注水井聯(lián)動測試防噴管加熱保溫技術(shù)設(shè)計

韓文超

（大慶油田 第七采油廠，黑龍江 大慶 163515）

為提高分層測試質(zhì)量，進一步實現(xiàn)精確注水，2010年起100%的分層注水井開展年測試3次的工作，測試工作量不斷加大，冬季也需要進行水井測試。聯(lián)動測試技術(shù)與橋式偏心分層配水工藝相結(jié)合，可縮短測試時間，提高測調(diào)效率，但在進行聯(lián)動測試時，防噴管內(nèi)部的水幾乎不流動，隨著冬季氣溫降低，管內(nèi)極易結(jié)冰，不僅增加測試難度，而且會造成電纜抽頭后儀器掉井，導(dǎo)致冬季聯(lián)動測試工作無法順利進行，為此，本文開展注水井聯(lián)動測試防噴管加熱保溫技術(shù)研究，并提出3種設(shè)計方案，碳纖維內(nèi)襯加熱技術(shù)、電熱帶整體外包加熱技術(shù)和硅膠電熱板分體加熱技術(shù)，以解決冬季測試防噴管內(nèi)部結(jié)凍的問題。

1 防噴管加熱保溫功率計算

冬季進行注水井聯(lián)動測試時，野外溫度約在-20～-30℃，防噴管內(nèi)部水初始溫度約10℃，電加熱產(chǎn)生的熱量一部分補充給防噴管內(nèi)部的水，另一部分熱量要彌補與周圍冷空氣及相關(guān)部件進行的熱交換損失上。

電加熱需供給防噴管內(nèi)部的水的熱量為：

式中 Δt：管內(nèi)水的溫差變化；C：水的比熱容，4.2kJ·（kg·℃）-1；m：管內(nèi)水的質(zhì)量。

利用此公式計算得出，長度為2.5m，內(nèi)徑為Ф62mm的防噴管內(nèi)部的水，溫度從10℃降低到0℃散發(fā)的熱量為3.2×105J，根據(jù)實際現(xiàn)場經(jīng)驗，冬季氣溫在-30℃時，防噴管內(nèi)的水約30min開始結(jié)冰，即電加熱提供給水的熱量每秒應(yīng)大于177.8J。

與周圍環(huán)境進行熱交換產(chǎn)生的熱量損失為：

式中 AW：管的外壁面積；tw：管的外壁溫度；t：外部環(huán)境溫度；αT：對流、輻射聯(lián)合傳熱系數(shù)，αT=9.4+0.052（tw-t)；

利用此公式計算得出，電熱線與周圍環(huán)境進行熱交換產(chǎn)生的熱量損失為每秒263.1J。因此，電加熱產(chǎn)生的實際熱量應(yīng)大于以上兩部分熱量之和，即功率應(yīng)大于441W。

2 碳纖維內(nèi)襯加熱技術(shù)

圖1 碳纖維內(nèi)襯結(jié)構(gòu)Fig.1 Diagram of carbon fibre inner

碳纖維是含C量在90%以上的纖維物質(zhì)，屬純黑體材料，升溫迅速，比其他金屬、陶瓷電熱材料快近1/3的時間達到額定溫度，電熱轉(zhuǎn)化效率高，比一般金屬發(fā)熱體節(jié)能30%以上，熱傳導(dǎo)率高達98%以上，節(jié)能省電。

該工藝是在原防噴管內(nèi)部襯上一層高壓合金管（耐壓40MPa），并在合金管外表面纏繞碳纖維電熱線，管兩端套扣，采用螺旋堵頭和橡膠圈密封，防止水進入防噴管與合金管的環(huán)形空間，通過測試車車載供電使碳纖維電熱線發(fā)熱，并在供電線路上安裝漏電空開保護器，一旦發(fā)生漏電，可及時斷開電源，防止事故發(fā)生。該工藝設(shè)計是在測試防噴管基礎(chǔ)上內(nèi)襯高壓合金管，不改變原防噴管的外形結(jié)構(gòu)尺寸，與井口的安裝連接方式不變，雖內(nèi)徑尺寸有所減小，但不影響測試儀器的下入。

