杜垚森，封優(yōu)生，伍曉龍，師 敏，高鵬舉，4，湯小仁，趙 遠(yuǎn)，王曉賽，王慶曉，董向宇，李秀峰

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000；2.邯鄲市偉業(yè)地?zé)衢_發(fā)有限公司，河北 邯鄲 056000；3.廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 廊坊 065000；4.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，以氣候變化為核心的全球環(huán)境變化，正在廣泛而深刻地影響著人類社會的方方面面。氣候變化所導(dǎo)致的氣溫增高、海平面上升、極端天氣與氣候頻發(fā)等，對自然生態(tài)系統(tǒng)和人類生存環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。在這一背景下，世界各國以全球協(xié)議的方式減排溫室氣體，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出中國力爭于2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑之一是能源替代，即清潔能源替代高碳能源，在源頭上減少碳排放。

地?zé)崮苁侨∽缘叵碌囊环N可再生的清潔能源。我國地?zé)豳Y源豐富，約占全球資源總量的8%。我國的地?zé)豳Y源可分為淺層地?zé)崮苜Y源、水熱型地?zé)豳Y源和干熱巖資源3種類型，其中水熱型和干熱巖資源可通過人工鉆井取水及井下?lián)Q熱技術(shù)進(jìn)行開采利用［1-4］。為避免地下熱能向地面?zhèn)鬟f過程中造成能源的浪費(fèi)，采用保溫管傳輸熱能，保溫管保溫性能的研究對提高地?zé)崮艿睦寐示哂惺种匾囊饬x。本文總結(jié)了深部地?zé)崮荛_發(fā)用保溫管技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀并指出了未來的發(fā)展趨勢，為保溫管技術(shù)的研究和應(yīng)用提供參考。

1 地?zé)崮荛_發(fā)技術(shù)方法

地?zé)崮荛_采技術(shù)包括取地?zé)崴⑦M(jìn)行回灌技術(shù)，以及取熱不取水技術(shù)。

取地?zé)崴枰跓崴薪⑷∷艿?，并進(jìn)行回灌，如圖1所示［5］。

圖1 地?zé)峋∷疽釬ig.1 Extracting water from the geothermal well

取熱不取水技術(shù)，需要采用井下?lián)Q熱系統(tǒng)。井下?lián)Q熱系統(tǒng)主要有單井換熱系統(tǒng)和U形對接井換熱系統(tǒng)（如圖2所示）。其中單井換熱系統(tǒng)主要包括U形管換熱和同軸套管循環(huán)換熱，如圖3所示。

圖2 U形對接井換熱示意Fig.2 Heat exchange with U-shaped intersected well pair

圖3 單井換熱系統(tǒng)示意Fig.3 Underground heat exchange system

無論取熱水或通過井下?lián)Q熱方式取熱能，當(dāng)井底的熱水或熱能在向井口運(yùn)移的過程中，由于溫度的差異，熱能會以熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射的方式散失，造成能源的浪費(fèi)，為此研究人員提出了采用具有保溫性能的內(nèi)管柱即保溫管傳輸熱能，降低能量損失，提高熱效率［6-7］。

2 保溫管技術(shù)現(xiàn)狀

表征保溫管保溫性能的主要參數(shù)為導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)越低保溫性能越好。因此，影響保溫管整體導(dǎo)熱系數(shù)的因素包括保溫管的結(jié)構(gòu)和材料、在保溫管基體上增加的保溫材料以及保溫管的制作工藝，也是保溫管技術(shù)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。目前國內(nèi)外地?zé)崮荛_發(fā)用保溫管技術(shù)比較少，國外在這方面的研究報(bào)道較少，而石油開采用隔熱油管國內(nèi)研究較多并出口國外。

