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摘要：真空隔热油管是稠油注蒸汽开采的主要设施之一，其隔热性能直接影响热采效果。本文对真空隔热油管进行了简单介绍，阐述了真空隔热油管隔热性能参数计算方法，并对影响隔热性能的主要因素进行了具体分析。
關键字：隔热油管 传热 影响因素
中图分类号：TU55+1
一. 引言
注汽热采是目前稠油开采最广泛适用的一种方法。稠油注蒸汽开采时，普遍采用隔热油管以减少井筒热损失，提高注入到油层的蒸汽干度，保护套管及套管外的水泥环免受损坏。在我国由于大多数稠油井较深，注汽压力较高，不仅必须采用隔热油管，而且对隔热油管的性能要求亦较高。隔热油管的隔热性能直接影响着稠油开采的效果，因此研究隔热油管的传热影响因素及计算就有非常重要的意义。
二. 真空隔热油管的概要
1.真空隔热油管的结构
真空隔热油管结构如图1所示，图中1代表接箍、2代表密封圈、3代表衬套、4代表衬管、5代表外管、6代表隔热系统、7代表内管，由这七个部分组成。内外管都使用合金材料，由于内管需要接触350oC左右的高温流体，其热应变使得内管伸长，因此在隔热油管生产过程中，需要事先在内管施加预应力伸长后与外管焊接，可补偿内外管温差影响，使产品在高温下可靠工作。
隔热系统的系统设计思路主要是阻止内外管之间以传导、对流、辐射三种传热方式进行传热。隔热系统通常是在进行真空处理或抽真空后回冲惰性气体，并使用氢气吸附剂。还有一些隔热油管在隔热系统中使用如图2的“超级隔热技术”结构，即采用多层隔热材料，利用高反射率的铝箔构成的反射屏面层层反射，对辐射热流造成很高的热阻，以辐射透过率高、导热率低的玻璃丝布阻止屏面的直接接触。
三.真空隔热油管隔热性能参数计算
依据预应力隔热油管的行业标准SY/T5324-94，视导热系数λ，W/（m·C）是隔热油管最重要的性能参数。它反映了隔热油管隔热性能的高低。
视导热系数λ的具体计算公式如下所示：
公式1
公式中：λ——管材的导热系数，W/（m·C）；φ——总的散热损失，W；d2 ——管材的外径，m；d1——管材的内径，m；l——试验段的有效长度，m；t1——管材内表面温度，℃；t2——管材外表面温度，℃。
从公式中可知，降低井筒总的热损失和提高井筒的传热热阻可以降低视导热系数。按照视导热系数入的高低，隔热油管分为五个等级，其中隔热性能最低等级为A级，其视导热系数范围为0.06≦λ<0.08W/（m·C），实际使用中的隔热油管视导热系数高于该范围上限时应该及时维修更换。
四.影响隔热性能的主要因素
1.隔热材料的影响
隔热材料主要是指内外管壁所用的材料以及隔热层选用的具有高反射率的材料。由于液体和气体本身是流体，无一定形状，无法固定于油管壁外，因此不能单独设置。从保证油管具有稳定的隔热层尺寸和导热性能来看，在可成型的条件下，希望材料的导热系数越小越好。由于蒸汽驱隔热油管长期在高温（350℃）环境下工作，对管材的高温力学性能提出了更高的要求，管材化学成分中应加入耐高温和适当的合金元素。通过加入、调整耐高温合金元素比例，使其高温下具有良好的抗拉伸和蠕变性能，且应具有良好的焊接工艺性，其力学性能和焊接性也应满足要求。
隔热层的隔热原理主要是利用遮热板来减少辐射换热。所谓遮热板是指插入两个辐射换热表面之间以削弱辐射换热的薄板。目前生产的隔热油管所采用的隔热层材料大多是在铝箔层间夹裹硅酸铝或硅酸钙之类材料，抽出其中的空气后，再充以氩或氪等惰性气体。高反射率的铝箔旨再减少热辐射。目前开发研制出新的具有高反射率的隔热层材料还有待发展。
2.真空度的影响
由于隔热材料物性是影响不同压力下视导热系数的重要参数，有关研究表明，在不同的隔热材料物性值下，不同压力下的视导热系数随压力的变化有着相似的规律：当p<10-1Pa或p>103Pa时，同压力下的视导热系数基本与压力无关；但在10-1Pa≤p≤103Pa范围内，不同压力下的视导热系数随p的减小而减小。这说明层间抽真空应适可而止，过低的真空度会事半功倍。在隔热油管的制造过程中，宜使隔热油层和铝箔之间以及各层之间接触松散，以减少辐射换热。
3.夹层残气对高真空隔热油管的影响