防噴管內(nèi)徑Ф62mm，為給測試儀器提供足夠的下入空間，選用Ф49mm內(nèi)徑的合金管，厚度2.5mm，外纏直徑為Ф3.0mm的碳纖維電熱線100m，可產(chǎn)生480W熱功率，滿足冬季水井測試保溫需要，纏繞后的合金管外徑為Ф60mm，與防噴管內(nèi)部兩側(cè)存有1mm的預(yù)留空間，保證高壓合金管順利安裝到防噴管內(nèi)。

3 電熱帶整體外包加熱技術(shù)

圖2 電熱帶整體外包結(jié)構(gòu)Fig.2 Diagram of ribbon heater whole casting

電熱帶是一種二芯結(jié)構(gòu)的加熱電纜，由兩根平行金屬導(dǎo)線外敷高分子材料和阻燃護套材料構(gòu)成，正常工作溫度60℃。設(shè)計將電熱帶連續(xù)纏繞在防噴管外表面，再依次包裹上聚乙烯泡沫保溫層和防雨布，防止防噴管堵頭噴水滲入保溫層，使其失去功效，并防止外界工具傷害保溫層，兩端用卡子密封固定。通過測試車車載供電使電熱帶發(fā)熱，并在供電線路上安裝漏電空開保護器，通過電熱帶發(fā)熱及外層隔熱保溫的作用實現(xiàn)冬季水井測試的目的，外包纏繞電熱帶及保溫層已留出足夠的蹬梯空間，不影響測試工人上下操作。設(shè)計應(yīng)用電熱帶總長度24m，產(chǎn)生總功率480W，滿足防噴管防凍熱量需求，外包纏繞后厚度約14mm，剩余蹬梯空間可滿足工人操作需要。

4 硅膠電熱板分體加熱技術(shù)

硅膠電熱線主要是由合金電熱絲和硅橡膠高溫絕緣布組成，在150℃下可長期使用而幾乎無性能變化，在200℃下可持續(xù)使用10000h，具有發(fā)熱快、溫度均勻、熱效率高、韌性好等特點。

硅膠電熱板分體加熱裝置由2～3節(jié)加熱保溫盒組成，保溫盒以分體式可開合鋼骨架做基材，將硅膠電熱線均勻硫化于橡膠之中，按照保溫盒的規(guī)格，制成柔性硅膠電熱板，鑲嵌于鋼性殼體中，并在保溫盒外壁涂上絕緣隔熱樹脂，減少熱量散失，鋼體外殼安裝防水防爆插座，增加其使用安全性。使用時將加熱保溫盒卡裝于防噴管梯子之間，接通車載電源進行供電，保溫盒安裝拆卸方便，鋼體外殼耐磕碰，不易損壞，可根據(jù)環(huán)境溫度，適當增減卡裝加熱裝置的級數(shù)。每塊硅膠電熱板內(nèi)排10m電熱線，可產(chǎn)生功率200W，3節(jié)合計產(chǎn)生功率600W，滿足冬季水井聯(lián)動測試保溫需要。

圖3 硅膠電熱板結(jié)構(gòu)Fig.3 Diagram of silica gel hot plate

5 結(jié)論

（1）碳纖維內(nèi)襯加熱技術(shù)應(yīng)用不改變原防噴管的外形結(jié)構(gòu)尺寸，雖內(nèi)徑尺寸有所減小，但不影響測試儀器的下入。

（2）電熱帶整體外包加熱技術(shù)設(shè)計工藝簡單，成本低，外包纏繞留有足夠的蹬梯空間，不影響測試工人上下操作。

（3）硅膠電熱板分體加熱裝置安裝拆卸方便，鋼體外殼耐磕碰，不易損壞，可根據(jù)環(huán)境溫度，適當增減卡裝加熱裝置的級數(shù)。

［1］呂立斌，荀勇.碳纖維及其復(fù)合材料性能與應(yīng)用［J］.山東紡織科技，2004，（6）.

［2］邊朝朝，孫德超.常見電熱帶的結(jié)構(gòu)與原理和使用注意事項［J］.電熱電纜，2004，（6）.