井下大功率電加熱器制造工藝與應用*

張萬鵬，張錦剛，宋紅兵，王少華，周 超，庫宏剛，謝 航

（1.中油國家石油天然氣管材工程技術研究中心有限公司，西安 710018；2.中國石油寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008）

0 前 言

井下大功率電加熱技術是利用電阻發熱產生的熱量，持續加熱井筒傳熱介質（蒸汽、水）或油層。該技術對非常規油氣資源進行持久、穩定加熱，提取液態、氣態清潔能源，并將焦炭和CO2等污染物留在地下，從而實現能源的清潔高效開發。井下大功率電加熱器是電加熱技術的核心裝備。電加熱器（礦物絕緣加熱電纜）主要由單根或多根電阻電熱合金絲作為發熱源，氧化鎂作為導熱絕緣體，不銹鋼或銅作為護套，采用特殊生產工藝制造。當發熱芯線通過電流，電能轉化為熱能加熱油藏。

國內化石能源的特點是“富煤、缺油、少氣”，隨著國內對油氣需求的不斷增加以及常規油氣資源的不斷消耗，非常規油氣的有效開發對于緩解油氣資源供應壓力、保障國家能源安全、促進能源結構低碳轉型和綠色發展具有重要的戰略意義。非常規油氣主要包括稠油、頁巖油、頁巖氣、煤層氣等，“十三五”期間，以非常規油氣為代表的低品位資源逐漸成為中國石油勘探開發的主體，非常規原油與天然氣分別占新增油氣探明儲量的70%及90%以上[1-8]。

井下電加熱器技術應用于稠油井下加熱輔助、地下原位煤氣化等新領域，對提升國內油氣資源戰略接替和能源生產供應保障能力，促進化石能源與新能源協同融合發展，推動稠油熱采井下電加熱輔助、頁巖油原位轉化、地下原位煤氣化等重大試驗項目實施，具有重要意義。

1 礦物絕緣電纜發展歷程

礦物絕緣電纜，簡稱MI（mineral insulated cable）電纜，又稱銅芯銅護套氧化鎂絕緣電纜，習慣上稱為礦物電纜或防火電纜。其主要結構以退火銅作為導體、密實氧化鎂粉作為絕緣材料、銅帶焊接銅管作為護套，有需要時，在退火銅護套外面擠包一層塑料外護層或者低煙無鹵護套。國內生產執行GB/T 13033.1—2007《額定電壓750 V及以下礦物絕緣電纜及終端 第1部分：電纜》，國際生產執行IEC 60702-1—2015《額定電壓不超過750 V的礦物絕緣電纜及其終端第1部分：電纜（3.1版）》。

礦物絕緣電纜在國外發展較早，19 世紀末，瑞士工程師 Arnold Francois Borel首次提出采用氧化鎂粉末作為絕緣材料的設想，并于1896年獲得專利權，隨后派生出三類產品，一是熱電偶，二是配線電纜，三是加熱電纜。自1934年開始，法國、英國相繼投入生產以后，礦物絕緣電纜在國外迅速發展，主要工業國家（意、加、澳、美、蘇、日）都相繼開發投產。1934年法國率先將該項新技術轉化為規模生產；1936年英國開始生產，是目前全球最大的制造國；1946年美國通用電纜公司批量生產；1951年前蘇聯研制了應用于核能的礦物絕緣電纜。1988年IEC（國際電工委員會）制定產品標準IEC 702（88）《額定電壓750 V及以下礦物絕緣電纜及終端》。

我國也于20世紀60年代開發生產，20世紀末批量生產，21世紀進入國家防火設計規范并在國內大量使用。1968年上海電纜研究所開始研發用于原子能反應堆芯測量用耐熱電纜；70年代中期發展電力配線用礦物絕緣電纜，80年代末在實驗室試產。1991年國內制定GB 13033—1991《額定電壓750 V及以下礦物絕緣電纜及終端》，在該標準頒布后，相應的設計標準和規范的制訂、修訂工作未能跟上，導致該礦物質電纜的使用和推廣發展緩慢，落后于發達國家。1998年7月國家重大科技成果產業化項目年產3 000 km礦物絕緣電纜示范生產線建成投產。1999年國內制定《礦物絕緣電纜敷設》標準圖集（編號：99D163）。2007年發布新版本標準GB/T 13033—2007《額定電壓750 V及以下礦物絕緣電纜及終端》[9]。

