理工類畢業(yè)設(shè)計(jì)論文范例

1、.wd遼寧石油化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 GraduationProject (Thesis) for Undergraduate of LSHU題題 目目T TI IT TL LE E學(xué) 院School專業(yè)班級(jí)Major&Class姓 名Name指導(dǎo)教師Supervisor20 年 月 日論文獨(dú)創(chuàng)性聲明論文獨(dú)創(chuàng)性聲明本人所呈交的論文，是在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)展研究和開發(fā)工作所取得的成果。除文中已特別加以注明引用的內(nèi)容外，論文中不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對(duì)本文的工作做出重要奉獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明并致謝。本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。.wd特此聲

2、明。論文作者簽名： 年 月 日.wd摘 要針對(duì)稠油熱采過程中注入大量高溫蒸汽而造成井筒局部熱損失難以控制的問題，從熱工角度初步分析了高溫蒸汽在井筒局部的傳熱過程，建設(shè)了井筒及周圍地層局部的二維、瞬態(tài)傳熱數(shù)學(xué)模型，根據(jù)所求得的溫度場(chǎng)以及定量熱損失經(jīng)歷公式，探討了隔熱油管視導(dǎo)熱系數(shù)和蒸汽溫度對(duì)單位長(zhǎng)度井筒熱損失的影響。研究說明：井筒單位長(zhǎng)度熱損失隨著隔熱油管視導(dǎo)熱系數(shù)和蒸汽溫度的增加而增加，且隔熱油管視導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)井筒單位長(zhǎng)度熱損失的影響更大。高溫高壓蒸汽流經(jīng)井筒段后進(jìn)入油層段，蒸汽通過射孔進(jìn)入油層，并與油層進(jìn)展傳質(zhì)傳熱，從而形成油層熱影響區(qū)域。本文利用有限元分析軟件 ANSYS，對(duì)遼河某熱采井建設(shè)

3、了井筒、地層和油層局部的二維、非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并模擬分析了油層和周圍地層溫度場(chǎng)，在此根基之上探討了注汽時(shí)間對(duì)油層熱影響區(qū)域的影響。研究說明：油層熱影響區(qū)域先隨著注汽時(shí)間的增大而增大，而后 基本不變，且注汽時(shí)間在 35 天最正確。關(guān)鍵詞：視導(dǎo)熱系數(shù)；注汽溫度；熱損失；熱影響區(qū)域；ANSYS.wdAbstractAbstractFor the purpose of reducing the heat loss in the mineshaft during the steam injection process, a two dimension, unsteady state heat trans

4、fer model of the mineshaft and surrounding soil was established and then the temperature field was obtained. Base the Heat loss experience formula, the apparent heat conductivity and steam temperature to heat loss per length of the mineshaft influence were discussed. The results shown that the heat

5、loss per length of the mineshaft increased with the apparent heat conductivity and steam temperature increase, furthermore, the apparent heat conductivity affected larger than that of steam temperature.High temperature and high pressure steam flows through the wellbore segment backward, such as the

6、reservoir section, the steam through the perforation into the reservoir, and reservoir mass and heat transfer, and thus the formation of a reservoir heat-affected zone is build. Using the finite element analysis software ANSYS, a thermal recovery wellbore, formation and reservoir part of the two non

7、-steady-state mathematical model of Liaohe was build, and simulation Analysis of the temperature field of the reservoir and surrounding strata was made, and the relationship between the time of steam injection and the reservoir heat-affected zone was discussed. The studies have shown that: at first,

8、reservoir heat-affected regionincreased with the increase of the steam injection time, and then kept install, the time of steam injection in 3 to 5 days was the best.KeywordsKeywords: Thermalconductivity; Steamtemperature; Heat loss; Heat affected zone;ANSYS.wd目錄1 1 緒論緒論 1 11.1 目的意義 11.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 21

9、.2.1 井筒熱損失的研究 21.2.2 油層熱影響區(qū)域的研究 31.3 本文的研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn) 41.3.1 研究?jī)?nèi)容 41.3.2 創(chuàng)新點(diǎn) 52 2 研究方法研究方法 6 62.1 有限元分析法簡(jiǎn)介 62.2 ANSYS 簡(jiǎn)介 62.2.1 ANSYS 開展過程 72.2.2 ANSYS 技術(shù)特點(diǎn) 72.2.3 ANSYS 使用環(huán)境 82.2.4 ANSYS 程序功能 82.2.5 ANSYS 熱分析概述 92.2.6 ANSYS 求解步驟 93 3 井筒熱損失井筒熱損失 11113.1 問題描述 113.2 數(shù)學(xué)模型的建設(shè) 113.2.1 能量平衡方程 113.2.2 連續(xù)介質(zhì)的守恒方程

10、 133.2.3 傳熱過程分析 14.wd3.2.4 基本假設(shè) 163.2.5 控制方程 163.2.6 邊界條件 163.3 ANSYS 模擬 163.3.1 建設(shè)有限元模型 163.3.2 施加載荷計(jì)算 173.3.3 求解 183.3.4 后處理 183.4 模擬結(jié)果與分析 183.4.1 隔熱油管視導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)井筒熱損失的影響 183.4.2 注汽溫度對(duì)單位長(zhǎng)度井筒熱損失的影響 204 4 油層熱影響區(qū)域油層熱影響區(qū)域 22224.1 問題描述 224.2 數(shù)學(xué)模型的建設(shè) 224.2.1 連續(xù)介質(zhì)的守恒方程 234.2.2 多孔介質(zhì)的守恒方程 254.2.3 傳熱過程分析 264.2.4

11、 基本假設(shè) 274.2.5 邊界條件 274.3 ANSYS 模擬 274.3.1 建設(shè)有限元模型 274.3.2 施加載荷計(jì)算 284.3.3 求解 294.3.4 后處理 29.wd4.4 模擬結(jié)果與分析 295 5 結(jié)論結(jié)論 3232參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 3333謝辭謝辭 3535.wd1 緒論1.1 目的意義稠油在世界石油資源中儲(chǔ)量豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)，其總量約為 1000108噸，中國(guó)是世界上稠油資源豐富的國(guó)家之一，預(yù)測(cè)資源量約為 198 億噸。稠油由于粘度大，流動(dòng)性差等特點(diǎn)，常規(guī)開采方法并不適用，基于稠油對(duì)溫度的敏感性特點(diǎn)，熱力采油已成為國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)同的開采方法，即向地下油層內(nèi)注入高溫高壓蒸汽

