一种阶梯功率电加热采油装置

1.本发明涉及电磁感应加热技术领域，特别是涉及一种油田稠油开采用的高效节能中频电加热采油装置。


背景技术：

2.中国的稠油资源较为丰富，但稠油区原油具有高凝性、高含蜡、高黏性特点，在开采过程中，原油从井底沿井筒举升到井口时，随着温度不断降低，原油的粘度不断增加，蜡从原油中析出造成采油管柱结蜡，严重影响抽油泵的效率。专利(专利号：zl200620089878.8、专利号：zl02289201.x)中提到的中频电加热采油装置在降粘和化蜡方面效果良好，已经广泛地应用于稠油开采。
3.上述中频电加热采油装置虽然降粘和化蜡效果显著，但还存在耗电量过高，吨油成本高的问题。某采油厂针对一口中频电加热井进行了温度测试，测试深度约1000米，测试结果如图6所示，发现该井的中间段温度高，中间段长度约300余米，温度约70℃，上下两端的温度低，油井下段长度约300余米，温度约30℃，油井上段长度约300余米，而该井如能维持在40℃左右，就具有较好的降粘和化蜡效果。由上述测试结果可以看出，如果中频电加热采油装置在整个1000米范围内加热温度都能保持在40℃左右，不仅降粘和化蜡效果好，而且还能节能，这就需要中频电加热采油装置具有阶梯发热功能，也即希望井下加热装置的中间段输出功率低(发热量少)，两端输出功率高(发热量大)，这样才能保证电加热采油装置在整个1000米加热区域内的加热温度都能基本保持一致。
4.因此，需要设计一种新型中频电加热采油装置来解决传统中频电加热采油装置整个加热区域温度难以达到一致和高耗能的问题。


技术实现要素：

5.发明目的：
6.本发明的目的是解决传统中频电加热采油装置不能保证整个加热区域内的温度基本一致和高能耗的问题，本发明通过对加热电缆的金属外铠采用多段不同材质的方法实现阶梯加热，从而保证整个加热区域内的温度基本一致，提升加热效果和降低能耗。
7.技术方案：
8.一种阶梯功率电加热采油装置，包括加热电缆1、两个短接环2、中频电源3，加热电缆1包括铜导体101、绝缘层102、金属外铠103。
9.金属外铠103由x段金属管拼接而成，x≥2，即金属外铠103包括第一金属外铠103a、第二金属外铠103b、第三金属外铠103c等，每一段金属外铠103的导磁和导电能力均有不同。
10.两个短接环2将热电缆1的金属外铠103与空心抽油杆4连接在一起。
11.加热电缆1作为单一加热源时，两个短接环2为不导电材料；空心抽油杆4和加热电缆1共同作为加热源时(也称复合加热)，两个短接环2为导电材料，空心抽油杆4为导磁且导
电金属。
12.所述金属外铠(103)套在铜导体(101)外，所述的加热电缆1的金属外铠103与铜导体101间填充绝缘层102，金属外铠103末端与铜导体101末端在短路连接点105处熔焊为一体；焊接点104将x段金属外铠103的首尾相连在一起，即第一金属外铠103a的末端与第二金属外铠103b的首端在焊接点104处焊接，第二金属外铠103b的末端与第三金属外铠103c的首端在焊接点104处焊接，如此方法焊接，直至所有段的金属外铠103x(x取a、b、c、
…
)全部连接上；加热电缆1密封无泄漏。
13.所述中频电源3为单相变频电源，电源频率在0～10khz间可调整；中频电源3的两根引出线8分别接加热电缆1的铜导体101和金属外铠103。
14.所述加热电缆1作为单一加热源，金属外铠103和铜导体101构成电流i回路，即流过金属外铠103和铜导体101中的电流i大小相等，方向相反(如图2所示)，金属外铠103是主发热体，铜导体101是辅发热体，加热电缆1的功率分布呈x个阶梯状，与x个段的金属外铠103x相对应；电导率和磁导率高的第n(1≤n≤x)段金属外铠103n发热功率高，电导率和磁导率低的第k(1≤k≤x)段金属外铠103k发热功率低；空心抽油杆4为非加热源，是传热体。
