CN112459749A

CN112459749A - 一种微波加热的集成控制系统及方法

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Publication number: CN112459749A
Application number: CN202011300791.1A
Authority: CN
Inventors: 寇贝贝; 李博; 陈靓; 李彬; 李晶; 卢秋平
Original assignee: Guangzhou Marine Geological Survey
Current assignee: Guangzhou Marine Geological Survey
Priority date: 2020-11-19
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2021-03-09

Abstract

本发明涉及天然气水合物微波加热的技术领域，特别是涉及一种微波加热的集成控制系统及方法，其有效提高了天然气水合物开采过程中的单井产量，提高了产量的平稳性；包括：将微波工具安放于井底；确定水合物中可传输微波的最优频段；对微波发生器的微波管和微波管电源进行优选，对封装技术进行优化，减小装置的空间体积，并完成对微波加热仪器本体形状、表面处理工艺，以及材料组成的改进；微波加热装置在地面回收后被快速拆解、组装。

Description

一种微波加热的集成控制系统及方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物微波加热的技术领域，特别是涉及一种微波加热的集成控制系统及方法。

背景

可燃冰是由天然气和水在高压低温的条件下形成的类冰状的结晶化合物，预测资源量相当于已发现煤、石油、天然气等化石能源的两倍以上，是世界公认的一种清洁高效的未来替代能源。可燃冰绝大部分埋藏于海底，所以开采难度十分巨大；

传统的天然气水合物开采方法主要有降压法、热激法和化学抑制剂注入法，其中热激法是保持天然气水合物稳定带的压力不变，通过提高水合物地层的温度，破坏其氢键，使天然气水合物分解成水和天然气，最后利用集气井收集被分解的天然气；

现有的天然气水合物开采过程中采用热激法时单井产量过低，产量呈现周期性波动。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种有效提高了天然气水合物开采过程中的单井产量，提高了产量的平稳性的微波加热的集成控制系统及方法。

本发明是这样实现的，一种微波加热的集成控制方法，所述微波加热的集成控制方法包括：

步骤一：将微波工具安放于井底；

步骤二：确定水合物中可传输微波的最优频段；

步骤三：对微波发生器的微波管和微波管电源进行优选，对封装技术进行优化，减小装置的空间体积，并完成对微波加热仪器本体形状、表面处理工艺，以及材料组成的改进；

步骤四：微波加热装置在地面回收后被快速拆解、组装。

进一步，所述微波加热系统不仅仅与微波的频率相关，还应考虑微波的穿透深度，实现均匀加热，介质微波穿透深度计算公式为：

本发明的另一目的在于提供一种所述的微波加热系统集成控制方法使用的微波加热套管短节，所述微波加热套管短节包括套管短节、微波发射器和微波加热窗口，所述微波发射器内嵌于所述套管短节内，所述套管短节的外表面开设有微波加热窗口。

进一步，所述套管短节一端设置有第一母扣，另一端设置有第一公扣；防砂套管短节一端设置有与所述第一公扣连接的第二母扣，另一端设置有与所述第一母扣连接的第二公扣；防砂套管短节与微波加热套管短节之间采用标准的扣型连接，防砂套管短节与微波加热套管短节在井口完成组装，然后下入到井底。

进一步，所述微波加热套管短节还包括入口电缆接口和出口电缆接口；所述套管短节的一端通过电缆与所述入口电缆接口连接，另一端通过电缆与所述出口电缆接口连接。

进一步，所述微波加热窗口为360°环形窗口，使微波发射器发出的微波更好地与天然气水合物接触。

进一步，所述微波加热窗口由非金属材料制成。

进一步，所述微波加热窗口由石英玻璃制成；所述防砂套管短节为金属防砂套管短节。

与现有技术相比本发明的有益效果为：本发明提供的微波加热系统集成控制方法不仅可有效提高井筒内、近井筒温度，降低近井带水合物二次生成堵塞生产通道的几率，还可持续补给地层能量，减少水合物持续分解吸收地层热量导致地层能量降低情况，从而提高天然气水合物开采过程中的单井产量，提高产量的平稳性和持续性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的微波加热的集成控制方法流程图；

图2是本发明实施例提供的微波加热机理示意图；

图3是本发明实施例提供的微波炉工作示意图；

图4是本发明实施例提供的水合物分子基本示意图；

图5是本发明实施例提供的井底微波发生示意图；

图6是本发明实施例提供的井口微波发生示意图；

图7是本发明实施例提供的天然气水合物井下微波加热套管短节装置的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的微波加热套管短节的结构示意图；

