前言
在我國石油(you)(you)開(kai)(kai)采中(zhong)，稠油(you)(you)井(jing)的(de)比例占相當大一部分(fen)，這類(lei)(lei)井(jing)原(yuan)油(you)(you)粘度高(gao)(gao)、凝固(gu)點高(gao)(gao)、密度大、含蠟量(liang)高(gao)(gao)，難以(yi)開(kai)(kai)采。目前(qian)國內(nei)外開(kai)(kai)采這類(lei)(lei)油(you)(you)井(jing)的(de)最(zui)廣泛,效(xiao)果最好的(de)(de)(de)采(cai)油(you)(you)工藝(yi)技(ji)(ji)術是(shi)稠油(you)(you)熱采(cai)。采(cai)用空(kong)心(xin)桿(gan)電加(jia)熱工藝(yi)技(ji)(ji)術，對油(you)(you) 管內(nei)的(de)(de)(de)原(yuan)油(you)(you)進行全程加(jia)熱，以降低(di)原(yuan)油(you)(you)粘度，防止油(you)(you)管內(nei)結蠟(la)，提高原(yuan)油(you)(you)流動(dong)性(xing)。有效(xiao)的(de)(de)(de)解決高凝、高粘、高含蠟(la)原(yuan)油(you)(you)開采(cai)過程中遇到(dao)的(de)(de)(de)各(ge)種(zhong)技(ji)(ji)術難題，達到(dao)油(you)(you)井增產、增效(xiao)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。
以前的空(kong)心桿加熱(re)技(ji)術，采用(yong)工頻加熱(re)，因(yin)負(fu)載為單相，需要有一個獨立的 變壓器，將三相(xiang)(xiang)輸(shu)(shu)入(ru)變為單相(xiang)(xiang)輸(shu)(shu)出(chu)，造成三相(xiang)(xiang)電(dian)網(wang)的(de)不(bu)平衡(heng)，功率因數低，電(dian)能(neng)(neng)消耗(hao)大(da)，對電(dian)網(wang)的(de)污染大(da)，加熱效(xiao)果不(bu)明顯(xian)，造成電(dian)能(neng)(neng)的(de)極大(da)浪費。因此，需要(yao)探討一種先進的(de)加熱方式，以提高 功效，增強加熱效果。經過(guo)多方試驗，采用現已(yi)掌握的(de)較成熟的(de)變頻技術，為該加熱裝置提供一種(zhong)新的(de)變頻電(dian)源—PI500-I系列中頻加熱(re)電源(yuan)。
該(gai)設備(bei)可提供最高 10——3000Hz 的(de)頻率，實現了輸出(chu)電壓、電流(liu)的(de)連(lian)續可(ke)調，以達到(dao)輸出(chu)功(gong)率連(lian)續可(ke)調的(de)目 的(de)，由于中頻電源渦流(liu)感應(ying)加強,導(dao)致集膚效應更強(qiang),漏(lou)磁減少(shao),因此(ci)電加熱效果(guo)大(da)大(da)好于工頻電源,節(jie)能(neng)效(xiao)果(guo)達(da)到 20%以上，大大地(di)降低了采油生產能源的消耗。
空心桿電加熱裝置工作原理如下圖所示：
該裝置是將空心抽(chou)(chou)油(you)(you)桿內穿(chuan)過電纜(lan)并與(yu)抽(chou)(chou)油(you)(you)桿桿體形(xing)成回路，通以工頻交流電，利用內集(ji)膚效應原(yuan)(yuan)(yuan)理在(zai)空心抽(chou)(chou)油(you)(you)桿壁上產生熱(re)能，對油(you)(you)管內原(yuan)(yuan)(yuan)油(you)(you)進行全程加(jia)熱(re)，提高油(you)(you)管內原(yuan)(yuan)(yuan)油(you)(you)溫(wen)度(du)，降低原(yuan)(yuan)(yuan)油(you)(you)粘度(du)，改善(shan)其流動性，防止油(you)(you)管內原(yuan)(yuan)(yuan)油(you)(you)結蠟，從而有效地開(kai)采(cai)高凝、高粘、高含(han)蠟原(yuan)(yuan)(yuan)油(you)(you)。
集膚效應原理如下圖所示：
