CN213878427U - 一种带有h型裂缝的同轴加热微波天线和集束型微波天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带有H型裂缝的同轴加热微波天线和集束型微波天线，属于天然气水合物开采技术领域，包括内导体、外导体以及填充介质，所述内导体同轴设置在外导体内，且在天线微波输出端口侧，内导体延伸出外导体；所述填充介质填充在内导体和外导体之间；所述外导体上开设有H型裂缝，且沿外导体轴向以等幅同相馈电的方式至少排布有两圈H型裂缝，每一圈均匀分布有四个H型裂缝。本实用新型提出的天线保证2.45GHz频率的微波可通过裂缝辐射加热二次生成的天然气水合物，同时只传输TEM模的微波，用于高效长距离低损耗加热二次生成的天然气水合物。

Description

一种带有H型裂缝的同轴加热微波天线和集束型微波天线

技术领域

本实用新型属于天然气水合物开采技术领域，具体涉及一种带有H型裂缝的同轴加热微波天线和集束型微波天线。

背景技术

目前降压法是天然气水合物常用的开采方法之一。研究表明，在采用降压法开采天然气水合物的后序阶段会因前期天然气水合物大量分解吸热导致热量供给不足，由于焦耳—汤姆森效应的存在，水、天然气气体在低温高压条件下，极易使天然气水合物在储层产气通道、井筒、防喷器(BOP)、节流管线等部位再次生成，堵塞情况严重会影响气体运移速率甚至堵塞气体运移通道，造成产气率下降或停产的风险。

为消除或抑制降压开采过程中的二次天然气水合物，供给热量可从机理上恢复产气效率。传统的加热方式加热速率慢、热量损失大，相比之下，电磁加热法可根据需要快速加热，且天然气水合物是一种极性分子，在微波/射频的作用下会分解。微波是频率在300MHz～300000MHz之间的超高频率的电磁波，在工业中常用来做加热的微波频率为2450MHz和915MHz。由于微波与一些极性物质或分子相互作用会被吸收产生热效应，因而广泛的应用于非常规油气资源(油页岩、重油、油砂)的开采中。据研究，除加热作用外，微波对于天然气水合物的开采过程还可能具有造缝和非热效应。

目前国内外的研究多集中在微波天线加热重油的研究及微波加热天然气水合物的机理研究方面，而对于微波加热天然气水合物的具体电磁波加热器的结构设计研究较少。如专利文献号为CN103296430A的专利文献中公开了一种同轴线裂隙天线；专利文献号为CN104383866A的专利文献的中公开了一种使用同轴裂隙天线的微波反应装置及其应用，虽然上述专利中公开了同轴线裂隙天线的结构，但由于用于加热天然气水合物的天线与加热重油的天线因为开采条件的不同而有所区别，针对天然气水合物开采过程中天然气水合物二次生成的现象，有必要根据天然气水合物的开采条件设计一种适用于加热天然气水合物的电磁波加热器的天线。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种带有H型裂缝的同轴加热微波天线和集束型微波天线，用于解堵天然气水合物开采过程中二次生成的天然气水合物。

本实用新型为实现上述目的采用的技术方案是：

本实用新型提出了一种带有H型裂缝的同轴加热微波天线，包括内导体、外导体以及填充介质，所述内导体同轴设置在外导体内，且在天线微波输出端口侧，内导体延伸出外导体；所述填充介质填充在内导体和外导体之间；其特征在于：所述外导体上开设有H型裂缝，且沿外导体轴向以等幅同相馈电的方式至少排布有两圈H型裂缝，每一圈均匀分布有四个H型裂缝。

进一步，所述内导体延伸出外导体的延伸长度为微波有效波长的四分之一。

进一步，所述内导体呈圆柱形结构，内导体的半径为4.5mm；所述外导体为中空圆筒形结构，外导体的外径30mm，外导体的壁厚3mm，沿外导体的轴向相邻两个H型裂缝之间的间距为35mm，靠近天线微波馈入端一侧的H型裂缝距离天线微波馈入端16mm；所述H型裂缝的缝宽2mm，每个H型裂缝的周向长度为12mm，轴向长度为14mm。

