CN113622869A - 一种井下电加热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种井下电加热器，包括电缆仓、注气仓、加热仓、端头，本发明通过改变壳程流体的流动路径，提高了加热器的能量利用率。通过空心加热棒增大加热棒与流体的接触面积，以及加热器单体降低壳程流体的流通截面积，提高流体的流动速度，可有效降低辐射传热在壳体传热的占比，降低加热棒的壁面温度，提高井下电加热器的井下使用寿命。与现有的连续螺旋折流板式井下电加热器相比，该加热器的结构简单易于制造，成本低，便于大规模推广。

Description

一种井下电加热器

技术领域

本发明属于油气资源开发技术领域，尤其涉及用于富油煤、油页岩、重油和稠油等非常规能源原位开采领域中使用的一种井下电加热器。

背景技术

对富油煤、油页岩、重油和稠油等非常规能源进行原位开采往往需要进行原位加热，而上述非常规能源储层的导热系数较低，不适合采用热传导方式进行井下加热，而对流传热方式中高温热载体与储层的接触面积大，相同条件下，其加热效率更高。

油页岩是一种低渗透性、低导热性岩体，而对油页岩进行储层改造后，油页岩层中的人造裂缝提供了高温流体的流动通道，增大了传热面积，以热对流方式将油页岩加热至裂解温度所需的时间较短，有利于提高油页岩原位加热效率。虽然储层改造后，油页岩层的渗透性有所提高，但高温流体需要较高的压力(大于起裂压力)才能打开流动通道，而高压条件下的燃烧不易控制，由于不充分燃烧产生的固体颗粒物可能堵塞油页岩中的人造裂缝，不利于高温流体的注入。同时，注热井突发涌水可能使燃烧反应无法稳定持续进行，燃烧反应停止后，该加热器不易再次点火，因此燃烧式井下加热器不适用于油页岩的原位开采。

2006年壳牌公司开展电加热原位开采技术(简称E-ICP)试验工程，其与ICP最大的不同之处是使用Y型电加热器加热油页岩层。Y型电加热器是由三根电加热棒(裸电极)构成，采用热传导方式加热油页岩。由于油页岩的导热系数较低，因此该方式的加热效率低，加热时间长，而且裸电极局部存在高温热点，电加热棒易产生局部热损失而失效。

受注热井直径的限制，井下电加热器的直径较小，且电加热棒需要一定空间用于连接动力线，因此，井下电加热器中可安装的电加热棒数量较少。基于此，专利CN201720974607.9提出基于连续螺旋折流板结构的井下流体电加热器，虽然该加热器很大程度上降低了电加热棒的壁面温度，提高了井下电加热器的使用寿命，但该加热器的连续螺旋折流板需要钻孔，折流板的加工和安装较为困难，制造成本较高，且该加热器在高功率、大流量加热时，电加热棒的壁面温度依然较高，不利于提高加热器的井下使用寿命。

发明内容

针对上述背景技术的阐述，本发明提供一种井下电加热器，能够在井下产生大流量的高温流体，同时具有较低的电加热棒壁面温度及较高的井下使用寿命。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种井下电加热器，包括电缆仓、注气仓、加热仓、端头，电加热棒；

所述电缆仓分别对应设置在注气仓上方，加热仓对应设置在注气仓的下部，加热仓的底部设置端头，所述电缆仓包括设置在电缆仓支座上的电缆仓壳体，电缆仓壳体上设置电缆密封支座；

所述电加热棒采用如下两种方式，设置：

方案一：所述电缆仓支座中间设置通气孔，中心注气管穿过支撑板中心注气孔和上端盖的中心注气孔，加热器壳体由在加热器外壳体和加热器内壳体的上端和下端分别设置的上端盖和下端盖组成，加热仓内部设置加热器；所述加热器包括中心柱和空心加热棒，空心加热棒壳体的横截面为空心环形，空心加热棒包括位于加热棒上壳体的加热棒上端盖和位于加热棒下壳体的加热棒下端盖，空心加热棒壳体的内壁两侧设置绝缘层，发热丝设置在绝缘层中间，加热棒上壳体设置加热棒注气孔，空心加热棒壳体顶部设置绝缘胶，穿过绝缘层的导向柱穿过绝缘胶；空心加热棒下端盖环形截面为等腰梯形，用于限制连续螺旋折流板的轴向位移。

