JPS5980890A - 真空断熱式スチ−ム注入管装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般には断熱された高温流体注入管装置に関す
るものであり、更に詳しく言えば断熱式管装置を形成す
る内側管と外側管との間の環状空間に真空を維持するた
めの新規な且つ有効な装置に関するものである。

重質油及びタールサンドは、従来の原油の減産を補うべ
く漸次増産されるだろう液体炭化水素の巨大未利用資源
を代表するものである。しかしながら、油堆積層は油粘
度を減少させ油が経済的量で産出油井へと流出するべく
加熱されるべきである。有力な加熱方法は地上で作った
スチームを連続態様（スチームフラッド）又は間欠態様
（スチームステイムレーション）のいずれかの態杼で注
入する方法である。

スチームが長い注入パイプ即ち「ストリング」に沿って
注入されると、もしストリングが適当に断熱されていな
い場合には相当量の熱エネルギが油堆積層を覆った岩石
表層（５００〜Ｚ０００フイート）に奪われる。初期ス
チーム注入プロジェクトにおいては油の価格は熱損失防
止対策を十分に施し得る程高いものではなかったが、油
価格が１バレル当り３０ドル又はそれ以上となった場合
には油井注入管に断熱装置を施しても経済的に成り立つ
ものとなる。

スチームを油井へと注入し且つ過剰の熱損失を防止する
ための断熱式スチーム注入管装置を使用することは知ら
れている。

断熱式スチーム注入タイプの管装置は同中心にて配置さ
れた内管及び外管を具備し、該両管はその間に環状空間
を形成せしめるべく一緒に連結される。環状空間は典型
的には空気又は不活性ガスを有しそして例えばファイバ
及び層状断熱材のような物質によって断熱される。

内管及び外管の間の環状空間を真空にするという構成は
米国特許番号第３．６８０．６５１号及び第３．７６３
．９３５号に開示される。該両特許は、流体、特に液体
石油を典型的には１６０’Ｆの温度で搬送するようにし
た例えば永久凍結地帯のような冷寒雰囲気下で例えば油
のような暖い流体を搬°送する技術を取扱っている。

前記両特許は、環状空間へのガスの拡散を減じそれによ
って該環状空間に最初に確立された真空程度を維持し得
るように管表面に例えばニッケル又はクロム合金コーテ
ィングのような特別のコーティングを施すことを教示し
ている。該両特許は環状空間に侵出する可能性のあるガ
スを吸着するためにゲッタ物質の使用を教示する。

二重壁管の真空環状空間へとガスが拡散又は漏洩すると
いう問題は前記両米国特許にて一般的に取扱われている
が、いずれの特許もスチーム注入を行なう油井の厳しい
環境下で直面する更に他の問題点には言及していない。

このような環境下における外管の外面は油井の深さと共
に増大する圧力下で腐蝕水に露呈される。管は一般には
経済的理由から炭素鋼にて作製される。腐蝕雰囲気は発
生期の水素の発生を著しく増大せしめる。又斯る水素は
特に、典型的には４０００〜６０００フイート又はそれ
以上の深さにて遭遇する極めて大きな圧力下にて外管壁
を透過する。

更に、内管の高温状態下では例えば酸素、−酸化炭素、
水素及び蟹素のような望ましくないガスが環状空間内に
発生するガス発生作用は、内管の流体が単に１６０°Ｆ
の温度の場合のガス発生率の１０倍又はそれ以上のオー
ダで増大する。又、内管も経済的理由から通常は比較的
低価格の金属、例えば炭素鋼にて作製される。斯る乍の
表面からガス抜きを行なうための方法としてベーキング
法が知られているが、内管に十分なガス抜きを施すため
には１ｓｏｏ’Ｆの温度を約１日間付与することが必要
とされるであろう。斯る方法は一般的には実施不能であ
る。

