遼河油田注汽管線保溫結構優化

馬銘澤

（中油遼河工程有限公司）

遼河油田作為國內稠油生產的主力油田，每年的稠油產量占總產量的60%以上，稠油開發方式主要以蒸汽吞吐、蒸汽驅、SAGD 為主，稠油開發技術居于國際領先地位[1-2]。稠油的生產依靠直流注汽鍋爐產生高溫、高壓蒸汽，通過注汽管線輸送至注汽井口從而注入地下，高溫、高壓蒸汽將攜帶的能量傳遞給稠油以使其黏度降低、流動性增強，最終得以開采[3-5]。遼河油田注汽鍋爐出口蒸汽干度為75%，而注汽井口蒸汽干度為60%左右，井口的蒸汽干度是保證原油采收率的重要因素，注入的蒸汽干度越高，則原油采收率越高[6]。影響井口蒸汽干度的因素較多，其中注汽管線的熱損失為最主要因素。提出利用經濟保溫厚度計算方法重新對遼河油田的注汽管線保溫結構進行優化。

1 遼河油田現有保溫結構

遼河油田現有注汽管線634 km，2015 年以前采用復合硅酸鹽管殼保溫，D114管線保溫結構為120 mm的復合硅酸鹽管殼，分兩層保溫，錯縫敷設，分層捆扎。保溫層外包中壓石棉板1.0 mm，φ1.2 鐵絲捆扎，最外層纏玻璃布，復合硅酸鹽管殼保溫結構如圖1 所示。復合硅酸鹽管殼長時間使用會出現保溫材料下沉嚴重的情況，會造成注汽管線上部熱量損失偏大。散熱損失為225.8 W/m2，超過國家標準規定數值（188 W/m2）。

圖1 復合硅酸鹽管殼保溫結構

2015 年之后遼河油田采用氣凝膠和復合硅酸鹽管殼復合保溫結構對注汽管線進行保溫，此種保溫結構已改造231 km。D114 管線保溫結構為先包兩層6 mm 厚氣凝膠，再包50 mm 厚復合硅酸鹽管殼，以下簡稱“6+6+50”。氣凝膠和復合硅酸鹽管殼復合保溫結構如圖2 所示，因為氣凝膠材料的孔隙率比普通的材料高很多，其95%以上是由空氣構成，所以氣凝膠材料的保溫隔熱效果是傳統隔熱材料2～5 倍，取得同等隔熱效果，厚度僅為傳統材料的幾分之一，且在高溫下，以上性能優勢更為明顯。這種新的保溫結構因為保溫厚度的減少，保溫材料下沉情況有所改善，經濟保溫厚度計算數值見表1，注汽管線散熱損失較采用復合硅酸鹽管殼保溫明顯降低，散熱損失為160 W/m2。

圖2 氣凝膠和復合硅酸鹽管殼復合保溫結構

2 經濟保溫厚度數學模型

遼河油田目前注汽管線保溫厚度的計算方法是按照GB 50264—2013《工業設備及管道絕熱工程設計規范》中規定的最大允許熱損失量方法計算，這種方法規定在管道外表面溫度為某值時，絕熱層外表面最大允許熱損失量滿足規范中規定的數值即可。該方法不能滿足節能要求，在追求節能降耗和減少碳排放的今天已經不合適宜了。

經濟保溫厚度方法是綜合考慮注汽管線的保溫材料價格和注汽管線的熱損失年運行成本這兩個因素，折算在一定年限內其費用和為最小值的保溫層厚度[7-10]。采用GB 50264—2013《工業設備及管道絕熱工程設計規范》中給出的公式計算，計算公式如下：

式中：D1為保溫層外徑，m；D0為管道外徑，m；PE為能量價格，元/GJ；PT為絕熱結構單位造價，元/m3；λ為絕熱材料在平均溫度下的導熱系數，W/m·K；αs為絕熱層外表面與周圍空氣的換熱系數，W/m·K；t為年運行時間，h；T0為管道外表面溫度，℃；Ta為環境溫度，℃。

3 現場應用

因為公式（1）為超越方程，只能通過試算進行求解，以D114 管線為例進行計算，經濟保溫厚度計算數值如表1 所示。

根據表1 中的數據進行試算，公式（1）左邊為0.401，右邊為0.410，可以認為等式左右相等。D114 注汽管線的經濟保溫厚度為第一層10 mm 厚氣凝膠和第二層110 mm 厚復合硅酸鹽管殼復合保溫結構，以下簡稱“10+110”，針對采用經濟保溫計算方法優化后的注汽管線遼河油田在H 采油廠選取固定注汽鍋爐出口D114 管線進行示范線試驗，三種不同保溫結構測試值見表2。通過與遼河油田之前的兩種保溫結構對比，熱損失大幅度降低，井口干度提升。

表1 經濟保溫厚度計算數值

表2 三種不同保溫結構測試值

4 經濟效益及應用前景

D114 注汽管線經濟保溫厚度（“10+110”）每公里造價為33.5 萬元，（“6+6+50”）保溫結構每公里造價為26.6 萬元，每公里“10+110”較“6+6+50”熱損失降低29.6 kW，按照每年運行8 000 h，天然氣熱值36 000 kJ/m3計算，每公里可節約天然氣量為23 680 m3，天然氣價格為1.69 元/m3，每公里每年可節約燃料消耗成本40 019.2 元。遼河油田現有403 km 管線采用復合硅酸鹽管殼結構保溫，保溫材料早已老化、熱損失大，應及時采用經濟保溫厚度結構進行更換，每年可節約燃料消耗成本1 612.8 萬元。

5 結論

通過對遼河油田現用注汽管線保溫結構進行介紹，現場測試散熱損失為225.8 W/m2，超過國家標準規定數值，采取經濟保溫厚度計算公式對注汽管線結構重新進行優化，最終得到D114 注汽管線經濟保溫模型為第一層10 mm 厚氣凝膠和第二層110 mm 厚復合硅酸鹽管殼復合保溫結構，該結構可大幅降低熱損失，經現場應用測試，散熱損失為81 W/m2，較復合硅酸鹽管殼保溫結構井口干度提高了3%，節能減排效果顯著，此種注汽管線經濟保溫結構可在遼河油田大范圍推廣。