专利名称：永磁套管式井下采油降粘防蜡装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种石油开采生产中降低原油粘度、防止结蜡的装置，特别涉及永磁套管式降粘防蜡装置。
背景技术：
我国国产原油的特点是含蜡较多，凝固点高，粘度高，生产过程普遍出现油井结蜡、堵塞产油层和油管的现象，严重影响油井稳产、高产，是极待解决的重要课题。日本专利JP19670020242公开了一种管道加热装置，该装置利用交流集肤效应使电能集中在一小口径碳钢管的内表面处转换为热能，并把热量传递给管道。该装置最初应用于燃料油管道的加热，随后推广到石油开采中油井的加热。中国专利CN2344539Y公开了一种电热电磁涡流采油装置，其空心抽油杆内的电磁涡流发生器与空心油杆形成回路，产生电磁涡流效应和交流集肤效应，将电能转化为电磁波能和热能，使原油的粘度降低，达到油井伴热、防蜡以及为油井加热的目的。但该类装置需采用工频电源单相供电，而我国现行的供电模式是三相，易造成电网供电不平衡，且要求外电路供电，因而就不可避免地存在绝缘、防水、防爆、防腐等安全性以及耗电量大的问题。
随着永磁新材料的研制成功，人们开始越来越多地利用永磁体。日本专利JP20020235646公开了一种永磁式涡流加热装置，该装置由环形转子和同轴位于转子内部空间、静止不动的圆柱形抽真空金属加热容器组成；如图1所示，在转子柱面和下底面围绕金属加热容器、360°内N、S极交互布置若干永磁体；当转子旋转时，金属加热容器和永磁体产生的周向为正弦波形分布的磁场发生旋转相对运动，根据法拉第电磁感应定律，在金属加热容器壁感应涡流，产生热并传递给容器内被加热的物质。该装置结构简单，传热效率高，适用于食品、药物等的加热。而在目前的油井开采装置中，外部电机通过传动机构带动抽油杆做往复直线运动；而且要在空间有限的油管内实现旋转运动非常困难，因此，该加热装置不适用于油井加热。
永磁磁防蜡技术通过永磁磁场改变原油的物化特性，从而达到降黏防蜡的效果。中国专利CN2039737U公开了一种可在抽油管中形成径向磁场和轴向磁场的杆状内磁式防蜡器。该防蜡器的磁组由永磁主磁极和杆式轭铁辅磁极组成，在3.5mm～5.5mm的环形过流通道内产生单极性磁场。其磁路磁势由两个径向充磁的磁环提供，在气隙小时，易于提高磁通密度，但当气隙为5.5mm～20mm甚至更高时，就难以提高，且有效磁通利用率低，影响防蜡效果。
发明内容
为克服现有技术的缺点，本发明提出一种稳定高效、安全可靠的永磁套管式井下采油降粘防蜡装置，该装置具有永磁感应涡流加热和磁处理双重功效。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
根据法拉第电磁感应定律，处于变化磁场中的金属导体回路中产生感应电流，即涡流。这些涡流使金属导体发热。抗磁性物质以一定的速度通过具有一定磁场强度和磁场位形分布的磁场时被磁化，使其物性发生改变，这种现象称为磁效应。本发明的基本原理为法拉第电磁感应定律和磁效应。
本发明永磁套管式井下采油降粘防蜡装置是一段特殊的抽油管，由外磁式管形永磁体、抽油杆、环形过流通道以及复合油管组成，通过接头与普通抽油管连接。抽油杆位于复合油管内，外直径为19mm～25mm，采用非导磁材质并与复合油管同轴布置；外磁式管形永磁体通过特种胶和非导磁的金属外壳固连在抽油杆的外表面；环形过流通道位于外磁式管形永磁体和复合油管之间。外磁式管形永磁体、环形过流通道以及复合油管构成磁回路；外磁式管形永磁体产生的主磁通穿过环形过流通道，径向进入复合油管导磁性的外管壁，沿轴向经过复合油管导磁性的外管壁后径向穿出，再次穿过环形过流通道后返回外磁式管形永磁体而闭合。环形过流通道内原油的流动方向与磁场强度的径向分量垂直，外磁式管形永磁体随抽油杆以一定的速度沿轴向往复直线运动，环形过流通道和复合油管壁内形成的磁场是时间和空间的函数，流过环形过流通道的原油与外磁式管形永磁体产生的径向磁通成切割式相对运动，原油的物性发生改变，达到了降粘防蜡的效果；而外磁式管形永磁体产生的轴向为正弦波形周期性的磁场和导电性好的复合油管发生相对直线运动，在导电性好的复合油管壁中感生涡流，产生大量的热并直接传给过流通道中的原油，起到保温伴热的作用。
