張科明,王智作,孫建華,周正新,錢山紅
(1.無錫貝來石油專用管有限公司,江蘇 無錫 214151;2.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北 廊坊 065000;3.無錫貝來鋼管有限公司,江蘇 無錫 214151)
地球內(nèi)部蘊(yùn)藏著巨大的能量,相當(dāng)于地球煤炭資源的1.7億倍,這些能量的產(chǎn)生與地球的形成過程以及地球內(nèi)部的放射性元素的衰變、地球內(nèi)部的各種運(yùn)動(dòng)和各種化學(xué)反應(yīng)都有一定的關(guān)系[1]。每年從地球內(nèi)部以熱傳導(dǎo)的方式傳遞到地表,然后再散發(fā)到宇宙太空中的熱量為47 TW,相當(dāng)于當(dāng)今人類年消耗總能量的1000倍,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過全球每年通過地震、火山以及其他水熱活動(dòng)所釋放出來的能量[2]。
地?zé)崮茏鳛榈厍蛏蟽?chǔ)量巨大的自然資源,已成為21世紀(jì)不可忽視的可再生能源之一。
目前開發(fā)利用地?zé)豳Y源的國家已經(jīng)有多達(dá)上百個(gè),并正以每年13%以上的速度上漲[3]。干熱巖等新型地?zé)崮艿目碧胶烷_發(fā)亦受到廣泛關(guān)注,并取得多項(xiàng)重大技術(shù)進(jìn)展,商業(yè)化開發(fā)應(yīng)用可期[4-6]。
“十三五”期間,國家出臺(tái)了首部“地?zé)崮荛_發(fā)利用規(guī)劃”,推動(dòng)了地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)的發(fā)展?,F(xiàn)在,我國擁有世界上規(guī)模最大的地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè),地?zé)峁┡娣e超過11.4億m2,加上溫泉、旅游、康養(yǎng)等的折算,我國已經(jīng)擁有人均1 m2的地?zé)崆鍧嵐┡?/p>
2021年是“十四五”開局之年。我們面對(duì)的是國家實(shí)現(xiàn)“2030年前碳達(dá)峰”“2060年前碳中和”兩個(gè)新的奮斗目標(biāo)。我國能源發(fā)展由清潔高效進(jìn)入了降碳節(jié)能的新階段。而作為清潔、零碳能源的地?zé)崮埽瓉砹丝涨暗陌l(fā)展機(jī)遇。
然而,目前地?zé)崮荛_發(fā)項(xiàng)目尤其是在中深層地?zé)徇\(yùn)用中,一般不用專用保溫管,而是使用普通鋼管、PE管等或者不適合井下使用的保溫管(如聚氨酯保溫管等)作為地?zé)崮茌斔偷墓艿溃瑢?dǎo)致地?zé)崮芾眯实拖隆?/p>
2020年7月15日,河北省管控抽采地?zé)崴恼甙l(fā)布,傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單粗暴的地?zé)崴椴赡J绞艿搅丝刂?,“取熱不取水”的中深層同軸換熱模式得到了各地政府的鼓勵(lì)和支持。同時(shí)油田大量廢棄井改造項(xiàng)目,也運(yùn)用了中深層同軸換熱取熱技術(shù)。此種地?zé)崮荛_發(fā)技術(shù)中運(yùn)用的中心管要求是高絕熱保溫管,因此研發(fā)我國自有的、針對(duì)地?zé)崮芫聼崮軅鬏數(shù)母咝П毓埽嬲龑?shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的高效利用和高質(zhì)量發(fā)展很有必要。我們經(jīng)過2年的努力,研制成功了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的地?zé)峋畬S肂LD系列高效保溫鋼管,為我國科學(xué)、高效、高質(zhì)量開發(fā)利用地?zé)崮苜Y源做出了積極貢獻(xiàn)。
高效的保溫管,在石油開采領(lǐng)域里有類似的產(chǎn)品,稱為隔熱油管。隔熱油管按照《預(yù)應(yīng)力隔熱油管》(SY/T 5324-2013)的規(guī)定進(jìn)行生產(chǎn)。隔熱油管主要用于稠油開采,規(guī)格單一,價(jià)格昂貴,不適于地?zé)崮荛_采。但隔熱油管以及日本溫泉用保溫管的技術(shù)參數(shù)可以作為地?zé)峋酶咝П劁摴苎邪l(fā)的主要參考依據(jù),其設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)亦有重要借鑒價(jià)值。
