CN113966017A - 一种注蒸汽油井电热辅助生产的矿物绝缘电加热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种注蒸汽油井电热辅助生产的矿物绝缘电加热系统，包括10kv电源、降压变压器、调功柜、电缆转盘、加热元件、电力电缆和采油树，本发明的有益效果在于：1、有效解决了传统加热元件辅助电加热技术缺陷，实现了带盘接电、反复起下、温度监测等创新；2、高温蒸汽环境下直接电加热，加热电缆集成测温热电偶实现加热段的温度监测，解决了300℃以上高温环境下发热元件材料寿命的问题，实现了整个采收工艺周期内电加热持续运行。
Description
技术领域：
本发明涉及注蒸汽油井辅助电加热系统技术领域，具体是一种注蒸汽油井电热辅助生产的矿物绝缘电加热系统。
背景技术：
目前石油热采主要分为蒸汽吞吐采油和蒸汽辅助重力泄油(SAGD)，两种蒸汽热采技术都是开发超稠油的前沿技术。前者是同一油层位管柱注蒸汽闷井然后回采；后者在油层的上层位经过蒸汽驱赶降粘流到下层管柱进行采收。
稠油和超稠油的油层深度通常都在千米以上，能满足该长度要求的传统电加热发热元件为硅橡胶、氟塑料等有机高分子材料绝缘的加热电缆，由于受有机高分子材料耐受温度的限制，其允许长期运行的最高使用温度均在200℃以下，无法满足高温蒸汽环境(300℃)的直接加热应用，且蒸汽管柱的测温需要单独下一根测温电缆，只能采用一根管柱注气，另下一根生产管柱无蒸汽环境下加入电加热，运行温度不高，使效果大打折扣。
现有的加热电缆在与电力电缆对接时需要从电缆转盘上全部抽下，再与其首端进行电气连接，由于加热电缆长度较长，每次电气连接都费时费力，安装非常不便。
发明内容：
本发明的目的就是为了解决现有问题，而提供一种注蒸汽油井电热辅助生产的矿物绝缘电加热系统。
本发明的技术解决措施如下：
一种注蒸汽油井电热辅助生产的矿物绝缘电加热系统，包括10kv电源、降压变压器、调功柜、电缆转盘、加热元件、电力电缆和采油树，所述电力电缆导通10kv电源、降压变压器和调功柜，所述加热元件卷绕于电缆转盘上，所述加热元件的首端连接有接线组件，尾端可延伸至采油树的井道内，所述电力电缆通过接线组件与加热元件导通。
作为优选，所述加热元件为五芯一体化矿物绝缘加热电缆，其包括金属外护套、三条一体化电缆、两条热电偶丝、绝缘填充物和锥形导引头，所述一体化电缆具有T2材质的冷线和NC02O材质的热线，所述热线和所述冷线的线芯采用冷压对接成一体，且以线芯为基础外套毛细管进行拉拔锁紧，所述热线的线芯末端采用Y形焊接。
作为优选，所述热电偶丝的数量至少为一对，所述热电偶丝连接有温度仪表。
作为优选，所述热电丝可通过隔离型温度传感器与温度仪表。
作为优选，所述绝缘填充物为高纯氧化镁，所述高纯氧化镁填充于金属外护套内部。
作为优选，所述接线组件包括筒状接线盒、铜压接管、封杯、紫铜压缩环、紫铜环锁紧螺帽、不锈钢格兰和格兰转接头，所述冷线的线芯和所述电力电缆的线芯分别由筒状接线盒两端穿入通过铜压接管电气连接，所述封杯套接于冷线上且内端与筒状接线盒固定，所述紫铜压缩环套接于封杯上，所述紫铜环锁紧螺帽螺接于紫铜压缩环上，所述封杯内填充有高温环氧，所述格兰转接头套接于电力电缆上且与筒状接线盒螺接固定，所述不锈钢格兰套接于电力电缆上且与格兰转接头螺接。
作为优选，所述金属外护套为不锈钢或高温耐蚀合金钢管。
作为优选，所述热电偶丝的测温点可设置于热端测温区和冷端测温区。
作为优选，所述五芯一体化矿物绝缘加热电缆可与调功柜、热电偶丝组成闭环加热系统。
本发明的有益效果在于：1、采用无机矿物粉末绝缘材料实现发热导体和冷端导体间的高温电气绝缘，采用不锈钢或高温耐蚀合金钢管作护套实现电缆的高温、腐蚀环境长期运行，通过内置热电偶丝形成加热测温一体化电缆进行电加热并实现温度的检测和控制，有效解决了传统加热元件辅助电加热技术缺陷，实现了带盘接电、反复起下、温度监测等创新；
