電伴熱帶在煤層氣地面井口系統(tǒng)中的應(yīng)用

米光偉 陳巨標(biāo) 駱裕明 劉紅霞 張建偉 熊飛 劉瑞娟

（中國石油天然氣股份有限公司山西煤層氣勘探開發(fā)分公司）

1 煤層氣田電伴熱帶應(yīng)用現(xiàn)狀

煤層氣田與常規(guī)氣田相比，開發(fā)的最大不同之處在于：煤層氣田開采初期是先排水后采氣。因此，煤層氣生產(chǎn)管道中含有一定數(shù)量的水。為避免井口管道的凍堵，需在單井及叢式井井場內(nèi)的地面井口集氣管道和集水管道進(jìn)行伴熱保溫。

山西晉城煤層氣田建設(shè)初期，秉承綠色環(huán)保和低成本建設(shè)理念，為簡化流程，煤層氣井管道伴熱保溫采用了電伴熱帶技術(shù)，與熱水伴熱流程相比，減少了能源浪費(fèi)，大幅節(jié)省了煤層氣田地面集輸系統(tǒng)的建設(shè)投資。

管道電伴熱常用方法有三種：感應(yīng)加熱法（費(fèi)用高）、集膚效應(yīng)法（適用于長輸管道）和電阻加熱法。電阻加熱法由于投資低、適用條件較為寬泛，被廣泛使用。從開發(fā)初期到2017年，山西晉城煤層氣田管道伴熱采用的是 60 W恒功率電伴熱帶，恒功率電伴熱帶屬于電阻加熱法的一種，這種恒功率電伴熱帶耗電量較大，不利于成本控制，優(yōu)化更新勢在必行。

2 煤層氣田地面井口系統(tǒng)電熱帶優(yōu)選

2.1 電伴熱帶結(jié)構(gòu)及原理

電阻加熱法是利用電阻體發(fā)熱，補(bǔ)償管道的散熱損失。根據(jù)電伴熱原理，采用電阻體發(fā)熱的電伴熱帶可以分為兩種基本類型：恒功率電伴熱帶和自限溫電伴熱帶［1］。

2.1.1 恒功率電伴熱帶

恒功率電伴熱帶包括單相并聯(lián)帶、三相并聯(lián)帶和三相串聯(lián)帶三種。山西晉城煤層氣田井場采用的是串聯(lián)式恒功率電伴熱帶。

串聯(lián)式恒功率電伴熱帶原理：串聯(lián)式電伴熱帶以絕緣銅絞線作為電源母線，即為發(fā)熱芯線。具有一定內(nèi)阻的芯線通過電流芯線產(chǎn)生焦耳熱量，其大小與電流平方、芯線阻值和通過時間成正比。因此，串聯(lián)式電伴熱帶隨著通電時間的延續(xù)，不斷地發(fā)出熱量，形成一條連續(xù)的、均勻發(fā)熱的電伴熱帶。串聯(lián)式電伴熱帶芯線電流相同、電阻相等，所以整根電伴熱帶首尾發(fā)熱均勻，其輸出功率恒定，不受環(huán)境溫度和管道溫度影響。

串聯(lián)式恒功率電伴熱帶結(jié)構(gòu)如圖1所示，其電阻絲是串聯(lián)連接方式，工作時靠電阻絲發(fā)熱對管道進(jìn)行加熱。

圖1 恒功率電伴熱帶結(jié)構(gòu)示意

串聯(lián)式恒功率電伴熱帶特點(diǎn)：啟動電流較小，運(yùn)行過程中基本無功率衰減；交叉安裝時，局部管道溫度有可能超過其最高承受溫度，而且電熱帶若有局部損壞，將影響其他部位的使用；能耗固定，日常運(yùn)行成本高。

2.1.2 自限溫電伴熱帶

自限溫電伴熱帶原理：環(huán)境溫度低時，導(dǎo)電塑料微觀收縮，電流通道增加，電阻體發(fā)熱量增加；環(huán)境溫度中等時，導(dǎo)電塑料微觀膨脹，部分電流通道斷開，電阻體發(fā)熱量減少；環(huán)境溫度高時，導(dǎo)電塑料有較大的熱膨脹，幾乎所有電流通道切斷，電流幾乎不通，故發(fā)熱量近于零［1］114。其輸出功率不恒定，隨環(huán)境溫度影響而變化，環(huán)境溫度越高，輸出功率越低。

