劉永超，路天玥，劉京，劉根，劉剛，何曉鵬，魏盛濤，高錫成

1.中石油煤層氣有限責(zé)任公司工程技術(shù)研究院（陜西西安 710082）2.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院（陜西西安 710065）

0 引言

致密砂巖氣（以下簡稱致密氣）是目前開發(fā)規(guī)模最大的非常規(guī)天然氣之一[1]，其開發(fā)利用可在一定程度上彌補常規(guī)油氣資源的不足，提供更好的能源支持。臨汾致密氣氣井投產(chǎn)初期壓力范圍為5～20 MPa、節(jié)流至3 MPa后進(jìn)行集輸，高壓節(jié)流易形成天然氣水合物，嚴(yán)重時會形成冰堵，影響輸氣站計量分輸調(diào)壓[2]，因此需在致密氣井口節(jié)流工藝前進(jìn)行加熱處理，確保致密氣在管內(nèi)穩(wěn)定流動。目前現(xiàn)場主要使用真空相變加熱爐，設(shè)備使用率較低，原因有兩個方面：①致密氣井口壓力衰減速度快、產(chǎn)量變化大，導(dǎo)致井口加熱需求時間短，臨汾致密氣70.4%的井加熱設(shè)備運行時間小于4個月，設(shè)備運行時間短；②真空相變加熱爐設(shè)備體積和質(zhì)量大，搬遷困難，重復(fù)利用率低。因此，針對致密氣井場加熱工藝特點，亟需開展多種類加熱技術(shù)比選，明確各項加熱技術(shù)在致密氣井場的適用邊界條件，探究加熱技術(shù)的選型方法體系，為解決現(xiàn)場加熱技術(shù)單一、經(jīng)濟效益低的問題提供思路，實現(xiàn)加熱技術(shù)的多元化應(yīng)用。

目前常規(guī)的油氣田集輸加熱技術(shù)包括加熱爐和電加熱技術(shù)。加熱爐從水套加熱爐逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檎婵障嘧兗訜釥t，通過采用真空相變換熱技術(shù)，充分利用熱媒的汽化潛熱，真空加熱爐可以更有效地提高換熱能力，當(dāng)前已替代了傳統(tǒng)水套加熱爐成為主力爐型[3]。電加熱技術(shù)主要利用電能對其進(jìn)行加熱，通過電熱技術(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)了能源的合理綜合利用，也為更好地滿足原油生產(chǎn)儲運工作、提升技術(shù)創(chuàng)新升級水平創(chuàng)造良好的條件[4]；但該技術(shù)高功率下耗能高、費用大，經(jīng)調(diào)研案例發(fā)現(xiàn)，某現(xiàn)場200 kW的電加熱裝置日消耗電能為4 800 kW·h，年能耗費用46.5萬元，而500 kW 的電加熱裝置日消耗電能為12 000 kW·h，年能耗費用高達(dá)117.5萬元[5]。對于快速的產(chǎn)量衰減情況，為保證集輸全生命周期的安全、穩(wěn)定運行，實現(xiàn)經(jīng)濟性運維，加熱技術(shù)需滿足可調(diào)功率范圍大、移動搬遷便捷等要求，為此對電磁加熱、催化式紅外加熱、石墨烯加熱、渦流管加熱這4 項新型技術(shù)進(jìn)行調(diào)查研究，以探究新型加熱技術(shù)在致密氣現(xiàn)場應(yīng)用的可行性。

本文通過對新型加熱技術(shù)的原理及特點進(jìn)行研究，總結(jié)歸納所有加熱技術(shù)的適用范圍，建立了以加熱功率和溫度為邊界的選型圖版。同時，提出了含水致密氣加熱功率計算方法，建立了加熱技術(shù)選型流程，為致密氣井加熱技術(shù)選型提供支撐。最后結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)工況，確定了熱毯式電磁加熱技術(shù)能夠減小設(shè)備投資、提高設(shè)備利用率，為實現(xiàn)加熱技術(shù)多元應(yīng)用提供新思路。

1 新型加熱技術(shù)

1.1 電磁加熱技術(shù)

電磁加熱根據(jù)頻率不同可分為高頻（微波、射頻）加熱、中頻感應(yīng)加熱，以及低頻電阻加熱。電磁加熱是通過線圈把交變的電場變成交變的磁場，使鋼質(zhì)管材筒體在交變磁場下產(chǎn)生渦流而發(fā)熱的一種加熱方式。這種方式從根本上解決了電熱片、電熱圈等電阻式通過熱傳導(dǎo)加熱效率低下的問題，極大地提高了加熱效率[6]。