少なくとも５年と考えられる断熱式スチーム注入管装置
の使用寿命の間に環状空間内の水素分圧が最大約４トル
まで増大するのは水素拡散に起因するものと考えること
ができる。他の活性ガスによる分圧が１００トルにまで
増大するのは内管のガス発生作用に起因するものと考え
られる。斯る圧力の増大は環状空間の断熱機能を損うも
のである。他のガスの分圧が最大０．１トルという値は
通常許容し得るものであるが、水素にとっては水素のモ
ビリティが極めて太きいという理由から０．０１トル以
上の分圧は通常許容し得ないものである。

１９８０年２月１８日のオイル・アンド・ガスジャーナ
ルに掲載されたビー・ヴイー・トレイナ（Ｂ、Ｖ、Ｔｒ
ａｙｎｏｒ　）の論文「Ｎｅｗ　Ｄｏｕｂｌｅｄ　−Ｗ
ａｌｌｅｄ　’ｌ’ｕｂｕｌａｒｓ　Ｃａｎ　Ａｉｄ　
Ｔｈｅｒｍａｌ　ＲｅｃｏｖｅｒｙＱｐｅｒａｔｉｏｎ
ｓ　Ｊ　　にはその１０６頁に、厳しい油井環境下での
二重壁管の環状空間を断熱する際の問題点が論じられて
いる。断熱のために環状空間を真空にするというのは経
済的に実施不可能であり、従って真空に対する研究は放
棄されたことが理解されるであろう。

本発明は、内管と外管とを有しそして油井にスチームを
注入するのに使用される管装置の環状空間に真空状態を
保持する問題を解決するものである。

本発明に従うと、管の組立時に環状空間にゲッタ物質が
配置される。ゲッタ物質は好適には使用時に高温となる
表面に隣接して配設される。この構成によりゲッタ物質
の容量とボンピング速度が増大する。内管及び外管は例
えば板のような連結手段を使用して組立てられる。つま
り連結手段は各管に溶接されそれによって該両管の間に
環状空間が形成される。環状空間は密封されそして真空
引きされる。ゲッタ物質は管装置がスチーム注入装置と
して利用されたときの加熱作用によって自動的に活性化
されるのが好ましい。

従って、本発明の目的はスチーム又は他の高温流体を油
井へと分与するための管装置を提供することであり、該
管装置は４００°Ｆ以上の温度の流体を搬送するための
内側空間を画定する内管と、前記内管のまわりに配置さ
れそして該内管と協働して環状空間を画定する外管と、
前記内管と外管とを連結し、前記環状空間を密閉して大
気圧から遮断しそして該密閉環状空間に真空を確立する
ための連結手段と、前記密閉環状空間内の少なくとも一
つの活性ガスを吸着し、好ましくは装置の内管の表面又
は他の高温部材に隣接して設けられたゲッタ物質とを具
備して構成される。

本発明の更に他の目的は、温度上昇と共に増大するガス
発生作用によって少なくとも一つの活性ガスを解放する
材料で内管を作製したとき、許容し得る真空度を環状空
間に保持し得るようにした管装置を提供することである
。

本発明の更に他の目的は油井の腐蝕拌囲気下で腐蝕し、
管壁部を透過し環状空間へと進入する発生期の水素を発
生せしめる材料で外管を作製したとき、許容し得る真空
度を環状空間に保持し得るようにした管装置を提供する
ことである。

本発明は内管及び外管に価格の高い耐蝕性物質をコーテ
ィングする必要をなくすることができる。

ゲッタ物質はチタン、ジルコニウム又は他のガス吸着物
質とすることができる。しかしながらチタン及びジルコ
ニウムが水素ガスを吸着するには好まし℃・。

本発明の更に他の目的は管装置の使用期間を通して断熱
のために必要な真空度を所定限度内に維持することがで
き、又設計で簡単で、構造が丈夫で且つ製造価格が安い
、スチームを油井に分与するだめの管装置を提供するこ
とである。

