遼河油田注汽管線保溫結(jié)構(gòu)優(yōu)化

馬銘澤

（中油遼河工程有限公司）

遼河油田作為國內(nèi)稠油生產(chǎn)的主力油田，每年的稠油產(chǎn)量占總產(chǎn)量的60%以上，稠油開發(fā)方式主要以蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、SAGD 為主，稠油開發(fā)技術(shù)居于國際領(lǐng)先地位[1-2]。稠油的生產(chǎn)依靠直流注汽鍋爐產(chǎn)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(dòng)性增強(qiáng)，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(jīng)濟(jì)保溫厚度計(jì)算方法重新對遼河油田的注汽管線保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 遼河油田現(xiàn)有保溫結(jié)構(gòu)

遼河油田現(xiàn)有注汽管線634 km，2015 年以前采用復(fù)合硅酸鹽管殼保溫，D114管線保溫結(jié)構(gòu)為120 mm的復(fù)合硅酸鹽管殼，分兩層保溫，錯(cuò)縫敷設(shè)，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(fù)合硅酸鹽管殼保溫結(jié)構(gòu)如圖1 所示。復(fù)合硅酸鹽管殼長時(shí)間使用會出現(xiàn)保溫材料下沉嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)值（188 W/m2）。

圖1 復(fù)合硅酸鹽管殼保溫結(jié)構(gòu)

2015 年之后遼河油田采用氣凝膠和復(fù)合硅酸鹽管殼復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)對注汽管線進(jìn)行保溫，此種保溫結(jié)構(gòu)已改造231 km。D114 管線保溫結(jié)構(gòu)為先包兩層6 mm 厚氣凝膠，再包50 mm 厚復(fù)合硅酸鹽管殼，以下簡稱“6+6+50”。氣凝膠和復(fù)合硅酸鹽管殼復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)如圖2 所示，因?yàn)闅饽z材料的孔隙率比普通的材料高很多，其95%以上是由空氣構(gòu)成，所以氣凝膠材料的保溫隔熱效果是傳統(tǒng)隔熱材料2～5 倍，取得同等隔熱效果，厚度僅為傳統(tǒng)材料的幾分之一，且在高溫下，以上性能優(yōu)勢更為明顯。這種新的保溫結(jié)構(gòu)因?yàn)楸睾穸鹊臏p少，保溫材料下沉情況有所改善，經(jīng)濟(jì)保溫厚度計(jì)算數(shù)值見表1，注汽管線散熱損失較采用復(fù)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(fù)合硅酸鹽管殼復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)

2 經(jīng)濟(jì)保溫厚度數(shù)學(xué)模型

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

經(jīng)濟(jì)保溫厚度方法是綜合考慮注汽管線的保溫材料價(jià)格和注汽管線的熱損失年運(yùn)行成本這兩個(gè)因素，折算在一定年限內(nèi)其費(fèi)用和為最小值的保溫層厚度[7-10]。采用GB 50264—2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出的公式計(jì)算，計(jì)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(jià)格，元/GJ；PT為絕熱結(jié)構(gòu)單位造價(jià)，元/m3；λ為絕熱材料在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；αs為絕熱層外表面與周圍空氣的換熱系數(shù)，W/m·K；t為年運(yùn)行時(shí)間，h；T0為管道外表面溫度，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

因?yàn)楣剑?）為超越方程，只能通過試算進(jìn)行求解，以D114 管線為例進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)濟(jì)保溫厚度計(jì)算數(shù)值如表1 所示。

根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行試算，公式（1）左邊為0.401，右邊為0.410，可以認(rèn)為等式左右相等。D114 注汽管線的經(jīng)濟(jì)保溫厚度為第一層10 mm 厚氣凝膠和第二層110 mm 厚復(fù)合硅酸鹽管殼復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)，以下簡稱“10+110”，針對采用經(jīng)濟(jì)保溫計(jì)算方法優(yōu)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(jìn)行示范線試驗(yàn)，三種不同保溫結(jié)構(gòu)測試值見表2。通過與遼河油田之前的兩種保溫結(jié)構(gòu)對比，熱損失大幅度降低，井口干度提升。

表1 經(jīng)濟(jì)保溫厚度計(jì)算數(shù)值

表2 三種不同保溫結(jié)構(gòu)測試值

4 經(jīng)濟(jì)效益及應(yīng)用前景

D114 注汽管線經(jīng)濟(jì)保溫厚度（“10+110”）每公里造價(jià)為33.5 萬元，（“6+6+50”）保溫結(jié)構(gòu)每公里造價(jià)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(yùn)行8 000 h，天然氣熱值36 000 kJ/m3計(jì)算，每公里可節(jié)約天然氣量為23 680 m3，天然氣價(jià)格為1.69 元/m3，每公里每年可節(jié)約燃料消耗成本40 019.2 元。遼河油田現(xiàn)有403 km 管線采用復(fù)合硅酸鹽管殼結(jié)構(gòu)保溫，保溫材料早已老化、熱損失大，應(yīng)及時(shí)采用經(jīng)濟(jì)保溫厚度結(jié)構(gòu)進(jìn)行更換，每年可節(jié)約燃料消耗成本1 612.8 萬元。

5 結(jié)論

通過對遼河油田現(xiàn)用注汽管線保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，現(xiàn)場測試散熱損失為225.8 W/m2，超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)值，采取經(jīng)濟(jì)保溫厚度計(jì)算公式對注汽管線結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行優(yōu)化，最終得到D114 注汽管線經(jīng)濟(jì)保溫模型為第一層10 mm 厚氣凝膠和第二層110 mm 厚復(fù)合硅酸鹽管殼復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可大幅降低熱損失，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用測試，散熱損失為81 W/m2，較復(fù)合硅酸鹽管殼保溫結(jié)構(gòu)井口干度提高了3%，節(jié)能減排效果顯著，此種注汽管線經(jīng)濟(jì)保溫結(jié)構(gòu)可在遼河油田大范圍推廣。