CN103291245B - 油井井口电磁加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油采集技术领域，具体而言，涉及一种油井井口电磁加热装置。该装置包括内管、磁芯、线圈和控制器；内管嵌套在抽油管的内部；在内管和抽油杆之间设置有多组磁芯，多组磁芯固定在内管的内壁上且多层分布，每一组磁芯包括多个以内管的中心轴为对称轴径向对称分布的磁芯；内管和磁芯均为高导磁材料制成；线圈缠绕在磁芯上，每一组磁芯及缠绕其上的线圈构成一个电磁极对；控制器与线圈电性连接，用于控制通电的电磁极对数。本发明提供的油井井口电磁加热装置，相比在抽油管外部缠绕电热丝，加热效率更高。

Description

油井井口电磁加热装置

技术领域

本发明涉及石油采集技术领域，具体而言，涉及一种油井井口电磁加热装置。

背景技术

在稠油、高凝油和凝析气等特殊油气藏的油井的实际开采过程中，常发生因油稠、结蜡、负荷过重而导致抽油杆卡死、断脱等不能正常生产的现象，严重影响到产量和采收率。在现有的各种解决方案中，对石油油管进行加热不仅可以改善原油的流动性，起到增产的效果，并且能同时解决举升、回压问题，因此对石油油管进行加热是解决上述问题的一种有效措施。

其中，一种可行的加热方式是利用电磁感应技术对石油油管进行加热。然而在现有的利用电磁感应原理进行加热的相关技术中，主要是将电热丝缠绕于油管之上，通过加热油管来间接加热油管内的原油，这种电磁感应加热技术虽然会产生电涡流，但由于油管的屏蔽作用，使涡流在油管距外壁面1mm以内处基本衰减为零，虽然耗费了大量电能，但加热效果不明显。因此，相关技术中的电磁感应加热装置，存在加热效率不高的技术缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供油井井口电磁加热装置，以解决上述的问题。

在本发明的实施例中提供了一种油井井口电磁加热装置，包括内管、磁芯、线圈和控制器；

所述内管嵌套在抽油管的内部；

在所述内管和抽油杆之间设置有多组磁芯，所述多组磁芯固定在所述内管的内壁上且多层分布，每一组磁芯包括多个以所述内管的中心轴为对称轴径向对称分布的磁芯；

所述内管和所述磁芯均为高导磁材料制成；

所述线圈缠绕在所述磁芯上，每一组磁芯及缠绕其上的线圈构成一个电磁极对；

所述控制器与所述线圈电性连接，用于控制通电的电磁极对数。

其中，还包括流量计、力矩传感器和力传感器；

所述流量计置于井口，用于采集井口流量信息；

所述力矩传感器置于电动机内部，用于采集电动机力矩信息；

所述力传感器，设置在光杆顶部，用于采集抽油杆的重力信息。

其中，所述控制器，用于接收所述井口流量信息、电动机力矩信息和抽油杆的重力信息，根据所述井口流量信息、电动机力矩信息和抽油杆的重力信息，计算通电的电磁极对数。

其中，所述控制器，用于：

对所述井口流量信息进行分析计算，得出井口当前需加热的液量，进而计算出通电的第一电磁极对数；

对所述电动机力矩信息进行数据处理，分析抽油机当前平衡状况，计算出通电的第二电磁极对数；

对所述抽油杆的重力信息进行数据处理，计算出通电的第三电磁极对数。（最好给出对井口流量信息进行分析计算、对电动机力矩信息进行数据处理以及对重力信息进行处理分别得出各自电磁极对数的具体过程）

其中，所述控制器，还用于：

根据公式第四电磁极对数=K1*第一电磁极对数+K2*第二电磁极对数+K3*第三电磁极对数，对所述第一电磁极对数、所述第二电磁极对数和所述第三电磁极对数进行加权计算，得出第四电磁极对数，并控制通电的电磁极对数为第四电磁极对数，所述K1、K2和K3为加权系数。