目前電磁加熱天然氣的裝置主要分為管道式和熱毯式的加熱裝置[7]，如圖1所示。使用方法是通過將熱線圈包裹于管道外部，使管道自身加熱來達(dá)到加熱天然氣的目的。該技術(shù)設(shè)備的適用功率范圍大，可達(dá)到160 kW；熱效率高，理想狀態(tài)下可達(dá)到92%以上。目前有相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用，技術(shù)成熟度以及應(yīng)用廣泛度相對較高。

圖1 電磁加熱裝置

電磁加熱作為一種新型加熱技術(shù)，具有高效、清潔、環(huán)保、運維費用低、兼容性能良好等特點，相較于管道式電磁加熱裝置，熱毯式裝置使用更為便捷，可進(jìn)行快速安裝、拆卸工作。對于井口壓力衰減迅速的致密氣井場，熱毯式電磁加熱裝置可實現(xiàn)單口井及多口井的加熱需求，通過對設(shè)備功率的調(diào)節(jié)以及熱毯的安裝拆卸即可實現(xiàn)井場全生命周期的高效加熱，設(shè)備閑置率低、使用彈性及經(jīng)濟效益高，完全可作為一項新型技術(shù)投入致密氣現(xiàn)場加熱工藝的使用。

1.2 催化式紅外加熱技術(shù)

將天然氣與空氣按照一定比例混合，擴散到催化劑表面進(jìn)行無焰燃燒，避免氣相燃燒發(fā)出的可見光而造成能量損失，其能量大部分轉(zhuǎn)化為紅外射線，放出的熱量以熱輻射方式加熱物體，稱為催化燃燒紅外輻射加熱[8]，其技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 催化式紅外加熱原理

催化式紅外反應(yīng)所產(chǎn)生的波長主要位于3～8 μm，具有較高的熱能量，換熱強度大于對流換熱，由于紅外線直接輻射被加熱物體，可直接加熱天然氣管道外壁，減少能量的損失。同時，催化式紅外加熱裝置內(nèi)發(fā)生的催化反應(yīng)為無火焰氧化反應(yīng)，反應(yīng)溫度為100～500 ℃，低于燃燒反應(yīng)溫度，無爆炸隱患，且不產(chǎn)生CO、NOx等有害氣體，安全無污染[9]。

管道催化式紅外加熱系統(tǒng)于2006 年研發(fā)成功，已在北美市場上廣泛使用，該設(shè)備加熱功率10～1 000 kW 不等，有多種型號、大小的設(shè)備用于不同工況現(xiàn)場。目前國內(nèi)該技術(shù)應(yīng)用少，大多應(yīng)用于涂料的烘干等領(lǐng)域，使用率相對較低，但鑒于催化式紅外技術(shù)優(yōu)勢，可作為一種新型技術(shù)應(yīng)用于致密氣井口加熱工藝。該技術(shù)的突破點主要在于催化劑的效果應(yīng)用研究上[10-12]，也是為其在提高加熱效果、提升加熱效率、防止污染方面提供技術(shù)支持。

1.3 石墨烯加熱技術(shù)

石墨烯是碳原子緊密排列成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)新材料，具有優(yōu)異的電學(xué)性能、機械性能、高導(dǎo)熱性和化學(xué)惰性等特點，這使得石墨烯在電熱領(lǐng)域具有很大的發(fā)展空間[13]。石墨烯電熱膜是以石墨烯導(dǎo)電漿料層為主要制熱部件而開發(fā)出的一種新型加熱技術(shù)，該技術(shù)設(shè)備結(jié)構(gòu)主要由石墨烯基發(fā)熱層、電極以及絕緣保護(hù)層組成，如圖3所示。在電場作用下，碳分子在做布朗運動的同時會產(chǎn)生大量向上輻射的遠(yuǎn)紅外線，紅外線接觸到周圍實體后，能被吸收轉(zhuǎn)化為熱能，使實體的溫度升高。該技術(shù)功率一般在1～600 W/m2，相當(dāng)于在直徑為200 mm 的管道上，設(shè)備功率最高可達(dá)375 W/m2。

圖3 石墨烯加熱膜結(jié)構(gòu)原理圖

石墨烯電熱膜加熱技術(shù)核心主要在于石墨烯的提取、制備方面，以正確的方式提取出的石墨烯材料對于導(dǎo)熱發(fā)熱性能都具有一定影響。用于電加熱的石墨烯薄膜的制備方法包括層層涂覆法、GO（氧化石墨烯）膜還原法、導(dǎo)電漿料涂敷法等[14-15]。

目前，該技術(shù)主要應(yīng)用的領(lǐng)域包括智能可穿戴領(lǐng)域、家庭智能取暖領(lǐng)域以及醫(yī)療領(lǐng)域等[16]，由于使用面積相對較小，該技術(shù)在天然氣加熱方面溫度不理想，還不適用于氣田現(xiàn)場加熱工藝，其加熱能力、加熱效果、加熱方式也是今后值得探索的方向[17]。

1.4 渦流管加熱技術(shù)