12、，一方面可以提高油層溫度、降低稠油粘度；另一方面可使油層壓力升高、增加驅(qū)油能力。常見的熱力采油方法有“蒸汽吞吐采油和“蒸汽驅(qū)采油兩種方式。 “蒸汽吞吐采油是先向油井注入一定量的蒸汽，燜井一段時(shí)間，待蒸汽的熱能向油層擴(kuò)散后，再開井生產(chǎn)的一種開采稠油的增產(chǎn)方法。蒸汽吞吐作業(yè)的過程分為三個(gè)階段，即注汽、燜井及回采?！罢羝?qū)采油是稠油油藏經(jīng)過蒸汽吞吐采油之后，為進(jìn)一步提高采收率而采取的一項(xiàng)熱采方法，因?yàn)檎羝掏虏捎椭荒懿捎透鱾€(gè)油井附近油層中的原油，在油井與油井之間還留有大量的死油區(qū)。 “蒸汽驅(qū)采油是由注入井連續(xù)不斷地往油層中注入高干度的蒸汽，蒸汽不斷地加熱油層，從而大大降低了地層原油的粘度。注入的蒸汽

13、在地層中變?yōu)闊岬牧黧w，將原油驅(qū)趕到生產(chǎn)井的周圍，并被采到地面上來。在注蒸汽的過程中，由于蒸汽與地層之間存在溫差，蒸汽流動(dòng)過程中又有摩擦阻力，因此注汽過程中存在著能量損失，注汽過程中的能量損失，特別是井筒中的能量損失，直接影響熱采效果。為了有效地減少這局部能量損失，提高熱采效果，需要對(duì)注汽井筒進(jìn)展傳熱分析，進(jìn)而探討隔熱油管視導(dǎo)熱系數(shù)和蒸汽溫度對(duì)單位長(zhǎng)度井筒熱損失的影響，這為熱采過程中熱量的高效、合理利用提供了一定的理論依據(jù)。蒸汽流經(jīng)井筒后進(jìn)入目的層即油層，高溫高壓的蒸汽會(huì)通過射孔與油層進(jìn)展傳質(zhì)傳熱，將熱量釋放給原油，使其溫度升高，粘度降低，同時(shí)增加油層壓力，到達(dá)驅(qū)油效果。但隨著蒸汽與油層熱量交換

14、的進(jìn)展，蒸汽自身溫度降低，逐漸冷凝成液體，阻止熱量繼續(xù)擴(kuò)散，會(huì)形成熱影響區(qū)域。研究油層熱影響區(qū)域?qū)侠泶_定注汽時(shí)間和鉆井位置具有重要指導(dǎo)意.wd義。1.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀1.2.1 井筒熱損失的研究自本世紀(jì)初以來，就有許多研究者致力于井筒熱損失的研究。井筒傳熱研究工作的先驅(qū) Ramey 以能量平衡為根基，忽略了流體流動(dòng)過程中動(dòng)能和摩擦的影響，最先提出了考慮時(shí)間和井深影響時(shí)的井筒液體溫度計(jì)算的理論模型。該模型作為井筒熱損研究的雛型，給出了井筒內(nèi)注入氣體和流體兩種工質(zhì)關(guān)于井深和時(shí)間的溫度解析表達(dá)式，為后來的井筒熱損研究奠定了根基。但該模型中的時(shí)間函數(shù)要求注入流體的時(shí)間不得小于 7 天，所以此模型

15、的精度在時(shí)間小于 7 天的時(shí)候受到限制。另外該模型僅適用于單相流，并在建設(shè)模型過程中假設(shè)井筒流體的物性參數(shù)不隨溫度變化，這與實(shí)際物理過程不相符1。國(guó)內(nèi)外許多研究者在 Ramey 模型的根基上繼續(xù)做了多方面的研究，如 Hasan 和 Kabir 建設(shè)起井筒內(nèi)兩相流模型，改善了 Ramey 模型僅適用于單相流的缺乏，此模型可用于計(jì)算井筒液體溫度的分布26。Pacheco 和 Farouq Ali 以流體流動(dòng)的能量平衡方程為根基，建設(shè)了能同時(shí)計(jì)算蒸汽壓力和蒸汽干度的數(shù)學(xué)模型7。該模型彌補(bǔ)了 Ramey 模型中沒有考慮水泥殼的影響的缺點(diǎn)。另外此模型構(gòu)造形式較復(fù)雜。但它可以用來較準(zhǔn)確地計(jì)算蒸汽物性和熱損

16、失隨深度和時(shí)間的變化。不過此模型還用到了 Ramey 模型中不完善的理論，如地層時(shí)間函數(shù)f ( )的計(jì)算，所以適用精度也受到一定限制。Satter 在使用 Ramey 模型時(shí)，考慮了注汽過程中的蒸汽相變影響，進(jìn)而提出了一種預(yù)測(cè)冷凝流體干度隨深度及時(shí)間變化的計(jì)算方法，模型中提出的關(guān)系式8可用于計(jì)算飽和蒸汽注入時(shí)的井筒熱損失。Squier 等人對(duì)熱水通過井筒注入時(shí)提出了一個(gè)完整的分析方法9；Huygen 和 Huitt10給出了在蒸汽注入期間的井筒熱損失理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)指出輻射熱損失的重要性；Willhite 提出了完整的計(jì)算總傳熱系數(shù)的方法11。Holst和 Flock 以及 Earloug

17、her 總結(jié)前面的一些成果，并考慮了蒸汽壓力的計(jì)算12,13；Eickmeier等人采用有限差分模型計(jì)算注入初期過渡過程特性14。Hasan 等人又對(duì)井筒壓力降和熱損失計(jì)算進(jìn)展了完善。但這些模型對(duì)于目前井筒注汽熱損失的計(jì)算尚有一些缺乏，首先它們?cè)?wd計(jì)算過程中，把某些參數(shù)看作是不隨溫度變化的常量，這與實(shí)際并不完全相符；另外由于隔熱管的開展，上述模型中的總傳熱系數(shù)不能較真實(shí)地反映井筒現(xiàn)在構(gòu)造，給計(jì)算精度的提高帶來困難。我國(guó)對(duì)稠油熱采的相關(guān)研究比較晚。胡智勉、王彌康對(duì)注汽井筒總傳熱系數(shù)的計(jì)算方法提出了一些見解15,16。王彌康在 Ramey 模型的根基上，從傳熱機(jī)理出發(fā)，給出了蒸汽井井筒熱傳遞定

18、量計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，該模型防止了 Ramey 公式僅適用于長(zhǎng)時(shí)間注汽的缺乏，擴(kuò)大了計(jì)算時(shí)間的適用范圍，從而改善了井筒傳熱計(jì)算的精度17。沈惠坊將地面管線與井筒進(jìn)展了綜合考慮，探討了計(jì)算蒸汽壓力降、干度降及熱量損失的計(jì)算模型18。李景勤、陳艷華、王志國(guó)等人建設(shè)了計(jì)算井筒熱損數(shù)學(xué)模型，并提出了熱損合理分布的概念1921。倪學(xué)鋒提出了井筒內(nèi)參數(shù)計(jì)算模型22。劉文章提出了用物理模擬方法確定井筒總傳熱系數(shù)的方法23。1.2.2 油層熱影響區(qū)域的研究1968 年 SpilletteNielsen 通過建設(shè)一個(gè)二維模型，對(duì)油層注冷水和注熱水后溫度分布進(jìn)展了模擬計(jì)算，把流場(chǎng)分布和溫度分布藕合在了一起進(jìn)展迭代24