空心抽(chou)(chou)油(you)桿(gan)(gan)(gan)電(dian)加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)裝置在(zai)空心抽(chou)(chou)油(you)桿(gan)(gan)(gan)內下入加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)電(dian)纜，使空心抽(chou)(chou)油(you)桿(gan)(gan)(gan)和加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)電(dian)纜組成通電(dian)回路，利用集膚效應加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)原理(li)使原油(you)在(zai)井筒內得到加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)，從而起到降粘、清蠟作用 。集(ji)膚(fu)效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)，又叫(jiao)趨膚(fu)效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)，是(shi)當交變電流(liu)通過(guo)導體(ti)時，電流(liu)會聚集(ji)于導體(ti)表層，而非平均(jun)分布于整個導體(ti)的截面中，電流(liu)集(ji)中在導體(ti)表面流(liu)過(guo)，這種現象叫(jiao)集(ji)膚(fu)效(xiao)(xiao)應(ying)(ying)。
當鋼管(guan)中(zhong)穿過(guo)電纜形(xing)成回路并通過(guo)交流(liu)電流(liu)時，鋼管(guan)截面中(zhong)電流(liu)主要集中(zhong)在鋼管(guan)內表面，此現象稱為內集膚(fu)效(xiao)應，而鋼管(guan)的(de)外 表(biao)面幾乎沒有電(dian)(dian)流(liu)通過，空(kong)心(xin)桿外壁可視為絕緣(yuan)體，這種現象(xiang)不僅(jin)隨著(zhu)頻率(lv)的(de)(de)增高而(er)(er)明(ming)顯加(jia)強，而(er)(er)且還隨著(zhu)導(dao)(dao)體半徑、磁導(dao)(dao)率(lv)和電(dian)(dian)導(dao)(dao)率(lv)的(de)(de)增高而(er)(er)表(biao)現的(de)(de)更加(jia)顯著(zhu)。電(dian)(dian)加(jia)熱抽油桿就是(shi)利用內集膚效應工作的(de)(de)，由于空(kong)心(xin)抽油桿的(de)(de)交(jiao)流(liu)阻抗遠大于導(dao)(dao)線的(de)(de)電(dian)(dian)阻，空(kong)心(xin)抽油桿為主(zhu)要(yao)發熱體。
PI500-I系列中頻電源工作原理如下圖所示：
中(zhong)頻(pin)加熱(re)電源主(zhu)電路為 AC-DC-AC 變頻結構(gou)，由整流電路(lu)(lu)、濾波、逆變電路(lu)(lu)和保護電路(lu)(lu)組成。其工作原(yuan)理(li)是將三相50Hz 工頻交流(liu)電(dian)(dian)經過三相全(quan)控整(zheng)流(liu)橋整(zheng)流(liu)成電(dian)(dian)壓可調的(de)脈動直流(liu)，再通過電(dian)(dian)容將脈動 的(de)直流(liu)(liu)(liu)電濾波變(bian)成光滑平穩的(de)直流(liu)(liu)(liu)電送到單相逆變(bian)橋(qiao)，最后通過(guo)逆變(bian)橋(qiao)將直流(liu)(liu)(liu)電變(bian)成單相頻率可調的(de)中頻交流(liu)(liu)(liu)電供給負載。
產品(pin)性能特點(dian)
采用 32 位美國德州儀器 TI 公司(si)專用(yong)控制芯片 DSP，控制系(xi)統性(xing)能增強，電路簡化(hua)，負載適應性強(qiang)。實(shi)現電源控制的全數字化(hua)，智(zhi)能化(hua)。
采用先進的(de)大功(gong)(gong)率(lv)絕(jue)緣(yuan)柵雙極性晶體管（IGBT）作為功(gong)(gong)率(lv)開關(guan)器件，逆變(bian)頻率(lv)可(ke)調。
具(ju)有相序自適應功(gong)能，無需鑒別(bie)進線相序。輸出(chu)可(ke)進行恒(heng)功(gong)率、恒(heng)電壓、恒(heng)電流控制(zhi)。
采用零壓軟啟(qi)動,啟動(dong)成功率高無沖擊。完全能夠滿足(zu)廣大熱加工行業用(yong)戶(hu)的需求。
采(cai)用掃描式零壓啟(qi)動(dong)(dong)方式和自(zi)動(dong)(dong)重復啟(qi)動(dong)(dong)電路，啟(qi)動(dong)(dong)成功率可達 100%。
采用中頻電壓(ya)作為 取樣信號(hao)，無中頻電流互感器，輸(shu)出部分和負載(zai)的 連接不需區分極性(xing)。
