CN201190559Y - 超长的具有高传热特性的抽油杆热管总成 - Google Patents

Abstract

超长的具有高传热特性的抽油杆热管总成，它涉及一种采油用的抽油杆和热管的总成。本实用新型解决了现有的利用电加热等方法对原油进行加热存在生产成本高、安全性差的问题以及以水为介质的抽油杆热管的传热难题。超长的具有高传热特性的抽油杆热管总成包括空心抽油杆主体(15)，所述空心抽油杆主体(15)的内腔形成有一个装有介质NH₃的密封腔(2)，由所述装有介质NH₃的密封腔(2)形成一个超长的以NH₃为工质的重力抽油杆热管。本实用新型超长的具有高传热特性的抽油杆热管总成还包括抽油杆热管的现场制作所必需的设备和测试系统，具有生产成本低、安全性较高、结构简单、操作方便、可拆卸、可重复使用等优点。

Description

超长的具有高传热特性的抽油杆热管总成

技术领域

本实用新型涉及一种采油用的抽油杆热管总成，具体涉及一种利用重力热管技术的抽油杆热管总成。

背景技术

在油田的多数油井(特别是稠油井、高凝油井及高含蜡油井)中，为了电加热等改善井筒原油流动性需要，广泛使用空心抽油杆。这类空心抽油杆下端连接抽油泵，上端伸出井口并与抽油机相连。依靠抽油泵及抽油机的往复运动，将原油从地下抽上来，从油井井口排出。一般，油井和抽油杆的长度随油层的深浅而不同，大部分在1000m以上。油井的内径为76～104mm之间，而空心抽油杆外径一般为36～42mm，壁厚为6mm。油井中所用抽油杆柱是由逐根抽油杆相互用套管螺纹密封联结构成的。每根抽油杆的长度在8～12m之间。井中抽油杆外面是油管柱，油管外面为套管柱，套管外面浇注水泥与地层相连。原油在油井中的上升速度因井深和流量而不同，从井底到井口一般需几个小时甚至十几个小时。在这样一个漫长的向上流动的过程中，由于油管通过套管向地层散热，油管内的原油温度会由下而上逐渐降低，大约每100米下降3℃。随着油温的降低，油的黏度会呈指数关系(粘度-温度关系)迅速升高。对于稠油、高凝油及某些含蜡较多的原油，在油井的上部，原油的流动性会逐渐下降，甚至不流动，有的原油会析出蜡并附着在杆、管壁上，到一定程度则会造成油井事故，妨碍油井生产的正常运行乃至整个油区原油的顺利开采。

为了降低油井中原油的黏度和凝固点，防止析蜡的产生，目前已采用了多项技术措施，主要有化学降粘法，电磁加热降粘法，外部热流体加热法等。其中，电磁加热法目前应用较广泛，这种方法是将很长的专用电缆放入空心抽油杆内，将地面电能直接加载到抽油杆上，通过抽油杆金属表面的肌肤效应和产生的焦尔热，将原油加热。这种方法耗电量多，成本高，且有时会因漏电产生爆管现象，使安全得不到充分保证。所谓外部热流体加热法，即将外部温度较高的热流体(热水、热油、蒸汽等)通过空心抽油杆直接加注到油井中，提高油井中原油的温度。这种方法的缺点是注入井中热载体的附加流量增加了抽油泵的提升负荷，增大了井底压力，减少了原油的产量。同时这种方法增加了产出原油混合物的处理难度，将掺入的热载体分离出去会进一步增加生产成本，降低油井经济效益。

近年来，一种新的油井加热方式，抽油杆热管加热法，或叫做“地热能自平衡加热法”受到了关注。其基本原理是将空心抽油杆做成热管，利用热管内介质的相变传热原理，将油井下部具有较高温度的原油的热量传至油管上部，用以提高油井中上部原油的温度，降低原油的黏度，防止原油析蜡，从而保证油井的正常运行。重力热管的典型结构和基本传热原理如图4所示。

热管是一个内部充装定量介质的密封容器。在热管的一端加热(称为加热段)，另一端冷却(称为冷却段)的情况下，热管内部将进行两相传热过程。加热段(又叫蒸发段)的工质将沸腾和蒸发，吸收汽化潜热，由液体变为蒸汽。产生的蒸汽在管内一定压差的作用下，流动到冷却段(又叫凝结段)，蒸汽遇到冷的壁面会凝结成液体，同时放出汽化潜热，通过管壁传给外面的冷源。冷凝下来的液体可以靠重力回流，重新开始蒸发吸热过程。这种靠重力回流的热管叫重力热管。因为管内的相变过程属于高效换热，热阻很小，因而热管又有超导热体之称。目前热管已在航天、电子、能源等各领域广泛应用。