目前可以用于地?zé)衢_發(fā)的隔熱油管規(guī)格見表1[7],隔熱等級(jí)劃分見表2,主要保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)見表3。通常把導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料稱為保溫材料[我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,凡平均溫度≯350℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)λ≯0.12 W/(m?K)的材料稱為保溫材料],而把導(dǎo)熱系數(shù)在0.05 W/(m?K)以下的材料稱為高效保溫材料。
C級(jí)以上的隔熱油管屬于高效保溫材料的范疇。PE或PPR塑料管的導(dǎo)熱系數(shù)一般在0.4~0.6 W/(m?K)之間,按照國家標(biāo)準(zhǔn)不屬于保溫材料。根據(jù)地?zé)嵊帽毓苁褂脳l件(通常40~150℃之間熱水的輸送),研制的地?zé)嵊酶咝П毓?00℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)可以定為λ<0.02 W/(m?K)。
我國目前地?zé)峋畬?shí)際深度,一般小口徑(取水管內(nèi)徑≤100 mm)可達(dá)2000~3000 m,大口徑通常用于500 m以淺地表面段的保溫。因此,研制的地?zé)峋畬S帽毓埽˙LD系列高效保溫管)的連接強(qiáng)度、使用壽命、抗外擠和抗內(nèi)壓強(qiáng)度等必須滿足相關(guān)要求。
表1 隔熱油管規(guī)格Table 1 Specification of insulation tube
表2 隔熱油管隔熱等級(jí)劃分Table 2 Insulation level of insulation tube
表3 主要保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)Table 3 Thermal conductivity of main insulation material
不同于傳統(tǒng)的PE和PPR單層保溫管結(jié)構(gòu),BLD系列高效保溫管由內(nèi)管和外管組成,內(nèi)外管之間填加新型高性能隔熱材料,并在內(nèi)外管連接處焊接后進(jìn)行抽真空處理,保溫管結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 BLD系列高效保溫管結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of BLD series high efficient insulation steel pipe
熱傳導(dǎo)有3種途徑:熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)、熱輻射。面對(duì)熱量傳遞的3種傳導(dǎo)機(jī)制,BLD保溫管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)旨在最小化3種傳導(dǎo)機(jī)制的熱損失。
隔熱空間隔熱的原理為環(huán)形真空防止熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流導(dǎo)致的熱損失;隔熱材料采用氣凝膠,其對(duì)3種熱傳導(dǎo)機(jī)制都有較好的隔絕(見圖2);纏繞在內(nèi)管外壁的鋁箔進(jìn)一步降低熱輻射導(dǎo)致的熱損失。
對(duì)隔熱層的優(yōu)化是技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵,重點(diǎn)選擇納米氣凝膠氈來改善隔熱層。由于納米氣凝膠材料特殊的結(jié)構(gòu)特性,能有效阻斷、阻隔熱量的傳遞,它是一種隔熱性能優(yōu)異的輕質(zhì)納米多孔網(wǎng)狀非晶固體,微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出“蜂窩狀”的多孔形貌。納米級(jí)別孔空50 nm范圍內(nèi),三維納米骨架顆粒2~5 nm,孔隙率可高達(dá)99.8%,加之其比表面積可高達(dá)1000㎡/g等獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定其具有極低的導(dǎo)熱率[8]。
