纳米保温油管的研究及应用

王磊磊，梁志艳，蒋 磊，赵忠文，涂 东

(中国石油化工股份有限公司西北油田分公司， 新疆 轮台 841604)

塔河油田位于新疆巴音郭楞蒙古自治州轮台县与库车县境内，主力油藏为奥陶系碳酸盐岩缝洞型油藏，平均井深6 200 m，稠油密度介于0.92～1.12 g/cm3，平均黏度(50 ℃)为450 000 mPa·s、最高黏度(50 ℃)为1 500 000 mPa·s，属于典型的超稠油油藏，开采难度极大。经过多年的实践，掺稀降黏已成为塔河超稠油区最主要的降黏工艺之一，面对稀稠油差价大的严峻形势，掺稀降黏效益下滑，通过矿物绝缘电缆加热工艺节约稀油效果显著，但矿物绝缘加热技术存在能耗高、电网负载大的问题，难以有效推广，因此急需开发出一种低碳节能的井筒降黏技术实现稠油的高效举升。

1 技术原理

纳米保温油管是将具有耐高温、耐高压、耐防腐、防碰撞及耐磨等性能的超低导热系数材料纳米聚硅气凝胶喷涂在现有油管上形成5 mm的超薄保温涂层，满足塔河超深井耐高温、耐高压的同时降低了油管的导热系数，减少地层产出液的沿程温度损失，从而实现提高温度场，降低掺稀油用量的目的。纳米保温油管与常规油管基本性能对比如表1所示。

表1 纳米保温油管与常规油管基本性能对比表

Table 1 Comparison of basic performance between nano heat preservation tubing and conventional tubing

参数项目常规油管纳米保温油管外径/mm73/8978/94内径/mm60/7660/76管壁导热系数/[W·(m·K)-1]400.045管壁热阻/[(m·K)·W -1]0.0001750.11耐温/℃400常温型180耐高温型400最高耐压/MPa10050抗拉强度/MPa常温700700机械性能耐磨、耐碰撞耐磨、耐碰撞最大下深/m55004000维修性能可修复可修复

稳态平板法是测量材料导热系数的重要方法，首先在保温管内外各放置1个温度传感器，向保温油管内灌入不同温度的同一液体，在保温油管内外形成温差；其次记录从温度较高的保温管内部传入温度较低的油管外部时形成温差所需的时间；最后通过单位面积传递的热量计算保温管的导热系数[W/(m·K)]，经过广泛调研后优选4种导热系数低的材料进行室内试验，经过5次试验纳米聚硅气凝胶隔热效果最好，结果如图1所示。

2 保温预测

TH12266X井150/3000电泵下深2 800 m，长期以45 Hz稳定生产，油压为2.0 MPa、井温为40 ℃、日产液37 t、日掺稀60 t、动液面960 m，测试显示2 600 m处流温80 ℃。实施超薄绝热外涂层保温油管后效果计算如下：

2.1 热工计算

(1)油管壁散热功率：

Q=K(T液-T环)S

其中：Q为散热功率；K为综合放热系数；T液为油液温度；T环为水泥环外面温度；S为散热面积。

(2)放热系数计算：

k=2πr(1/R)

式中：r为油管外半径；R为管壁总热阻。

(3)温降与管壁热阻关系：

(T液-T井口保温前)·R保温前=(T液-T井口保温后)·R保温后

其中：T液为泵挂处的油液温度；T井口保温前为保温前的油液出井口温度；R保温前为保温前的油管管壁热阻；T井口保温后为保温后的油液出井口温度；R保温后为保温后的油管管壁热阻。

(4)油液的实际散热功率：

Q=((日产量×1 000 kg/T)/24)0.65(85 ℃-40 ℃)/0.86

式中：0.65为比热容；0.86为热量功率转换系数。

(5)保温油管的热阻：

R管=r×(1/λ)Ln

式中：Ln为保温后油管直径/保温前油管直径；λ为纳米保温涂层的平均导热系数0.047 W/(m·K)；r为油管保温前的半径，44.5 mm。

2.2 计算过程

已知T液=80 ℃，T井口保温前=40 ℃，产量=97 t/d，T环为地面地层温度，取10 ℃，S为油管散热面积，保温涂层的导热系数为0.047 W/(m·K)。首先根据保温前的实际管壁散热功率Q=K(T液-T环)S计算出保温前的油管放热系数k前；其次从k前=2πr*(1/(R前))计算R前；再次根据保温油管热阻公式计算出保温后油管保温层增加的热阻R管，保温后的总热阻=R前+R管；最后根据油液温降与管壁热阻的关系计算保温后的井温。

(1)纳米保温前的井筒综合放热系数k：取地面段T环为10 ℃，则2 600 m井段油液与地层平均温差(T液-T环)为(40 ℃-10 ℃)/2=15 ℃；S=2 600 m×3.14×0.089 m=727 m2，纳米保温油管下深2 600 m，该深度流温为80 ℃，油液比热为0.65 kcal/kg·c，则纳米保温前的总散热功率Q=((97×1 000)/24)×0.65(85 ℃-40 ℃)/0.86=122 189 W，则k前=10.08，R前=0.027。

(2)采用纳米保温油管后的总热阻为：

R管=r×(1/λ)·Ln(0.099/0.089)

式中：λ为纳米保温涂层的平均导热系数，为0.047 W/m·K；r为油管半径，为44.5 mm，则R管=0.1。

考虑纳米保温油管两端预留作业处的散热损失，将R后修正为R管=0.1×0.5=0.05，保温油后的总热阻R总=R前+R管=0.027+0.05。

(3)采用纳米保温油管后的井温T井口保温后=80 ℃-((80 ℃-40 ℃)·0.027)/(0.027+0.05)=66 ℃，较保温前的井温40 ℃高出26 ℃。

2.3 计算结果

理论计算结果表明，纳米气凝胶外涂层保温油管下至2 600 m地面井温可达到66 ℃，较使用前提高65%，温度保有率为82.5%，损失率为17.5%，较使用前温损失率50%降低32.5%，可有效降低掺稀量。

TH12266X井150/3000电泵下深2 800 m，生产中45 Hz稳定正常，2018年5月26日进行纳米气凝胶外涂层保温降黏矿场试验，截止目前运行396 d，平均井温提升16 ℃，累计节约稀油3 168 t，累计增油1 185 t，日耗电下降92 kW·h。矿场试验结果表明：纳米保温油管在稠油井中具有良好的适应性，增产、降稀油效果显著。

3 结论

(1)纳米气凝胶外涂层保温油管是一种低碳节能保温工艺，可取代矿物绝缘电缆进行稠油提温降黏，具有一定的推广价值；

(2)纳米保温油管最大下深2 800 m，位于超稠油区黏温拐点以下，满足举升要求，且保温油管可重复使用；

(3)纳米保温油管在塔河超稠油区应用效果好，达到了降低井筒温度损失、节约稀油用量、增加产能的目的；

(4)现有纳米保温油管在油管两端预留处散热损失大，在预留作业处将外涂层改为内涂；

(5)纳米保温涂层油管工艺不仅可实现井筒保温开采，也可用于地面管线进行保温集输，实现全节点、全方位保温开采。