近幾年，為了提高電氣線路的安全等級，減少電氣火災事故的發生及損失，國內建設部、消防部以及一些地方政府相繼出臺了電氣設計規范，并明確規定在一些重要的電氣線路或場所宜采用礦物絕緣電纜，進一步拓寬了礦物絕緣電纜的應用范圍。由于該產品材料和結構的特殊性，使其具有傳統塑料電纜無法比擬的電氣性能、機械性能、耐環境性能和環保性能。隨著該產品不斷推廣，礦物絕緣電纜越來越為人們所認同，現已廣泛應用于基礎工業及民用建設中。

2 井下電加熱器（礦物絕緣加熱電纜）國內外技術現狀

2.1 國外技術現狀

電加熱技術的核心設備是電加熱器，其技術原型是礦物絕緣加熱電纜。目前國外已成功研制長度超過4 000 m、地下恒溫600～800 ℃電加熱器，平均壽命5年以上。殼牌、道達爾等能源公司開展了相關電加熱技術及裝備的研究，投資數十億美元進行試驗，建立了多個示范區進行技術驗證，掌握了井下大功率電加熱器的核心制造技術。

殼牌致力頁巖油原位加熱轉化技術研發，已有20余年室內和現場試驗歷史，累計投入研發經費約30億美元，原位轉換（ICP）技術成熟度高，加熱工藝與關鍵設備等技術難題基本得到解決。目前殼牌的電加熱技術已在美國科羅拉多州、加拿大阿爾伯達省、約旦等地進行了數十個井組現場試驗，基本具備工業化應用條件。經現場先導試驗驗證，電加熱器制造工藝成熟，生產流程配套齊全，技術可行。Salamander電加熱器以殼牌原位升級/原位轉換工藝（IUP/ICP）技術和專利為基礎，礦物絕緣加熱電纜采用連續生產工藝，性能優異，穩定性高，并能夠長期高溫運行，單根長度超過2 000 m，可以最小化或完全消除外部拼接，大大提高了加熱系統的可靠性[10-14]。

國外掌握了金屬板帶、卷管縱焊技術，可連續生產超長、大功率電加熱器，生產工藝穩定、效率高，質量可靠。電加熱器關鍵材料方面，護套采用鎳基合金，具有良好的耐高溫腐蝕性能和高溫強度；芯線采用Cr20Ni80 電阻電熱合金，工作溫度可達1 200 ℃。國外高純氧化鎂導熱絕緣材料對氧化鎂粒形、粒度控制形成了完整技術參數和專業制造設備，氧化鎂球形率可達85%以上。目前僅有日本、美國、以色列等國家掌握球形氧化鎂制造技術。

2.2 國內技術現狀

目前國內沒有成熟的井下大功率電加熱器生產企業。沈陽特種電纜廠開展了電加熱器研究，具有加熱電纜生產經驗和產品，應用業績不詳，目前生產線停產。遼寧華孚石油高科技股份有限公司研制了火燒油層電加熱器、油井加熱專用鋼管護套電纜等產品，產品功率低，已應用于稠油開采方面，不具備生產大功率電加熱器能力。昆侖電線電纜股份有限公司開展了礦物質絕緣（MI）加熱電纜研究，提出電熱膜+導熱油解決方案，目前仍處于概念設計階段。

國內井下電加熱器產品主要采用瓷柱法、灌粉法生產工藝，電加熱器金屬護套為定尺無縫鋼管，采用對焊方式（包括發熱芯線對接），將9 m鋼管接長到一定長度后進行多次拉拔、退火后卷取成盤，但焊接接頭會有一定的失效隱患。國內采用銅帶縱包氬弧焊接連續生產工藝制造的礦物絕緣電纜，護套一般為銅或薄壁不銹鋼，由于護套材料強度低，下井深度、長度受限。電加熱器關鍵材料方面，護套通常采用厚度2 mm 以下銅或不銹鋼，高溫下外護套抗壓、耐腐蝕性能不足；芯線大量采用銅鎳合金，強度與高溫性能不足，主要用于400 ℃以下場景。國內超高純氧化鎂（99.95%）技術已獲突破，受粒形、粒度等影響，振實密度2.3 g/cm3左右；球形氧化鎂制造技術與國外相比仍有差距，球形率40%左右。

