复合硅酸盐保温材料在稠油热采注蒸气管道上的应用研究

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1、复 合 硅 酸 盐 保 温 材 料 在 稠 油 热 采 注蒸 气 管 道 上 的 应 用 研 究刘晓燕 刘立君 贾永英(大庆石油学院建筑工程系 ,大庆 163318)摘 要 为了解决稠油热采注蒸气管道 保 温 结 构 存 在 的 问 题 ,进 行 了 大 量 的 室 内 试 验 研 究 。 测试了复合硅酸盐保温涂料 、 板材及涂料和板材组成的 复 合 保 温 结 构 的 性 能 及 其 在 高 温 稠 油 热 采 注 蒸 气 管道上的应用效果 。 从而研究出了适合稠油热采注蒸气管道的三层不等厚复合保温 结 构 。 并 按 优 化 设计结果 ,在辽河油田曙光采油厂热采 注 蒸 气 管 道 上 推

2、 广 应 用 了 该 复 合 保 温 结 构 ,管 道 散 热 损 失 大 大 降低 ,从而保证了井口的蒸气干度 ,取得了巨大的增产效益 。关键词 复合硅酸盐 保温材料 稠油 热采 蒸气管道为 了 提 高 稠 油 的 采 出 率 , 我 国 从 20 世 纪 80年 代初开始稠 油 工 业 热 力 开 采 ,在 引 进 国 外 注 蒸 气 开采先进技 术 和 设 备 的 基 础 上 ,迅 速 形 成 了 注 蒸 气吞吐开采 配 套 技 术 ,当 今 蒸 气 吞 吐 开 采 是 我 国稠油的主 要 开 采 方 式 。 蒸 气 吞 吐 采 油 ,就 是 周期性地向油层中注入高温蒸气 (350 )

3、,将 大 量 的热 带入油层使 原 油 粘 度 大 大 降 低 ,从 而 提 高 原 油 的流动能力 ,起 到 增 产 的 作 用 。 蒸 气 吞 吐 过 程 包 括 注蒸气 ( 几 天 至 十 几 天 ) 、 焖 井 ( 2 5d) 及 采 油(几个月以 上 ) 3 个 阶 段 ,当 稠 油 阶 段 的 产 量 接 近经济极限产 量 时 ,即 开 始 下 一 个 吞 吐 周 期 。 有 关 稠 油气驱资料 统 计 表 明 ,注 入 井 底 的 蒸 气 干 度 每 提 高 10 % ,大 约 可 增 加 3 %的 稠 油 产 量 。 而 井 口干 度的主要影 响 因 素 是 注 蒸 气 管 道

4、 的 散 热 损 失 ,如 果稠油热采 注 蒸 气 管 道 保 温 状 况 不 良 ,就 会 造 成 巨大的散热 损 失 ,致 使 蒸 气 到 达 井 口 及 井 底 的干度无法保证 。 稠 油热 采 注 蒸 气 管 道 原 保 温 结 构 以 岩 棉 为主 ,防护层为 玻 璃 丝 布 刷 漆 。 由 于 热 采 注 蒸 气 管 道处 于 野 外 ,不 但 经 受 冬 冷 夏 热 ,日 晒 雨 淋 ,风 吹雨打 ,大 气 腐 蚀 ,外 力 冲 击 及 火 烧 等 侵 袭 ,而 且 由 于 管道内部水 击 及 压 力 波 动 等 影 响 ,造 成 管 道 频繁 振动 。 而且 ,吞 吐 热 采

5、工 艺 要 求 注 蒸 气 管 道 间歇运行 ,经常处于 启 停 ( 热 、 冷 ) 交 替 工 作 状 态 ,导致热采注蒸气管道原保温结构的平均使用寿命只 有 2 年左右 。 在 使 用 过 程 中 发 现 ,岩 棉 、 玻 璃 棉 、矿渣棉及复合硅酸盐保温板材等软质材料做成的保温结构 ,突出的问题是保温材料下沉 ,造成高温 蒸气管道上部热损失较大 ,远远超过国家标准 ,能 源浪费严重 ;微孔硅酸钙等硬质保温材料 ,缝隙部 分很难处理 ,振动及经常启停后缝隙增大 ,漏热严 重 ,使保温结构的导热系数增大 ;近些年国内复合 硅 酸盐等保温 涂 料 应 用 较 广 ,其 保 温 性 能 及 其