次に本発明の原理を理解するべく本発明の典型的な一実
施態様を図面に則して説明する。

図面を参照すると本発明の一実施態様においては総括し
て番号１ｏで示される断熱式高温流体注入管装置が設け
られる。該装置は、スチーム又は他の高温流体を油井中
へと注入するために油井内へと降下せられるストリング
を形成するための他の同じような管装置と一緒に組立て
ることができる。管装置１０は典型的には長さが４０フ
イートとされ、内管１４と、該内管１４のまわりに配置
された外管１２とを具備する。又内、外管の間には環状
空間１６が形成される。第１図に図示されるように、環
状空間１６には内管１４の外表面のまわりを巻回して多
層の断熱材１８を設けるか、又は第２図に図示されるよ
うに繊維質断熱材２２を設けることができる。しかしな
がら、他の適当な断熱材を設けることもできる。内管及
び外管の間には軸方向に離隔した位置に例えば７ランジ
付連結部材２４及び２６のような連結手段が、好ましく
は溶接によって連結される。部材２４及び２６は内、外
管を連結する他に環状空間１６を好適にシールする働き
をも有することができる。スチーム又は他の高温流体を
管装置へと供給するために流体供給装置６４を番号３６
で概略図示される管路手段によって管装置１０に連結す
ることができる。装置３４は斯界では知られたものを使
用することができ、斯る装置は当業者には良（知られた
ものである。

環状空間１６は好ましくは１０−５）ル又はそれ・以下
のレベルまで既知の態様で真空状態とされる。

耐用寿命が約５年又はそれ以上とされる場合にはこの真
空レベルは０１トル又はそれ以下であってこのときの水
素分圧は０．０１）ル以下となるように維持されるのが
望ましい。このような圧力以上である場合には環状空間
の断熱機能は低下する。

これは、水素の場合には水素分子の分子量が軽く又水素
分子の動きが速くそれによって望ましくないことである
が内管１４から外管１２へと熱が伝達されるという理由
からである。上述のように真空度は又、容管、特に環状
空間２８に導入されるスチームに露呈され、典型的には
約６５０６Ｆ、一般には４００〜７００’Ｆの温度範囲
にある内管１４の材料から例えば酸素、窒素、水素及び
−醜化炭素のような活性ガスが発生することによって低
下せられる。

より詳しくは後で説明するように、管装置１０の使用期
間中に環状空間１６内の雰囲気は腐蝕によって発生した
拡散水素によって最大４トルだけ増大し、又高温内管１
４からのガス発生によって約１００トルだけ増大すると
考えられる。従って、発生する可能性のある他の方法に
よるガスの環状空間への機械的漏洩が起らない場合であ
っても、環状空間１ごに対する全圧０．１）ル及び水素
分圧０、０１　）ルという上限は超えてしまうであろう
。

本発明に従うと、環状空間１６から所望しない活性ガス
を除去するためにはゲッタ物質３０が環状空間内で、且
つ好ましくは内管１４の外面２０又は例えば４００°Ｆ
以上の温度となる可能性のある連結部材２４又は２６の
表面のような他の表面に隣接して設けられる。この位置
にて、好ましくは空間２８内のスチームの熱によって活
性化されるゲッタ物質は外管壁を介して浸入した水素及
び内管１４から発生したガスの双方を吸収する。ゲッタ
物質の表面積を増大するためにゲッタ物質は例えは好適
には当業者に良く知られているように大表面積を提供す
る形態であるスポンジ状とすることができ、又第２図に
て番号５２にて示されるように内管１４の外面を囲包し
且つ該外面に隣接して波形の金属ス）　ＩＪツブ上に設
けることもできる。例えば波形ストリップ６２は鉄又は
他の合金とすることができ、ゲッタ物質はストリップ上
にコーティングして形成される。

ゲッタ物質は水素及び他の活性ガスを吸収するために好
適にはチタン、チタン合金、ジルコニウム又はジルコニ
ウム合金である。他の活性ガスを吸収するために例えば
アルミニウムのようなゲッタ物質を追加することができ
る。これらゲッタ物質は、さもなくば空間１６へと移動
するであろう不所望の活性ガスを吸収するために高温度
、典型的には空間２８内の温度で活性化されるか又は活
性状態にもたらされる。