人機對話的(de)顯示(shi)界面，可通過鍵盤的(de)選擇顯示(shi)工作頻率及電(dian)流，輸出脈沖的(de)占空比、電(dian)流變比等(deng)， 并可顯(xian)示故障狀態及(ji)原因，使顯(xian)示更直觀，更易于(yu)操作。
輸出電壓、電流(liu)連續可調，可以使加(jia)熱系統處于最佳工作狀(zhuang)態(tai)，能源利(li)用 率高(gao)，節(jie)能效果明顯恒輸出電壓/恒輸出功率(lv)控制選(xuan)擇功能。
輸出部分采用環形中(zhong)頻變壓(ya)(ya)器，用于(yu)隔(ge)離輸入(ru)、輸出電壓(ya)(ya)，同時經電容組與控制柜(ju)輸出相(xiang)連接，起到隔(ge)直作用，防止由(you)于(yu)直流偏磁或過勵磁產生(sheng)的磁飽(bao)和，同時可起 到串聯諧振的作用。 中(zhong)頻變壓器為(wei)非(fei)晶(jing)鈦材料(liao)，導磁率(lv)高，工作頻率(lv)高，自(zi)身能量損耗極低(di)，整機效率(lv) 提高(gao)。若(ruo)頻率再提高(gao)，其體積可(ke)做得更(geng)小，工作效率更(geng)高(gao)。保護功能(neng)齊全。設置了過(guo)流、短路(lu)、機內溫升過(guo)高(gao)及過(guo)、欠 壓(ya)保護(hu)，功能更齊全(quan)，工作(zuo)更可靠，避(bi)免了由(you)于(yu)各(ge)種不正常因(yin)素而造成的損壞。
高(gao)效節能，全(quan)功(gong)率范圍內，極(ji)高(gao)的(de)功(gong)率因數(shu)。
頻率與(yu)加熱效果的關系
鋼管在交(jiao)流電(dian)下的(de)阻抗顯著大于它的(de)直(zhi)流 電阻，因為鋼管是鐵(tie)磁質材料，它的磁導率要比(bi)銅高(gao)1000倍。隨(sui)著電(dian)流頻率(lv)(lv)的升高(gao)，空(kong)心抽油桿阻抗(kang)也隨(sui)之增大(da)，根據能量守恒的原理，在相同輸入功率(lv)(lv)下，電(dian)源頻率(lv)(lv)越高(gao)，集(ji)膚效(xiao)(xiao)應越強烈，則空(kong)心抽油桿阻抗(kang)也越 大(da)，其獲得(de)的有(you)效(xiao)(xiao)電(dian)功率(lv)(lv)越就(jiu)越大(da)，使電(dian)源自損(sun)降低到最(zui)低限度(du)，從而節約(yue)了大(da)量的電(dian)能，并獲得(de)了良好的加(jia)熱效(xiao)(xiao)果。
應用效果：
遼河(he)油田應用現(xian)場
大(da)慶油田應用現場(chang)
華北油田應(ying)用現場
PI500-I系列產品面(mian)市以來，在大慶油(you)田(tian)、長(chang)慶油(you)田(tian)、勝利油(you)田(tian)、華北油(you)田(tian)、遼(liao)河(he)油(you)田(tian)、玉門油(you)田(tian)等幾個稠油(you)井分布的區域內成功運(yun)用(yong)。通過(guo)現場(chang)調整，結合(he)加熱電纜及功率，一般將頻(pin)率調400Hz-1000Hz 左右，比工頻提高了(le)10幾(ji)倍，根據(ju)功率調整(zheng)電(dian)流，一般75kW 的(de)電(dian)源輸(shu)出(chu)電(dian)流在80A左(zuo)(zuo)右(you)，93kW的(de)電(dian)源在100A左(zuo)(zuo)右(you)，通過(guo)中頻(pin)變(bian)壓(ya)器，輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)800V左(zuo)(zuo)右(you)（串聯輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)：600V、800V、1000V、1200V），其加熱效果十分明顯(xian)較之(zhi)工頻(pin)加熱具有明顯(xian)的(de)優(you)勢。
1、功(gong)率因數明顯提高，原(yuan)工頻加熱，功(gong)率因數約在 0.7 左右，而用變(bian)頻加熱，經測試都在 0.95 以(yi)上 。
2、減少了對電網(wang)的污染。原工頻加熱，需三相變(bian)二(er)相，造成變(bian)壓(ya)器輸入三相電壓(ya)嚴重不平衡(heng)，對電網(wang)污染嚴重。應(ying)用變(bian)頻器以后(hou)，功率(lv)因數提高，諧波(bo)含量(liang)明顯減少，減輕了對電網(wang)的污染。
3、加(jia)(jia)熱(re)效果明顯 。根據集膚效應，頻率提(ti)高后(hou)，負載所獲得的能量提(ti)高，線路損(sun)耗也(ye)(ye)相應減少從而提(ti)高了加(jia)(jia)熱(re)效果。據測試(shi)，變(bian)頻加(jia)(jia)熱(re)可比工(gong)頻加(jia)(jia)熱(re)提(ti)前 1—2小時達到預定效果，而且(qie)溫度也(ye)(ye)要高。