其中，所述内管和所述磁芯均为电工钢材质。

其中，所述磁芯与所述内管一体连接。

其中，所述磁芯与抽油杆的距离小于1毫米。

其中，还包括电缆，所述电缆连接于所述线圈和所述控制器之间，所述控制器通过所述电缆控制每组磁芯上线圈的通电和断电。

其中，相邻的两组磁芯之间的轴向间距大于10厘米。

本发明上述实施例的油井井口电磁加热装置，在抽油管内部设置电磁加热装置，直接对原油进行直接加热，线圈通电后可使磁芯产生恒定的磁场，抽油杆在上下往复运动过程中，会与磁芯和内管组成的定子发生相对运动，抽油杆往往是导电媒质，导电媒质和磁场之间有相对运行就会产生速度电场，而内管、磁芯均为高导磁材料，因此在内管与线圈以及抽油杆之间会形成涡流，涡流在定子中流动，最终转化为热能从而直接加热原油，相比在抽油管外部缠绕电热丝，加热效率更高。

附图说明

图1为本发明的油井井口电磁加热装置的一个实施例的纵向剖面图；

图2为本发明的油井井口电磁加热装置的一个实施例的横向剖面图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

本发明实施例提供了油井井口电磁加热装置，参见图1和图2所示，包括内管2、磁芯3、线圈（图中未示出）和控制器4。

所述内管2嵌套在抽油管1的内部；在所述内管2和抽油杆6之间设置有多组磁芯3，所述多组磁芯3固定在所述内管2的内壁上且多层分布，每一组磁芯包括多个以所述内管2的中心轴为对称轴径向对称分布的磁芯。

所述线圈缠绕在所述磁芯上，每一组磁芯及缠绕其上的线圈构成一个电磁极对。

所述控制器4与所述线圈电性连接，用于控制通电的电磁极对数。

优选地，在本发明实施例中，线圈绕组极对数通电可调，根据外界温度环境和抽汲工况随动调节磁场强度，进而调节加热。针对同一口油井在天气变化或者井下工况变化时，对油井井口原油温度进行不同程度的提升。而对通电线圈绕组极对数的调整，还需要有量化的参考数据，因此设置为控制通电线圈组数提供参考数据的数据采集设备，主要包括流量计、力矩传感器和力传感器。

所述流量计置于井口，用于采集井口流量信息；所述力矩传感器置于电动机内部，用于采集电动机力矩信息；所述力传感器，设置在光杆顶部，用于采集抽油杆的重力信息。

所述控制器，用于接收所述井口流量信息、电动机力矩信息和抽油杆的重力信息，根据所述井口流量信息、电动机力矩信息和抽油杆的重力信息，计算通电的电磁极对数。

具体地，所述控制器对所述井口流量信息进行分析计算，得出井口当前需加热的液量，进而计算出通电的第一电磁极对数；并且对所述电动机力矩信息进行数据处理，分析抽油机当前平衡状况，计算出通电的第二电磁极对数；对所述抽油杆的重力信息进行数据处理，计算出通电的第三电磁极对数。

之后，根据公式

第四电磁极对数=K1*第一电磁极对数+K2*第二电磁极对数+K3*第三电磁极对数

对所述第一电磁极对数、所述第二电磁极对数和所述第三电磁极对数进行加权计算，得出第四电磁极对数，并控制通电的电磁极对数为第四电磁极对数，所述K1、K2和K3为加权系数。

优选地，作为一种可实施方式，K1=0.7，K2=0.1，K3=0.2。本领域技术人员，能够根据本发明的技术构思，根据实际数据信息，对加权系数进行适当调整，本发明不一一列举，但都应属于本发明的保护范围。

控制器的主要工作步骤为：

步骤1：控制器4接收流量计发送的数字或模拟信号，经数据处理，分析计算油井井口当前需加热液量，计算出需要通电的线圈绕组极对数（第一电磁极对数）。

步骤2：控制器4接收力矩传感器发出的数字或模拟信号，经数据处理，分析抽油机当前平衡情况，计算需补偿抽油机的平衡，计算通电线圈绕组极对数（第二电磁极对数）。

步骤3：控制器4接收力传感器发出的数字或模拟信号，经数据处理，分析油井当前工况，计算通电线圈绕组极对数（第三电磁极对数）。

步骤4：取前三个步骤的计算结果，加权计算通电线圈绕组（第四电磁极对数）。加权计算的目的是在能够实现对原油加热前提下，同时兼顾电动机的平稳运行和由于井下工况的变化引起抽油机起重的变化。

