前言
在(zai)我國(guo)石油開(kai)采(cai)中(zhong)，稠油井的比例占相當大(da)一部分，這(zhe)類井原油粘度(du)(du)高(gao)、凝(ning)固(gu)點高(gao)、密度(du)(du)大(da)、含蠟(la)量(liang)高(gao)，難(nan)以開(kai)采(cai)。目前(qian)國(guo)內外開(kai)采(cai)這(zhe)類油井的最廣泛,效果(guo)最好的(de)采油(you)(you)工藝技(ji)術是稠油(you)(you)熱采。采用空(kong)心桿電(dian)加熱工藝技(ji)術，對油(you)(you) 管(guan)內的(de)原(yuan)油(you)(you)進行全程加熱，以降(jiang)低原(yuan)油(you)(you)粘(zhan)度，防止(zhi)油(you)(you)管(guan)內結(jie)蠟，提高(gao)原(yuan)油(you)(you)流動性。有效的(de)解決高(gao)凝、高(gao)粘(zhan)、高(gao)含蠟原(yuan)油(you)(you)開采過程中遇(yu)到(dao)的(de)各(ge)種技(ji)術難(nan)題(ti)，達到(dao)油(you)(you)井增產、增效的(de)目(mu)的(de)。
以前的空心桿加(jia)熱技術，采用工頻加(jia)熱，因負載(zai)為單相，需要(yao)有(you)一個獨立的 變(bian)壓器(qi)，將三(san)相輸(shu)入變(bian)為單相輸(shu)出，造成(cheng)三(san)相電(dian)(dian)網(wang)(wang)的不平衡，功率因數低，電(dian)(dian)能消(xiao)耗大，對電(dian)(dian)網(wang)(wang)的污(wu)染大，加熱效果不明顯，造成(cheng)電(dian)(dian)能的極(ji)大浪費(fei)。因此，需要探討一種(zhong)先進的加熱方式，以提高 功(gong)效(xiao)，增(zeng)強加(jia)熱(re)效(xiao)果。經過(guo)多方試驗(yan)，采用現(xian)已掌握的較(jiao)成熟的變頻(pin)技術(shu)，為該加(jia)熱(re)裝(zhuang)置(zhi)提供一種新的變頻(pin)電源—PI500-I系(xi)列中頻加熱電(dian)源。
該設備可提(ti)供最高 10——3000Hz 的(de)頻率，實現了(le)輸出電(dian)(dian)壓、電(dian)(dian)流的(de)連(lian)續可調(diao)，以達到(dao)輸出功率連(lian)續可調(diao)的(de)目 的(de)，由于中頻電(dian)(dian)源渦流感(gan)應加強,導致集膚效應更強,漏磁減少,因此(ci)電加熱(re)效(xiao)果大大好(hao)于(yu)工(gong)頻電源,節能(neng)效(xiao)果達到 20%以上，大(da)大(da)地降低了采油(you)生產(chan)能源(yuan)的消耗。
空心桿電加熱裝置工作原理如下圖所示：
該裝置(zhi)是將空心抽(chou)油(you)(you)桿(gan)內穿過電(dian)纜(lan)并與(yu)抽(chou)油(you)(you)桿(gan)桿(gan)體形成回路，通以(yi)工頻(pin)交流電(dian)，利(li)用(yong)內集(ji)膚效應原(yuan)(yuan)理在空心抽(chou)油(you)(you)桿(gan)壁(bi)上產生熱能，對油(you)(you)管(guan)內原(yuan)(yuan)油(you)(you)進行全(quan)程加熱，提高(gao)油(you)(you)管(guan)內原(yuan)(yuan)油(you)(you)溫度(du)，降低原(yuan)(yuan)油(you)(you)粘(zhan)度(du)，改善其流動性，防止(zhi)油(you)(you)管(guan)內原(yuan)(yuan)油(you)(you)結蠟(la)，從而(er)有效地(di)開采高(gao)凝、高(gao)粘(zhan)、高(gao)含蠟(la)原(yuan)(yuan)油(you)(you)。
集膚效應原理如下圖所示：
