辽河油田注汽管线保温结构优化

马铭泽

（中油辽河工程有限公司）

辽河油田作为国内稠油生产的主力油田，每年的稠油产量占总产量的60%以上，稠油开发方式主要以蒸汽吞吐、蒸汽驱、SAGD 为主，稠油开发技术居于国际领先地位[1-2]。稠油的生产依靠直流注汽锅炉产生高温、高压蒸汽，通过注汽管线输送至注汽井口从而注入地下，高温、高压蒸汽将携带的能量传递给稠油以使其黏度降低、流动性增强，最终得以开采[3-5]。辽河油田注汽锅炉出口蒸汽干度为75%，而注汽井口蒸汽干度为60%左右，井口的蒸汽干度是保证原油采收率的重要因素，注入的蒸汽干度越高，则原油采收率越高[6]。影响井口蒸汽干度的因素较多，其中注汽管线的热损失为最主要因素。提出利用经济保温厚度计算方法重新对辽河油田的注汽管线保温结构进行优化。

1 辽河油田现有保温结构

辽河油田现有注汽管线634 km，2015 年以前采用复合硅酸盐管壳保温，D114管线保温结构为120 mm的复合硅酸盐管壳，分两层保温，错缝敷设，分层捆扎。保温层外包中压石棉板1.0 mm，φ1.2 铁丝捆扎，最外层缠玻璃布，复合硅酸盐管壳保温结构如图1 所示。复合硅酸盐管壳长时间使用会出现保温材料下沉严重的情况，会造成注汽管线上部热量损失偏大。散热损失为225.8 W/m2，超过国家标准规定数值（188 W/m2）。

图1 复合硅酸盐管壳保温结构

2015 年之后辽河油田采用气凝胶和复合硅酸盐管壳复合保温结构对注汽管线进行保温，此种保温结构已改造231 km。D114 管线保温结构为先包两层6 mm 厚气凝胶，再包50 mm 厚复合硅酸盐管壳，以下简称“6+6+50”。气凝胶和复合硅酸盐管壳复合保温结构如图2 所示，因为气凝胶材料的孔隙率比普通的材料高很多，其95%以上是由空气构成，所以气凝胶材料的保温隔热效果是传统隔热材料2～5 倍，取得同等隔热效果，厚度仅为传统材料的几分之一，且在高温下，以上性能优势更为明显。这种新的保温结构因为保温厚度的减少，保温材料下沉情况有所改善，经济保温厚度计算数值见表1，注汽管线散热损失较采用复合硅酸盐管壳保温明显降低，散热损失为160 W/m2。

图2 气凝胶和复合硅酸盐管壳复合保温结构

2 经济保温厚度数学模型

辽河油田目前注汽管线保温厚度的计算方法是按照GB 50264—2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》中规定的最大允许热损失量方法计算，这种方法规定在管道外表面温度为某值时，绝热层外表面最大允许热损失量满足规范中规定的数值即可。该方法不能满足节能要求，在追求节能降耗和减少碳排放的今天已经不合适宜了。

经济保温厚度方法是综合考虑注汽管线的保温材料价格和注汽管线的热损失年运行成本这两个因素，折算在一定年限内其费用和为最小值的保温层厚度[7-10]。采用GB 50264—2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》中给出的公式计算，计算公式如下：

式中：D1为保温层外径，m；D0为管道外径，m；PE为能量价格，元/GJ；PT为绝热结构单位造价，元/m3；λ为绝热材料在平均温度下的导热系数，W/m·K；αs为绝热层外表面与周围空气的换热系数，W/m·K；t为年运行时间，h；T0为管道外表面温度，℃；Ta为环境温度，℃。

3 现场应用

因为公式（1）为超越方程，只能通过试算进行求解，以D114 管线为例进行计算，经济保温厚度计算数值如表1 所示。

根据表1 中的数据进行试算，公式（1）左边为0.401，右边为0.410，可以认为等式左右相等。D114 注汽管线的经济保温厚度为第一层10 mm 厚气凝胶和第二层110 mm 厚复合硅酸盐管壳复合保温结构，以下简称“10+110”，针对采用经济保温计算方法优化后的注汽管线辽河油田在H 采油厂选取固定注汽锅炉出口D114 管线进行示范线试验，三种不同保温结构测试值见表2。通过与辽河油田之前的两种保温结构对比，热损失大幅度降低，井口干度提升。

表1 经济保温厚度计算数值

表2 三种不同保温结构测试值

4 经济效益及应用前景

D114 注汽管线经济保温厚度（“10+110”）每公里造价为33.5 万元，（“6+6+50”）保温结构每公里造价为26.6 万元，每公里“10+110”较“6+6+50”热损失降低29.6 kW，按照每年运行8 000 h，天然气热值36 000 kJ/m3计算，每公里可节约天然气量为23 680 m3，天然气价格为1.69 元/m3，每公里每年可节约燃料消耗成本40 019.2 元。辽河油田现有403 km 管线采用复合硅酸盐管壳结构保温，保温材料早已老化、热损失大，应及时采用经济保温厚度结构进行更换，每年可节约燃料消耗成本1 612.8 万元。

5 结论

通过对辽河油田现用注汽管线保温结构进行介绍，现场测试散热损失为225.8 W/m2，超过国家标准规定数值，采取经济保温厚度计算公式对注汽管线结构重新进行优化，最终得到D114 注汽管线经济保温模型为第一层10 mm 厚气凝胶和第二层110 mm 厚复合硅酸盐管壳复合保温结构，该结构可大幅降低热损失，经现场应用测试，散热损失为81 W/m2，较复合硅酸盐管壳保温结构井口干度提高了3%，节能减排效果显著，此种注汽管线经济保温结构可在辽河油田大范围推广。