一种利用热电材料进行自供电的井下微波加热装置

1.本实用新型涉及油气田开发领域，特别涉及一种利用热电材料进行自供电的井下微波加热装置。


背景技术：

2.热力采油技术是一种通过向地层注热或者在地下产生热的开采方式，它是开采稠油以及煤层气的较为有效的方法。微波加热技术是注热开采工艺中一项新型高效的手段，与传统储层加热方式相比，其具有耗电能低、穿透能力强、热传递效率高以及储层适用性强等优点。对于稠油油藏，稠油中胶质和沥青质含量高，因此其黏度很高、流动性差，这极大的增加了稠油开采难度，通过井下发射微波可提高储层温度，在原位降低稠油的粘度使其具有良好的流动性。对于煤层气开采，煤层气储层具有吸附性强、渗透率低、地层压力低、可塑性强的特点，微波辐射可快速提高煤层温度，促进煤层气解吸，同时进一步产生和延伸岩体内的裂缝，提高煤层渗透性。
3.然而现有的微波加热技术主要是将发电机置于井口，将微波发生装置通过电缆携带入井筒，由发电机产生的电能通过电缆传输至微波发生器，微波发生器工作产生微波加热储层。这需要额外的供电设备，并且地面至井底距离较远、井下情况复杂，电信号传输不稳定，微波发生装置无法正常运作，检修过程耗时耗力，大大提高了开采成本。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种利用热电材料进行自供电的井下微波加热装置，本实用新型可实现自供电，无需额外设置地面发电设备。
5.本实用新型采用的技术方案如下：
6.一种利用热电材料进行自供电的井下微波加热装置，包括卡瓦、变电装置、微波发射装置和至少一个发电筒，所述发电筒包括绝缘保护筒以及设置于绝缘保护筒内腔的若干串联的发电单元，所述发电单元包括相互串联的p型热电晶体和n型热电晶体，p型热电晶体和n型热电晶体沿着绝缘保护筒的长度方向设置于绝缘保护筒的内腔；变电装置与微波发射装置连接；
7.当所述发电筒采用一个时，卡瓦和微波发射装置分别设置于绝缘保护筒的两端，若干串联后的发电单元的与变电装置连接；
8.当所述发电筒采用两个以上时，各发电筒的绝缘保护筒之间通过弹性结构依次连接为一列，卡瓦设置于首端的发电筒的绝缘保护筒上，微波发射装置设置于末端的发电筒的绝缘保护筒上，所有发电筒的发电单元串联，所有串联后的发电单元与变电装置连接。
9.优选的，对于一个发电筒，绝缘保护筒中的p型热电晶体和n型热电晶体之间通过绝缘介质隔离。
10.优选的，每个发电单元中，p型热电晶体和n型热电晶体相互平行，在每个发电筒中，若干串联的发电单元均相互平行且呈簇状设置于绝缘保护筒内。
11.优选的，所述绝缘保护筒包括同轴设置的内筒和外筒，内筒和外筒之间的环形腔的两端分别设有密封的端盖，所述发电单元设置于内筒和外筒之间的环形腔内。
12.优选的，内筒和外筒之间的环形腔内设有若干圈所述发电单元，若干圈所述发电单元呈同心圆的方式设置于所述环形腔内并与绝缘保护筒同轴；
13.在每圈发电单元中，包括若干数量的发电单元，若干数量的发电单元相互串联并围呈一圆圈；
14.相邻的每圈发电单元串联。
15.优选的，在每圈发电单元中，每个发电单元的p型热电晶体和n型热电晶体的横截面形状为扇环形，所有的p型热电晶体和n型热电晶体围成一圆筒，所述圆筒的横截面形状为一圆环。
16.优选的，绝缘保护筒的两端分别设有冷端环形陶瓷导热基板和热端环形陶瓷导热基板，冷端环形陶瓷导热基板和热端环形陶瓷导热基板上分别设有用于使p型热电晶体和n型热电晶体实现串联的第一铜片和第二铜片。
17.优选的，冷端环形陶瓷导热基板和热端环形陶瓷导热基板双面均均匀涂抹有导热硅脂，导热硅脂用于填补冷端环形陶瓷导热基板和热端环形陶瓷导热基板表面的空隙。
18.优选的，所述弹性结构采用弹簧。
19.优选的，所述变电装置包括稳压器和逆变器；
20.所有发电单元串联后整体的正极与稳压器的一个电极连接，稳压器的另一个电极与逆变器的输入端的一个电极连接，逆变器输入端的另一个电极与所有发电单元串联后整体的负极连接，微波发射装置与逆变器的输出端连接。
21.实用新型具有如下有益效果：
