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摘 要
调查和对比油田注汽管线使用的不同保温材料的优缺点，选择复合硅酸盐、陶瓷纤维毡、气凝胶三种保温材料进行研究和试验，现场测试三种保温材料的保温效果，通过理论计算和实际测试数据对比，以及经济性分析，优选出适合超稠油注汽系统输汽管线的保温材料和敷设方式。
关键词：输汽管线 保温材料 试验 经济性
中图分类号：TE936
1 引言
稠油开发的主要方式是蒸汽热力采油，SAGD（蒸汽辅助重力泄油）采油技术适用于超稠油油藏的开发，采收率一般大于50%[1]。该技术是通过注汽井向地下油层中注入大量高干度蒸汽，降低油层中原油的粘度，原油在重力作用下流到生产井中，通过井下抽油泵提升至井口[2]。SAGD开发需要高品位的蒸汽连续注入，蒸汽干度越高采油效果越明显。在SAGD注汽系统生产运行中，在产汽环节、输送环节、注汽环节，都存在着不同程度的热能损失。输汽管道表面热损失是注汽系统热损失的主要环节之一，是井口干度降低的主要原因，也是能量利用率降低的重要因素[3]。通过对输汽管道高效保温技术进行研究和现场试验，选择适合SAGD输汽条件的保温材料和结构，减少地面输汽系统的热能损失，达到SAGD向中深层系发展注更高品质蒸汽的要求，提高注汽系统热效率，为SAGD高效开发提供技术保障。
2 试验方案
稠油热采输送蒸汽管道的保温使用过多种材料及结构，如水泥珍珠岩、超细玻璃棉、复合硅酸铝纤维、硅酸盐复合绝热涂料、普通微孔硅酸钙等。经过调查和研究，对比现有保温材料和新型保温材料的不同性能，选用导热系数低、绝热性能好的保温材料进行试验，最终筛选复合硅酸盐、陶瓷纤维毡、气凝胶三种保温材料进行对比研究，优选适合SAGD输汽管线的保温材料。
2.1理论计算
现场敷设保温材料需要先进行保温效果的计算，确定各保温材料的厚度、安装结构等。国标GB50264—1997中4.3.3.1规定：最大允许热损失量应按本规范附录B取值，绝热层厚度计算中，应使其外径 满足下列恒等式（2-1）要求：
（2-1）
式中：[Q]为以每平方米绝热层外表面积为单位的最大允许热损失量。查该国标附录B，按管道外表面温度 计算，常年运行绝热层外表面最大允许热损失量[Q]=186W/m2。
D0为管道外径，m，以D0=0.076m为例
λ为绝热材料在平均温度Tm下的导热系数，W/（m·℃）；
2.1.1气凝胶毯
气凝胶毯保温结构导热系数随温度变化关系如（2-2）式：
（2-2）
其中， 为绝热层外表面温度，按规范要求 ℃，取 ℃
代入（2-2）可得：
W/（m·℃）
为绝热层外表面向周围环境的放热系数，W/（m·℃）
W/（m·℃）
其中， W为年平均风速，按盘锦地区气象资料，取 m/s；
为环境温度，按盘锦地区气象资料，取 。
把上述所得到的数据代入方程（2-1）得到：
m
用迭代法求得： m
绝热层（即保温层）厚度δ为：
m=31mm
气凝胶毯制品的厚度为10mm和5mm的气凝胶毯，故需用1层5mm+3层10mm气凝胶毯错位式包裹管道，以防止热量从接缝中泄漏，实际保温层厚度为：δ=35mm。
保溫层外径为：
m
热损失量为：
W/m2
单位管长热损失量：
W/m
保温层外表面温度为：
13.85<50℃
保温层平均工作温度为：
156.9℃
保温层平均导热系数为：
W/（m·℃）
热损失量为：
=134.77W/m2<186W/m2
因此选择气凝胶保温毯的保温层厚度为35mm，理论计算结果为：表面热损失134.77W/m2，外表面温度13.85℃，单位管长热损失为64.19W/m。
2.1.2陶瓷纤维毡
用同样方法，可以计算出陶瓷纤维毡保温材料相对应的保温层厚度，其导热系数随温度变化关系如（2-3）式：
（2-3）
注：陶瓷纤维毡密度为96kg/m3，Tm=175℃时的导热系数为0.037 W/（m·℃）。