由于热管的优异的传热特性，也引起了原油开采和加热领域的关注。但是，在目前已发表的为数不多的利用热管原理采油的研究报告中，直接采用了传统的以水为工质的典型热管的技术方案，没有触及这种超常的抽油杆热管的两相流难题，没有考虑与常规热管的巨大差异，因此其研究结果和结论是不可靠的，目前发表的技术方案难于在实际生产中应用和推广。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有的利用电、磁加热及外注热流体方法等对原油进行加热存在生产成本高、安全性差的问题；同时为了解决现有的抽油杆热管技术存在的由于工质自重而难于在液池中产生沸腾的技术难题，也为了解决由于管内两相流的阻力过大而造成的热管内部的传热障碍等难题，进而提供一种超长的(长度达到几百米甚至上千米)具有高传热特性的抽油杆热管总成。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：

超长的具有高传热特性的抽油杆热管总成包括空心抽油杆主体，所述空心抽油杆主体的内腔形成有一个装有介质NH₃的密封腔，由所述装有介质NH₃的密封腔形成一个超长的以NH₃为工质的重力抽油杆热管。

所述装有介质NH₃的密封腔由密闭安装在空心抽油杆主体内上端的上堵盖、密闭安装在空心抽油杆主体内下方的下堵盖、以及位于上堵盖和下堵盖之间且装有介质NH₃的空心抽油杆主体构成。

所述空心抽油杆主体由若干个抽油杆管段密封连接而成。

所述抽油杆热管总成还包括氨罐、氨计量器、注液阀、第一可拆卸管路，所述注液阀固定在密封腔的上部并与密封腔相通，在热管制作过程中所述氨罐和氨计量器通过第一可拆卸管路与注液阀连接。

所述抽油杆热管总成还包括抽空阀、真空机组、第二可拆卸管路，所述抽空阀固定在密封腔的上部并与密封腔连通，在热管制作过程中所述真空机组通过第二可拆卸管路与抽空阀连接并进行密封腔的抽空工作。

所述抽油杆热管总成还包括放空阀，所述放空阀设置在上堵盖上。

所述抽油杆热管总成还包括温度-压力传感器，所述温度-压力传感器设有三个测试探头，所述温度-压力传感器的其中两个测试探头分别插入装有介质NH₃的密封腔内，用于测试密封腔内的温度和压力，所述温度-压力传感器剩下的一个测试探头插入到油井内，用于测试油井内的原油温度。

本实用新型具有以下有益效果：由于采用了本实用新型所提出的以氨(NH₃)作为传热介质，有效地克服了在超长热管内液池的沸腾难题和两相流动所遇到的阻力和障碍，保证了抽油杆热管的高效传热和正常运行。此外，超长热管内NH₃介质一直处于正压状态，外界气体(空气等)不能向热管内渗漏，可保证热管的运行质量；在很长的管段上，工质压力可高于管外原油的压力，可以避免管外油气向热管内的渗漏；氨工质不能溶解抽油杆各段连接处的润滑油或其它密封设施，可保证抽油杆的密封性不会遭到破坏。超长的NH₃介质重力热管理想的管外原油的温度范围是100℃至30℃；而管内工质的理想温度范围是80℃至50℃。在上述温度范围内，超长的NH₃介质热管可表现出优异的传热特性，这一温度范围正是多数油田油井的正常油层温度，与多数油田油井防止原油析蜡的要求相吻合。本实用新型在超长热管上采用了氨作为传热介质，克服了通常热管工质尤其是水介质的传热和运行障碍，是实现超长热管高效传热的关键技术，使利用热管原理采油、实现油井中原油在上升过程中的自行加热降黏、防止析蜡成为可能，从而保证油井的正常运行、并降低采油成本。

此外，本实用新型以抽油杆热管总成的方式提供了为保证抽油杆热管的制作和运行所必需的设备、仪表、阀门和系统，使得抽油杆热管可以在现场制作、现场测试、现场维护，可方便地实现抽油杆热管的现场复制和拆卸。本实用新型具有生产成本低、安全性较高、结构简单、操作方便、可重复使用等优点。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图，图2是本实用新型的原理图，图3是热管的温度、原油温度随热管高度变化的曲线图(A表示热管工作温度；B表示热管外的原油温度；H1是热管的蒸发段；H2是热管的冷凝段；横坐标T表示温度，单位是℃；纵坐标H表示热管的长度，单位是m)。图4是重力热管的典型结构和基本传热原理图(H1是热管的蒸发段，H2是热管的冷凝段，→表示冷源，←表示热源)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式的超长的具有高传热特性的抽油杆热管总成包括空心抽油杆主体15，所述空心抽油杆主体15的内腔形成有一个装有介质NH₃的密封腔2，由所述装有介质NH₃的密封腔2形成一个超长的以NH₃为工质的重力抽油杆热管。

