楊芮 胡志強 梁永恒 徐樹棟 李國強 李武生

1. 長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院；2. 中國石化石油工程技術(shù)研究院；3. 中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司

近年來，稠油熱采技術(shù)在海上油氣田開發(fā)中得到廣泛的應(yīng)用，其中在稠油井注熱流體吞吐開采過程中，隔水導(dǎo)管系統(tǒng)作為重要的蒸汽循環(huán)通道處在低溫海水環(huán)境下，系統(tǒng)內(nèi)外溫差巨大，熱量損失嚴(yán)重，極大影響了熱采效果［1-4]。目前國內(nèi)外通常采用隔熱油管技術(shù)來降低熱量損失，但其隔熱效果有限，尤其是隔水導(dǎo)管海水段對隔熱效果要求更高，導(dǎo)管接箍連接處通常無隔熱涂層保溫，因此需要對隔熱涂料進(jìn)行改性處理，以滿足更高的性能要求［5-7]。硅烷-納米陶瓷復(fù)合材料是一種以耐溫性好、黏結(jié)強度高的硅烷偶聯(lián)劑為基料，導(dǎo)熱系數(shù)極低的納米級空心陶瓷微珠為隔熱骨料，同時添加一些無機纖維增強材料韌性的新型無機隔熱保溫涂層，不僅擁有優(yōu)良的隔熱保溫功能，同時還具有防水耐溫、抗震環(huán)保、黏附力強、使用壽命長、易于安裝等特性［8-11]。目前對硅烷-納米陶瓷材料耐溫性能已有相關(guān)介紹，但應(yīng)用于海洋鉆井隔熱管隔熱性能的研究較少［12-13]。通過紅外燈加熱實驗和自制的隔水導(dǎo)管加熱裝置對硅烷-納米陶瓷材料和其他隔水導(dǎo)管保溫材料進(jìn)行了隔熱性能室內(nèi)模擬實驗，探究了硅烷-納米陶瓷涂料涂層結(jié)構(gòu)、厚度對隔水導(dǎo)管隔熱效果的影響，并且對隔水導(dǎo)管隔熱工藝進(jìn)行了合理化優(yōu)選，為海上油氣田開發(fā)提高采收率和熱能利用率提供依據(jù)。

1 隔熱原理

隔熱保溫材料中熱量的傳遞主要通過熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3 種途徑來實現(xiàn)。其中熱傳導(dǎo)主要發(fā)生在涂料固體顆粒之間；熱對流主要是指涂料中氣流分子間的熱量轉(zhuǎn)移；熱輻射不同于熱傳導(dǎo)和熱對流，它主要通過涂料中固相物質(zhì)輻射生熱，然后利用介質(zhì)傳播、吸收和反射來完成熱量的傳遞。硅烷-納米陶瓷復(fù)合材料屬于兼顧隔熱型和反射型的功能涂料［14]，由于納米陶瓷微珠內(nèi)填充有N2、CO2等導(dǎo)熱系數(shù)極低的氣體，真空度高，減少了熱傳導(dǎo)和熱對流方式的散熱，同時微珠具有封閉的空隙結(jié)構(gòu)，促使涂層內(nèi)部發(fā)生二次反射和散射，使得熱量被阻隔于涂層外，達(dá)到隔熱保溫目的，隔熱原理見圖1。

圖 1 硅烷-納米陶瓷涂料隔熱原理Fig. 1 Heat insulation principle of silane-nano ceramics coating

2 實驗方案

2.1 實驗設(shè)備

實驗設(shè)備包括：TI32 紅外熱像儀、紅外燈、旋轉(zhuǎn)托盤、隔水導(dǎo)管短節(jié)、電阻絲、控溫裝置、LT02 型便攜式表面溫度計(0～500 ℃)等。

2.2 實驗材料

實驗材料包括：上海羽合新材料有限公司的803 普通陶瓷隔熱涂料(簡稱A 涂料)，天津戴樂普科技有限公司的硅烷-納米陶瓷耐高溫隔熱涂料(簡稱B 涂料)，安徽百特新材料科技有限公司的無機纖維真空保溫板(簡稱C 涂料)，上海亞羅弗橡塑科技有限公司的EPDM 絕熱橡膠(簡稱D 涂料)。材料主要性能參數(shù)見表1。

表 1 4 類隔熱材料的主要性能參數(shù)Table 1 Main property parameters of four types of heat insulation materials

