高溫高壓油浸試驗(yàn)井電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

章發(fā)明，李士國(guó)，劉金榮，王 航，陳 磊，王 東

(1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730050；2.吉林油田 油氣工程研究院，吉林 松原138000)

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高溫高壓油浸試驗(yàn)井電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

章發(fā)明1，李士國(guó)2，劉金榮1，王 航1，陳 磊1，王 東1

(1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730050；2.吉林油田 油氣工程研究院，吉林 松原138000)

高溫高壓油浸試驗(yàn)井是為井下工具進(jìn)行耐溫、耐壓試驗(yàn)而建造。試驗(yàn)時(shí)需要對(duì)井筒內(nèi)試驗(yàn)介質(zhì)(清水或油)加熱，以前油田大多采用導(dǎo)熱油加熱方式，其傳熱過程是：電熱元件—導(dǎo)熱油—試驗(yàn)井筒—試驗(yàn)介質(zhì)，存在加熱時(shí)間長(zhǎng)，熱效率低，配套設(shè)備多，污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。電磁感應(yīng)加熱方式是在試驗(yàn)井筒外壁上直接纏繞感應(yīng)線圈，利用電磁感應(yīng)原理使金屬井筒成為熱源，直接加熱井筒內(nèi)試驗(yàn)介質(zhì)。采用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)設(shè)計(jì)建造的試驗(yàn)井已應(yīng)用于吉林油田、青海油田、遼河油田長(zhǎng)城鉆探工程院，加熱速率可達(dá)到3 ℃/min，試驗(yàn)介質(zhì)溫度可達(dá)350 ℃，節(jié)能環(huán)保。

模擬井；加熱設(shè)備；電磁感應(yīng)

隨著國(guó)內(nèi)稠油油藏、超深井油藏開采量逐年加大，井下工具工作在高溫高壓環(huán)境中，因此井下工具耐高溫問題是一個(gè)技術(shù)難題。為了研制相關(guān)的井下工具，需要建造模擬試驗(yàn)井，在試驗(yàn)井筒內(nèi)建立井底壓力和溫度環(huán)境，進(jìn)行井下工具試驗(yàn)檢測(cè)，開發(fā)適用于不同壓力和溫度的井下工具，滿足鉆井和采油現(xiàn)場(chǎng)施工需要。

試驗(yàn)井筒內(nèi)試驗(yàn)介質(zhì)的加熱有多種方法，目前國(guó)內(nèi)油田采用最多的是導(dǎo)熱油加熱方法，其原理可概括為：電熱元件加熱導(dǎo)熱油，高溫循環(huán)泵將導(dǎo)熱油泵入試驗(yàn)井筒外部的夾套環(huán)空[1]，導(dǎo)熱油與試驗(yàn)井筒壁換熱，試驗(yàn)井筒壁再與井筒內(nèi)部的試驗(yàn)介質(zhì)換熱。這種方法由于換熱過程多，設(shè)備和循環(huán)管匯散熱量大，所以熱效率很低，通常只有30%左右，造成加熱時(shí)間長(zhǎng)。電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)利用電磁感應(yīng)加熱原理[2]，將電磁感應(yīng)線圈包裹在試驗(yàn)井筒的外壁上，線圈通入高頻電流，在井筒壁內(nèi)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，由金屬井筒壁(磁導(dǎo)體)切割交變磁力線，在筒壁內(nèi)部產(chǎn)生無數(shù)小交變感應(yīng)電流(即電渦流)，電渦流促使筒壁的金屬分子高速無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，互相碰撞、摩擦產(chǎn)生熱，從而使井筒壁自身快速發(fā)熱，完成電熱轉(zhuǎn)換過程，井筒壁作為熱源直接加熱內(nèi)部試驗(yàn)介質(zhì)，只有一次換熱過程，熱損失少，熱效率可提高到90%以上。