本实用新型还提出了一种集束型微波天线，其特征在于：所述集束型微波天线包括柱状绝缘体以及均匀排布在柱状绝缘体内部的上述带有H型裂缝的同轴加热微波天线，所述带有H型裂缝的同轴加热微波天线数量至少为三根，至少三根带有H型裂缝的同轴加热微波天线相互平行设置，且任意相邻两根带有H型裂缝的同轴加热微波天线之间间距为微波工作波长的四分之一。

进一步，所述柱状绝缘体的横截面形状为圆形、矩形或三角形。

通过上述设计方案，本实用新型可以带来如下有益效果：

1、本实用新型提出的带有H型裂缝的同轴加热微波天线，保证了2.45GHz频率的微波可通过裂缝辐射加热二次生成的天然气水合物。

2、本实用新型提出的带有H型裂缝的同轴加热微波天线中只传输TEM模的微波，用于高效长距离低损耗加热二次生成的天然气水合物。

3、本实用新型提出的带有H型裂缝的同轴加热微波天线，可通过同轴电缆下放至天然气水合物开采井筒，具有10MP以上的耐压值，且能在低温、300W功率的环境下解堵二次生成的天然气水合物。

4、本实用新型提出的集束型微波天线，用于加热直径较大的开采竖井的二次生成的天然气水合物，提高加热效率、扩大加热作用范围。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型示意性实施例及其说明用于理解本实用新型，并不构成本实用新型的不当限定，在附图中：

图1为带有H型裂缝的同轴加热微波天线的结构示意图；

图2为外导体的结构示意图；

图3为H型裂缝的结构示意图；

图4为带有H型裂缝的同轴加热微波天线的剖面示意图；

图5为图4的A-A线剖视图；

图6为本实用新型实施例中带有H型裂缝的同轴加热微波天线辐射范围图；

图7为本实用新型实施例中第一种集束型微波天线的结构示意图；

图8为本实用新型实施例中第二种集束型微波天线的结构示意图；

图9为本实用新型实施例中第三种集束型微波天线的结构示意图。

图中各标记如下：1-内导体；2-外导体；3-填充介质；4-H型裂缝。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1、图2、图3、图4及图5所示，本实用新型提出了一种带有H型裂缝的同轴加热微波天线包括内导体1、外导体2以及填充介质3，所述内导体1同轴设置在外导体2内，且在天线微波输出端口侧，内导体1延伸出外导体2，延伸长度一般为微波有效波长的四分之一；所述填充介质3填充在内导体1和外导体2之间；所述外导体2上开设有H型裂缝4，沿外导体2轴向以等幅同相馈电的方式至少排布有两圈H型裂缝4，每一圈均匀分布有四个H型裂缝4；天线微波输出端口即天线微波辐射端口。

所述内导体1呈圆柱形结构，内导体1的半径为4.5mm，内导体1的材质选用铜、铝、镍络合金、铂、银、铁等。

所述外导体2的材质基于耐腐蚀性、可加工性及强度等方面考虑可选用不锈钢，如304不锈钢或者是316不锈钢，外导体2为中空圆筒形结构，外导体2的外径30mm，外导体2的壁厚3mm，沿外导体2的轴向相邻两个H型裂缝4之间的间距为35mm，靠近天线微波馈入端一侧的H型裂缝4距离天线微波馈入端16mm，天线微波馈入端即与同轴电缆相连的微波输入端。

根据天线长度尺寸轴向排布多个H型裂缝4，H型裂缝4之间距离需满足等幅同相馈电的要求，同时在同一圆周上均匀排布有四个H型裂缝4，用于扩大微波加热的辐射方向范围。

所述填充介质3为聚四氟乙烯或聚醚醚酮。

所述H型裂缝4的缝宽2mm，每个H型裂缝4的周向长度为12mm，轴向长度为14mm。

具体上述各个参数的获取方式如下：

根据天然气水合物的介电特性和电磁学原理，进行本实用新型的带有H型裂缝的同轴加热微波天线的尺寸计算，使其满足2.45GHz频率、10MPa耐压值、低温、仅TEM模单模传输的环境工况。

根据工业生产要求，选定微波辐射频率f＝2.45GHz。鉴于天然气水合物在微波频段下的介电特性与冰和干沙土的介电特性相似，计算时取天然气水合物的介电常数：ε′＝3，ε″＝0.0018，其中：ε′为介电常数实部，指材料削弱电场的能力；ε″为介电常数的虚部，也称为损耗因子，其与介质的电导率有关系，介电损耗角正切值