方案二：所述电缆仓支座与中心注气管、电加热棒连接；

电加热棒穿过注气仓的壳体、上端盖，注气仓的壳体上部与电缆仓支座连接，注气仓的壳体下部与上端盖连接；

所述加热仓包括加热器内壳体、加热器外壳体和支撑板，所述加热器单体包括电加热棒、连续螺旋折流板和加热器内壳体，电加热棒设置在加热器内壳体内，所述电加热棒外侧设置连续螺旋折流板；中心注气管、电加热棒穿过支撑板，所述加热器内壳体穿过支撑板和下端盖。

上述技术方案中，所述支撑板中心和加热器上端盖中心分别设置中心注气孔，在中心注气孔周围至少设置一圈注气孔圈，注气孔分别均匀设置在注气孔圈上。

上述技术方案中，所述空心加热棒壳体的内壁与中心柱之间，以及空心加热棒壳体的外壁与加热器内壳体之间的空间内均设置连续螺旋折流板。

上述技术方案中，所述支撑板的数量最低为3个。

上述技术方案中，所述加热器内壳体下部出口直径小于加热器内壳体上部入口直径。

上述技术方案中，所述加热器内壳体与下端盖之间未固定，为加热器内壳体的轴向膨胀预留空间，通过下端盖上的限位孔约束加热器内壳体的径向位移。

上述技术方案中，所述电缆仓支座和支撑板中间设置注气管连接孔和限位孔，支撑板中间设置注气管连接孔。

本发明通过改变壳程流体的流动路径，提高了加热器的能量利用率。通过增大加热棒与流体的接触面积，且加热器单体降低了壳程流体的流通截面积，提高了流体的流动速度，可有效降低辐射传热在壳体传热的占比，降低加热棒的壁面温度，提高井下电加热器的井下使用寿命，与现有的连续螺旋折流板式井下电加热器相比，该加热器的结构简单易于制造，成本低，便于大规模推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明专利实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明专利的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1结构示意图；

图2为本发明实施例1加热棒结构示意图；

图3为本发明实施例1加热棒A-A结构示意图；

图4为本发明实施例2结构示意图。

其中，电缆仓壳体101、电缆仓支座102、电缆密封支座103、注气仓壳体201、上端盖202、加热器壳体3、空心加热棒301、加热棒注气孔302、加热棒上端盖303、中心柱304、加热器内壳体305、加热棒下端盖306、外壳程4、加热器外壳体401、支撑板402、中心注气管403、下端盖406、端头5、连续螺旋折流板6、导线柱701、发热丝702、绝缘胶703、绝缘层704。

具体实施方式

下面将结合本发明专利的附图，对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。

根据图1-3所示，作为实施例1所示的一种井下电加热器，包括电缆仓、注气仓、加热仓、端头。

电缆仓分别对应设置在注气仓上方，加热仓对应设置在注气仓的下部，加热仓的底部焊接设置端头。

注气仓是注气仓壳体设置在电缆仓和加热仓之间设置而成，注气仓壳体与电缆仓支座和上端盖的连接方式均为焊接。

电缆仓包括设置在电缆仓支座上的电缆仓壳体，电缆仓壳体上焊接有电缆密封支座。电缆仓支座中间设置通气孔，中心注气管穿过支撑板中心注气孔和加热器上端盖的中心注气孔，中心注气管与电缆仓支座、上端盖和支撑板的连接方式为焊接；安装时，将动力电缆穿过电缆密封支座，并与电加热棒连接；然后，将电缆仓壳体穿过电缆仓支座，并将电缆仓壳体与电缆仓支座焊接在一起，最后密封电缆密封支座。

