專利名稱：：超長的具有高傳熱特性的抽油桿熱管總成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種采油用的抽油桿熱管總成，具體涉及一種利用重力熱管技術(shù)的抽油桿熱管總成。
背景技術(shù)：
：在油田的多數(shù)油井(特別是稠油井、高凝油井及高含蠟油井)中，為了電加熱等改善井筒原油流動性需要，廣泛使用空心抽油桿。這類空心抽油桿下端連接抽油泵，上端伸出井口并與抽油機相連。依靠抽油泵及抽油機的往復(fù)運動，將原油從地下抽上來，從油井井口排出。一般，油井和抽油桿的長度隨油層的深淺而不同，大部分在1000m以上。油井的內(nèi)徑為76104mm之間，而空心抽油桿外徑一般為36~42mm,壁厚為6mm。油井中所用抽油桿柱是由逐根抽油桿相互用套管螺紋密封聯(lián)結(jié)構(gòu)成的。每根抽油桿的長度在812m之間。井中抽油桿外面是油管柱，油管外面為套管柱，套管外面澆注水泥與地層相連。原油在油井中的上升速度因井深和流量而不同，從井底到井口一般需幾個小時甚至十幾個小時。在這樣一個漫長的向上流動的過程中，由于油管通過套管向地層散熱，油管內(nèi)的原油溫度會由下而上逐漸降低，大約每100米下降3。C。隨著油溫的降低，油的黏度會呈指數(shù)關(guān)系(粘度-溫度關(guān)系)迅速升高。對于稠油、高凝油及某些含蠟較多的原油，在油井的上部，原油的流動性會逐漸下降，甚至不流動，有的原油會析出蠟并附著在桿、管壁上，到一定程度則會造成油井事故，妨礙油井生產(chǎn)的正常運行乃至整個油區(qū)原油的順利開采。為了降低油井中原油的黏度和凝固點，防止析蠟的產(chǎn)生，目前已采用了多項技術(shù)措施，主要有化學(xué)降粘法，電磁加熱降粘法，外部熱流體加熱法等。其中，電磁加熱法目前應(yīng)用較廣泛，這種方法是將很長的專用電纜放入空心抽油桿內(nèi)，將地面電能直接加載到抽油桿上，通過抽油桿金屬表面的肌膚效應(yīng)和產(chǎn)生的焦?fàn)枱?，將原油加熱。這種方法耗電量多，成本高，且有時會因漏電產(chǎn)生爆管現(xiàn)象，使安全得不到充分保證。所謂外部熱流體加熱法，即將外部溫度較高的熱流體(熱水、熱油、蒸汽等)通過空心抽油桿直接加注到油井中，提高油井中原油的溫度。這種方法的缺點是注入井中熱載體的附加流量增加了抽油泵的提升負(fù)荷，增大了井底壓力，減少了原油的產(chǎn)量。同時這種方法增加了產(chǎn)出原油混合物的處理難度，將摻入的熱載體分離出去會進一步增加生產(chǎn)成本，降低油井經(jīng)濟效益。近年來，一種新的油井加熱方式，抽油桿熱管加熱法，或叫做"地?zé)崮茏云胶饧訜岱?受到了關(guān)注。其基本原理是將空心抽油桿做成熱管，利用熱管內(nèi)介質(zhì)的相變傳熱原理，將油井下部具有較高溫度的原油的熱量傳至油管上部，用以提高油井中上部原油的溫度，降低原油的黏度，防止原油析蠟，從而保證油井的正常運行。重力熱管的典型結(jié)構(gòu)和基本傳熱原理如圖4所示。熱管是一個內(nèi)部充裝定量介質(zhì)的密封容器。在熱管的一端加熱(稱為加熱段)，另一端冷卻(稱為冷卻段)的情況下，熱管內(nèi)部將進行兩相傳熱過程。加熱段(又叫蒸發(fā)段)的工質(zhì)將沸騰和蒸發(fā)，吸收汽化潛熱，由液體變?yōu)檎羝．a(chǎn)生的蒸汽在管內(nèi)一定壓差的作用下，流動到冷卻段(又叫凝結(jié)段)，蒸汽遇到冷的壁面會凝結(jié)成液體，同時放出汽化潛熱，通過管壁傳給外面的冷源。冷凝下來的液體可以靠重力回流，重新開始蒸發(fā)吸熱過程。這種靠重力回流的熱管叫重力熱管。因為管內(nèi)的相變過程屬于高效換熱，熱阻很小，因而熱管又有超導(dǎo)熱體之稱。目前熱管已在航天、電子、能源等各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。由于熱管的優(yōu)異的傳熱特性，也引起了原油開采和加熱領(lǐng)域的關(guān)注。但是，在目前已發(fā)表的為數(shù)不多的利用熱管原理采油的研究報告中，直接采用了傳統(tǒng)的以水為工質(zhì)的典型熱管的技術(shù)方案，沒有觸及這種超常的抽油桿熱管的兩相流難題，沒有考慮與常規(guī)熱管的巨大差異，因此其研究結(jié)果和結(jié)論是不可靠的，目前發(fā)表的技術(shù)方案難于在實際生產(chǎn)中應(yīng)用和推廣。