高真空隔热油管内外管和隔热材料在注汽过程中会释放一些气体，从而降低隔热夹层的真空度，缩短高真空隔热油管的使用寿命。通过室内实验，对隔热夹层中的残气进行了质谱扫描，发现水蒸汽、CO2和碳氢化合物是“污染”夹层真空度的主要因素，可应用除气工艺消除隔热夹层中的残气，以延长高真空隔热油管的使用寿命。经过有关分析表明，高真空隔热管夹层产生的残气主要是水蒸汽，建议生产过程中，除了保证内表面光洁外，还要制定合理的排气流程，确定合理的除气工艺，以保证隔热油管的隔热性能，延长使用寿命；残气中的CO2也较高，应注意碳氢化合物的峰群，这样可彻底消除内壁及隔热材料中的油污染。同时，密封环内充填吸气剂，其功能是对污染气体进行清洁。从而延缓系统随时间增加隔热性能下降的趋势，使隔热油管在较长期工作中保持良好的隔热性能。
4.隔热保温涂料的影响
原油向油管壁主要以导热、对流、热辐射的方式将热量散失于地层。因此，在隔热油管内壁外表面和外壁内表面敷设保温涂料是隔热保温方案的主要任务。
保温技术正在向高效、薄层、隔热防水外护一体化方向发展，薄层隔热保温涂料的发展及应用也是越来越普遍。它不仅自身热阻大、热导率低，而且热反射率很高，能有效地降低辐射传热及对流传热结构，可与传统多孔保温材料复合使用，构成低辐射传热结构，提高保温效果。将涂料敷设在隔热油管内表面或（和）外管外表面，也可以将隔热油管管体表面与腐蚀源隔开，这样，也可以提高隔热油管的有效使用寿命。因此，使用隔热保温涂料也是提高隔热油管隔热性能的一种有效方式。
5.外管内壁面黑度对真空视导热系数的影响
由于在低压下气体夹层内的主要传热方式是辐射传热，所以此时外管内表面的黑度，将明显影响总传热量，也就是会影响视导热系数。所以，制造过程中如有可能，应在内管外壁及外管内壁均敷设一层抗热辐射材料。如果施工中外管内壁不便于敷设抗热辐射材料，则应设法将其打磨的光滑一些，以减少辐射换热。
结束语
真空隔热油管是稠油注蒸汽开采的主要设施之一，其隔热性能直接影响热采效果，所以分析隔热油管隔热层内部的传热过程，研究隔热层各种结构参数对隔热油管隔热性能的影响，对改善隔热油管隔热性能有重要的指导作用。
参考文献
[1]薛瑞新.国内外稠油开采技术研发趋势[J].科技创新导报，2008，27：25
關键字：隔热油管 传热 影响因素
中图分类号：TU55+1
一. 引言
注汽热采是目前稠油开采最广泛适用的一种方法。稠油注蒸汽开采时，普遍采用隔热油管以减少井筒热损失，提高注入到油层的蒸汽干度，保护套管及套管外的水泥环免受损坏。在我国由于大多数稠油井较深，注汽压力较高，不仅必须采用隔热油管，而且对隔热油管的性能要求亦较高。隔热油管的隔热性能直接影响着稠油开采的效果，因此研究隔热油管的传热影响因素及计算就有非常重要的意义。
二. 真空隔热油管的概要
1.真空隔热油管的结构
真空隔热油管结构如图1所示，图中1代表接箍、2代表密封圈、3代表衬套、4代表衬管、5代表外管、6代表隔热系统、7代表内管，由这七个部分组成。内外管都使用合金材料，由于内管需要接触350oC左右的高温流体，其热应变使得内管伸长，因此在隔热油管生产过程中，需要事先在内管施加预应力伸长后与外管焊接，可补偿内外管温差影响，使产品在高温下可靠工作。
隔热系统的系统设计思路主要是阻止内外管之间以传导、对流、辐射三种传热方式进行传热。隔热系统通常是在进行真空处理或抽真空后回冲惰性气体，并使用氢气吸附剂。还有一些隔热油管在隔热系统中使用如图2的“超级隔热技术”结构，即采用多层隔热材料，利用高反射率的铝箔构成的反射屏面层层反射，对辐射热流造成很高的热阻，以辐射透过率高、导热率低的玻璃丝布阻止屏面的直接接触。
三.真空隔热油管隔热性能参数计算
依据预应力隔热油管的行业标准SY/T5324-94，视导热系数λ，W/（m·C）是隔热油管最重要的性能参数。它反映了隔热油管隔热性能的高低。
视导热系数λ的具体计算公式如下所示：
公式1
公式中：λ——管材的导热系数，W/（m·C）；φ——总的散热损失，W；d2 ——管材的外径，m；d1——管材的内径，m；l——试验段的有效长度，m；t1——管材内表面温度，℃；t2——管材外表面温度，℃。