渦流管是一種結(jié)構(gòu)簡單的能量分離裝置，由噴嘴、渦流室、分離孔板及冷熱兩端的管子組成，如圖4 所示。壓縮氣體進(jìn)入噴嘴后膨脹會以很高的速度沿切線方向進(jìn)入渦流室，氣流在渦流室內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)時分離成溫度不相同的兩部分氣流，處于中心部位的氣流溫度低，處于外層部位的氣流溫度高[18-21]。

圖4 渦流管結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)渦流管的能量分離特性，可以將高壓氣流分為冷熱兩股低壓氣流。目前高溫氣流多用在天然氣行業(yè)。利用渦流管制成的加熱器，稱為渦流先導(dǎo)氣體加熱器（VPGH），也稱為渦流加熱器。目前美國Universal Vortex 公司生產(chǎn)的VPGH 已經(jīng)在天然氣行業(yè)中得到了成功應(yīng)用，且該設(shè)備包含單通道及雙通道型號，可根據(jù)需求進(jìn)行選擇。

該技術(shù)目前國內(nèi)正處于研究以及試驗階段，雖在現(xiàn)場有應(yīng)用，但其成熟度相對偏低，安裝成本偏高，如何掌握其加熱程度，該技術(shù)是否適用于井口壓力衰減迅速的致密氣現(xiàn)場，都是需考慮的問題。

1.5 天然氣加熱技術(shù)邊界

對傳統(tǒng)及新型天然氣加熱技術(shù)的適用邊界進(jìn)行調(diào)查研究，得到各項加熱技術(shù)的熱能形式、熱量提供方式、設(shè)備功率、加熱溫度、工作壓力、技術(shù)成熟度、設(shè)備及運維成本等，形成系統(tǒng)的天然氣加熱技術(shù)邊界，以提供技術(shù)對比，方便現(xiàn)場應(yīng)用，加熱技術(shù)邊界見表1。

表1 天然氣加熱技術(shù)邊界

為更加直觀、便捷地展示各項技術(shù)的選用情況，提取加熱技術(shù)的設(shè)備功率以及加熱溫度進(jìn)行繪圖，得到的技術(shù)圖版如圖5 所示。該圖版對加熱技術(shù)的設(shè)備功率范圍以及可加熱的溫度范圍進(jìn)行描繪，通過確定各工況下需要的加熱溫度與熱負(fù)荷，即可快速實現(xiàn)技術(shù)選型。

圖5 加熱技術(shù)邊界圖版

2 加熱負(fù)荷計算方法和技術(shù)選型

為實現(xiàn)加熱技術(shù)選型，需確定現(xiàn)場工況下的熱負(fù)荷需求。假定節(jié)流前來流溫度為t1、加熱設(shè)備加熱后溫度為t2、加熱溫差為Δt。則加熱設(shè)備應(yīng)加熱溫度為：

理論換熱量q按照穩(wěn)態(tài)流動焓變熱計算：

式中：q為所需加熱量，kJ/s 或kW；Mg、Mw為天然氣、水質(zhì)量流量，kg/s；Cg、Cw為節(jié)流前天然氣、水壓力狀態(tài)下的定壓質(zhì)量比熱，kJ/(kg·℃)。其中：

式中：Qg、Qw分別為天然氣、水體積流量，m3/s；ρg、ρw為天然氣、水的密度，kg/m3。

上述計算結(jié)果為加熱器所需負(fù)荷的理論計算，在實際加熱負(fù)荷選型過程中，還需考慮設(shè)備的效率，實際加熱設(shè)備負(fù)荷選型公式為：

式中η為加熱設(shè)備效率。

經(jīng)公式（2）～（4）進(jìn)行計算，即可得出加熱設(shè)備的負(fù)荷需求，繼而進(jìn)行加熱技術(shù)選型。

針對上述方法，建立加熱技術(shù)選型流程，通過確定加熱溫度及加熱負(fù)荷需求，即可實現(xiàn)現(xiàn)場加熱技術(shù)選型。具體選型流程如圖6所示。

圖6 加熱技術(shù)選型流程

3 實例應(yīng)用

以臨汾大寧-吉縣某致密氣現(xiàn)場井口為例，該井口壓力20 MPa，流量10×104m3/d，氣水比（體積比）10 000∶1，井口來流溫度為18 ℃，節(jié)流后壓力為3 MPa，現(xiàn)場用電條件有限，壓力衰減較快。經(jīng)模擬計算可得，3 MPa下不生成水合物的最低溫度為2.917 6 ℃，該工況下節(jié)流后溫度為-36.88 ℃，該工況需要加熱工藝處理?？刂乒?jié)流后3 MPa 下溫度為7.917 6 ℃（規(guī)定提高5 ℃作為安全邊界溫度），可得加熱設(shè)備應(yīng)加熱到的溫度為51.52 ℃。

