米光伟 陈巨标 骆裕明 刘红霞 张建伟 熊飞 刘瑞娟

（中国石油天然气股份有限公司山西煤层气勘探开发分公司）

1 煤层气田电伴热带应用现状

煤层气田与常规气田相比，开发的最大不同之处在于：煤层气田开采初期是先排水后采气。因此，煤层气生产管道中含有一定数量的水。为避免井口管道的冻堵，需在单井及丛式井井场内的地面井口集气管道和集水管道进行伴热保温。

山西晋城煤层气田建设初期，秉承绿色环保和低成本建设理念，为简化流程，煤层气井管道伴热保温采用了电伴热带技术，与热水伴热流程相比，减少了能源浪费，大幅节省了煤层气田地面集输系统的建设投资。

管道电伴热常用方法有三种：感应加热法（费用高）、集肤效应法（适用于长输管道）和电阻加热法。电阻加热法由于投资低、适用条件较为宽泛，被广泛使用。从开发初期到2017年，山西晋城煤层气田管道伴热采用的是 60 W恒功率电伴热带，恒功率电伴热带属于电阻加热法的一种，这种恒功率电伴热带耗电量较大，不利于成本控制，优化更新势在必行。

2 煤层气田地面井口系统电热带优选

2.1 电伴热带结构及原理

电阻加热法是利用电阻体发热，补偿管道的散热损失。根据电伴热原理，采用电阻体发热的电伴热带可以分为两种基本类型：恒功率电伴热带和自限温电伴热带［1］。

2.1.1 恒功率电伴热带

恒功率电伴热带包括单相并联带、三相并联带和三相串联带三种。山西晋城煤层气田井场采用的是串联式恒功率电伴热带。

串联式恒功率电伴热带原理：串联式电伴热带以绝缘铜绞线作为电源母线，即为发热芯线。具有一定内阻的芯线通过电流芯线产生焦耳热量，其大小与电流平方、芯线阻值和通过时间成正比。因此，串联式电伴热带随着通电时间的延续，不断地发出热量，形成一条连续的、均匀发热的电伴热带。串联式电伴热带芯线电流相同、电阻相等，所以整根电伴热带首尾发热均匀，其输出功率恒定，不受环境温度和管道温度影响。

串联式恒功率电伴热带结构如图1所示，其电阻丝是串联连接方式，工作时靠电阻丝发热对管道进行加热。

图1 恒功率电伴热带结构示意

串联式恒功率电伴热带特点：启动电流较小，运行过程中基本无功率衰减；交叉安装时，局部管道温度有可能超过其最高承受温度，而且电热带若有局部损坏，将影响其他部位的使用；能耗固定，日常运行成本高。

2.1.2 自限温电伴热带

自限温电伴热带原理：环境温度低时，导电塑料微观收缩，电流通道增加，电阻体发热量增加；环境温度中等时，导电塑料微观膨胀，部分电流通道断开，电阻体发热量减少；环境温度高时，导电塑料有较大的热膨胀，几乎所有电流通道切断，电流几乎不通，故发热量近于零［1］114。其输出功率不恒定，随环境温度影响而变化，环境温度越高，输出功率越低。

自限温电伴热带结构如图2所示。自限温电伴热带是在两条平行导线中间填充导电塑料作为芯线。当电源接通后，通过芯线，电流由一条导线传到另一条导线，形成回路，产生热量，补偿管道的散热损失。

图2 自限温电伴热带结构示意

自限温电伴热带特点：整体发热，可以任意交叉、重叠，且在现场安装时可任意裁截长度，减少不必要的浪费。自限温电热带由无数并联结构组成，即使有局部损坏，也不影响其他部分的使用［1］114。

2.1.3 电伴热带类型选择

根据上述恒功率电伴热带和自限温电伴热带的结构原理和工作特性，对比分析两种伴热带的优、缺点，具体情况见表1。

表1 电伴热带类型和特点

由表1可以得知两种电伴热带的优缺点，且自限温电伴热带比恒功率电伴热带的材料费用低。由于煤层气田电伴热带是对煤层气田室外井口地面管道伴热保温，受室外环境温度即昼夜温差影响大，同时，需要伴热保温的管道常伴有阀门、法兰等附件，因此，自限温电伴热带与恒功率电伴热带相比，更适宜在该类工况下使用。

综上所述，选择自限温电伴热带作为山西晋城煤层气田使用的电伴热带更为适宜。

2.2 热量损失计算

通过计算管道损失的热量，确定电伴热带补充的热量，校核电伴热带功率。管道散热量计算［2］如下：

式中：Q——实际所需伴热量，W/m；q——基准情况下单位长度管道的散热量，W/m；e——管材系数，金属为1，非金属为0.6～0.9；h——环境系数，室外为1，室内为0.9；f——保温材料系数（查表可知）。

