注水井聯動測試防噴管加熱保溫技術設計

韓文超

（大慶油田 第七采油廠，黑龍江 大慶 163515）

為提高分層測試質量，進一步實現精確注水，2010年起100%的分層注水井開展年測試3次的工作，測試工作量不斷加大，冬季也需要進行水井測試。聯動測試技術與橋式偏心分層配水工藝相結合，可縮短測試時間，提高測調效率，但在進行聯動測試時，防噴管內部的水幾乎不流動，隨著冬季氣溫降低，管內極易結冰，不僅增加測試難度，而且會造成電纜抽頭后儀器掉井，導致冬季聯動測試工作無法順利進行，為此，本文開展注水井聯動測試防噴管加熱保溫技術研究，并提出3種設計方案，碳纖維內襯加熱技術、電熱帶整體外包加熱技術和硅膠電熱板分體加熱技術，以解決冬季測試防噴管內部結凍的問題。

1 防噴管加熱保溫功率計算

冬季進行注水井聯動測試時，野外溫度約在-20～-30℃，防噴管內部水初始溫度約10℃，電加熱產生的熱量一部分補充給防噴管內部的水，另一部分熱量要彌補與周圍冷空氣及相關部件進行的熱交換損失上。

電加熱需供給防噴管內部的水的熱量為：

式中 Δt：管內水的溫差變化；C：水的比熱容，4.2kJ·（kg·℃）-1；m：管內水的質量。

利用此公式計算得出，長度為2.5m，內徑為Ф62mm的防噴管內部的水，溫度從10℃降低到0℃散發的熱量為3.2×105J，根據實際現場經驗，冬季氣溫在-30℃時，防噴管內的水約30min開始結冰，即電加熱提供給水的熱量每秒應大于177.8J。

與周圍環境進行熱交換產生的熱量損失為：

式中 AW：管的外壁面積；tw：管的外壁溫度；t：外部環境溫度；αT：對流、輻射聯合傳熱系數，αT=9.4+0.052（tw-t)；

利用此公式計算得出，電熱線與周圍環境進行熱交換產生的熱量損失為每秒263.1J。因此，電加熱產生的實際熱量應大于以上兩部分熱量之和，即功率應大于441W。

2 碳纖維內襯加熱技術

圖1 碳纖維內襯結構Fig.1 Diagram of carbon fibre inner

碳纖維是含C量在90%以上的纖維物質，屬純黑體材料，升溫迅速，比其他金屬、陶瓷電熱材料快近1/3的時間達到額定溫度，電熱轉化效率高，比一般金屬發熱體節能30%以上，熱傳導率高達98%以上，節能省電。

該工藝是在原防噴管內部襯上一層高壓合金管（耐壓40MPa），并在合金管外表面纏繞碳纖維電熱線，管兩端套扣，采用螺旋堵頭和橡膠圈密封，防止水進入防噴管與合金管的環形空間，通過測試車車載供電使碳纖維電熱線發熱，并在供電線路上安裝漏電空開保護器，一旦發生漏電，可及時斷開電源，防止事故發生。該工藝設計是在測試防噴管基礎上內襯高壓合金管，不改變原防噴管的外形結構尺寸，與井口的安裝連接方式不變，雖內徑尺寸有所減小，但不影響測試儀器的下入。

防噴管內徑Ф62mm，為給測試儀器提供足夠的下入空間，選用Ф49mm內徑的合金管，厚度2.5mm，外纏直徑為Ф3.0mm的碳纖維電熱線100m，可產生480W熱功率，滿足冬季水井測試保溫需要，纏繞后的合金管外徑為Ф60mm，與防噴管內部兩側存有1mm的預留空間，保證高壓合金管順利安裝到防噴管內。

3 電熱帶整體外包加熱技術

圖2 電熱帶整體外包結構Fig.2 Diagram of ribbon heater whole casting

電熱帶是一種二芯結構的加熱電纜，由兩根平行金屬導線外敷高分子材料和阻燃護套材料構成，正常工作溫度60℃。設計將電熱帶連續纏繞在防噴管外表面，再依次包裹上聚乙烯泡沫保溫層和防雨布，防止防噴管堵頭噴水滲入保溫層，使其失去功效，并防止外界工具傷害保溫層，兩端用卡子密封固定。通過測試車車載供電使電熱帶發熱，并在供電線路上安裝漏電空開保護器，通過電熱帶發熱及外層隔熱保溫的作用實現冬季水井測試的目的，外包纏繞電熱帶及保溫層已留出足夠的蹬梯空間，不影響測試工人上下操作。設計應用電熱帶總長度24m，產生總功率480W，滿足防噴管防凍熱量需求，外包纏繞后厚度約14mm，剩余蹬梯空間可滿足工人操作需要。

4 硅膠電熱板分體加熱技術

硅膠電熱線主要是由合金電熱絲和硅橡膠高溫絕緣布組成，在150℃下可長期使用而幾乎無性能變化，在200℃下可持續使用10000h，具有發熱快、溫度均勻、熱效率高、韌性好等特點。

硅膠電熱板分體加熱裝置由2～3節加熱保溫盒組成，保溫盒以分體式可開合鋼骨架做基材，將硅膠電熱線均勻硫化于橡膠之中，按照保溫盒的規格，制成柔性硅膠電熱板，鑲嵌于鋼性殼體中，并在保溫盒外壁涂上絕緣隔熱樹脂，減少熱量散失，鋼體外殼安裝防水防爆插座，增加其使用安全性。使用時將加熱保溫盒卡裝于防噴管梯子之間，接通車載電源進行供電，保溫盒安裝拆卸方便，鋼體外殼耐磕碰，不易損壞，可根據環境溫度，適當增減卡裝加熱裝置的級數。每塊硅膠電熱板內排10m電熱線，可產生功率200W，3節合計產生功率600W，滿足冬季水井聯動測試保溫需要。

圖3 硅膠電熱板結構Fig.3 Diagram of silica gel hot plate

5 結論

（1）碳纖維內襯加熱技術應用不改變原防噴管的外形結構尺寸，雖內徑尺寸有所減小，但不影響測試儀器的下入。

（2）電熱帶整體外包加熱技術設計工藝簡單，成本低，外包纏繞留有足夠的蹬梯空間，不影響測試工人上下操作。

（3）硅膠電熱板分體加熱裝置安裝拆卸方便，鋼體外殼耐磕碰，不易損壞，可根據環境溫度，適當增減卡裝加熱裝置的級數。

［1］呂立斌，荀勇.碳纖維及其復合材料性能與應用［J］.山東紡織科技，2004，（6）.

［2］邊朝朝，孫德超.常見電熱帶的結構與原理和使用注意事項［J］.電熱電纜，2004，（6）.