计算达到保温效果小于186W/m2的保温层外径为D1=0.15654m，保温层厚度为40.27mm。试验中建议采用保温厚度为50mm，此时表面热损失为137.6W/m2，外表面温度14.0℃。
2.1.3 硅酸盐纤维毡
同样计算出复合硅酸铝的保温层厚度，密度为170kg/m3，导热系数如（2-4）式：
Tm≤550℃ （2-4）
计算达到保温效果小于186W/m2的保温层外径为D1=0.2021m，保温层厚度为63.05mm，外表面温度15.7℃。此时选用80mm的保温层，此时表面热损失为138.2W/m2，外表面温13.8℃。
2.2保温材料性能
表2-1 三种保温材料性能对比
性能名称 气凝胶毯 陶瓷纤维毡 复合硅酸盐
导热系数（200℃） 0.025 0.0373 0.0693
使用温度范围℃ 650 800 500
密度kg/m3 170 128 170
吸水性 不吸水，热传导率不受
影响，产品寿命稳定 易吸水、热导率受影响，使产品寿命缩短 易吸水、热导率受影响，使产品寿命缩短 防火性 A级 A级 不燃
重复使用性 优 否 否
防撞击/可踩踏性 优
人员可踩踏 否
易破损 否
易破损
施工 方便快捷，可适用于任何尺寸管线或设备 出厂尺寸有规格限制 出厂尺寸有规格限制
运送 耐撞击 运输过程中易破损 运输过程中易破损
使用寿命 20年 10年 5年
三种材料导热系数随温度变化曲线如下图2-1所示：
图2-1 三种保温材料导热系数-温度关系曲线比较
3 保温材料现场安装及测试
按照保温方案内容要求，选择φ76输汽管线进行保温材料敷设。试验管段分为3段进行保温材料的安装，依次为：15m气凝胶毯测试段；27m陶瓷纤维毡测试段；18m复合硅酸铝结构。完成现场试验管段安装后，进行蒸汽输送，待输汽管线平稳运行以后，测试试验管段的外表面温度、热流密度及夹层温度和管壁温度值。分别在4月末和5月末进行测试。
表3-1 三次现场测试参数记录表
保温层结构 4月28号早上9：30～11：30 环境温度25.6℃，风速1.2m/s，阳光 6月1号早上9：30～11：30 环境温度23.5℃，风速1.8m/s，阴天 5月31号早上9：30～12：00环境温度27.5℃，风速1.1m/s，阳光
表面热流密度（W/m?） 表面溫度 ℃ 表面热流密度（W/m?） 表面温度 ℃ 表面热流密度（W/m?） 表面温度 ℃
35mm气凝胶 137.3 26.2 150.3 28.9 146.5 38.2
10mm凝胶+40mm陶瓷 177.5 36.9 167.5 30.9 152.3 40.9
100mm复合硅酸盐 119.5 31.3 87.8 26.4 69 36.0
100mm陶瓷纤维毯 85.8 28.9 61 25.9 39.3 43.3
4 经济性评价
对试验方案中的不同保温结构进行经济性评价，并与生产现场使用的复合硅酸铝材料相比，计算出回收年限。
（一） 计算保温结构的单位管长总费用
（4-1）
式中，Dx为固定资产投资方向调节税税率，%；Fi为保温材料损耗及费税系数，Fi=1.10～1.18；Pi为单位管长保温材料费用，元/m；Fia为保温层每立方米人工、管理等附加费，Fia按GB50264—97中表4.7.3取值；D1保温结构外径，m；D0保温结构内径，m；F1为保护层费税系数，F1=1.08；F9为保护层材料损耗、重叠系数，F9=1.20～1.30；P9为保护层材料单价，元/m2；F91为管道保护层每平方米人工、管理等附加费，F91=4～7元/m2；F0为保温结构的现场安装费用，元/m。
选取Dx=0，Fi=1.1，Fia=96，D0=0.076m，F1=1.08，F9=1.2，P9=25，F91=7，P0=30。
表4-1 不同保温结构单位管长的费用
保温层厚度 费用（元/m）
100mm复合硅酸铝 106.41
35mm气凝胶 883.42
10mm凝胶+40mm陶瓷 304.72
100mm陶瓷纤维毯 148.96
（二）计算回收年限
