CN108301817A - 一种非常规能源用井下流体加热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非常规能源用井下流体加热器，包括壳体、连续螺旋折流板、中心管、绝缘层、电涡流线圈、散热棒、高温热管、接线盒、单向阀。本发明利用电涡流效应间接加热流体，通过中心管中液态钠的沸腾传热、高温热管和连续螺旋折流板相结合提高井下流体的加热速率。加热器在井下的运行过程中，通过改变输入电流实现加热器出口的二级密封，能有效避免井下流体回流至加热器中。
Description
技术领域
本发明涉及一种非常规能源用井下流体加热器，尤其涉及油页岩、重油、稠油、油砂、天然气水合物等非常规能源领域。
背景技术
当前地下烃类资源的利用技术分为地表利用技术和原位转化技术。地表利用技术是目前相对成熟的地下烃类资源开发技术，但地表利用技术存在采矿成本高；大气及地下水污染大，用水量大；不适合深部烃类资源开采等缺点。原位转化技术是指对地下烃类矿层进行原位热处理，使地下烃类资源热解。原位转化技术具有不破坏地表，对环境无污染，适合深部烃类资源开发等优点。
原位转化加热方法有热传导、热对流、热辐射三种。热传导加热方法是将电阻加热器置于井眼中直接加热目标层，如美国专利US2548360描述了一种置于井眼粘性油中的电加热元件，该加热元件将粘性油加热并稀释，使油的粘度降低，从而将其泵至地表；专利CN1676870A描述了一种对流加热方法，该发明将高温蒸汽注入油页岩层，使干酪根裂解为页岩油气；美国专利US6023554描述了一种位于套管中的电加热元件，该加热元件通过热辐射加热套管，并通过套管加热填充在套管与地层之间的填料，进而加热油页岩层。
由于地下烃类资源的导热系数较低，单一的热传导和热辐射方式存在加热速度慢，效率低的问题，而上述对流加热技术中高温流体与油页岩层的接触面积大，对流换热面积大，能更快的加热油页岩层。中国专利：CN1676870A，其中的高温流体产生部位在地表，存在沿程热损失大，不适用深部油页岩开发的问题。
井下加热地下烃类矿层，不存在从地面到烃类矿层的热损失，提高了能量利用率。中国专利：CN106304446A，其中的井内流体电加热器出口仅单一的利用弹簧力作为单向阀的紧固力，弹簧在长期的高温工况下弹性衰减严重，存在不能达到密封效果的问题。将电涡流效应、内中心管中液态钠的沸腾传热、高温热管和连续螺旋折流板结构相结合，不仅可以提高井下流体加热器的加热速率，同时通过改变电流，还能有效的提高加热器出口的密封性，防止井下流体回流腐蚀加热器内部结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种非常规能源用井下流体加热器，解决现有井下加热器加热速率低，流体压力损失大，加热器出口密封效果差等问题。
本发明由壳体、连续螺旋折流板、中心管、绝缘层、电涡流线圈、高温热管、接线盒、散热棒、单向阀组成。
所述壳体上部设置有锥型内螺纹，用于与外中心管连接，并起密封作用；锥型内螺纹下部设置有一台阶，用于放置垫圈，对壳体与外中心管的连接处进行密封。所述壳体下部设置有锥型外螺纹，用于与单向阀连接；所述壳体下部设置有锥形孔，用于与上阀体配合密封加热器出口，防止井下流体回流。
所述连续螺旋折流板与中心管焊接为一个整体，连续螺旋折流板由折流板单体焊接而成。通过将连续螺旋折流板拆分为折流板单体，可提高连续螺旋折流板的制造精度，同时降低加热器的安装难度。
所述中心管包括外中心管凸台、外中心管柱和内中心管，外中心管凸台和外中心管柱焊接为一个整体。外中心管柱和内中心管在下部焊接为一个整体。外中心管凸台上部设置有锥型内螺纹，用于与外接工具连接，方便下入加热器。锥型内螺纹下部设置有线缆孔，用于穿过动力线，线缆孔与线缆管焊接在一起。线缆孔下端凸台外缘设置有锥型外螺纹，用于与壳体连接。外中心管柱由六片圆环焊接而成，上部在圆周方向设置有六个注气孔，用于向加热器中注入井下流体。注气孔下部设置有与线缆孔相对应的线缆通道，线缆通道与线缆管焊接在一起。内中心管下部设置有凸台，凸台用于在加热流体时强化电涡流效应，以及线圈通入直流电时，强化内中心管的磁性，提高内中心管吸引上阀体的可靠性，进而提高单向阀的可靠性。
