CN111456682B - 井下油管与抽油杆加热装置 - Google Patents

Abstract

井下油管与抽油杆加热装置，涉及油田开采领域，目的是为了解决现有井下油管与抽油杆加热方式耗电量高的问题。本发明包括中频加热电源、中频变压器、布置在所述油管内壁的第一金属层、若干个设置在油管内壁的导向板、布置在导向板表面的第二金属层、以及用于向第一金属层和第二金属层供电的电源；所述导向板的下表面沿圆周方向呈倾斜状态，且所有导向板的倾斜方向一致，整体沿油管内壁呈螺旋状；所述导向板的下表面沿径向倾斜，且沿油管内壁向油管中心方向逐渐升高。本发明只要维持油管内壁的温度即可避免油管内壁结蜡，与传统加热方式相比，耗电量显著降低，此外，导向板能够缩短原油与第一金属层的接触时间，减小第一金属层结蜡的可能性。

Description

井下油管与抽油杆加热装置

技术领域

本发明涉及油田开采领域，尤其涉及井下油管与抽油杆加热技术。

背景技术

原油开采过程中，在井内油泵的作用下，沿着油管上升至地面以上。由于地下油田的温度很高，原油在油管内上升过程中温度逐渐降低，当温度低至蜡的析出点后，蜡会从原油中析出，附着在油管内壁上，导致油管内径减小，影响开采效率。为了防止蜡析出，常见的方法是在油管内设置抽油杆，抽油杆实际上是金属管，其内部设置一根电缆，电缆与抽油杆构成通电回路，向电缆输入中频电流，由于集肤效应，抽油杆外表面温度会升高，能够对经过的原油进行加热，通常，油管内原油的温度能达到40℃左右，此温度下，原油中的蜡不会析出。这种方式虽然能够使避免析蜡，但是抽油杆要对管内原油整体加热，所以耗电量较高，油管内每米原油量不到3升，但是平均每米耗电量高达50W。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有井下油管与抽油杆加热方式耗电量高的问题，提供一种新型的井下油管与抽油杆加热装置。

本发明所述的井下油管与抽油杆加热装置，包括中频加热电源和中频变压器，所述中频变压器用于将中频加热电源输出的电信号进行隔离变压，并将变压后的信号输出给抽油杆及位于所述抽油杆内部的、与所述抽油杆电连接的电缆，所述加热装置还包括：

布置在所述油管内壁的第一金属层；

若干个设置在所述油管内壁的导向板；所述导向板的下表面沿圆周方向呈倾斜状态，且所有导向板的倾斜方向一致，整体沿油管内壁呈螺旋状；所述导向板的下表面沿径向倾斜，且沿油管内壁向油管中心方向逐渐升高；所述导向板的上下两个表面均布置有第二金属层；以及

用于向第一金属层和第二金属层供电的电源。

可选地，所述的用于向第一金属层和第二金属层供电的电源为直流电源。

可选地，所述第二金属层与所述第一金属层之间绝缘。

可选地，所述加热装置还包括超声波发生器以及若干个换能器，所述若干个换能器嵌在所述油管的管壁中和/或抽油杆的管壁中，且所述换能器与所述油管的管壁和/或抽油杆的管壁之间填充有隔热材料。

可选地，还包括电参数采集仪、若干个温度传感器、信号控制处理器、人机交互界面、远程通信模块、若干个交流接触器、以及开关电源；

所述电参数采集仪与中频加热电源连接，用于采集输入至中频加热电源的三相电流及电压信号，并将采集到的电流及电压信号输入至信号控制处理器；

所述若干个温度传感器用于采集中频变压器的温度、各第一金属层的温度、各第二金属层的温度、以及各抽油杆外表面的温度，并将采集到的温度数据发送至信号控制处理器；

所述信号控制处理器为所述若干个交流接触器的线圈供电，交流接触器的开关串联在中频变压器与负载之间；

所述信号控制处理器还与中频变压器的散热风机连接；

所述信号控制处理器还与人机交互界面连接及远程通信模块连接；

所述信号控制处理器还与中频加热电源、以及用于向第一金属层和第二金属层供电的电源连接，用于控制中频加热电源和用于向第一金属层和第二金属层供电的电源的工作状态；

所述开关电源用于为信号控制处理器、人机交互界面、以及远程通信模块提供工作电源。

可选地，所述的信号控制处理器内部嵌入控制装置，所述控制装置包括：

温度采集模块，其配置成采集各温度传感器发来的温度值；

第一控制模块，其配置成根据各第一金属层的温度控制各第一金属层的通电电流，使各第一金属层由底部至顶部温度递增，且最底部的第一金属层的温度高于原油中蜡的析出点；

第二控制模块，其配置成根据各第二金属层的温度控制各第二金属层的通电电流，使各第二金属层由底部至顶部温度递增，且最底部的第二金属层的温度高于原油中蜡的析出点，各第二金属层的温度高于同等同高度的第一金属层的温度；