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的利用電、磁加熱及外注熱流體方法等對原油進行加熱存在生產(chǎn)成本高、安全性差的問題；同時為了解決現(xiàn)有的抽油桿熱管技術(shù)存在的由于工質(zhì)自重而難于在液池中產(chǎn)生沸騰的技術(shù)難題，也為了解決由于管內(nèi)兩相流的阻力過大而造成的熱管內(nèi)部的傳熱障礙等難題，進而提供一種超長的(長度達到幾百米甚至上千米)具有高傳熱特性的抽油桿熱管總成。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是超長的具有高傳熱特性的抽油桿熱管總成包括空心抽油桿主體，所述空心抽油桿主體的內(nèi)腔形成有一個裝有介質(zhì)NH3的密封腔，由所述裝有介質(zhì)NH3的密封腔形成一個超長的以NH3為工質(zhì)的重力抽油桿熱管。所述裝有介質(zhì)NH3的密封腔由密閉安裝在空心抽油桿主體內(nèi)上端的上堵蓋、密閉安裝在空心抽油桿主體內(nèi)下方的下堵蓋、以及位于上堵蓋和下堵蓋之間且裝有介質(zhì)NH3的空心抽油桿主體構(gòu)成。所述空心抽油桿主體由若干個抽油桿管段密封連接而成。所述抽油桿熱管總成還包括氨罐、氨計量器、注液閥、第一可拆卸管路，所述注液閥固定在密封腔的上部并與密封腔相通，在熱管制作過程中所述氨罐和氨計量器通過第一可拆卸管路與注液閥連接。所述抽油桿熱管總成還包括抽空閥、真空機組、第二可拆卸管路，所述抽空閥固定在密封腔的上部并與密封腔連通，在熱管制作過程中所述真空機組通過第二可拆卸管路與抽空閥連接并進行密封腔的抽空工作。所述抽油桿熱管總成還包括放空閥，所述放空閥設(shè)置在上堵蓋上。所述抽油桿熱管總成還包括溫度-壓力傳感器，所述溫度-壓力傳感器設(shè)有三個測試探頭，所述溫度-壓力傳感器的其中兩個測試探頭分別插入裝有介質(zhì)NH3的密封腔內(nèi)，用于測試密封腔內(nèi)的溫度和壓力，所述溫度-壓力傳感器剩下的一個測試探頭插入到油井內(nèi)，用于測試油井內(nèi)的原油溫度。本發(fā)明具有以下有益效果由于采用了本發(fā)明所提出的以氨(NH3)作為傳熱介質(zhì)，有效地克服了在超長熱管內(nèi)液池的沸騰難題和兩相流動所遇到的阻力和障礙，保證了抽油桿熱管的高效傳熱和正常運行。此外，超長熱管內(nèi)NH3介質(zhì)一直處于正壓狀態(tài)，外界氣體(空氣等)不能向熱管內(nèi)滲漏，可保證熱管的運行質(zhì)量；在很長的管段上，工質(zhì)壓力可高于管外原油的壓力，可以避免管外油氣向熱管內(nèi)的滲漏；氨工質(zhì)不能溶解抽油桿各段連接處的潤滑油或其它密封設(shè)施，可保證抽油桿的密封性不會遭到破壞。超長的NH3介質(zhì)重力熱管理想的管外原油的溫度范圍是IO(TC至3(TC;而管內(nèi)工質(zhì)的理想溫度范圍是80t:至5(TC。在上述溫度范圍內(nèi)，超長的NH3介質(zhì)熱管可表現(xiàn)出優(yōu)異的傳熱特性，這一溫度范圍正是多數(shù)油田油井的正常油層溫度，與多數(shù)油田油井防止原油析蠟的要求相吻合。本發(fā)明在超長熱管上采用了氨作為傳熱介質(zhì)，克服了通常熱管工質(zhì)尤其是水介質(zhì)的傳熱和運行障礙，是實現(xiàn)超長熱管高效傳熱的關(guān)鍵技術(shù)，使利用熱管原理采油、實現(xiàn)油井中原油在上升過程中的自行加熱降黏、防止析蠟成為可能，從而保證油井的正常運行、并降低采油成本。此外，本發(fā)明以抽油桿熱管總成的方式提供了為保證抽油桿熱管的制作和運行所必需的設(shè)備、儀表、閥門和系統(tǒng)，使得抽油桿熱管可以在現(xiàn)場制作、現(xiàn)場測試、現(xiàn)場維護，可方便地實現(xiàn)抽油桿熱管的現(xiàn)場復(fù)制和拆卸。本發(fā)明具有生產(chǎn)成本低、安全性較高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、可重復(fù)使用等優(yōu)點。圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明的原理圖，圖3是熱管的溫度、原油溫度隨熱管高度變化的曲線圖(A表示熱管工作溫度；B表示熱管外的原油溫度；Hl是熱管的蒸發(fā)段；H2是熱管的冷凝段；橫坐標(biāo)T表示溫度，單位是"C;縱坐標(biāo)H表示熱管的長度，單位是m)。