本发明的磁场由外磁式管形永磁体产生，在环形过流通道和复合油管壁内产生单极性的径向磁场和轴向磁场；任一RZ平面，轴向磁场的空间分布形态为正弦波形，磁场强度变化梯度大；径向磁场在环形过流通道内呈马鞍形分布，在复合油管壁内的空间分布形态为平顶波形。
外磁式管形永磁体采用分段外磁式结构，由m段外磁式管形永磁体组成，总轴向长度为m段外磁式管形永磁体的轴向长度和m-1个段间距之和，磁体的外部空间是其有效磁场空间；每段外磁式管形永磁体由2n+1个等径向厚度和等轴向长度的钕铁硼磁环轴向无间距叠加组成，每个钕铁硼磁环几何结构和磁化方向具有轴对称性；每段外磁式管形永磁体中，下端磁环(第1号磁环)到上端磁环(第2n+1号磁环)的磁化方向按顺时针变化，上端磁环和下端磁环的磁化方向为径向且方向相反，中磁环即第n+1号磁环的磁化方向为轴向；从任一轴截面看，每段外磁式管形永磁体中相邻磁环的磁化方向相差90°/n，第i个磁环的磁化方向 或 上、下端磁环的磁化方向为0或180°，中磁环的磁化方向为±90°；相邻外磁式管形永磁体相邻的上端磁环和下端磁环的充磁方向相同。用特种胶将外磁式管形永磁体粘结在抽油杆的外表面，并用非导磁的金属壳卡紧固定。
环形过流通道是位于外磁式管形永磁体和复合油管之间的气隙，其径向厚度越小，磁场强度越大，磁处理效果越好；但过流截面积小，增大了流动阻力，影响油井产量。因此，必须综合考虑，选择最佳的过流面积；在保证原油流通量的情况下，根据接入的抽油管以及外磁式管形永磁体的径向厚度而定。现在普遍采用油管内直径为63mm～67mm、抽油杆外直径为19mm～25mm的抽油管，根据外磁式管形永磁体的径向厚度，本发明的环形过流通道的气隙可为5.5mm～20mm。
为了感应涡流，本发明装置的复合油管需采用高电导率的材质，如碳钢和铜。环形过流通道气隙大，同时复合油管壁又是磁路的一部分，因而复合油管需采用高磁导率的材质，如碳钢。因而本发明的复合油管采用铜和碳钢的双层无间隙复合套管结构，且内管为铜外管为碳钢。复合油管的轴向长度主要由外磁式管形永磁体的总轴向长度和往复运动的行程决定，大于等于两者之和。
本发明采用串联磁路结构，外磁式管形永磁体段和段串联，如定义外磁式管形永磁体的总轴向长度就是原油流经的总磁程，则总磁程是m段外磁式管形永磁体的轴向长度和m-1个段间距之和；每段外磁式管形永磁体中各磁环按充磁方向依次紧密地串联组合在一起，总磁势是2n+1个磁环提供磁势的叠加，且磁路通过高磁导率的复合油管闭合，因而在大气隙的情况下，易于提高磁通密度。此外，本发明的永磁套管式井下采油降粘防蜡装置可以安装到任何需要的位置，并可实现多级串联。
本发明的优点磁场由永磁体产生，无需外加电源及导线，安全可靠；外磁式管形永磁体直接固连在抽油杆上，轴向为正弦波形周期性的磁场和导电性好的复合油管发生相对直线运动，构造简单；复合油管壁产生涡流并转换成热量直接传给原油，传热效率高，经济性好；磁处理和永磁感应涡流加热合二为一，双重作用，效果稳定。
图1为日本专利JP20020235646的磁路结构。
图2为本发明具体实施例的结构示意图，图2a中1为抽油杆；2-1为第一段外磁式管形永磁体；2-2为第二段外磁式管形永磁体；3为环形过流通道；4为复合油管。图中箭头表示磁环充磁方向。图2b为图2a的A-A剖面图。
图3为本发明具体实施例RZ平面的磁路结构，其中2-1-1、2-1-5和2-1-3分别是第一段外磁式管形永磁体2-1的下端磁环、上端磁环和中磁环；2-2-1、2-2-5和2-2-3分别是第二段外磁式管形永磁体2-2的下端磁环、上端磁环和中磁环；4-1为铜内管；4-2为碳钢外管。图中箭头表示磁环充磁方向。
图4为本发明RZ平面的磁力线分布。