第三控制模块，其配置成根据各抽油杆外表面的温度控制中频加热电源输出的电压的频率；

第四控制模块，其配置成根据中频变压器的温度控制中频加热电源和用于向第一金属层和第二金属层供电的电源的工作状态。

本发明的井下油管与抽油杆加热装置具有以下优点：

1、不需要对油管内的原油加热，只需要维持油管内壁的温度即可避免油管内壁结蜡，与传统的对原油加热的方式相比，耗电量显著降低。

2、油管内壁的第一金属层上还设置了导向板，能够大大缩短原油与第一金属层的接触时间，进而减小第一金属层结蜡的可能性。

3、本发明还在油管内使用了超声波，可以使附着在第一金属层上的蜡脱离第一金属层。

4、本发明增加了自动化控制设备，能够自动采集井内多个位置的温度，根据温度情况自动控制电源输出功率，在确保第一金属层上不结蜡的情况下尽量降低整体耗电量。

附图说明

图1是本发明实施例的油管与抽油杆横截面的结构示意图；

图2是本发明实施例的油管内部结构示意图；

图3是本发明实施例的油管内壁第一金属层的电极的结构示意图；

图4是本发明实施例的自动化控制设备的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一

本实施方式提供的井下油管与抽油杆加热装置，采用中频加热电源和中频变压器对抽油杆4及其内部的电缆5提供中频电流，为了提高加热温度，空心抽油杆内的电缆可以采用集肤加热电缆。在此基础上，对油管内壁做出改进。如图1所示，本实施方式中的油管1采用绝缘材质，油管1内壁上布置一层金属层，称为第一金属层2，所述第一金属层2可以为金属薄板，也可以是附着在油管1内壁上的金属薄膜，具体采用哪种金属不作限制，可以根据实际情况来选择，原则上尽量选择通电后发热量大的材料。对于每个油管1，其第一金属层2的顶部和底部分别引出一个电极，电极可以嵌在油管1的管壁中，也可以延伸到油管1外部(如图2所示)，电极通过电缆与电源连接，所述电源可以是直流电源，也可以是交流电源，以直流电源为优选。直流电源对第一金属层2供电，第一金属层2温度升高，由于第一金属层2非常薄，可以认为其产生的热量都集中在与原油接触的表面上。

此外，本实施方式还在油管内壁上设置了一系列导向板3，所述导向板3采用绝缘材料作为基底，基底上下两个表面布置一层金属层，称为第二金属层，所述第二金属层可以为金属薄板，也可以是附着在基底上的金属薄膜，具体采用哪种金属不作限制，可以根据实际情况来选择，原则上尽量选择通电后发热量大的材料。所有的导向板3整体呈螺旋状排布，即，1号、2号、3号、……、N号导向板距离井底的距离依次增大，那么，将1号、2号、3号、……、N号导向板依次连线，所形成的曲线呈螺旋状。如图3所示，导向板3非常薄，可以认为是平面结构，导向板3的形状近似矩形，四条边分别为图中的31、32、33、以及34所示，底边31与其对边32较长，两条侧边33和34较短，底边31为导向板3与油管1内壁的交接处，其对边32比底边31更靠近井口、且位于导向板3与抽油杆4之间，侧边34比侧边33更靠近井口。从井底抽上来的原油在上升过程中遇到导向板3，原油流动方向会由竖直向上改变为倾斜向上，倾斜方向与导向板3倾斜方向一致，那么，原油将以螺旋轨迹逐渐上升。

通常，一口油井的深度为1000米左右，以大庆地区的某油田为例，井深为800米，但一根油管的长度只有8米，所以需要将100根左右的油管连接起来。每个油管内壁的第一金属层2需要设置两个电极，两个电极分别设置在第一金属层2的顶部和底部，电极的端部可以嵌入在油管1的管壁中，也可以延伸至油管1的外部，如图3所示，相邻两个油管1的第一金属层2之间需要留有一定的缝隙7，起到绝缘的目的。

本实施方式与传统的井下油管与抽油杆加热装置相比，优点在于将重点放在了提高油管内壁的温度上，而不是对原油加热。原油在油管内上长升过程中，即使温度降低到蜡的析出点以下，只要油管内壁温度足够高，就能够避免蜡附着在管壁上。抽油杆只提供辅助作用：(1)避免管内原油温度过低；(2)当用于向第一金属层和第二金属层供电的电源发生故障时，抽油杆可以临时作为热源，以传统的方式对原油进行加热，避免析蜡。上述井下油管与抽油杆加热装置可以采用比中频加热电源成本低、效率高的电源对第一金属层和第二金属层加热，由于目的不是对管内所有原油进行加热，而只是维持自身温度，因此，所需要的电量要远远低于传统的抽油杆加热方式。导向板使得原油不断地改变流动方向，相当于起到了搅拌的作用，即使有少量的蜡从原油中析出，也不易附着在油管内壁上。

