CN105792396B - 基于趋肤效应的加热线缆、加热单元和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于趋肤效应的感应阻性加热单元，并且可以被使用在基于趋肤效应的器件中以防止在油气井和管线中形成石蜡水合物沉积物。由于采用了壁厚度不小于三个趋肤深度的波纹状铁磁性钢管作为加热线缆的外部导体，本发明扩展了所述器件的性能特性。

Description

基于趋肤效应的加热线缆、加热单元和方法

技术领域

本发明涉及基于趋肤效应的感应阻性加热单元，并且可以被应用在针对防止在油气井和管线中形成石蜡水合物(paraffin-hydrate)沉积物的器件中，以及用于加热管线和容器中的黏性产品以用于其运输和泵浦目的。

背景技术

在现有技术中，用于加热油井和周围地层的基于趋肤效应的加热线缆是已知的，其包含中心导体、内部绝缘层以及同轴地位于其周围的铁磁性外部导体(参见2014年10月20日公开的专利RU 2531292)。在所述已知的线缆中，内部绝缘层由非有机陶瓷制成，外部导体具有在操作功率电压频率下不小于三个趋肤深度的壁厚度。所述已知线缆的缺点包括：厚壁受荷外部导体，不存在针对腐蚀性环境的保护，具有较大的弯曲半径(这是由于厚壁和紧凑的矿物绝缘而导致的)，以及缺少沿着纵向线缆轴进行输出功率调节的构造可能性。其结果是，线缆进洞/出洞(run-in-hole/put-out-of-hole)操作需要非常昂贵的盘管(coiled tubing)装备，并且由于缺少输出功率纵向控制导致电能消耗增加。

从前面的来源还知道一种加热单元，其由所述线缆的一个节段以及AC电源构成，以及涉及所述加热单元的应用的加热方法。这些技术解决方案都存在相同的缺点。

发明内容

本发明的目的是消除前面的缺点。其技术结果意味着通过能量消耗和加热温度的降低而改进操作属性，以及降低导体的壁厚度从而提高加热线缆灵活性的可能性。

关于加热线缆，前面所阐述的问题得到解决，并且通过所提出的基于趋肤效应的线缆实现了所述技术结果，所述基于趋肤效应的线缆包含中心导体、内部绝缘层以及同轴地位于其周围的铁磁性外部导体，其中内部绝缘层由聚合物材料制成，外部导体通过波纹状铁磁性钢管的形式制成，并且具有在供电电压操作频率下小于三个趋肤深度的壁厚度。外部导体提供有一个非铁磁性高电导率导体层，其被制成具有沿着线缆的纵轴改变其剖面的可能性，并且位于波纹状铁磁性钢管与内部绝缘层之间。所述层可以通过非绝缘高电导率导体的编股(braid)的形式制成。外部导体优选地还提供有位于波纹状管材上方的铁磁性钢线的外部编股。中心导体可以由一个或者至少两个螺旋盘绕的非铁磁性高电导率导体制成，或者采取由至少两个非铁磁性高电导率导体螺旋缠绕的受荷元件的形式。聚合物外部护套优选地位于外部导体的上方。

关于加热单元，前面所阐述的问题得到解决，并且通过所提出的加热单元实现了所述技术结果，所述加热单元包含前面描述的加热线缆的一个节段以及两相AC电源，其中AC电力供应装置的第一输出连接到中心导体的近端，第二输出连接到外部导体的近端，中心导体和外部导体在所述线缆节段的远端彼此连接。可以为加热线缆的外部导体提供的所述非铁磁性高电导率导体层和铁磁性钢线的外部编股在所述线缆节段的近端和远端都连接到所述波纹状铁磁性钢管。所述AC电源优选地被制成具有调节其频率和输出供电电压的可能性。

关于加热方法，前面所阐述的问题得到解决，并且通过所提出的方法实现了所述技术结果，所述方法在于，通过向所述加热单元的输入施加工业频率的电流，利用加热线缆的外部导体中的趋肤效应来进行加热。当施加来自工业电力网的电流时，优选地调节所述AC电源的频率和输出电压。