附图中标记：1、微波加热套管短节；2、井口电源系统；3、井口控制系统；4、电缆；5、防砂套管短节；11、套管短节；12、微波发射器；13、微波加热窗口；14、第一母扣；15、第一公扣；16、入口电缆接口；17、出口电缆接口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理做详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供的微波加热的集成控制方法包括以下步骤：

S101：将微波工具安放于井底；

S102：确定水合物中可传输微波的最优频段；

S103：对微波发生器的微波管和微波管电源进行优选，对封装技术进行优化，减小装置的空间体积，并完成对微波加热仪器本体形状、表面处理工艺，以及材料组成的改进。

S104：微波加热装置在地面回收后被快速拆解、组装。

本发明实施例提供的微波加热系统不仅仅与微波的频率相关，还应考虑微波的穿透深度，实现均匀加热，介质微波穿透深度计算公式为：

下面结合具体实施例对本发明做进一步描述。

1、微波加热分解水合物机理

微波是一种有着变波长、变频率的超高频电磁波。当微波作用于介电材料时，会产生电子极化或原子极化、界面极化及偶极转向极化。介质内部的极化产生的极化强度矢量落后于电场一个角度，从而产生一个与电场同相的电流，构成了材料内部的功率耗散，这种功率耗散以热的形式表现出来，也即微波加热是因介质损耗变成热能的，如图 2所示。

传统加热过程一般是从表面开始，依赖于传导、对流与辐射方式，把热从外部逐渐传至内部，这是一个漫长的过程。而微波加热时，伴随电磁波向材料内部的穿透，有一个电磁能自动向内部传递的过程，材料吸收微波能量是内部和表面同时进行的，是一种体加热方式，多应用于食品安全领域(如图3)。

微波在波导中传输的理论较为成熟，但将输气管线作为波导来传输微波还尚未提出，国内外也未曾进行相关的理论和实验研究。同时，国内外对微波作用下天然气水合物分解过程的研究也较少，国外有少量的研究，国内在这方面国内外尚处于起步阶段。在微波的热效应理论方面，主要侧重于利用电磁场理论进行电磁场的数值计算，无论是计算方法还是计算结果对水合物都不太适用。为此，本发明从水合物的基本组成出发，完成微波在地层中分解水合物的基本机理研究(如图4)。

1)天然气水合物中的微波传输特性研究

针对目标区块水合物气藏储层特性，基于电磁场传播的基本理论推导水合物对不同频率微波的截止波长和频率的计算方法，确定常用微波频率对井底水合物的要求以及井下水合物能够传输的微波频率，为微波分解水合物提供理论依据。

对于水合物加热过程，外加电场的变化频率越高，分子摆动就越快，产生的热量就越多。外加电场越强，分子的振幅就越大，产生的热量也越大。除了交变电场的频率和电场强度外，介子在微波场中所产生的热量的大小还与物质的种类及特性有关。

2)天然气水合物的微波传播距离

通过对微波在水合物中传输的衰减规律进行研究，确定其衰减系数和传输距离的计算方法，进而确定水合物中可传输微波的最优频段，同时分析理想状态和非理想状态下，不同功率、频率(主要是 2450MHz和915MHz两种常见的微波频率以及最优频率)的微波在水合物的传输距离；

介质吸收微波功率计算式：

P＝2πfε_rε_otgδE²＝5.56×10^-11fε_rtgδE²；

物料升温计算式：

ΔT＝5.56×10^-11fE²ε_rtgδ/ρc；

介质的微波穿透深度计算式：

对加热角度而言，频率越高，加热速度越快；不是加热频率提高，对加热操作越有利，还应考虑微波的穿透深度，实现均匀加热；频率还将影响介质损耗系数。物料密度大，升温速度慢；疏松物料介电常数小，吸收微波功率速度较慢，但由于微波加热的穿透作用，时间仍只需烘烤法的1/3；密度高的物料对微波吸收差，反射作用出现冷带。常见微波的基本数据如表1。

表1常见微波的基本数据

频率/MHz	波段	中心频率/MHz	中心波长/m
				890-940	L	915	0.330
2400-2500	S	2450	0.122
				5725-5875	C	5850	0.052
22000-22250	K	22125	0.008