6、它 机械性能较好 ,但其单独使用在注蒸气管道后 ,由 于 管道振动及不 连 续 运 行 ( 反 复 热 胀 冷 缩 ) 等 ,造 成一定时间后 ,保温涂料出现裂缝 ,散热损失超过 国家标准规定的允许值 。为 了解决热 采 注 蒸 气 管 道 使 用 寿 命 短 ,保 温 效 果差等问题 ,利 用 研 制 的 管 道 保 温 结 构 模 拟 测 试装置 ,对复合硅酸盐保温涂料 、 板材及涂料和板 材组成的复合保温结构进行了一系列室内模拟实 验 研 究 , 找 出 了 理 想 的 热 注 蒸 气 管 道 保 温 结 构 。 将室内试验研究成果应用于辽河油田热采注蒸气 管道 ,管道的散热损失大大降低

7、 ,从而保证了蒸气 到达井口时的干度 。石 油 天 然 气 集 团 公 司 “九 五 ”攻 关 课 题 ( 项 目 编 号 970606) 1作 者 简 介 :刘 晓 燕 (1962 ) ,女 ,博 生 研 究 生 ,教 授 1 主 要 从 事 绝 热 技 术 研 究 141硅酸盐通报 2003 年第 4 期 专题论文温涂料的体积收缩率是保温涂料干燥后的体积占原 保 温 涂 料 体 积 的 百 分 数 ,该 值 越 小 ,含 水 越 少 , 按 该指标划 分 的 保 温 涂 料 等 级 越 高 ; 抗 拉 强 度 是 指 单位面积 能 承 受 的 最 大 拉 力 ,该 指 标 代 表 保 温

8、材料施工过程中是否易折断和易裂 ,该值越小 ,越易 断或裂 ;粘接 强 度 是 指 涂 料 粘 接 到 铁 板 上 干 燥 后 ,单位面积的所能承受的最大剪切力 ,它代表保 温涂料的粘接能力 ,是涂料施工是否方便的指标 ; p H 值是代表保温材料酸碱度的指 标 ,它 表 明 材 料 对 管道是否易 产 生 腐 蚀 ,由 于 钢 管 具 有 一 定 的 耐碱 性 ,因 此 材 料 的 p H 值 应 偏 碱 性 ,标 准 1 规 定 ,复合硅酸盐保温涂料的 p H 值应为 9 11 。 保 温材料用 于 管 道 后 ,由 于 其 弯 曲 、 接 缝 、 密度 变化及多 种 保 温 材 料 复

9、合 使 用 等 的 影 响 ,保 温 材料本身的导热系数已不能代表其实际状况下保温 结 构 的 绝 热 性 能 ,为 此 依 据 国 家 标 准 2 在 热 力管 道模拟 试 验 装 置 上 测 试 了 复 合 硅 酸 盐 保 温 涂 料 、 板材及其复 合 结 构 的 管 状 保 温 结 构 导 热 系 数 及 下沉开裂 等 状 况 ,为 稠 油 热 注 蒸 气 管 道 保 温 结 构设计及改造提供了科学的依据 。1 . 1 复合硅酸盐保温涂料及板材室内试验研究复合硅酸 盐 保 温 涂 料 和 板 材 生 产 厂 家 很 多 , 产 品质量 不 一 ,甚 至 有 较 大 差 异 。 对 8

10、个 厂 家 生 产的复合硅酸盐保温涂料及 6 个厂家生产的 复 合 硅酸盐板材的性能进行了测试 。 试验结果分别见 表 1 ,表 2 。试 验 研 究1工 程实践表 明 : 保 温 效 果 的 好 坏 及 保 温 结 构寿命的长短 ,除与保温材料本身有关外 ,还取决于 其 应用场所 、 保 温 结 构 性 能 的 优 劣 及 施 工 质 量 的好 坏 。 然而长 期 以 来 ,人 们 往 往 把 常 温 下 保 温 材料 的导热系数 作 为 材 料 筛 选 的 主 要 指 标 ,甚 至 是 唯一指标 。 其实 ,要确保工程的保温效果 ,必须针 对 其实际应用 工 况 ,充 分 考 虑 保 温

