CN1920247A - 采油用磁热防蜡装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采油用磁热防蜡装置，涉及油田采油用井下用清防蜡装置，为解决现有磁热防蜡装置使用不便而提出，采用的技术方案为，采油用磁热防蜡装置，包括有套置并固定于抽油杆上的发热管和紧贴油管内壁固定的磁体，所述的发热管内壁设置有具有一定磁导率的金属管。该温度环境下，钕铁硼磁钢不会出现退磁现象，因此使用寿命长。本发明采用磁场对石蜡的作用和永磁直线发电机直接产生涡流加热的作用来改善原油流动性，从而减小抽油阻力，减少修井次数。

Description

采油用磁热防蜡装置

技术领域

本发明涉及一种油田采油用井下用清防蜡装置，尤其涉及一种采油用磁热防蜡装置。

背景技术

原油是成份复杂的各种烃的混合物。很多油田的原油中都含有石蜡，开采时这些石蜡会自然析出，粘着于油管壁上，随着时间的推移将会影响生产，严重的会造成油管的堵塞。因此，防蜡和清蜡成为石油开采中的重要课题。

目前，使用较多的防蜡技术包括磁防蜡技术。

磁防蜡是一项原油防蜡技术，其主要原理利用高性能稀土永磁材料作为磁能体，建立一个稳定的强磁场，对流过该磁场原油中的石蜡分子进行整体激励作用。当原油通过达到足够大磁场强度及梯度的磁场时，由于洛仑兹力的作用，使得在结晶温度附近处于无序热运动中的蜡分子获得能量，从而调整彼此的磁撞方位，提供了普遍的结晶生核条件，使原来分子之间存在的吸引力(结晶色散力)在一定时间内变成相互排斥的力，从而生成了大量直径很小，呈球状的微晶(为常见蜡晶直径的1/10000)悬浮在原油中。这些微晶保持相对运动，不靠近、不结合，以单晶体游离态存在，不会结晶，从而，达到防蜡的目的。这样就大大削弱了在管壁及抽油杆上析结出片状硬蜡，以及在原油中形成片状石蜡的网状络合物的可能性，同时也降低了原油的流动阻力。

磁防蜡技术具有成本低、使用简单等优点。基于该理论的磁防蜡器通常挂接在采油管的底部，该位置的温度通常很高，一般达到80℃以上，而作为该类装置的主要部件——磁钢，长期工作在高温状态下，退磁现象会非常严重，因此其有效使用周期短，致使其清防蜡效率低下、适应性较差。

还有一种使用较多的防蜡技术是电加热器技术。电加热器主要是由电热抽油杆(空心抽油杆内装耐温电缆)、变频电源控制柜和相关组件组成。其原理是利用三相工频电源通过变频电源控制柜变成频率可调的电源，单相输出给耐温电缆和空心抽油杆构成的回路加热系统供电，当变频电流通过空心杆体时会迅速产生趋肤效应热，同时由于空心杆和电缆之间的邻近效应和圆环效应又产生涡流热，两种热量都集中在电热抽油杆上，从而使电热抽油杆周围的原油温度升高，粘稠度降低。通常对于日产液20方的含蜡油井，如果要较好的解决降粘问题，需用6000w以上的电加热器。该装置的优点是清防蜡效果好，但明显具有结构复杂、安装繁琐、耗电量大、容易损坏等缺陷。

目前已有的另一种电磁加热防蜡装置，如图1所示，包括有固定于油管1内壁的环型磁钢3和固定于抽油杆8上的发热体6。其加热原理是：在抽油过程中，当抽油机拉动抽油杆8上下移动时，固定于抽油杆8上的导电发热体6也将上下移动并切割固定于油管1内壁的环型磁钢3所形成的间隔磁场，从而产生涡电流(基于法拉第电磁感应定律)。其中，环型磁钢3由环型填充物4隔开，这些间隔排列的环型磁钢3和填充物4的两端由环型固定块2固定。发热体6的两端通过环状固定帽9将由单一的高电导率材质如铜、铜合金及其他高电导率的材质制成的管状发热体6固定在抽油杆8上。在抽油杆8和管状发热体6之间形成环形空间7以及管状发热体6和磁钢3之间形成环形空间5；环状固定帽9为镂空结构，使环形空间7与油管内腔导通，形成过流空间，用于抽油过程中原油通过。环形空间5同样也是过油空间。

