于开采稠油的热蒸汽。自蒸汽发生器产生的热蒸汽流入模型本体过程中会发生不可预估的热量损失(包括温度损失和/或干度损失),导致注入模型本体中的热蒸汽温度和干度不能达到设定的实验温度和实验干度。
为解决热蒸汽的热量损失问题,现有的注入系统采用如下两种方式:
一、在模型的釜体上包覆加热套或保温套或者釜体置于恒温箱中,改善模型釜体温度从而减少注入蒸汽流温度的降低。该方式虽可改善蒸汽流经釜体时所产生的热量的降低,但同时会对釜体内部温度产生影响,改变了模型模拟环境条件。
二、在注入管道上包覆加热带实现对进入釜体前蒸汽的加热。但是由于三维热采物理模拟经常要涉及到高温高压条件,因此模型的釜体通常是由强度很高的金属制成,具有很强的导热性能且具有一定的厚度。因此该方法只能够确保液体或者气体在进入釜体之前的热量,而不能改善模型釜体对注入蒸汽的热量传导散热现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够补偿蒸汽在穿行釜壁时热量损失的注入系统的热量补偿装置。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
本发明提供了一种注入系统的热量补偿装置,包括釜体和注入管线,所述釜体包括釜壁和釜体内腔,所述注入管线一端通过釜壁的管道伸入至釜体内腔,在所述注入管线外壁上且自注入管线伸入釜壁的一端起至注入管线位于釜体的外侧处缠绕有加热丝,所述加热丝外接电压,对应注入的不同温度的蒸汽接入相应的电压值以补偿蒸汽在穿行釜壁时的热量损失。
进一步的技术方案是,所述热量补偿装置还包括有密封管,所述密封管的本体部分穿设于釜壁的管道和加热丝之间,所述本体部分的外壁与釜壁的管道内壁密封连接,所述注入管线固设在密封管内部。
进一步的技术方案是,所述密封管的主体部分的外壁设有NPT密封螺纹。
进一步技术方案是,在所述注入管线和密封管之间填充保温绝缘材料,所述保温绝缘材料包覆于加热丝的外侧。
进一步的技术方案是,所述密封管还包括与主体部分相连接的管端,所述管端位于釜体的外部。
进一步的技术方案是,所述注入管线与密封管的两端通过焊接连接。
进一步的技术方案是,在所述釜壁的一侧螺纹连接有模拟井,所述注入管线伸入釜体内腔的一端位于所述模拟井的内部,所述模拟井的环壁设置有射孔。
进一步的技术方案是,所述注入系统的热量补偿装置还包括设置在所述釜壁的管道内部且靠近釜体内腔一端的卡箍,所述卡箍设有用于穿设注入管线的中心孔。
进一步的技术方案是,所述注入管线伸出釜壁的一端通过卡套和压帽与蒸汽发生器连接。
本发明的有益效果为:
本发明的注入管线在伸入釜壁的部分设置加热丝,避免了蒸汽流在穿行釜壁时由于温度和干度降低,导致流入釜内蒸汽的热量损失的问题,能够精确控制蒸汽进入釜体腔室的温度和干度为设定的实验温度和实验干度。
附图说明
图1为本发明优选实施例1提供的注入系统的热量补偿装置与釜壁的装配示意图;
图2为本发明优选实施例1提供的注入系统的热量补偿装置的结构示意图;
图3为本发明优选实施例1提供的注入系统的热量补偿装置的原理图。
图中:
1、釜壁;2、注入管线;3、加热丝;4、密封管;5、NPT密封螺纹;6、保温绝缘材料;7、卡套;8、压帽;9、模拟井;10、射孔;11、卡箍;41、主体部分;42、管端。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
优选实施例1
本实施例提供了一种注入系统的热量补偿装置,尤其是用于三维热采物理模型的注入系统的热量补偿装置。
如图1和图2所示,包括釜体和注入管线2,釜体包括釜壁1和釜体内腔,所述注入管线2的一端通过釜壁1的管道伸入至釜体内腔中,在所述注入管线2的外壁上且自注入管线2伸入釜壁1的一端起至注入管线2位于釜体外侧处缠绕有加热丝3,优选的,加热丝3为电热丝。所述加热丝3外接电压,对应注入的不同温度的蒸汽接入相应的电压值以补偿蒸汽在穿行釜壁时1的热量损失。
本实施例的注入管线2穿设在釜壁1管道内的部分处或者穿设在釜壁1管道内的部分处和伸出釜壁1设定长度的管壁上缠绕有加热丝3,避免了蒸汽流在穿行釜壁1时由于温度和干度降低,导致流入釜内蒸汽的热量损失的问题,本实施例的注入系统的热量补偿装置能够根据注入蒸汽温度,精确计算出需要接入加热丝的电压值,以补偿蒸汽在穿行釜壁1时的热量损失,使其进入釜体腔室的温度和干度均为实验设定温度和实验设定干度。
