一种用于海底可燃冰开采的电磁加热装置的制作方法

技术领域：

本发明属于海底可燃冰开采技术领域，尤其是涉及一种利用电磁加热方式开采海底可燃冰的装置，适用海底可燃冰水合物降压法开采中防止二次水合物生成，便于海底可燃冰水合物通过电泵举升到井口的工具。

背景技术：
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随着石油资源、煤炭资源的不断开采，传统矿产能源在不断枯竭。我国海域面积辽阔，海底可燃冰资源丰富，为我国解决传统能源的短缺现象提供了广阔的开发前景。可燃冰能源洁净，其排放物仅为水和二氧化碳，世界发达国家无一不重视可燃冰的开采，其开采技术处于领先地位。自2017年5月10日，我国在南海北部神狐海域可燃冰试采成功，使得我国可燃冰开采技术步入世界领先行列。

[专利申请号201810346002.4]说明，在可燃冰开采技术中主要有降压法、热激法和化学抑制剂法。显然化学抑制法中化学试剂成本高并容易引起地层污染；热激法能源耗费大对地层调温精度低。由于降压法易于实现，目前我国在可燃冰试采过程中采用降压法。

降压法在开采过程中，当地层可燃冰液化进入井筒后，随着井筒压力的增大，可燃冰将可能再次形成二次水合物，对电泵举升水合物产生不利影响。当采用传统的空心杆电加热或伴热电缆加热时，易引起可燃冰气化而严重影响电泵工作性能。因此在电泵入口处对水合物进行可控加热是解决海底可燃冰开采的技术关键；

[专利申请号201710027757]提出了一种电磁感应分解天然气水合物的实验室科研仪器。由于井眼空间狭小，气液举升排量大，其装置或方法难以应用于海底可燃冰开采领域。

本申请实用新型专利，空间结构紧凑，可根据井眼孔径大小及流道面积进行调整。工业电磁加热技术表明，电磁加热技术热转换效率高，热转换效率可达95％以上，其电能转换的热量仅对流经流道中的水合物进行加热，不向地层扩散，热损失小，节能优势明显。而且，结合地面控制系统(相关知识产权另行申请)，其加热段温度可控，可根据需要，可以安装在井底需要加热的任何井段。

综上所述，本申请实用新型专利，解决了传统井底加热的不足、节能优势明显、为解决海底可燃冰开采提供了一种新的装置和方法。

技术实现要素：
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本发明旨在解决海底可燃冰层(19)采用降压法开采过程中，当海底可燃冰水合物进入井筒后，由于压力升高再次形成二次水合物的问题。同时避免传统井底电加热技术易造成可燃冰的气化而形成游离气对电泵(17)造成工作性能影响的问题。

根据这一海底可燃冰开采的实际问题，本发明提出了一种用于海底可燃冰开采的电磁加热装置。当采用降压法把海底可燃冰水合物吸入井筒时，由于井筒压力的升高，为可燃冰再次形成固态提供了可能，造成井壁二次水合物的生成而堵塞井眼，通过即时对井筒内水合物进行加热，使其始终保持液态，便于电泵举升。通过在发热基管(2)上缠绕利兹线圈，通以20khz～40khz交流电流，利用集肤效应原理，在加热基管上将产生涡流，从而产生热量，达到加热发热基管(2)内水合物的目的。结合地面控制系统可实现对水合物温升的精确控制，实现海底可燃冰水合物经过电泵(17)举升，流经井筒(15)的连续举升。

本发明提出的一种用于海底可燃冰开采的电磁加热装置主要包括油管接箍(1)、发热基管(2)、护罩(4)浮动支撑(3)、护罩(4)、发热线盘(10)电缆接插座(5)、电磁加热器机头(6)、偏心油管螺纹接头(7)、灌注环氧胶(8)、底层隔热石棉(9)、发热线盘(10)、顶层保护石棉(11)。其中发热基管(2)根据井眼孔径和过流面积选用标准的油管，在其外表有底层隔热石棉(9)，发热线盘(10)缠绕在底层隔热石棉(9)上，在发热线盘(10)外层采用顶层保护石棉(11)对其进行防护，在最外层可选用标准的油管或套管作为护罩(4)，形成本发明的加热体。

为避免发热线盘(10)与外部水体接触，在电磁发热装置(18)的顶端设计有桥式通道的电磁加热器机头(6)，其上安装有密封发热线盘(10)电缆接插座(5)。一端与发热基管(2)、护罩(4)通过密封螺纹连接，另一端通过偏心油管螺纹接头(7)与井筒内管柱连接。发热基管(2)的另一端通过标准的油管接箍(1)与管柱连接。护罩(4)的另一端与护罩(4)浮动支撑(3)相连，用以把护罩(4)支撑在发热基管(2)上。