绝缘层位于外中心管和和内中心管之间，该绝缘层在高温下仍具有良好的绝缘性能，能确保线圈正常工作。
电涡流线圈缠绕在内中心管外侧，放置在内中心管和外中心管之间，电涡流线圈为耐高温励磁线圈。
高温热管穿过内中心管和外中心管，与内中心管和外中心管焊接为一个整体，高温热管不与线圈接触。一个螺旋周期内螺旋布置有8-12个高温热管，高温热管均匀布置。高温热管内设置有一层吸液芯，用于将散热段冷凝的传输至加热段。高温热管中充填有一定量的液态钠，用作热量的传输介质。
接线盒焊接在外中心管凸台处的线缆孔外侧，接线盒用于密封动力线和信号线，防止接线处出现短路。
散热棒设置在电涡流线圈内外两侧，交错均匀布置。散热棒为高温超导材料，是热的良导体。散热棒上端位于注气孔中，流体通过注气孔时，实现对散热棒的强化传热，达到对线圈散热的目的。
单向阀包括阀座、上阀体、弹簧、下阀体和温度传感器。阀座上部设置有锥型内螺纹，用于与壳体连接。阀座腔靠近阀座下部凸台的位置开有传感器孔，用于穿过温度传感器。阀座下部凸台中心开有通孔，用于放置上阀体。阀座凸台中心孔外侧均匀设置有六个出气孔，用于高温流体通过。阀座下部设置有锥型凹槽，用于与下阀体配合密封出气孔。上阀体上部为锥型，用于与壳体的锥形孔配合达到密封加热器出口的目的。上阀体下部均匀开有四个螺纹孔，用于固定下阀体。弹簧置于上阀体与阀座下部凸台之间，用于在下入加热器时密封加热器出口。下阀体为锥型，与阀座下部锥型凹槽配合达到密封出气孔的目的。下阀体中心部位均匀开有四个孔，用于与上阀体连接，固定下阀体。
在注气时，流体推动上阀体的同时带动下阀体，流体流经单向阀时在上阀体和下阀体两处分别产生开启力，上阀体和下阀体形成两级开启力以提高单向阀开启动作的可靠性。对加热器出口进行密封时，停止输入交流电，持续注入待加热流体，对加热器内部结构降温。再输入直流电，此时内中心管吸引上阀体上行，同时带动下阀体上行。下阀体上行与阀座的锥型凹槽配合密封阀座的出气孔，对加热器进行一级密封；上阀体上行与壳体的锥形孔配合密封加热器出口，对加热器进行二级密封。通过上阀体和下阀体的二级联动密封，能有效的提高加热器出口的密封可靠性。
本发明的工作原理和过程：
从地表向地下烃类资源钻进注热井。将本加热器下入井中，通入待加热的流体，实现对流体的加热。通过温度传感器反馈的数据，调节交流电的功率、频率和流体的注入量等参数。停止加热时，先关闭高频交流电，继续注入待加热的低温流体；当低温流体的出口温度低于200℃时，通入直流电，缓慢降低待加热流体的注入量，实现对加热器出口的密封，密封完成后关闭直流电。
本发明的有益效果：
本发明通过将电涡流效应、内中心管中液态钠的沸腾传热、高温热管和连续螺旋折流板相结合，提高了井下加热器的加热速率，降低了流体的压力损失。通过改变输入电流，有效的提高了加热器出口密封效果。本发明可实现对目标地层的过热蒸汽开采、热气体开采。
附图说明
图1是本发明的剖面示意图；
图2是本发明A-A向的剖面示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，一种非常规能源用井下流体电加热器，包括壳体1、连续螺旋折流板2、中心管3、绝缘层4、电涡流线圈5、高温热管6、接线盒7、散热棒8合单向阀9；
所述壳体1上部设置有锥型内螺纹，用于与外中心管31连接，并起密封作用；锥型内螺纹下部设置有一台阶，用于放置垫圈11，对壳体1与外中心管31的连接处进行密封。
所述壳体1下部设置有锥型外螺纹，用于与单向阀9连接；壳体1下部设置有锥形孔，用于与上阀体92配合密封加热器出口，防止井下流体回流。
所述连续螺旋折流板2与中心管3焊接为一个整体，连续螺旋折流板2由折流板单体焊接为一个整体。通过将连续螺旋折流板2拆分为折流板单体，可提高连续螺旋折流板的制造精度，同时降低加热器的安装难度。
