第1章 绪论
1.1 课题研究的背景与意义
在科技日益发展的今天，化工业对石油开采的需求不断的提高，普通石油资源的开采量达不到社会对石油资源利用的需求。所以，在扩大常规石油资源开采量的同时，社会对难以被开采但储量巨大的稠油资源更加关注。根据全国稠油井分布的资料显示稠油资源的储量是普通原油的十几倍[1-3]。在国际上大部分产油国都分布着庞大的稠油储量。所以，扩大稠油井的开采规模是解决石油需求量大的有效措施。对于稠油资源来说因其开采的特殊性，粘度高、举升困难，采用普通开采的方法达不到理想的效果。在石油开采技术的最初时期，施工人员往往会选择易于开采的石油资源，而其他的稠油资源被封井搁置。但是近些年来，随着开采技术进一步的发展普通原油资源的逐步衰减，稠油资源的关注度进一步的增高。稠油资源的产量和开采规模也在逐渐提高，稠油资源的开采量占整个原油开采量的比重逐年增加，截止到现在我国的稠油资源开采量己占全国石油资源年产量的九分之一。随着稠油开采量的提高，一方面解决了因普通原油产量降低而造成的原油供不应求的问题；另一方面，由于开采技术的不成熟，成本偏高致使石油的价格提高的问题也变得日趋严重。因而，研究人员更倾向于对高效节能的稠油开采技术的研究。目前稠油资源开采工艺主要是：向油井中注入降粘剂（如化学制剂、蒸汽、热水等）和电加热技术等[4-6]。以上措施都能够达到稠油井高效开采的目的，但它们各自有着不同的应用领域。首先向油井中注入降粘剂是为了缓解井下稠油流动性困难的问题，使稠油很容易的举升到井上。然而防结蜡电加热技术目的是降低井筒内和井底的稠油粘度，使井筒内稠油很容易的举升到井上。电加热技术对开采低粘度稠油井有显著效果，同样也可以和向井中注入降粘剂配合开采高粘度稠油井。因而，目前稠油井开采作业普遍采用油井电加热技术。
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1.2 国内外的研究现状及分析
目前国内针对各油藏的构造采取不同的采油工艺。稠油油藏开采技术主要包括：蒸汽吞吐降粘、稀释降粘、化学降粘和电加热技术等。蒸汽吞吐就是先向油井注入一定量的蒸汽，关井一段时间，待蒸汽的热能向油层扩散后，再开井生产的一种开采重油的增产方法。蒸汽吞吐作业的过程可分为三个阶段，即注汽、焖井及回采[7]。稀释降粘主要是利用相似相容原理，加入溶剂降低稠油粘度，改善其流动性。常用的溶剂有甲醇、乙醇、煤油、粗柴油、混苯等。混苯中的甲苯、二甲苯是胶质、沥青质的良好溶剂。在油田常用含混苯的稠油解堵剂对油稠、含胶质、沥青质较多的油井进行井筒清洗降粘，降低抽油杆的负荷，使液体的流动性得到了较大的改善[8-10]。化学降粘法是稠油开采中普遍应用的方法之一。所谓化学降粘法就是将一定的化学药剂从油管（套管）环形空间注入井底，在井下泵的抽吸搅拌作用下，使药剂溶液与稠油混合，降低稠油粘度后被采出。由于稠油物性及所用药剂不尽相同，其原理也有所不同，大致可分为两大类，即乳化降粘法和润湿降阻法。其中乳化降粘法是使水溶性好的表面活性剂作为乳化剂，按一定量加入水中注入油井，使稠油分散游离，形成 O/W 型乳化液，将稠油的摩阻变成水的摩阻，达到降低稠油粘度的目的[11]。润湿降阻法是在稠油生产过程中，加入表面活性剂水溶液，破坏油管或抽油杆表面长期与稠油接触所形成的亲油性，使其表面润湿反转，变为亲水性，形成一层连续的水膜，减少抽汲过程中稠油流动的阻力，改善稠油的流动性。因此，由不同表面活性剂（乳化液）和不同助剂构成了种类不同的稠油降粘剂[12]。
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第2章 基于集肤效应空心抽油杆加热工艺设计
2.1 集肤效应理论
电加热的工作原理是依靠电流的集肤效应现象，使加热电缆和抽油杆产生高温，通过热传导使稠油升温[35]。交变电通过导体时，由于在临近导体的中心处比导体外表面处所产生的磁通量大，在外表面处的感应电动势就比中心处的感应电动势小，因此在相同外加电压下，导体外表面处的电流密度较大，导体临近中心处的电流密度较小，这种现象称为集肤效应。影响集肤效应强弱的因素很多如：交变电频率、导线的直径、导线的电导率和磁导率[36-38]。集肤效应的强弱是由电流透入深度所决定的，由式(2-1)可知：电流透入深度与导体电阻率成正比，与导体的磁导率及电源频率成反比。在相同材质条件下，磁导率越高，电源频率越高，集肤效应越明显，电流透入深度越低[39-41]。
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2.2 系统负载的等效电路