圖2 氣凝膠應(yīng)對(duì)3種熱傳導(dǎo)途徑的表現(xiàn)Fig.2 Behavior of aerogel responding to three heat transfer pathways
無對(duì)流效應(yīng):氣凝膠納米材料中的氣孔直徑<70 nm,氣孔內(nèi)的空氣分子就失去了自由流動(dòng)的能力,處于近似真空狀態(tài),無法進(jìn)行熱對(duì)流。
無窮遮擋效應(yīng):氣凝膠的氣孔為納米級(jí)氣孔且氣凝膠自身具有極低的密度,氣凝膠內(nèi)的氣孔趨于“無窮多”,每個(gè)氣孔壁都具有遮熱板的作用,因而產(chǎn)生近于“無窮多遮熱板”效應(yīng),使熱輻射降到最低。
無窮長(zhǎng)疏松路徑效應(yīng):氣凝膠的密度極低、比表面大且體積骨架疏松,氣凝膠有無窮多的納米氣孔,熱量在氣凝膠固體材料中沿著氣孔壁傳導(dǎo),有無窮多的氣孔壁構(gòu)成“無窮長(zhǎng)疏松的路徑”效應(yīng),使固體熱傳導(dǎo)的能力下降到接近最低極限。
與其它傳統(tǒng)隔熱材料相比,氣凝膠導(dǎo)熱率最低(見圖3),隔熱效果優(yōu)勢(shì)明顯。氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化很小。而傳統(tǒng)保溫材料隨著溫度升高,導(dǎo)熱系數(shù)變化很大,隔熱效果會(huì)變差。
圖3 常見保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化情況Fig.3 Thermal conductivity vs temperature of common thermal insulation materials
氣凝膠氈/氣凝膠毯壽命:氣凝膠整體性好,具有較好的抗震抗拉性,在使用過程中不會(huì)出現(xiàn)顆粒堆積、沉降現(xiàn)象,20年模擬測(cè)試收縮率<1%,導(dǎo)熱系數(shù)不變。
BLD系列高效保溫管內(nèi)外選用金屬結(jié)構(gòu),實(shí)際使用性能大為提高,并對(duì)內(nèi)外鋼管壁厚的優(yōu)化,主要結(jié)合對(duì)鋼管材料選擇,鋼級(jí)的調(diào)整,對(duì)照抗拉和屈服強(qiáng)度,計(jì)算最終成品的抗外擠強(qiáng)度和抗內(nèi)壓強(qiáng)度。
依據(jù)美國石油協(xié)會(huì)API spec 5C3 2018標(biāo)準(zhǔn)和美國石油協(xié)會(huì)API spec 5B 2018標(biāo)準(zhǔn)第16版[9-11]進(jìn)行了BLD系列高效保溫管強(qiáng)度設(shè)計(jì)校核,并抽樣進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。借鑒國內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),編制生產(chǎn)工藝流程,進(jìn)行批量化生產(chǎn)[12-13]。BLD系列高效保溫管常用綱級(jí)及性能參數(shù)見表4。
地?zé)峋刭|(zhì)條件尤其復(fù)雜,需要充分考慮溫度變化、承受外擠、內(nèi)壓以及連接強(qiáng)度等因素。通過優(yōu)化設(shè)計(jì),使BLD系列保溫管同時(shí)兼顧高性能保溫和管柱連接強(qiáng)度,確保桿體、接頭均具有隔熱效能,實(shí)現(xiàn)管柱連續(xù)隔熱無斷點(diǎn)。采用無縫管坯,同時(shí)對(duì)鋼管整體進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,提升鋼管鋼性和強(qiáng)度,確保組成保溫管品質(zhì)能夠滿足井下環(huán)境的要求。
減小壁厚可以降低材料的使用、減輕管柱質(zhì)量,為保證連接強(qiáng)度和鋼管本身強(qiáng)度,BLD系列保溫管采用端部加厚工藝,在加厚處進(jìn)行螺紋加工。