自限溫電伴熱帶結(jié)構(gòu)如圖2所示。自限溫電伴熱帶是在兩條平行導(dǎo)線中間填充導(dǎo)電塑料作為芯線。當(dāng)電源接通后，通過芯線，電流由一條導(dǎo)線傳到另一條導(dǎo)線，形成回路，產(chǎn)生熱量，補(bǔ)償管道的散熱損失。

圖2 自限溫電伴熱帶結(jié)構(gòu)示意

自限溫電伴熱帶特點(diǎn)：整體發(fā)熱，可以任意交叉、重疊，且在現(xiàn)場安裝時可任意裁截長度，減少不必要的浪費(fèi)。自限溫電熱帶由無數(shù)并聯(lián)結(jié)構(gòu)組成，即使有局部損壞，也不影響其他部分的使用［1］114。

2.1.3 電伴熱帶類型選擇

根據(jù)上述恒功率電伴熱帶和自限溫電伴熱帶的結(jié)構(gòu)原理和工作特性，對比分析兩種伴熱帶的優(yōu)、缺點(diǎn)，具體情況見表1。

表1 電伴熱帶類型和特點(diǎn)

由表1可以得知兩種電伴熱帶的優(yōu)缺點(diǎn)，且自限溫電伴熱帶比恒功率電伴熱帶的材料費(fèi)用低。由于煤層氣田電伴熱帶是對煤層氣田室外井口地面管道伴熱保溫，受室外環(huán)境溫度即晝夜溫差影響大，同時，需要伴熱保溫的管道常伴有閥門、法蘭等附件，因此，自限溫電伴熱帶與恒功率電伴熱帶相比，更適宜在該類工況下使用。

綜上所述，選擇自限溫電伴熱帶作為山西晉城煤層氣田使用的電伴熱帶更為適宜。

2.2 熱量損失計(jì)算

通過計(jì)算管道損失的熱量，確定電伴熱帶補(bǔ)充的熱量，校核電伴熱帶功率。管道散熱量計(jì)算［2］如下：

式中：Q——實(shí)際所需伴熱量，W/m；q——基準(zhǔn)情況下單位長度管道的散熱量，W/m；e——管材系數(shù)，金屬為1，非金屬為0.6～0.9；h——環(huán)境系數(shù)，室外為1，室內(nèi)為0.9；f——保溫材料系數(shù)（查表可知）。

2.2.1 基礎(chǔ)參數(shù)確定

1）管材：煤層氣田井口管道為金屬管，采用20#無縫鋼管，管材系數(shù)e=1。

2）管徑：煤層氣田單井、叢式井井場管道通常為D60×3.5，水平井為D89×4。

3）基準(zhǔn)情況下單位長度管道的散熱量（q）見表2：

表2 管道的散熱量*

①管道溫差：管道內(nèi)部氣體保持溫度為15 ℃，外界環(huán)境最低溫度為-35 ℃，最大溫差為50 ℃。

②管道保溫材料厚度：40 mm。

當(dāng)管道保溫厚度為40 mm、溫差為50 ℃、管徑分別為DN50和DN80時，由表2可以得知，DN50管道散熱量為15.25 W/m，DN80管道散熱量為20 W/m。

4）環(huán)境系數(shù)：管道位于室外，h=1。

5）管道保溫材料：

常用的管道保溫材料有玻璃纖維、巖棉、礦渣棉、珍珠巖及聚氨酯泡沫塑料等。其中，玻璃纖維、巖棉和礦渣棉屬于軟質(zhì)保溫材料，不易成型，且其成分容易造成皮膚過敏、瘙癢，工人現(xiàn)場施工時需要全副武裝，扎緊袖口、領(lǐng)口避免飛屑進(jìn)入，給施工帶來諸多不便。而且，這些材料現(xiàn)場裁切較為困難；珍珠巖成型好，但容易碎裂，施工、裁切時材料損耗大；聚氨酯泡沫塑料成型好，易安裝，現(xiàn)場裁切方便，便于現(xiàn)場施工。因此，通常情況下，現(xiàn)場管道保溫材料優(yōu)先選用聚氨酯泡沫塑料。各類保溫材料的保溫系數(shù)如表3所示。