1 系統(tǒng)組成

高溫高壓油浸試驗(yàn)井電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)由高溫高壓試驗(yàn)井筒、保溫隔熱層、高頻感應(yīng)線圈、非導(dǎo)磁材料板條、非導(dǎo)磁材料外保護(hù)套、內(nèi)部測(cè)溫元件、外部特制測(cè)溫元件、計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)、高頻功率柜等組成，如圖1。 高溫高壓試驗(yàn)井筒的外層使用保溫隔熱層進(jìn)行全覆蓋包裹，再沿井筒高度方向間隔加裝非導(dǎo)磁材料板條，非導(dǎo)磁材料板條上間隔開有圓弧凹槽，高頻感應(yīng)線圈嵌入非導(dǎo)磁材料板條上圓弧槽內(nèi)，纏繞在保溫隔熱層的外面。非導(dǎo)磁材料板條上間隔固定幾個(gè)外部測(cè)溫元件，內(nèi)部特制測(cè)溫元件從試驗(yàn)井筒上部井口螺紋塞桿的中心孔裝入試驗(yàn)井內(nèi)部，最后在試驗(yàn)井筒壁的最外層包裹一層非導(dǎo)磁材料外保護(hù)套。

1—高壓試驗(yàn)井筒；2—保溫隔熱層；3—高頻感應(yīng)線圈；4—非導(dǎo)磁材料板條；5—外部測(cè)溫元件；6—外保護(hù)套；7—?jiǎng)恿﹄娎|；8—高頻功率柜；9—計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)；10—井口螺紋塞桿；11—內(nèi)部特制測(cè)溫元件；12—金屬密封墊；13—螺紋壓帽；14—信號(hào)電纜。

內(nèi)部特制測(cè)溫元件和外部測(cè)溫元件的測(cè)量信號(hào)通過信號(hào)電纜傳入計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)和高頻功率柜，內(nèi)部特制測(cè)溫元件的測(cè)量信號(hào)值與計(jì)算機(jī)設(shè)定的試驗(yàn)溫度值比較[3]，由計(jì)算機(jī)反饋控制高頻功率柜輸出電功率大小，達(dá)到準(zhǔn)確控制試驗(yàn)井筒內(nèi)試驗(yàn)介質(zhì)溫度的要求。外部測(cè)溫元件測(cè)量的溫度信號(hào)，主要目的是保護(hù)高頻感應(yīng)線圈，使其接觸區(qū)域不超溫。

2 主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)井筒內(nèi)徑 90 ～400 mm

試驗(yàn)井長(zhǎng)度 3～20 m

試驗(yàn)井筒外壁隔熱層厚度 20 ～25 mm

試驗(yàn)介質(zhì)加熱溫度 80～350 ℃

試驗(yàn)壓力 35～210 MPa

試驗(yàn)介質(zhì) 清水、柴油、導(dǎo)熱油

加溫速率 1～3 ℃/min

配備電功率 40～240 kW

注：用戶可以根據(jù)試驗(yàn)要求選擇上述技術(shù)參數(shù)。

3 應(yīng)用情況

截止2016-06，甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司已為油田用戶建成了5口采用電磁感應(yīng)加熱方式的高溫高壓試驗(yàn)井，最高試驗(yàn)溫度達(dá)到350 ℃，最高試驗(yàn)壓力105 MPa。2012年為吉林油田油氣工程研究院設(shè)計(jì)建造了3口油浸試驗(yàn)井，井筒長(zhǎng)度3.65 m，包括2口套管試驗(yàn)井，規(guī)格分別為114.3 mm(4英寸) 、177.8 mm(7英寸)，試驗(yàn)壓力50 MPa；1口超高壓試驗(yàn)井，井筒內(nèi)徑124 mm，試驗(yàn)壓力105 MPa，3口試驗(yàn)井試驗(yàn)溫度均為180 ℃，高頻功率柜配電功率40 kW，如圖2。試驗(yàn)井建成后進(jìn)行了大量的高溫封隔器試驗(yàn)，由室溫加熱到180 ℃用時(shí)1.5 h，加溫速率達(dá)到2 ℃/min，試驗(yàn)介質(zhì)采用清水或柴油，試驗(yàn)過程沒有污染。

2013年為青海油田鉆采工藝研究院花土溝井下工具檢測(cè)站設(shè)計(jì)建造了1口高溫高壓試驗(yàn)井，井筒采用厚壁鋼管(材料TP155V)制造，井筒上段內(nèi)徑159 mm，下段內(nèi)徑124 mm，中間采用變徑接箍連接，試驗(yàn)井長(zhǎng)12 m，最高試驗(yàn)壓力60 MPa，最高試驗(yàn)溫度150°C，試驗(yàn)介質(zhì)為清水(保證井筒試驗(yàn)壓力不小于對(duì)應(yīng)溫度水的飽和蒸汽壓)[5]，電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)配電功率80 kW，試驗(yàn)井建成后試驗(yàn)效果良好，由室溫加熱到150 ℃，用時(shí)40 min，加溫速率達(dá)到3 ℃/min。該井下工具檢測(cè)站承擔(dān)了所有青海油田下井工具的檢測(cè)任務(wù)，工作量飽滿，顯示了電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)熱效率高、加熱時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 吉林油田的油浸試驗(yàn)井