所述内导体1的延伸长度与介质中的有效波长有关，内导体1的延伸长度＝1/4介质中的有效波长；

其中有效波长满足如下关系式：

其中：λ_eff为有效波长，单位是mm；c为真空中的光速，单位是m/s，f为微波辐射频率，单位是Hz，ε_r相对介电常数(空气的相对介电常数为1；天然气的相对介电常数跟空气接近，通常取1)。

在均匀导波系统中，对于不同频率的电磁波有两种工作状态，即传输和截止。介于传输和截止之间的临界状态所确定的频率称为截止频率，该频率所对应的波长称为截止波长。在波导管中，所传输的电磁波的波长超过截止波长时，该波导管中只能传播一种模式的电磁波，不超过该波长时，可以传播多种模式的波。因单模传输距离比多模远，而同轴线中以输横电磁模(TEM模)为主，所以在实际设计中考虑实际远距离传输，就需要保证在带有H型裂缝的同轴加热微波天线中只传输横电磁模(TEM模)。

带有H型裂缝的同轴加热微波天线的内导体1和外导体2直径计算主要考虑以下两个方面的因素：

(1)有效波长λ_eff需满足：λ_eff＞1.1(λ_c)_H11＝1.1π(a+b)

其中：λ_eff为有效波长，单位是mm；(λ_c)_H11为工作波长，单位是mm；a为内导体1的半径，单位是mm；b为外导体2的半径，单位是mm。

(2)天线应既具有较大功率容量，又具有较小的衰减系数，特性阻抗按照经验可选择为50Ω，特性阻抗与内、外导体的直径比的计算如下：

其中：Z_C为天线的特性阻抗，单位是Ω；a为内导体1的半径，单位是mm；b为外导体2的半径，单位是mm；ε_r为相对介电常数。

H型裂缝4的裂缝长度l的理论值与有效波长λ_eff和相对介电常数ε_r有关，计算公式如下：

其中：l为裂缝长度，单位是mm；λ_eff为有效波长，单位是mm；ε_r为相对介电常数。

H型裂缝4的缝隙间距D的理论值也与有效波长λ_eff有关，需要满足等幅同相馈电的要求，一般计算公式如下所示：

其中：D为缝隙间距即沿外导体2的轴向相邻两个H型裂缝4之间的间距，单位是mm；λ_eff为有效波长，单位是mm，通过三维电磁场仿真软件HFSS数值模拟，当有效波长λ_eff为70.7mm时，缝隙间距D的优选值为35mm。

根据现有试验研究计算经验，选取H型裂缝4的缝宽w＝2mm。

从天线微波馈入端数第一个H型裂缝4距天线微波馈入端的距离G实际取值是近似于四分之一的有效波长λ_eff，通过三维电磁场仿真软件HFSS数值模拟，当有效波长λ_eff为70.7mm，G最优值为16mm；天线微波馈入端即与同轴电缆相连的微波输入端。

为保证所设计天线能在实际井下开采使用，天线的外导体2壁厚应满足实际工作压力需求。从实用性、经济性考虑，天线的外导体2材料选用304不锈钢，内导体1选用铜，填充介质3选用聚四氟乙烯进行详细计算。

设计天线的工作压力P为10MPa，直径d为30mm，304不锈钢的许用应力σ为137MPa，因为管路内为气液两相，所以取安全系数K＝2，由此可计算出天线的外导体2壁厚：

其中：t为天线的外导体2壁厚，单位是mm；K为安全系数；P为工作压力，MPa；d为天线的外导体2直径，mm；σ为外导体2所用材料的许用应力，单位MPa。

计算表明，天线的外导体2的壁厚要大于等于2.2mm；所以将壁厚定为3mm。

所设计的带有H型裂缝的同轴加热微波天线主要参数如下表1所示，带有H型裂缝的同轴加热微波天线剖面图，如图4所示。

表1

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：根据微波加热原理和天然气水合物开发的实际情况，选择2.45GHz频率，同轴加热微波天线的远端(远离伸出内导体1的一端)作为馈入波口端即天线微波馈入端。待加热的材料是天然气水合物，其相对介电常数为3，介电损耗角正切值为0.0006。模拟带有H型裂缝的同轴加热微波天线长度为1000mm。辐射区域(加热天然气水合物区域)为圆柱体，半径为50mm，长度为2000mm。