表3 保溫系數(shù)

目前，煤層氣田地面管道保溫材料采用自熄型硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料。由表3可以得知，聚氨酯泡沫塑料保溫系數(shù)為0.67。

2.2.2 電伴熱帶功率計(jì)算

室外管道保溫，h=1；采用20#無縫鋼管，e=1；管道保溫材料選用自熄型硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，保溫系數(shù)f=0.67。根據(jù)管道散熱量公式，計(jì)算如下：

由上述計(jì)算得知，極端環(huán)境下，管道的散熱量：DN50的為10.22 W/m、DN80的為13.4 W/m。同時，考慮保溫材料的質(zhì)量及現(xiàn)場施工問題，電伴熱帶所選用的功率應(yīng)當(dāng)大于計(jì)算得出的管道散熱量，因此，DN50管道電伴熱帶選用的功率為15 W，DN80管道的為20 W。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 實(shí)際選用的電伴熱帶

通過計(jì)算，優(yōu)選采用自限溫電伴熱帶。煤層氣田管道管徑為DN50、DN80時，其電伴熱帶功率分別為15 W、20 W。為便于電伴熱帶的采購及維護(hù)，統(tǒng)一采購、使用35 W的自限溫電伴熱帶。

3.2 電伴熱帶纏繞方式

電伴熱帶敷設(shè)方式正確與否是影響電伴熱效果及其使用壽命的重要因素。為確保電伴熱效果，并延長電伴熱帶使用壽命，對于井場直管段、彎管、立管、三通、閥門以及法蘭的電伴熱帶纏繞方式，要求施工時嚴(yán)格按照規(guī)定進(jìn)行敷設(shè)、纏繞。

3.3 埋地管道不再采用電伴熱帶

山西晉城煤層氣田開采初期埋地管道施工遇到的石方較多、土方較少，盡管山西沁南區(qū)塊的凍土層為-0.6～-0.7 m，管道埋深-1.0 m，但部分埋地管道仍出現(xiàn)凍堵。 為確保生產(chǎn)安全運(yùn)行，井場的埋地管道增加了電伴熱。當(dāng)時打井?dāng)?shù)量較少，均為直井，每個單井井場伴熱的埋地管道也僅為6～7 m，因此，井場的埋地管道伴熱一直被沿用下來。

隨著煤層氣田建設(shè)的發(fā)展，打井?dāng)?shù)量越來越多，成本不斷增加。為控制成本，通過對井場的調(diào)研，確認(rèn)近幾年井場埋地管道開挖多為土方、石方較少，埋地管道基本上不存在凍堵情況，建議取消埋地電伴熱帶。對于個別石方較多的井場，施工時現(xiàn)場可以增加電伴熱帶。

3.4 現(xiàn)場應(yīng)用

2015年，在晉城沁水煤層氣田樊莊區(qū)塊，穩(wěn)產(chǎn)開發(fā)調(diào)整 145口井地面建設(shè)工程項(xiàng)目采用了 30 W的自限溫電伴熱帶進(jìn)行管道伴熱，同時埋地管道不再進(jìn)行電伴熱。2016年7月，145口井投產(chǎn)運(yùn)行，至2018年9月，平穩(wěn)運(yùn)行了兩個冬季，145口井井場管道未出現(xiàn)管道凍堵，電伴熱帶使用狀況較好，保證了煤層氣田生產(chǎn)的安全運(yùn)行。

4 結(jié)束語

山西晉城煤層氣井井場內(nèi)（室外）管道采用自限溫電伴熱帶伴熱。經(jīng)過兩年多的現(xiàn)場運(yùn)行，伴熱效果較好，不僅滿足了煤層氣安全生產(chǎn)的要求，且大幅降低了煤層氣生產(chǎn)運(yùn)行成本，同時也節(jié)約了工程建設(shè)投資，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。有利于煤層氣田的低成本運(yùn)行，可持續(xù)發(fā)展，為“挖潛增效”探索出了一條新途徑。