本実施態様において比較的低価格の軟鋼が内、外管を作
るのに使用し得るであろう。軟鋼には例えばクロム又は
ニッケルメッキ又はステンレス鋼のような耐蝕性拡散コ
ーティングを施す必要はない。この構成によって管装置
１０の製造価格を著しく節約し、且つ同時に耐用期間に
わたって十分な真空を保持することができる。

環状空間１６内に侵入する可能性のある水素量を計算す
るに当り、外管１２の外面ば管長１インチ当り２３２−
７　ｃ＠２　　の面積を有するものと仮定する。油井ケ
ーシング（第１図に図示せず）と断熱管との間の環状空
間の水の容量は管長１インチ当り５６９．８６　ｃｍ３
　　であると仮定する。断熱管の排気空間１６の容積は
管長１インチ当り１３　！１．２７ｃＩＩＬ３　　であ
ると仮定する。これらの数イ直しま典型的な内、外管の
寸法に基いて℃・る。

本発明に従って好適に使用されろタイプの鋼の密度は７
．８６ｇ／♂　であるＯ 酸又はアルカリ溶液の腐蝕のメカニズム４１次の通りで
ある。

Ｆｅ　　−＋Ｆｅ　　　＋２ｅ　　　　（陽極反応）２
Ｎ（＋＋２ｅ−＋Ｈ２（ガス）（陰極反応）１ｇイオン
のＦｅ（ｓｓ、５ｓ９）の腐蝕により１９モルのＨ２が
発生する。

上述の上に更に以下の仮定をなす。

鋼の腐蝕率　　：　１　ｍｐｙ　（ミノ１フ年）断熱管
の外表面：管１インチ当り９１．１６　ｃｒｎ２内管の
（スチームに露出された）内面積：管１インチ当り４　
Ｂ、　１２　ｃｒｎ２ 外管（１）壁厚：　　０．６３５ｃＩＩＬ内管の壁厚　
：　　０．４８３ＧＩＩＬ透過係数Ｕは次式に従って計
算することや；できる。

Ｕ＝　Ｕｅ（−に／ＲＴ） ここで、　Ｕｏ＝２．８５　Ｘ　１０−０−５（ｙ’／
２２−５ｅｃ−ａｔ　’！Ｋ　　＝　８，４００　　ｃ
ａｌ／、＠−ｍｏｌｅＲ＝ガス定数 Ｔ　＝温度　（ＯＫ） １５０．４００及び６５　［＋’Ｆの温度における透過
係数Ｕは次の通りであることが分る。

Ｕｊ５０’Ｆ＝ｔ　Ｉ　Ｘｌ　０−８ｃｍ’／ｃａ−Ｓ
ｅｃ　−ａｔｍ″！Ｕ４０（１ｃＩＦ＝４１　Ｘ　１０
−７ｃｒｔｔ３／ＣｒｒＬ−ｓｅｅ−ａｔｍ　”Ｕ６５
０下＝Ｚ９５　Ｘ　１０−’　ｃＩｒＬ’／ｃＩｒＬ−
ｓｅｃ　−ａｔｍ　”内側断熱管のスチーム側の水素分
圧は零であると仮定する。Ｑｌ　は水から断熱管の真空
空間への水素流れであり、Ｑ２は断熱管の真空空間から
スチームへの水素流れであるとすると、定常条件をＩＱ
、＝Ｑ２である。

Ｑは次式に従って計算される。

ここで、　Ａ＝表面積　（α２） ｐ＝管の内側と外側との間の雰囲気の 圧力差 を−管壁の厚み（ｃｎｔ　） 上記仮定及び設定Ｑ１＝Ｑ２に基づいて定常状態下にあ
る断熱管の真空空間の水素分圧は４００〜６５０’Ｆの
範囲内の内管温度に対して表■の通り又はそれ以上の値
であると評価される。