按GB50264—97中4.7.1规定，在保温计算中能量价格应取热价PH的值，即
（4-2）
式中C1为工况系数，取C1=1.3；C2为火用值系数，按GB50264—97表4.7.1，取C2=1；PF为燃料到厂价，对于燃料天然气，取PF=3.0元/m3；qF为燃料应用基低位发热量，取qF=34520kJ/m3；ηB为锅炉热效率，取ηB=0.85。
按GB50264—97中4.8.8规定，取年运行时间t =8160 h。
相对于100mm复合硅酸铝结构进行经济性对比
表4-2 试验方案保温结构经济性分析
保温层厚度 单位管长总费用（元/m） 单位管长热损失（W/m） 折合燃料损失（元/m·年） 折合节省损失（元/m·年） 回收年限（年）
100mm复合硅酸铝 106.41 85.78 334.89
35mm气凝胶 883.42 59.95 234.05 100.84 7.7
10mm凝胶+40mm陶瓷 304.72 64.31 251.07 83.82 2.37
100mm陶瓷纤维毯 148.96 44.12 172.25 162.64 0.26
四、结论
综合对比气凝胶、陶瓷纤维毡、复合硅酸铝三种保温材料导热系数、材料性能，以及不同保温结构的现场保温效果测试及经济性计算得到如下结论：
（1）保温材料的保温性能：气凝胶优于陶瓷纤维毡，陶瓷纤维毡优于复合硅酸铝。
（2）从保温性能、经济性等方面综合分析，适合在SAGD输汽管线上使用10mm气凝胶+40mm陶瓷纤维毡复合保温结构。
参考文献
[1] 杨立强，陈月明，王宏远，田利.超稠油直井-水平井组合蒸汽辅助重力泄油物理和数值模拟[J].中国石油大学学报（自然科学版），2007，31（4）：64-69.
[2] 张方礼，张丽萍，鲍君刚，张晖.蒸汽辅助重力泄油技术在超稠油开发中的应用[J].特种油气藏，2007，14（2）：70-72.
[3] 刘立君、刘晓燕、康凯、郑宏贤，稠油热注输气管道保温改造前后效果测试与评价.油气田地面工程，2002，21（6）：106-107
调查和对比油田注汽管线使用的不同保温材料的优缺点，选择复合硅酸盐、陶瓷纤维毡、气凝胶三种保温材料进行研究和试验，现场测试三种保温材料的保温效果，通过理论计算和实际测试数据对比，以及经济性分析，优选出适合超稠油注汽系统输汽管线的保温材料和敷设方式。
关键词：输汽管线 保温材料 试验 经济性
中图分类号：TE936
1 引言
稠油开发的主要方式是蒸汽热力采油，SAGD（蒸汽辅助重力泄油）采油技术适用于超稠油油藏的开发，采收率一般大于50%[1]。该技术是通过注汽井向地下油层中注入大量高干度蒸汽，降低油层中原油的粘度，原油在重力作用下流到生产井中，通过井下抽油泵提升至井口[2]。SAGD开发需要高品位的蒸汽连续注入，蒸汽干度越高采油效果越明显。在SAGD注汽系统生产运行中，在产汽环节、输送环节、注汽环节，都存在着不同程度的热能损失。输汽管道表面热损失是注汽系统热损失的主要环节之一，是井口干度降低的主要原因，也是能量利用率降低的重要因素[3]。通过对输汽管道高效保温技术进行研究和现场试验，选择适合SAGD输汽条件的保温材料和结构，减少地面输汽系统的热能损失，达到SAGD向中深层系发展注更高品质蒸汽的要求，提高注汽系统热效率，为SAGD高效开发提供技术保障。
2 试验方案
稠油热采输送蒸汽管道的保温使用过多种材料及结构，如水泥珍珠岩、超细玻璃棉、复合硅酸铝纤维、硅酸盐复合绝热涂料、普通微孔硅酸钙等。经过调查和研究，对比现有保温材料和新型保温材料的不同性能，选用导热系数低、绝热性能好的保温材料进行试验，最终筛选复合硅酸盐、陶瓷纤维毡、气凝胶三种保温材料进行对比研究，优选适合SAGD输汽管线的保温材料。
2.1理论计算
现场敷设保温材料需要先进行保温效果的计算，确定各保温材料的厚度、安装结构等。国标GB50264—1997中4.3.3.1规定：最大允许热损失量应按本规范附录B取值，绝热层厚度计算中，应使其外径 满足下列恒等式（2-1）要求：