11、材 料 的 热 物 理性能 、 机械性能 、 化学性能以及物理性能等多类性 能 指 标 ,设 计 合 理 的 保 温 结 构 ,并 保 证 施 工 质 量 。 这些性能指标 ,一部分表征其绝热性能 ,直接影响 保温效果 ;另一部分涉及到施工等其他性能 ,关系 到施工质量 ,间接影响保温效果 。依 据国 家 标 准 1 ,2 , 试 验 研 究 了 保 温 材 料 及 结构的性能 。 主 要 包 括 保 温 材 料 的 导 热 系 数 、 最 高使用温度 、 长期使用温度 、 容重 、 体积收缩率 、 抗 拉 强 度 、 粘 接 强 度 及 p H 值 等 基 本 指 标 和 辅 助 指 标 。

12、 导热系数是代表保温材料绝热性能优劣的指标 ,导热系数越小 ,绝热性能越好 。 试验研究过程 中 ,不 仅 按 国 标 要 求 测 试 了 保 温 材 料 在 70 和350 时的导 热 系 数 ,而 且 测 试 了 导 热 系 数 方 程 , 即 给出了导热 系 数 随 温 度 的 变 化 关 系 ; 最 高 使 用 温 度是指保温 材 料 最 高 允 许 使 用 温 度 ,若 超 过 此值 ,保温材料将被破坏而无法正常工作 ;长期使用 温 度是指保温 材 料 长 期 安 全 使 用 的 温 度 范 围 ; 保表 1 复合硅酸盐保温涂料性能测试及模拟试验结果测 试 项 目生 产 厂 家浆 体

13、 容 量 / kgm - 3 干 燥 容 重 / kgm - 3 体 积 收 缩 率 / % p H 值 抗 拉 强 度 / kPa 粘 接 强 度 / kPa三 峡齐 齐 长 虹热 力 保 热 力 保 华 油福 利 厂1074103611069341079994108211702391954852403852222953331610284111518308 96 78 99 107 87 87 87 817058130104125137133924919326352483452测 试 项 目生 产 厂 家 最 高 使 用温 度 / 材 料 导 热 系 数 方 程 a + bt 管 状 结 构

14、 导 热 系 数 方 程 a + bt 开 裂 情 况b 104 b 104a a三 峡齐 齐 长 虹热 力 保 热 力 保 华 油福 利 厂6005006006007006006006000 . 102010960110101097011110109501104010911. 141128014811111130113311040191有 裂 缝有 裂 缝表 面 裂 纹多 处 裂 缝无 裂 缝无 裂 缝无 裂 缝无 裂 缝01056010730107111400152016942硅酸盐通报 2003 年第 4 期 专题论文表 2 复合硅酸盐保温板材性能测试及模拟试验结果测 试 项 目生 产

15、厂 家干 燥 容 量 / kgm - 3 含 水 率/ % 线 收 缩 率 / % p H 值 抗 拉 强 度 / kPa 最 高 使 用 温 度 / 三 峡西 飞 厂 福 利 厂 垫 江 远 方远 大7 87 87 8140 10183142 248 600126 201235 600100 135 6004153187 87 8124 2 250 600152 2 169 600测 试 项 目生 产 厂 家 材 料 导 热 系 数 方 程 a + bt 结 构 导 热 系 数 方 程 a + bt 下 沉 情 况b 104 b 104a a三 峡西 飞 厂 福 利 厂 垫 江 远 方 远

16、大下 沉下 沉 下 沉 下 沉 下 沉 下 沉0. 070010620104701037010432. 490189115421392110010520104601035010580196013501710160由 表 1 可 见 ,复 合 硅 酸 盐 保 温 涂 料 除 个 别 性能不能满足 国 标 要 求 外 ,一 般 都 比 较 理 想 。 测 试 结 果表明 ,保温 涂 料 及 其 管 状 保 温 结 构 的 导 热 系数 随温度发生 性 变 化 ,其 导 热 系 数 与 温 度 的 关 系用线性方程 a + bt 表示 ,其中 a ,b 是试验测试出的 常 数 ,t 是 平 均 使 用 温 度 。 只 要 把 平 均 使 用 温 度代入该方程 ,就可以得出任何温度下的导热系数 。 由 表 1 可见 ,管 状 保 温 结 构 的 导 热 系 数 方 程 a 值较大 ,说明保温涂料用