由于在低频交变磁场中，高的电导率更适合产生涡流，因此其发热体6的材质简单的选择了单层的铜或者其他具有高电导率的材质作为发热体，但这类金属的磁导率较小、漏磁现象严重，不能改变磁场的磁力线分布，而且，油管1的材质也是普通材质的油管，不具有较高的磁导率，导致磁路中的磁阻偏大，从而导致发热功率低下。

图1所示装置可以实现涡流与强磁同时作用于原油中的石蜡，起到降粘的作用，但其发热功率非常低下，在保证油田正常采油工况和过程的情况下，其每米磁钢所能产生的理论涡流热不超过700W，通常对于日产液20方的含蜡油井，需用6000w以上的电磁加热防蜡装置才能较好地解决降粘问题。考虑到磁场本身对含蜡原油的有效作用，使用已有的电磁加热防蜡装置，也还需要4200W～3000W的加热功率。要达到4200W～3000W的加热功率，这种装置的磁钢长度将达到6米以上，其磁钢成本就将达到6万元。如果考虑发热体成本和制造管理成本，其总成本将达到10万元。

发明内容

针对上述现有的油井用磁防蜡装置所存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种可提高热效率、安装简便、成本低的采油用磁热防蜡装置。

本发明是这样实现的：一种采油用磁热防蜡装置，包括有套置并固定于抽油杆上的发热管和紧贴油管内壁固定的磁体，所述的发热管内壁设置有具有一定磁导率的金属管。

其中，所述的磁体紧贴的油管为具有一定磁导率的油管。

其中，所述的金属管、油管的磁导率大于等于1000。

其中，所述的磁体辐向磁化，且分层设置于油管内壁，相邻磁体的磁化方向相反。

其中，所述的金属管为分段结构，金属管的分段处由紧固件包覆并将其连接。所述的发热管包括有分段的发热体，所述的发热体两端设置有紧固保护头，以将发热体固定于所述金属管上的紧固件之间。所述的金属管的分段处设有间隙；所述的紧固件与其相邻的紧固保护头之间设有间隙。

本发明发热功率较大，可用于析蜡点以下的某位置，该位置通常离地面500-600米左右，其温度一般在45-55度之间；在该温度环境下，钕铁硼磁钢不会出现退磁现象，因此使用寿命长。本发明同时采用磁场对石蜡的作用和永磁直线发电机直接产生涡流加热的作用来改善原油流动性，从而减小抽油阻力，减少修井次数。

附图说明

图1是已有的电磁加热防蜡装置的示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明的磁钢磁化方向示意图；

图4是本发明的防偏扶正器的结构示意图；

图5是本发明的环状固定帽的结构示意图；

图6是本发明的发热筒连接结构示意图；

图7是已有的电磁加热防蜡装置磁力线分布示意图；

图8是本发明的磁力线分布示意图；

图9是本发明油管中各层器件的尺寸示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细描述。

本发明是在现有的磁热防蜡装置的基础上改进而成的。如图2所示，本发明包括有固定于油管1内壁的环型磁钢3和固定于抽油杆8上的发热管6。其中，环型磁钢3由环型填充物4隔开，这些间隔排列的环型磁钢3和填充物4的两端由环型固定块2固定。磁钢3为钕铁硼磁钢，填充物4为不导磁的非金属物质，在抽油杆8抽动过程中以对这些磁钢进行保护，防止其碎裂。发热管6由铜、铜合金、铝、银等或者其他具有高电导率(相对电导率大于60％，电导率越高越好)的材质制成，并固定在抽油杆8上。紧贴发热管6的内壁固定有具有较高磁导率的金属管10，金属管10可由导磁钢、铁、镍铁合金或者硅钢等材质制成。本发明金属管10的磁导率大于1000即可，并且，磁导率越大使用效果越好。发热管6的两端通过环状固定帽9将发热管6、金属管10同时固定在抽油杆8上。金属管10和抽油杆8之间形成环形空间7以及发热管6和磁钢3之间形成环形空间5。如图5所示，环状固定帽9为镂空结构，其包括发热管6紧固端90、抽油杆8紧固端93和连接该两紧固端的肋条91，肋条91之间形成镂空92。该镂空92使环形空间7与油管内腔导通，形成过流空间，用于抽油过程中原油通过。为保证环形空间7内的液体流动不会受到阻碍，镂空92的面积不小于环形空间7的截面面积。环形空间5同样也是过油空间。本发明环形空间5的截面面积大于环形空间7的截面面积，以保证发热管6产生的热量能尽可能多地被原油带走。

