温度对盐水导热系数影响的实验研究

李怀科， 刘卫丽

（中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北燕郊065201）

温度对盐水导热系数影响的实验研究

李怀科， 刘卫丽

（中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北燕郊065201）

为探讨温度对盐水导热系数的影响，特别是深水低温条件下的导热系数，采用瞬态热线法测定不同温度下（4～60 ℃）下5种常用盐水溶液的导热系数，并分析了温度对每种盐导热系数的影响。实验结果表明，对于待测盐水体系而言，相同浓度下，每种盐的导热系数与温度的变化趋势相同，即4～20 ℃低温段，盐的导热系数曲线缓慢增长，随后温度对导热系数的影响逐渐增大；相同温度下，导热系数随 着盐浓度的升高而降低。文中还对现场2口深水井所用的盐水测试液的导热系数进行了室内测定，结果发现，2种配方的导热系数受温度的影响较小，4 ℃和50 ℃的导热系数的差值分别为0.036 、0.53 W/（m·K）；当温度高于40 ℃以后，2种体系的导热系数不受温度影响。

导热系数；温度；热线法；盐水

油气井在测试和完井过程中为了平衡地层压力以及出于保护油气层的目的，通常选用无机盐或有机盐作为测试液和完井液的加重材料[1-3]。与常规井不同，深水井的温度场从井口到井底被泥线分为两段：泥线以上海水段温度不断降低，而泥线以下温度随着深度的增加而升高[4-5]。深水井测试过程中井底高温流体（特别是气层）在经过海水段的过程中会把部分热量传递给海水，造成流体本身的热量损失，易出现生成气体水合物、析蜡等现象[6-7]。现有文献中只指出部分盐水常温下的导热系数[7]，有些文献只给出了部分盐在几个温度点下的导热系数，缺乏完整性。因此，研究不同温度下盐水的导热系数，特别是低温条件下导热系数如何变化，对于科研人员建立油气井测试过程中井筒流体热量分布模型以及现场测试工程师掌握深水井测试过程中地层流体的温度变化显得尤为重要。

1 实验方法和测试流程

1.1 实验方法

采用目前国际导热系数研究领域内公认的先进的瞬态热线法（Transient Hot Wire），该方法具有测试准确度高，速度快，样品用量少，操作简单，自动化程度高等特点[8-9]。瞬态热线法以无限大介质中的径向一维非稳态导热问题为理论基础，经过一系列求解，最后根据下面的计算公式计算导热系数λ。室内测试仪器实物如图1所示。

式中：q为单位长度的热流量，W/m2；Tid为热线温度，K；t为时间，s。

图1 导热系数测定仪

1.2 测试流程

1）将待测液体样品（约200 mL）置于温控箱中，将传感器垂直置于待测样品中。

2）设置实验温度，启动温度控制系统实现冷却或加热。

3）等温度达到实验温度时，先进行热平衡检测，待电压曲线平稳后开始测量，软件将自动采集并计算出待测液体的导热系数。

2 结果与分析

借助导热系数测定仪（型号TC3100）对目前比较常用的5种常用盐（NaCl、KCl、CaCl2、NaCOOH、KCOOH）不同温度下的导热系数进行了室内评价，其具体结果和分析如下。

2.1 NaCl导热性能评价

不同浓度NaCl水溶液（5%～30%）在不同温度下的导热系数变化曲线如图2所示。由图2可知，随着NaCl浓度的升高，其导热系数逐渐降低，这说明，高浓度的NaCl水溶液具有较低的导热性能；不同浓度NaCl水溶液曲线表现出相同的变化趋势，即随着温度的升高其导热系数呈增长趋势，且曲线4～20 ℃之间变化平缓，当温度超过20 ℃以后曲线的斜率大，增长速度快。

图2 不同温度、不同浓度NaCl水溶液导热系数曲线

2.2 KCl导热性能评价

图3 为不同温度下KCl水溶液的导热系数变化情况。从图3可以看出，KCl水溶液的导热系数随着温度的升高而增大，相同温度下，导热系数随着浓度的升高而降低，曲线分为2段：前半段是缓慢增长段（4～20 ℃低温段），后半段为快速增长段（20～60 ℃中温段），而且当KCl的浓度每增长5%时，各溶液导热系数的降低差值基本相同。

图3 不同温度、不同浓度KCl水溶液导热系数曲线

2.3 CaCl2导热性能评价

室内测定不同浓度（10%～50%）的氯化钙水溶液在不同温度下的导热系数，实验结果如图4所示。结果表明，氯化钙水溶液的导热系数位于0.54～0.65 W/（m·K）之间，当温度低于 20 ℃时，导热系数变化较小，当温度高于20 ℃以后，温度对导热系数有较大影响。氯化钙的浓度高于20%以后，不论是低温段还是高温段，导热系数的变化趋势变缓。