表■：水面下の距離の関数としての水素分圧深さくｆｔ
）　　　　　Ｈ２分圧（トル）０　　　　　　　２、Ｉ
　Ｘ　１０−２５００　　　　　　３２　Ｘ　１０−’
１０００　　　　　　６．４　Ｘ　１０−’２０００　
　　　　　　　　　　　　１．２７４０００　　　　　
　　　　　　　　２．５５６０００　　　　　　　　　
　　　３．８２上記表より、定常状態下に水素が環状空
間へと侵入することによってもたらされる環状空間圧力
は、もし水素ガスを吸収するために有効な手段が設けら
れていないならば水面においてさえも受容出来ないよう
な大きさく０．０１）ル以上）となることが理解される
であろう。

上述のように腐蝕を防止するか又は上述のように水素の
真空空間への進入を防止するために種々の腐蝕防止剤を
利用することができるが、これは使用する断熱管の価格
を増大せしめる。

真空空間における水素ゲッタとして水素ガスに対し強い
親和力を有しているチタン又はジルコニウムを使用する
ことによって、水素及び他のガスが真空空間から吸着さ
れそして本発明に従った断熱管の使用寿命を延長せしめ
ることができる。

水素ゲッタとしてのチタンの反応は次の通りである。

Ｔｉ　（ｓ）　十Ｈ（ｇ）　　→ＴｉＩ（２（Ｓ）Ｓは
固体を意味し、ｇはガスを意味する。

水素化チタンの形成自由エネルギと解離圧力は表■で温
度の関数として示される。自由エネルギの大きな負の値
及び低い解離圧力はチタンが断熱管の真空空間内にて有
効な水素ゲッタとして機能し得ることを示す。

表■：温度関数としての水素化チタンの形成自由エネル
ギ及び解離圧力 温　度　　形成自由エネルギ　　’ｒｉｎ２の解町圧力
（’Ｆ　）　　　　　　　　　　（ｃａｌ）　　　　　
　　　　　　　（Ａｔｍ、Ｊ８０　　　　　−２５．０
６７　　　　　　　１０−１８・３２６０　　　　　−
２８．８４５　　　　　　　１０”−１１・２４００　
　　　　−２０．８１３　　　　　　　１［］−９・５
４４０　　　　　−１８．５１８　　　　　　　１０−
８・１６２０　　　　　−１５．１４４　　　　　　　
１０−’・０６５０　　　　　−１０．５７９　　　　
　　　１０−５・２管装置１０の使用寿命は約５年間で
あり、又環状空間１６内の最終真空が０１トル以下で且
つ水素分圧が０．０１）ル以下に保持されるものと仮定
すると、該真空空間は上述のように先ず１０　トル又は
それ以下のレベルにまで真空引きされるべきである。水
素が約４トルの分圧に貢献し、又全てのガスが約１００
トルの圧力に寄与するであろうと仮定すると、環状空間
内にゲッタ物質を使用することにより管の使用寿命の終
り時期に於る真空レベルは０１トル以下、水素分圧は０
．０１　）ル以下に維持されるであろう。