附图说明

在图1中呈现出所提出的加热线缆。

在图2中呈现出具有由六个非铁磁性高电导率导体螺旋缠绕的受荷元件的形式的中心导体。

在图3中示出了去到AC电源的线缆连接的图示。

具体实施方式

所提出的基于趋肤效应的加热线缆包括中心导体1，由耐热聚合物材料制成的内部绝缘层2，同轴地位于其周围的复合外部导体，以及外部聚合物护套3。

中心导体1可以由一个、两个或更多非铁磁性高电导率导体1’制成。为了提高线缆的受荷能力，可以将非铁磁性导体1’螺旋缠绕中心受荷元件1”。对于非铁磁性导体1’的材料、其数目和剖面的选择以及对于中心受荷元件1”的材料的选择完全是基于线缆应当操作在其中的周围环境条件。非铁磁性导体的材料特别可以是铜或铝。非铁磁性的中心受荷元件1”特别可以由钢、聚合物或复合纤维制成，并且其设计特别可以采取绳索、管材、线束(harness)等形式。对于具有较大剖面的非铁磁性导体1’的选择、较大缠绕角度α以及受荷元件1”的存在显著提高了线缆的受荷能力。此外，由对于线缆的纵轴(相应地对于受荷元件1”)成倾斜角度α的具有较大剖面的导体1’形成的较大空气空隙(air void)成倍地增加了线缆的所述元件和绝缘层2的互锁，从而在线缆被垂直安装并且在单一顶点处被固定时排除了各个线缆设计元件相对于彼此的打滑。在这种情况下，线缆的受荷能力不仅通过使用受荷元件1”来决定，而且还分别由线缆设计的每一个元件的设计特征决定。

用于内部绝缘层2的材料可以是当其操作在线缆供电电压下时确保绝缘的足够电阻以及较宽温度范围内的耐热性的任何聚合物。所述操作温度范围的下限数值被理解成是所要求保护的加热线缆的最低可能安装温度，并且上限数值由线缆表面上的最高可允许温度决定。具体来说，对于油气井的加热，使用通过任何已知方法交联的聚乙烯都是可能的。通过使用含氟聚合物可以确保较宽的操作温度范围。

附加的外部护套3由耐热并且对于周围环境条件具有化学抗性的聚合物制成，其改进了线缆的密封能力，针对腐蚀和环境条件提供保护，并且将其电气和爆炸安全性提升到根据GOST P51330.9-99的IIA等级。取决于可能的操作条件，外部护套3的材料特别可以是对于石油和汽油具有抗性的聚丙烯共聚物或者含氟聚合物的其中之一。

外部导体可以被制成采取具有附加组件的波纹状铁磁性钢管4的形式的复合物。也就是：第二组件——非绝缘非铁磁性高电导率导体层5，以及第三组件——铁磁性钢线的编股6。取决于所需的特性，外部导体可以被制成单个组件(仅具有管材4的形式)，两个组件(具有层5的管材4)，以及还有三个组件(具有层5和编股6的管材4)。

在趋肤系统设计的过程中，通常接受的是铁磁性外部导体的厚度大于或等于趋肤深度，所述趋肤深度被确定为磁通量密度在铁磁性导体剖面中减小e倍的深度。正如实践所表明的那样，在这种情况下，铁磁性导体的外表面上的电位小到通常甚至不对导体进行绝缘。但是在这种情况下，线缆重量和灵活性会受到严重影响。

根据本发明，提出使用铁磁性钢材的波纹状管材4作为外部导体的主要组件。在所提出的线缆中，所述管材的壁厚度小于供电电压操作频率下的三个趋肤深度，并且由所施加的电气和机械约束的集合决定。波纹参数决定管材的机械强度以及热传递面积的增大。波纹系数如下：

其中h是波纹高度，t是波纹间距，所述波纹参数落在从1.15到1.5的范围内并且决定热传递面积的实际增大。

通过使用波纹状表面允许同时实现几项重大结果。首先，管材4壁厚度的减小以及聚合物内部绝缘层2的应用使得有可能获得具有400mm弯曲半径的非常灵活的线缆，从而大大简化了使用。其次，线缆的热传递表面被显著增大(多达50％)，因此线缆表面的加热温度被降低，其结果是与具有传统圆柱形形状的线缆相比的能量消耗较低。第三，这种形状允许在线缆垂直安装(在单一顶点处固定)和长度较长(1km以上)的情况下避免各个线缆设计元件相对于彼此“打滑”。第四，所提出的线缆的受荷能力可以被提高到长达2km的自身长度，并且将其对于周围环境压力的耐受性提高到高达110atm。

非绝缘非铁磁性高电阻率导体层5位于波纹状管材4与内部绝缘层2之间。层5被制成具有沿着线缆的纵轴的剖面变化的可能性的特征，从而使得有可能修改指定的线缆节段上的外部导体的有效剖面并且可选地改变输出功率，也就是线缆表面上的温度。层5的电阻越高，流经外部导体的各个组件的电流就越强。当没有这样的一层时，其电阻在传统上被接受为是无限的。通过层5的剖面的变化实施对于流动电流的调节。如果层5是通过编股的形式制成，出于该目的，取决于手头的任务，改变形成对应于层5的编股的线数(增加或减少)以及编股覆盖。为了提高线缆表面上的温度(在恒定的供电电压下)，应当增加层5中的导体的数目，并且为了降低所述温度则应当减少所述数目。沿着线缆可以存在具有层5的不同编股覆盖的任意数目的线缆节段，并且这些节段可以具有任何长度。为了增大旁路电阻调节的动态范围，建议通过大量纤细导体来实现。用于编股导体的制造的材料特别可以是铜或其他高电导率材料。因此，通过预先知道沿着线缆安装位置的温度分布(对应于井的地热温度分布)并且通过改变层5的剖面引入对于这一分布的所需校正，有可能显著最小化用于对象加热的能量消耗并且延长线缆操作寿命。

