高温高压油浸试验井电磁感应加热系统设计

章发明，李士国，刘金荣，王 航，陈 磊，王 东

(1.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州 730050；2.吉林油田 油气工程研究院，吉林 松原138000)



高温高压油浸试验井电磁感应加热系统设计

章发明1，李士国2，刘金荣1，王 航1，陈 磊1，王 东1

(1.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州 730050；2.吉林油田 油气工程研究院，吉林 松原138000)

高温高压油浸试验井是为井下工具进行耐温、耐压试验而建造。试验时需要对井筒内试验介质(清水或油)加热，以前油田大多采用导热油加热方式，其传热过程是：电热元件—导热油—试验井筒—试验介质，存在加热时间长，热效率低，配套设备多，污染严重等缺点。电磁感应加热方式是在试验井筒外壁上直接缠绕感应线圈，利用电磁感应原理使金属井筒成为热源，直接加热井筒内试验介质。采用电磁感应加热技术设计建造的试验井已应用于吉林油田、青海油田、辽河油田长城钻探工程院，加热速率可达到3 ℃/min，试验介质温度可达350 ℃，节能环保。

模拟井；加热设备；电磁感应

随着国内稠油油藏、超深井油藏开采量逐年加大，井下工具工作在高温高压环境中，因此井下工具耐高温问题是一个技术难题。为了研制相关的井下工具，需要建造模拟试验井，在试验井筒内建立井底压力和温度环境，进行井下工具试验检测，开发适用于不同压力和温度的井下工具，满足钻井和采油现场施工需要。

试验井筒内试验介质的加热有多种方法，目前国内油田采用最多的是导热油加热方法，其原理可概括为：电热元件加热导热油，高温循环泵将导热油泵入试验井筒外部的夹套环空[1]，导热油与试验井筒壁换热，试验井筒壁再与井筒内部的试验介质换热。这种方法由于换热过程多，设备和循环管汇散热量大，所以热效率很低，通常只有30%左右，造成加热时间长。电磁感应加热系统利用电磁感应加热原理[2]，将电磁感应线圈包裹在试验井筒的外壁上，线圈通入高频电流，在井筒壁内产生交变磁场，由金属井筒壁(磁导体)切割交变磁力线，在筒壁内部产生无数小交变感应电流(即电涡流)，电涡流促使筒壁的金属分子高速无规则运动，互相碰撞、摩擦产生热，从而使井筒壁自身快速发热，完成电热转换过程，井筒壁作为热源直接加热内部试验介质，只有一次换热过程，热损失少，热效率可提高到90%以上。

1 系统组成

高温高压油浸试验井电磁感应加热系统由高温高压试验井筒、保温隔热层、高频感应线圈、非导磁材料板条、非导磁材料外保护套、内部测温元件、外部特制测温元件、计算机温度控制系统、高频功率柜等组成，如图1。 高温高压试验井筒的外层使用保温隔热层进行全覆盖包裹，再沿井筒高度方向间隔加装非导磁材料板条，非导磁材料板条上间隔开有圆弧凹槽，高频感应线圈嵌入非导磁材料板条上圆弧槽内，缠绕在保温隔热层的外面。非导磁材料板条上间隔固定几个外部测温元件，内部特制测温元件从试验井筒上部井口螺纹塞杆的中心孔装入试验井内部，最后在试验井筒壁的最外层包裹一层非导磁材料外保护套。

1—高压试验井筒；2—保温隔热层；3—高频感应线圈；4—非导磁材料板条；5—外部测温元件；6—外保护套；7—动力电缆；8—高频功率柜；9—计算机温度控制系统；10—井口螺纹塞杆；11—内部特制测温元件；12—金属密封垫；13—螺纹压帽；14—信号电缆。

内部特制测温元件和外部测温元件的测量信号通过信号电缆传入计算机温度控制系统和高频功率柜，内部特制测温元件的测量信号值与计算机设定的试验温度值比较[3]，由计算机反馈控制高频功率柜输出电功率大小，达到准确控制试验井筒内试验介质温度的要求。外部测温元件测量的温度信号，主要目的是保护高频感应线圈，使其接触区域不超温。