2.3 實驗流程

實驗首先選取普通陶瓷隔熱涂料A 和硅烷-納米陶瓷復(fù)合涂料B 開展隔熱性能測試。試制相同厚度的A、B 涂層試樣(圖2)，采用紅外燈加熱，利用紅外成像儀拍攝涂層的溫度紅外圖像，對比分析2 種涂料的隔熱性能［15]。其次為了模擬實際工況中隔水導(dǎo)管的隔熱保溫效果，實驗加工設(shè)計了外徑為0.609 m、壁厚為0.025 4 m、內(nèi)徑為0.558 m、長度為0.5 m 的隔水導(dǎo)管短節(jié)(圖3)，并采用導(dǎo)管內(nèi)電阻絲加熱，用控溫設(shè)備保持導(dǎo)管內(nèi)部溫度恒定(0～400 ℃)，導(dǎo)管兩端絕熱密封，實驗裝置如圖4 所示，同時采用等離子噴涂的方法制備測試用的隔熱涂層［16]。本套設(shè)備實驗內(nèi)容分3 個部分：測試3 種隔水導(dǎo)管涂料(B 涂料、C 涂料、D 涂料)的隔熱性能，測試3 類涂層結(jié)構(gòu)(內(nèi)壁、外壁、內(nèi)外壁)對隔熱效果的影響，測試不同涂層厚度(0～600 μm)對隔熱效果的影響。

圖 2 硅烷-納米陶瓷涂料Fig. 2 Silane-nano ceramics coating

圖 3 實驗隔水導(dǎo)管Fig. 3 Experimental riser

圖 4 隔水導(dǎo)管隔熱性能實驗裝置Fig. 4 Test device for the heat insulation performance of riser

3 結(jié)果分析

3.1 2 種陶瓷涂料的隔熱性能對比

普通陶瓷涂料利用低熱導(dǎo)率、高氣孔率的特性來獲得良好的隔熱效果。納米陶瓷涂料不僅具有普通陶瓷的特性，還具有很高的光譜選擇性，能對可見光與紅外光進(jìn)行反射使得材料表面隔熱降溫，另外納米技術(shù)使得陶瓷涂料克服了本身固有的脆性特征，增強了材料超塑性、硬度、延展性和韌性［7]。本實驗利用2 只紅外燈對A 涂料和B 涂料正面進(jìn)行加熱，測試試樣放置在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤上，使得正面受熱均勻。同時在不同的測試時間點，利用紅外成像儀拍攝A、B 涂料正、反面的紅外圖，并讀取溫度數(shù)據(jù)(表2)。

實驗結(jié)果表明，隨著測試時間的延長，A、B 涂層正反面溫度均上升，正面由于處于紅外燈照射，溫度升高明顯，背面由于涂層隔熱，導(dǎo)致升溫平緩。同時，A 涂層正面平均溫度高于B 涂層，而2 種涂層反面的平均溫度則相反。這是因為B 涂料中的三維硅烷網(wǎng)絡(luò)中間填充了導(dǎo)熱率更小的納米陶瓷粉體，同時經(jīng)過改性處理后的涂料具有極小導(dǎo)熱率和特殊的電磁性能，不僅對紅外光線具有的反射作用，對紫外光線也很強的折射作用，從而對熱量的傳遞起到了雙重阻隔的作用，極大降低了涂層表面所吸收的熱量［17]。

表 2 A、B 涂料正、反面測試溫度Table 2 Test temperature of the front and back sides of coating A and B

3.2 3 類隔水導(dǎo)管保溫涂料隔熱性能對比

海上稠油熱采過程中，需要向地層注入高達(dá)350 ℃的干蒸汽，蒸汽在井筒中流動必然存在大量的熱損失。目前用于隔水導(dǎo)管隔熱保溫的材料主要有真空隔熱類材料［18]、有機絕熱橡膠［19]和硅烷復(fù)合陶瓷類材料。實驗選取B、C、D 這3 種代表性試樣進(jìn)行測試，實驗用0.60 mm 的電阻絲纏繞在高鋁質(zhì)瓷管上進(jìn)行加熱，90 min 內(nèi)升溫至350 ℃，每隔10 min 測量一次內(nèi)部溫度和表面溫度，記錄結(jié)果如圖5 所示。

圖 5 3 類涂料外表面溫度隨測試時間的變化曲線Fig. 5 Temperature variation of the outer surface of three kinds of coatings over the test time

實驗結(jié)果顯示B、C、D 涂料外部溫度上升平緩，在90 min 后保持穩(wěn)定,其表面溫度與隔水導(dǎo)管內(nèi)部溫度差值依次為263.2 ℃、253.9 ℃、246.9 ℃。隔熱材料的保溫率是表征物體隔熱效果的一個重要指標(biāo)［20]，其定義為