2.1 保溫管的結(jié)構(gòu)和材料

保溫管的結(jié)構(gòu)主要分為單管和雙管結(jié)構(gòu)，材料分為金屬材料和非金屬材料。金屬材料的單層保溫管以普通油管加保溫層為主，常規(guī)油管的導(dǎo)熱系數(shù)為40 W/（mK），保溫性能很差，通常以增加保溫材料的方式提高其保溫性能。在普通油管外壁包裹玻璃纖維、聚氨酯泡沫保溫橡塑和納米氣凝膠毛氈等保溫材料可顯著提高保溫管的保溫性能，中國石油華北油田采油三廠在原油開采井中采用普通油管包裹氣凝膠毛氈的技術(shù)，以減少原油在舉升過程中的熱能損失，提高井口出油溫度，與常規(guī)油管相比井口溫度平均提高14.8℃。由于該種保溫油管保溫層強(qiáng)度低，在入井過程中易損壞，降低保溫性能，通常不具有重復(fù)使用性［8-10］。在常規(guī)油管加工過程中，采用熱處理或是表面鍍膜的方法提高其保溫性能，同時(shí)也保證了其機(jī)械強(qiáng)度。西南石油大學(xué)李春福等［11］提出了一種用于稠油熱采表面帶有熱障涂層的耐蝕隔熱油管技術(shù)，該技術(shù)是通過熱噴涂方式將隔熱陶瓷層等保溫材料涂覆于普通油管外壁，提高其保溫性能。王磊磊等［12］通過將納米聚硅氣凝膠噴涂在普通油管上形成5 mm的超薄保溫涂層來提高油管的保溫性能，并應(yīng)用在塔河超深油井中，減少地層產(chǎn)出液的沿程溫度損失。采用低導(dǎo)熱系數(shù)的材料制作內(nèi)管柱可以顯著提高其保溫性能，一種由高分子材料聚乙烯制作的管道作為井下運(yùn)輸熱能的內(nèi)管柱，其平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.42 W/（mK），是普通油管導(dǎo)熱系數(shù)40 W/（mK）的1/100，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通鋼管的保溫性能，能夠大大降低熱損失；但是聚乙烯管的機(jī)械強(qiáng)度和承壓能力較低，限制了下入井內(nèi)的深度，通常最大下入深度只有500 m［10-11］。

雙層真空隔熱油管技術(shù)是目前比較成熟且應(yīng)用較廣泛的技術(shù)，該隔熱油管由雙層鋼管構(gòu)成，內(nèi)外管中間的環(huán)隙為真空隔熱層，管與管之間通過保溫接頭連接，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。該技術(shù)主要是應(yīng)用在石油工業(yè)稠油開采方面。目前，真空隔熱油管按照隔熱性能分為了5個(gè)等級，如表1所示［13］。

圖4 真空隔熱油管結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structure of vaccum insulated pipe

表1 不同等級的真空隔熱油管導(dǎo)熱系數(shù)Table 1 Thermal conductivity of vaccum insulated pipe at different levels

真空隔熱油管技術(shù)在世界上的應(yīng)用比較廣泛。英國的Troika油田使用真空隔熱油管使井筒中的流體保持了較高的溫度，降低了能源消耗；美國的Kern River油田、墨西哥油田及巴西海上油田在實(shí)際生產(chǎn)中均使用真空隔熱油管取得了很好的效果［14］；波蘭的一口地?zé)峋诇囟葹?0℃，采用真空隔熱油管進(jìn)行熱生產(chǎn)，當(dāng)流量為500 m3/h時(shí)井口溫度達(dá)到86℃，大大降低了熱損失［5］。

遼河石油勘探局機(jī)械總廠、勝利油田等生產(chǎn)的真空隔熱油管在實(shí)際生產(chǎn)中也得到應(yīng)用；沈陽采油廠改進(jìn)了真空隔熱油管的制作工藝，降低了成本，使用壽命提高到了3.5～4年。

真空隔熱油管能夠達(dá)到隔熱保溫效果且能夠滿足深井使用的強(qiáng)度要求，在地?zé)崮荛_采中也得到應(yīng)用。中國石油大學(xué)（北京）宋先知等［15］設(shè)計(jì)研制的雙層保溫管（如圖5所示）可實(shí)現(xiàn)全尺寸真空保溫，極大地降低了回水過程中的熱損失，提高了取熱功率，在雄安新區(qū)地?zé)峋胁捎猛S換熱系統(tǒng)得到了成功應(yīng)用。中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局采用國內(nèi)自主研發(fā)的真空保溫管在U型井中進(jìn)行換熱，使用深度2480 m，取水井底部到出水口溫差在3℃以內(nèi)，取得了良好的效果［16］。

圖5 雙層真空保溫管結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure of double layer vaccum insulated pipe

新出廠的隔熱油管通常具有較好的隔熱性能，其導(dǎo)熱系數(shù)≯0.02 W/（mK）。但是，真空隔熱管的保溫性能是隨著時(shí)間逐漸降低，為了延長其保溫性能，真空隔熱管的真空夾層還可以填充惰性氣體、石棉布、聚氨酯泡沫、玻璃纖維等保溫材料，均能提高并延長真空隔熱管的保溫性能。東勝氣田采用填充多層隔熱材料、抽真空并裝有吸氣劑的隔熱管進(jìn)行采氣生產(chǎn)試驗(yàn)，生產(chǎn)47 d后，井口溫度始終保持在39.1℃，在長期工作中保持良好的隔熱性能［17］。真空隔熱油管的內(nèi)外管還可采用滲鋁的合金鋼或不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)外管經(jīng)過滲鋁處理，表面具有抗氧化、耐腐蝕性，能夠防止外來分子侵蝕和滲透，很好地保護(hù)內(nèi)部基體金屬，可延長真空隔熱管的保溫性能［18］。

