CN112855079B - 一种用于加热地层水的浸没式水平井电加热器 - Google Patents
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Abstract
用于加热地层水的浸没式水平井加热器结构设计，主要适用于通过地层水加热上覆地层能源开采行业中，适应单枝水平井或多分枝水平井。通过割缝筛管α结构及筛管下部隔热装置设计，阻止热能向加热水平井所在平面下方传递；改变热能辐射方向，将热能向上方汇聚，形成一束，集中指向欲热上覆地层；渐次加热地层水，减少地层水预热时间及地层水热能损耗；可减少占比一半总热能的热损失；通过α角设计，α范围内的水体渐次被加热，可减少地层水预热时间及生产过程中的热能损耗；电磁铁除水垢技术，节约电能及铁氧体永久磁铁成本；在通直流电条件下加热线圈形成的永久磁铁，可再利用，创造新价值。
Description
技术领域
浸没式水平井加热器，适用于能源行业中需长期加热地层水方法中。
背景技术
节能、减排、增效，是目前能源行业中势在必行的创新目标。通过理论及数模验证，底水蒸汽驱热采方法能够突破目前油气开采陷入瓶颈的现状，油气采收率可达81~86%，吨油电费成本950~1194元/吨，吨油能耗66.6~83.7×105kJ/t，整个生产阶段平均采油速度可达6.23~7.8，采油阶段平均采油速度10~14.3%。加热地层水方法热损失集中体现在加热水平井所在平面下方地层的热损失，通过加热水平井结构设计方法节能，理论上可行的。
CN201480001286.3水平井电加热油藏边底水层热采方法，公开了一种用于加热地层水的电加热器结构。这种结构，理论上可以节约至少1/3热能损耗。但这种结构，存在致命缺点是，筛管外侧没有隔热层，电热通过筛管导热，可以向下传递，隔热效果差。
因此，发明一种新的水平井电加热器结构，在有效阻止热能向下传递的同时，改变热能辐射方向，将热能汇聚，形成一束，集中指向欲热上覆地层。同时，通过α角的结构设计，将必须加热的地层水渐次加热，既满足加热需要，同时减少地层水预热时间及延时导致的热损失，使方法更节能，且适用于单枝或多分枝水平井环境。
发明内容
设计原理 如附图1所示，加热井排距为r，水平井距上覆地层底面垂直深度为h井深，水平井水平段长度为l，则理想状态下，必须加热体积为2rlh井深水体至沸点温度，其它部分水层吸热均为热能损耗。
因此，设计α，改变水平井加热器热辐射角度，使热力辐射方向向上，减少水平井下方热能损失。当α=arctan(h井深/r)时，（π/2－α）角度范围内水体直接被加热，加热过程中会不断汽化，在无水源补充条件下，水位不断下降。如图2所示，7所在三角区域水体8就会源源不断地补充6区域水位，即整体水位保持水平下降。因此，理想状态下，6和7所在三角区域地层水是逐次被加热的，这有利于缩短地层水预热时间，减少生产过程中7水体热能损耗。
一种用于加热地层水的浸没式水平井电加热器，其特征是，置于地层水中的水平井电加热器，其主体结构包含割缝筛管⑥、隔热板④、密封板⑤、铁棒①、加热线圈②、隔热板支柱⑦、加热线圈支架③及隔热层⑧⑨，其中，h井深为加热水平井水平段距上覆地层底面距离，r为加热水平井水平段之间的排距，rmin≤r≤(ho+h井深)，rmin为加热水平井水平段最小排距，ho为被加热上覆地层厚度，则：
根据h井深与r的关系，确定α= arctan (h井深/r)，arctan[h井深/ (ho+h井深)]≤α≤arctan(h井深/rmin)；
α角底边与筛管水平直径吻合，根据α角与筛管的斜交线，确定割缝筛管的分界线，分界线上半筛管为割缝区，下半筛管不割缝；
割缝筛管下半管外侧附防水的隔热层；
割缝筛管下半管内侧固定三条具有隔热功能的延水平井水平段纵向排列的隔热板支柱；
隔热板支柱上放置同心圆形隔热板，水平直径上方与割缝筛管分界处弯曲连接；
隔热板上表面附反光隔热层；
隔热板与割缝筛管两端由具有隔热功能的密封板密封，内部抽真空；
隔热板上附垂直水平井段的具防水、隔热功能的加热线圈支架；
