摘要：石墨烯自发现以来，石墨烯的技术得到各行业的广泛应用。本文主要研究了石墨烯涂层发热、热传导技术的性能优势，利用石墨烯低电阻率、高电热转化率及高热传导率的特点，将石墨烯发热传导技术应用于气田生产工艺设备的加热及保温，确保苏里格气田井、站管线设备冬季生产安全平稳运行。通过对生产管线设备在低温环境下发生的冻堵情况进行研究分析，确定石墨烯发热传导产品的应用范围，为新技术在气田生产推广应用提供借鉴。
关键词：石墨烯；涂层发热；热传导；新技术
1 研究背景
苏里格气田在冬季生产运行中经常发生管线、设备冻堵的问题，不仅影响了正产生产，还带来极大的安全风险。在面对冬季生产中遇到的冻堵难题，井站工艺管线及设备采用的防冻堵措施是电伴热和注醇解堵方式。但随着气井数量的增多，人员工作量的增加，安全隐患点不断扩大，在人员不增、产量不减，降本增效日趋严峻的形势下，采用传统的防冻堵措施已经不能满足气田智能化发展的需要。主要表现在电伴热的保温方式和注醇解堵的方式存在电能、甲醇消耗量增大，生产成本较高，安全事故多发等不良因素。如何解决生产现场管线、设备特殊结构和关键部位的冻堵，是急需解决的问题。
2 苏里格气田井站冬季运行现状
目前，作业一区正常生产的气井有858口，运行的集气站有12座，年产气量占全厂总产气量的42%左右；冬季气井冻堵的井数有100口，因冻堵问题影响的气量在400万方/年以上。发生井站冻堵问题不仅影响产气量，同时还给气田生产带来一定的安全风险，针对传统防冻堵的不足，研究石墨烯涂层发热、热传导新技术新材料在气田生产中的应用，能有效解决井站压力变送器及引压管、高低压紧急截断阀、疏水阀等特殊部位冻堵的问题，从而降低安全生产风险和人员工作强度，不断提高工作效率，达到降本增效的目的。
3 石墨烯发热传导技术
3.1 石墨烯的发热原理
利用超声和搅拌等方法将石墨烯粉末均匀分散于有机溶剂中，得到浓度为0.05mg/ml～0.5mg/ml的石墨烯溶液，通过抽滤的方法将石墨烯均匀覆盖于有机滤膜或水系滤膜之上，再通过机械剥离、浸泡或有机溶剂溶解的方法将石墨烯薄膜和滤膜分离，得到石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜上加上电极，对其施加电压即可产生热量。由于石墨烯独特的二维纳米结构，大的厚径比、高的比表面积的特性，通过以上的制备工艺，使得石墨烯片层之间形成均匀连通的导电网络，在施加较低的电压（1～10V）下即可产生较高的热量。
3.2石墨烯的导热机理
导热石墨片（TCGS-S）也称石墨散热片，导热石墨材料的化学成分主要是单一的碳元素，且为非金属元素，是一种全新的导热散热材料，具有独特的晶粒取向，沿两个方向均匀导热，平面内具有150-1500 W/m-K 范围内的超高导热性能，它的导热系数比铜、铝、铁等金属都要高，仅次于热管，但石墨烯没有像热管那样的工质、吸液芯等，因此可以根据需要制成各种形状，如传热板、传热管，当然也能做成导热膜。利用石墨烯研制生产的柔性石墨烯散热薄膜能帮助现有笔记本电脑、智能手机、LED显示屏等，石墨烯能有助于大大提升散热性能。
4 石墨烯发热传导技术应用推荐
4.1 石墨烯涂层发热技术的应用
根据石墨烯发热原理，利用石墨烯薄膜在物体表面形成发热涂层，在涂层加两相电极，连接3~1000V的直流或交流电源就能产生一定热量，并对物体表面进行加热。为了提高热效率和延长保温时间，安装温度传感器进行温度调节控制。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在气井应用可采用太阳能板对锂电池充电的方式，为薄膜涂层提供24V的直流电压。在集气站采用就近电源接线的供电方式，为薄膜涂层提供220V的交流电压。按照现场应用情况在物体加热涂层上加装保温材料，更好的利用热能以此达到节能的目的。