2 主要技术参数

试验井筒内径 90 ～400 mm

试验井长度 3～20 m

试验井筒外壁隔热层厚度 20 ～25 mm

试验介质加热温度 80～350 ℃

试验压力 35～210 MPa

试验介质 清水、柴油、导热油

加温速率 1～3 ℃/min

配备电功率 40～240 kW

注：用户可以根据试验要求选择上述技术参数。

3 应用情况

截止2016-06，甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司已为油田用户建成了5口采用电磁感应加热方式的高温高压试验井，最高试验温度达到350 ℃，最高试验压力105 MPa。2012年为吉林油田油气工程研究院设计建造了3口油浸试验井，井筒长度3.65 m，包括2口套管试验井，规格分别为114.3 mm(4英寸) 、177.8 mm(7英寸)，试验压力50 MPa；1口超高压试验井，井筒内径124 mm，试验压力105 MPa，3口试验井试验温度均为180 ℃，高频功率柜配电功率40 kW，如图2。试验井建成后进行了大量的高温封隔器试验，由室温加热到180 ℃用时1.5 h，加温速率达到2 ℃/min，试验介质采用清水或柴油，试验过程没有污染。

2013年为青海油田钻采工艺研究院花土沟井下工具检测站设计建造了1口高温高压试验井，井筒采用厚壁钢管(材料TP155V)制造，井筒上段内径159 mm，下段内径124 mm，中间采用变径接箍连接，试验井长12 m，最高试验压力60 MPa，最高试验温度150°C，试验介质为清水(保证井筒试验压力不小于对应温度水的饱和蒸汽压)[5]，电磁感应加热系统配电功率80 kW，试验井建成后试验效果良好，由室温加热到150 ℃，用时40 min，加温速率达到3 ℃/min。该井下工具检测站承担了所有青海油田下井工具的检测任务，工作量饱满，显示了电磁感应加热系统热效率高、加热时间短的优点。

图2 吉林油田的油浸试验井

2015年为辽河油田长城钻探工程技术研究院稠油热采钻完井试验室设计建造了一口高温试验井，最高试验温度达到350 ℃，最高试验压力35 MPa，井筒结构上段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]，长度19 m，上、下段井筒API井口法兰连接，高频功率柜配电功率160 kW，加热时间3.8 h，试验介质为清水或导热油，试验井已进行了部分热采工具试验，安全可靠。

4 结论

1) 高温高压油浸试验井电磁感应加热系统相比导热油加热系统，加热效率高，加热时间短，节能效果非常明显。

2) 由于去除了循环加热介质——导热油，而井筒内试验介质不循环，试验过程中没有环境污染问题，可以降低试验现场防爆等级要求。

3) 为减少试验中电磁污染，今后设计中可考虑在试验井筒最外层包裹非导磁材料，外保护套的内部安装铁氧体磁性材料制成的长条块，形成屏蔽层，隔离电磁场。

[1] 刘汝福，韩进，汪韶明，等.封隔器高温性能试验系统研制[J].石油矿场机械，2004，33(11)：111-113.

[2] 李定宣，丁增敏.现代高频感应加热电源工程设计与应用[M].北京：中国电力出版社，2010.

[3] 王东，章发明，陈磊，等.井下工具高温试验井系统[J].石油矿场机械，2009，38(7)：75-79.

[4] 陈磊，章发明，杨永安，等.封隔器性能检测系统的应用[J].石油矿场机械，2010，39(11)：60-63.

[5] 陈磊，章发明，王航，等.稠油热采钻完井试验系统研制[J].石油矿场机械，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

章发明(1962-)，男，安徽枞阳人，教授级高级工程师，现从事石油钻采设备和试验装置的设计与研究，E-mail：Lanzhouhaiyang@163.com。

1001-3482(2016)11-0051-03

TE931.207

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.011