2.2 保溫管的保溫材料

在管道輸送保溫領(lǐng)域常用的保溫材料分為3大類：一是傳統(tǒng)保溫材料，二是新型保溫材料，三是發(fā)泡保溫材料。傳統(tǒng)保溫材料分為復(fù)合硅酸鹽和纖維類，復(fù)合硅酸鹽主要種類有硅酸鎂、硅酸鋁和稀土復(fù)合保溫材料；纖維類主要有巖棉、玻璃棉、硅酸鋁纖維等；發(fā)泡保溫材料主要為保溫橡塑和聚氨酯發(fā)泡材料。新型保溫材料主要為CAS鋁鎂質(zhì)保溫材料和納米保溫材料［19］。

復(fù)合硅酸鹽保溫材料使用溫度可達(dá)500℃，但是材料的閉孔率較低，空氣中的水汽易進(jìn)入材料內(nèi)部，致使保溫性能顯著降低；同時(shí)在使用中有機(jī)物組分降解老化，降低使用壽命，其平均使用壽命為2～3年。纖維類保溫材料與復(fù)合硅酸鹽類似，空氣中水汽易進(jìn)入材料內(nèi)部，導(dǎo)致保溫性能降低，其平均使用壽命一般為2～3年。巖棉的最高使用溫度達(dá)到350℃，化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定，熱穩(wěn)定性稍差；玻璃棉的最高使用溫度為300℃，玻璃纖維短而脆，不易安裝；硅酸鋁纖維的最高使用溫度為800～1200℃，高溫下其導(dǎo)熱系數(shù)較大，且價(jià)格較貴；發(fā)泡保溫材料不耐高溫，一般適用于80℃以下［20-22］。

CAS鋁鎂質(zhì)保溫材料最高使用溫度可達(dá)1000℃，吸濕率遠(yuǎn)低于復(fù)合硅酸鹽材料和纖維類保溫材料，機(jī)械力學(xué)性能遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)保溫材料，使用壽命一般在8～10年［23］。納米保溫材料的主要產(chǎn)品為納米SiO2氣凝膠。20世紀(jì)80年代以來，納米技術(shù)得到迅速發(fā)展，在絕熱、保溫材料的生產(chǎn)中也得到了廣泛的應(yīng)用。SiO2氣凝膠是一種新型納米材料，具有多孔、輕質(zhì)、密度低、比表面積大和孔隙率高等優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出良好的絕熱保溫性能，被稱為迄今為止保溫性能最好的絕熱材料，成為絕熱、保溫材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)［24-27］。由納米氣凝膠制成的保溫毛氈具有很好的性能指標(biāo)：超強(qiáng)的保溫性，在高溫或低溫條件下，導(dǎo)熱系數(shù)是所有已知固體中最小的；超強(qiáng)的耐溫性，長期使用溫度范圍為-80～650℃；超強(qiáng)的防火性，高溫火焰燃燒無任何有毒氣體和煙霧排放；超薄超輕性能，易割易折，可現(xiàn)場加工，施工方便，可拆卸；疏水性；使用壽命超過20年。納米氣凝膠保溫毛氈施工技術(shù)方面并無很高的要求，由于其質(zhì)輕、容易裁剪、縫制，可以適應(yīng)各種不同形狀的管道、設(shè)備保溫，且安裝所需時(shí)間及人力較少，運(yùn)輸成本較低。將納米氣凝膠毛氈、保溫橡塑及聚氨酯發(fā)泡保溫材料包覆在內(nèi)部充滿油的油管外壁上，當(dāng)油管外壁達(dá)到相同的溫度時(shí)，所需納米氣凝膠毛氈的厚度最小，如表2所示［28-29］。