加热仓上端和下端分别设置上端盖和下端盖，加热仓内部设置加热器。

加热器壳体由在加热器外壳体和加热器内壳体的上端和下端分别设置上端盖和下端盖组成。加热器外壳体和上端盖与下端盖的连接方式均为焊接。加热器内壳体与上端盖连接方式为焊接，加热器内壳体与下端盖紧配合，下端盖为热敏性材料，加热器内壳体和下端盖的连接处通过热膨胀密封，空心加热棒的上壳体与电缆仓支座的连接方式为焊接。

加热仓内部设置加热器；加热器的内壳程包括中心柱和空心加热棒，空心加热棒壳体的横截面为空心环形，空心加热棒包括位于加热棒上壳体的加热棒上端盖和位于加热棒下壳体的加热棒下端盖，空心加热棒上端盖和空心加热棒的下壳体与空心加热棒上壳体的连接方式均为焊接，空心加热棒下壳体与加热棒下端盖的连接方式为焊接，空心加热棒壳体的内壁两侧设置绝缘层，发热丝设置在绝缘层中间，加热棒上壳体设置加热棒注气孔，空心加热棒壳体顶部设置绝缘胶，连接发热丝的导向柱穿过绝缘胶。

支撑板中心和加热棒上端盖中心分别设置中心注气孔，在中心注气孔周围至少设置一圈注气孔圈，注气孔分别均匀设置在注气孔圈上。

空心加热棒壳体的内壁与中心柱之间，以及空心加热棒壳体的外壁和加热器内壳体之间的空间内均设置连续螺旋折流板。

当加热器的加热功率为5kW，空气流量分别为0.0289kg/s、0.0253kg/s、0.0218kg/s、0.0188kg/s和0.0158kg/s时，单壳体加热器在5种流量下的平均壳体热损失为642.3W，而双壳体加热器的平均壳体热损失为42.5W，壳体热损失比单壳体加热器降低了93.4％，实验表明：本发明的产品不仅具有较高的能量利用率，而且具有较高的井下使用寿命。

根据图4所示，作为实施例2所示的一种井下电加热器，包括电缆仓、注气仓、加热仓、加热器单体、外壳程、中心注气管、端头，所述电缆仓设置在注气仓上方，加热仓设置在注气仓的下部，加热仓的底部设置端头。电缆仓包括电缆仓壳体101、电缆仓支座102和电缆密封支座103，电缆仓壳体设置在电缆仓支座上，电缆仓壳体上设置电缆密封支座，安装时，电缆仓支座102先与中心注气管403焊接；然后，所述电缆仓支座102与电加热棒301通过螺纹连接，并密封连接处，形成电加热棒束，在保证加热器外壳体能够顺利进入注热井的前提下，所述电缆仓支座102的截面直径越大，电加热棒束中的电加热棒数量就越多，加热面积越大，相同条件下，加热器的井下使用寿命越高。

注气仓壳体201穿过电加热棒束，将注气仓壳体201上部与电缆仓支座102焊接在一起。将上端盖202穿过电加热棒束，与注气仓壳体201下部焊接在一起。连续螺旋折流板6穿过电加热棒3011，再将加热器内壳体305穿过连续螺旋折流板；支撑板402穿过中心注气管403和加热器内壳体305，并将支撑板402与中心注气管403焊接在一起。

加热仓包括加热器内壳体、加热器外壳体和支撑板，将加热器外壳体401穿过支撑板402，上端盖202和加热器外壳体401上部焊接在一起。支撑板402的数量最低为3个，具体数量可根据电加热器的长度适当增加。

将下端盖406穿过加热器内壳体305，并将下端盖406和加热器外壳体401的下部焊接在一起。下端盖406与中心注气管403之间留有一定间隙，用于流通被加热的流体，下端盖406与加热器内壳体303仅通过限位孔约束加热器内壳体305的径向位移，为加热器内壳体305的轴向膨胀预留空间，端头5和下端盖406焊接在一起。

使用时，将动力电缆穿过电缆密封支座103，并与电加热棒301连接。然后，将电缆仓壳体101穿过电缆仓支座102，并将电缆仓壳体101与电缆仓支座102焊接在一起，最后密封电缆密封支座103。