15.所述空心抽油杆4和加热电缆1共同作为加热源，空心抽油杆4和金属外铠103并联(如图4所示)，流过的电流分别为i1、i2，i1和i2同方向，铜导体101中流过的电流为i，i1、i2与i方向相反，i1+i2＝i，空心抽油杆4和加热电缆1上的功率分布呈x个阶梯状，与x个段的金属外铠103x相对应；电导率和磁导率高的第k(1≤k≤x)段金属外铠103k发热功率高，与第k段金属外铠103k相对应的空心抽油杆4发热功率低，第k段金属外铠103k与其相对应的空心抽油杆4的总体发热功率低；电导率和磁导率低的第n(1≤n≤x)段金属外铠103n发热功率低，与第n段金属外铠103n相对应的空心抽油杆4发热功率高，第n段金属外铠103n与其相对应的空心抽油杆4的总体发热功率高。
16.所述电加热采油装置具备采用温度闭环控制功能，保证油管5出口油温与设定温度相同。
17.优点效果：
18.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
19.(1)本发明提出的阶梯功率电加热采油装置，能够保证整个加热区域内的温度基本一致，提升电加热采油效果，增加产量。
20.(2)本发明提出阶梯功率电加热采油装置，能够削平传统电加热中间段温度的过高点，提升两端的温度，降低了整个加热区间的平均温度，降低电能消耗量。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
22.图1为本发明一种阶梯功率电加热采油装置示意图；
23.图2为本发明加热电缆结构示意图；
24.图3为本发明加热电缆功率分布图；
25.图4为本发明空心抽油杆和加热电缆共同作为加热源示意图；
26.图5为本发明复合加热功率分布图；
27.图6为某采油厂一口中频电加热井的温度分布示意图。
28.其中：1
‑
加热电缆、101
‑
铜导体、102
‑
绝缘层、103
‑
金属外铠、103a
‑
第一金属外铠、103b
‑
第二金属外铠、103c第三金属外铠、103k
‑
第k金属外铠、103n
‑
第n金属外铠、103x
‑
第x金属外铠、104
‑
焊接点、105
‑
短路焊接点、2
‑
短接环、2a
‑
第一短接环、2b
‑
第二短接环、3
‑
中频电源、4
‑
空心抽油杆、5
‑
油管、6
‑
套管、7
‑
柱塞泵、8
‑
引出线。
具体实施方式
29.一种阶梯功率电加热采油装置，包括加热电缆1、两个短接环2、中频电源3，加热电缆1包括铜导体101、绝缘层102、金属外铠103。
30.金属外铠103由x段金属管拼接而成，x≥2，即金属外铠103包括第一金属外铠103a、第二金属外铠103b、第三金属外铠103c等，每一段金属外铠103的导磁和导电能力均有不同(分成几段后，每段金属外铠流过的电流是相同且交变的，交变电流产生交变磁场，进而在金属外铠中产生涡电流，涡电流发热，由于每段金属外铠材料自身导磁和导电能力不同，产生的涡电流大小有差别，涡电流发热也有差别)。
31.两个短接环2将热电缆1的金属外铠103与空心抽油杆4连接在一起。
32.加热电缆1作为单一加热源时，两个短接环2为不导电材料；空心抽油杆4和加热电缆1共同作为加热源时(也称复合加热)，两个短接环2为导电材料，空心抽油杆4为导磁且导电金属。
33.所述金属外铠(103)套在铜导体(101)外，所述的加热电缆1的金属外铠103与铜导体101间填充绝缘层102，金属外铠103末端与铜导体101末端在短路连接点105处熔焊为一体；焊接点104将x段金属外铠103的首尾相连在一起，即第一金属外铠103a的末端与第二金属外铠103b的首端在焊接点104处焊接，第二金属外铠103b的末端与第三金属外铠103c的首端在焊接点104处焊接，如此方法焊接，直至所有段的金属外铠103x(x取a、b、c、