圖4是重力熱管的典型結(jié)構(gòu)和基本傳熱原理圖(Hl是熱管的蒸發(fā)段，H2是熱管的冷凝段，~~^表示冷源，^~~表示熱源)。具體實施例方式具體實施方式一結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式的超長的具有高傳熱特性的抽油桿熱管總成包括空心抽油桿主體15，所述空心抽油桿主體15的內(nèi)腔形成有一個裝有介質(zhì)NH3的密封腔2，由所述裝有介質(zhì)NH3的密封腔2形成一個超長的以NH3為工質(zhì)的重力抽油桿熱管。具體實施方式二結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述裝有介質(zhì)NH3的密封腔2由密閉安裝在空心抽油桿主體15內(nèi)上端的上堵蓋11、密閉安裝在空心抽油桿主體15內(nèi)下方的下堵蓋1、以及位于上堵蓋11和下堵蓋1之間且裝有介質(zhì)NH3的空心抽油桿主體15構(gòu)成。下堵蓋1的位置要根據(jù)油層溫度而定。理想的油層溫度(即進入熱管換熱區(qū)的原油溫度)在80。C左右，不超過IO(TC，不低于60°C為宜。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式一相同。具體實施方式三結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述空心抽油桿主體15由若干個抽油桿管段密封連接而成。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式一或二相同。具體實施方式四結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述抽油桿熱管總成還包括氨罐7、氨計量器8、注液閥9、第一可拆卸管路16，所述注液閥9固定在裝有介質(zhì)NH3的密封腔2的上部并與裝有介質(zhì)NH3的密封腔2相通，所述氨罐7與氮計量器8通過第一可拆卸管路16與注液閥9連接在一起。如此設(shè)計，便于現(xiàn)場注液和熱管的現(xiàn)場制作。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式一或二相同。具體實施方式五結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述抽油桿熱管總成還包括抽空閥6、真空機組5、第二可拆卸管路17，所述抽空閥6固定在裝有介質(zhì)NH3的密封腔2的上部并與密封腔2連通，所述真空機組5通過第二可拆卸管路17與抽空閥6連接。抽空閥6和真空機組5的作用是在罐裝介質(zhì)氨之前將裝有介質(zhì)NH3的密封腔2抽成一定的真空度。當(dāng)真空表顯示真空度達到lX10，a后，即關(guān)閉抽空閥6。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式四相同。具體實施方式六結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述抽油桿熱管總成還包括放空閥10，所述放空閥10設(shè)置在上堵蓋11上。放空閥10一般處于常閉狀態(tài)。放空閥10的作用是在非工作狀態(tài)時打開使裝有介質(zhì)NH3的密封腔2與外界大氣連通，使介質(zhì)自動放出。也可以在工作狀態(tài)下瞬時打開，以排除上部可能存在的不凝結(jié)氣體。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式五相同。具體實施方式七結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述抽油桿熱管總成還包括溫度-壓力傳感器4，所述溫度-壓力傳感器4設(shè)有三個測試探頭，所述溫度-壓力傳感器4的其中兩個測試探頭分別插入裝有介質(zhì)NH3的密封腔2內(nèi)，分別測量密封腔2內(nèi)介質(zhì)的溫度和壓力；所述溫度-壓力傳感器4剩下的一個測試探頭插入到油井3內(nèi)，用以測量油井中的原油溫度。在空心抽油桿主體15上還設(shè)有抽油桿提升固緊器13，抽油機通過提升固緊器13與空心抽油桿主體15的上端連接。在油井3(油管)上設(shè)有出油口14。由溫度-壓力傳感器4分別測量出管內(nèi)蒸汽溫度T1、原油出口溫度T2、和熱管內(nèi)的蒸汽壓力P1。