图5为本发明具体实施例环形过流通道r＝30mm处，磁场强度沿轴向的分布，其中B为磁场强度幅值，Bz为磁场强度轴向分量，Bt为磁场强度切向分量，Br为磁场强度径向分量。
图6为本发明具体实施例铜内管r＝45mm处，磁场强度沿轴向的分布，其中B为磁场强度幅值，Bz为磁场强度轴向分量，Bt为磁场强度切向分量，Br为磁场强度径向分量。
图7为本发明具体实施例碳钢外管r＝50mm处，磁场强度沿轴向的分布，其中B为磁场强度幅值，Bz为磁场强度轴向分量，Bt为磁场强度切向分量，Br为磁场强度径向分量。
图8为本发明具体实施例复合油管壁感应涡流的三维立体图。
具体实施例方式
以下结合附图及具体实施例进一步说明本发明。
图2为本发明具体实施例的结构示意图。如图2所示，本发明具体实施例由串连的两段外磁式管形永磁体2-1、2-2以及抽油杆1、环形过流通道3和复合油管4组成。
抽油杆1位于复合油管4内，采用非导磁的合金钢制作，外直径为19mm，与复合油管4同轴布置。
外磁式管形永磁体采用分段外磁式结构，由2-1和2-2组成(m＝2)，每段轴向长度100mm，段间距10mm，总轴向长度210mm；内直径19mm，外直径53mm。每段外磁式管形永磁体由5(n＝2)个等轴向长度和等径向厚度的钕铁硼磁环轴向无间距叠加组成，相邻磁环的磁化方向相差90°/2＝45°。
图3为图2所示实施例的任一RZ平面的磁路结构。如图3所示，第一段外磁式管形永磁体2-1的下端磁环2-1-1和上端磁环2-1-5的充磁方向为径向，下端磁环2-1-1的充磁方向为180°，指向圆心，上端磁环2-1-5的充磁方向为0°，背离圆心；2-1的中磁环2-1-3和2-2的中磁环2-2-3的充磁方向为轴向，分别为90°和-90°；第一段外磁式管形永磁体2-1的下端磁环2-1-1和第二段外磁式管形永磁体2-2的上端磁环2-2-5的充磁方向相同。
环形过流通道3位于外磁式管形永磁体和复合油管4之间，径向气隙为13.5mm。
复合油管4采用铜和碳钢的双层无间隙复合套管结构，内管4-1为壁厚7.5mm的铜管，外管4-2为壁厚7.5mm的碳钢管，外直径为110mm。如抽油杆1往复直线运动的行程为0.5m，则复合油管4的轴向长度要大于0.71m。
图4为其任一RZ平面的磁力线分布。如图4所示，外磁式管形永磁体产生的主磁通经过环形过流通道，径向进入导磁性的碳钢外管4-2的管壁，沿轴向通过导磁性的碳钢外管4-2的管壁后径向穿出，再次进入环形过流通道回到外磁式管形永磁体而闭合，每一个外磁式管形永磁体、环形过流通道以及复合油管都形成一个闭合的磁回路，外磁式管形永磁体段和段串联。每个外磁式管形永磁体中5个磁环按充磁方向依次紧密地串联组合在一起，总磁势是5个磁环提供磁势的叠加。
当钕铁硼永磁材料的Br＝1.4T，Hc＝1100kA/m时，环形过流通道3，铜内管4-1以及碳钢外管4-2的磁场沿轴向的分布分别如图5、图6及图7所示。图5-图7中横坐标的0点与图3中Z轴的0点相对应，即距第二段外磁式管形永磁体2-2下端磁环2-2-1下端面50mm处为Z轴的0点。如图5、图6及图7所示，磁场强度以轴向分量Bz和径向分量Br为主，切向分量Bt几乎为0；轴向分量Bz沿轴向为正弦波形分布；径向分量Br在环形过流通道内沿轴向为马鞍形分布，在复合油管内为平顶波形分布。整个复合油管4管壁内，轴向磁通量变化率大，当磁体以0.5m/s沿轴向直线运动时，发热功率为394.5W/m；在复合油管4管壁产生的涡流如图8所示，基本上呈环流分布，由于径向磁场变化的影响，环流有一定的扭曲。在13.5mm的环形过流通道内，磁场强度可达到0.5T，磁场强度径向分量可达到0.3T，提高了气隙磁密和有效磁通的利用率。
权利要求