3)天然气水合物中的微波温度分布规律研究

结合传热学理论和微波加热理论，再综合考虑水合物的结构和组成，对微波在水合物中的温度分布规律进行研究，对比计算不同情况下水合物的温度变化情况，进一步计算水合物的分解效果，为微波分解系统工具设计提供可靠的设计依据。

微波能量是由微波发生器产生的，微波发生器包括微波管和微波管电源两个部分。其中微波管电源简称电源或微波源，其作用是把常用的交流电能变成直流电能，为微波管的工作创造条件。微波管是微波发生器的核心，它将直流电能转变成微波能。磁控管是一种用来产生微波能的电真空器件。实质上是一个置于恒定磁场中的二极管。管内电子在相互垂直的恒定磁场和恒定电场的控制下，与高频电磁场发生相互作用，把从恒定电场中获得能量转变成微波能量，从而达到产生微波能的目的。

如图7-图8所示，一种天然气水合物井下微波加热套管短节装置，包括井口电源系统2、井口控制系统3、多个微波加热套管短节 1和多个防砂套管短节5，所述井口电源系统2通过电缆4与所述井口控制系统3和微波加热套管短节1连接。

具体地，微波加热套管短节1和防砂套管短节5位于井下的天然气水合物储层。

具体地，井口控制系统3可以独立调整井下微波加热套管短节1 的频率、功率、工作状态等各项性能参数，当井底工况条件发生变化时，可以根据需要实时调整井下微波加热套管短节1的功率。当微波加热套管短节1作为主要的增产手段的时候，采用较大的功率，当微波加热套管短节1主要目的是防止井筒内水合物二次结冰，实现流动性保障，则可以采用较小的功率。井口控制系统3还能够分别控制每个微波加热套管短节1，在生产过程中，需要结合降压法和微波加热法进行协同开采，可以根据储层变化特征和开采实际需要合理设计微波加热的工作状态。当部分井段周围储层能量流体分解较快时，可以适当关闭井下的微波加热套管短节1，降低分解速率，防止流体流速过快磨蚀完井管柱，保障井下工具的安全稳定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种微波加热的集成控制系统及方法，其特征在于，所述微波加热的集成控制方法：

步骤一：将微波工具安放于井底；

步骤二：确定水合物中可传输微波的最优频段；

步骤四：微波加热装置在地面回收后被快速拆解、组装。

2.如权利要求1所述的一种微波加热的集成控制系统及方法，其特征在于，所述微波加热系统的介质微波穿透深度计算公式为：

3.如权利要求2所述的一种微波加热的集成控制系统及方法，其特征在于，其特征在于，所述步骤三选择P110级套管，定制长度1m-9m；在套管短节前、后端分别加工API标准母扣和公扣；抛光本体，进行防锈防腐处理；高温硫化粘结橡胶螺旋翼，螺旋角在30-60°范围内选择，螺旋翼朝向公扣端；通过套管钳按标准上扣扭矩连接至套管串。

4.一种如权利要求1所述的微波加热系统集成控制方法使用的微波加热套管短节，其特征在于，所述微波加热套管短节包括套管短节、微波发射器和微波加热窗口，所述微波发射器内嵌于所述套管短节内，所述套管短节的外表面开设有微波加热窗口。

5.如权利要求4所述的微波加热套管短节，其特征在于，所述套管短节一端设置有第一母扣，另一端设置有第一公扣；防砂套管短节一端设置有与所述第一公扣连接的第二母扣，另一端设置有与所述第一母扣连接的第二公扣；防砂套管短节与微波加热套管短节之间采用标准的扣型连接，防砂套管短节与微波加热套管短节在井口完成组装，然后下入到井底。

6.如权利要求4所述的微波加热套管短节，其特征在于，所述微波加热套管短节还包括入口电缆接口和出口电缆接口；所述套管短节的一端通过电缆与所述入口电缆接口连接，另一端通过电缆与所述出口电缆接口连接。

7.如权利要求4所述的微波加热套管短节，其特征在于，所述微波加热窗口为360°环形窗口，使微波发射器发出的微波更好地与天然气水合物接触。

8.如权利要求4所述的微波加热套管短节，其特征在于，所述微波加热窗口由非金属材料制成。

9.如权利要求4所述的微波加热套管短节，其特征在于，所述微波加热窗口由石英玻璃制成；所述防砂套管短节为金属防砂套管短节。