2015年為遼河油田長(zhǎng)城鉆探工程技術(shù)研究院稠油熱采鉆完井試驗(yàn)室設(shè)計(jì)建造了一口高溫試驗(yàn)井，最高試驗(yàn)溫度達(dá)到350 ℃，最高試驗(yàn)壓力35 MPa，井筒結(jié)構(gòu)上段244.5 mm(9英寸)套管(壁厚11.99 mm，材料P110)，下段177.8 mm(7英寸)套管(壁厚9.19 mm，材料P110)[3]，長(zhǎng)度19 m，上、下段井筒API井口法蘭連接，高頻功率柜配電功率160 kW，加熱時(shí)間3.8 h，試驗(yàn)介質(zhì)為清水或?qū)嵊停囼?yàn)井已進(jìn)行了部分熱采工具試驗(yàn)，安全可靠。

4 結(jié)論

1) 高溫高壓油浸試驗(yàn)井電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)相比導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)，加熱效率高，加熱時(shí)間短，節(jié)能效果非常明顯。

2) 由于去除了循環(huán)加熱介質(zhì)——導(dǎo)熱油，而井筒內(nèi)試驗(yàn)介質(zhì)不循環(huán)，試驗(yàn)過程中沒有環(huán)境污染問題，可以降低試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)防爆等級(jí)要求。

3) 為減少試驗(yàn)中電磁污染，今后設(shè)計(jì)中可考慮在試驗(yàn)井筒最外層包裹非導(dǎo)磁材料，外保護(hù)套的內(nèi)部安裝鐵氧體磁性材料制成的長(zhǎng)條塊，形成屏蔽層，隔離電磁場(chǎng)。

[1] 劉汝福，韓進(jìn)，汪韶明，等.封隔器高溫性能試驗(yàn)系統(tǒng)研制[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33(11)：111-113.

[2] 李定宣，丁增敏.現(xiàn)代高頻感應(yīng)加熱電源工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[3] 王東，章發(fā)明，陳磊，等.井下工具高溫試驗(yàn)井系統(tǒng)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38(7)：75-79.

[4] 陳磊，章發(fā)明，楊永安，等.封隔器性能檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39(11)：60-63.

[5] 陳磊，章發(fā)明，王航，等.稠油熱采鉆完井試驗(yàn)系統(tǒng)研制[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2016，45(3)：77-80.

Electromagnetic Induction Heating System Design for High Temperature and High Pressure Oil Immersion Test Well

ZHANG Faming1，LI Shiguo2，LIU Jinrong1，WANG Hang1，CHEN Lei1，WANG Dong1

(1.LanpecTechnologiesLimited，Lanzhou730070，China；2.OilandGasEngineeringResearchInstitute，JilinOilfield，Sonyuan138000，China)

High temperature and pressure oil immersion test well is built for downhole tools for heat resistance and pressure test.The medium (water or oil) should be heated in the wellbore when test.The oil field before mostly adopted thermal oil heating method，its heat transfer processes are：electric heating element，heat conduction oil and experiment wellbore-medium，heating time is long，thermal efficiency is low，more the equipment needed，serious pollution is the disadvantage of this method.In test，electromagnetic induction heating，winding induction coil outside the wellbore wall is used directly，using the electromagnetic induction principle to make the metal shaft heat source，direct heating the test medium in the wellbore.The electromagnetic induction heat was designed and built for test well，which has been used in Jilin Oilfield，Liaohe Oilfield，and the Great Wall Drilling Engineering.Its heating rate can be up to 3 ℃/min.the test medium temperature can be reach 350 ℃.There is no environmental pollution.

simulation well；heating equipment；electromagnetic induction

2016-05-20

章發(fā)明(1962-)，男，安徽樅陽人，教授級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)從事石油鉆采設(shè)備和試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與研究，E-mail：Lanzhouhaiyang@163.com。

1001-3482(2016)11-0051-03

TE931.207

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.011