4.1.1 涂层发热保温箱
气井数据远传地埋24V锂电池在冬季出现太阳能板充电量不足，夜间放电时间短的问题，容易造成气井数据远传中断；集气站生产区配置的8公斤灭火器在冬季低温环境下容易出现结块失效，存在消防器材的安全隐患。针对锂电池和灭火器在低温环境下不稳定的情况，在长50cm、宽21cm的灭火器箱底面做成石墨烯薄膜涂层，对箱体内六个面加装保温材料，在电源线路安装温度传感器进行温度调节控制，温度控制在10℃左右。在长35cm、宽20cm的锂电池箱底面做成石墨烯薄膜涂层，对箱体内六个面加装保温材料，在电源线路安装温度传感器进行温度调节控制，温度控制在5℃左右。通过对箱体的改进以此解决低温环境对锂电池和灭火器造成的影响，保证冬季正常运行。
4.1.2 仪表及安全附件的涂层发热
气井的压力表、压力变送器及引压管采用传统保温套的方式防冻，但在极寒天气下也易出现冻堵，造成压力显示不准确或者数据中断；集气站分离器液位计采用电伴热的方式防冻堵，长期使用用电量增加。针对仪表、安全附件存在的安全隐患、电量增加问题，在压力表、压力变送器连接部位及取压考克以下引压管处做成石墨烯薄膜涂层，在电源线路安装温度传感器进行温度调节控制，温度控制在10℃左右。在分离器液位计的筒体及排污阀部位做成石墨烯薄膜涂层，在电源线路安装温度传感器进行温度调节控制，温度控制在10℃左右。对于进站总机关的压力变送器则采用并联的接线方式，电源采取就近接线的原则。
4.1.3 计量装置的涂层发热
气井外输计量安装两种型号的流量计：一种是智能旋进流量计；一种是孔板流量计。两种流量计的冻堵部位均在壳体和部分管路组件，针对冻堵部位进行石墨烯薄膜涂层处理，涂层接入两相电极，在电源线路安装温度传感器进行温度调节控制，温度控制在10℃左右。
4.1.4 截断装置涂层发热
气井紧急截断装置有两种：一种是智能远程控制电磁阀；一种是高低压紧急截断阀。两种流量计的冻堵部位均在壳体和部分管路组件，针对冻堵部位进行石墨烯薄膜涂层处理，涂层接入两相电极，在电源线路安装温度传感器进行温度调节控制，温度控制在10℃左右。
4.2 导热石墨烯技术的应用
石墨烯具有超高的导热性能，可以利用设备发动机产生的热能为导热源，借以高导热性能以及纳米流体的对流传热强化效应，提升换热系统的整体传热效率。针对高位油箱采用环绕敷设，或备用便携石墨烯薄膜护套；对于压缩机仪表风采用导热管平行敷设，或采用石墨烯薄膜涂层预留。
5 结束语
本文介绍了石墨烯发热传导新技术的性能及新材料的优势，在智能化气田建设中发挥重要的作用。研究了苏里格气田历年冬季生产运行的现状，通过对比分析，采用传统的电伴热保温和甲醇预注的防冻堵措施较为落后，受到生产现场环境的制约，也不符降本增效的发展要求。针对井站管线及设备局部防冻堵特点，提出了石墨烯涂层发热和导热石墨烯两项技术在10个常见冻堵部位的改造方法，改造费用为3000元。改造完成后，可以有效降低冬季生产运行中的安全风险，同时达到降本增效的节能要求。
参考文献：
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[2]马圣乾，裴立振，康英杰.石墨烯研究进展[J].现代物理知识，2009（4）：44-47.
论文作者:张华,彭兆军,吴军良,王斌
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/7/22
标签：石墨论文; 涂层论文; 气田论文; 薄膜论文; 气井论文; 冬季论文; 集气站论文; 《基层建设》2019年第11期论文;