为了避免加热丝3直接与釜壁1接触将热量传递给釜体,影响釜体内部温度,热量补偿装置还包括有密封管4,密封管4的本体部分穿设于釜壁1的管道和加热丝3之间,注入管线2固设在密封管4内部。注入管线2与密封管4的两端通过焊接连接。
进一步的,为了防止加热丝3的热量向密封管4和釜体扩散,在注入管线2和密封管4之间填充保温绝缘材料6,保温绝缘材料6包覆于加热丝3的外侧。
为了防止注入管线2内蒸汽流自密封管4和釜壁1的管道之间的缝隙流出,本体部分的外壁与釜壁1的管道内壁密封连接。优选的,密封管4的主体部分41的外壁设有NPT密封螺纹5,本体部分的外壁与釜壁1的管道内壁通过NPT密封螺纹5密封。优选的,螺纹为NPT-3/8牙结构。
密封管4还包括与主体部分41相连接的管端42,管端42位于釜体的外部。管端42为六角结构,便于拧紧工具将密封管4主体部分41装配到釜壁1的管道内。密封管4的管端42和主体部分41为一体成型结构,注入管线2伸出釜壁1的一端可穿过主体部分41和管端42的中心孔与外部注入管道相连通。具体的,注入管线2伸出釜壁1的一端通过卡套7和压帽8与外部注入管道连接。
在所述釜壁1的管道靠近所述釜体内腔的一侧螺纹连接有模拟井9,所述注入管线2伸入釜体内腔的一端位于所述模拟井9的内部,所述模拟井9的环壁设置有射孔10。注入管线5中的蒸汽通过模拟井9的射孔喷射到釜体内腔中。
所述注入系统的热量补偿装置还包括设置在所述釜壁1的管道内部且靠近釜体内腔一端的卡箍11,所述卡箍11设有用于穿设注入管线的中心孔。所述卡箍11外壁与釜壁1管道的外壁固定且密封连接,注入系统以及注入系统的热量补偿装置装配至釜壁1管道时,注入管线2穿过卡箍11的中心孔伸入釜体内腔。卡箍11对注入系统的热量补偿装置起到良好衔接密封的作用。
为测试注入系统热量补偿装的适用性,分析其对注入蒸汽(流体)温度和干度的补偿作用,分别在室内条件和高温高压下进行了试验,实验条件和实验结构如下:
室温常压试验中,连接好实验装置并检查气密性后,通过蒸汽发生器注入热水,设置蒸汽发生器出口端的温度为36℃。管线沿程包覆加热带,加热带的温度通过温控仪设置为36℃,设置热量补偿装置的加热温度为100℃。试验结果显示,热量补偿装置出口端蒸汽的温度达到100℃,说明热量补偿装置在常温常压下能够有效的提高流体的温度,有效补偿流体的热量。
高温高压试验中,在热量补偿装置出口端设置5MPa回压并检查装置气密性。通过蒸汽发生器注入蒸汽,设置蒸汽发生器出口端的温度为265℃,干度为0.8。管线沿程包覆加热带,加热带的温度通过温控仪设置为265℃。分别测试热量补偿装置不接电源和接电源时出口端蒸汽的温度和干度。通过式(11)计算可知,要保证热量补偿装置出口端蒸汽的热量(包括蒸汽温度和干度),那么变压器的电压应控制为24V。因此在接电时,设置热量补偿装置的温度为265℃,电压为24V。试验结果显示,热量补偿装置不接电时,出口端蒸汽温度降为250℃左右,但是干度降幅很大。说明该热量补偿装置有良好的保温性能,但是在不接通电源时不能进行热量补偿。接电之后,出口端温度为270℃,干度为0.8,蒸汽的热量没有损失。试验结果表明,该装置能起到了良好的热量补偿作用,并很好的验证了该装置进行热量补偿的原理。
附:热量补偿装置对注入蒸汽进行热量补偿的原理
(一)蒸汽在注汽管中的热量损失
蒸汽注入过程中热量损失主要来自于蒸汽在注汽管中流动时通过保温层(保温绝缘材料构成的保温层)向釜壁的散失。
假设蒸汽从管线中向釜壁的传热为一维径向稳定传热,根据图3所示,则由稳态传热理论可得单位长度管线单位时间的热量损失为:
dql=2πrinsUtl(Ts-Ti)dl(1)
式中,
dql—单位时间单位长度管线中的热损失,J/(cm·s);
ri—注汽管内径,cm;
ro—注汽管外径,cm;
rins—隔热层外径,cm;
Ts—蒸汽温度,℃;
Ti—釜壁温度,℃;
dl—管线单位长度,cm;
Utl—单位长度管线上的总传热系数,J/(cm·s·℃)
稳定传热中,忽略摩擦的影响,则总传热系数(以绝热层外径为基础)可表示为:
U t l = [ r i n s ln r i n s r o λ i n s + 1 h f ] - 1 - - - ( 2 )
式中
λins—保温材料导热系数,J/(cm·s·℃)
hf—保温层外表面与釜壁的对流换热系数,J/(cm·s·℃)。
所以长度为L的注入管线中,单位时间损失的热量为:
q l = 2 πr i n s [ r i n s ln r i n s r o λ i n s + 1 h f ] - 1 ( T s - T a ) L - - - ( 3 )