2、高温蒸汽环境下直接电加热，加热电缆集成测温热电偶实现加热段的温度监测，解决了300℃以上高温环境下发热元件材料寿命的问题，实现了整个采收工艺周期内电加热持续运行。
附图说明：
图1为本发明的示意图；
图2为本发明接线组件的半剖示意图；
图3为本发明五芯一体化矿物绝缘加热电缆的半剖示意图；
图4为本发明一体化电缆热线和冷线的截面示意图；
附图中：1、10kv电源；2、降压变压器；3、调功柜；4、电缆转盘；5、加热元件；6、电力电缆；7、接线组件；8、金属外护套；9、一体化电缆；10、热电偶丝；11、绝缘填充物；12、锥形导引头；13、冷线；14、热线；15、筒状接线盒；16、铜压接管；17、封杯；18、紫铜压缩环；19、紫铜环锁紧螺帽；20、不锈钢格兰；21、格兰转接头。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1，如图1-4所示，注蒸汽油井电热辅助生产的矿物绝缘电加热系统，包括10kv电源1、降压变压器2、调功柜3、电缆转盘4、加热元件5、电力电缆6和采油树，所述电力电缆6导通10kv电源1、降压变压器2和调功柜3，所述加热元件5卷绕于电缆转盘4上，所述加热元件5的首端连接有接线组件7，尾端可延伸至采油树的井道内，所述电力电缆6通过接线组件7与加热元件5导通。
具体地，所述加热元件5为五芯一体化矿物绝缘加热电缆，其包括金属外护套8、三条一体化电缆9、两条热电偶丝10、绝缘填充物11和锥形导引头12，所述一体化电缆9具有T2材质的冷线13和NC02O材质的热线14，所述热线14和所述冷线13的线芯采用冷压对接成一体，且以线芯为基础外套毛细管进行拉拔锁紧，所述热线14的线芯末端采用Y形焊接，解决传统加热元件5无法满足高温度运行问题，减少测温电缆的空间占用，实现入井安装的便利性。
具体地，所述热电偶丝10的数量至少为一对，所述热电偶丝10连接有温度仪表。
具体地，所述热电偶丝10可通过隔离型温度传感器与温度仪表，以消除共模信号干扰并防止感应电压损坏温度仪表。
具体地，所述绝缘填充物11为高纯氧化镁，所述高纯氧化镁填充于金属外护套8内部。
具体地，所述接线组件7包括筒状接线盒15、铜压接管16、封杯17、紫铜压缩环18、紫铜环锁紧螺帽19、不锈钢格兰20和格兰转接头21，所述冷线13的线芯和所述电力电缆6的线芯分别由筒状接线盒15两端穿入通过铜压接管16电气连接，所述封杯17套接于冷线13上且内端与筒状接线盒15固定，所述紫铜压缩环18套接于封杯17上，所述紫铜环锁紧螺帽19螺接于紫铜压缩环18上，所述封杯17内填充有高温环氧，所述格兰转接头21套接于电力电缆6上且与筒状接线盒15螺接固定，所述不锈钢格兰20套接于电力电缆6上且与格兰转接头21螺接，电缆转盘4上的五芯一体化矿物绝缘加热电缆通过筒状接线盒15与电力电缆6对接，在电缆转盘4上实现接电，无须将加热电缆全部从电缆转盘4上放出后，再与电力电缆6进行对接，可根据需要深度放卷相应长度的加热电缆即可，满足对不同井深加热需求，实现带盘接电。
具体地，所述金属外护套8为不锈钢或高温耐蚀合金钢管，最高连续运行温度可达1000℃。
具体地，所述热电偶丝10的测温点可设置于热端测温区和冷端测温区。
具体地，所述五芯一体化矿物绝缘加热电缆可与调功柜3、热电偶丝10组成闭环加热系统，实现被加热介质温度自动控制和超温保护。
工作原理：10kv电源1、降压变压器2和调功柜3由电力电缆6连通，五芯一体化矿物绝缘加热电缆卷绕于电缆转盘4，五芯一体化矿物绝缘加热电缆的首端连接有接线组件7，电力电缆6通过格兰转接头21与接线盒中的冷线13线芯经铜压接管16相连，尾端为锥形导引头12可从电缆转盘4放卷延伸至采油树的井道内进行加热。
实施例2：方案:总长900m(首次下井677m后，余下电缆盘上尺寸见附录1)