3 電加熱器關鍵技術分析

3.1 護套材料

井下用電加熱器（礦物絕緣加熱電纜）護套主要起防腐、耐壓及承重的作用，非金屬護套不適用于高溫環境，現有金屬護套電纜主要包括銅護套礦物絕緣加熱電纜、銅鎳合金護套礦物絕緣加熱電纜、不銹鋼護套礦物絕緣加熱電纜、825合金護套礦物絕緣加熱電纜。國內企業制造的電加熱器護套通常采用2 mm以下銅或不銹鋼，高溫下外護套抗壓、承重及耐腐蝕性能不足，因而需要根據應用工況進行護套材料的選擇與開發。表1為國內某廠不同護套材料對應性能及應用工況。

表1 國內某礦物絕緣加熱電纜護套材料與應用工況

針對高溫與腐蝕工況下護套材料選擇，除了要考慮材料的高溫力學性能，還需要根據使用溫度與環境進行更嚴格的試驗驗證。普通的300系列不銹鋼（如304、316）含碳量較高，屬于非穩定態（即不含鈦或鈮等穩定化元素），室溫時碳在奧氏體中的溶解度很小，約為0.02%～0.03%，遠低于不銹鋼的實際含碳量，故過飽和的碳被固溶在奧氏體中，當溫度在425～815 ℃范圍內停留時，過飽和的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴散，并和鉻元素化合，在晶間形成碳化鉻的化合物（如Cr23C6等）。鉻在晶粒內擴散速度比沿晶界擴散的速度小，內部的鉻來不及向晶界擴散，在晶間形成的碳化鉻所需的鉻主要來自晶界附近，使晶界附近的含鉻量大為減少。當晶界的鉻質量分數小于12%時，就形成所謂的“貧鉻區”，貧鉻區和晶粒本身存在電化學性能差異，使貧鉻區（陽極）和處于鈍化態的基體（陰極）之間建立起一個具有很大電位差的活化-鈍化電池。貧鉻區的小陽極和基體的大陰極構成腐蝕電池，在腐蝕介質作用下，貧鉻區被快速腐蝕，晶界首先遭到破壞，晶粒間結合力顯著減弱、力學性能惡化，機械強度大大降低，然而變形卻不明顯。這種碳化物在晶界上的沉淀一般稱之為敏化作用。對于含穩定化元素的奧氏體不銹鋼，在其焊接接頭區域經歷多次加熱和冷卻循環，會在狹窄的特定區域內導致原本溶解在碳化鈦（TiC）或碳化鈮（NbC）中的碳元素析出，并與鉻元素結合，在晶間形成碳化鉻的化合物（如Cr23C6等），同樣形成貧鉻區，造成耐腐蝕能力下降。發生敏化的奧氏體不銹鋼非常容易發生晶間腐蝕。除300系列不銹鋼（不含鈦或鈮等穩定化元素、或含有穩定化元素但未經穩定化處理）之外，有時鎳基合金和鋁合金也有類似情況。

奧氏體不銹鋼材料的敏化敏感性包括含碳量、穩定化成分、熱處理、工藝條件等。材料的含碳量越高，敏化敏感性越高，晶間碳化物析出傾向越大，也越容易發生晶間腐蝕；材料中加入鈦、鈮等能形成穩定碳化物（TiC 或NbC）并進行穩定化處理，可降低敏化和晶間腐蝕敏感性；加熱到高溫進行固溶處理，然后快速冷卻（如水冷）形成單一奧氏體相可避免敏化，但現場施工一般不能滿足固溶熱處理的要求，故一般只用于制造工廠；采用焊接方法進行制造或安裝，且未經固溶熱處理的300 系列不銹鋼的設備和管道，如果材料為非低碳級，則比較敏感；使用300系列不銹鋼的工況現場，將使用和操作溫度降低至425 ℃以下可避免敏化發生。

綜上，對于護套材料的選擇要注意：①選用含碳量低的奧氏體不銹鋼，如超低碳奧氏體不銹鋼系列；②添加一定的合金元素，如鈦、鈮等形成穩定碳化物；③固溶熱處理一般只應用于工廠在制的設備和管道，不推薦在施工現場進行；④調整鋼中奧氏體形成元素與鐵素體形成元素的比例，使其具有奧氏體+鐵素體雙相組織，這種雙相組織不易產生晶界敏化。