本発明の原理の応用例を説明するために本発明の特定の
実施態様を詳しく図示し説明したが、本発明は他の方法
にても実施し得ることを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従った断熱式スチーム注入管装置の縦
方向断面図である。 第２図は本発明に従った断熱式スチーム注入管装置の他
の実施態様の横断面図である。 １２：　外管 １４：　内管 １６：　環状空間 １８．２２：断熱材 ２４．２６：連結部材 手続補正偶（方式） 昭和５８年１２月２　日 特許庁長官　若　杉　和　夫　殿 事件の表示　昭和５８年　特願第１５８１７３号発明の
名称　真空断熱式スチーム注入管装置補正をする者 事件との関係　　　　　　　　　　　特許出願人名称　
ザ・パブコック・アンド・ウィルコックス・カンパニー
代理人 補正命令通知の日付昭和５８年１１月２９日補正の対象 補正の内容　　別紙の通り 明細書の浄書（内容に変更なし）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 °１）油井内へと高温流体を分与するための装置であっ
   て、内側空間を有し、４００１１′（２０４℃）以上の
   温度の流体を搬送するようにした内管と、前記内管のま
   わりに配置されそして該内管との間に環状空間を画定す
   る外管と、前記環状空間を密閉して大気圧と遮断しそし
   て該密閉環状空間に真空を確立するべく前記内管と外管
   とを連結するだめの手段と、前記密閉環状空間内の少な
   くとも一つの活性ガスを吸着するためのゲッタ物質とを
   具備することを特徴とする高温流体分与装置。 ２）ゲッタ物質は高温で活性化され、又該ゲッタ物質は
   密閉環状空間内で且つ内管の外面に隣接して配置されて
   成る特許請求の範囲第１項記載の装置。 ５）　　内管に４００°Ｆ（２０４℃）以上の温度の流
   体を供給するための手段が連結されて成る特許請求の範
   囲第１項記載の装置。 ４）内管は、高温度にてその作用が増大するガス発生作
   用によって少なくとも一つの活性ガスを解放するような
   物質にて作製されて成る特許請求の範囲第１項記載の装
   置。 ５）外管は腐蝕雰囲気にて使用されるものであり、又該
   外管は、腐蝕雰囲気にて腐蝕し発生期の水素を発生する
   ような物質で作製され、ゲッタ物質は活性化されたとき
   水素を吸着するようなタイプのものである特許請求の範
   囲第１項から第４項のいずれかの項に記載の装置。 ６）ゲッタ物質はチタン、チタン合金、ジルコニウム合
   金及びジルコニウムから成る群の一つを具備匂て成る特
   許請求の範囲第５項記載の装置。 ７）内管及び外管は炭素鋼で作られ、前記内管は４００
   ’Ｆ（２０４℃）以上の温度でのガス発生作用によって
   複数の活性ガスを解放し、該活性ガスはゲッタ物質によ
   って吸着されて成る特許請求の範囲第５項記載の装置。 ８）密閉空間には断熱材が配設されて成る特許請求の範
   囲第７項記載の装置。 ９）断熱材は繊維質断熱材及び層状断熱材から成る群の
   一つから成る特許請求の範囲第８項記載の装置。 １０）連結手段は内管及び外管の軸線方向に離隔しそし
   て該内管及び外管に溶接された少なくとも二つの連結部
   材を具備し、内管の内側空間はスチー′ムを搬送するよ
   うにした特許請求の範囲第８項記載の装置。 １１）ゲッタ物質は高温で活性化され、又該ゲッタ物質
   は、内管が４００’Ｆ（２０４°Ｃ）以上の温度になっ
   たとき４００”Ｆ（２０４℃）以上の温度となる密閉空
   間の一表面に隣接して配置されて成る特許請求の範囲第
   １項記載の装置。 １２）内管を囲包し且っ該内管に隣接して金属ストリッ
   プを配置し、ぞして該金属ストリップにゲッタ物質が担
   持されて成る特許請求の範囲第１項記載の装置。 １３）４００’Ｆ（２０４°Ｃ）以上の温度の流体を移
   送する内管と、該内管との間に環状空間を形成するべく
   連結手段によって前記内管に連結された外管とから構成
   される装置の前記環状空間に真空を維持する方法であっ
   て、前記空間を密閉し大気圧と遮断する工程と、前記外
   管の腐蝕に起因する外管からの水素透過及び内管が高温
   度になったことに起因する内管のガス発生作用による前
   記環状空間へと移動する活性ガスを吸着するためにゲッ
   タ物質を前記環状空間に設ける工程とを具備することを
   特徴とする真空維持方法。 １４）内管が４００’Ｆ（２０４℃）以上の温度になっ
   たとき４００下（２０４°Ｃ）以上の温度になる環状空
   間の表面に隣接してゲッタ物質を配置せしめる工程を有
   し、それによって４００下（２ｏ４’Ｃ）以上の温度に
   て該環状空間を流れる流体による内管の加熱作用がゲッ
   タ物質を活性化するに十分なものとなるようにした特許
   請求の範囲第１６項記載の方法。 １５）外管は炭素鋼で作製され、管状装置は油井の腐蝕
   雰囲気にて使用され、外管は軸方向に離間した少なくと
   も二つの位置で内管に連結され、そして内管は４００”
   Ｆ（２０４℃）以上の温度のスチームを担持して成る特
   許請求の範囲第１３項記載の方法。