加热线圈及其中间的铁棒放置在加热线圈支架上。
筛管结构中α底边与筛管水平直径一致，与水界面平行；
筛管α结构及筛管下部隔热装置设计，将加热线圈热辐射直接限制在(π-2α)角度范围内，以2r为底边，h井深为高度的三棱柱水体及上覆地层内，减少的热损失至少占比1/2总热能；
通过α角设计，(π-2α)角度范围内水体优先加热，α范围内的水体渐次补充(π-2α)角度范围内蒸发掉的水体；
α范围内的水体渐次被加热，减少地层水预热时间及生产过程中的热能损耗；
电磁铁除水垢技术，节约电能及铁氧体永久磁铁成本；
加热线圈在通直流电条件下形成的永久磁铁，可再利用，创造新价值。
在铁棒的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组；
通过滑变电阻调整线圈中电流大小；
线圈以串联或并联方式相互连接；
线圈连接方式为直接连接，或者以耐高温水下电缆或导线连接；
水平井电加热器必须置于水层内距上覆地层界面h井深处位置，不可露出水面。
加热线圈可通直流电或者交流电，通交流电时，线圈中的铁棒用软铁棒；通直流电，线圈中的铁棒用含铁镍钴的钢棒。
筛管内外的隔热装置，具耐高温、耐腐蚀、防水功能；
隔热板上表面隔热层具反光反热作用；
隔热板支柱长条形，固定在筛管下半腔，具隔热功能；
隔热板、筛管及密封板形成密封空腔，内真空；
筛管下半管外部附耐腐蚀的隔热层或涂层。
加热线圈支架宽度至少100mm，不低于3匝线圈，耐600~1000℃瞬时高温、防水、绝缘、耐地层高压。
水层中的水可以是天然地层水；可以是人工注水；或者二者混合；上覆地层可以是任何欲加热地层，包括油气层、煤层、烃源岩层。
附图说明
附图1 水平井电加热器α角结构设计节能原理示意图
1.上覆地层；2.水层；3.上覆地层与水层的分界面；4.加热水平井所在平面；5.加 热水平井。
附图2 加热水平井上方地层水渐次加热节能原理示意图
6.水平井加热器热辐射直接波及区域；7. 水平井加热器热辐射不能直接波及区域；8.该三角区域地层水不断弥补6区域蒸发水量。
附图3 加热水平井电加热器横剖面结构示意图
①铁棒；②n匝加热线圈；③横向排列的线圈支架；④同心圆隔热板；⑤被隔热板、筛管下半管及密封板封隔的真空腔；⑥未割缝的筛管下半管；⑦纵向排列的隔热板支柱；⑧筛管下半管外部的隔热层；⑨隔热板上表面反光隔热层；12. α角与筛管交线。
附图4加热水平井电加热器纵剖面结构示意图
①铁棒；②n匝加热线圈；③横向排列的线圈支架；④同心圆隔热板；⑤被隔热板、筛管下半管及密封板封隔的真空腔；⑥未割缝的筛管下半管；⑦纵向排列的隔热板支柱；⑧筛管下半管外部的隔热层；⑨隔热板上表面反光隔热层； 10.筛管上半管中的割缝；11.加热线圈外边界；12. α角与筛管交线。
有益效果
本水平井电加热器结构设计，在有效阻止热能向下传递的同时，改变热能辐射方向，将热能汇聚，形成一束，集中指向欲热上覆地层。同时，通过α角的结构设计，将必须加热的地层水渐次加热，既满足加热需要，同时减少地层水预热时间及延时导致的热损失，使方法更节能，且适用于单枝或多分枝水平井环境，可减少至少占一半总热能的热损失；α范围内的水体渐次被加热，减少地层水预热时间及生产过程中的热能损耗；电磁铁除水垢技术，节约电能及铁氧体永久磁铁成本；在通直流电条件下加热线圈形成的永久磁铁，可再利用，创造新价值。以油气采收率81~86%，吨油电费成本950~1194元/吨，吨油能耗66.6~83.7×105kJ/t，吨油电费成本有望降至475~597元/吨，吨油能耗33.3~41.9×105kJ/t。
Claims (7)
1.一种用于加热地层水的浸没式水平井电加热器，其特征是，置于地层水中的水平井电加热器，其主体结构包含割缝筛管（6）、隔热板（4）、密封板（5）、铁棒（1）、加热线圈（2）、隔热板支柱（7）、加热线圈支架（3）、隔热层（8）以及隔热板上表面隔热层（9），