那么Δt时间内蒸汽的热损失为:
Q l = 2 πr i n s [ r i n s ln r i n s r o λ i n s + 1 h f ] - 1 ( T s - T a ) L Δ t - - - ( 4 )
Ql也是Δt时间内加热棒需要对蒸汽补偿的热量。
(二)热量补偿装置补偿的热量
热量补偿装置的功率
P = U 2 R - - - ( 5 )
其中,P为加热棒的功率,W;R为加热棒的电阻,Ω。
电阻可按如下公式计算:
R = ρ l S - - - ( 6 )
式中,ρ为加热丝的电阻率,Ω·cm;l为加热丝长度,cm;S为加热丝截面积,cm2
所以热量补偿装置的功率可以写成:
P = U 2 · S ρ l - - - ( 7 )
Δt时间内热量补偿装置产生的热量为
Q c = P · Δ t = U 2 · S ρ l · Δ t - - - ( 8 )
假设Δt时间内热量补偿装置产生的热量与蒸汽在注汽管中损失的热量相等,则有
Qc=Ql(9)
U 2 · S ρ l · Δ t = 2 πr i n s [ r i n s l n r i n s r o λ i n s + 1 h f ] - 1 ( T s - T i ) L Δ t - - - ( 10 )
所以
U = 2 πr i n s [ r i n s ln r i n s r o λ i n s + 1 h f ] - 1 ( T s - T i ) L · ρ l S - - - ( 11 )
式中,ρ、l、S、rins、λins、hf、L、Ti等均为已知。通过上式可知,设置一个蒸汽温度Ts,就对应一个电压U。换言之,通过调节加在热量补偿装置上的电压,就可以补偿对应蒸汽温度下蒸汽损失的热量。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理,而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释,本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式,这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种注入系统的热量补偿装置,包括釜体和注入管线(2),所述釜体包括釜壁(1)和釜体内腔,其特征在于:所述注入管线(2)的一端通过釜壁(1)的管道伸入至釜体内腔中,在所述注入管线(2)的外壁上且自注入管线(2)伸入釜壁(1)的一端起至注入管线(2)位于釜体外侧处缠绕有加热丝(3),所述加热丝(3)外接电压,对应注入的不同温度的蒸汽接入相应的电压值以补偿蒸汽在穿行釜壁(1)时的热量损失。
2.根据权利要求1所述的注入系统的热量补偿装置,其特征在于:所述热量补偿装置还包括有密封管(4),所述密封管(4)的本体部分穿设于釜壁(1)的管道和加热丝(2)之间,所述本体部分的外壁与釜壁(1)的管道内壁密封连接,所述注入管线(2)固设在密封管(4)内部。
3.根据权利要求2所述的注入系统的热量补偿装置,其特征在于:所述密封管(4)的主体部分(41)的外壁设有NPT密封螺纹(5)。
4.根据权利要求2或3所述的注入系统的热量补偿装置,其特征在于:在所述注入管线(2)和密封管(4)之间填充保温绝缘材料(6),所述保温绝缘材料(6)包覆于加热丝(3)的外侧。
5.根据权利要求2或3所述的注入系统的热量补偿装置,其特征在于:所述密封管(4)还包括与主体部分(41)相连接的管端(42),所述管端(42)位于釜体的外部。
6.根据权利要求2或3所述的注入系统的热量补偿装置,其特征在于:所述注入管线(2)与密封管(4)的两端通过焊接连接。
7.根据权利要求1所述的注入系统的热量补偿装置,其特征在于:所述釜壁(1)的一侧螺纹连接有模拟井(9),所述注入管线(2)伸入釜体内腔的一端位于所述模拟井(9)的内部,所述模拟井(9)的环壁设置有射孔(10)。
8.根据权利要求1所述的注入系统的热量补偿装置,其特征在于:所述注入系统的热量补偿装置还包括设置在所述釜壁(1)的管道内部且靠近釜体内腔一端的卡箍(11),所述卡箍(11)设有用于穿设所述注入管线(2)的中心孔。
9.根据权利要求1所述的注入系统的热量补偿装置,其特征在于:所述注入管线(2)伸出釜壁(1)的一端通过卡套(7)和压帽(8)与蒸汽发生器连接。
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