3.2 芯線材料

電加熱器芯線材料主要包括銅導線和電阻電熱合金。電阻電熱合金是電熱功能材料的一種，廣泛應用于機械、冶金、化工、食品等領域的電加熱元件，工作溫度在500～1 400 ℃。電熱合金按其化學成分和金相組織可以分為Ni-Cr基奧氏體合金和Fe-Cr-Al鐵素體合金，Ni-Cr基奧氏體合金為FCC面心立方結構的奧氏體組織，Fe-Cr-Al鐵素體合金為BCC 體心立方結構的鐵素體組織。化學成分和微觀組織的不同決定了鎳基合金和鐵基合金不同的性能，也決定了其不同應用場景。

Ni-Cr合金塑性及韌性好，電阻率高，高溫下強度高、壽命長，具有均勻的電氣物理性質、良好的力學性能及優良的加工工藝性能，具有較好抗氮氣能力，但成本較高且最高使用溫度低于鐵基合金，如Cr20Ni80、Cr30Ni70。Ni-Cr合金可用于含氮氣氛環境的加熱，在加熱精度和使用壽命要求高的環境中應用較廣泛。Fe-Cr-Al合金是我國應用最廣泛的金屬電熱元件材料，比重小、電阻系數小、成本低、使用溫度較高、耐熱性能較好。但在不同的溫度區間存在脆性變化，而且脆性很難完全消除，通常采用降低合金中碳和氮含量、加入適量稀土元素等方式改善合金塑性。常用的Fe-Cr-Al合金材料有0Cr25Al5、0Cr21Al6和0Cr27Al7Mo2 等。另外近年來研發的新型電熱合金還包括Fe-Al系電熱合金和Heusler系電熱合金。

國外生產電熱合金的歷史可以追溯到20世紀初，電熱合金自問世以來由于其獨特的使用性能而被瑞典、俄羅斯、美國和日本等發達國家廣泛生產與使用。歷經百余年的發展，電熱合金的生產應用已較為成熟。截至目前，瑞典電熱合金的生產體系最為完備，產量最高，產品也最受用戶青睞，其中最著名的電熱合金生產公司為康泰爾公司，隸屬于山特維克特殊鋼公司。該公司生產的電熱合金產品規格型號齊全、性能優異，可以滿足多種場景應用，并且每年都會投入大量經費進行新產品的開發，研發技術水平始終處于世界領先地位。我國電熱合金的研究起步晚、起點低，起初為仿制國外產品。20世紀50—60年代我國開始采用感應爐工藝制備電熱合金，隨著對電熱合金產品需求的不斷增長，電熱合金的研究得到了國家的大力支持，20世紀80年代我國成功開發出0Cr21Al6Nb等高溫電熱合金產品。由于我國稀土資源的獨特優勢，近年來有學者逐漸將稀土元素加入到電熱合金材料中，發現可以顯著提升其性能。經過數十年的發展和完善，我國已建立了較為完備的電熱合金生產體系，產品可覆蓋鎳基和鐵基電熱合金中線材、帶材和扁絲等多種規格型號，產品市場份額不斷擴大，實現了產品出口。目前我國電熱合金的產量居世界第二位，并已成為世界上電熱合金品種最齊全的國家之一。但是高品質產品與國際先進水平仍存在較大差距，在優化合金成分配方、提高工藝控制水平、拓寬電熱合金使用范圍、匹配復雜工況應用場景等方面仍需努力[15-17]。

Cr20Ni80作為電熱工程材料中電熱合金的一種，由于具有電阻率均勻穩定、熔點高、熱膨脹系數低、抗氧化性能和高溫強度好、加工成型性能和焊接性能良好等優點而成為各國電熱合金中一個重要的牌號[18-19]，同時也是高溫井下大功率電加熱器發熱芯線用優選材料。