在实际抽油过程中，为保证常规的过油面积不会因为本发明的使用而减小，固定设置了磁钢3的油管1经过了加粗。本发明的加粗油管1同样也采用高磁导率的金属管，而不是普通材质的油管。这种高磁导率的金属管的材质可以是强度达到普通油管强度的磁导率较高的油管，如导磁钢管等。加粗油管1采用高磁导率的材质后，可减小磁路的磁阻，同时起到屏蔽磁场的作用。

本发明的磁钢3为辐向充磁的磁化方式，其磁力线分布状况如图3所示。本发明的所有磁钢3均轴向排列，辐向充磁，且任意两块间隔的磁钢的充磁方向均相反。这种辐向磁化、轴向分块排列的磁钢结构可以在轴向产生交替变化的磁场。在抽油过程中，当抽油机拉动抽油杆8上下移动时，固定于抽油杆8上的导电发热体6也将上下移动并切割固定于加粗油管1内壁的环型磁钢3所形成的间隔磁场，从而产生涡电流。

为保证抽油杆8正常工作，如图4所示，本发明还设置有对抽油杆8进行扶正的防偏扶正器11，其内均布有扶正齿110。本发明的磁钢3的内直径略大于普通油管1的内径，以保证磁钢在实际采油过程中不被磨损。防偏扶正器11与磁钢3一起安装在加粗的油管1内，扶正齿110形成的内径略大于发热管6的外径，防偏扶正器11可保证抽油杆8在油管内的运动方向始终沿轴向。扶正齿110的多少可根据实际需要设定，但以不影响过油面积为宜。

如图6所示，本发明的金属管10为分段结构，金属管10的分段处由紧固件63包覆并将其连接。发热管6包括有分段的发热体62，发热体62两端设置有紧固保护头61，以将发热体62固定于金属管10的紧固件63之间。金属管10的分段处设有间隙65；紧固件63与其相邻的紧固保护头61之间设有间隙64。间隙64可使发热管6以略微松散的方式连接起来，使其能在防偏磨扶正器11的控制下微量运动，从而减少发热管运动过程中被磨损。

如图2所示，本发明加粗油管和普通油管之间通过过渡油管12连接。过渡油管12较普通油管粗、比加粗油管略细，以保证加装了发热管6的抽油杆8的上下行程始终都在加粗的油管1、以及加粗的油管1两端的过渡油管12组成的空间内，同时，过渡油管12加粗也是为了保证过流面积的稳定。

本发明的发热管6嵌套在具有高磁导率的金属管10上，金属管10用来改变磁力线的路径，使尽可能多的磁力线垂直于发热管6轴向，这样可保证发热管6上的轴向磁力线分量达到最小，同时减少了磁力线漏失，降低了环路磁阻，从而大幅度的提高同等条件下发热管6的涡电流。使用时，通过抽油机的往复运动把机械能尽可能多地转化为电能，并直接产生涡流热。

如图7、8所示，分别为未使用导磁金属管10与使用了导磁金属管(这里是铁)10时磁力线的分布情况。由图7可知，在未使用导磁金属管10的情况下，延伸致抽油杆方向的磁力线均形成了开口朝向加粗油管1的抛物线，因此磁力线的轴向分量相对较大，由于磁力线轴向分量的方向平行于沿轴向运行的发热管，导致发热管产生涡流效率极其低下；另外，部分磁力线已经穿过发热管经过气隙空间(不导磁的介质，如真空、原油)回归，从而增大了磁路的磁阻，也将导致产生涡流效率低下。而由图8可知，本发明在发热管6内壁增设了导磁金属管10后，不仅减少了磁路的磁阻，而且使磁场的磁力线明显比未使用导磁金属管10的磁力线更加垂直于竖直放置的发热管6的轴向，因此其发热的效率会极大提高。本发明中的导磁金属管10相当于发电机中的铁芯。