所述中心管3包括外中心管凸台311、外中心管柱312和内中心管32，外中心管凸台311和外中心管柱312焊接为外中心管31。外中心管柱312和内中心管32在下部焊接为一个整体。外中心管凸台311上部设置有锥型内螺纹，用于与外接工具连接，方便下入加热器。锥型内螺纹下部设置有线缆孔，用于穿过动力线，线缆孔与线缆管71焊接在一起。线缆孔下端凸台外缘设置有锥型外螺纹，用于与壳体连接。外中心管柱312由六片圆环焊接而成，上部在圆周方向设置有六个注气孔，用于向加热器中注入井下流体。注气孔下部设置有与线缆孔相对应的线缆通道，线缆通道与线缆管71焊接在一起。内中心管32下部设置有凸台，凸台用于在加热流体时强化电涡流效应，以及线圈通入直流电时，强化内中心管32的磁性，提高内中心管32吸引上阀体92的可靠性，进而提高单向阀9的可靠性。
绝缘层4位于外中心管31和和内中心管32之间，绝缘层4在高温下仍具有良好的绝缘性能，能确保线圈正常工作。
电涡流线圈5缠绕在内中心管32外侧，放置在内中心管32和外中心管31之间。
高温热管6穿过内中心管32和外中心管31，与内中心管32和外中心管31焊接为一个整体，高温热管6不与线圈接触。一个螺旋周期内螺旋布置有8～12个高温热管6，高温热管6均匀布置。高温热管6内设置有一层吸液芯，用于将散热段冷凝的传输至加热段。高温热管6中充填有一定量的液态钠，用作热量的传输介质。
接线盒7焊接在外中心管凸台311处的线缆孔外侧，接线盒7用于密封动力线和信号线，防止接线处出现短路。
散热棒8设置在电涡流线圈5内外两侧，交错均匀布置。散热棒8为高温超导材料，在高温条件下是热的良导体。散热棒8上端位于注气孔中，流体通过注气孔时，实现对散热棒8的强化传热，达到对线圈散热的目的。
单向阀9包括阀座91、上阀体92、弹簧93、下阀体94和温度传感器95，阀座91上部设置有锥型内螺纹，用于与壳体1连接。阀座腔靠近阀座91下部凸台的位置开有传感器孔，用于穿过温度传感器95。阀座91下部凸台中心开有通孔，用于放置上阀体92。阀座91凸台中心孔外侧均匀设置有六个出气孔，用于高温流体通过。阀座91下部设置有锥型凹槽，用于与下阀体94配合密封出气孔。上阀体92上部为锥型，用于与壳体1的锥形孔配合达到密封加热器出口的目的。上阀体92下部均匀开有四个螺纹孔，用于固定下阀体94。弹簧93置于上阀体92与阀座91下部凸台之间，用于在下入加热器时密封加热器出口。下阀体94为锥型，与阀座91下部锥型凹槽配合达到密封出气孔的目的。下阀体94中心部位均匀开有四个孔，用于与上阀体92连接，固定下阀体94。
所述的壳体1上部及下部的连接螺纹均为锥型螺纹，可起到密封的作用。
所述的高温热管6倾斜放置，其与加热器轴线夹角为连续螺旋折流板2的螺旋角，这样连续螺旋折流板2和高温热管6可强化流体与高温热管之间的传热过程，提高加热器的壳程传热系数。
所述散热棒8的散热段位于外中心管柱312的注气孔中，这样既降低了线圈的温度，同时将线圈的热量用于加热器流体，提高了能量利用率。
所述内中心管32的下部有一凸台，该凸台在加热时可加强电涡流效应，同时在关闭单向阀9时，可加强内中心管32的磁性，提高单向阀9的动作可靠性。内中心管32中填充有液态钠，用于吸收涡流效应产生的热，同时平衡各个高温热管的温度。
所述的单向阀9的开启和关闭由上阀体91和下阀体94的二级联动实现，提高了单向阀的动作可靠性。
将加热器下入井中，注气时，流体推动上阀体92向下运动，同时带动下阀体94向下运动，打开流体流通通道，流体流经单向阀9时在上阀体92和下阀体94两处分别产生开启力，上阀体92和下阀体94形成两级开启力以提高单向阀9开启动作的可靠性。对加热器出口进行密封时，停止输入交流电，持续注入待加热流体，对加热器内部结构降温。再输入直流电，此时内中心管32吸引上阀体92上行，同时带动下阀体94上行。下阀体92上行与阀座91的锥型凹槽配合密封阀座91的出气孔，对加热器进行一级密封；上阀体92上行与壳体1的锥形孔配合密封加热器出口，对加热器进行二级密封。通过上阀体92和下阀体94的二级联动密封，能有效的提高加热器出口的密封可靠性。