一般情况下，地层温升为 3℃/100 米。如图 2-2 所示，图中横坐标以 0℃为零点，纵坐标以地面为零点。横轴代表温度，纵轴代表深度，这里假设油井深度为 2000 米。一般稠油举升工艺中所使用的电加热电缆均采用均匀材料，电缆的等效电阻值为与电缆的长度成正比，一般每米特种电缆的电阻值不超过 50m ，每米特种电缆分布电容不超过 500pF。假设电缆长度小于 2000 米并利用工频交流电直接供电，那么电缆分布电容的容抗是其等效电阻值的 100 倍以上，前提是不考虑其分布电容的影响。所以，在这种前提下，油井内不同深度电缆的电加热功率是均匀的，也可以称作线性电加热。如图 2-2 所示，图中虚斜线为线性电加热的温度特性。在这种条件下，越深入油井底部加热温升越高，热量散失越多，电加热效率越低。理想非线性电加热与线性电加热相比，理论上能够节约其一半电能。虽然加热电缆贯穿稠油井全长。但硬件上达不到分布参数波长条件，要分析井中单位长度的功率分布，不能利用集中参数电路模型的方法，因此采用分布参数电路模型。
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第 3 章 地面逆变电源加热系统硬件设计......17
3.1 主电路设计.......... 18
3.2 控制电路设计...... 22
3.3 辅助电路....... 27
3.4 人机交互电路...... 29
3.5 本章小结....... 31
第 4 章 地面逆变电源加热系统软件设计......32
4.1 系统软件设计...... 32
4.2 PWM 控制技术 .... 32
4.3 系统软件流程分析..... 34
4.4 本章小结....... 40
第 5 章 模拟和室内实验及分析........41
5.1 数值模拟结果及分析........ 41
5.2 有限元模型的验证..... 43
5.3 地面逆变电源室内调试及分析...... 43
5.4 本章小结....... 48
第5章 模拟和室内实验及分析
5.1 数值模拟结果及分析
当在空心抽油杆及杆内电缆中通入中频交流电时，其电流密度分布不均匀，空心抽油杆内壁的电流密度比杆外壁电流密度大，但是电缆内的电流密度分布均匀。当频率逐渐升高时，这种现象更加显著，与集肤效应原理吻合。在通以不同频率交流电的空心抽油杆半径方向上电流密度分布曲线如图 5-3 所示，集肤效应的透入深度随交流电频率变化的曲线如图 5-4 所示。在交流电频率不变的情况下，导体内电流密度越接近导体外表面越小，并在某个拐点后近似为零。随着频率的升高，曲线中拐点的位置左移。因此，随着交流电频率的增加，导体的集肤效应越来越明显，但其透入深度减小。电流大部分存在于空心抽油杆内表面的表层，其外表面电流值近似为零。由模型可得，中频交流电通过空心抽油杆时，在集肤效应的作用下杆内电流呈非线性分布，降低了杆内载流的有效截面积，交流阻抗明显升高，油杆发热效果增大。但电缆的电流密度分布均匀，交流阻抗很低，发热效果不明显。所以，空心抽油杆为主要发热源，利用其发热安全稳定。而电缆的温度值不会过高，有利于电缆的保护与绝缘。
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结论
本文针对目前油田中所使用的电加热工艺存在的问题，设计了无杆举升防结蜡逆变电源加热系统，并阐述了集肤效应原理在电加热中的应用。通过理论研究与实验得到以下结论：
1．通过对井下加热系统负载的等效电路和空心抽油杆及特种电缆物理模型的分析，并利用麦克斯韦方程得出电源装置输出交流电的频率与导体中电流密度关系的矩阵方程。
2．空心抽油杆杆体的温度分布与交流电频率和通电时间有一定的函数关系。交流电的频率越高或通电时间越长，杆体的温度越高。通过控制空心抽油杆杆体的温度，来适应不同井况或不同特性稠油的开采。本文中实际应用算例表明，将空心抽油杆杆体温度分布用于估计稠油预热时间，选择电加热中的交流电频率和通电时间等工艺参数提供理论依据。
3．通过对空心抽油杆及杆内电缆中集肤效应的模拟和分析，可知中频交流电通过负载时电流密度的分布特性和不同频率的交流电对透入深度的影响。依据数值模拟的结果，得出在加热装置的选型中，能够通过改变电缆尺寸、空心抽油杆尺寸及交流电的频率等参数值，使电源装置加热清蜡的效率达到最高。
4．室内实验验证了频率跟踪电路的性能满足地面逆变电源对频率跟踪范围的要求。通过软启动实验可以验证当电源采用他激转自激降频的方式启动时，可以降低硬件启动失败的几率。通过比较电源偏离谐振工作点时输出交流电的电压、电流波形和电源频率跟踪成功后输出交流电的电流、电压波形验证了电源正常工作时的性能指标。
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参考文献（略）