19、。1970 年?？嗣谞柕热嗽谘芯烤矒Q熱和溫度分布時(shí)，建設(shè)了一套關(guān)于注液和產(chǎn)液期間，液體與井筒周圍地層間熱交換的有限差分模型。計(jì)算中將油管、環(huán)空液、套管、水泥環(huán)及地層情況全部考慮在內(nèi)。該模型可以有效地模擬實(shí)際井筒條件，計(jì)算短時(shí)間和長(zhǎng)時(shí)間注液、產(chǎn)液時(shí)井筒內(nèi)溫度的變化，模型只是基于熱傳導(dǎo)的模式進(jìn)展分析的，沒有考慮注入層的對(duì)流傳熱和井筒中的對(duì)流傳熱。1970 年，Smith，R.C.，Steffensen，R.J.等人提出了利用溫度測(cè)井的計(jì)算機(jī)分析估計(jì)流動(dòng)剖面25。他們通過改變影啊溫度特性的參數(shù)，對(duì)注水井的溫度測(cè)井進(jìn)展了詳細(xì)的研究，研究結(jié)果說明溫度測(cè)井對(duì)地層的熱學(xué)特性以及井眼的幾何形狀具有敏感性:另

20、外，指出了注入水的溫度和小流量的漏失對(duì)溫度測(cè)井的影響，并對(duì)溫度測(cè)井解釋提出了指導(dǎo)性意見。1972 年維脫霍特與梯克薩通過改變注入速率、注入深度和注入時(shí)間，來研究注入期間井下的溫度分布，并對(duì)注入層中的溫度分布進(jìn)展了研究。1973 年 Steffenson.RJ，SmlthR.C.等人提出在油層.wd中，由于流動(dòng)的存在，勢(shì)必發(fā)生熱交換，要計(jì)算井眼的溫度必須確定井筒周圍油藏的大片區(qū)域內(nèi)的溫度分布，并提出了著名的 Joul 一 Thomson 效應(yīng)。1982 年 John Fagley，H.SeottFogler，C.BrentDavenport，R.S.Millhone 等人對(duì)關(guān)井前后井筒的熱傳遞進(jìn)

21、展了數(shù)值模擬26，提出關(guān)井前一段時(shí)間的熱注是一種解釋老井注入剖面的潛在的重要工具。1988 年袁益壯針對(duì)在油藏中水驅(qū)油的流動(dòng)和傳熱問題提出了多孔介質(zhì)中完全可壓縮、可混溶驅(qū)動(dòng)問題的差分方法。1994 年 FredericMaubeuge，MichelP.Didek，MartynB.Beardsen 等人提出了一個(gè)多層注入模型27。1995 年胡耀江等人建設(shè)了水飽和的一維多孔介質(zhì)在一端注入蒸汽后，熱液區(qū)溫度分布的數(shù)學(xué)模型，提出了運(yùn)用拉氏變換及數(shù)值反演求解此問題的計(jì)算方法28。1996 年馮恩民等人在建設(shè)的溫度模型中，除了考慮熱傳導(dǎo)外，特別強(qiáng)調(diào)了水井中與油層內(nèi)傳質(zhì)傳熱，構(gòu)造了關(guān)于導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等參變

22、量的優(yōu)化識(shí)別模型29。還有局部學(xué)者利用解析法求解地層中的溫度分布。1.3 本文的研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)1.3.1 研究?jī)?nèi)容本文研究?jī)?nèi)容主要分為兩個(gè)局部，即井筒熱損失和油層熱影響區(qū)域。A.井筒熱損失利用傳熱學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)等知識(shí)分析隔熱油管內(nèi)管至地層的傳熱過程，建設(shè)連續(xù)介質(zhì)的守恒方程，并建設(shè)數(shù)學(xué)模型；利用有限元軟件 ANSYS 建設(shè)隔熱油管內(nèi)管至地層的有限元模型，并利用其熱分析模塊對(duì)模型進(jìn)展熱分析，求得注汽過程中井筒的溫度場(chǎng)分布云圖；探討注汽溫度和油管視導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)井筒熱損失的影響。B.油層熱影響區(qū)域利用傳熱學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)等知識(shí)分析套管至油層的傳熱過程，建設(shè)連續(xù)介質(zhì)的守恒方程和多孔介質(zhì)的守恒方

23、恒，并建設(shè)數(shù)學(xué)模型；利用有限元軟件 ANSYS 建設(shè)套管至油層的有限元模型，并利用其熱分析模塊對(duì)模型.wd進(jìn)展熱分析，求得不同時(shí)刻油層的溫度場(chǎng)分布云圖；探討注汽時(shí)間與油層熱影響區(qū)域之間的關(guān)系。1.3.2 創(chuàng)新點(diǎn)1在以往的井筒溫度場(chǎng)及熱損失研究中，以數(shù)值解法為主，本文利用有限元軟件ANSYS 的熱分析模塊求得了井筒溫度場(chǎng)分布云圖，并結(jié)合熱損失計(jì)算經(jīng)歷公式，探討了注汽溫度和油管視導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)熱損失的影響。與數(shù)值法相比，本文研究方法可以清楚、直觀地觀察到溫度場(chǎng)的分布情況。2利用有限元軟件 ANSYS 的熱分析模塊模擬分析了油層熱影響區(qū)域，并探討了注汽時(shí)間與油層熱影響區(qū)域之間的關(guān)系。.wd2 研究方法2

24、.1 有限元分析法簡(jiǎn)介有限元法finite element method是一種高效能、常用的計(jì)算方法。有限元法在早期是以變分原理為根基開展起來的，所以它廣泛地應(yīng)用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各類物理場(chǎng)中這類場(chǎng)與泛函的極值問題有著嚴(yán)密的聯(lián)系 。自從 1969 年以來，某些學(xué)者在流體力學(xué)中應(yīng)用加權(quán)余數(shù)法中的迦遼金法Galerkin或最小二乘法等同樣獲得了有限元方程，因而有限元法可應(yīng)用于以任何微分方程所描述的各類物理場(chǎng)中，而不再要求這類物理場(chǎng)和泛函的極值問題有所聯(lián)系。其原理是將連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片的表示求解域上待求的未知場(chǎng)函數(shù)，近似函數(shù)通常由未

25、知場(chǎng)函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)在單元各節(jié)點(diǎn)的數(shù)值插值函數(shù)來表達(dá)。從而使一個(gè)連續(xù)的無(wú)限自由度問題變成離散的有限自由度問題。有限元法作為目前工程中應(yīng)用較為廣泛的一種數(shù)值計(jì)算方法，以其獨(dú)有的計(jì)算優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的開展和應(yīng)用，ANSYS 軟件以其多物理場(chǎng)耦合分析功能而成為 CAE工程設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)輔助工程軟件的應(yīng)用主流，在熱分析工程應(yīng)用中得到了較為廣泛的應(yīng)用。2.2 ANSYS 簡(jiǎn)介ANSYS 程序是融構(gòu)造、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元商用分析軟件，可廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、電子、造船、汽車交通、國(guó)防軍工、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等各個(gè)領(lǐng)域。該軟