高溫井下大功率電加熱器加熱芯線選用Cr20Ni80合金，主要存在兩個關鍵問題：一是我國專業生產電熱合金的廠家產品質量參差不齊，國外Cr20Ni80產品的質量和壽命均優于國內產品，國產Cr20Ni80合金絲的壽命為2 000 h，而進口合金絲可達到7 000 h[20]，國內廠家在生產Cr20Ni80產品的過程中，存在很多影響Cr20Ni80產品壽命的環節和因素；二是作為井下大電加熱器芯線，需要滿足一定的長度，因而不可避免地要將同種或異種芯線材料進行對接，由于焊接接頭與線材理化性能的差異，會影響到芯線的使用壽命。因此，井下大功率電加熱器芯線的焊接方法與工藝也是需要深入研究的一個關鍵技術問題。

3.3 導熱絕緣氧化鎂材料

作為在電熱電器上使用的導熱絕緣氧化鎂材料，在諸多種類的氧化鎂中具有特殊要求，包括化學性質、粒子形狀、粒徑分布、結晶形狀等。因氧化鎂直接關系到電熱器的使用溫度和使用壽命，因此對氧化鎂的性能都有很高的要求，要根據電熱器制造工藝選擇不同性能和級別的氧化鎂。

3.3.1 純度

氧化鎂由于具有優良的導熱性和絕緣性而應用在電熱電器中，作為高溫情況下的導熱絕緣材料，其純度達到96%以上。高純氧化鎂是一種無味、無毒的環保白色粉末，相對密度約3.58（25 ℃），熔點2 852 ℃，沸點3 600 ℃，純度一般在98%以上。國外高純氧化鎂技術發展較早，前蘇聯采用鹽酸富選鎂石，經粉碎、溶解、精制、沉淀、真空過濾和洗滌、脫水、熱解得到99.1%高純氧化鎂產品。奧地利和英國利用Sulmag 法生產出了純度大于99.5%的高純氧化鎂。世界上以海水為原料生產高純氧化鎂已為成熟技術，美國、日本、英國、意大利、愛爾蘭、墨西哥、挪威、希臘等國家相繼建廠，并得到迅速發展。日本以海水為原料，利用再水合法批量生產高純優質鎂砂，氧化鎂含量超過了99.5%。80年代日本宇部化學工業公司又開發了氣相法制造的高純鎂砂，MgO含量可以達到99.95%[21-22]。

我國早期生產的高純度電熔氧化鎂砂產量很低，原因是遼寧省的優質菱鎂礦是晶質的（菱鎂礦結晶狀態分為晶質和非晶質，非晶質菱鎂礦雜質含量低，其碳酸鎂純度高），雜質含量高，非晶質菱鎂礦主要分布在意大利、土耳其等國家。國內實際能夠批量生產99%以上氧化鎂的方法多為氫氧化鎂法，也就是采用鹵水為主要原料，以氨或堿為沉淀劑，先制成氫氧化鎂再煅燒分解為氧化鎂。目前以青海鹵粒或其他含水氯鎂石為主的原料，采用氨法生產的氧化鎂也可以達到99%以上。2020 年，由北京理工大學轉化研究中心自主研發的“原電池法超高純氧化鎂”技術實現突破。該項目基于電化學原理，制備得到超高純氫氧化鎂產物，該氫氧化鎂煅燒后可制得99.95%的超高純氧化鎂，實現了高效和清潔生產，為超高純氧化鎂的獲得提供了新的途徑。

氧化鎂純度越高，經處理后氧化鎂也具備更優良的使用性能。JB/T 8508《電工級氧化鎂》標準中規定，高溫環境下使用的礦物絕緣電纜級氧化鎂純度不小于96%。

3.3.2 粒型與目數配比

氧化鎂粉必須具有一定的顆粒度，形狀一般是圓形而不是片狀，因為圓形的流動性好，灌粉密度大，且具有一定顆粒的百分比含量，加粉時不易損壞發熱絲。

鎂粉在相關標準中都標明為40～325 目范圍，以及各種目數搭配比例，因此鎂粉的填充就與電加熱器的質量有著必然的聯系，氧化鎂粉在電加熱器中有著極其重要的作用。

目數是指氧化鎂粉的粒度或粗細度。一般是指25.4 mm×25.4 mm面積內的篩網，鎂粉顆粒能通過該篩網，篩網的孔數即定義為目數。如80目，就是該鎂粉顆粒能通過25.4 mm×25.4 mm 內有80個網孔的篩網。以此類推，目數越大，鎂粉粒度越細，反之鎂粉粒度越粗。目數大，顆粒度小，易吸潮，影響電加熱器的壽命，同時對現場加粉環境帶來嚴重污染；目數太小，其顆粒度愈大，縮管后將壓傷發熱芯線表面及護套內表面，影響電熱器的壽命，加粉時很容易造成細絲偏芯及局部空洞等不良現象。