Claims (3)
1.一种非常规能源用井下流体电加热器，其特征在于：包括壳体(1)、连续螺旋折流板(2)、中心管(3)、绝缘层(4)、电涡流线圈(5)、高温热管(6)、接线盒(7)、散热棒(8)和单向阀(9)；
所述壳体(1)上部设置有锥型内螺纹，用于与外中心管(31)连接，锥型内螺纹下部设置有一台阶，用于放置垫圈，对壳体(1)与外中心管(31)的连接处进行密封；
所述壳体(1)下部设置有锥型外螺纹，用于与单向阀(9)连接；壳体(1)下部设置有锥形孔，用于与上阀体(92)配合密封加热器出口，防止井下流体回流；
所述连续螺旋折流板(2)与中心管(3)焊接为一个整体，连续螺旋折流板(2)由折流板单体焊接为一个整体；
所述中心管(3)包括外中心管凸台(311)、外中心管柱(312)和内中心管(32)，外中心管凸台(311)和外中心管柱(312)焊接为外中心管(31)；外中心管柱(312)和内中心管(32)在下部焊接为一个整体；外中心管凸台(311)上部设置有锥型内螺纹，用于与外接工具连接；锥型内螺纹下部设置有线缆孔，用于穿过动力线，线缆孔与线缆管(71)焊接在一起；线缆孔下端凸台外缘设置有锥型外螺纹，用于与壳体连接；外中心管柱(312)由六片圆环焊接而成，上部在圆周方向设置有六个注气孔，用于向加热器中注入井下流体；注气孔下部设置有与线缆孔相对应的线缆通道，线缆通道与线缆管(71)焊接在一起；内中心管(32)下部设置有凸台，凸台用于在加热流体时强化电涡流效应，以及线圈通入直流电时，强化内中心管(32)的磁性，提高内中心管(32)吸引上阀体(92)的可靠性，进而提高单向阀(9)的可靠性。
所述的绝缘层(4)位于外中心管(31)和和内中心管(32)之间；
所述的电涡流线圈(5)缠绕在内中心管(32)外侧，放置在内中心管(32)和外中心管(31)之间；
所述的高温热管(6)穿过内中心管(32)和外中心管(31)，与内中心管(32)和外中心管(31)焊接为一个整体，高温热管(6)不与线圈接触；一个螺旋周期内螺旋布置有8～12个高温热管(6)，高温热管(6)均匀布置；高温热管(6)内设置有一层吸液芯，用于将散热段冷凝的传输至加热段；高温热管(6)中充填有液态钠，用作热量的传输介质；
所述的接线盒(7)焊接在外中心管凸台(311)处的线缆孔外侧，接线盒(7)用于密封动力线和信号线，防止接线处出现短路；
所述的散热棒(8)设置在电涡流线圈(5)内外两侧，交错均匀布置；散热棒(8)上端位于注气孔中；
所述的单向阀(9)包括阀座(91)、上阀体(92)、弹簧(93)、下阀体(9)(4)和温度传感器(95)，阀座(91)上部设置有锥型内螺纹，用于与壳体(1)连接；阀座腔靠近阀座(91)下部凸台的位置开有传感器孔，用于穿过温度传感器(95)；阀座(91)下部凸台中心开有通孔，用于放置上阀体(92)；阀座(91)凸台中心孔外侧均匀设置有六个出气孔，用于高温流体通过；阀座(91)下部设置有锥形槽，用于与下阀体(94)配合密封出气孔；上阀体(92)上部为锥型，用于与壳体(1)的锥形孔配合达到密封加热器出口的目的；上阀体(92)下部均匀开有四个螺纹孔，用于固定下阀体(94)；弹簧(93)置于上阀体(92)与阀座(91)下部凸台之间，用于在下入加热器时密封加热器出口；下阀体(94)为锥型，与阀座(91)下部锥型槽配合达到密封出气孔的目的；下阀体(94)中心部位均匀开有四个孔，用于与上阀体(92)连接，固定下阀体(94)。
2.根据权利要求1所述的一种非常规能源用井下流体电加热器，其特征在于：所述的散热棒(8)为高温超导材料。
3.根据权利要求1所述的一种非常规能源用井下流体电加热器，其特征在于：所述的高温热管(6)倾斜放置，其与加热器轴线夹角为连续螺旋折流板(2)的螺旋角。
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