中频油管电加热技术在油田热采中的应用

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2024年4月6日发(作者：)

自动化技术与应用》２０１１年第３０卷第１２期　行业应用与交流　

ｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ＣＯｍｍｕｎｉｃａｔｉＯｎｓ　

中频油管电加热技术在油田热采中的应用　

钱振斌　，廖幸　

（１．中国石油工程设计公司新疆设计院，新疆克拉玛依８３４０００，　

２．新疆油田公司采油一厂，新疆克拉玛依８３４０００）　

摘要：本文提出一种中频油管电加热技术，它利用油井中的油管做热源体，将电能转化成热能直接加热井筒内的液体。电能由三相　

配电变压器输出，经ＡＣ—ＤＣ—ＡＣ逆变电路输出电能传送到油管，经油管下部的油套管接触器连接到套管，形成一个完整的回　

路。本技术有效地解决了电网扰动和采油油管结蜡问题。　

关键词：中频；油管；电加热　

中图分类号：ＴＥ６２４　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００３—７２４１（２０１１）０１２—００９０—０３　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　Ｈｅａｔｉｎｇ　Ｏｉｌ　Ｔｕｂｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

ｉｎ　ｏｉｌ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　

ＱＩＡＮ　Ｚｈｅｎ・ｂｉｎ　．ＬＩＡＯ　Ｘｉｎｇ　

（１．Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　Ｃｏｍｐａｎｙ　ｏｆ　Ｓｉｎｏｐｅｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｋｌａｍａｙｉ　８３４０００　Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｎ　Ｏ．１　Ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ　Ｏｉｌ　Ｆｒａｃｔｏｒｙ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ　０ｉｌ　Ｆｉｅｌｄ，Ｋｌａｍａｙｉ　８３４０００　Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｃｒｕｄｅ　ｏｉｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｏｉｌ　ｔｕｂｅ　ｂｙ　ｍａｋｉｎｇ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｉｌ　ｔｕｂｅ　ａｎｄ　ｂｕｓｈｉｎｇ　ｉｓ　

ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｉｓ　ｓｅｎｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｏｉｌ　ｔｕｂｅ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｂｕｓｈｉｎｇ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｏｉｌ　ｂｕｓｈｉｎｇ　

ｃｏｎｎｅｃｔｅｒ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂｏｔｔｏｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｉｌ　ｔｕｂｅ，ｖｉａ　ａ　ＡＣ—ＤＣ—ＡＣ　ｉｎｖｅｒｓｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅ　ｏｉｌ　ｔｕｂｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｓｕｐｐｌｙ，ＳＯ　ｈｅａｔ　ｅｎｅｒｇｙ　

ｉｓ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ　ｂｙ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｗｅｒ．ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｈｅａｔ　ｔｈｅ　ｃｒｕｄｅ　Ｏｉ１　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｕｂｅ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　

ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ—ｌｉｎｅ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ　ｗａｘ　ｃｏａｇｕｌａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｕｂｅ　ｗａｌ１．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｅｄｉｕｍ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｏｉｌ　ｔｕｂｅ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｈｅａｔｉｎｇ　

１　引言　

稠油和高凝油因含大量的沥青胶质和蜡质，粘度　

量。国内外的稠、凝油的开采主要以加热为主，归结起　

来可分为三类：注热水或热浇、化学降粘、电加热。美　

国以电加热带加热技术为主，俄罗斯以交流线圈加热技　

术为主，国内以空心抽油杆单相交流电加热为主【１　】。　

美国的电加热带加热技术和俄罗斯交流线圈的加热技　

大，流动性差，开采时需要采取一定的措施来降低其粘　

度。稠油开采主要有研究合适的开采技术，可以降低开　

采成本，提高产量。国内以空心抽油杆单相交流电加热　

为主，存在单相电源的过多使用导致三相配电系统的不　

平衡和油管结蜡问题。　

稠油和高凝油因含大量的沥青胶质和蜡质，粘度　

大，流动性差，开采时需要采取一定的措施来降低其粘　

度。研究合适的开采技术，可以降低开采成本，提高产　

术都存在工艺复杂，热效低，维修困难等弊病。单相工　

频加热技术，存在如下几个问题：　

（１）　单相电源的过多使用导致三相配电系统的不　

平衡，中性点的严重偏移，损耗加大，故障率高，同时对　

电网危害较大，　

（２）　由于三相电压不平衡，造成某一相电流值偏　

大，超出变压器的额定运行电流，必须对变压器进行　

收稿日期：２　０１１—１１—０　３　

行业应用与交流　

ｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　Ｃ０ｍｍｕｎｉｃａｔｉ０ｎｓ　

《自动化技术与应用》２０１　１年第３０卷第１　２期　

增容，增加了容量电费的支出，配电设备的容量利用　

率较低。　

ＧＬ为隔离电抗器；Ｃｌ一　、Ｃｌ，　为电解电容（ｎ＝６或８）；　

ＩＧＢＴ１

４

为绝缘栅型双极晶体管；Ｂ为非晶态变压器；Ｕ。　

（３）　单相供电对电网造成的不平衡扰动，会对抽油　

机电机、三相配电变压器等其它用电设备产生较大影　

为变频逆变输出电压。　

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响。三相不对称电源会导致电机绕组中有负序分量电　

流。而负序电流在电机运行过程中是起制动作用的，它　

们都将以热的形式损耗在电机中，造成许多附加损耗。　

这些损耗不但增加了耗电量，提高了生产成本，而且也　

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加速了设备的老化，增加了维修费用等【　】。　

（４）　由于是单相工频加热，电源控制柜的功率因数　

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较低，加热效率较低；　

为此，我们提出三相平衡供电、智能分时控制、输　

出频率在５０００Ｈｚ附近可调的中频电加热技术，实验表明　

节电效果明显。　

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图２　油管电加热装置连接示意图　

２　原理　

２．１　ＡＣ—ＤＣ—ＡＣ逆变系统　

ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ逆变系统电路如图１所示。输入电压　

是工频、三相ＡＣ　３８０Ｖ。在输入端采用二极管整流器，　

将工频下的三相交流电整流成直流。然后经过滤波，由　

２．２中频油管电加热　

中频油管电加热技术利用油井中的油管做热源体，　

将电能转化成热能直接加热井筒内的液体，化蜡、降　

粘，使井筒内的原油在举升过程中的温度始终保持在原　

油凝固点以上连续生产。　

如图２所示，对称的三相工频交流３８０Ｖ电压被逆变　

为单相４０—１００Ｈｚ的交流电压，直接加在采油油管上，经　

油管下部的油套管接触器连接到套管，形成一个完整的　

回路。根据焦耳一楞次定律，当电流通过油管和井壁套　

管时，因具有一定的电阻而发热，产生的热量与电流的　

平方成正比。电能直接转化成热能，加热管内液体。绝　

全桥逆变器变换成频率和占空比在一定范围内均可调　

节的单相交流电，通过隔离变压器输出。　

缘隔离管连接上下油管，保证了井口设备安全。油套管　

扶正器安装在油管上，保证油管与套管隔离。光杆下面　

连接绝缘抽油杆（绝缘抽油杆下侧仍为常规抽油杆），以　

Ｄ卜５　一　

避免电能传送给地面设备。　

由于采油油管是加热体，因此避免了采油过程中管　

壁结蜡的问题。　

图１　“交流一直流一交流”逆变系统电路图　

如图２所示，ＡＣ—ＤＣ—ＡＣ逆变系统封装在一个控　

制柜中。逆变系统的输出电压直接加在采油油管上。由　

２．３油管加热参数和特点　

油管加热技术参数如下：　

●

●

●

●

●

输入电压：三相ＡＣ　３８０　Ｖ　

输入频率：５０　Ｈｚ　

输出频率：５０００Ｈｚ　

输出电压：０　Ｖ，３００　Ｖ，３５０　Ｖ，４００　Ｖ　

输出功率：０—１００　ｋＷ　

于油管是热源体，呈现传输线的特性，因此输出电压的　

频率不能太高，否则引起油管发热不均匀。频率范围的　

最佳值为５０００Ｈｚ左右。　

由于采用ＡＣ—ＤＣ—ＡＣ逆变系统供电，三相电压转　

换为单相电压，电网不平衡问题得到了解决。　

Ｕ、Ｖ、Ｗ与三相３８０Ｖ电源连接；Ｊ为交流接处器；　

油管加热特点：　（下转第９６页）　

自动化技术与应用》２０１１年第３０卷第１２期　

哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，１９９７：１－６０．　

行业应用与交流　

ｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　

’　

版社，１９８９：２９—３２．　

［８］Ｊ．ＣＡＩ．Ｊ．ＧＡＯ．Ｊ．ＺＨＡＯ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＦＰＧＡ　ａｎｄ　