Tl，Pl應(yīng)符合飽和溫度和飽和壓力的對應(yīng)關(guān)系，若發(fā)現(xiàn)測得的溫度T1低于P1應(yīng)對應(yīng)的飽和溫度，則說明熱管頂端可能存在不凝結(jié)氣體，這時應(yīng)瞬間地開啟放空閥IO，以排除上部的不凝結(jié)氣體。此外，從T1，T2的比較可知熱管的工作狀況在正常工作狀態(tài)下應(yīng)T1>T2，則說明熱管在向油井中的原油加熱。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式五或六相同。工作原理如圖2和圖3所示，本發(fā)明是將典型的熱管傳熱原理應(yīng)用于油井中的抽油桿上，將細(xì)長的空心抽油桿的一部分做成了重力熱管。油井中向上流動(通過提升泵18連續(xù)提升)的原油既是熱管的熱源又是熱管的冷源。在油井下部，當(dāng)原油的溫度較高時，其是超長的NH3介質(zhì)重力熱管的熱源，熱量由原油傳給熱管；而在油井上部，當(dāng)原油溫度逐漸降低時，在某一高度上，原油的溫度開始低于熱管內(nèi)的介質(zhì)溫度，熱量由熱管傳向原油，對原油進行加熱。對超長的NH3介質(zhì)重力熱管而言，其蒸發(fā)段和冷凝段的分界點是由各傳熱因素自行決定的。不論是在蒸發(fā)段還是在冷凝段，熱源或冷源溫度與熱管內(nèi)溫度的傳熱溫差隨熱管高度是逐漸變化的。在蒸發(fā)段，該溫差由下而上逐漸減小，進入冷凝段之后，該溫差又逐漸增大。因而超長的NH3介質(zhì)重力熱管在不同高度處通過壁面的熱流密度是不同的。本發(fā)明所述的熱管是內(nèi)徑較小(<30mm)的超長熱管，其長度在幾百米甚至上千米。這種超長的熱管和獨特的傳熱條件在現(xiàn)有的熱管應(yīng)用領(lǐng)域中是不曾遇到過的。為了保證這種超常熱管的良好的傳熱特性，以水為主的介質(zhì)己不再適用，必須選用新的介質(zhì)。本發(fā)明選用NH3為工質(zhì)的抽油桿熱管與通常采用的以水為工質(zhì)的熱管相比較，具有下列突出優(yōu)點一.氨(NH3)可以很好地承受由于自重而在液池中產(chǎn)生的巨大壓力，并可使液池處于沸騰狀態(tài)。與工質(zhì)水的比較如下<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>由上表可知，氨工質(zhì)在液池底部雖然承受巨大的壓力(31.8bar)，但其對應(yīng)的飽和溫度僅有7(TC左右，仍然低于熱管外原油溫度(8CTC)，因而可以沸騰，并進行相變傳熱。相反，以水為工質(zhì)的熱管，在液池底部的壓力雖然不是很高(10bar左右)，但對應(yīng)的飽和溫度卻為180。C左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱源溫度(80°C)，因而下部液池工質(zhì)在相當(dāng)大的高度內(nèi)處于過冷狀態(tài)，不會產(chǎn)生沸騰，成為換熱的"死區(qū)"。二.由于工質(zhì)NH3優(yōu)異的熱物理特性，使得在熱管內(nèi)NH3蒸汽的流動阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在相同條件下的水蒸汽的流動阻力。因而NH3蒸汽可以在狹小的流動截面內(nèi)流過更長的距離。研究表明，熱管內(nèi)蒸汽流所能傳輸?shù)臒崃縌(kw)與傳輸距離(Leff)的乘積(Q化eff)代表熱管傳熱能力的大小，它直接與工質(zhì)蒸汽的物性組合(Pv2L2/wv)成正比。(Pv為蒸汽密度，L為汽化潛熱，tiv為蒸汽的黏度)。其中，在熱管的工作溫度下，氨蒸汽的密度Pv遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水蒸汽的密度，在80。C下，兩者相差116倍。由于蒸汽密度大，使管內(nèi)流速降低，從而導(dǎo)致流動阻力大大減小，這意味著流動距離可以大大加長。計算表明，在8(TC工作溫度下，對于外徑為38mm，內(nèi)徑為26mm的超長的皿3介質(zhì)重力熱管，氨工質(zhì)的(QLeff)值為水工質(zhì)的1600倍。例如NH3蒸汽可以將10kw的熱能傳輸740m的距離；而水工質(zhì)卻只能將lkw的熱能傳輸4.6m。這說明，在這一溫度范圍內(nèi)，水工質(zhì)熱管已基本失去了傳熱能力——原因在于管內(nèi)的摩擦阻力過大而不能產(chǎn)生長距離的兩相流動。此外，還可以從熱管內(nèi)部兩相流動的"攜帶極限"理論對氨和水兩種工質(zhì)進行比較。