发热线盘(10)的发热功率根据井筒流量及水合物温升需要进行确定，为确保发热线盘(10)发热效率最优，可通过发热线盘(10)的电感量h值和品质因数q值确定。

附图说明：

图1为本发明结构剖视图。

图2为本发明的外观结构示意图。

图3为本发明井底安装示意图。

图4为本发明电磁加热器控制流程。

图5为本发明电磁加热器机头(6)结构示意图。

图6为本发明发热线盘(10)电缆接插座(5)结构示意图。

图7为本发明发热基管(2)结构示意图。

图8为本发明发热线盘(10)示意图。

图9为本发明护罩(4)浮动支撑(3)结构示意图。

图10为本发明护罩(4)示意图。

具体实施方式：

下面结合附图及具体实施方式对本发明海底可燃冰开采的电磁加热装置作进一步的详细说明。

如图1～2所示，完整说明了海底可燃冰开采的电磁加热装置结构组成，具体包括油管接箍(1)、发热基管(2)、护罩(4)浮动支撑(3)、护罩(4)、发热线盘(10)电缆接插座(5)、电磁加热器机头(6)、偏心油管螺纹接头(7)、灌注环氧胶(8)、底层隔热石棉(9)、发热线盘(10)、顶层保护石棉(11)。具体安装时，电磁加热器机头(6)通过油管螺纹与发热基管(2)相连，然后在发热基管(2)表面包覆一层底层隔热石棉(9)，再把发热线盘(10)缠绕在底层隔热石棉(9)上。发热线盘(10)缠绕妥当后，把发热线盘(10)的两端电缆头压制在发热线盘(10)电缆接插座(5)上的接线柱上，并在发热线盘(10)外缠绕一层顶层保护石棉(11)。后把护罩(4)一端通过螺纹连接与电磁加热器机头(6)螺纹连接固定。两端灌注环氧胶(8)进行绝缘及密封，拧上护罩(4)浮动支撑(3)锁紧。最后在发热基管(2)末端拧上油管接箍(1)，完成海底可燃冰开采的电磁加热装置的整个安装过程。图2中的箭头方向指明了水合物流经加热器的流向。

如图3～4所示，详细说明了本发明电磁发热装置(18)在井底安装示意位置、电气控制安装示意图、海底可燃冰层(19)等之间的相互位置关系。图3说明，电磁发热装置(18)安装在电泵的入口端，在筛管(21)之上，筛管(21)通过扶正器(20)支撑在井壁(14)上。电磁加热器供电电缆(22)与电泵电缆(13)结构形式一致，通过封隔器(16)下放到加热器发热线盘电缆接插座(5)上。电泵控制柜(12)与电磁发热装置控制柜(23)分别单列，在电磁发热装置控制柜(23)中主要功能一为井底电磁发热装置(18)提供20khz～40khz交流电，电流电压大小由井底电磁发热装置(18)发热功率确定；二是根据海底可燃冰水合物温升要求，对井底电磁发热装置发热功率进行实时调节，其控制流程如图4所示。

电磁发热装置(18)装机功率的简单计算过程为：

(1)基础参数

加热介质：水、气(液态可燃冰)；

加热流体额定排量：50m³/d；

加热流体排量范围：20～80m³/d；

流体经过加热器加热后的温升：≥10℃。

(2)井下加热器加热功率简化分析

定义电磁发热装置(18)加热长度为9m，过流直径为62mm，设水、气混合物密度为900kg/m³，取流体排量最大值80m³/d，混合油气物经过加热器后混合物温升15℃，混合物比热系数取比热系数为4200j/(kg·℃)，则可以得到单位容积内混合物吸收的热量为：

根据流量最大值80m³/d，混合流流经过流管时间分别为

由此可以得到，混合物计算热功率为

考虑岩层热扩散，在计算功率的基础上设计功率上浮10％，有p设＝51.7·1.1＝56.84kw，取p设＝60kw。

以上计算所得到的加热器计算功率均以井底最大流量参数进行计算，并在此基础上对加热器设计功率进行扩容10％。显然在保证生产井正常工作条件下，即使井底工作参数或工况参数在一定范围内波动，所设计的电磁加热器功率与常规的井底电加热功率要小得多，并且其冗余度也能保证生产井正常工作。

图5为电磁加热器机头(6)，图6为偏心油管螺纹接头(7)。两者的连接方式为焊接。当电磁加热器机头(6)本体加工完毕后，焊上偏心油管螺纹接头(7)，为保证偏心油管螺纹与电磁加热器机头(6)的同轴度，油管螺纹应焊后加工。在电磁加热器机头(6)上加工有桥式通道及发热线盘(10)电缆接插座(5)孔，两者不连通，避免了水体与发热盘电缆及电缆头的接触。

图6为发热线盘(10)电缆接插座(5)孔，其本体材质选用绝缘材料，中间安装有两个铜接插柱，一端与发热盘电缆两端进行压接，一端与发热器供电电缆连接。

图7～图10分别给出了发热基管(2)、发热线盘(10)、护罩(4)浮动支撑(3)和护罩(4)示意图。其中发热基管(2)为普通油管，两端加工有标准的油管螺纹。为节省发热基管(2)与护罩(4)间的径向间隙，发热线盘(10)可采用扁平利兹线进行螺旋缠绕，其线径、匝数、电感值h、品质因数q值由具体工程实际要求确定。护罩(4)可采用标准的套管，两端加工连接用内直管扣，一端连接电磁加热器机头(6)、一端连接护罩(4)浮动支撑(3)。

以上所述的实施方式仅用于说明本发明的技术思想和特点，其目的在于使本技术领域内的工程技术人员能够理解本发明的内容并据以实施。但不能以本实施方式来限定本发明的专利范围，对本发明所提出的技术思想的同等变化或修饰，仍应认为在本发明的专利范围内。