带有H型裂缝的同轴加热微波天线主要依靠H型裂缝4和天线微波辐射端口来辐射微波能量来加热水合物。在2.45GHz的条件下，所设计天线的远场辐射方向图，如图6所示。可以看出，天线辐射有较好的全向性，同时证明微波能从所设计的H型裂缝4中辐射出来，作用于周围天然气水合物。

本实用新型设计的带有H型裂缝的同轴加热微波天线，除可单独使用作为单根同轴微波加热天线外，其可多根集成为集束型微波天线。具体根据微波传输原理，将各个单根带有H型裂缝的同轴加热微波天线按照间距为四分之一的微波工作波长均匀排布，并利用聚四氟乙烯等低损耗介质材料，通过注塑、倒模等方式固定集成整体，如图7、图8及图9所示，图中，A代表带有H型裂缝的同轴加热微波天线，B代表柱状绝缘体，柱状绝缘体的横截面形状为圆形、矩形或三角形，柱状绝缘体采用聚四氟乙烯等低损耗介质材料。

实施例1

采用本实用新型设计的带有H型裂缝的同轴加热微波天线用于解决神狐海域天然气水合物开采中的二次生成问题，由微波发生器发出2.45GHz频率的微波，通过传输系统输送至电磁波加热器处作用于天然气水合物。利用三销钉调配器控制微波反射功率，确保负载驻波系数变化，并保证体系的最佳微波传输。弯波导用于改变微波传输方向。整套电磁波加热器的电源、微波发生器系统、微控制系统、波导等装置放置于地上，通过同轴电缆将所设计的带有H型裂缝的同轴加热微波天线下放至井筒，在低温、耐压10MPa的工况环境下工作。

实施例2

本实施例的主要技术方案于实施例1相同，二者的区别在于，将集成的集束型微波天线下放至开采管道中，用于加热直径较大的开采竖井的二次生成的天然气水合物，提高加热效率、扩大加热作用范围。

本实用新型所设计H型裂缝4的耐压防水同轴加热微波天线，利用微波加热优势作用于二次生成的天然气水合物，解决天然气水合物开采过程中的堵塞等问题。

本实用新型中所述的内导体1和外导体2的直径可根据使用微波频率、环境温度压力的不同而进行调整，以便适用于不同的环境下的微波加热作用。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种带有H型裂缝的同轴加热微波天线，包括内导体、外导体以及填充介质，所述内导体同轴设置在外导体内，且在天线微波输出端口侧，内导体延伸出外导体；所述填充介质填充在内导体和外导体之间；其特征在于：所述外导体上开设有H型裂缝，且沿外导体轴向以等幅同相馈电的方式至少排布有两圈H型裂缝，每一圈均匀分布有四个H型裂缝。

2.根据权利要求1所述的带有H型裂缝的同轴加热微波天线，其特征在于：所述内导体延伸出外导体的延伸长度为微波有效波长的四分之一。

3.根据权利要求1所述的带有H型裂缝的同轴加热微波天线，其特征在于：所述内导体呈圆柱形结构，内导体的半径为4.5mm；所述外导体为中空圆筒形结构，外导体的外径30mm，外导体的壁厚3mm，沿外导体的轴向相邻两个H型裂缝之间的间距为35mm，靠近天线微波馈入端一侧的H型裂缝距离天线微波馈入端16mm；所述H型裂缝的缝宽2mm，每个H型裂缝的周向长度为12mm，轴向长度为14mm。

4.一种集束型微波天线，其特征在于：所述集束型微波天线包括柱状绝缘体以及均匀排布在柱状绝缘体内部的权利要求1至3中任意一项所述带有H型裂缝的同轴加热微波天线，所述带有H型裂缝的同轴加热微波天线数量至少为三根，至少三根带有H型裂缝的同轴加热微波天线相互平行设置，且任意相邻两根带有H型裂缝的同轴加热微波天线之间间距为微波工作波长的四分之一。

5.根据权利要求4所述的集束型微波天线，其特征在于：所述柱状绝缘体的横截面形状为圆形、矩形或三角形。

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