①副管总长：900m；副管最小内径：50mm
②电缆总长：900+15＝915m外护套材料SUS317L
③井外冷部：15m；井内冷部：700m(工作温度270℃)；热部：200m(工作温度270℃)
④电压：1140/660VAC压降：161V电流：201A
热部功率：300kw；冷部功率：97.7kw；总安装功率：397.7kw
⑤T2冷线：直径6.2m；NC020热线：直径4.8mm；偶丝：直径2mm
20℃冷线芯电阻：0.4Ω；270℃冷线芯电阻：0.8Ω
20℃热线芯电阻：2.232Ω；270℃热线芯电阻：2.465Ω
⑥蒸汽环境下井内冷线：139W/m；蒸汽环境下井内热线：1500W/m；井外15m冷线：69W/m
⑦电缆设计外径30mm时井外电缆表面负荷为：0.073W/cm2满足＜0.1W/cm2
⑧冷部相间及芯对皮绝缘:3mm；线芯对热电偶丝绝缘：3.2mm；
偶丝间绝缘：3.2mm偶丝对皮绝缘：2.5mm
⑨热部相间绝缘：4.5mm；芯对皮绝缘:3.7mm；线芯对热电偶丝绝缘：3.9mm；
偶丝间绝缘：3.2mm；偶丝对皮绝缘：2.5mm
附录1
| 2.8m盘 | ||||||
| 内筒直径 | 盘宽 | 电缆1 | 圈1直径 | 圈1单圈 | 圈1根数 | 圈1总长 |
| 2 | 1.4 | 0.03 | 2.06 | 6.471680756 | 46.7 | 302.0117686 |
电缆冷线715m，φ6.2mm,20℃米电阻0.0005678Ω
电缆热线200m，φ4.8mm，20℃米电阻0.010925Ω
下井644m时电缆功率分布
地面冷部251m；环境20℃时电阻为0.1425Ω
井内冷部464m；环境20℃时电阻为0.2635Ω，蒸汽温度255℃时电阻为0.5322Ω
井内热部200m；环境20℃时电阻为2.185Ω，蒸汽环境下电阻为2.414Ω
系统工作时的电阻分布R总＝R地+R井+R热＝0.1425Ω+0.5322Ω+2.414Ω＝3.0887Ω
现场电压1140/660VAC,输出控制在1074/620VAC，
总功率为：374KW
电流：201A
地面冷线功率：17271W，68.8W/m，电缆外径30mm，
SD：0.073W/cm2，环境温度20℃时表面温度在50℃左右
井内冷线功率：64504W，139W/m,电缆外径30mm
SD：0.147W/cm2，环境温度255℃时表面温度在280℃左右
井内热线功率：292584W，1463W/m,电缆外径30mm
SD：1.552W/cm2，环境温度275℃时表面温度在310℃左右。
该项目的工况为270℃蒸汽电热辅助，根据试验数据，该区无氧情况下结焦温度在350℃左右，有氧气情况下280℃结焦，需控制电缆表面温度在270℃以下，设计时按照500℃的材料特性来校核强度。
材料参数：
SUS317L钢护套：ρ1＝7.95g/cm3，(500℃抗拉强度Rm1：374N/mm2；屈服强度RS1：139N/mm2)；T2铜线芯：ρ2＝8.9g/cm3(500℃抗拉强度Rm2：88N/mm2；屈服强度RS2：23N/mm2)，NC020线芯：ρ2＝8.9g/cm3；绝缘材料MgO：ρ3＝2.8g/cm3。
(1)——护套横截面积S1：
——线芯横截面积S2：T2+NC020+偶丝
500℃理论拉断力Fm：
500℃屈服力Fs：
(2)电缆护套体积V1＝S*L＝254.47×10-6×900＝0.229023m3
——SUS321钢护套重量M1：
体积：
重量：M1＝V1*ρ1＝0.229023×7.95×103＝1821kg
——线芯重量M2：T2+NC020+偶丝
体积：V2＝S2*L2＝90.57×10-6×700＝0.063399m3
V3＝S3*L3＝54.28×10-6×200＝0.010856m3