其中，控制器4与线圈的连接可以为有线连接，通过电缆8进行信号沟通。所述电缆8连接于所述线圈和所述控制器4之间，所述控制器4通过所述电缆8控制每组磁芯上线圈的通电和断电。

本发明实施例所提供的加热装置，其热能的主要来源为抽油杆的势能，相对较为省电。

例如，低渗透、稠油油井24小时出液量约为2～15方，井口油温约十几摄氏度。在此温度基础上，电磁加热装置对流经井口的原油加热，实现温升约5～10摄氏度。以24小时2方原油升高5摄氏度计算，需约220W热能。

由抽油杆柱重力做功得的热能，即势能转热能为：

P=F*v

其中P为热能；F为抽油杆柱部分自重，抽油杆柱其余重量被平衡块平衡；v为抽油杆切割磁场速度，约每分钟2.5冲次，冲程1.2～2.5米。

磁芯绕组500匝通电0.5A时，产生191W热，同时产生153Kg制动力。

综上，每组电磁绕组可平衡约150公斤抽油杆重，同时产生190W热加热原油。

其中，所述内管2和所述磁芯3均为高导磁材料制成。

优选地，作为一种可实施方式，所述内管2和所述磁芯3均为电工钢材质。本领域技术人员可根据实际需要采用其他高导磁材料制作内管2和磁芯3。

优选地，所述磁芯3与所述内管2一体连接。

需要说明的是，为了能够有效形成磁场回路，所述磁芯3与抽油杆6的距离小于1毫米，即图1和图2中所示的气隙5小于1mm。气隙尺寸越小越有利磁路形成，气隙5中存在的原油不导磁不导电，不利于磁场回路形成，因而不利于电涡流形成。

同时，需要注意的是，应使得动子抽油杆在线圈绕组位置的材质也要导磁。或者，添加另外导磁构件，使线圈，气隙，定子电工钢内套形成磁回路，即动子抽油杆切割磁场有效产生涡流。

另外，为了保证原油的正常流动，磁芯之间的空腔7应足够大，相邻的两组磁芯之间的轴向间距大于10厘米。

本发明实施例提供的加热装置的主要特点是，通电线圈建立磁场，油井抽油杆在自重下在磁场中作相对运动，感应出涡流，加热原油，同时原油流经线圈组，冷却线圈。其中抽油杆相当于动子，内管和磁芯以及线圈为定子。在该电磁感应加热装置工作时，动子抽油杆以一定速度相对定子电工钢内管运动，缠绕线圈的电工钢磁芯建立的恒定磁场也将以相同的速度移动并切割动子。由于导电媒质和磁场之间有相对运动会产生速度电场,因此在定子电工钢内管与缠绕线圈的电工钢磁芯及气隙之间产生速度电场，并产生涡流,涡流在定子中流动最终会转化为热能，从而使原油发热。

其中，各极对绕组线圈一级一级的上升安置，原油可以在上升过程中分多次加热。

同时，流经线圈的原油冷却线圈时也会加热。参见图2所示，电工钢内管，线圈，气隙和动子抽油杆共同形成电电磁流动回路。因此油管中流动的原油也会被加热，黏度变低，保证了原油的正常流动。

需要说明的是，在本装置中，动子抽油杆只在下行过程中切割磁场产生作用，上行不作用，即线圈在抽油杆下行时通电，产生磁场；线圈在抽油杆上行不通电。

其中，线圈通电用以促使与定子相互作用的磁场的形成，线圈绕组所通电为小电流，而非用电加热所用大电流，消耗的功率也相对较小。线圈可以采用细的漆包线，绕于高导磁材料芯体上。

其中，抽油杆下行是动子抽油杆在抽油杆柱部分自重作用力下自行下行，不需外界动力。在动子抽油杆下行时，通电绕组形成的涡流对抽油杆产生的一逆向的向上力，减小抽油杆自由落体运动的动量，可以控制抽油杆下行速度，缓冲对电动机的冲击。