表2 不同保溫材料性能對比Table 2 Comparison of properties of different insulation materials

2.3 保溫管的制作工藝

保溫管的制作工藝可簡單分為抽真空、噴涂以及包裹填充。真空隔熱管的保溫性能主要依靠內(nèi)外管之間的真空層隔絕內(nèi)外的溫度，因此對抽真空設(shè)備提出了很高的要求，要求的導(dǎo)熱系數(shù)越低，對抽真空的技術(shù)要求越高。但其保溫性能是隨著時(shí)間逐漸降低的，其主要原因?yàn)闅錃獾娜肭?，氫氣侵入真空隔熱層后會與鋼管表面發(fā)生氫化反應(yīng)，降低環(huán)空的真空度，進(jìn)而導(dǎo)致保溫性能下降。真空隔熱管氫滲失效機(jī)理說明了其保溫性能的失效是無法避免的［28］?？梢酝ㄟ^改進(jìn)內(nèi)管和外管材質(zhì)，研制低氫滲鋼管，主要在鋼管化學(xué)成分中添加抗腐蝕化學(xué)元素；也可以在內(nèi)管內(nèi)表面或外管外表面涂覆低輻射防腐層，用電化學(xué)的方法將Mo層或MoO3層涂覆在鋼管表面；還可以在保溫管環(huán)空充填吸氣劑（鈦、鈦合金、鋯合金等）清潔保溫層或填充保溫材料以長期保持良好的保溫性能［30-33］。李春福等［11］提出了一種針對普通油管的熱障涂層方法，實(shí)際操作為先對油管的外表面進(jìn)行噴砂打磨并用航空汽油或丙酮清洗，經(jīng)100～200℃預(yù)熱后對鋼管外表面噴涂中間粘合劑NiCrAlY（厚度為0.1 mm），再采用熱噴涂方式進(jìn)行隔熱陶瓷層噴涂（厚度≮0.2 mm）。趙海鑫［34］選用由改性溶液、納米空心玻璃微珠、熱反射物質(zhì)及陶瓷纖維等物質(zhì)組成的隔熱涂層，涂刷在石油罐體表面，該涂層的導(dǎo)熱系數(shù)為0.033 W/（mK），達(dá)到了保溫的效果。王磊磊等［12］將納米聚硅氣凝膠噴涂在普通油管上形成5 mm的超薄保溫層，并通過實(shí)驗(yàn)測試了常規(guī)油管和納米保溫油管的性能參數(shù)，如表3所示。與常規(guī)油管相比，納米保溫油管的保溫性能提高了近千倍，同時(shí)也具備很好的性能參數(shù)。張鑫等［28］將3種不同的保溫材料包覆在管道外壁，形成保溫管，并對3種保溫管進(jìn)行了保溫性能測試（其結(jié)果參見表2）?？梢?，保溫管的保溫制作工藝多種多樣，均可達(dá)到保溫的效果。

表3 納米保溫油管與常規(guī)油管性能參數(shù)對比Table 3 Comparison of performance parameters between nano insulated pipe and conventional pipe

3 對地?zé)崮鼙毓芗夹g(shù)發(fā)展的思考

3.1 地?zé)嵴婵毡毓芘c真空隔熱油管的差異

隔熱油管主要應(yīng)用于稠油開采領(lǐng)域，由于工作環(huán)境復(fù)雜多變，對隔熱油管的綜合性能提出了更高的要求。隔熱油管技術(shù)發(fā)展較為成熟，且已形成規(guī)格化的產(chǎn)品，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展，其中在地?zé)崮荛_發(fā)中的應(yīng)用越來越多。由于隔熱油管是注蒸汽稠油開采的專用設(shè)備，在地?zé)衢_發(fā)井中的適用性不高，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1）應(yīng)用環(huán)境的差異。用于稠油開采的隔熱油管，需要注入溫度為350℃、壓力為幾十兆帕的蒸汽（2000 m井深注入壓力20 MPa），在工作過程中隔熱油管要承受拉伸、沖擊、扭轉(zhuǎn)、彎曲、內(nèi)壓和外擠等各種作用力，因此要求內(nèi)外管材和管柱具有更高的高溫和力學(xué)性能。作為溫度范圍最高的干熱巖地?zé)峋?000～6000 m深巖體溫度為200℃具有較高的利用價(jià)值；同軸換熱系統(tǒng)作為地?zé)衢_發(fā)的主流模式，3000 m井深的井底實(shí)際水壓不會超過5 MPa。隔熱油管的整體性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了地?zé)崮荛_采的需求，若地?zé)衢_采中采用標(biāo)準(zhǔn)的隔熱油管會變相增加開采的成本［35］。

（2）井深的差異。通常稠油井深為1200～2000 m，地?zé)峋纳疃确秶^大，通常中深層地?zé)峋疃龋?000 m，目前世界上最深的地?zé)峋_(dá)到了6400 m，常規(guī)隔熱油管的抗拉強(qiáng)度已無法滿足中深井地?zé)衢_發(fā)的需求。