（2-1）
式中：[Q]为以每平方米绝热层外表面积为单位的最大允许热损失量。查该国标附录B，按管道外表面温度 计算，常年运行绝热层外表面最大允许热损失量[Q]=186W/m2。
D0为管道外径，m，以D0=0.076m为例
λ为绝热材料在平均温度Tm下的导热系数，W/（m·℃）；
2.1.1气凝胶毯
气凝胶毯保温结构导热系数随温度变化关系如（2-2）式：
（2-2）
其中， 为绝热层外表面温度，按规范要求 ℃，取 ℃
代入（2-2）可得：
W/（m·℃）
为绝热层外表面向周围环境的放热系数，W/（m·℃）
W/（m·℃）
其中， W为年平均风速，按盘锦地区气象资料，取 m/s；
为环境温度，按盘锦地区气象资料，取 。
把上述所得到的数据代入方程（2-1）得到：
m
用迭代法求得： m
绝热层（即保温层）厚度δ为：
m=31mm
气凝胶毯制品的厚度为10mm和5mm的气凝胶毯，故需用1层5mm+3层10mm气凝胶毯错位式包裹管道，以防止热量从接缝中泄漏，实际保温层厚度为：δ=35mm。
保溫层外径为：
m
热损失量为：
W/m2
单位管长热损失量：
W/m
保温层外表面温度为：
13.85<50℃
保温层平均工作温度为：
156.9℃
保温层平均导热系数为：
W/（m·℃）
热损失量为：
=134.77W/m2<186W/m2
因此选择气凝胶保温毯的保温层厚度为35mm，理论计算结果为：表面热损失134.77W/m2，外表面温度13.85℃，单位管长热损失为64.19W/m。
2.1.2陶瓷纤维毡
用同样方法，可以计算出陶瓷纤维毡保温材料相对应的保温层厚度，其导热系数随温度变化关系如（2-3）式：
（2-3）
注：陶瓷纤维毡密度为96kg/m3，Tm=175℃时的导热系数为0.037 W/（m·℃）。
计算达到保温效果小于186W/m2的保温层外径为D1=0.15654m，保温层厚度为40.27mm。试验中建议采用保温厚度为50mm，此时表面热损失为137.6W/m2，外表面温度14.0℃。
2.1.3 硅酸盐纤维毡
同样计算出复合硅酸铝的保温层厚度，密度为170kg/m3，导热系数如（2-4）式：
Tm≤550℃ （2-4）
计算达到保温效果小于186W/m2的保温层外径为D1=0.2021m，保温层厚度为63.05mm，外表面温度15.7℃。此时选用80mm的保温层，此时表面热损失为138.2W/m2，外表面温13.8℃。
2.2保温材料性能
表2-1 三种保温材料性能对比
性能名称 气凝胶毯 陶瓷纤维毡 复合硅酸盐
导热系数（200℃） 0.025 0.0373 0.0693
使用温度范围℃ 650 800 500
密度kg/m3 170 128 170
吸水性 不吸水，热传导率不受
影响，产品寿命稳定 易吸水、热导率受影响，使产品寿命缩短 易吸水、热导率受影响，使产品寿命缩短 防火性 A级 A级 不燃
重复使用性 优 否 否
防撞击/可踩踏性 优
人员可踩踏 否
易破损 否
易破损
施工 方便快捷，可适用于任何尺寸管线或设备 出厂尺寸有规格限制 出厂尺寸有规格限制
运送 耐撞击 运输过程中易破损 运输过程中易破损
使用寿命 20年 10年 5年
三种材料导热系数随温度变化曲线如下图2-1所示：
图2-1 三种保温材料导热系数-温度关系曲线比较
3 保温材料现场安装及测试
按照保温方案内容要求，选择φ76输汽管线进行保温材料敷设。试验管段分为3段进行保温材料的安装，依次为：15m气凝胶毯测试段；27m陶瓷纤维毡测试段；18m复合硅酸铝结构。完成现场试验管段安装后，进行蒸汽输送，待输汽管线平稳运行以后，测试试验管段的外表面温度、热流密度及夹层温度和管壁温度值。分别在4月末和5月末进行测试。
表3-1 三次现场测试参数记录表
保温层结构 4月28号早上9：30～11：30 环境温度25.6℃，风速1.2m/s，阳光 6月1号早上9：30～11：30 环境温度23.5℃，风速1.8m/s，阴天 5月31号早上9：30～12：00环境温度27.5℃，风速1.1m/s，阳光
