PDF《稠油采集高效电加热方法的研究 ！》

稠油采集高效电加热方法的研究! 孙梅生!) 郑南方") 方星豪!) 亢强") 李忠海") 王磊!) 孙稚!) 姚成刚!) !) (清华大学自动化系, 北京 !###$%) ") (辽河油田, 盘锦 !"%"#&) ("##" 年%月'日收到;

"##" 年(月") 日收到修改稿) 阐述稠油采集电加热的重要意义, 提出了电阻率非线性特种电缆和升高电加热频率两种提高稠油采集电加热 效率的方法, 并运用绝缘双极型晶体管 (*+,-) 和非晶态变压器等研制成功 !##.

/01"###23 特种变频器, 实施了一种 高效电加热方法, 取得了国内最佳节能效果4 关键词:稠油采集电加热,电阻率非线性电缆,升高电加热频率,*+,-,非晶态,高效电加热 !"##:$5!#6 ! ""!!" 基金 (批准号: 计社会 [!&&5] !%&$) 资助的课题

4 !7 引言我国已探明的石油矿藏中稠油成分较多, 有的 凝固点超过 5#8

4 一些油井开采数月后, 剩下的以 稠油为主, 靠自喷或注水加压已不能采集4经过多年 研究, 国内外稠油采集技术可分为化学方法、 物理方 法和生物方法三大类4前者污染环境问题尚未解决, 后者尚未达到工业应用水平, 目前稠油采集实际工 业应用的主要方法是电加热式物理方法, 即给深入 油井的特制电缆输入合适的电流 (有的需事先注入 过热蒸汽) , 使油井中从井底到井口的稠油均可流 动, 达到稠油采集条件4 辽河油田、 胜利油田、 新疆油田和南阳油田等均 已探明具有稠油矿藏, 目前辽河油田稠油开采水平 和规模具有世界先进水平, 但其电加热耗电量很大4 为节省电能, 本文作者从 "### 年(月起在辽河油田 进行考察和研究, 研制了以绝缘栅双极型晶体管 (*+,-) [!] (一种高性能大功率电力电子器件) 和非晶 态["] 铁芯变压器为核心的稠油采集高效电加热设 备, 并已开始实施工业应用4如何进一步提高稠油采 集电加热的效率, 加快高效率开采稠油, 满足工农业 和人民生活日益增长的石油需求, 具有重要意义, 值 得深入研究4本文提出两种提高电加热效率的方法, 并说明其中一种方法的实施效果4 "7 非线性电加热可提高效率 由地球物理知识可知, 正常情况下, 每深入地下 !##9 , 温度大约升高 '8, 如图 ! 中斜实线所示4 此 图纵坐标以地面为 # 点, ! 为负值代表深度, 并设油 井深度为 "###94 由于线性加热 (加热电缆的电阻率为常值, 加热 电源为工频, 电缆的电容及电感效应几乎为零) 简单 易行, 因此早期的稠油采集均为线性加热, 其电加热 温度特性如图 ! 中点状斜线所示 (设稠油开采温度 条件为 )(8)

4 根据傅里叶热传导定律和热力学理论 ['] , 并结 合稠油采集电加热之具体情况和图 ! 之坐标系, 设 单位时间内在深度 ! : !# 通过电缆外壁 ;

" 面积的 热量为 ;

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( ) % !# < " 第(! 卷第!" 期"##" 年!" 月1"##"1(! (!") 1"=#( 物理学报0>-0 ?2@A*>0 A*B*>0 /CD4(!, BC4!", EFGF9HFI, "##" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "##" >JKL4?JMN4 ACG4 图!温度 ! 与地层深度 " 关系 式中!为热导率, "! " ( ) # "# 表示深度 " $ "# 处电缆外 壁的径向温度梯度, ## 代表加热电缆圆形外壳之半 径, # 代表加热电缆圆形横截面的径向矢量% 由图 ! 可知, 在线性均匀加热条件下, 从井底到 井口 (地面) , 电缆上下不同位置 (即"# 取不同值) 单 位长度的散热相等, 即电缆外壁上径向温度梯度 "! " ( ) # "# 处处相等, 记它为 $! , 则单位时间内, 稠油从 井底提升到井口所损失的热量 %! 为%! $ ! # &'### &$! ( ' !## "", 即 若能采用理想非线性电加热方法, 使油井内从 井底到井口的温度不变, 如图 ! 中垂直虚线所示, 则 加热电缆外壁的径向温度梯度 $' 随深度 " 的变化 可用下式表示: $' $ '### * " ( ) '### $! , (+) 式中 " 为#至&'###,% 在上述非线性电加热条件下, 单位时间内稠油从 井底提升到井口所损失的热量 %' 可由下式求出: %' $ ! # &'### &$' ( ' 将(+) 式代入上式, 可得到 %' $ ' !## ! # &'### & '### * " ( ) '### $! "", 即 由上式和 (') 式可得到 %' %! 由此可见, 与线性电加热相比, 上述理想非线性 电加热方法, 理论上可节省电能 -#. % 而有的油田 有数百口甚至上千口稠油井, 每口稠油井目前电加 热平均耗电约为 -#01, 而且 ')2 连续运行, 若能实 现上述设想, 其节电效益相当可观% 由此可见, 研究 稠油采集高效电加热方法, 具有重要意义% +3 采用电阻率非线性特种电缆可提高 电加热效率 稠油采集电加热常用的电缆采用均匀材质制 成, 其电阻 '() 与长度 * 成正比, 一般每米电缆的电 阻值不超过 -#,", 其分布电容 (() 一般每米不超过 -##45%在采用工频电源直接供电条件下, (() 的容抗 比'() 大!## 倍以上 (设电缆长度为 *"+###,) , (() 的作用可忽略不计% 因此这种电阻率线性电缆所能 获得的电加热温度特性是与图 ! 中点状斜线相同或 平行的斜直线%显然它耗能多% 如果选用电阻率不同的材料 (设其各处的截面 积相等) 制成电加热特种电缆, 它的电阻率" 从井 底到井口由 # 逐渐增大到最大值",67, 即" 与"("为负值) 的函数关系为 " (")$ ",67 + (+ * ") , (8) 式中 + 为特种电缆的总长度% 在仍采用工频电源直接供电条件下, (() 的作用 仍可忽略不计, 特种电缆各处的电流相等, 其电加热 功率 ,- 对深度 " 的变化率为 ",- "" $ .' " (") / , (9) 式中 / 为特种电缆的截面积% 为了利用图 !, 取 并将 (8) 式代入 (9) 式, 则可得到 ",- "" $ ",67 .' '### / % (:) 由上式可知, 在",67 和电流 . 取值恰当的条件 下, 采用电阻率非线性特种电缆, 用工频电源直接供 电, 可获得图 ! 中垂直虚线所示的电加热效果, 理想