26、件可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)中運(yùn)行，從 PC 到工作站直至巨型計(jì)算機(jī)，ANSYS 文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺(tái)上均兼容；該軟件基于 Motif 的菜單系統(tǒng)使用戶能夠通過對(duì)話框、下拉式菜單和子菜單進(jìn)展數(shù)據(jù)輸入和功能選擇，此舉大大方便了用戶操作。它由世界上著名的有限元分析軟件公司美國(guó) ANSYS 公司開發(fā)的，能與多數(shù) CAD 軟件配合使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí) CAD 工具之一。在 ANSYS 公司相繼收購(gòu).wdICEM、CENTURY DYNAMICS、AAVID THERMAL、FLUENT 等世界著名有限元分析程序制造公司并將產(chǎn)品整合之后，ANSYS 實(shí)際上已成為

27、世界上最通用和有效的商用有限元軟件。2.2.1 ANSYS 開展過程ANSYS 公司是由美國(guó)匹茲堡大學(xué)的 John Swanson 博士在 1970 年創(chuàng)立的，其總部位于美國(guó)賓夕法尼亞州的匹茲堡，目前是世界 CAE 行業(yè)最大的公司。自創(chuàng)立以來，ANSYS 公司一直致力于設(shè)計(jì)分析軟件的開發(fā)，不斷吸取新的計(jì)算方法和計(jì)算技術(shù)，領(lǐng)導(dǎo)著世界有限元技術(shù)的開展。ANSYS 程序的最初版本與本文用的版本 ANSYS10.0 相比有很大區(qū)別。最初版本僅僅提供了熱分析和線性分析功能，是一個(gè)批處理程序，而且只能在大型計(jì)算機(jī)上使用。20 世紀(jì)70 年代初，隨著非線性、子構(gòu)造以及更多的單元類型的參加。ANSYS 程序發(fā)

28、生了很大的變化，新技術(shù)的融入進(jìn)一步滿足了用戶的需求。20 世紀(jì) 70 年代末。交互方式的參加是該軟件最為顯著的變化，此舉使得模型生成和結(jié)果評(píng)價(jià)大為簡(jiǎn)化。2.2.2 ANSYS 技術(shù)特點(diǎn)與其他有限元計(jì)算軟件相比，ANSYS 具有以下技術(shù)特征： 能實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)及多場(chǎng)耦合功能。 集前后處理、分析求解及多場(chǎng)分析于一體。 獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)化功能，唯一具有流場(chǎng)優(yōu)化功能的 CFD 軟件。 具有強(qiáng)大的非線性分析功能。 具備快速求解器。 最早采用并行計(jì)算技術(shù)的 FEA 軟件。 支持從微機(jī)、工作站到巨型機(jī)的所有硬件平臺(tái)。 從微機(jī)、工作站、大型機(jī)直至巨型機(jī)，與所有硬件平臺(tái)的全部數(shù)據(jù)文件兼容。 從微機(jī)、工作站、大型機(jī)直至巨型

29、機(jī)，所有硬件平臺(tái)具有統(tǒng)一用戶界面。.wd 可與大多數(shù)的 CAD 軟件集成并具備接口。 可進(jìn)展智能網(wǎng)格劃分。 具有多層次多框架的產(chǎn)品系列。 具備良好的用戶開發(fā)環(huán)境。2.2.3 ANSYS 使用環(huán)境ANSYS 程序是一個(gè)功能強(qiáng)大的有限元計(jì)算分析軟件包。它可運(yùn)行于 PC、NT 工作站、UNIX 工作站以及巨型計(jì)算機(jī)等各類計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)中，其數(shù)據(jù)文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺(tái)上均兼容。該軟件有多種不同版本，本文應(yīng)用版本為 ANSYS10.0 版，其微機(jī)版本要求的操作系統(tǒng)為 Windows95/98/2000/XP，也可運(yùn)行與 UNIX 系統(tǒng)中；微機(jī)版的 基本硬件要求為：顯示分辨率為 1024768

30、 像素，顯示內(nèi)存為 2MB 以上，硬盤大于 350MB，推薦使用 17 英寸顯示器。ANSYS 多物理場(chǎng)耦合的功能，允許在同一模型上進(jìn)展各種耦合計(jì)算，例如：熱-構(gòu)造耦合、熱-電耦合、磁-構(gòu)造耦合以及熱-電-磁-流體耦合，同時(shí)在 PC 上生成的模型可運(yùn)行于工作站及巨型計(jì)算機(jī)上，所有這一切就保證了 ANSYS 用戶對(duì)多領(lǐng)域工程問題的求解。ANSYS 可與多種先進(jìn)的 CAD如 AutoCAD、Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS 等軟件共享數(shù)據(jù)，利用 ANSYS 的數(shù)據(jù)接口，可以準(zhǔn)確地將在 CAD 系統(tǒng)下生成的幾何模型數(shù)據(jù)傳輸?shù)?ANSYS，并通過必要的修補(bǔ)可準(zhǔn)確地在

31、模型上劃分網(wǎng)格并進(jìn)展求解，這樣就可以節(jié)省用戶在創(chuàng)立模型的過程中所花費(fèi)的大量時(shí)間，使用戶的工作效率大幅度提高。2.2.4 ANSYS 程序功能ANSYS 程序主要包括 3 個(gè)局部30：前處理模塊、求解模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；求解模塊包括構(gòu)造分析構(gòu)造線性分析、構(gòu)造非線性分析和構(gòu)造高度非線性分析 、熱分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理.wd介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流顯示、立體切片顯示、透

32、明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。ANSYS 程序提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬實(shí)際工程中的各種構(gòu)造和材料。2.2.5 ANSYS 熱分析概述在實(shí)際生產(chǎn)過程中，常常會(huì)遇到多種多樣的熱量傳遞問題：如計(jì)算某個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布、熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度、熱應(yīng)力、相變等。所涉及的部門包括：能源、化工、冶金、建筑、電子、航空航天、農(nóng)業(yè)、制冷、船舶等。以機(jī)械加工為例，往往需要估算和控制工件溫度場(chǎng)；分析不同工作條件下，不同材料及幾何形狀對(duì)溫度場(chǎng)變化的影響以及防止加工過程工件中缺陷的產(chǎn)生。ANSYS 作為新穎的有限元分析軟件在熱分析問題方面具

33、有強(qiáng)大的功能，而且界面友好，易于掌握。用戶可以隨心所欲地選擇圖形用戶界面方式GUI或命令流方式進(jìn)展計(jì)算。ANSYS 的熱分析模塊一般包括ANSYS/Muliphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED 五種，其中 ANSYS/FLOTRAN 不含相變熱分析。ANSYS 熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計(jì)算物體內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)出其他熱物理參數(shù)。運(yùn)用 ANSYS軟件可進(jìn)展熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射、相變、熱應(yīng)力及接觸熱阻等問題的分析求解。2.2.6 ANSYS 求解步驟ANSYS 求解模型的過程中的主要步