空心抽(chou)(chou)油(you)(you)(you)桿電(dian)加(jia)(jia)(jia)熱裝置在空心抽(chou)(chou)油(you)(you)(you)桿內下入加(jia)(jia)(jia)熱電(dian)纜，使空心抽(chou)(chou)油(you)(you)(you)桿和加(jia)(jia)(jia)熱電(dian)纜組成通電(dian)回路，利用(yong)集膚(fu)效應(ying)加(jia)(jia)(jia)熱原理使原油(you)(you)(you)在井筒內得到加(jia)(jia)(jia)熱，從而起到降(jiang)粘、清蠟作用(yong) 。集膚(fu)效(xiao)應(ying)(ying)，又(you)叫(jiao)趨膚(fu)效(xiao)應(ying)(ying)，是當交變電流(liu)通(tong)過導體(ti)時，電流(liu)會聚集于導體(ti)表(biao)層，而(er)非(fei)平均分布(bu)于整個導體(ti)的截面中，電流(liu)集中在導體(ti)表(biao)面流(liu)過，這(zhe)種現象叫(jiao)集膚(fu)效(xiao)應(ying)(ying)。
當(dang)鋼管(guan)(guan)中穿過電(dian)(dian)纜形成回路(lu)并通過交流電(dian)(dian)流時，鋼管(guan)(guan)截面中電(dian)(dian)流主要集(ji)中在(zai)鋼管(guan)(guan)內(nei)表面，此現象(xiang)稱為(wei)內(nei)集(ji)膚效應，而鋼管(guan)(guan)的外 表面幾乎(hu)沒(mei)有電流(liu)通過，空心(xin)(xin)桿(gan)外壁可視為(wei)絕緣(yuan)體，這種現象不僅隨(sui)(sui)著(zhu)頻率(lv)(lv)的(de)增高而(er)明(ming)顯加強，而(er)且還(huan)隨(sui)(sui)著(zhu)導(dao)體半徑、磁導(dao)率(lv)(lv)和電導(dao)率(lv)(lv)的(de)增高而(er)表現的(de)更加顯著(zhu)。電加熱抽(chou)油桿(gan)就是利用內集膚效應工(gong)作的(de)，由于(yu)(yu)空心(xin)(xin)抽(chou)油桿(gan)的(de)交流(liu)阻抗遠大于(yu)(yu)導(dao)線的(de)電阻，空心(xin)(xin)抽(chou)油桿(gan)為(wei)主要(yao)發(fa)熱體。
PI500-I系列中頻電源工作原理如下圖所示：
中頻加熱電源主電路為 AC-DC-AC 變(bian)頻結構，由整流電(dian)(dian)路、濾波、逆變(bian)電(dian)(dian)路和保護(hu)電(dian)(dian)路組成。其工作原(yuan)理(li)是將三相50Hz 工頻交流(liu)電經過(guo)三相全控整(zheng)流(liu)橋整(zheng)流(liu)成電壓可調(diao)的脈動直流(liu)，再通過(guo)電容將脈動 的直(zhi)流(liu)(liu)電(dian)濾波(bo)變成光(guang)滑平穩的直(zhi)流(liu)(liu)電(dian)送到單相(xiang)逆(ni)變橋，最(zui)后通過逆(ni)變橋將(jiang)直(zhi)流(liu)(liu)電(dian)變成單相(xiang)頻率可調(diao)的中頻交流(liu)(liu)電(dian)供給負載。
產品性(xing)能(neng)特(te)點(dian)
采用 32 位美國德州儀器 TI 公司(si)專用控(kong)制芯片 DSP，控制系統性能增強，電路簡化(hua)，負載適應(ying)性強。實(shi)現(xian)電源控(kong)制的全數(shu)字化(hua)，智能化(hua)。
采用先進的(de)大功率絕緣(yuan)柵雙極(ji)性晶(jing)體管（IGBT）作為功率開(kai)關(guan)器件，逆變頻率可調。
具有相(xiang)序(xu)自適應功能，無需鑒別進線相(xiang)序(xu)。輸出可(ke)進行(xing)恒功率、恒電(dian)(dian)壓(ya)、恒電(dian)(dian)流(liu)控制。
采用零壓(ya)軟啟動,啟(qi)動成功率高無沖擊。完全(quan)能夠滿足(zu)廣大(da)熱加工行(xing)業用戶的需求。
采(cai)用掃描(miao)式(shi)零壓啟動方式(shi)和自動重(zhong)復啟動電路，啟動成功(gong)率可達(da) 100%。
采用中頻電(dian)壓作為 取樣(yang)信號(hao)，無中頻電流互感器(qi)，輸出(chu)部分(fen)和負載的(de) 連接不需區分(fen)極性。