不同目數比例搭配的混合料，其流動速度是完全不一樣的，它將直接影響到加粉密度。加粉密度不同會影響到管材的延伸、電阻的變化，因此需要對每批次鎂粉進行試驗確認。

3.3.3 導熱性能

鎂粉的作用就是將發熱芯線產生的熱量傳遞出來，如果鎂粉的導熱能力不夠，將造成熱量的過分積聚并貯存在鎂粉內，此時電熱轉換能力就明顯削弱，具體反映在電熱交換效率較低、熱態絕緣及耐壓下降等。造成導熱性能力下降的主要原因可能是氧化鎂純度不夠或是氧化鎂導熱層密度不足。因氧化鎂的導熱能力要明顯高于其他雜質的導熱能力，由于總量上氧化鎂的比例下降，故總體上鎂粉的導熱能力下降。另外，雖然氧化鎂純度達到較高的水平，但由于加粉密度不夠，導熱能力同樣要受到很大制約。作為鎂粉生產廠家來說，必須在原材料采購加工過程中嚴格把關，但電熱器廠家的控制能力對其影響也是一個不可忽視的重要因素，需要雙方緊密配合。

3.3.4 熱絕緣穩定性

電熱器熱穩定性主要是指鎂粉能夠承受多高的溫度而不發生耐壓變化且熱態絕緣穩定。影響熱穩定性的因素主要是鎂粉中存在的水份，另外還包括其他雜質的含量及雜質的品種等。有些易導電雜質被低熔點物質包裹，高溫下包裹層分解變成導電體，使電熱器絕緣和耐壓受到嚴重影響。

總體來說，電加熱器用氧化鎂粉要具有較高的導熱性能，以便能迅速地把熱量傳遞到表面，使發熱芯線與管壁溫度更接近；在工作溫度以內，氧化鎂應具有較好的絕緣性；氧化鎂粉必須具有一定的顆粒度，形狀一般是圓形。

3.4 制造工藝

國內目前井下電加熱器（礦物絕緣加熱電纜）制造工藝主要采用兩種方式：一種是氧化鎂瓷柱裝配、多次拉拔退火；另一種生產方法為銅帶縱包氬弧焊接連續軋制工藝。

（1）氧化鎂瓷柱灌裝拉拔工藝

該方式主要工藝流程為瓷柱壓制、瓷柱燒結、電纜裝配、多次拉拔退火、浸水試驗等。這種方法是國內最早采用的氧化鎂礦物絕緣電纜生產工藝，具有性能穩定、拉拔效率高的優點。由于其采用了無縫銅管裝配，在拉拔過程中線體不會產生開裂等損傷，耐壓試驗合格率較高。

該工藝的缺點是工序復雜繁多，不能一次成型，且需要較大空間來放置各種設備，同時還需要配備大量人力。由于無縫銅管長度的限制及銅材延伸系數的制約，這種方法生產的電纜普遍不能達到理想長度，而且目前礦物絕緣電纜在施工安裝時需要使用專用接頭，這種專用接頭價格昂貴，同時安裝復雜、耗時費力，長距離布線時就需要多次接頭，增加了大量的額外費用。

（2）銅帶縱包氬弧焊接連續軋制工藝

該方式自動化程度高，可以節省大量空間和人力，并且電纜長度可以根據客戶要求定制生產，很大程度上降低了客戶的施工安裝難度，并有效減少了專用接頭的使用數量。這種生產方式的主要流程為銅帶酸洗、裁邊整形、氬弧焊接、鎂粉灌裝、連續軋制、高頻退火、氣體還原等。其原理就是將銅帶成型焊接裝置由原來的水平放置改為豎直擺放，利用氧化鎂粉密度大的特性實現氧化鎂粉豎直灌裝到焊接成型的銅管中，然后利用多道精密軋機的前幾道軋輪將銅管內的氧化鎂粉軋實，以便固定導體線芯。該軋機的后幾道軋輪則是起到縮徑的功能，根據銅材的延伸系數，將灌裝好的電纜外徑軋制到標準要求尺寸，然后經過高頻退火及氣體還原裝置，最后過水冷卻。