34、驟：定義單元類型及選項(xiàng)，根據(jù)所分析的問題在單元庫(kù)中選擇分析問題的單元類型；定義單元是常數(shù)，單元是常數(shù)是與特定單元有關(guān)的量；定義材料屬性，在材料屬欄中選擇性的輸入熱導(dǎo)率、泊松比、密度等所需參數(shù)；建設(shè)幾何模型；定義網(wǎng)格并劃分參數(shù)；.wd網(wǎng)格劃分以創(chuàng)立的模型。ANSYS 在后處理器中可以查看結(jié)果：顯示等值線；顯示分析結(jié)果數(shù)據(jù)；對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)展計(jì)算和路徑操作；繪制云圖。結(jié)合本文研究?jī)?nèi)容及 ANSYS10.0 軟件的 ANSYS/Thermal 熱分析模塊功能，ANSYS10.0適用于本文研究?jī)?nèi)容。.wd3 井筒熱損失3.1 問題描述以遼河油田某鉆井為研究對(duì)象，注汽時(shí)間T=5d，油套環(huán)空導(dǎo)熱系數(shù)yt為0.

35、023W/mK，套管導(dǎo)熱系數(shù)tg為 43.2 W/mK，水泥環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)cem為 0.81 W/mK，地層導(dǎo)熱系數(shù)cm為 1.745 W/mK，地層熱擴(kuò)散系數(shù)c為 0.027 m2/h，地層初始溫度Tcm=40oC，蒸汽與隔熱油管內(nèi)壁對(duì)流換熱系數(shù)為 10 kw/m2oC。3.2 數(shù)學(xué)模型的建設(shè)隔熱油管內(nèi)管內(nèi)半徑r1為 0.031m，外半徑r2為 0.0365m；隔熱油管外管內(nèi)半徑r3為0.05015m，外半徑r4為 0.05715m；套管內(nèi)半徑r5為 0.0809m，外半徑r6為 0.0889m；水泥環(huán)外半徑r7為 0.1239m；地層半徑r8為 0.2478m，詳見圖 3-1 井筒及周圍地層截

36、面示意圖。圖圖 3-13-1 井筒及其周圍地層截面示意圖井筒及其周圍地層截面示意圖3.2.1 能量平衡方程依據(jù)熱平衡原理，選取井筒內(nèi)的一微元流體單元體為研究對(duì)象，如圖 3-2 所示。r8r7r6r5r2r1r4r3蒸 汽隔熱層環(huán) 空 水泥環(huán)地層 .wd圖圖 3-23-2 流體單元能量平衡模型流體單元能量平衡模型當(dāng)蒸汽縱向流入或流出該單元體的控制面 1、2 時(shí)，攜帶的能量可表示為：3-12 1i ).2(2，iiioigzvhmE式中：蒸汽攜帶的能量，W；iE蒸汽流量，kg/s；om蒸汽焓值，J/kg ；ih蒸汽流速，m/s ；iv 高度，m ；iz重力加速度，9.81m/s2。g該流體單元的能

37、量平衡表達(dá)式為：3-2)2()2(1211022220zgvhmzgvhmQ式中：?jiǎn)挝粫r(shí)間的徑向散熱量，W。Q蒸汽的物性參數(shù)在井筒截面上是不變的，但不同截面處的物性參數(shù)是隨溫度變化的。E1E2123Q.wd由式3-2看出蒸汽沿井筒縱向的焓值在減少，蒸汽的能量是按遞減規(guī)律傳至地層的。3.2.2 連續(xù)介質(zhì)的守恒方程A.井筒內(nèi)流體的能量平衡方程井筒油管內(nèi)高溫蒸汽在注入過程中遵循熱力學(xué)第一規(guī)律，其能量平衡方程為：3-3dzdzzdzzzzzQvgHvgzH2dz)-(z22-dz-z-2式中：、z及z-dz處的焓，kJ；zHdzzH-vz、 vz-dz z及z-dz處的速度，m/h；、z及z-dz處的

38、流體密度，kg/m3 ；zdz-zQdz蒸汽散熱量，kJ 。公式3-3表示包括蒸汽焓、勢(shì)能和動(dòng)能在z處的蒸汽能量與z + dz處的蒸汽能量及蒸汽散熱量的平衡方程。B.井筒內(nèi)流體的連續(xù)性方程高溫蒸汽在油管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，質(zhì)量流量保持不變，因此滿足流體的連續(xù)性方程，即 3-40mvAvAdzzdzzdzzzzz式中：、z及z+dz處的橫截面積，m2；zAdzzAvz、 vz+dz z及z+dz處的速度，m/h；、z及z+dz處的流體密度，kg/m3 。zdzzC.井筒內(nèi)流體的動(dòng)量平衡方程把蒸汽在油管內(nèi)的流動(dòng)看作是兩相流的流動(dòng)，為描述其流動(dòng)特性，通常從兩相流壓力降的研究出發(fā)。管內(nèi)穩(wěn)態(tài)均質(zhì)兩相流滿足動(dòng)量平衡

39、方程，即3-5vdvdzdvfgdzdPmmm-2-12式中：段內(nèi)的壓力降，MPa；dPdz蒸汽密度 kg/m3；m.wd摩阻系數(shù)；f井筒內(nèi)徑，m。1d表示段內(nèi)的勢(shì)能變化， 表示段內(nèi)的摩擦損失，表示段內(nèi)gdzmdzdzvdvmdz的動(dòng)能變化。也就是說管內(nèi)兩相流的壓力降是摩擦損失、勢(shì)能變化和動(dòng)能變化的綜合結(jié)果。D.油管內(nèi)濕蒸汽的焓由于濕蒸汽為汽水兩相混合物，所以它的焓可用一樣溫度或壓力下的飽和水、飽和蒸汽及濕蒸汽的干度來表示，即3-6)-1 (xhxhhlg式中：蒸汽干度；x濕蒸汽的焓，kJ/kg；h飽和蒸汽的焓，kJ/kg；gh飽和水的焓，kJ/kg。lh3.2.3 傳熱過程分析根據(jù)熱力學(xué)31

40、和傳熱學(xué)32知識(shí)對(duì)井筒傳熱進(jìn)展分析，由于水泥環(huán)外側(cè)的地層體積和熱容量比水泥環(huán)內(nèi)側(cè)的井筒大得多，水泥環(huán)與地層交界處的溫度 隨注入時(shí)間的推移緩慢上kt升。表征熱量在地層中擴(kuò)散速率的參數(shù)熱擴(kuò)散系數(shù) 的數(shù)量級(jí)僅為 10-7 2m /s ，因而與未受熱影響的遠(yuǎn)處地層溫度的差值不大；相反，隔熱管內(nèi)蒸汽溫度與的差異較ktcitftkt大，有一個(gè)數(shù)量級(jí)的差異。因而，可以假設(shè)水泥環(huán)內(nèi)側(cè)簡(jiǎn)稱井筒內(nèi)熱量傳遞是穩(wěn)態(tài)的，而水泥層外側(cè)簡(jiǎn)稱地層內(nèi)熱量傳遞那么按非穩(wěn)態(tài)處理。A.井筒內(nèi)穩(wěn)態(tài)傳熱井筒內(nèi)傳熱過程主要包括：蒸汽與隔熱油管內(nèi)壁之間的對(duì)流換熱、隔熱油管多孔隔熱材料中伴有熱輻射的導(dǎo)熱、油套管環(huán)空中對(duì)流、輻射同時(shí)作用的換熱以