作为本发明的优选实施方式，所述第二金属层与所述第一金属层之间绝缘。如果第二金属层与第一金属层采用了不同的金属，或者二者的目标温度不同，则需要对二者分别供电，此时，应当将二者之间设置为绝缘。由于油管1与导向板3的基底均为绝缘材质，只需要将第二金属层与第一金属层之间留出一道缝隙即可。

作为本发明的优选实施方式，所述井下油管与抽油杆加热装置还包括超声波发生器以及若干个换能器，所述若干个换能器嵌在所述油管的管壁中和/或抽油杆的管壁中，且所述换能器与所述油管的管壁和/或抽油杆的管壁之间填充有隔热材料。换能器向外发射超声波，在超声波的作用下，即使油管内壁附着有少量蜡，也会被“清洗”掉。

具体实施方式二

在实施方式一的基础上，本实施方式所述的井下油管与抽油杆加热装置还增加了自动化控制设备，其结构如图4所示。电参数采集仪与三相电源之间串连有断路器，三相电经过电参数采集仪后输入中频加热电源，电参数采集仪采集到的三相电信号通过485总线发送至信号控制处理器，中频加热电源对输入的三相电进行处理后输出两相中频电信号给中频变压器，中频变压器对输入的两相电信号进行隔离变压，变压后的电信号作为负载(如图中R1、R2、……、RN所示)的电源，中频变压器与每个负载之间均串联有交流接触器(如图中KM1、KM2、……、KMN所示)的开关，交流接触器KM1、KM2、……、KMN的线圈由信号控制处理器供电。除了三相电信号以外，信号控制处理器还通过温度传感器采中频变压器的温度、各第一金属层的温度、各第二金属层的温度、各抽油杆外表面的温度、以及各井口的温度。信号控制处理器与人机交互界面通过232总线连接，人机交互界面与远程通信模块通过232总线连接。信号控制处理器、人机交互界面以及远程通信模块均由开关电源供电，开关电源与三相电源之间通过另一断路器连接。工作人员可以在人机交互界面输入信息(例如设置各种参数等)，也可以通过远程通信模块将信息发送至信号控制处理器。信号控制处理器根据各井的工作情况及中频变压器的温度情况控制中频加热电源和直流电源的起停与输出功率。信号控制处理器将相关信息(例如系统各流程及参数)发送至人机交互界面供工作人员查看，以便进行操作及维护工作，也可以通过远程通信模块将这些信息发送至手机等移动终端供工作人员远程查看。

上述井下油管与抽油杆加热装置适用于一拖N系统，即，一套加热装置带动N口井。上述加热装置工作时，中频变压器会产生大量的热量，如果不及时散热，将会产生被烧坏的风险。为了解决这个问题，由温度传感器采集中频变压器的温度，并将采集到的温度信息发送至信号控制处理器，信号控制处理器根据信度来控制中频变压器的散热风机的工作状态。当中频变压器温度达到设定的阈值时，散热风机运转给中频变压器散热，当中频变压器温度低于设定的阈值时，散热风机停止工作。当散热风机出现故障无法散热时，中频变压器温度会不断升高，信号控制处理器检测到变压器温度异常升高便会报警并使井下油管与抽油杆加热装置停止工作，能够避免中频变压器被烧坏，使散热风机及时得到维修，提高了装置的可靠性。

作为本发明的优选实施方式，所述的信号控制处理器内部嵌入由软件实现的控制装置，所述控制装置包括：

温度采集模块，其配置成采集各温度传感器发来的温度值；

第一控制模块，其配置成根据各第一金属层的温度控制各第一金属层的通电电流，使各第一金属层由底部至顶部温度递增，且最底部的第一金属层的温度高于原油中蜡的析出点；原油在井底时温度最高，上升过程中温度逐渐降低。与将各第一金属层设置成相同温度的方式相比，将各第一金属层的温度设置为由底部至顶部逐渐升高，即能够有效预防原油上在油管中上部析蜡，又能够降低底部电能消耗；

第二控制模块，其配置成根据各第二金属层的温度控制各第二金属层的通电电流，使各第二金属层由底部至顶部温度递增，且最底部的第二金属层的温度高于原油中蜡的析出点，各第二金属层的温度高于同等同高度的第一金属层的温度；与第二金属层相接触的原油温度通常会比与第一金属层相接触的原油温度低一些，将各第二金属层的温度设置为高于同等同高度的第一金属层的温度，可以有效防止第二金属层上结蜡；