這種生產方式也有很多需要注意的問題。一是鎂粉的質量，鎂粉的質量直接決定產品的絕緣性能，現在很多電工級氧化鎂都標明可以直接使用，但在實際生產中，直接使用氧化鎂粉的指標遠低于經過處理的鎂粉，所以建議對鎂粉進行二次加工處理，去除雜質，保證氧化鎂的高絕緣性。二是銅帶，礦物絕緣電纜最外層的銅管是由標準厚度的銅帶經過氬弧焊接而成的，焊接質量直接決定了電纜在經過軋機軋制過程中是否開裂，所以焊接的連續穩定性就顯得十分重要，必須保證銅帶裁邊的精確及成型裝置的準確微調，確保焊縫的穩定。影響焊接質量的另一個因素是銅帶表面的整潔度，通常都是銅帶在進入裁邊裝置之前進行酸洗和自動烘干。銅帶由于其本身低強度、低熔點和并不突出的耐腐蝕性能限制，并不適用于石油工業井下電加熱領域應用。三是氧化問題，礦物絕緣電纜經過高頻退火之后會氧化變黑，所以必須經過還原裝置才能使電纜外觀恢復成原來的顏色，氣體還原裝置主要是利用惰性氣體的特質來達到還原效果，目前較為實用的是氮氣還原和氨分解還原。兩者對比，氨分解過程中除了產生氮氣外，還有大量的氫氣，氮氣只能起到去氧的作用，而氫氣則具有強大的還原功能。所以，在氣體還原過程中，建議使用氨分解裝置，以便得到更加光亮的外觀[9]。

4 電加熱技術在石油工業的應用前景

4.1 稠油熱采電加熱輔助

蒸汽輔助重力泄油（SAGD）技術是開發超稠油的一項前沿技術，通常采用雙水平井布井方式，對于在地層原始條件下沒有流動能力的高黏度原油，在儲層中鉆一對平行的雙水平井，上下垂直距離為5 m，通過上部水平井連續注汽，注入的蒸汽向上超覆在地層中形成蒸汽腔，蒸汽腔向上及側面移動擴展，與油層中的原油發生熱交換，加熱并降黏的原油和蒸汽冷凝水靠重力作用泄到下面的生產井中再產出。

國際上重油/油砂資源量豐富，據美國聯邦地質調查局2003年數據，全球剩余重油地質儲量約4 500億t，可采儲量約590億t；天然瀝青（油砂）地質儲量約3 600 億t，可采儲量約890 億t。重油和天然瀝青（油砂）的可采儲量之和略高于全球稀油的剩余可采儲量1 300億t。稠油主要采用熱采開發技術，包括蒸汽吞吐、蒸汽驅、火燒油層、蒸汽輔助重力泄油等。目前在世界范圍內應用最為普遍的是蒸汽驅、蒸汽吞吐和SAGD這三項技術，其中SAGD技術的采收率為50%～70%。

國內SAGD 開發超稠油技術基本形成，SAGD 技術已成為遼河油田、新疆油田超稠油有效開發的主體技術。國內適合SAGD 開發的地質儲量2.2 億t，截止2020 年底，已動用0.77 億t，新疆油田與遼河油田的SAGD 年產油達210 萬t，占稠油年產量的13%。“十二五”以來，SAGD相關配套工藝技術得到快速發展，預計2025年前，國內SAGD技術產量將突破250萬t[23-24]。

傳統井下加熱技術存在污染大、熱能損耗高的問題，為響應國家“雙碳”目標和能源轉型要求，亟需開發新型綠色低碳井下加熱技術，加速SAGD技術轉型升級，節能降碳。

4.2 頁巖油原位轉化

殼牌、埃克森美孚、道達爾等多家國際石油公司開展了頁巖油原位轉化技術研發和現場試驗。其中，殼牌的電加熱頁巖油原位轉化技術最為成熟，關鍵技術與設備已基本解決，在美國綠河頁巖 South Mahogany 試驗區開展的頁巖油原位轉化先導試驗取得成功，標定采收率 62%。