4、 保(bao)(bao)護(hu)功(gong)能(neng)齊(qi)(qi)全。 原工頻(pin)柜因無單片(pian)機控制(zhi)，其保(bao)(bao)護(hu)功(gong) 能(neng)差，往往由(you)于(yu)負載的(de)(de)短(duan)路、斷路及電壓(ya)的(de)(de)不(bu)穩(wen)定(ding)，造成變(bian)(bian)壓(ya)器燒毀(hui)、工作不(bu)穩(wen)定(ding)。而變(bian)(bian)頻(pin)電源柜由(you)于(yu)DSP 的(de)(de)控制(zhi)，其保(bao)(bao)護(hu)功(gong)能(neng)齊(qi)(qi)全，避免(mian)了由(you)于(yu)電網(wang)及負載的(de)(de)故障(zhang)引(yin)起的(de)(de)問題，保(bao)(bao)證系統(tong)的(de)(de)穩(wen)定(ding)運(yun)行。
5、節能(neng)效果(guo)明顯。據測試，每臺變(bian)(bian)頻(pin)(pin)電源(yuan)柜比相(xiang)應的(de)(de)工頻(pin)(pin)柜節電都在 20%左右，有力的(de)(de)節約了電能(neng)，提高(gao)了工作效率，保證了加(jia)熱系統的(de)(de)效果(guo)。 總(zong)之，變(bian)(bian)頻(pin)(pin)加(jia)熱是(shi)稠油熱采(cai)(cai)的(de)(de)一次(ci)革(ge)命。我國的(de)(de)稠油資源(yuan)相(xiang)當豐富(fu)，推廣該(gai)技術， 是(shi)采(cai)(cai)油行業節能(neng)減排和(he)提高(gao)效率的(de)(de)有效途徑。
結束語
空心(xin)桿電加(jia)熱(re)(re)裝置中(zhong)(zhong)，電熱(re)(re)桿產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)熱(re)(re)量(liang)并(bing)不是一成不變的(de)(de)(de)，越(yue)靠近地(di)(di)面，單(dan)位(wei)長度(du)(du)(du)產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)熱(re)(re)量(liang)越(yue)多，越(yue)向下(xia)單(dan)位(wei)長度(du)(du)(du)產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)熱(re)(re)量(liang)越(yue)少。原油(you)在(zai)提升(sheng)的(de)(de)(de)過程中(zhong)(zhong)，地(di)(di)層(ceng)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)逐漸降低(di)，利(li)用(yong)電熱(re)(re)桿加(jia)熱(re)(re)功率和地(di)(di)層(ceng)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)變化機理，可(ke)以用(yong)較小的(de)(de)(de)功率使井(jing)筒(tong)內原油(you)保持一定的(de)(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)。由于電源頻(pin)(pin)率越(yue)高，寄生(sheng)(sheng)電容截(jie)取(qu)的(de)(de)(de)電流越(yue)大，所(suo)以在(zai)相(xiang)同的(de)(de)(de)井(jing)況條件下(xia)，中(zhong)(zhong)頻(pin)(pin)電加(jia)熱(re)(re)裝置采(cai)用(yong)較小的(de)(de)(de)加(jia)熱(re)(re)功率就會(hui)取(qu)得(de)良好的(de)(de)(de)加(jia)熱(re)(re)效(xiao)果，試驗(yan)結果表明，中(zhong)(zhong)頻(pin)(pin)加(jia)熱(re)(re)與工頻(pin)(pin)加(jia)熱(re)(re)對比，在(zai)井(jing)口原油(you)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)相(xiang)同的(de)(de)(de)情況下(xia)，加(jia)熱(re)(re)功率平均低(di)10~20KW，節電率在(zai)15%以上(shang)。