第三控制模块，其配置成根据各抽油杆外表面的温度控制中频加热电源输出的电压的频率，这里需要根据经验给抽油杆外壁设置一个合理的目标温度，然后控制中频加热电源，使抽油杆外壁维持在目标温度；和

第四控制模块，其配置成根据中频变压器的温度控制中频加热电源和用于向第一金属层和第二金属层供电的电源的工作状态，当中频变压器温度过高时，中频加热电源和用于向第一金属层和第二金属层供电的电源应当立即停止工作，即能防止中频变压器烧坏，又能防止抽油杆外壁结蜡。

Claims (6)

1.井下油管与抽油杆加热装置，包括中频加热电源和中频变压器，所述中频变压器用于将中频加热电源输出的电信号进行隔离变压，并将变压后的信号输出给抽油杆及位于所述抽油杆内部的、与所述抽油杆电连接的电缆，其特征在于，还包括：

布置在所述油管内壁的第一金属层；

若干个设置在所述油管内壁的导向板；所述导向板的下表面沿圆周方向呈倾斜状态，且所有导向板的倾斜方向一致，整体沿油管内壁呈螺旋状；所述导向板的下表面沿径向倾斜，且沿油管内壁向油管中心方向逐渐升高；所述导向板的上下两个表面均布置有第二金属层；以及

用于向第一金属层和第二金属层供电的电源；

所有的导向板整体呈螺旋状排布，即，1号、2号、3号、……、N号导向板距离井底的距离依次增大，那么，将1号、2号、3号、……、N号导向板依次连线，所形成的曲线呈螺旋状，导向板的形状近似矩形，底边与其对边较长，两条侧边较短，底边为导向板与油管内壁的交接处，其对边比底边更靠近井口、且位于导向板与抽油杆之间，一侧边比另一侧边更靠近井口，从井底抽上来的原油在上升过程中遇到导向板，原油流动方向会由竖直向上改变为倾斜向上，倾斜方向与导向板倾斜方向一致，那么，原油将以螺旋轨迹逐渐上升。

2.根据权利要求1所述的井下油管与抽油杆加热装置，其特征在于，所述的用于向第一金属层和第二金属层供电的电源为直流电源。

3.根据权利要求1或2所述的井下油管与抽油杆加热装置，其特征在于，所述第二金属层与所述第一金属层之间绝缘。

4.根据权利要求1所述的井下油管与抽油杆加热装置，其特征在于，还包括超声波发生器以及若干个换能器，所述若干个换能器嵌在所述油管的管壁中和/或抽油杆的管壁中，且所述换能器与所述油管的管壁和/或抽油杆的管壁之间填充有隔热材料。

5.根据权利要求1所述的井下油管与抽油杆加热装置，其特征在于，还包括电参数采集仪、若干个温度传感器、信号控制处理器、人机交互界面、远程通信模块、若干个交流接触器、以及开关电源；

所述电参数采集仪与中频加热电源连接，用于采集输入至中频加热电源的三相电流及电压信号，并将采集到的电流及电压信号输入至信号控制处理器；

所述若干个温度传感器用于采集中频变压器的温度、各第一金属层的温度、各第二金属层的温度、以及各抽油杆外表面的温度，并将采集到的温度数据发送至信号控制处理器；

所述信号控制处理器为所述若干个交流接触器的线圈供电，交流接触器的开关串联在中频变压器与负载之间；

所述信号控制处理器还与中频变压器的散热风机连接；

所述信号控制处理器还与人机交互界面连接及远程通信模块连接；

所述信号控制处理器还与中频加热电源、以及用于向第一金属层和第二金属层供电的电源连接，用于控制中频加热电源和用于向第一金属层和第二金属层供电的电源的工作状态；

所述开关电源用于为信号控制处理器、人机交互界面、以及远程通信模块提供工作电源。

6.根据权利要求5所述的井下油管与抽油杆加热装置，其特征在于，所述的信号控制处理器内部嵌入控制装置，所述控制装置包括：

温度采集模块，其配置成采集各温度传感器发来的温度值；

第一控制模块，其配置成根据各第一金属层的温度控制各第一金属层的通电电流，使各第一金属层由底部至顶部温度递增，且最底部的第一金属层的温度高于原油中蜡的析出点；

第二控制模块，其配置成根据各第二金属层的温度控制各第二金属层的通电电流，使各第二金属层由底部至顶部温度递增，且最底部的第二金属层的温度高于原油中蜡的析出点，各第二金属层的温度高于相同高度的第一金属层的温度；

第三控制模块，其配置成根据各抽油杆外表面的温度控制中频加热电源输出的电压的频率；

第四控制模块，其配置成根据中频变压器的温度控制中频加热电源和用于向第一金属层和第二金属层供电的电源的工作状态。

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