1.一种永磁套管式井下采油降粘防蜡装置，其特征在于其为由外磁式管形永磁体、非导磁的抽油杆[1]、环形过流通道[3]和导磁导电性好的复合油管[4]组成的一段特殊抽油管，通过接头与普通抽油管连接；抽油杆[1]位于复合油管[4]内，外直径为19mm～25mm，采用非导磁材质制作并与复合油管[4]同轴布置；外磁式管形永磁体通过特种胶和非导磁的金属外壳固连在抽油杆[1]的外表面；环形过流通道[3]位于外磁式管形永磁体和复合油管[4]之间；外磁式管形永磁体、环形过流通道[3]以及复合油管[4]构成磁回路；外磁式管形永磁体产生的主磁通穿过环形过流通道[3]，径向进入复合油管[4]的导磁性的外管壁，沿轴向经过复合油管[4]的导磁性的外管壁后径向穿出，再次穿过环形过流通道[3]后返回外磁式管形永磁体而闭合；环形过流通道[3]内原油的流动方向与磁场强度的径向分量垂直，外磁式管形永磁体随抽油杆[1]以一定的速度沿轴向往复直线运动，环形过流通道[3]和复合油管[4]管壁内形成的磁场是时间和空间的函数，流过环形过流通道[3]的原油与外磁式管形永磁体产生的径向磁通成切割式相对运动；外磁式管形永磁体产生的轴向为正弦波形周期性的磁场和导电性好的复合油管发生相对直线运动，在导电性好的复合油管[4]管壁中感生涡流，产生大量的热并直接传给过流通道的原油。
2.按照权利要求1所述的永磁套管式井下采油降粘防蜡装置，其特征在于外磁式管形永磁体由m段外磁式管形永磁体组成，磁体的外部空间是其有效磁场空间；每段外磁式管形永磁体由2n+1个等径向厚度和等轴向长度的钕铁硼磁环轴向无间距叠加组成，每个钕铁硼磁环几何结构和磁化方向具有轴对称性；每段外磁式管形永磁体中，下端磁环即第1号磁环到上端磁环即第2n+1号磁环的磁化方向按顺时针变化，上端磁环和下端磁环的磁化方向为径向且方向相反，中磁环即第n+1号磁环的磁化方向为轴向；从任一轴截面看，每段外磁式管形永磁体中相邻磁环的磁化方向相差90°/n，第i个磁环的磁化方向 或 上、下端磁环的磁化方向为0或180°，中磁环的磁化方向为±90°；邻段外磁式管形永磁体中相邻的上端磁环和下端磁环的充磁方向相同。
3.按照权利要求1或2所述的永磁套管式井下采油降粘防蜡装置，其特征在于其磁回路采用串联磁路结构，外磁式管形永磁体中段和段串联，总磁程是m段外磁式管形永磁体轴向长度与m-1个段间距之和；每段外磁式管形永磁体中2n+1个磁环按充磁方向依次紧密地串联组合在一起，总磁势是2n+1个磁环提供磁势的叠加。
4.按照权利要求1或2所述的永磁套管式井下采油降粘防蜡装置，其特征在于外磁式管形永磁体在环形过流通道[3]和复合油管[4]管壁内产生单极性径向磁场和轴向磁场；任一RZ平面，轴向磁场的空间分布为正弦波形，磁场强度变化梯度大；任一RZ平面，径向磁场在环形过流通道[3]内呈马鞍形分布，在复合油管[4]管壁为平顶波形分布。
5.按照权利要求1所述的永磁套管式井下采油降粘防蜡装置，其特征在于复合油管[4]采用铜与碳钢双层无间隙复合套管结构，其中内管为铜管，外管为碳钢管，轴向长度大于等于总磁程和往复运动的行程之和。
6.按照权利要求1所述的永磁套管式井下采油降粘防蜡装置，其特征在于环形过流通道[3]的径向宽度为5.5mm～20mm。
全文摘要
一种永磁套管式井下采油降粘防蜡装置，在由外磁式管形永磁体、环形过流通道[3]以及复合油管[4]所构成的磁回路中，外磁式管形永磁体产生的主磁通穿过环形过流通道[3]，径向进入复合油管[4]的导磁性的外管壁，沿轴向经过复合油管[4]的导磁性的外管壁后径向穿出，再次穿过环形过流通道[3]后返回外磁式管形永磁体而闭合。外磁式管形永磁体产生的轴向为正弦波形周期性的磁场和导电性好的复合油管发生相对直线运动，复合油管[4]管壁感应涡流，产生大量的热并传至环形过流通道[3]中的原油，起保温伴热的作用；以一定的速度流过环形过流通道[3]中的原油与外磁式管形永磁体产生的径向磁通成切割式相对运动，使原油物性发生改变，达到了降粘防蜡的效果。
文档编号E21B37/00GK1884791SQ20061008939
公开日2006年12月27日 申请日期2006年6月23日 优先权日2006年6月23日
发明者彭燕, 赵凌志, 沙次文, 李然, 宋述军, 许玉玉 申请人:中国科学院电工研究所