22.本实用新型利用热电材料进行自供电的井下微波加热装置在下入油管后，发电筒中的发电单元通过两端的温差，进行发电，变电装置能够对发电单元发出的电进行稳压并能够转换为交流电，微波发射装置能够利用变电装置转换得到的交流电发射微波并加热储层，综上可以看出，本实用新型利用热电材料进行自供电的井下微波加热装置能够实现自供电，无需额外设置地面发电设备，利用地层温差发电，将热能转化为电能，实现能源的充分利用，减小耗电，节能环保。此外，利用微波加热装置能够迅速加热储层，有效降低稠油黏度或提高煤层渗透率，从而提高油气采收率。
附图说明
23.图1是本实用新型利用热电材料进行自供电的井下微波加热装置的整体结构图。
24.图2是本实用新型发电筒的俯视图。
25.图中，1-发电装置，1-1-冷端环形陶瓷导热基板，1-2-热端环形陶瓷导热基板，1-3-p型热电晶体，1-4-n型热电晶体，2-卡瓦，3-变电装置，4-微波发射装置，5-第一铜片，6-第二铜片，7-绝缘保护筒，8-弹簧，9-卡座上，10-卡座下，11-卡齿，12-稳压器，13-逆变器，14-微波发射器，15-绝缘保护盒。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例来对本实用新型做进一步的说明。
27.参照图1和图2，本实用新型利用热电材料进行自供电的井下微波加热装置主要包括发电装置1；卡瓦；变电装置3；微波发射装置4，在介绍本实用新型的方案时，下述介绍内容以设置了2个发电筒为例进行说明，具体介绍如下：
28.发电装置1（即发电筒）中：绝缘保护筒7包括同轴设置的内筒和外筒，内筒和外筒之间的环形腔的两端分别设有密封的端盖，本实用新型的方案中，冷端环形陶瓷导热基板1-1和热端环形陶瓷导热基板1-2可直接作为绝缘保护筒7的端盖，绝缘保护筒（7）的环形腔内设置了两圈发电单元。本实用新型中冷端环形陶瓷导热基板1-1的尺寸如下：内径为10mm-15mm，外径为20mm-25mm，厚度为0.5mm-0.8mm；热端环形陶瓷导热基板1-2的尺寸如下：内径为10mm-15mm，外径为20mm-25mm，厚度为0.5mm-0.8mm；p型热电晶体1-3的横截面（图1所示的方位上下方向为纵向）形状为扇环状，尺寸如下：外径为10mm-18mm，内径为5mm-15mm，高度为100m，圆心角为11.25
°‑
22.5
°
；n型热电晶体1-4的横截面形状为扇环状，尺寸如下：外径为10mm-18mm，内径为5-15mm，高度为100m，圆心角为11.25
°‑
22.5
°
；第一铜片和第二铜片的形状为矩形，尺寸如下：长为3mm-5mm，宽为1.5mm-2mm，厚度为0.4mm-0.6mm；绝缘保护筒7的内筒和外筒材质为23型氟橡胶；弹簧8弹簧丝直径8mm-10mm，中径12mm-15mm，自由高3cm-5cm。变电装置3和微波发射装置4安装在下面的发电筒绝缘保护筒7的下端，卡瓦安装在上面的发电筒绝缘保护筒7的上端侧壁。
29.为满足不同需求，p型热电晶体1-3和n型热电晶体1-4可选用不同材料，针对稠油油藏选用cosb3方钴矿，中温区热电材料中cosb3方钴矿的高温稳定性和电输运性能较好，且更适合深井稠油油藏；针对煤层气储层选用bi-te基合金，煤层气最佳开采温度范围为100℃-300℃，此温度条件下bi-te基合金热电性能最佳。
30.卡瓦采用常规的结构，其包括：卡座上9、卡座下10和卡齿11。
31.变电装置3包括稳压器12和逆变器13，稳压器12型号采用im7818型、im7820型或im7822型稳压器；逆变器13型号采用18v-22v转220v-300v逆变器；稳压器12和逆变器13均安装于绝缘保护盒15内，绝缘保护盒15材质为23型氟橡胶。
32.微波发射装置4的结构包括绝缘保护盒15和安装在绝缘保护盒15内的微波发射器14。微波发射器14的长为28cm-32cm，宽为26cm-30cm，高为16cm-20cm。针对稠油储层，微波发射器14的微波发射频率为1000mhz-3000mhz，功率为0.5kw-2kw，电压为220v-230v；针对煤层气储层，微波发射器14的微波发射频率为2000mhz-4000mhz，功率为1kw-3kw，电压为240v-300v。
