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将重力热管高效导热原理应用到非常规原油生产井的井筒举升系统中,利用地层流体自身能量改善近井口井筒内原油的流动性,是维持强热敏性原油正常生产、提高产量的一项新型节能技术。作为这项技术的基础理论,连续流场中重力热管传热理论在石油开采领域的研究和应用具有非常重要的现实意义。此前重力热管传热与井筒传热是两个相互独立的研究方向,连续流场中重力热管传热理论的研究是一个前瞻性的、尚无人涉足的研究领域。
首先,建立了井筒连续流场中重力热管传热物理模拟系统,验证了该系统可以有效模拟内置热管的双环空逆流流动的换热过程,为井筒流体连续流场中重力热管传热实验研究奠定了物质基础。通过热管及冷热流体间的换热模拟实验,研究了连续流场中重力热管管壁及外流场温度分布特征,阐述了重力热管在连续流场中均衡流场温度的作用原理。研究表明,内置重力热管的连续流场受热管的等温特性作用温场分布发生明显改变,作用后的流体温场出现高温区、低温区温度整体展平趋势。
其次,以热管壁等温性、均衡流场温度及提高流体出口温度幅度为评价指标,通过实验手段,系统研究了内置重力热管连续流场系统温度分布影响因素。其中,工质是支撑热管工作的基础,工质的沸点和潜热是决定纯工质热管适应流场条件的决定因素。最佳体积比为1:1的双组分混合工质热管适应于不同热流量的中温流场。工质充填量影响连续流场中重力热管传热特性和传热极限,影响程度及最佳充液量范围受热流体源温度和流量制约。热管作用与流场条件具有较强的依存性,热流体源温度和流量是影响连续温场中重力热管平衡流体温场的主要因素之一,热管均温作用程度随热源温度和热流量变化而不同。冷流体流量直接影响热流体进出口温差,间接影响热管作用效果,一定条件下的内置热管的连续流场中冷流体循环量存在合理范围。
最后,基于实验结果,结合传热理论分析,建立了连续温场中重力热管吸热段和放热段平均换热系数实验关联式模型。将该模型引入井筒温场计算之中,建立了重力热管井井筒流体温度分布计算数学模型和数值模型,编制了相应的计算软件。应用热管井井筒温度计算模型分析了工质类型、产出液流量、含水率和热管下入深度等热管参数及井筒流体参数对井筒流体温度分布的影响,确定了井筒流场中重力热管作用的影响因素、合理参数范围和限制条件。