提高隔熱空間的真空度,對(duì)提高保溫性能有著明顯的作用。在隔熱空間內(nèi)放入保溫材料(氣凝膠氈和鋁箔)后,進(jìn)行整體加熱烘干處理,去除材料中的水汽。抽真空過程中,對(duì)保溫管整體持續(xù)加熱,是獨(dú)創(chuàng)的有效工藝。
2.3.1 BLD1保溫管
經(jīng)與地?zé)崮荛_發(fā)相關(guān)單位交流,針對(duì)實(shí)際工程的全管柱保溫要求,并考慮接箍連接處外徑較大,會(huì)影響水的流速,首先開發(fā)了BLD1系列保溫管,其結(jié)構(gòu)如圖4所示,技術(shù)參數(shù)見表5。
該系列保溫管采用無接箍?jī)?nèi)管直連扣設(shè)計(jì),內(nèi)外口徑一致。連接處采用保溫接箍進(jìn)行保溫。同時(shí)對(duì)于隔熱材料和鋼管壁厚進(jìn)行優(yōu)化,降低成本。同樣的內(nèi)孔型號(hào),價(jià)格比隔熱油管下浮30%~50%。尤其適合超過3000 m以上井的使用。
2.3.2 BLD2保溫管
BLD1設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)獲得了用戶的好評(píng),但是價(jià)格還是超出用戶的預(yù)期,于是研發(fā)了BLD2型保溫管。在和日本溫泉開發(fā)商溝通過程中,了解到日本溫泉保溫管結(jié)構(gòu)和隔熱油管基本一致。BLD2型保溫管沿用了接箍連接方式,對(duì)鋼管壁厚進(jìn)行了調(diào)整,對(duì)隔熱空間進(jìn)行了特殊處理。BLD2保溫管結(jié)構(gòu)如圖5所示,技術(shù)參數(shù)見表6。
主要對(duì)鋼管壁厚和保溫層進(jìn)行了優(yōu)化,降低了保溫管的價(jià)格,價(jià)格同比隔熱油管下浮50%以上。而且可生產(chǎn)的尺寸跨度較大,內(nèi)孔尺寸范圍為22~320 mm,可根據(jù)用戶要求設(shè)計(jì)不同尺寸的保溫管。
BLD2產(chǎn)品已經(jīng)獲得了實(shí)際的運(yùn)用,取得了成功。近期,又對(duì)BLD2進(jìn)行了優(yōu)化,推出BLD2-1型保溫管。相比BLD2外管更輕薄,端部采用加厚的模式,使得連接處的強(qiáng)度和管體強(qiáng)度等同。采用接箍連接方式,適合井直徑較大的情況使用。BLD2-1 型保溫管技術(shù)參數(shù)見表7。
表4 BLD系列高效保溫管常用鋼級(jí)及性能參數(shù)Table 4 Common steel class and performance parameters of BLD series high efficient insulation steel pipe
圖4 BLD1保溫管結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of BLD1 series insulation steel pipe
圖5 BLD2保溫管結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of BLD2 series insulation steel pipe
表5 BLD1系列保溫管技術(shù)參數(shù)Table 5 Specification of BLD1 series insulation steel pipe
表6 BLD2系列保溫管技術(shù)參數(shù)Table 6 Specification of BLD2 series insulation steel pipe
表7 BLD2-1系列保溫管技術(shù)參數(shù)Table 7 Specification of BLD2-1 series insulation steel pipe
2.3.3 BLD3保溫管
利用地?zé)崮苋∨?xiàng)目中,同軸換熱模式備受推崇,目前中心保溫管大都采用PE或改良型塑料管。由于BLD2產(chǎn)品的價(jià)格還是明顯高于塑料管,制約了高效保溫管的推廣應(yīng)用。所以開發(fā)性價(jià)比更高的高效保溫管是必然的方向。據(jù)此,研制開發(fā)了更為經(jīng)濟(jì)的BLD3型高效保溫管。其結(jié)構(gòu)如圖6所示,技術(shù)參數(shù)見表8。
此款保溫管是在BLD2保溫管的基礎(chǔ)上,結(jié)合城市供水系統(tǒng)中內(nèi)襯不銹復(fù)合鋼管技術(shù)研發(fā)的。內(nèi)管采用304#不銹鋼管,減輕總體質(zhì)量,從而進(jìn)一步降低成本。
