臨汾致密氣井口新型加熱技術研究與應用

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任公司工程技術研究院（陜西西安 710082）2.西安石油大學石油工程學院（陜西西安 710065）

0 引言

致密砂巖氣（以下簡稱致密氣）是目前開發規模最大的非常規天然氣之一[1]，其開發利用可在一定程度上彌補常規油氣資源的不足，提供更好的能源支持。臨汾致密氣氣井投產初期壓力范圍為5～20 MPa、節流至3 MPa后進行集輸，高壓節流易形成天然氣水合物，嚴重時會形成冰堵，影響輸氣站計量分輸調壓[2]，因此需在致密氣井口節流工藝前進行加熱處理，確保致密氣在管內穩定流動。目前現場主要使用真空相變加熱爐，設備使用率較低，原因有兩個方面：①致密氣井口壓力衰減速度快、產量變化大，導致井口加熱需求時間短，臨汾致密氣70.4%的井加熱設備運行時間小于4個月，設備運行時間短；②真空相變加熱爐設備體積和質量大，搬遷困難，重復利用率低。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比選，明確各項加熱技術在致密氣井場的適用邊界條件，探究加熱技術的選型方法體系，為解決現場加熱技術單一、經濟效益低的問題提供思路，實現加熱技術的多元化應用。

目前常規的油氣田集輸加熱技術包括加熱爐和電加熱技術。加熱爐從水套加熱爐逐步轉變為真空相變加熱爐，通過采用真空相變換熱技術，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，當前已替代了傳統水套加熱爐成為主力爐型[3]。電加熱技術主要利用電能對其進行加熱，通過電熱技術優化，實現了能源的合理綜合利用，也為更好地滿足原油生產儲運工作、提升技術創新升級水平創造良好的條件[4]；但該技術高功率下耗能高、費用大，經調研案例發現，某現場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117.5萬元[5]。對于快速的產量衰減情況，為保證集輸全生命周期的安全、穩定運行，實現經濟性運維，加熱技術需滿足可調功率范圍大、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 項新型技術進行調查研究，以探究新型加熱技術在致密氣現場應用的可行性。

本文通過對新型加熱技術的原理及特點進行研究，總結歸納所有加熱技術的適用范圍，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，建立了加熱技術選型流程，為致密氣井加熱技術選型提供支撐。最后結合現場生產工況，確定了熱毯式電磁加熱技術能夠減小設備投資、提高設備利用率，為實現加熱技術多元應用提供新思路。

1 新型加熱技術

1.1 電磁加熱技術

電磁加熱根據頻率不同可分為高頻（微波、射頻）加熱、中頻感應加熱，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，使鋼質管材筒體在交變磁場下產生渦流而發熱的一種加熱方式。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到加熱天然氣的目的。該技術設備的適用功率范圍大，可達到160 kW；熱效率高，理想狀態下可達到92%以上。目前有相關的技術應用，技術成熟度以及應用廣泛度相對較高。

圖1 電磁加熱裝置

電磁加熱作為一種新型加熱技術，具有高效、清潔、環保、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單口井及多口井的加熱需求，通過對設備功率的調節以及熱毯的安裝拆卸即可實現井場全生命周期的高效加熱，設備閑置率低、使用彈性及經濟效益高，完全可作為一項新型技術投入致密氣現場加熱工藝的使用。

1.2 催化式紅外加熱技術

將天然氣與空氣按照一定比例混合，擴散到催化劑表面進行無焰燃燒，避免氣相燃燒發出的可見光而造成能量損失，其能量大部分轉化為紅外射線，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

催化式紅外反應所產生的波長主要位于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發生的催化反應為無火焰氧化反應，反應溫度為100～500 ℃，低于燃燒反應溫度，無爆炸隱患，且不產生CO、NOx等有害氣體，安全無污染[9]。

管道催化式紅外加熱系統于2006 年研發成功，已在北美市場上廣泛使用，該設備加熱功率10～1 000 kW 不等，有多種型號、大小的設備用于不同工況現場。目前國內該技術應用少，大多應用于涂料的烘干等領域，使用率相對較低，但鑒于催化式紅外技術優勢，可作為一種新型技術應用于致密氣井口加熱工藝。該技術的突破點主要在于催化劑的效果應用研究上[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支持。

1.3 石墨烯加熱技術

石墨烯是碳原子緊密排列成單層二維蜂窩狀晶格結構的碳質新材料，具有優異的電學性能、機械性能、高導熱性和化學惰性等特點，這使得石墨烯在電熱領域具有很大的發展空間[13]。石墨烯電熱膜是以石墨烯導電漿料層為主要制熱部件而開發出的一種新型加熱技術，該技術設備結構主要由石墨烯基發熱層、電極以及絕緣保護層組成，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生大量向上輻射的遠紅外線，紅外線接觸到周圍實體后，能被吸收轉化為熱能，使實體的溫度升高。該技術功率一般在1～600 W/m2，相當于在直徑為200 mm 的管道上，設備功率最高可達375 W/m2。

圖3 石墨烯加熱膜結構原理圖

石墨烯電熱膜加熱技術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熱發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、導電漿料涂敷法等[14-15]。