加热器的工作原理是：电热丝将电能转化为热能，为加热器提供热源。加热器的壳程流体首先流经外壳程，然后通过注气仓分别流入加热器内壳程(即加热器单体的内部流动通道，图1中空心加热棒的内侧空间和外侧空间，图4中实心加热棒的外侧空间)，最后排出加热器。该加热器的双壳体结构，通过改变壳程流体的流动路径，不仅降低了单壳体电加热器壳体产生的热辐射能和自然对流换热量，也可以回收单壳体电加热器壳体散失的热量，用来预热外壳程的流体，提高了加热器的能量利用率。该加热器的空心加热棒结构在加热棒的内侧和外侧均可加热流体，增大了加热棒与流体的接触面积，且加热器单体降低了壳程流体的流通截面积，提高了流体的流动速度，可有效降低辐射传热在壳程传热的占比，降低加热棒的壁面温度，提高井下电加热器的井下使用寿命。

以上所述，仅为本发明专利的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种井下电加热器，其特征在于：包括电缆仓、注气仓、加热仓、端头、电加热棒；

所述电缆仓分别对应设置在注气仓上方，加热仓对应设置在注气仓的下部，加热仓的底部设置端头，所述电缆仓包括设置在电缆仓支座上的电缆仓壳体，电缆仓壳体上设置电缆密封支座；

所述电加热棒采用如下两种方式，设置：

方案一：所述电缆仓支座中间设置通气孔，中心注气管穿过支撑板中心注气孔和上端盖的中心注气孔，加热器壳体由在加热器外壳体和加热器内壳体的上端和下端分别设置的上端盖和下端盖组成，加热仓内部设置加热器；所述加热器包括中心柱和空心加热棒，空心加热棒壳体的横截面为空心环形，空心加热棒包括位于加热棒上壳体的加热棒上端盖和位于加热棒下壳体的加热棒下端盖，空心加热棒壳体的内壁两侧设置绝缘层，发热丝设置在绝缘层中间，加热棒上壳体设置加热棒注气孔，空心加热棒壳体顶部设置绝缘胶，穿过绝缘层的导向柱穿过绝缘胶；

方案二：所述电缆仓支座与中心注气管、电加热棒连接；

电加热棒穿过注气仓的壳体、上端盖，注气仓的壳体上部与电缆仓支座连接，注气仓的壳体下部与上端盖连接；

所述加热仓包括加热器内壳体、加热器外壳体和支撑板，所述加热器单体包括电加热棒、连续螺旋折流板和加热器内壳体，电加热棒设置在加热器内壳体内，所述电加热棒外侧设置连续螺旋折流板；中心注气管、电加热棒穿过支撑板，所述加热器内壳体穿过支撑板和下端盖。

2.根据权利要求1所述一种井下电加热器，其特征在于：所述支撑板中心和加热器上端盖中心分别设置中心注气孔，在中心注气孔周围至少设置一圈注气孔圈，注气孔分别均匀设置在注气孔圈上。

3.根据权利要求2所述一种井下电加热器，其特征在于：所述空心加热棒壳体的内壁与中心柱之间，以及空心加热棒壳体的外壁与加热器内壳体之间的空间内均设置连续螺旋折流板。

4.根据权利要求2所述一种井下电加热器，其特征在于：空心加热棒下端盖环形截面为等腰梯形，用于限制连续螺旋折流板的轴向位移。

5.根据权利要求1所述一种井下电加热器，其特征在于：所述支撑板的数量最低为3个。

6.根据权利要求5所述一种井下电加热器，其特征在于：所述加热器内壳体下部出口直径小于加热器内壳体上部入口直径。

7.根据权利要求6所述一种井下电加热器，其特征在于：所述加热器内壳体与下端盖之间未固定，为加热器内壳体的轴向膨胀预留空间，通过下端盖上的限位孔约束加热器内壳体的径向位移。

8.根据权利要求7所述一种井下电加热器，其特征在于：所述电缆仓支座和支撑板中间设置注气管连接孔和限位孔。

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