圖6 BLD3保溫管示意圖Fig.6 Structure of BLD3 series insulation steel pipe
表8 BLD3系列保溫管技術(shù)參數(shù)Table 8 Specification of BLD3 series insulation steel pipe
304#不銹鋼管在輸水過程中耐腐蝕性好,表面光滑,流體阻力小,保留鋼管機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn),克服了采用熱熔連接的塑料管易漏水和老化的缺陷。
2.3.4 BLD4保溫管
由于BLD3保溫管是接箍連接方式,接箍連接處的外徑偏大,不利于在小口徑井中使用。針對(duì)小口徑井需要,研制了外管直連型的BLD4型高效保溫管,其結(jié)構(gòu)如圖7所示,技術(shù)參數(shù)見表9。
圖7 BLD4保溫管結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of BLD4 series insulation steel pipe
BLD4保溫管是在BLD3保溫管的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化,不僅僅是簡(jiǎn)單地把BLD3保溫管的外管進(jìn)行螺紋加工,而是用較薄的管子兩端鐓粗后車直連型扣,整體質(zhì)量最輕。無接箍設(shè)計(jì),在保證出水口徑的情況下同時(shí)保證了回水面積。特別適合中深層地埋管無干擾模式(取熱不取水)地?zé)崮荛_發(fā)使用(見圖8)。
表9 BLD4系列保溫管技術(shù)參數(shù)Table 9 Specification of BLD4 series insulation steel pipe
圖8 中深層地埋管無干擾模式(取熱不取水)地?zé)崮荛_發(fā)示意Fig.8 Geothermal energy development with closed-loop circulation deep buried pipe(taking heat without water)
為了進(jìn)一步提高專用保溫管應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性,可以考慮底下一部分(約25%)采用單層管。同時(shí)建議井壁套管采用高鋼級(jí)的薄壁套管,以使整體井下管道費(fèi)用最為經(jīng)濟(jì)。
2.3.5 BLD5保溫管
BLD3和BLD4由于內(nèi)管是304#不銹鋼管,壁厚較薄,其帶來的一個(gè)很大的問題就是抗內(nèi)壓的能力下降。通常只能抗6~8 MPa。按照地下水壓力,也就能夠在800 m以淺的深度正常工作。雖然同軸換熱模式系統(tǒng)即使在3000 m深的井底,實(shí)際水壓也不會(huì)超過5 MPa,但是安裝調(diào)試的時(shí)間段里,瞬時(shí)壓力可能達(dá)到30 MPa,易造成保溫管損毀。于是開發(fā)了能夠適合各種模式深井的BLD5保溫管,其結(jié)構(gòu)如圖9所示,技術(shù)參數(shù)見表10。
圖9 BLD5保溫管結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of BLD5 series insulation steel pipe
總體結(jié)構(gòu)和BLD4一致,但內(nèi)管采用了石油鋼管。這樣做的目的是可以讓內(nèi)管的抗壓能力也達(dá)到整體工況要求,開式和閉式2種系統(tǒng)均適合。適用于2000~3000 m深井,也可以根據(jù)客戶要求單獨(dú)設(shè)計(jì)。
表10 BLD5系列保溫管技術(shù)參數(shù)Table 10 Specifications of BLD5 series insulation steel pipe