所謂"攜帶極限"就是當(dāng)熱管內(nèi)蒸汽流速達到某一數(shù)值時，由于汽液界面的摩擦而阻礙了凝液的回流所對應(yīng)的傳熱極限。計算表明，在超長的NH3工質(zhì)重力熱管的運行溫度下，NH3為工質(zhì)的熱管的攜帶極限值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水為工質(zhì)的熱管。權(quán)利要求1.一種超長的具有高傳熱特性的抽油桿熱管總成，所述抽油桿熱管總成包括空心抽油桿主體(15)，其特征在于所述空心抽油桿主體(15)的內(nèi)腔形成有一個裝有介質(zhì)NH3的密封腔(2)，由所述裝有介質(zhì)NH3的密封腔(2)形成一個超長的以NH3為工質(zhì)的重力抽油桿熱管。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的超長的具有高傳熱特性的抽油桿熱管總成，其特征在于所述裝有介質(zhì)NH3的密封腔(2)由密閉安裝在空心抽油桿主體(15)內(nèi)上端的上堵蓋(11)、密閉安裝在空心抽油桿主體(15)內(nèi)下方的下堵蓋(1)、以及位于上堵蓋(11)和下堵蓋(1)之間且裝有介質(zhì)NH3的空心抽油桿主體(15)構(gòu)成。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超長的具有高傳熱特性的抽油桿熱管總成，其特征在于所述空心抽油桿主體(15)由若干個抽油桿管段密封連接而成。4、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超長的具有高傳熱特性的抽油桿熱管總成，其特征在于所述抽油桿熱管總成還包括氨罐(7)、氨計量器(8)、注液閥(9)、第一可拆卸管路(16)，所述注液閥(9)固定在裝有介質(zhì)NH3的密封腔(2)的上部并與裝有介質(zhì)NH3的密封腔(2)相通，所述氨罐(7)和氨計量器(8)通過第一可拆卸管路(16)與注液閥(9)連接。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的超長的具有高傳熱特性的抽油桿熱管總成，其特征在于所述抽油桿熱管總成還包括抽空閥(6)、真空機組(5)、第二可拆卸管路(17)，所述抽空閥(6)固定在裝有介質(zhì)NH3的密封腔(2)的上部并與密封腔(2)連通，所述真空機組(5)通過第二可拆卸管路(17)與抽空閥(6)連接。6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的超長的具有高傳熱特性的抽油桿熱管總成，其特征在于所述抽油桿熱管總成還包括放空閥(10)，所述放空閥(10)設(shè)置在上堵蓋(11)上。7、根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的超長的具有高傳熱特性的抽油桿熱管總成，其特征在于所述抽油桿熱管總成還包括溫度-壓力傳感器(4)，所述溫度-壓力傳感器(4)設(shè)有三個測試探頭，所述溫度-壓力傳感器(4)的其中兩個測試探頭分別插入裝有介質(zhì)NH3的密封腔(2)內(nèi)，所述溫度-壓力傳感器(4)剩下的一個測試探頭插入到油井(3)內(nèi)。全文摘要超長的具有高傳熱特性的抽油桿熱管總成，它涉及一種采油用的抽油桿和熱管的總成。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的利用電加熱等方法對原油進行加熱存在生產(chǎn)成本高、安全性差的問題以及以水為介質(zhì)的抽油桿熱管的傳熱難題。超長的具有高傳熱特性的抽油桿熱管總成包括空心抽油桿主體(15)，所述空心抽油桿主體(15)的內(nèi)腔形成有一個裝有介質(zhì)NH₃的密封腔(2)，由所述裝有介質(zhì)NH₃的密封腔(2)形成一個超長的以NH₃為工質(zhì)的重力抽油桿熱管。本發(fā)明超長的具有高傳熱特性的抽油桿熱管總成還包括抽油桿熱管的現(xiàn)場制作所必需的設(shè)備和測試系統(tǒng)，具有生產(chǎn)成本低、安全性較高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、可拆卸、可重復(fù)使用等優(yōu)點。文檔編號E21B17/00GK101298834SQ20081006460公開日2008年11月5日申請日期2008年5月28日優(yōu)先權(quán)日2008年5月28日發(fā)明者劉永建,劉紀(jì)福申請人:劉永建;劉紀(jì)福