还包括α角结构，α角底边与筛管水平直径吻合，与水界面平行，α角斜角边斜向上与所述割缝筛管相交形成斜交线（12），所述斜交线为割缝筛管的分界线，所述割缝筛管分界线以上不包含α角一侧为割缝筛管割缝区，所述割缝筛管分界线以下包含α角一侧为割缝筛管不割缝区；
根据h井深与r的关系，确定α=arctan(h井深/r) ，arctan[h井深/(ho+h井深)]≤α≤arctan(h井深/rmin)；
其中，h井深为加热水平井水平段距上覆地层底面距离，r为加热水平井水平段之间的排距，rmin≤r≤(ho+h井深)，rmin为加热水平井水平段最小排距，ho为被加热上覆地层厚度；
割缝筛管下半管外侧附防水的隔热层（8）, 设置在所述包含α角的割缝筛管不割缝区外侧；
割缝筛管下半管内侧固定三条具有隔热功能的延水平井水平段纵向排列的隔热板支柱(7)；
隔热板（4）放置于隔热板支柱（7）上，与所述割缝筛管呈同心圆形，水平直径上方与所述割缝筛管分界处弯曲连接；
隔热板上表面附反光隔热层；
所述密封板（5），具有隔热性，将所述隔热板与所述割缝筛管两端不割缝区密封，内部抽真空；
隔热板（4）上附垂直水平井段的具防水、隔热功能的加热线圈支架（3）；
加热线圈（2）及其中间的铁棒（1）放置在加热线圈支架（3）上。
2.根据权利要求1所述的一种用于加热地层水的浸没式水平井电加热器，其特征是，水平井电加热器设计核心思想是：
阻止热能向加热水平井所在平面下方传递；
改变热能辐射方向，将热能向上方汇聚，形成一束，集中指向欲热上覆地层；
渐次加热地层水，减少地层水预热时间及地层水热能损耗；
适应单枝水平井或多分枝水平井。
3.根据权利要求1所述的一种用于加热地层水的浸没式水平井电加热器，其特征是，
筛管结构中α角底边与筛管水平直径一致，与水界面平行；
筛管α角结构及筛管下部隔热装置的设计，将加热线圈热辐射直接限制在(π-2α)角度范围内，以2r为底边，h井深为高度的三棱柱水体及上覆地层内，减少的热损失至少占比1/2总热能；
通过α角设计，(π-2α)角度范围内水体优先加热，α范围内的水体渐次补充(π-2α)角度范围内蒸发掉的水体；
α范围内的水体渐次被加热，减少地层水预热时间及生产过程中的热能损耗；
电磁铁除水垢技术，节约电能及铁氧体永久磁铁成本；
加热线圈在通直流电条件下形成的永久磁铁，可再利用，创造新价值。
4.根据权利要求1所述的一种用于加热地层水的浸没式水平井电加热器，其特征是，
在铁棒的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组；
通过滑变电阻调整线圈中电流大小；
线圈以串联或并联方式相互连接；
线圈连接方式为直接连接，或者以耐高温水下电缆或导线连接；
水平井电加热器必须置于水层内距上覆地层界面h井深处位置，不可露出水面。
5.根据权利要求1所述的一种用于加热地层水的浸没式水平井电加热器，其特征是，
加热线圈可通直流电或者交流电；
通交流电，线圈中的铁棒用软铁棒；
通直流电，线圈中的铁棒用含铁镍钴的钢棒。
6.根据权利要求1所述的一种用于加热地层水的浸没式水平井电加热器，其特征是，
加热线圈支架宽度至少100mm，不低于3匝线圈，耐600~1000℃瞬时高温、防水、绝缘、耐地层高压。
7.根据权利要求1所述的一种用于加热地层水的浸没式水平井电加热器，其特征是，
水层中的水可以是天然地层水；
可以是人工注水；
或者二者混合；
上覆地层可以是任何欲加热地层，包括油气层、煤层、烃源岩层。
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Non-Patent Citations (1)
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| 水平井电加热油藏地层水热采方法可行性分析――以辽河油田某底水稠油油藏为例;王义刚等;《非常规油气》;20180220(第01期);全文 * |
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