…
,即将x标记为第a段、第b段、第c段、第
…
)全部连接上；加热电缆1密封无泄漏。
34.所述中频电源3为单相变频电源，电源频率在0～10khz间可调整；中频电源3的两根引出线8分别接加热电缆1的铜导体101和金属外铠103。
35.所述加热电缆1作为单一加热源，金属外铠103和铜导体101构成电流i回路，即流过金属外铠103和铜导体101中的电流i大小相等，方向相反(如图2所示)，金属外铠103是主发热体，铜导体101是辅发热体，加热电缆1的功率分布呈x个阶梯状，与x个段的金属外铠103x相对应；电导率和磁导率高的第n(1≤n≤x)段金属外铠103n发热功率高，电导率和磁导率低的第k(1≤k≤x)段金属外铠103k发热功率低(即电导率和磁导率高的某一段金属外铠发热功率高，电导率和磁导率低的某一段金属外铠发热功率低)；空心抽油杆4为非加热源，是传热体。
36.所述空心抽油杆4和加热电缆1共同作为加热源，空心抽油杆4和金属外铠103并联(如图4所示)，流过的电流分别为i1、i2，i1和i2同方向，铜导体101中流过的电流为i，i1、i2与i方向相反，i1+i2＝i，空心抽油杆4和加热电缆1上的功率分布呈x个阶梯状，与x个段的金属外铠103x相对应；电导率和磁导率高的第k(1≤k≤x)段金属外铠103k发热功率高，与第k段金属外铠103k相对应的空心抽油杆4发热功率低，第k段金属外铠103k与其相对应的空心抽油杆4的总体发热功率低，此时铜导体101中电流i产生的磁力线主要限制在金属外铠103k
中，在金属外铠103k产生涡流，进而发热；电导率和磁导率低的第n(1≤n≤x)段金属外铠103n发热功率低，与第n段金属外铠103n相对应的空心抽油杆4发热功率高，这是由于与金属外铠103n相对的空心抽油杆4的体积更大，所以第n段金属外铠103n与其相对应的空心抽油杆4的总体发热功率高，此时铜导体101中电流i产生的磁力线在金属外铠103n和与其对应的空心抽油杆4中都大量存在，在金属外铠103n和空心抽油杆4中均产生涡流，进而发热。也就是说电导率和磁导率高的某一段金属外铠发热功率高，与该段金属外铠相对应的空心抽油杆(4)发热功率低，则该段金属外铠与其相对应的空心抽油杆(4)的总体发热功率低；电导率和磁导率低的某一段金属外铠发热功率低，与该段金属外铠相对应的空心抽油杆(4)发热功率高，则该段金属外铠与其相对应的空心抽油杆(4)的总体发热功率高。
37.所述电加热采油装置具备采用温度闭环控制，保证油管5出口油温与设定温度相同。
38.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
39.如图1至图5所示：本实例提供了一种阶梯功率电加热采油装置，所述装置，包括加热电缆1、两个短接环2、中频电源3，加热电缆1包括铜导体101、绝缘层102、金属外铠103。金属外铠103由x段金属管拼接而成，x≥2，即金属外铠103包括第一金属外铠103a、第二金属外铠103b、第三金属外铠103c等，每一段金属外铠103的导磁和导电能力均有不同。两个短接环2将热电缆1的金属外铠103与空心抽油杆4连接在一起。加热电缆1作为单一加热源时，两个短接环2为不导电材料；空心抽油杆4和加热电缆1共同作为加热源时(也称复合加热)，两个短接环2为导电材料，空心抽油杆4为导磁、导电金属。