表面热流密度（W/m?） 表面溫度 ℃ 表面热流密度（W/m?） 表面温度 ℃ 表面热流密度（W/m?） 表面温度 ℃
35mm气凝胶 137.3 26.2 150.3 28.9 146.5 38.2
10mm凝胶+40mm陶瓷 177.5 36.9 167.5 30.9 152.3 40.9
100mm复合硅酸盐 119.5 31.3 87.8 26.4 69 36.0
100mm陶瓷纤维毯 85.8 28.9 61 25.9 39.3 43.3
4 经济性评价
对试验方案中的不同保温结构进行经济性评价，并与生产现场使用的复合硅酸铝材料相比，计算出回收年限。
（一） 计算保温结构的单位管长总费用
（4-1）
式中，Dx为固定资产投资方向调节税税率，%；Fi为保温材料损耗及费税系数，Fi=1.10～1.18；Pi为单位管长保温材料费用，元/m；Fia为保温层每立方米人工、管理等附加费，Fia按GB50264—97中表4.7.3取值；D1保温结构外径，m；D0保温结构内径，m；F1为保护层费税系数，F1=1.08；F9为保护层材料损耗、重叠系数，F9=1.20～1.30；P9为保护层材料单价，元/m2；F91为管道保护层每平方米人工、管理等附加费，F91=4～7元/m2；F0为保温结构的现场安装费用，元/m。
选取Dx=0，Fi=1.1，Fia=96，D0=0.076m，F1=1.08，F9=1.2，P9=25，F91=7，P0=30。
表4-1 不同保温结构单位管长的费用
保温层厚度 费用（元/m）
100mm复合硅酸铝 106.41
35mm气凝胶 883.42
10mm凝胶+40mm陶瓷 304.72
100mm陶瓷纤维毯 148.96
（二）计算回收年限
按GB50264—97中4.7.1规定，在保温计算中能量价格应取热价PH的值，即
（4-2）
式中C1为工况系数，取C1=1.3；C2为火用值系数，按GB50264—97表4.7.1，取C2=1；PF为燃料到厂价，对于燃料天然气，取PF=3.0元/m3；qF为燃料应用基低位发热量，取qF=34520kJ/m3；ηB为锅炉热效率，取ηB=0.85。
按GB50264—97中4.8.8规定，取年运行时间t =8160 h。
相对于100mm复合硅酸铝结构进行经济性对比
表4-2 试验方案保温结构经济性分析
保温层厚度 单位管长总费用（元/m） 单位管长热损失（W/m） 折合燃料损失（元/m·年） 折合节省损失（元/m·年） 回收年限（年）
100mm复合硅酸铝 106.41 85.78 334.89
35mm气凝胶 883.42 59.95 234.05 100.84 7.7
10mm凝胶+40mm陶瓷 304.72 64.31 251.07 83.82 2.37
100mm陶瓷纤维毯 148.96 44.12 172.25 162.64 0.26
四、结论
综合对比气凝胶、陶瓷纤维毡、复合硅酸铝三种保温材料导热系数、材料性能，以及不同保温结构的现场保温效果测试及经济性计算得到如下结论：
（1）保温材料的保温性能：气凝胶优于陶瓷纤维毡，陶瓷纤维毡优于复合硅酸铝。
（2）从保温性能、经济性等方面综合分析，适合在SAGD输汽管线上使用10mm气凝胶+40mm陶瓷纤维毡复合保温结构。
参考文献
[1] 杨立强，陈月明，王宏远，田利.超稠油直井-水平井组合蒸汽辅助重力泄油物理和数值模拟[J].中国石油大学学报（自然科学版），2007，31（4）：64-69.
[2] 张方礼，张丽萍，鲍君刚，张晖.蒸汽辅助重力泄油技术在超稠油开发中的应用[J].特种油气藏，2007，14（2）：70-72.
[3] 刘立君、刘晓燕、康凯、郑宏贤，稠油热注输气管道保温改造前后效果测试与评价.油气田地面工程，2002，21（6）：106-107