1）計算加熱溫度需求Δt為33.52 ℃。

2）獲取氣、水標(biāo)況下的密度ρg、ρw為0.794、1 000 kg/m3，根據(jù)氣水比104m3:1 m3以及氣體流量Qg=10×104m3/d確定含水流量Qw為10 m3/d。

3）計算氣、水質(zhì)量流量：

4）獲取節(jié)流前天然氣、水壓力狀態(tài)下的定壓質(zhì)量比熱Cg=3.328 9 kJ/（kg·℃）、Cw=4.293 6 kJ/（kg·℃），計算理論下加熱負(fù)荷需求q：

5）確定該工況下加熱溫度51.52℃、熱負(fù)荷119.198 kW，通過圖5 即可確定應(yīng)用的加熱技術(shù)，實現(xiàn)加熱技術(shù)選型。

根據(jù)臨汾致密氣特點及各技術(shù)優(yōu)缺點，對加熱技術(shù)進(jìn)行初步篩選。真空加熱爐是水套加熱爐的迭代升級，完全可實現(xiàn)技術(shù)替代，水套加熱爐不予考慮；電加熱器對電要求高，現(xiàn)場用電條件有限，且高功率下電加熱器運維成本高于加熱爐，不予考慮。催化式紅外加熱技術(shù)可滿足現(xiàn)場工況，但國內(nèi)應(yīng)用少、技術(shù)成熟度不高，設(shè)備成本高，經(jīng)濟效益低，不予考慮；石墨烯加熱溫度小，技術(shù)未能實現(xiàn)天然氣現(xiàn)場應(yīng)用，不予考慮；渦流管與井口壓力聯(lián)系密切，致密氣井口壓力下降迅速，該技術(shù)能否實現(xiàn)應(yīng)用還需跟進(jìn)，且該技術(shù)設(shè)備成本高，溫度控制方式等也存在技術(shù)問題，不予考慮。該現(xiàn)場工況最終確定使用熱毯式電磁加熱技術(shù)與真空加熱爐進(jìn)行比選。

通過技術(shù)選型以及技術(shù)適應(yīng)性分析，為確保該工況下優(yōu)選加熱技術(shù)安全性、可靠性、穩(wěn)定性均符合使用標(biāo)準(zhǔn)，確定該工況下優(yōu)選熱毯式電磁加熱技術(shù)作為選型結(jié)果。熱毯式電磁加熱技術(shù)拆裝便捷、安全穩(wěn)定，設(shè)備功率5～160 kW，加熱溫度最高可達(dá)95 ℃，滿足現(xiàn)場要求。相較于真空加熱爐，熱毯式電磁加熱使用功率滿足要求，且可以實現(xiàn)多臺裝置疊加使用。隨著現(xiàn)場井口壓力的不斷遞減，現(xiàn)場中后期也可根據(jù)實際的負(fù)荷需要進(jìn)行設(shè)備的功率調(diào)節(jié)以及拆卸，拆卸后可安裝至其他井口進(jìn)行使用，拆裝、運行及維護(hù)費用低，極大程度上提高了設(shè)備的使用率以及現(xiàn)場經(jīng)濟效益，為解決致密氣井口加熱設(shè)備閑置、經(jīng)濟效益低等問題提供了一種新的設(shè)備使用思路。

4 結(jié)論

目前，臨汾致密氣現(xiàn)場加熱技術(shù)單一，存在運維管理不經(jīng)濟、加熱設(shè)備閑置等問題，為實現(xiàn)加熱技術(shù)多元應(yīng)用，解決現(xiàn)場實際問題，對加熱技術(shù)進(jìn)行調(diào)研，了解其發(fā)展趨勢以及新型技術(shù)特點，并形成加熱技術(shù)選型方法體系，為致密氣井加熱技術(shù)選型提供支撐，從而實現(xiàn)降本增效、節(jié)能減排的目標(biāo)。

1）對各項加熱技術(shù)進(jìn)行研究，總結(jié)各技術(shù)適用范圍及使用邊界，對比分析了各項加熱技術(shù)的優(yōu)缺點，建立了以加熱功率和溫度為邊界的選型圖版，方便技術(shù)選型。

2）天然氣加熱技術(shù)選型。提出天然氣加熱選型相關(guān)計算方法，形成針對性的天然氣加熱技術(shù)選型流程，從而實現(xiàn)不同工況（熱負(fù)荷需求）下的加熱技術(shù)選型，以解決現(xiàn)場實際問題。

3）應(yīng)用表明，針對致密氣投產(chǎn)初期壓力高、壓力下降迅速的特點，在功率滿足加熱負(fù)荷的條件下，可以選擇熱毯式電磁加熱技術(shù)，以解決現(xiàn)場真空加熱爐搬遷困難、閑置率高、經(jīng)濟效益低等問題。