41、及套管、水泥環(huán)和地層的導(dǎo)熱等環(huán)節(jié)。dzdvfm122.wd對(duì)于注汽井一微元段dz 的徑向熱損失，可表示為： 3-7)-(22kfttdzkrdQ式中：段內(nèi)井筒的徑向熱損失，W；dQdz隔熱油管外半徑，m；2r以隔熱油管內(nèi)管外外表為基準(zhǔn)面積的總傳熱系數(shù)，W/m2k 。k當(dāng)井筒內(nèi)隔熱管抽真空時(shí)， 可表示為：k3-817654321111RRRRRRRk式中：蒸汽凝結(jié)換熱熱阻；1R隔熱油管熱阻；2R隔熱管內(nèi)隔熱層換熱熱阻；3R環(huán)空輻射換熱熱阻；4R環(huán)空對(duì)流熱熱阻；5R套管壁導(dǎo)熱熱阻；6R水泥環(huán)導(dǎo)熱熱阻。7RB.地層內(nèi)非穩(wěn)態(tài)傳熱在井筒穩(wěn)態(tài)傳熱的同一微元段dz 內(nèi)，地層非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程如下：3-9eeet

42、artrrt1122初始條件時(shí)：03-10ZatttTbcie邊界條件時(shí)：03-110rte3-12772-rrrtdzrdQee式中：地層內(nèi)某處溫度， oC；et， )(rfte.wd地層導(dǎo)熱系數(shù)，W/mK ；e地層擴(kuò)散系數(shù)，。/smc/2p，ee3.2.4 基本假設(shè)1從油管內(nèi)的蒸汽到地層的熱量傳遞為一維穩(wěn)態(tài)傳熱，地層為非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱；2視油管內(nèi)的蒸汽流為一維均質(zhì)兩相流，且無(wú)相變及泄露現(xiàn)象；3忽略地層溫度梯度的影響。3.2.5 控制方程根據(jù)傳熱 基本理論，二維瞬態(tài)傳熱問題的控制方程為：3-13TyTxT12222式中：x，y分別指的是x和y方向；是時(shí)間，s；是熱擴(kuò)散率，m2/s。3.2.6 邊界

43、條件蒸汽與油管內(nèi)壁之間屬于對(duì)流換熱，所以油管內(nèi)壁為第三類邊界，應(yīng)滿足：3-14）（fTTanTk在不考慮地溫梯度的情況下，地層溫度為定值，因此地層邊界處為第一類邊界條件，其他邊界均為絕熱邊界。3.3 ANSYS 模擬利用 ANSYS10.0 熱分析軟件，做出在不同隔熱油管視導(dǎo)熱系數(shù)和注汽溫度時(shí)的井筒溫度場(chǎng)分布情況。3.3.1 建設(shè)有限元模型1翻開 ANSYS 10.0 有限元分析軟件，過濾圖形用戶界面；2確定工作文件名“heat loss in well，單位制默認(rèn)為國(guó)際單位制；3進(jìn)入 PREP7 前處理器，選擇 plane55 熱分析單元，并設(shè)置成軸對(duì)稱單元；4將物性參數(shù)定義為材料熱物性參數(shù)

44、；.wd5根據(jù)圖 3-1 建設(shè)有限元模型，如圖 3-3；6采用自由網(wǎng)格劃分方法對(duì)模型進(jìn)展網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖 3-4。3.3.2 施加載荷計(jì)算A.定義分析類型定義新的分析類型為瞬態(tài)分析“Transient。B.設(shè)置瞬態(tài)熱分析的初始條件由于初始溫度場(chǎng)是不均勻的且又是未知的，所以首先要進(jìn)展穩(wěn)態(tài)熱分析，為穩(wěn)態(tài)熱分析建設(shè)初始條件：在井筒壁處施加對(duì)流載荷，在地層處施加原始地層溫度場(chǎng)載荷，其他邊界為絕熱邊界。圖圖 3-33-3 井筒有限元模型井筒有限元模型圖圖 3-43-4 網(wǎng)格劃分結(jié)果網(wǎng)格劃分結(jié)果.wd3.3.3 求解采用 GUI 命令：MainSolutionLoad Step OptsTime Fre

45、quencTime-Time Step，設(shè)置計(jì)算終止時(shí)間為 0.01s，時(shí)間步長(zhǎng)為 0.01s，并將時(shí)間積分效果設(shè)定為 Off，對(duì)模型進(jìn)展穩(wěn)態(tài)熱分析。穩(wěn)態(tài)熱分析完畢后，將時(shí)間積分效果設(shè)定為 On，并刪除所有節(jié)點(diǎn)的溫度載荷，計(jì)算終止時(shí)間設(shè)定為 5 天，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為 1 小時(shí)，對(duì)模型進(jìn)展瞬態(tài)熱分析。3.3.4 后處理對(duì)于瞬態(tài)熱分析，ANSYS 提供了兩種后處理方式，即 POST 1 和 POST 26。本文采用POST 1 進(jìn)展后處理，利用 GUI 命令：Main MenuGeneral PostprocPlot Results 顯示溫度場(chǎng)彩色云圖，并拾取套管內(nèi)徑邊緣處溫度。 3.4 模擬結(jié)果與

46、分析取水泥環(huán)與地層之間截面的平均溫度作為溫度參數(shù)，并結(jié)合文獻(xiàn)33中給出的熱損失經(jīng)歷公式，分別算出在不同的隔熱油管視導(dǎo)熱系數(shù)及注汽溫度下井筒熱損失情況。3.4.1 隔熱油管視導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)井筒熱損失的影響現(xiàn)在使用的隔熱油管多為抽真空隔熱油管，結(jié)合預(yù)應(yīng)力隔熱油管標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5324-94中提出的視導(dǎo)熱系數(shù)概念，把隔熱管的隔熱層內(nèi)以導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種方式傳遞的熱量視為以純導(dǎo)熱方式傳遞的熱量。其中，視導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值劃分為五個(gè)范圍等級(jí)，如表 3-1 所示，因此，分別選取視導(dǎo)熱系數(shù)為 0.07、0.05、0.03、0.01 和 0.005 W/mK。 表表 3-13-1 隔熱油管等級(jí)分類隔熱油管等級(jí)分類 單