33.冷端环形陶瓷导热基板1-1和热端环形陶瓷导热基板1-2分别为冷端电极和热端电极，在绝缘保护筒7的上下两端，能够传导冷端温度和热端温度。冷端环形陶瓷导热基板1-1和热端环形陶瓷导热基板1-2的双面可均匀涂抹导热硅脂，填补基板表面空隙，提高导热性能。
34.p型热电晶体1-3和n型热电晶体1-4的两端分别焊接在冷端环形陶瓷导热基板1-1和热端环形陶瓷导热基板1-2之间，参见图2，每一圈发电单元中，p型热电晶体1-3和n型热电晶体1-4交替排布程环状结构，每个p型热电晶体1-3和n型热电晶体1-4侧面镀有一层绝缘材料，绝缘材料可以为橡胶或树脂。同一发电单元中相邻的p型热电晶体1-3和n型热电晶体1-4之间通过焊接在冷端环形陶瓷导热基板1-1上的第一铜片5和热端环形陶瓷导热基板1-2上的第二铜片6连接，形成串联电路。一对p型热电晶体1-3和n型热电晶体1-4为最小发
电单元，p型热电晶体为电源正极，n型热电晶体为电源负极，陶瓷导热基板间焊接有24对发电单元。
35.绝缘保护筒7的内筒焊接在在冷端环形陶瓷导热基板1-1和热端环形陶瓷导热基板1-2内侧边缘，外筒焊接在冷端环形陶瓷导热基板1-1和热端环形陶瓷导热基板1-2外侧边缘，冷端环形陶瓷导热基板1-1和热端环形陶瓷导热基板1-2将内筒与外筒之间的环形腔两端密封，保护发电单元。起止处的p型热电晶体和n型热电晶体分别焊接一根铜芯绝缘电缆，电缆穿过绝缘保护层，用于连接下一装置。
36.上述为一节发电装置，多节发电装置通过焊接在上一节热端环形陶瓷导热基板和下一节冷端环形陶瓷导热基本之间的弹簧8进行连接。弹簧材料选用铜或碳钢。此连接方式可以控制整个发电装置长度，满足不同发电电压需求，同时能够适应存在一定倾角的井筒。
37.卡座上9和卡座下10能够卡在发电装置外壁，卡齿11可以咬合在油管内壁，卡齿11固定在发电装置上端，能够将整个装置悬挂在油管内。
38.变电装置的中：稳压器12一端与发电装置正极连接，另一端与逆变器13一侧输入端连接，逆变器13另一侧输入端与发电装置负极连接，所述连接均由铜芯绝缘电缆实现。稳压器12能够将发电装置提供的电压稳定在直流低压电，逆变器13能够将直流低压电逆变为适用于微波发射器14的交流高压电。绝缘保护盒套在稳压器12和逆变器13外侧，起到保护作用。
39.微波发射装置中：微波发射器14通过铜芯绝缘电缆与逆变器13输出端连接，接收输出端电压，微波发射器14能够发射微波加热储层。微波发射器外部包覆保护层，起到保护作用。
40.利用本实用新型利用热电材料进行自供电的井下微波加热装置加热储层的操作步骤包括：
41.1.下入该井下微波加热装置前根据地温梯度确定所需温差发电装置的节数，计算公式为：
42.24
×
α
×
33.8
×
dt
×
n=u
43.式中：α为一个发电单元的塞贝克系数，4.5~5.5
×
10-4
v/k；dt为地温梯度，3.2~4.4℃/100m；u为发电电压，稠油储层为18v~22v，煤层气储层为20v-25v；n为温差发电装置节数，取整数。
44.2. 将发电装置以串联方式连接，相邻两节发电装置之间通过弹簧焊接组装。
45.3.以图1所示的方位为例，将变电装置和微波发射装置依次连接在最下面一节发电装置下部。组装完成后将整个井下微波加热装置下入油管内，井下微波加热装置到达预定位置后，坐封卡瓦，固定装置。
46.4.井下微波加热装置稳定后，每一节发电装置两端受热产生温差，开始自动发电，通过变电装置稳压逆变后为微波发射装置供电，微波发射器向地层发射微波，加热储层，稠油升温降低黏度，煤层气储层产生微裂缝，提高渗透率。
47.本实用新型的原理如下：
48.温差发电技术主要基于seebeck效应，即两个不同半导体构成闭合回路后，如果两端接点存在温度差，则两接点间有电动势产生，回路中有电流通过。油气井通常深达地下数千米，地温梯度平均在3.2~4.4℃/100m，因此井下不同深度的地层温度也不相同。本实用新
型正是利用井下存在温差，具备了温差发电重要条件这一特点，将适应井下特殊条件的原件组装设计出温差发电装置为微波发射器供电。单节温差发电装置冷热端温差最高可达4.4℃，供电电压2v，最少只需要9根单节温差发电装置即可为微波发射器供电。