图4 不同温度、不同浓度CaCl2水溶液导热系数曲线

2.4 NaCOOH导热性能评价

不同浓度NaCOOH溶液在不同温度下的导热系数变化关系如图5所示。从图5可以明显得出如下2点认识：不同浓度的甲酸钠溶液的导热系数随温度的变化规律相同，即先缓慢增长再逐渐增大；当甲酸钠的浓度大于40%以后，与低浓度相比，温度对导热系数的影响系数降低，曲线趋于平缓，且温度超过40 ℃后导热系数的相差较小，差值只有 0.01 W/（m·K）。

图5 不同温度、不同浓度NaCOOH水溶液导热系数曲线

2.5 KCOOH导热性能评价

不同温度下、不同浓度甲酸钾溶液的导热系数数据如图6所示。由图6可以看出，与无机盐相比，甲酸钾具有较低的导热系数；随着甲酸钾溶液浓度的升高，溶液的导热系数随着温度的升高缓慢增大；不同浓度甲酸钾溶液的导热系数曲线之间的差值不断降低，曲线也越来越缓；各个导热系数曲线随温度的变化呈线性变化，曲线的斜率随着浓度的升高而逐渐降低。

图6 不同温度、不同浓度KCOOH水溶液导热系数曲线

2.6 盐水测试液导热系数评价

利用导热系数仪测定了现场2口深水井所用盐水测试液的导热系数，2种体系的配方如下，导热系数如表1所示。

1#海水+45%CaCl2+0.5%PF-OSY+2%PF-CA101

2#海水+25%NaCl+20%乙二醇MEG+0.5%PF-OSY+2%PF-CA101

表1 测试液配方及导热系数

由表1可以看出，2种配方的导热系数受温度的影响较小，当温度高于40 ℃以后，导热系数趋于稳定，不受温度的变化而变化；由于2#配方中加入了一定量乙二醇，体系的导热系数比1#配方明显降低，这主要是由于乙二醇具有一定的防冻作用引起的。

3 结论

1.利用瞬态热线法测定液体的导热系数，该方法具有测试准确度高、速度快、样品用量少、操作简单、自动化程度高等特点。

2.测定了5种盐在不同浓度下的导热系数随温度的变化情况，其变化曲线具有相同的变化规律，即在4～20 ℃低温段，盐的导热系数曲线缓慢增大；温度在20 ℃以上，温度对导热系数的影响逐渐增大；在相同温度下，导热系数随着盐浓度的升高而降低。

3.测定了现场2种盐水测试液的导热系数。结果发现，2种配方的导热系数受温度的影响较小，当温度高于40 ℃以后，导热系数不受温度影响。

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Study on Effects of Temperature on Coeff i cient of Heat Conductivity of Saltwater

LI Huaike, LIU Weili
(Oilf i eld Chemistry R&D Institute, COSL, Yanjiao, Sanhe, Hebei 065201)

In studying the effects of temperature (especially low temperature in deep water) on the coef fi cient of heat conductivity(CHC) of saltwater, transient hot-wire method was adopted to measure the CHC of 5 kinds of commonly used saltwater at different temperatures (4～60 ℃). Analyses of the experimental data showed that, at the same salt concentration, CHC changed with temperature in similar pattern, i.e., at low temperatures (4～20 ℃), CHC increases slowly with temperature; at temperatures above 20 ℃, CHC increases fast with temperature. At the same temperature, CHC decreases with increase in salt concentration. Saltwater samples from 2 deep water wells were measured in laboratory for their CHC. It was found that CHC of the two samples was only slightly affected by temperature; the differences of CHC at 4 ℃and 50 ℃ were 0.036 W/(m·K) and 0.53 W/(m·K), respectively. At temperatures above 40 ℃, CHC of the two saltwater samples was not affected by changes in temperature.

Coef fi cient of heat conductivity; Temperature; Hot-wire method; Saltwater

李怀科，刘卫丽.温度对盐水导热系数影响的实验研究[J].钻井液与完井液，2017，34（5）：54-57.

LI Huaike, LIU Weili. Study on effects of temperature on coefficient of heat conductivity of saltwater[J].Drilling Fluid &Completion Fluid，2017，34（5）：54-57.

TE257.6

A

1001-5620（2017）05-0054-04

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.05.010

李怀科，高级工程师，1983年生，硕士研究生，主要从事深水钻完井液技术研究。电话 （0316）3367036；Email：lihk6@cosl.com.cn。

2017-7-20；HGF=1701N10；编辑 王小娜）