油管隔热层基础结构对视导热系数影响

卫栋，夏季秋

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安 710065；2.新疆油田分公司物资供应总公司，新疆克拉玛依 834000）①

在稠油热采［1－2］过程中，由于蒸汽与周边开采环境存在温度差异，而且蒸汽流动时还产生摩擦阻力，所以这一过程中必然有热能的耗损。其中，井筒的热能耗损对热采产生很大影响。为了有效控制稠油热采注入蒸汽时热能的大量耗损，油田使用了隔热油管。隔热层的基础结构对隔热油管的阻热性能有很大影响，本文对此进行研究，并提出改进措施。

1 隔热油管结构

隔热油管的结构如图1所示。隔热油管中选择的管材以及隔热层的材料都具有较低的导热系数［3－4］。为了保证隔热油管在高温下的抗拉伸和蠕变性能，采用在管材成分中加入少量Cr、Si、Al等合金元素，或者在隔热油管内外壁表面进行Cr、Si、Al合金化处理［5］。隔热层则采用具有较高反射率的铝箔纸和玻璃纤维复合材料层层缠绕，抽出空气，加入惰性气体，从而减少热辐射。如图2～3所示。

图1 隔热油管结构

图2 隔热油管隔热层结构

图3 玻璃纤维复合材料

2 隔热油管视导热系数

通常，隔热油管的阻热性能与其总热阻R 成正比，总热阻越大，隔热性能越好。

式中：d为隔热油管内管内径；D为隔热油管外管外径；λ为隔热油管视导热系数。

对于相同尺寸的油管，式（1）中的D、d为常量，λ是直接影响隔热油管阻热性能的主要因素。因此，SY5324—1994标准将λ作为隔热油管评级的主要指标。按其视导热系数可分为5个等级，如表1所示。

相关资料［6］表明，隔热层热阻占隔热油管总热阻R的80%，所以研究隔热层的基础结构对λ的影响就显得至关重要。

表1 按视导热系数划分隔热油管性能等级

3 隔热层基础结构对视导热系数影响

3.1 密实度

隔热层隔热材料相互缠绕的密实程度是阻热性能的重要物理性质指标。一般用e 表示，e 越大隔热材料相互之间缠绕越疏松；反之，越密实。随着隔热层气体压力的变化，密实度e的阻热性能也随之变化。在不同压力下，隔热层密实度与视导热系数之间关系如图4所示。

图4 隔热层密实度e与视导热系数关系曲线

由图4可以看出：

1）当p＜10000Pa时，随着隔热层密实度的增大，视导热系数随之减小，两者呈负相关性。

2）当p＝10000Pa时，随着隔热层密实度增大，视导热系数基本为平行直线，保持不变。两者基本不相关。

3）当p＞10000Pa时，随着隔热层密实度的增大，视导热系数随之增大，两者呈正相关性。

所以，在隔热油管的制造过程中，宜使隔热层各层相互之间密实度变大，即缠绕相对疏松，从而使视导热系数减小，增加隔热油管的阻热性能。

3.2 真空度及残余气体

隔热油管的真空度是指抽真空后，残余气体的稀薄程度。经过真空处理，隔热油管的隔热层能够有效降低使用过程中的对流传热环节，从而提高隔热性能。但是，隔热油管在制造过程中会产生一些气体，主要为水蒸汽、CO2、O2以及H2等。这些气体对阻热性能有较大影响，同时考虑到腐蚀的原因，还会降低隔热油管的使用寿命。所以，在生产过程中，除了保证隔热油管内表面光洁外，还要制定适宜的排气流程，确定合理的除残气工艺。

隔热层在抽真空的同时，还会注入惰性气体，对于不同规格的隔热油管，惰性气体的压力与视导热系数之间关系如图5所示。

图5 隔热层注入惰性气体的压力与视导热系数关系曲线

由图5可以看出：

1）p＜10Pa时，随着惰性气体压力增大，视导热系数随之增大，两者呈正相关性。

2）10Pa＜p＜40Pa时，随着惰性气体压力的增大，视导热系数随之减小，而且减小趋势明显，两者呈负相关性。

3）40Pa＜p＜50Pa 时，视导热系数处于0.015～0.020，此时视导热系数最小，变化趋势平缓，阻热性能最好。

4）当p＞50Pa时，随着压力的增大，视导热系数随之增大，两者呈正相关性。

所以，在注入相同惰性气体的情况下，惰性气体压力控制在40～50Pa为宜。

3.3 缠绕层数

隔热层的缠绕层数对隔热性能也有影响，但并非是缠绕层数越多，视导热系数就越小，隔热层的阻热性能就越好。缠绕层数与与视导热系数之间关系如图6所示。

图6 隔热层缠绕层数与视导热系数关系曲线

由图6可以看出：

1）在不同压力作用下，隔热层缠绕层数与视导热系数关系曲线基本一致。隔热层缠绕层数与压力变化不相关。

2）在相同压力下，隔热层缠绕层数为1层时，视导热系数大幅下降。

3）在相同压力下，隔热层缠绕层数为2～4层时，视导热系数下降趋势变缓。

4）在相同压力下，隔热层缠绕层数为5～7层时，视导热系数基本保持不变。

所以，随着缠绕层数的增加，其对视导热系数的影响越来越小。考虑到缠绕层数增加的同时，成本也相应增加。基于此，隔热层缠绕层数控制在5～7层时最为适宜。

3.4 铝箔纸的反射率

铝箔纸作为一种绝热材料，对辐射能的吸收和发射率均较小［7］。发射率与反射率成反比，反射率越高的物质，吸收的热量越少，放射的热量越少。所以，选择高反射率的铝箔纸是保证隔热层阻热性能的重要环节。

铝箔的反射率高低主要取决于它的表面状态，与厚度关系不大。不同表面状态的铝箔的反射率差异很大，当表面状态从粗糙变为平滑时，反射率从0.03变为0.08。

另外，铝箔纸中铝的纯度与反射率密切相关。当铝的纯度不高时，会发生杂质散射而使其辐射吸收增加。要获得隔热性能较好的铝箔纸，其铝的纯度应不低于99.6%。

4 结论

1）隔热层的基础结构对油管的隔热性能有重要影响，本文分析了相关参数与视导热系数的关系曲线。

2）为了提高隔热油管的隔热性能，隔热层缠绕层数应控制在5～7层，各层相互之间缠绕应相对疏松；工厂应制定适宜的排气流程，确定合理的除残气工艺；给隔热层注入惰性气体时，压力控制在40～50Pa；应选择高反射率的铝箔纸。

［1］霍广荣.胜利油田稠油油藏热力开采技术［M］.北京：石油工业出版社，1999.

［2］于连东.世界稠油资源的分布及其开采技术的现状与展望［J］.特种油气藏，2001，8（2）：98－103.

［3］Hasan A R，Kabir C S.Heat Transfer During Two－Phase Flow in Wellbores Pare II－Wellbore Fluid TemberaturefAl［R］.SPE 22948，1991.

［4］郭道宏.油管隔热保温试验研究［J］.石油矿场机械，2011，40（11）：26－28.

［5］Gristion S，Willhite G P.Numerical Model for Concentric Steam Injection Wells［R］.SPE 16337，1987.

［6］朱月珍.国内外隔热油管的技术水平［R］.石油机械技术调研报告集，1989：201.

［7］潘富清，王琴.真空绝热油管项目实例及应用［［J］.国外油田工程，2000（9）：17.