从公式中可知，降低井筒总的热损失和提高井筒的传热热阻可以降低视导热系数。按照视导热系数入的高低，隔热油管分为五个等级，其中隔热性能最低等级为A级，其视导热系数范围为0.06≦λ<0.08W/（m·C），实际使用中的隔热油管视导热系数高于该范围上限时应该及时维修更换。
四.影响隔热性能的主要因素
1.隔热材料的影响
隔热材料主要是指内外管壁所用的材料以及隔热层选用的具有高反射率的材料。由于液体和气体本身是流体，无一定形状，无法固定于油管壁外，因此不能单独设置。从保证油管具有稳定的隔热层尺寸和导热性能来看，在可成型的条件下，希望材料的导热系数越小越好。由于蒸汽驱隔热油管长期在高温（350℃）环境下工作，对管材的高温力学性能提出了更高的要求，管材化学成分中应加入耐高温和适当的合金元素。通过加入、调整耐高温合金元素比例，使其高温下具有良好的抗拉伸和蠕变性能，且应具有良好的焊接工艺性，其力学性能和焊接性也应满足要求。
隔热层的隔热原理主要是利用遮热板来减少辐射换热。所谓遮热板是指插入两个辐射换热表面之间以削弱辐射换热的薄板。目前生产的隔热油管所采用的隔热层材料大多是在铝箔层间夹裹硅酸铝或硅酸钙之类材料，抽出其中的空气后，再充以氩或氪等惰性气体。高反射率的铝箔旨再减少热辐射。目前开发研制出新的具有高反射率的隔热层材料还有待发展。
2.真空度的影响
由于隔热材料物性是影响不同压力下视导热系数的重要参数，有关研究表明，在不同的隔热材料物性值下，不同压力下的视导热系数随压力的变化有着相似的规律：当p<10-1Pa或p>103Pa时，同压力下的视导热系数基本与压力无关；但在10-1Pa≤p≤103Pa范围内，不同压力下的视导热系数随p的减小而减小。这说明层间抽真空应适可而止，过低的真空度会事半功倍。在隔热油管的制造过程中，宜使隔热油层和铝箔之间以及各层之间接触松散，以减少辐射换热。
3.夹层残气对高真空隔热油管的影响
高真空隔热油管内外管和隔热材料在注汽过程中会释放一些气体，从而降低隔热夹层的真空度，缩短高真空隔热油管的使用寿命。通过室内实验，对隔热夹层中的残气进行了质谱扫描，发现水蒸汽、CO2和碳氢化合物是“污染”夹层真空度的主要因素，可应用除气工艺消除隔热夹层中的残气，以延长高真空隔热油管的使用寿命。经过有关分析表明，高真空隔热管夹层产生的残气主要是水蒸汽，建议生产过程中，除了保证内表面光洁外，还要制定合理的排气流程，确定合理的除气工艺，以保证隔热油管的隔热性能，延长使用寿命；残气中的CO2也较高，应注意碳氢化合物的峰群，这样可彻底消除内壁及隔热材料中的油污染。同时，密封环内充填吸气剂，其功能是对污染气体进行清洁。从而延缓系统随时间增加隔热性能下降的趋势，使隔热油管在较长期工作中保持良好的隔热性能。
4.隔热保温涂料的影响
原油向油管壁主要以导热、对流、热辐射的方式将热量散失于地层。因此，在隔热油管内壁外表面和外壁内表面敷设保温涂料是隔热保温方案的主要任务。
保温技术正在向高效、薄层、隔热防水外护一体化方向发展，薄层隔热保温涂料的发展及应用也是越来越普遍。它不仅自身热阻大、热导率低，而且热反射率很高，能有效地降低辐射传热及对流传热结构，可与传统多孔保温材料复合使用，构成低辐射传热结构，提高保温效果。将涂料敷设在隔热油管内表面或（和）外管外表面，也可以将隔热油管管体表面与腐蚀源隔开，这样，也可以提高隔热油管的有效使用寿命。因此，使用隔热保温涂料也是提高隔热油管隔热性能的一种有效方式。
5.外管内壁面黑度对真空视导热系数的影响
由于在低压下气体夹层内的主要传热方式是辐射传热，所以此时外管内表面的黑度，将明显影响总传热量，也就是会影响视导热系数。所以，制造过程中如有可能，应在内管外壁及外管内壁均敷设一层抗热辐射材料。如果施工中外管内壁不便于敷设抗热辐射材料，则应设法将其打磨的光滑一些，以减少辐射换热。
结束语
真空隔热油管是稠油注蒸汽开采的主要设施之一，其隔热性能直接影响热采效果，所以分析隔热油管隔热层内部的传热过程，研究隔热层各种结构参数对隔热油管隔热性能的影响，对改善隔热油管隔热性能有重要的指导作用。
参考文献
[1]薛瑞新.国内外稠油开采技术研发趋势[J].科技创新导报，2008，27：25