式中， Qp為 隔熱材料的保溫率，%； Qb為隔水導(dǎo)管無涂層時外表面溫度，℃； Q為隔水導(dǎo)管有涂層時外表面溫度，℃。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和公式(1)計算出B、C、D 涂料的保溫率依次為75.1%、72.5%、70.5%?？梢钥闯鯞 類涂料保溫效果最好，C 類涂料次之，D 類涂料降溫最快。同時硅烷-納米陶瓷具有無污染(無磷化)、適應(yīng)溫度范圍廣(-40 ℃～400 ℃)、水汽滲透率低(濕阻因子約為10 000)、抗震性好、附著性強、超塑性高、力學(xué)性能優(yōu)良等特征［21]，能滿足海洋隔水導(dǎo)管及接箍連接部位的特殊需求，同時硅烷-納米陶瓷材料在隔水導(dǎo)管等大型件中的應(yīng)用便利性和后期保養(yǎng)維護(hù)都十分方便，易于施工操作。

3.3 涂層結(jié)構(gòu)對隔熱效果的影響

隔水導(dǎo)管隔熱效果的好壞首先取決于保溫材料性能的優(yōu)劣，其次是隔熱結(jié)構(gòu)的合理性。而隔熱效果的關(guān)鍵是絕熱層的選擇和施工。因此，在確定好隔熱涂層材料屬性后，應(yīng)開展研究涂料層結(jié)構(gòu)對隔熱效果影響，對比分析隔水導(dǎo)管隔熱內(nèi)壁隔熱、外壁隔熱、內(nèi)外壁隔熱效果，以優(yōu)化隔水導(dǎo)管隔熱工藝。實驗將涂料層結(jié)構(gòu)分為3 組：隔水導(dǎo)管內(nèi)壁涂刷2 層隔熱材料(1 層厚度約200 μm)；隔水導(dǎo)管內(nèi)壁涂刷1 層、外壁涂刷1 層；隔水導(dǎo)管外壁涂刷2 層，在涂刷的過程中保證每種涂層的厚度一致。實驗方案同樣采取電阻絲加熱隔水導(dǎo)管，測試時長120 min，實驗結(jié)果如圖6 所示。

圖 6 涂層結(jié)構(gòu)對隔熱效果的影響Fig. 6 Influence of coating structure on the heat insulation effect

實驗結(jié)果顯示，3 組涂層結(jié)果在加熱升溫初期(12 min)保溫率達(dá)到最大，然后下降并趨于平穩(wěn)，這是由于初期傳熱效率低，隔熱層吸收熱量較少，導(dǎo)致涂層外表面溫度變化量較小。實驗過程中，外壁涂層結(jié)構(gòu)始終保持較高的保溫率，而內(nèi)壁保溫率相對較低，這說明采用在隔水導(dǎo)管外壁噴涂的隔熱方式能取得最好的保溫效果。

3.4 涂層厚度對隔熱效果的影響

根據(jù)涂層隔熱原理可以預(yù)測，隨著涂層厚度的增加，隔熱效果增大［22]。但由于隔水導(dǎo)管隔熱涂層厚度選取受限于施工條件以及后期使用維護(hù)等方面因素影響，因此需要對涂層厚度進(jìn)行合理化設(shè)計，以期達(dá)到最佳的保溫效果。實驗方案同樣采取電阻絲加熱隔水導(dǎo)管，選取6 組實驗厚度(100 μm、200 μm、300 μm、400 μm、500 μm、600 μm)進(jìn)行測試，實驗結(jié)果如圖7 所示。

圖 7 涂層厚度對隔熱效果的影響Fig. 7 Influence of coating thickness on theheat insulation effect

實驗結(jié)果顯示涂層材料厚度對隔熱效果影響顯著，隨著硅烷-納米陶瓷隔熱涂層厚度的增加，隔熱保溫效果也越好。在涂層厚度達(dá)到500 μm 以上時，保溫率超過80%，能充分降低海上稠油熱采過程中隔水導(dǎo)管的熱量損失，最大限度的提高蒸汽熱能利用率，滿足實際作業(yè)工況的需求。

4 結(jié)論與建議

(1)通過紅外燈加熱實驗發(fā)現(xiàn)，硅烷-納米陶瓷比普通陶瓷材料隔熱性能更好，改性處理后的納米陶瓷材料不僅具有極小的導(dǎo)熱率，同時具有較高的反射率和折射率，雙重阻隔熱量在涂層中的傳遞。

(2)通過自制的隔水導(dǎo)管加熱設(shè)備對比分析了硅烷-納米陶瓷、真空隔熱材料和絕熱橡膠材料的隔熱性能，發(fā)現(xiàn)硅烷-納米陶瓷涂料不僅具備更高的保溫率，同時擁有優(yōu)良的力學(xué)特性，能滿足海洋隔水導(dǎo)管特殊工作環(huán)境下的施工要求。

(3)通過對硅烷-納米陶瓷涂層結(jié)構(gòu)、涂層隔熱效果的實驗分析，推薦隔水導(dǎo)管隔熱工藝采用外壁噴涂的隔熱方式，同時涂層厚度達(dá)到500 μm 以上，能使得涂層保溫率達(dá)80%，最大化降低熱量損失，提高熱采效果。