（3）井徑的差異。稠油開采井通常為小井眼，隔熱油管最大規(guī)格為?127 mm/?76 mm，地?zé)峋疄榱颂岣卟蔁嵝剩２捎玫慕K孔直徑為216 mm，有的甚至達(dá)到311 mm，常規(guī)的隔熱油管無法滿足高效采熱的需求。

因此，為了更加高效地開采地?zé)崮?，需要根?jù)地?zé)峋c稠油開采井的差異優(yōu)化真空隔熱油管結(jié)構(gòu)，適當(dāng)降低內(nèi)外管的壁厚，提高抗拉強(qiáng)度，增大內(nèi)外管的直徑，逐步形成適用于地?zé)崮荛_發(fā)的真空保溫管。

3.2 保溫管技術(shù)發(fā)展的趨勢

淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)已不能滿足人類對能源的需求，對高溫地?zé)崮艿男枨蟪掷m(xù)增加，因此面向深部地?zé)崮荛_發(fā)的力度增大。為了保護(hù)地下水資源及生態(tài)環(huán)境，“取熱不取水”及井下?lián)Q熱成為深部地?zé)崮荛_發(fā)的主流模式。對于應(yīng)用在深部地?zé)崮荛_發(fā)的保溫管提出了更高的要求。首先，通常要求保溫管的導(dǎo)熱系數(shù)≯0.02 W/（mK），有效服役時(shí)間≮20 y，這樣熱能在傳輸過程中才能最大化地降低沿程損失，提高熱傳導(dǎo)的效率，降低綜合開采成本。從上文可知，目前常規(guī)真空隔熱油管已無法滿足深部地?zé)崮芨咝ч_采的要求。因此，需要根據(jù)深部地?zé)峋責(zé)崮荛_采改進(jìn)真空保溫管的結(jié)構(gòu)尺寸和抗拉強(qiáng)度，提高保溫壽命，逐步形成適用于深部地?zé)崮荛_發(fā)的高效保溫管。

二氧化硅氣凝膠納米材料具有超強(qiáng)保溫性、超強(qiáng)耐溫性、良好柔韌性及超長使用壽命的優(yōu)點(diǎn)。二氧化硅納米氣凝膠毛氈材料逐漸應(yīng)用于真空保溫管中，即在真空層包裹氣凝膠毛氈以彌補(bǔ)真空的損失，使真空保溫管具有更好的保溫性能和使用壽命，能夠滿足深部地?zé)崮荛_采的需求。由于納米氣凝膠毛氈相較于其他保溫材料較貴，成本為其他保溫材料的2～3倍，為了使成本和保溫性能達(dá)到最優(yōu)的平衡，可通過優(yōu)化真空納米氣凝膠保溫管的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)因素主要包括保溫層保溫材料纏繞的密實(shí)度、纏繞的層數(shù)以及抽真空的真空度等，直接影響著保溫管的導(dǎo)熱系數(shù)。隨著材料科學(xué)和噴涂工藝的發(fā)展，經(jīng)過熱噴涂的常規(guī)油管或許不僅能滿足深井地?zé)岬拈_發(fā)要求，還將大大降低保溫管的質(zhì)量并取代真空納米氣凝膠保溫管。總之，保溫管技術(shù)的發(fā)展，必將推動地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。

4 結(jié)論

地?zé)崮苁且环N可再生清潔能源且應(yīng)用前景十分廣闊，保溫管技術(shù)是提高深部地?zé)崮荛_發(fā)效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。決定保溫管綜合性能的因素主要為保溫管的結(jié)構(gòu)和材料、保溫材料及制作工藝。

（1）根據(jù)深部地?zé)崮荛_發(fā)的特殊要求，真空納米雙層保溫管既能滿足強(qiáng)度要求，又具有較好的保溫性能，因此成為目前深部地?zé)崮荛_發(fā)的最佳選擇；可根據(jù)具體井況設(shè)計(jì)真空納米保溫管結(jié)構(gòu)、尺寸、機(jī)械強(qiáng)度、質(zhì)量、保溫性能等參數(shù)，使保溫管的綜合性能與成本達(dá)到雙優(yōu)的指標(biāo)。

（2）與傳統(tǒng)保溫材料相比納米保溫材料成本較高，突破保溫管基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)因素對保溫性能的影響機(jī)制，進(jìn)而優(yōu)化制作工藝參數(shù)，可達(dá)到降本增效的目標(biāo)。

（3）探索新材料和新工藝使單層保溫管技術(shù)能夠達(dá)到深部地?zé)崮芨咝ч_發(fā)的要求，使保溫管技術(shù)的發(fā)展登上新臺階，促進(jìn)我國地?zé)崾聵I(yè)的高速發(fā)展，有助于實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的目標(biāo)。