V4＝S4*L4＝6.2832×10-6×900＝0.0056548m3
重量：M线芯＝(V2+V3)*ρ3＝0.074255×8.9×103＝660.87kg
M偶丝＝V4*ρ＝0.0056548×8.9×103＝50.32kg
M2＝M线芯+M偶丝＝660.87+50＝711.2kg
——MgO重量M3：
体积：
重量：M3＝V3*ρ3＝0.3272×2.8×103＝916.3kg
电缆总重量：ML＝M1+M2+M3＝1821+711.2+916.3＝3448.5kg SUS317L材质在500℃时30*3的外护套
500℃理论拉断力Fm：
500℃屈服力Fs：
抗拉倍数＝9172.5/3448.5＝2.65
屈服倍数＝3609/3448＝1.05
外护套30*3+线芯后的抗拉
外护套30*3+线芯后的屈服
去除水平段后自重＝2682kg
抗拉倍率＝4.13 屈服倍率＝1.48
按照1.25倍的要求反算
电缆抗屈服FS＝3352.5kg
外护套截面
参考L360碳钢管的95℃水相失重腐蚀速率0.1522mm/a,折算到0.5的腐蚀余量可用3.3年。
以上所述只是用于理解本发明的方法和核心思想，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利的保护范围。
Claims (9)
1.一种注蒸汽油井电热辅助生产的矿物绝缘电加热系统，其特征在于：包括10kv电源、降压变压器、调功柜、电缆转盘、加热元件、电力电缆和采油树，所述电力电缆导通10kv电源、降压变压器和调功柜，所述加热元件卷绕于电缆转盘上，所述加热元件的首端连接有接线组件，尾端可延伸至采油树的井道内，所述电力电缆通过接线组件与加热元件导通。
2.根据权利要求1所述的注蒸汽油井电热辅助生产的矿物绝缘电加热系统，其特征在于：所述加热元件为五芯一体化矿物绝缘加热电缆，其包括金属外护套、三条一体化电缆、两条热电偶丝、绝缘填充物和锥形导引头，所述一体化电缆具有T2材质的冷线和NC02O材质的热线，所述热线和所述冷线的线芯采用冷压对接成一体，且以线芯为基础外套毛细管进行拉拔锁紧，所述热线的线芯末端采用Y形焊接。
3.根据权利要求2所述的注蒸汽油井电热辅助生产的矿物绝缘电加热系统，其特征在于：所述热电偶丝的数量至少为一对，所述热电偶丝连接有温度仪表。
4.根据权利要求3所述的注蒸汽油井电热辅助生产的矿物绝缘电加热系统，其特征在于：所述热电丝可通过隔离型温度传感器与温度仪表。
5.根据权利要求2所述的注蒸汽油井电热辅助生产的矿物绝缘电加热系统，其特征在于：所述绝缘填充物为高纯氧化镁，所述高纯氧化镁填充于金属外护套内部。
6.根据权利要求2所述的注蒸汽油井电热辅助生产的矿物绝缘电加热系统，其特征在于：所述接线组件包括筒状接线盒、铜压接管、封杯、紫铜压缩环、紫铜环锁紧螺帽、不锈钢格兰和格兰转接头，所述冷线的线芯和所述电力电缆的线芯分别由筒状接线盒两端穿入通过铜压接管电气连接，所述封杯套接于冷线上且内端与筒状接线盒固定，所述紫铜压缩环套接于封杯上，所述紫铜环锁紧螺帽螺接于紫铜压缩环上，所述封杯内填充有高温环氧，所述格兰转接头套接于电力电缆上且与筒状接线盒螺接固定，所述不锈钢格兰套接于电力电缆上且与格兰转接头螺接。
7.根据权利要求5所述的注蒸汽油井电热辅助生产的矿物绝缘电加热系统，其特征在于：所述金属外护套为不锈钢或高温耐蚀合金钢管。
8.根据权利要求3所述的注蒸汽油井电热辅助生产的矿物绝缘电加热系统，其特征在于：所述热电偶丝的测温点可设置于热端测温区和冷端测温区。
9.根据权利要求3所述的注蒸汽油井电热辅助生产的矿物绝缘电加热系统，其特征在于：所述五芯一体化矿物绝缘加热电缆可与调功柜、热电偶丝组成闭环加热系统。
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