具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述装有介质NH₃的密封腔2由密闭安装在空心抽油杆主体15内上端的上堵盖11、密闭安装在空心抽油杆主体15内下方的下堵盖1、以及位于上堵盖11和下堵盖1之间且装有介质NH₃的空心抽油杆主体15构成。下堵盖1的位置要根据油层温度而定。理想的油层温度(即进入热管换热区的原油温度)在80℃左右，不超过100℃，不低于60℃为宜。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述空心抽油杆主体15由若干个抽油杆管段密封连接而成。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述抽油杆热管总成还包括氨罐7、氨计量器8、注液阀9、第一可拆卸管路16，所述注液阀9固定在装有介质NH₃的密封腔2的上部并与装有介质NH₃的密封腔2相通，所述氨罐7与氨计量器8通过第一可拆卸管路16与注液阀9连接在一起。如此设计，便于现场注液和热管的现场制作。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述抽油杆热管总成还包括抽空阀6、真空机组5、第二可拆卸管路17，所述抽空阀6固定在装有介质NH₃的密封腔2的上部并与密封腔2连通，所述真空机组5通过第二可拆卸管路17与抽空阀6连接。抽空阀6和真空机组5的作用是在罐装介质氨之前将装有介质NH₃的密封腔2抽成一定的真空度。当真空表显示真空度达到1×10^-2Pa后，即关闭抽空阀6。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述抽油杆热管总成还包括放空阀10，所述放空阀10设置在上堵盖11上。放空阀10一般处于常闭状态。放空阀10的作用是在非工作状态时打开使装有介质NH₃的密封腔2与外界大气连通，使介质自动放出。也可以在工作状态下瞬时打开，以排除上部可能存在的不凝结气体。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述抽油杆热管总成还包括温度-压力传感器4，所述温度-压力传感器4设有三个测试探头，所述温度-压力传感器4的其中两个测试探头分别插入装有介质NH₃的密封腔2内，分别测量密封腔2内介质的温度和压力；所述温度-压力传感器4剩下的一个测试探头插入到油井3内，用以测量油井中的原油温度。在空心抽油杆主体15上还设有抽油杆提升固紧器13，抽油机通过提升固紧器13与空心抽油杆主体15的上端连接。在油井3(油管)上设有出油口14。由温度-压力传感器4分别测量出管内蒸汽温度T1、原油出口温度T2、和热管内的蒸汽压力P1。T1，P1应符合饱和温度和饱和压力的对应关系，若发现测得的温度T1低于P1应对应的饱和温度，则说明热管顶端可能存在不凝结气体，这时应瞬间地开启放空阀10，以排除上部的不凝结气体。此外，从T1，T2的比较可知热管的工作状况：在正常工作状态下应T1＞T2，则说明热管在向油井中的原油加热。其它组成及连接关系与具体实施方式五或六相同。

工作原理：

如图2和图3所示，本实用新型是将典型的热管传热原理应用于油井中的抽油杆上，将细长的空心抽油杆的一部分做成了重力热管。油井中向上流动(通过提升泵18连续提升)的原油既是热管的热源又是热管的冷源。在油井下部，当原油的温度较高时，其是超长的NH₃介质重力热管的热源，热量由原油传给热管；而在油井上部，当原油温度逐渐降低时，在某一高度上，原油的温度开始低于热管内的介质温度，热量由热管传向原油，对原油进行加热。对超长的NH₃介质重力热管而言，其蒸发段和冷凝段的分界点是由各传热因素自行决定的。不论是在蒸发段还是在冷凝段，热源或冷源温度与热管内温度的传热温差随热管高度是逐渐变化的。在蒸发段，该温差由下而上逐渐减小，进入冷凝段之后，该温差又逐渐增大。因而超长的NH₃介质重力热管在不同高度处通过壁面的热流密度是不同的。

本实用新型所述的热管是内径较小(＜30mm)的超长热管，其长度在几百米甚至上千米。这种超长的热管和独特的传热条件在现有的热管应用领域中是不曾遇到过的。为了保证这种超常热管的良好的传热特性，以水为主的介质已不再适用，必须选用新的介质。本实用新型选用NH₃为工质的抽油杆热管与通常采用的以水为工质的热管相比较，具有下列突出优点：

一.氨(NH₃)可以很好地承受由于自重而在液池中产生的巨大压力，并可使液池处于沸腾状态。与工质水的比较如下：

	水	氨
			热管长度(设定)	1000m	1000m
液池深度(设定)	100m	100m
			工质在液池底部的自重压力	10bar	～5bar
热管内部工作温度(设定)	60℃	60℃
			在工作温度下的饱和蒸汽压力	0.199bar	26.8bar