2005年吉林省與殼牌公司合作，成立合資公司開展頁巖油原位轉化可行性研究。由于吉林省蘊藏的頁巖油含油率豐度，凈地比等參數均低于殼牌公司原位轉化選區下限標準，殼牌公司最終放棄了該項合作。2014年眾城公司對吉林省扶余—長春嶺青山口組頁巖開展頁巖油原位轉化+化學干餾先導試驗，初試期間產油5.20 t，中試期間產油8.86 t，總體處于現場試驗階段。2019年，吉林油田設計“熱氮+電纜加熱”組合加熱方式，地面將氮加熱到200 ℃以上，再利用井下大功率電纜提高溫度至400 ℃，滿足低熟頁巖油裂解溫度需求。

殼牌公司頁巖油原位加熱轉化技術已基本具備工業化應用條件。目前已有的調研、試驗和現場先導試驗均表明，地下原位加熱是實現頁巖油規模開發利用的最優選擇。但由于美國頁巖油氣革命實現了自給自足并出口，該項技術暫未推廣應用。國內頁巖油資源豐富，中低成熟度頁巖油原位轉化潛力巨大，但與北美海相頁巖油相比，頁巖油成熟度低、儲層類型多樣、開采難度大，儲藏分布在人口高密度地區，現有開采技術受到水資源消耗的嚴重制約，采用現有“水平井+壓裂技術”開采效率低、成本高，因此國內中低成熟度頁巖油資源不能照搬北美技術經驗。國內外聯合研究表明，采用井下電加熱技術進行頁巖油地下原位轉化方式開采更適合國內儲藏特點，同時該技術在污染物排放、地表環境保護等方面有明顯優勢[10-14]。

4.3 新能源融合發展

在油田生產中應用電加熱集輸工藝，具有能耗低、生產效率高、設備實現難度小的優勢，可以滿足現實生產需求。作為一種新型生產技術，電加熱技術主要用于一些邊遠油田地區的管線伴熱保溫等問題。通過電加熱技術優化，不但可實現能源合理利用，同時能更好地滿足原油生產儲運要求。電加熱技術本身具有很好的環保適應性，通過科學過程控制，提升了能源的綜合利用效率。相比于其他的加熱保溫技術，電加熱技術不但可以縮短施工流程，提升投資回報比，同時具有使用便捷、穩定性強、后期維護維修成本低的優勢。該技術還能夠滿足溫控的設計要求，可以實現全過程跟蹤監控，從而極大地提升了油田生產的安全性。

在綠電消納方面，電加熱技術可形成“風光發電+電加熱器+熱力采油”的綠電就地消納運行模式，避免棄風棄光。該技術取代地面天然氣加熱爐后每年可大幅降低天然氣能耗和CO2排放，符合國家“雙碳”目標和中國石油天然氣集團有限公司綠色低碳發展戰略[25]。

5 討論與建議

（1）國內針對電加熱用于水平井蒸汽吞吐的相關研究提出，在水平井的水平段井筒內，下入高溫、大功率、長壽命（每米功率大于1 000 W，發熱表面溫度達到300 ℃，連續發熱時間大于5年）電阻加熱器，輔助提高蒸汽熱焓，提高近井地帶溫度，降低入井流動阻力，并通過高溫電加熱促進水平低滲透段加速動用，達到提高吞吐產量、水平段動用程度與吞吐采收率的目的。開發高溫、大功率、長壽命井下電加熱器是達到以上目的的基礎。

（2）國內現有電加熱器存在主要問題是：使用溫度低、可靠性差、總體使用壽命較低等。為解決這些問題，需要針對電加熱器材料、制造工藝等展開技術攻關，攻克連續制造工藝，替代可靠性差的管-管對接環焊接頭，解決護套焊接接頭多、氧化鎂可靠性差、芯線使用溫度低、壽命短的問題，提高電加熱器整體可靠性。

（3）在現場應用方面，結合連續管技術優化電加熱器下井作業工藝，采用連續管直接替代短節油管，通過內置連續管下入至預定位置，上端注水泥封井，防止有害氣體泄漏。開發地面控制監測系統，加熱段實時監測溫壓、地面變頻調整，實現井下恒溫加熱，監測纜線長度可達2 000 m，耐高溫腐蝕，長期運行穩定可靠。

（4）電加熱技術可提升稠油開采加熱效率，降低能耗與碳排放，也可用于國內中低熟度頁巖油等非常規資源開采先導試驗。結合新能源融合發展，還可促進綠電消納，符合國家能源綠色轉型，應加大研發與試驗力度。