40.优选的，如图2所示，所述的加热电缆1的金属外铠103与铜导体101间填充绝缘层102，金属外铠103末端与铜导体101末端在短路连接点105处熔焊为一体；焊接点104将x段金属外铠103的首尾相连在一起，即第一金属外铠103a的末端与第二金属外铠103b的首端在焊接点104处焊接，第二金属外铠103b的末端与第三金属外铠103c的首端在焊接点104处焊接，如此方法焊接，直至所有段的金属外铠103x(x取a、b、c、
…
)全部连接上；加热电缆1密封无泄漏。
41.优选的，如图1所示，所述中频电源3为单相变频电源，电源频率在0～10khz间可调整；中频电源3的两根引出线8分别接加热电缆1的铜导体101和金属外铠103。
42.优选的，如图2和图3所示，所述加热电缆1作为单一加热源，金属外铠103和铜导体101构成电流i回路，即流过金属外铠103和铜导体101中的电流i大小相等，方向相反，金属外铠103是主发热体，铜导体101是辅发热体，加热电缆1的功率分布呈x个阶梯状，与x个段的金属外铠103x相对应；电导率和磁导率高的第n(1≤n≤x)段金属外铠103n发热功率高，电导率和磁导率低的第k(1≤k≤x)段金属外铠103k发热功率低；空心抽油杆4为非加热源，是传热体。
43.优选的，如图4和图5所示，所述空心抽油杆4和加热电缆1共同作为加热源，空心抽油杆4和金属外铠103并联，流过的电流分别为i1、i2，i1和i2同方向，铜导体101中流过的电流为i，i1、i2与i方向相反，i1+i2＝i，空心抽油杆4和加热电缆1上的功率分布呈x个阶梯状，与x个段的金属外铠103x相对应；电导率和磁导率高的第k(1≤k≤x)段金属外铠103k发热功率高，与第k段金属外铠103k相对应的空心抽油杆4发热功率低，第k段金属外铠103k与其
相对应的空心抽油杆4的总体发热功率低，此时铜导体101中电流i产生的磁力线主要限制在金属外铠103k中，在金属外铠103k产生涡流，进而发热；电导率和磁导率低的第n(1≤n≤x)段金属外铠103n发热功率低，与第n段金属外铠103n相对应的空心抽油杆4发热功率高，这是由于与金属外铠103n相对的空心抽油杆4的体积更大，所以第n段金属外铠103n与其相对应的空心抽油杆4的总体发热功率高，此时铜导体101中电流i产生的磁力线在金属外铠103n和与其对应的空心抽油杆4中都大量存在，在金属外铠103n和空心抽油杆4中产生涡流，进而发热。
44.优选的，如图1所示，所述电加热采油装置具备采用温度闭环控制，保证油管5出口油温与设定温度相同。
45.加热区域内的加热温度基本保持一致的实施方法如下：
46.如金属外铠103由3段拼接而成，三段分别为金属外铠103a、金属外铠103b、金属外铠103c，每段外铠长为300米，施加600hz的交变电压，仿真结果如表1所示。
47.表1各段金属外铠发热功率
[0048][0049]
发热功率与温度是成正比的，结合图6可知，传统电加热的加热电缆材质是相同的，任意处的发热功率是相同的，传统加热使本油井中间段温度最高，达到了70℃，下端的温度最低，最低约30℃，实际上油井任意处的温度只需要约40℃即可，也就说明中间段的加热功率有所富余，浪费了热能。所以，如果让中间段的加热电缆发热功率少点，最下端的电缆发热功率多点，就能保证保证电加热采油装置在整个1000米加热区域内的加热温度都能基本保持一致，就具有较好的降粘和化蜡效果。本发明的中频电加热采油装置按照表1配置金属外铠103(也即金属外铠103从上到下由金属外铠103a、金属外铠103b、金属外铠103c串接而成)就能使加热区域内的加热温度基本保持一致。同时，不会发生高温达到70℃的现象，从而可以节能。
[0050]
本发明提供一种阶梯功率电加热采油装置，保证整个加热区域内的温度基本一致，不仅能够提升电加热采油效果，同时还能降低能耗。