為取得保溫管對(duì)地?zé)釂尉畵Q熱性能的影響數(shù)據(jù),參考有關(guān)文獻(xiàn)研究制定了保溫管導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方案[14-15],對(duì)E級(jí)隔熱油管和BLD系列保溫管的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了實(shí)測(cè)和比對(duì)。114×76 P110 E級(jí)隔熱油管實(shí)測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)范圍為0.00219~0.00328 W/(m?K)(見 表11);BLD系 列 保 溫 管 中BLD3編 號(hào)BL095075D3,規(guī)格95×75 N80實(shí)測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)范圍為0.00878~0.0123 W/(m?K)(見表12)。證明地?zé)峋肂LD系列高效保溫管具有良好的隔熱效果,獲得了地?zé)崾┕ず驮O(shè)計(jì)單位的認(rèn)可,保證了項(xiàng)目的順利實(shí)施。
表11 E級(jí)隔熱油管導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Table 11 Measured thermal conductivity of heat insulation tube of Grade E
表12 保溫管實(shí)測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)情況Table 12 Measured thermal conductivity of BLD3 series insulation steel pipe
2019年,BLD2保 溫 管(編 號(hào)BL140100D2,140×100)在中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局為河北工程大學(xué)新校區(qū)施工的中深層U形井中應(yīng)用。使用深度2480 m,取水井底部到出水口溫差3℃以內(nèi),取得良好的效果。
2020年,中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局再次選擇此型號(hào)保溫管3100 m,用于陜煤蒲白礦業(yè)公司中深層地?zé)峁┡?xiàng)目。
(1)BLD系列高效保溫管實(shí)現(xiàn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和國產(chǎn)化制造,兼具經(jīng)濟(jì)性,有多種型號(hào)可以選擇,適用于井下作業(yè),能有效保障高效、高質(zhì)量開發(fā)地?zé)崮苜Y源。
(2)BLD保溫管的規(guī)格尺寸可以根據(jù)實(shí)際施工需要進(jìn)行調(diào)整。保溫管在地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用行業(yè)推廣應(yīng)用的同時(shí),還可在煤炭、石油、新能源以及工程施工領(lǐng)域中使用。煤炭原位熱采技術(shù)中,原位油化和氣化,亦需要使用在500℃以上仍然具有保溫能力的保溫管。
(3)風(fēng)、光等新能源的能量一般有不連續(xù)性和不穩(wěn)定性,需要對(duì)豐盛時(shí)期的能源進(jìn)行地下儲(chǔ)能,在貧瘠時(shí)段進(jìn)行地下能量提取,儲(chǔ)能和提取過程以水作為媒介。使用高效保溫管進(jìn)行傳輸,可以使能量最大限度地得到利用。另外,在溫泉等地?zé)豳Y源勘察工程中,對(duì)各地層水溫測(cè)定之前通常是用鉆桿中心空間進(jìn)行抽水,但出水溫度和取水處溫度溫差相差過大,不能準(zhǔn)確測(cè)定。用保溫鉆桿或保溫管可較好解決這個(gè)問題。良好的保溫性能可使千米延程溫降1℃以內(nèi),出口溫度基本等同于取水點(diǎn)的溫度。可實(shí)現(xiàn)鉆探過程中準(zhǔn)確地掌握各層實(shí)際水溫的目的。
(4)工程施工,如地下壓裂工程,有些采用高溫或者低溫的液體進(jìn)行壓裂,通過保溫管可以更好地讓預(yù)定的液體保溫輸送到作業(yè)場(chǎng)地,使施工效果達(dá)到最優(yōu)化。
(5)地?zé)衢_發(fā)用保溫管制造技術(shù)的成功,為隔熱鉆桿的研發(fā)奠定了良好基礎(chǔ)?!笆奈濉逼陂g擬通過產(chǎn)學(xué)研合作方式,開展超深科學(xué)鉆探、高溫干熱巖開發(fā)、火山口勘探用的大深度高強(qiáng)度隔熱鉆桿產(chǎn)品研制。