目前，該技術主要應用的領域包括智能可穿戴領域、家庭智能取暖領域以及醫療領域等[16]，由于使用面積相對較小，該技術在天然氣加熱方面溫度不理想，還不適用于氣田現場加熱工藝，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

渦流管是一種結構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。壓縮氣體進入噴嘴后膨脹會以很高的速度沿切線方向進入渦流室，氣流在渦流室內高速旋轉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 渦流管結構圖

根據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。利用渦流管制成的加熱器，稱為渦流先導氣體加熱器（VPGH），也稱為渦流加熱器。目前美國Universal Vortex 公司生產的VPGH 已經在天然氣行業中得到了成功應用，且該設備包含單通道及雙通道型號，可根據需求進行選擇。

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

1.5 天然氣加熱技術邊界

對傳統及新型天然氣加熱技術的適用邊界進行調查研究，得到各項加熱技術的熱能形式、熱量提供方式、設備功率、加熱溫度、工作壓力、技術成熟度、設備及運維成本等，形成系統的天然氣加熱技術邊界，以提供技術對比，方便現場應用，加熱技術邊界見表1。

表1 天然氣加熱技術邊界

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

圖5 加熱技術邊界圖版

2 加熱負荷計算方法和技術選型

為實現加熱技術選型，需確定現場工況下的熱負荷需求。假定節流前來流溫度為t1、加熱設備加熱后溫度為t2、加熱溫差為Δt。則加熱設備應加熱溫度為：

理論換熱量q按照穩態流動焓變熱計算：

式中：q為所需加熱量，kJ/s 或kW；Mg、Mw為天然氣、水質量流量，kg/s；Cg、Cw為節流前天然氣、水壓力狀態下的定壓質量比熱，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。

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

式中η為加熱設備效率。

經公式（2）～（4）進行計算，即可得出加熱設備的負荷需求，繼而進行加熱技術選型。

針對上述方法，建立加熱技術選型流程，通過確定加熱溫度及加熱負荷需求，即可實現現場加熱技術選型。具體選型流程如圖6所示。

圖6 加熱技術選型流程

3 實例應用

以臨汾大寧-吉縣某致密氣現場井口為例，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 ℃，節流后壓力為3 MPa，現場用電條件有限，壓力衰減較快。經模擬計算可得，3 MPa下不生成水合物的最低溫度為2.917 6 ℃，該工況下節流后溫度為-36.88 ℃，該工況需要加熱工藝處理?？刂乒澚骱? MPa 下溫度為7.917 6 ℃（規定提高5 ℃作為安全邊界溫度），可得加熱設備應加熱到的溫度為51.52 ℃。

1）計算加熱溫度需求Δt為33.52 ℃。

2）獲取氣、水標況下的密度ρg、ρw為0.794、1 000 kg/m3，根據氣水比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、水質量流量：

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

5）確定該工況下加熱溫度51.52℃、熱負荷119.198 kW，通過圖5 即可確定應用的加熱技術，實現加熱技術選型。

根據臨汾致密氣特點及各技術優缺點，對加熱技術進行初步篩選。真空加熱爐是水套加熱爐的迭代升級，完全可實現技術替代，水套加熱爐不予考慮；電加熱器對電要求高，現場用電條件有限，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可滿足現場工況，但國內應用少、技術成熟度不高，設備成本高，經濟效益低，不予考慮；石墨烯加熱溫度小，技術未能實現天然氣現場應用，不予考慮；渦流管與井口壓力聯系密切，致密氣井口壓力下降迅速，該技術能否實現應用還需跟進，且該技術設備成本高，溫度控制方式等也存在技術問題，不予考慮。該現場工況最終確定使用熱毯式電磁加熱技術與真空加熱爐進行比選。

通過技術選型以及技術適應性分析，為確保該工況下優選加熱技術安全性、可靠性、穩定性均符合使用標準，確定該工況下優選熱毯式電磁加熱技術作為選型結果。熱毯式電磁加熱技術拆裝便捷、安全穩定，設備功率5～160 kW，加熱溫度最高可達95 ℃，滿足現場要求。相較于真空加熱爐，熱毯式電磁加熱使用功率滿足要求，且可以實現多臺裝置疊加使用。隨著現場井口壓力的不斷遞減，現場中后期也可根據實際的負荷需要進行設備的功率調節以及拆卸，拆卸后可安裝至其他井口進行使用，拆裝、運行及維護費用低，極大程度上提高了設備的使用率以及現場經濟效益，為解決致密氣井口加熱設備閑置、經濟效益低等問題提供了一種新的設備使用思路。

4 結論

目前，臨汾致密氣現場加熱技術單一，存在運維管理不經濟、加熱設備閑置等問題，為實現加熱技術多元應用，解決現場實際問題，對加熱技術進行調研，了解其發展趨勢以及新型技術特點，并形成加熱技術選型方法體系，為致密氣井加熱技術選型提供支撐，從而實現降本增效、節能減排的目標。

1）對各項加熱技術進行研究，總結各技術適用范圍及使用邊界，對比分析了各項加熱技術的優缺點，建立了以加熱功率和溫度為邊界的選型圖版，方便技術選型。

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

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