ＣＰＬＤ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｒａｄａｒ—ｓｉｇｎａｌ　Ｓｏｒｔｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓｅｒ［Ｊ】．Ｓｙｓｔｅｍｓ　

【２】潘松．ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ在电子设计中的应用前景［Ｊ］．电子　

技术应用，１９９９，７：７－８．　

【３】张琛．直流无刷电动机原理及应用［Ｍ】．北京：机械工业　

出版社，２００４：１８－２３．　

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００１，２３（１０）：２２－２４．　

【４】周立功，夏宇闻等．单片机遇ＣＰＬＤ综合应用技术［Ｍ］．　

北京：北京航空航天大学出版社，２００３：２６－１７７，２４０－２９５．　

［５］林瑞仕．船舶襟翼舵伺服系统设计与实现【Ｄ】．哈尔滨：哈　

尔滨工程大学，２００８．　

【６】陶永华．新型ＰＩＤ控制及其应用【Ｍ】．北京：机械工业出　

版社，２００５：ｌ—ｌ５．　

作者简介：李鹏（１　９　７　７一），男，工程师，主要从事实时数据处　

理与安全控制方面的研究。　

【７】孙增圻．计算机控制理论及应用［Ｍ】．北京：清华大学出　

（上接第９１页）　

●　三相平衡供电，降低了对电网的影响；　

●　直接对油管加热，因此可以避免油管结蜡，提　

高稠、凝油的采油效率；　

率是３６．５ｋＷ，消耗电能３１９７４０ｋＷｈ，电费１４７４９６元（见　

表２）。中频油管加热与工频空心杆加热相比节约电能　

２０．８％（见表３）。　

●　由于采用绝缘栅型双极晶体管ＩＧＢＴ，逆变电　

源体积小、重量轻。　

４　结束语　

本技术有效地解决了电网扰动和油管结蜡问题。　

由于井下加热元件为油管本身，井下装置基本没有维护　

工作量，可以重复利用，提高了电加热装置的使用寿命。　

由于该技术是直接对油管加热，杜绝了油管的结蜡问　

３　应用　

ＡＣ—ＤＣ—ＡＣ逆变系统适合于稠、凝油电加热开　

采。　该技术已经用于辽河油田沈阳采油厂的高凝油开　

采，目前运行情况良好。表１—３给出了两口井的节电测　

试结果。　

题，避免了油井经常性地洗井，提高了油井的生产时率。　

同时采油油管变频加热控制柜的功率因数能达到０．９６　

表１　工频空心杆加热　

以上，减少了无功损耗，提高了设备容量的利用率。　

参考文献：　

【１】ＨＹＫＥＮ　ＫＥＮＴ　Ｂ．，Ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｆｏｒ　

Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ　ｏｆ　Ｖｉｓｃｏｕｓ　Ｄｅｐｏｓｉｔｓ　ｂｙ　Ｔｈｅｒｍａｌ　

表２　中频油管加热　

Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｐ】．ＵＳ：５８１６３２５，１９９８，１０．　

［２］ＺＡＫＩＥＶ　ＧＡＭＢＡＲ　ＺＡＫＩＥＶＩＣＨ，Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｄｅ－　

ｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ—ｖｉｓｃｏｕｓ　Ｏｉｌ　ａｎｄ　Ｂｉｔｕｍｅｎ　Ｄｅｐｏｓｉｔｓ［Ｐ］，　

ＲＵ：２０８５７１５，１９９７，７．　

【３］郎明峰．井筒降粘技术的特点及能耗分析［Ｊ］．内江科技，　

２０１０，（９）：６２－６３．　

表３　

油井序号　

中频油管加热与工频空心杆加热对比　

平均值　

２０．８％　

【４】彭仁林等．空心杆电加热采油技术的改进　．石油地质与　

工程，２００７，（１）：９３－９４．　

对比结果　

电费ｌｋＷｈ按０．４６１３元计算，一年按运行３００天计　

算。表１给出的是单相工频空心杆加热时的用电情况。　

单相工频空心杆加热一年平均消耗功率是４５．５ｋＷ，消　

耗电能３９８５８０ｋＷｈ，电费１８３８６４．５元。应用了ＡＣ—ＤＣ—　

ＡＣ逆变系统的三相中频油管加热后，一年平均消耗功　

作者简介：钱振斌（１　９　６　７一），男，工程师，主要从事热工设计。　

本文标签： 油管加热技术电加热