液池底部实际压力	10.199bar	31.8bar
			底部液体的沸腾所需温度	181℃	71℃
外部油温(设定)	80℃	80℃
			液池底部沸腾的可能性	不可能	可能

由上表可知，氨工质在液池底部虽然承受巨大的压力(31.8bar)，但其对应的饱和温度仅有70℃左右，仍然低于热管外原油温度(80℃)，因而可以沸腾，并进行相变传热。相反，以水为工质的热管，在液池底部的压力虽然不是很高(10bar左右)，但对应的饱和温度却为180℃左右，远远高于热源温度(80℃)，因而下部液池工质在相当大的高度内处于过冷状态，不会产生沸腾，成为换热的“死区”。

二.由于工质NH3优异的热物理特性，使得在热管内NH₃蒸汽的流动阻力远远小于在相同条件下的水蒸汽的流动阻力。因而NH₃蒸汽可以在狭小的流动截面内流过更长的距离。

研究表明，热管内蒸汽流所能传输的热量Q(kw)与传输距离(Leff)的乘积(Q·Leff)代表热管传热能力的大小，它直接与工质蒸汽的物性组合(ρv²L²/μv)成正比。(ρv为蒸汽密度，L为汽化潜热，μv为蒸汽的黏度)。其中，在热管的工作温度下，氨蒸汽的密度ρv远远大于水蒸汽的密度，在80℃下，两者相差116倍。由于蒸汽密度大，使管内流速降低，从而导致流动阻力大大减小，这意味着流动距离可以大大加长。计算表明，在80℃工作温度下，对于外径为38mm，内径为26mm的超长的NH₃介质重力热管，氨工质的(Q·Leff)值为水工质的1600倍。例如：NH₃蒸汽可以将10kw的热能传输740m的距离；而水工质却只能将1kw的热能传输4.6m。这说明，在这一温度范围内，水工质热管已基本失去了传热能力——原因在于管内的摩擦阻力过大而不能产生长距离的两相流动。此外，还可以从热管内部两相流动的“携带极限”理论对氨和水两种工质进行比较。所谓“携带极限”就是当热管内蒸汽流速达到某一数值时，由于汽液界面的摩擦而阻碍了凝液的回流所对应的传热极限。计算表明，在超长的NH₃工质重力热管的运行温度下，NH₃为工质的热管的携带极限值远远大于水为工质的热管。

Claims (7)

1、一种超长的具有高传热特性的抽油杆热管总成，所述抽油杆热管总成包括空心抽油杆主体(15)，其特征在于所述空心抽油杆主体(15)的内腔形成有一个装有介质NH₃的密封腔(2)，由所述装有介质NH₃的密封腔(2)形成一个超长的以NH₃为工质的重力抽油杆热管。

2、根据权利要求1所述的超长的具有高传热特性的抽油杆热管总成，其特征在于所述装有介质NH₃的密封腔(2)由密闭安装在空心抽油杆主体(15)内上端的上堵盖(11)、密闭安装在空心抽油杆主体(15)内下方的下堵盖(1)、以及位于上堵盖(11)和下堵盖(1)之间且装有介质NH₃的空心抽油杆主体(15)构成。

3、根据权利要求1或2所述的超长的具有高传热特性的抽油杆热管总成，其特征在于所述空心抽油杆主体(15)由若干个抽油杆管段密封连接而成。

4、根据权利要求1或2所述的超长的具有高传热特性的抽油杆热管总成，其特征在于所述抽油杆热管总成还包括氨罐(7)、氨计量器(8)、注液阀(9)、第一可拆卸管路(16)，所述注液阀(9)固定在装有介质NH₃的密封腔(2)的上部并与装有介质NH₃的密封腔(2)相通，所述氨罐(7)和氨计量器(8)通过第一可拆卸管路(16)与注液阀(9)连接。

5、根据权利要求4所述的超长的具有高传热特性的抽油杆热管总成，其特征在于所述抽油杆热管总成还包括抽空阀(6)、真空机组(5)、第二可拆卸管路(17)，所述抽空阀(6)固定在装有介质NH₃的密封腔(2)的上部并与密封腔(2)连通，所述真空机组(5)通过第二可拆卸管路(17)与抽空阀(6)连接。

6、根据权利要求5所述的超长的具有高传热特性的抽油杆热管总成，其特征在于所述抽油杆热管总成还包括放空阀(10)，所述放空阀(10)设置在上堵盖(11)上。

7、根据权利要求5或6所述的超长的具有高传热特性的抽油杆热管总成，其特征在于所述抽油杆热管总成还包括温度-压力传感器(4)，所述温度-压力传感器(4)设有三个测试探头，所述温度-压力传感器(4)的其中两个测试探头分别插入装有介质NH₃的密封腔(2)内，所述温度-压力传感器(4)剩下的一个测试探头插入到油井(3)内。

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