人機對(dui)話的顯示界面，可通過(guo)鍵盤的選擇顯示工作(zuo)頻率及電流，輸出脈(mo)沖的占空比(bi)、電流變比(bi)等， 并可顯(xian)示(shi)故障狀態(tai)及原因，使顯(xian)示(shi)更直觀，更易于操作。
輸出電壓(ya)、電流(liu)連續(xu)可調，可以使加熱系統處于(yu)最(zui)佳工作狀態，能(neng)源利用 率高，節能效果明顯(xian)恒輸出電(dian)壓/恒輸(shu)出功(gong)率(lv)控(kong)制(zhi)選擇功(gong)能。
輸出(chu)部分(fen)采用環形中(zhong)頻變(bian)壓(ya)(ya)器，用于隔離(li)輸入、輸出(chu)電(dian)壓(ya)(ya)，同(tong)時(shi)經電(dian)容組與控制(zhi)柜輸出(chu)相連接，起到隔直(zhi)(zhi)作(zuo)用，防止由于直(zhi)(zhi)流偏磁或過(guo)勵磁產生的磁飽和，同(tong)時(shi)可起 到串聯(lian)諧振的(de)作用。 中頻變(bian)壓器為非晶鈦材料，導(dao)磁率高(gao)，工作頻率高(gao)，自身能(neng)量損耗極低，整機(ji)效率 提高(gao)。若頻率再提高(gao)，其體積可做得(de)更(geng)小，工作效率更(geng)高(gao)。保護功能齊全。設置(zhi)了過(guo)(guo)(guo)流、短路、機(ji)內(nei)溫升過(guo)(guo)(guo)高(gao)及過(guo)(guo)(guo)、欠 壓(ya)保(bao)護，功能更(geng)齊全，工作更(geng)可靠(kao)，避(bi)免了由(you)于各(ge)種不正(zheng)常因素(su)而造成的損(sun)壞。
高(gao)效節能，全功(gong)率范圍內，極高(gao)的功(gong)率因數。
頻率與加(jia)熱效果的關系
鋼管(guan)在交流電下的阻抗顯著大于它的直(zhi)流 電阻，因為鋼管是鐵磁質(zhi)材料，它的磁導率要比銅高1000倍。隨著電(dian)流頻(pin)率的(de)升高，空(kong)心抽油(you)桿(gan)阻抗也(ye)隨之(zhi)增大(da)，根據能量(liang)守(shou)恒的(de)原理，在相同輸入功率下(xia)，電(dian)源頻(pin)率越高，集膚效應越強(qiang)烈(lie)，則空(kong)心抽油(you)桿(gan)阻抗也(ye)越 大(da)，其(qi)獲(huo)得(de)的(de)有效電(dian)功率越就越大(da)，使電(dian)源自損降(jiang)低到最低限(xian)度，從(cong)而節(jie)約了大(da)量(liang)的(de)電(dian)能，并獲(huo)得(de)了良好的(de)加熱效果。
應用效果：
遼河油田應(ying)用現場
大(da)慶(qing)油田應用現場
華(hua)北油田應用現場(chang)
PI500-I系列產品面市以(yi)來，在大(da)慶(qing)(qing)油田(tian)、長慶(qing)(qing)油田(tian)、勝利油田(tian)、華北油田(tian)、遼河油田(tian)、玉門油田(tian)等幾個(ge)稠油井(jing)分(fen)布(bu)的(de)區域內成(cheng)功(gong)運用。通過現場調(diao)(diao)整，結合加熱電纜(lan)及(ji)功(gong)率，一般將頻率調(diao)(diao)400Hz-1000Hz 左右，比工(gong)頻提高(gao)了(le)10幾倍，根據功(gong)率調整電(dian)(dian)流，一般75kW 的(de)電(dian)(dian)源輸出(chu)電(dian)(dian)流在80A左(zuo)右，93kW的(de)電(dian)(dian)源在100A左(zuo)右，通過中頻變壓器，輸出(chu)電(dian)(dian)壓800V左(zuo)右（串聯輸出(chu)電(dian)(dian)壓：600V、800V、1000V、1200V），其加熱效果十分明顯較之工頻加熱具有明顯的(de)優勢。
1、功率(lv)因(yin)數明(ming)顯提高，原工頻加熱，功率(lv)因(yin)數約在 0.7 左(zuo)右，而用變頻加熱，經測試都在 0.95 以(yi)上 。