47、位：W/mK隔熱性能等級(jí)ABCDE視導(dǎo)熱系數(shù)0.060.080.040.060.020.040.0060.020.0020.006在實(shí)際的稠油熱采過程中，注汽溫度一般為 300350之間，基于此，本文以蒸汽溫度為 312情況下進(jìn)展模擬，圖 3-5 為在視導(dǎo)熱系數(shù)為 0.07 時(shí)的溫度分布云圖，結(jié)合熱損失經(jīng)歷公式，得到單位長(zhǎng)度井筒熱損失與視導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系，如表 3-2 和圖 3-6 所示。.wd圖圖 3-53-5 視導(dǎo)熱系數(shù)為視導(dǎo)熱系數(shù)為 0.070.07 W/mW/m K K 時(shí)的溫度分布云圖時(shí)的溫度分布云圖表表 3-23-2 不同視導(dǎo)熱系數(shù)下的計(jì)算結(jié)果不同視導(dǎo)熱系數(shù)下的計(jì)算結(jié)果序號(hào)視導(dǎo)熱

48、系數(shù)W/mK套管溫度oC熱損失W/m123450.0050.010.030.050.0741.58842.84846.04647.79748.9022.7154.87010.33813.33215.222.wd圖圖 3-63-6 隔熱油管視導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)井筒熱損失的影響隔熱油管視導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)井筒熱損失的影響根據(jù)圖 3-6 分析可知，井筒單位長(zhǎng)度熱損失整體上隨著隔熱油管視導(dǎo)熱系數(shù)的增大而增大。其中，對(duì)于 A 級(jí)的隔熱油管，單位長(zhǎng)度井筒熱損失約達(dá) 15W/m 左右，而對(duì)于 E 級(jí)的隔熱油管，單位長(zhǎng)度井筒熱損失僅約為 3.5W/m，兩者單位長(zhǎng)度井筒熱損失相差約11.5W/m，因此，選用視導(dǎo)熱系數(shù)高級(jí)別的隔

49、熱油管對(duì)于降低井筒單位長(zhǎng)度的熱損失具有明顯的影響。此外，當(dāng)視導(dǎo)熱系數(shù)從 0.07W/mK 提高至 0.03 W/mK 后，單位長(zhǎng)度熱損失的變化速率隨著視導(dǎo)熱系數(shù)的減小而出現(xiàn)明顯的降低。綜上所述，在實(shí)際的應(yīng)用過程中，建議選用隔熱油管視導(dǎo)熱系數(shù)在 0.030.005W/mK。3.4.2 注汽溫度對(duì)單位長(zhǎng)度井筒熱損失的影響上述視導(dǎo)熱系數(shù)的建議范圍內(nèi)，在視導(dǎo)熱系數(shù)為 0.03 W/mK 情況下，分別研究以注汽溫度分別為 312、324、333、346 和 350oC 五種情況下，注汽溫度對(duì)單位長(zhǎng)度井筒熱損失的影響，詳細(xì)情況如表 3-3 和圖 3-7 所示，圖 3-8 為當(dāng)注汽溫度為 324oC 時(shí)的溫

50、度分布云圖。表表 3-33-3 不同注汽溫度下的計(jì)算結(jié)果不同注汽溫度下的計(jì)算結(jié)果序號(hào)注汽溫度oC套管溫度oC熱損失W/m1231232448.90249.29715.22215.897.wd34533334635049.59249.98750.08216.40117.07717.239根據(jù)上圖分析所知，單位長(zhǎng)度井筒的熱損失隨著注汽溫度的升高幾乎呈線性增大的趨勢(shì)。在注汽溫度為 312oC 情況下，單位長(zhǎng)度井筒熱損失約為 15.2W/m，在注汽溫度在350oC 情況下，單位長(zhǎng)度井筒熱損失約為 17.2W/m，由此可見，注汽溫度的提高對(duì)于井筒單位長(zhǎng)度熱損失的影響較小，每提高 50oC，井筒單位長(zhǎng)度熱

51、損失相差約 2W/m。圖圖 3-73-7 注汽溫度對(duì)井筒熱損失的影響注汽溫度對(duì)井筒熱損失的影響.wd圖圖 3-83-8 注汽溫度為注汽溫度為 324324o oC C 時(shí)的溫度分布云圖時(shí)的溫度分布云圖.wd4 油層熱影響區(qū)域4.1 問題描述高溫高壓的蒸汽流經(jīng)井筒后進(jìn)入封隔器以下的油層區(qū)，通過射孔與油層進(jìn)展傳質(zhì)傳熱，傳熱過程如圖 4-1 所示。圖圖 4-14-1 油層傳熱過程示意圖油層傳熱過程示意圖以遼河油田某鉆井為研究對(duì)象，注汽時(shí)間T=10d，套管導(dǎo)熱系數(shù)tg為 43.2 W/mK，水泥環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)cem為 1.2 W/mK，油層綜合導(dǎo)熱系數(shù)cm為 2.53 W/mK，地層導(dǎo)熱系數(shù)為1.968

52、W/mK，地層熱擴(kuò)散系數(shù)c為 0.027 m2/h，地層初始溫度Tcm=40oC，蒸汽與隔熱油管內(nèi)壁對(duì)流換熱系數(shù)為 10 kw/m2oC。4.2 數(shù)學(xué)模型的建設(shè)套管內(nèi)半徑r1為 0.0809m，外半徑r2為 0.0889m；水泥環(huán)外半徑r3為 0.1239m；地層和.wd油層半徑r4為 20m，詳見圖 4-2 油層截面示意圖。蒸 汽水 泥 環(huán)地 層油 層套 管r1r2r30.5mm1m圖圖 4-24-2 油層截面示意圖油層截面示意圖4.2.1 連續(xù)介質(zhì)的守恒方程求解與流體中動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞有關(guān)的問題時(shí)，首先應(yīng)根據(jù) 基本的守恒定律對(duì)該物理系統(tǒng)建設(shè)一組方程。這些方程包括:能量平衡方程；連續(xù)性方

53、程；焓方程。A.連續(xù)介質(zhì)的能量平衡方程井筒油管內(nèi)高溫蒸汽在注入過程中遵循熱力學(xué)第一規(guī)律，其能量平衡方程為：4-1dzdzzdzzzzzQvgHvgzH2dz)-(z22-dz-z-2式中：Hz、Hz-dzz及z-dz處的焓，kJ；vz、 vz-dz z及z-dz處的速度，m/h；、z及z-dz處的流體密度，kg/m3；zdz-zQdz蒸汽散熱量，kJ 。上式表示包括蒸汽焓、勢(shì)能和動(dòng)能在z處的蒸汽能量與z + dz處的蒸汽能量及蒸汽散熱量的平衡方程。B.連續(xù)介質(zhì)的連續(xù)性方程高溫蒸汽在油管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，質(zhì)量流量保持不變，因此滿足流體的連續(xù)性方程，即 4-20mvAvAdzzdzzdzzzzz式中：、z