同时，为了能够有效利用能量，线圈绕组直接暴露于油管内原油中，使原油可以对线圈绕组进行冷却，既去掉了冷却系统，在电涡流对原油的加热同时，也可以使原油得到二次加热。

此外，现有技术中的加热技术，还需要变频装置，现场实践表明，变频装置增加了成本，抽油机的故障率也明显增加，因而推广应用受到限制；而且实现起来也需耗费大的电能。而本发明的加热装置，不需要设置变频装置且通电电流较小，成本较低且节能。

综上，本发明提供的一种油井井口电磁加热装置，利用抽油杆部分自重自行下行，不需外界提供动能，实现节能；电生磁过程只在在抽油杆下行过程中有，电磁产生逆向，即一向上的力，实现驴头运行曲线的平滑；抽油杆上行不通电，无额外附加力，抽油机的电动机负载与原有相比不产生变化；原油流经线圈，线圈有效实现对原油的加热，并且减去了线圈冷却系统，精简了结构；通电线圈极对数可调，改善电动机运行情况，有利于改善抽油机的平衡；具有智能性，根据抽汲工况的变化，通电电流可实时调整，保证有效加热。因此，该装置具有保温、防凝、解蜡、节能、成本低、使用周期长、安装方便、易操控、便于维修、保护环境等优点，对于不同的油井之间，装置没有特异性，维护和更换都很方便。特别是在低渗透油田边缘区块开发过程中，为单井采油集输和无人值守，开辟了一条高效、低耗、安全环保的新途径。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.油井井口电磁加热装置，其特征在于，包括内管、磁芯、线圈和控制器；

所述内管嵌套在抽油管的内部；

在所述内管和抽油杆之间设置有多组磁芯，所述多组磁芯固定在所述内管的内壁上且多层分布，每一组磁芯包括多个以所述内管的中心轴为对称轴径向对称分布的磁芯；

所述内管和所述磁芯均为高导磁材料制成；

所述线圈缠绕在所述磁芯上，每一组磁芯及缠绕其上的线圈构成一个电磁极对；

所述控制器与所述线圈电性连接，用于控制通电的电磁极对数。

2.根据权利要求1所述的油井井口电磁加热装置，其特征在于，还包括流量计、力矩传感器和力传感器；

所述流量计置于井口，用于采集井口流量信息；

所述力矩传感器置于电动机内部，用于采集电动机力矩信息；

所述力传感器，设置在光杆顶部，用于采集抽油杆的重力信息。

3.根据权利要求2所述的油井井口电磁加热装置，其特征在于，所述控制器，用于接收所述井口流量信息、所述电动机力矩信息和所述抽油杆的重力信息，根据所述井口流量信息、所述电动机力矩信息和所述抽油杆的重力信息，计算通电的电磁极对数。

4.根据权利要求3所述的油井井口电磁加热装置，其特征在于，所述控制器，用于：

对所述井口流量信息进行分析计算，得出井口当前需加热的液量，进而计算出通电的第一电磁极对数；

对所述电动机力矩信息进行数据处理，分析抽油机当前平衡状况，计算出通电的第二电磁极对数；

对所述抽油杆的重力信息进行数据处理，计算出通电的第三电磁极对数。

5.根据权利要求4所述的油井井口电磁加热装置，其特征在于，所述控制器，还用于：

根据公式第四电磁极对数=K1*第一电磁极对数+K2*第二电磁极对数+K3*第三电磁极对数，对所述第一电磁极对数、所述第二电磁极对数和所述第三电磁极对数进行加权计算，得出第四电磁极对数，并控制通电的电磁极对数为第四电磁极对数，所述K1、K2和K3为加权系数。

6.根据权利要求1所述的油井井口电磁加热装置，其特征在于，所述内管和所述磁芯均为电工钢材质。

7.根据权利要求1所述的油井井口电磁加热装置，其特征在于，所述磁芯与所述内管一体连接。

8.根据权利要求1所述的油井井口电磁加热装置，其特征在于，所述磁芯与抽油杆的距离小于1毫米。

9.根据权利要求1所述的油井井口电磁加热装置，其特征在于，还包括电缆，所述电缆连接于所述线圈和所述控制器之间，所述控制器通过所述电缆控制每组磁芯上线圈的通电和断电。

10.根据权利要求1所述的油井井口电磁加热装置，其特征在于，相邻的两组磁芯之间的轴向间距大于10厘米。