2.2.1 基础参数确定

1）管材：煤层气田井口管道为金属管，采用20#无缝钢管，管材系数e=1。

2）管径：煤层气田单井、丛式井井场管道通常为D60×3.5，水平井为D89×4。

3）基准情况下单位长度管道的散热量（q）见表2：

表2 管道的散热量*

①管道温差：管道内部气体保持温度为15 ℃，外界环境最低温度为-35 ℃，最大温差为50 ℃。

②管道保温材料厚度：40 mm。

当管道保温厚度为40 mm、温差为50 ℃、管径分别为DN50和DN80时，由表2可以得知，DN50管道散热量为15.25 W/m，DN80管道散热量为20 W/m。

4）环境系数：管道位于室外，h=1。

5）管道保温材料：

常用的管道保温材料有玻璃纤维、岩棉、矿渣棉、珍珠岩及聚氨酯泡沫塑料等。其中，玻璃纤维、岩棉和矿渣棉属于软质保温材料，不易成型，且其成分容易造成皮肤过敏、瘙痒，工人现场施工时需要全副武装，扎紧袖口、领口避免飞屑进入，给施工带来诸多不便。而且，这些材料现场裁切较为困难；珍珠岩成型好，但容易碎裂，施工、裁切时材料损耗大；聚氨酯泡沫塑料成型好，易安装，现场裁切方便，便于现场施工。因此，通常情况下，现场管道保温材料优先选用聚氨酯泡沫塑料。各类保温材料的保温系数如表3所示。

表3 保温系数

目前，煤层气田地面管道保温材料采用自熄型硬质聚氨酯泡沫塑料。由表3可以得知，聚氨酯泡沫塑料保温系数为0.67。

2.2.2 电伴热带功率计算

室外管道保温，h=1；采用20#无缝钢管，e=1；管道保温材料选用自熄型硬质聚氨酯泡沫塑料，保温系数f=0.67。根据管道散热量公式，计算如下：

由上述计算得知，极端环境下，管道的散热量：DN50的为10.22 W/m、DN80的为13.4 W/m。同时，考虑保温材料的质量及现场施工问题，电伴热带所选用的功率应当大于计算得出的管道散热量，因此，DN50管道电伴热带选用的功率为15 W，DN80管道的为20 W。

3 实际应用

3.1 实际选用的电伴热带

通过计算，优选采用自限温电伴热带。煤层气田管道管径为DN50、DN80时，其电伴热带功率分别为15 W、20 W。为便于电伴热带的采购及维护，统一采购、使用35 W的自限温电伴热带。

3.2 电伴热带缠绕方式

电伴热带敷设方式正确与否是影响电伴热效果及其使用寿命的重要因素。为确保电伴热效果，并延长电伴热带使用寿命，对于井场直管段、弯管、立管、三通、阀门以及法兰的电伴热带缠绕方式，要求施工时严格按照规定进行敷设、缠绕。

3.3 埋地管道不再采用电伴热带

山西晋城煤层气田开采初期埋地管道施工遇到的石方较多、土方较少，尽管山西沁南区块的冻土层为-0.6～-0.7 m，管道埋深-1.0 m，但部分埋地管道仍出现冻堵。 为确保生产安全运行，井场的埋地管道增加了电伴热。当时打井数量较少，均为直井，每个单井井场伴热的埋地管道也仅为6～7 m，因此，井场的埋地管道伴热一直被沿用下来。

随着煤层气田建设的发展，打井数量越来越多，成本不断增加。为控制成本，通过对井场的调研，确认近几年井场埋地管道开挖多为土方、石方较少，埋地管道基本上不存在冻堵情况，建议取消埋地电伴热带。对于个别石方较多的井场，施工时现场可以增加电伴热带。

3.4 现场应用

2015年，在晋城沁水煤层气田樊庄区块，稳产开发调整 145口井地面建设工程项目采用了 30 W的自限温电伴热带进行管道伴热，同时埋地管道不再进行电伴热。2016年7月，145口井投产运行，至2018年9月，平稳运行了两个冬季，145口井井场管道未出现管道冻堵，电伴热带使用状况较好，保证了煤层气田生产的安全运行。

4 结束语

山西晋城煤层气井井场内（室外）管道采用自限温电伴热带伴热。经过两年多的现场运行，伴热效果较好，不仅满足了煤层气安全生产的要求，且大幅降低了煤层气生产运行成本，同时也节约了工程建设投资，产生了良好的经济效益。有利于煤层气田的低成本运行，可持续发展，为“挖潜增效”探索出了一条新途径。