54、及z+dz處的橫截面積，m2；zAdzzAvz、 vz+dz z及z+dz處的速度，m/h；、z及z+dz處的流體密度，kg/m3。zdzz.wdC.連續(xù)介質(zhì)的動(dòng)量平衡方程把蒸汽在油管內(nèi)的流動(dòng)看作是兩相流的流動(dòng)，為描述其流動(dòng)特性，通常從兩相流壓力降的研究出發(fā)。管內(nèi)穩(wěn)態(tài)均質(zhì)兩相流滿足動(dòng)量平衡方程，即4-3vdvdzdvfgdzdPmmm-2-12式中：段內(nèi)的壓力降，MPa；dPdz蒸汽密度 kg/m3；m摩阻系數(shù)；f井筒內(nèi)徑，m。1d表示段內(nèi)的勢(shì)能變化， 表示段內(nèi)的摩擦損失，表示段內(nèi)gdzmdzdzvdvmdz的動(dòng)能變化。D.油管內(nèi)濕蒸汽的焓由于濕蒸汽為汽水兩相混合物，所以它的焓可用一樣溫度或壓

55、力下的飽和水、飽和蒸汽及濕蒸汽的干度來表示，即 4-4)-1 (xhxhhlg式中：蒸汽干度；x濕蒸汽的焓，kJ/kg；h飽和蒸汽的焓，kJ/kg；gh飽和水的焓，kJ/kg。lh4.2.2 多孔介質(zhì)的守恒方程A.多孔介質(zhì)的質(zhì)量守恒方程多孔介質(zhì)的質(zhì)量守恒方程為：4-501vt式中：密度，kg/m3；dzdvfm122.wd介質(zhì)的孔隙度；滲流速度，m/d。vB.多孔介質(zhì)的動(dòng)力學(xué)方程a.單相流在只有飽和牛頓流體的空隙介質(zhì)中，達(dá)西定律如下：4-6)-(-Dgpkv式中：流體的滲流速度，m/d；v滲透率，；k2m粘度，Pas；流體的密度，kg/m3；壓力，MPa；pD垂直高度，m；G重力加速度，m/s

56、2。b.多相流多相流的滲流微分方程為： (4-7)()-(11llllrlstqDgpkk式中：sll相流體的飽和度；ql流體流入或流出的流體質(zhì)量流量，kg/s。4.2.3 傳熱過程分析A.井筒內(nèi)穩(wěn)態(tài)傳熱井筒內(nèi)傳熱過程主要包括：蒸汽與套管內(nèi)壁之間的對(duì)流換熱、套管與水泥環(huán)和水泥環(huán)與油層的導(dǎo)熱等環(huán)節(jié)。對(duì)于注汽井一微元段dz 的徑向熱流量，可表示為： .wd 4-8)-(22kfttdzkrdQ式中：段內(nèi)井筒的徑向熱流量，W；dQdz套管外半徑，m；2r以套管外外表為基準(zhǔn)面積的總傳熱系數(shù)，W/m2k 。k的表達(dá)式為：k4-91321RRRk式中：蒸汽與套管內(nèi)壁對(duì)流換熱熱阻；1R套管壁導(dǎo)熱熱阻；2R水

57、泥環(huán)導(dǎo)熱熱阻。3RB.油層傳熱分析 井筒蒸汽與套管通過對(duì)流換熱向井筒周圍散熱，同時(shí)產(chǎn)生從射孔到油層的傳質(zhì)熱傳導(dǎo)。由于在有限元中無(wú)法解決傳質(zhì)問題，因此一般簡(jiǎn)化為具有一定半徑的加熱區(qū)模型。非穩(wěn)態(tài)無(wú)內(nèi)熱源軸對(duì)稱溫度場(chǎng)的微分方程為：4-100c-),(p2222tTrTrTrxTrktrxTD應(yīng)用 Galerkin 法可得到軸對(duì)稱溫度場(chǎng)整體區(qū)域“變分計(jì)算的 基本方程為: (4-11)TlDlplllPdSnTrkWdxdrtTrWcrTrWxTxWkrTJ0-利用溫度場(chǎng)變分方程對(duì)模型進(jìn)展剖別離散、單元分析及最終總體合成，即可完成模型溫度場(chǎng)的求解。4.2.4 基本假設(shè)沿井深方向上的熱能不發(fā)生傳遞；視蒸汽

58、流為一維均質(zhì)兩相流，且無(wú)相變；忽略油層溫度梯度的影響；以井眼中心為中心的同心圓上的溫度是一樣的。.wd4.2.5 邊界條件蒸汽與套管內(nèi)壁之間屬于對(duì)流換熱，所以套管內(nèi)壁為第三類邊界，應(yīng)滿足：4-12）（fTTanTk加熱區(qū)為第一類邊界條件，由于不受油層溫度梯度的影響，所以油層為第一類邊界條件，其他為絕熱邊界。4.3 ANSYS 模擬4.3.1 建設(shè)有限元模型翻開 ANSYS 10.0 有限元分析軟件，過濾圖形用戶界面；確定工作文件名“you ceng re ying xiang qu yu，單位制默認(rèn)為國(guó)際單位制；進(jìn)入 PREP7 前處理器，選擇 plane55 熱分析單元，并設(shè)置成軸對(duì)稱單元；

59、將物性參數(shù)定義為材料熱物性參數(shù)；根據(jù)問題描述建設(shè)有限元模型，結(jié)果如圖 4-3 所示；圖圖 4-34-3 油層有限元模型油層有限元模型局部放大圖局部放大圖.wd采用自由網(wǎng)格劃分方法對(duì)模型進(jìn)展網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖 4-4 所示。圖圖 4-44-4 網(wǎng)格劃分結(jié)果網(wǎng)格劃分結(jié)果局部放大圖局部放大圖4.3.2 施加載荷計(jì)算A.定義分析類型定義新的分析類型為瞬態(tài)分析“transient。B.設(shè)置瞬態(tài)熱分析的初始條件由于初始溫度場(chǎng)是不均勻的且又是未知的，所以首先要進(jìn)展穩(wěn)態(tài)熱分析，為穩(wěn)態(tài)熱分析建設(shè)初始條件：在套管內(nèi)壁處施加對(duì)流載荷，在油層和地層處施加原始溫度場(chǎng)載荷，其他邊界為絕熱邊界。4.3.3 求解采用 GUI

60、 命令：MainSolutionLoad Step OptsTime FrequencTime-Time Step，設(shè)置計(jì)算終止時(shí)間為 0.01s，時(shí)間步長(zhǎng)為 0.01s，并將時(shí)間積分效果設(shè)定為 Off，對(duì)模型進(jìn)展穩(wěn)態(tài)熱分析。穩(wěn)態(tài)熱分析完畢后，將時(shí)間積分效果設(shè)定為 On，并刪除所有節(jié)點(diǎn)的溫度載荷，計(jì)算終止時(shí)間設(shè)定為 10 天，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為 1 小時(shí)，對(duì)模型進(jìn)展瞬態(tài)熱分析。.wd4.3.4 后處理采用 POST 1 進(jìn)展后處理，利用 GUI 命令：Main MenuGeneral PostprocPlot Results顯示溫度場(chǎng)彩色云圖。4.4 模擬結(jié)果與分析模擬油層溫度場(chǎng)分布云圖如圖 4-5 至圖