49.微波加热稠油开采主要是通过微波振荡改变稠油分子间的固定结构，进而提升分子振动，使其化学组成发生改变，高损耗组分发生过热分解，另外微波加热提高了油层温度，两者协同作用降低稠油黏度。
50.微波加热煤层气是由于微波辐射可快速提高煤层温度，促进煤层气解吸，增加气体活性，同时，加热不均匀产生的温差热应力可以进一步产生和延伸岩体内的裂缝及孔隙，提高煤层渗透性。
51.从上述可以看出，本实用新型能够在井下自供电发射微波加热储层，降低耗能，提高油气采收率。
52.实施例1
53.某油田的某稠油区块，地温梯度3.8℃/100m，井深2180m，根据井下油管直径选择利用热电材料进行自供电的井下微波加热装置尺寸为：冷端环形陶瓷导热基板，内径10mm，外径20mm，厚0.6mm；热端环形陶瓷导热基板，内径10mm，外径20mm，厚0.6mm；p型热电晶体，外径11mm、17mm，内径7mm、13mm，高100m，圆心角11.25
°
、22.5
°
；n型热电晶体，外径11mm、17mm，内径7mm、13mm，高100m，圆心角11.25
°
、22.5
°
；p型、n型热电晶体材料为cosb3方钴矿；铜片，长4mm，宽1.5mm，厚0.4mm；弹簧，弹簧丝直径8mm，中径12mm，自由高5cm；微波发射器，长28cm，宽26cm，高20cm。稳压器型号为im7818型稳压器，逆变器型号为18v转220v逆变器。
54.利用本实施例热电材料进行自供电的井下微波加热装置加热储层的具体步骤如下：
55.（1）此储层条件下发电单元的塞贝克系数为5.0
×
10-4
v/k，发电电压为18v，根据公式计算所需发电装置节数为12节。
56.（2）将卡瓦固定在第一节发电装置上端，每节发电装置由弹簧焊接相连，将变电装置和微波发射装置依次连接在温差发电装置下方。
57.（3）将组装完成的装置下入油管至目标层位，利用卡瓦卡住装置，装置投放完成。
58.（4）装置稳定30s-60s后可以开始正常工作，发射微波加热储层。
59.（5）装置工作每3-4个月需要提出清理维护，若未发生严重破损，只需要清理装置表面结垢；若发生严重腐蚀，需更换绝缘保护筒，并检查内部电路有无受损。
60.微波加热频率为2450mhz，加热功率为0.8kw，电压为220v，微波作用后，地层温度升高100℃，原油黏度降低34.36%，采收率提高27.7%。
61.实施例2
62.华北某煤层气区块，地温梯度4.2℃/100m，井深1900m，根据井下油管直径选择利用热电材料进行自供电的井下微波加热装置尺寸为：冷端环形陶瓷导热基板，内径12mm，外径22mm，厚0.5mm；热端环形陶瓷导热基板，内径12mm，外径22mm，厚0.5mm；p型热电晶体，外径13mm、19mm，内径9mm、15mm，高100m，圆心角11.25
°
、22.5
°
；n型热电晶体，外径13mm、19mm，内径9mm、15mm，高100m，圆心角11.25
°
、22.5
°
；p型、n型热电晶体材料为bi-te基合金；铜片，长5mm，宽2mm，厚0.5mm；弹簧，弹簧丝直径10mm，中径14mm，自由高3cm；微波发射器，长30cm，宽28cm，高18cm。稳压器型号为im7820型稳压器，逆变器型号为20v转300v逆变器。
63.利用本实施例热电材料进行自供电的井下微波加热装置加热储层的具体步骤如下：
64.（1）此储层条件下发电单元的塞贝克系数为5.5
×
10-4
v/k，发电电压为20v，根据公式计算所需发电装置节数为11节。
65.（2）将卡瓦固定在第一节发电装置上端，每节发电装置由弹簧焊接相连，将变电装置和微波发射装置依次连接在温差发电装置下方。
66.（3）将组装完成的装置下入油管至目标层位，利用卡瓦卡住装置，装置投放完成。
67.（4）装置稳定30s-60s后可以开始正常工作，发射微波加热储层。
68.（5）装置工作每3-4个月需要提出清理维护，若未发生严重破损，只需要清理装置表面结垢；若发生严重腐蚀，需更换绝缘保护筒，并检查内部电路有无受损。
69.微波加热频率为4000mhz，加热功率为2kw，电压为300v，微波作用后，有效波及区域达到100m，煤层渗透率提高140%-180%，年累计产气量可达常规开采的2.9倍。