为验证本发明的发热效果，如图9所示，本发明选取的各器件的材质和尺寸分别为：抽油杆半径R1为9.5mm，环形空间7的最大外径R2为17mm，金属管的厚度待定，发热体铜的最大外径R4为28mm，环形空间5的最大外径R5为33mm，油管内径R6为52mm，油管外径R8为57mm。

本发明选取同样的磁钢(钕铁硼磁钢，Br＝1.3T，Hc＝960kA/m)排列方式为轴向相邻两块磁钢充磁方向相反，磁钢充磁方向为辐向充磁，使用磁钢块数为22块，磁钢之间间隙为0；下表数据为采用ANSYS 10.0软件仿真得出的：

总长度	磁钢厚度	磁钢块数	R2	R3	R3-R2(铁)	R4	R4-R3(铜)	R5	R6	铜功率	铁功率	总功率
													1012	46	22	17	17	0	28	11	33	52	1367	0	1367
1012	46	22	17	18	1	28	10	33	52	5170	28	5198
													1012	46	22	17	19	2	28	9	33	52	5400	49	5449
1012	46	22	17	20	3	28	8	33	52	5598	60	5658
													1012	46	22	17	21	4	28	7	33	52	5737	71	5808
1012	46	22	17	22	5	28	6	33	52	5790	83	5873
													1012	46	22	17	23	6	28	5	33	52	5715	99	5814
1012	46	22	17	24	7	28	4	33	52	5446	117	5563
													1012	46	22	17	25	8	28	3	33	52	4892	139	5031
1012	46	22	17	26	9	28	2	33	52	3935	166	4101
													1012	46	22	17	27	10	28	1	33	52	4559	191	4750
1012	46	22	17	28	11	28	0	33	52	0	240	240

其中，长度单位为毫米，功率单位为瓦特，抽油杆运动速度为0.5米/秒。

由上表可以看出，当不采用铁金属管时，发热管的发热总功率为1367瓦特，而一旦使用了铁金属管(厚度为1mm)，发热管与金属管的发热总量跃升为5198瓦特，发热功率达到了未使用铁金属管时的将近4倍。当铁金属管厚度为5mm、铜发热管的厚度为6mm时，本发明的发热效率最高，达到了5790瓦特，是未使用铁金属管时的发热效率的4.2倍。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1、一种采油用磁热防蜡装置，包括有套置并固定于抽油杆上的发热管和紧贴油管内壁固定的磁体，其特征在于，所述的发热管内壁设置有具有一定磁导率的金属管。

2、根据权利要求1所述的采油用磁热防蜡装置，其特征在于，所述的磁体紧贴的油管为具有一定磁导率的油管。

3、根据权利要求1或2所述的采油用磁热防蜡装置，其特征在于，所述的金属管、油管的磁导率大于等于1000。

4、根据权利要求1或2所述的采油用磁热防蜡装置，其特征在于，所述的磁体辐向磁化，且分层设置于油管内壁，相邻磁体的磁化方向相反。

5、根据权利要求4所述的采油用磁热防蜡装置，其特征在于，所述的磁体具体为钕铁硼磁钢。

6、根据权利要求1所述的采油用磁热防蜡装置，其特征在于，所述的金属管为分段结构，金属管的分段处由紧固件包覆并将其连接。

7、根据权利要求6所述的采油用磁热防蜡装置，其特征在于，所述的发热管包括有分段的发热体，所述的发热体两端设置有紧固保护头，以将发热体固定于所述金属管上的紧固件之间。

8、根据权利要求7所述的采油用磁热防蜡装置，其特征在于，所述的金属管的分段处设有间隙；所述的紧固件与其相邻的紧固保护头之间设有间隙。

9、根据权利要求1所述的采油用磁热防蜡装置，其特征在于，该装置还包括有用于对抽油杆进行扶正的防偏扶正器，其设置于油管内，外壁紧固于油管内壁。

10、根据权利要求1所述的采油用磁热防蜡装置，其特征在于，所述的发热管固定于抽油杆上，具体是通过环状固定帽固定的；该环状固定帽为镂空结构。

Images