2、減少了對(dui)電(dian)(dian)網的污(wu)染。原工(gong)頻(pin)加熱，需三(san)相變二相，造成變壓器輸(shu)入三(san)相電(dian)(dian)壓嚴重不(bu)平(ping)衡，對(dui)電(dian)(dian)網污(wu)染嚴重。應用變頻(pin)器以后，功率因數提高(gao)，諧波(bo)含量明(ming)顯減少，減輕了對(dui)電(dian)(dian)網的污(wu)染。
3、加(jia)熱(re)效果(guo)明顯(xian) 。根據集膚效應，頻(pin)率(lv)提高(gao)后，負載所獲得的能量(liang)提高(gao)，線路(lu)損耗(hao)也相應減(jian)少從而(er)提高(gao)了加(jia)熱(re)效果(guo)。據測(ce)試(shi)，變頻(pin)加(jia)熱(re)可比工頻(pin)加(jia)熱(re)提前 1—2小時達到(dao)預定效果(guo)，而(er)且溫度也要(yao)高(gao)。
4、 保護(hu)功(gong)(gong)能(neng)齊(qi)全。 原工頻柜(ju)因無單片機(ji)控制(zhi)，其(qi)保護(hu)功(gong)(gong) 能(neng)差，往往由于負載(zai)的短路、斷路及電壓的不(bu)穩定(ding)(ding)，造成(cheng)變(bian)壓器燒毀、工作不(bu)穩定(ding)(ding)。而變(bian)頻電源(yuan)柜(ju)由于DSP 的控制(zhi)，其(qi)保護(hu)功(gong)(gong)能(neng)齊(qi)全，避免了由于電網及負載(zai)的故障引起(qi)的問題，保證(zheng)系統的穩定(ding)(ding)運行。
5、節(jie)能效(xiao)果(guo)明顯。據測試(shi)，每臺變頻(pin)電(dian)源(yuan)柜比相(xiang)應的(de)(de)工頻(pin)柜節(jie)電(dian)都(dou)在 20%左右，有力(li)的(de)(de)節(jie)約了(le)電(dian)能，提高(gao)了(le)工作效(xiao)率，保證了(le)加熱系統(tong)的(de)(de)效(xiao)果(guo)。 總之，變頻(pin)加熱是稠油熱采的(de)(de)一次革(ge)命(ming)。我國的(de)(de)稠油資(zi)源(yuan)相(xiang)當豐富，推(tui)廣該技術(shu)， 是采油行(xing)業(ye)節(jie)能減(jian)排和提高(gao)效(xiao)率的(de)(de)有效(xiao)途(tu)徑。
結束語
空心桿電(dian)(dian)加(jia)(jia)熱(re)裝置中(zhong)，電(dian)(dian)熱(re)桿產(chan)生(sheng)的熱(re)量并不是一成(cheng)不變(bian)的，越(yue)(yue)靠(kao)近地面，單位(wei)長度產(chan)生(sheng)的熱(re)量越(yue)(yue)多，越(yue)(yue)向下單位(wei)長度產(chan)生(sheng)的熱(re)量越(yue)(yue)少。原(yuan)油在(zai)提升的過程中(zhong)，地層溫度逐漸降低，利用(yong)電(dian)(dian)熱(re)桿加(jia)(jia)熱(re)功(gong)率和地層溫度的變(bian)化機理，可以用(yong)較(jiao)小(xiao)的功(gong)率使(shi)井筒(tong)內(nei)原(yuan)油保(bao)持一定的溫度。由于電(dian)(dian)源(yuan)頻(pin)率越(yue)(yue)高，寄生(sheng)電(dian)(dian)容截取的電(dian)(dian)流(liu)越(yue)(yue)大，所以在(zai)相同的井況條件下，中(zhong)頻(pin)電(dian)(dian)加(jia)(jia)熱(re)裝置采(cai)用(yong)較(jiao)小(xiao)的加(jia)(jia)熱(re)功(gong)率就會(hui)取得良好的加(jia)(jia)熱(re)效果(guo)，試驗結(jie)果(guo)表明(ming)，中(zhong)頻(pin)加(jia)(jia)熱(re)與(yu)工頻(pin)加(jia)(jia)熱(re)對比，在(zai)井口原(yuan)油溫度相同的情況下，加(jia)(jia)熱(re)功(gong)率平均低10~20KW，節(jie)電率在15%以(yi)上。