外部编股6可以由铁磁性钢线制成，并且在外部护套3之下位于波纹状钢管4的上方；在保持灵活性的同时，其允许去除外部导体的外表面上的电位。

通过把线缆节段MN连接到两相AC电源7形成在所提出的线缆的基础上制成的加热单元，所述AC电源7被制成具有调节其频率和输出供电电压的可能性。电源7的第一输出连接到中心导体1的近端M，另一个输出连接到外部导体(管材4)的近端M。在所述线缆节段的远端N处，中心导体(1)和外部导体彼此连接。如果外部导体包含层5和/或编股6，虽然所有组件沿着线缆节段MN的整个长度彼此具有可靠的电接触，其在近端M处以及在远端N处附加地彼此连接并且连接到波纹状铁磁性钢管4。

根据所提出的加热方法，在对电源7的输入施加工业频率的供电电压之后实施线缆节段MN表面的加热，所述电源7可以通过两相AC供电源的任何已知的控制和监测系统来控制。

由于前面描述的设计，所提出的加热线缆具有：

-更高的灵活性，其弯曲半径达到400mm；

-对于作为加热流体的一部分的化学混合物的抗性；

-对于高达110atm的周围环境压力和高达15kN的张力的耐受性；

-低能量消耗。

由于应用了用于应对柔性测井线缆的标准装备，本发明允许简化使用，并且具有沿着其纵轴并且根据加热对象的温度分布(对应于井的地热温度分布)或者顾客需求在加热线缆表面上调节功率输出的构造可能性，这是利用具有受调节的频率和输出电压的AC电流而实现的。

Claims (15)

1.一种基于趋肤效应的加热线缆，其包含中心导体、内部绝缘层以及同轴地位于其周围的铁磁性外部导体，其特征在于，内部绝缘层由聚合物材料制成，外部导体通过波纹状铁磁性钢管的形式制成，并且具有在供电电压操作频率下小于三个趋肤深度的壁厚度；其中波纹状铁磁性钢管的波纹参数决定管材的机械强度以及热传递面积的增大，波纹系数如下：

其中h是波纹高度，t是波纹间距，所述波纹参数落在从1.15到1.5的范围内并且决定热传递面积的实际增大。

2.根据权利要求1所述的加热线缆，其中，所述外部导体提供有一个非铁磁性高电导率导体层，其被制成具有沿着线缆的纵轴改变其剖面的可能性，并且位于波纹状铁磁性钢管与内部绝缘层之间。

3.根据权利要求2所述的加热线缆，其中，所述非铁磁性高电导率导体层是通过非绝缘高电导率导体的编股的形式制成的。

4.根据权利要求2或3所述的加热线缆，其中，所述外部导体提供有位于波纹状铁磁性钢管上方的铁磁性钢线的外部编股。

5.根据权利要求1所述的加热线缆，其中，所述中心导体由至少两个螺旋盘绕的非铁磁性高电导率导体制成。

6.根据权利要求1所述的加热线缆，其中，所述中心导体是通过由至少两个非铁磁性高电导率导体螺旋缠绕的受荷元件的形式制成的。

7.根据权利要求1所述的加热线缆，其中，聚合物外部护套位于所述外部导体的上方。

8.一种加热单元，其包括根据权利要求1的加热线缆的一个节段以及两相AC电源，其中，AC电力供应装置的第一输出连接到中心导体的近端，第二输出连接到外部导体的近端，并且中心导体和外部导体在所述线缆节段的远端彼此连接。

9.根据权利要求8所述的加热单元，其中，外部导体提供有一个非铁磁性高导电率导体层，其被制成具有沿着线缆的纵轴改变其剖面的可能性并且位于波纹状管材与内部绝缘层之间，并且所述非铁磁性高导电率导体层在线缆节段的近端和远端都连接到波纹状管材。

10.根据权利要求9所述的加热单元，其中，所述非铁磁性高导电率导体层是通过非绝缘高电导率导体的编股的形式制成的。

11.根据权利要求8-10中任一所述的加热单元，其中，外部导体提供有位于波纹状铁磁性钢管上方的铁磁性钢线的编股，并且所述编股在线缆节段的近端和远端都连接到波纹状铁磁性钢管和非铁磁性高导电率导体层。

12.根据权利要求8-10中任一所述的加热单元，其中，聚合物外部护套位于外部导体的上方。

13.根据权利要求8-10中任一所述的加热单元，其中，所述AC电源被制成具有调节其频率和输出供电电压的可能性。

14.一种加热方法，在于通过向根据权利要求8-13中任一所述的加热单元的输入施加来自工业电力网的电流，利用加热线缆的外部导体中的趋肤效应来实施加热。

15.根据权利要求14所述的加热方法，其中，在施加来自工业电力网的电流之后，调节AC电源的频率和输出电压。