前言

在我國石油開采中，稠油井的比例占相當大一部分，這類井原油粘度高、凝固點高、密度大、含蠟量高，難以開采。目前國內外開采這類油井的最廣泛,效果最好的采油工藝技術是稠油熱采。采用空心桿電加熱工藝技術，對油 管內的原油進行全程加熱，以降低原油粘度，防止油管內結蠟，提高原油流動性。有效的解決高凝、高粘、高含蠟原油開采過程中遇到的各種技術難題，達到油井增產、增效的目的。

以前的空心桿加熱技術，采用工頻加熱，因負載為單相，需要有一個獨立的 變壓器，將三相輸入變為單相輸出，造成三相電網的不平衡，功率因數低，電能消耗大，對電網的污染大，加熱效果不明顯，造成電能的極大浪費。因此，需要探討一種先進的加熱方式，以提高 功效，增強加熱效果。經過多方試驗，采用現已掌握的較成熟的變頻技術，為該加熱裝置提供一種新的變頻電源—PI500-I系列中頻加熱電源。

該設備可提供最高 10——3000Hz 的頻率，實現了輸出電壓、電流的連續可調，以達到輸出功率連續可調的目 的，由于中頻電源渦流感應加強,導致集膚效應更強,漏磁減少,因此電加熱效果大大好于工頻電源,節能效果達到 20%以上，大大地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：

該裝置是將空心抽油桿內穿過電纜并與抽油桿桿體形成回路，通以工頻交流電，利用內集膚效應原理在空心抽油桿壁上產生熱能，對油管內原油進行全程加熱，提高油管內原油溫度，降低原油粘度，改善其流動性，防止油管內原油結蠟，從而有效地開采高凝、高粘、高含蠟原油。

集膚效應原理如下圖所示：

空心抽油桿電加熱裝置在空心抽油桿內下入加熱電纜，使空心抽油桿和加熱電纜組成通電回路，利用集膚效應加熱原理使原油在井筒內得到加熱，從而起到降粘、清蠟作用 。集膚效應，又叫趨膚效應，是當交變電流通過導體時，電流會聚集于導體表層，而非平均分布于整個導體的截面中，電流集中在導體表面流過，這種現象叫集膚效應。

當鋼管中穿過電纜形成回路并通過交流電流時，鋼管截面中電流主要集中在鋼管內表面，此現象稱為內集膚效應，而鋼管的外 表面幾乎沒有電流通過，空心桿外壁可視為絕緣體，這種現象不僅隨著頻率的增高而明顯加強，而且還隨著導體半徑、磁導率和電導率的增高而表現的更加顯著。電加熱抽油桿就是利用內集膚效應工作的，由于空心抽油桿的交流阻抗遠大于導線的電阻，空心抽油桿為主要發熱體。

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  變頻結構，由整流電路、濾波、逆變電路和保護電路組成。其工作原理是將三相50Hz 工頻交流電經過三相全控整流橋整流成電壓可調的脈動直流，再通過電容將脈動 的直流電濾波變成光滑平穩的直流電送到單相逆變橋，最后通過逆變橋將直流電變成單相頻率可調的中頻交流電供給負載。

產品性能特點

    采用 32 位美國德州儀器 TI 公司專用控制芯片 DSP，控制系統性能增強，電路簡化，負載適應性強。實現電源控制的全數字化，智能化。

    采用先進的大功率絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）作為功率開關器件，逆變頻率可調。

    具有相序自適應功能，無需鑒別進線相序。輸出可進行恒功率、恒電壓、恒電流控制。

    采用零壓軟啟動,啟動成功率高無沖擊。完全能夠滿足廣大熱加工行業用戶的需求。

    采用掃描式零壓啟動方式和自動重復啟動電路，啟動成功率可達 100%。

    采用中頻電壓作為 取樣信號，無中頻電流互感器，輸出部分和負載的 連接不需區分極性。

    人機對話的顯示界面，可通過鍵盤的選擇顯示工作頻率及電流，輸出脈沖的占空比、電流變比等， 并可顯示故障狀態及原因，使顯示更直觀，更易于操作。

    輸出電壓、電流連續可調，可以使加熱系統處于最佳工作狀態，能源利用 率高，節能效果明顯恒輸出電壓/恒輸出功率控制選擇功能。

    輸出部分采用環形中頻變壓器，用于隔離輸入、輸出電壓，同時經電容組與控制柜輸出相連接，起到隔直作用，防止由于直流偏磁或過勵磁產生的磁飽和，同時可起 到串聯諧振的作用。 中頻變壓器為非晶鈦材料，導磁率高，工作頻率高，自身能量損耗極低，整機效率 提高。若頻率再提高，其體積可做得更小，工作效率更高。保護功能齊全。設置了過流、短路、機內溫升過高及過、欠 壓保護，功能更齊全，工作更可靠，避免了由于各種不正常因素而造成的損壞。

    高效節能，全功率范圍內，極高的功率因數。

頻率與加熱效果的關系

鋼管在交流電下的阻抗顯著大于它的直流 電阻，因為鋼管是鐵磁質材料，它的磁導率要比銅高1000倍。隨著電流頻率的升高，空心抽油桿阻抗也隨之增大，根據能量守恒的原理，在相同輸入功率下，電源頻率越高，集膚效應越強烈，則空心抽油桿阻抗也越 大，其獲得的有效電功率越就越大，使電源自損降低到最低限度，從而節約了大量的電能，并獲得了良好的加熱效果。 

應用效果：

遼河油田應用現場

大慶油田應用現場

華北油田應用現場

PI500-I系列產品面市以來，在大慶油田、長慶油田、勝利油田、華北油田、遼河油田、玉門油田等幾個稠油井分布的區域內成功運用。通過現場調整，結合加熱電纜及功率，一般將頻率調400Hz-1000Hz  左右，比工頻提高了10幾倍，根據功率調整電流，一般75kW 的電源輸出電流在80A左右，93kW的電源在100A左右，通過中頻變壓器，輸出電壓800V左右（串聯輸出電壓：600V、800V、1000V、1200V），其加熱效果十分明顯較之工頻加熱具有明顯的優勢。

1、功率因數明顯提高，原工頻加熱，功率因數約在 0.7 左右，而用變頻加熱，經測試都在 0.95 以上 。

2、減少了對電網的污染。原工頻加熱，需三相變二相，造成變壓器輸入三相電壓嚴重不平衡，對電網污染嚴重。應用變頻器以后，功率因數提高，諧波含量明顯減少，減輕了對電網的污染。

3、加熱效果明顯 。根據集膚效應，頻率提高后，負載所獲得的能量提高，線路損耗也相應減少從而提高了加熱效果。據測試，變頻加熱可比工頻加熱提前 1—2小時達到預定效果，而且溫度也要高。

4、 保護功能齊全。 原工頻柜因無單片機控制，其保護功 能差，往往由于負載的短路、斷路及電壓的不穩定，造成變壓器燒毀、工作不穩定。而變頻電源柜由于DSP 的控制，其保護功能齊全，避免了由于電網及負載的故障引起的問題，保證系統的穩定運行。

5、節能效果明顯。據測試，每臺變頻電源柜比相應的工頻柜節電都在 20%左右，有力的節約了電能，提高了工作效率，保證了加熱系統的效果。 總之，變頻加熱是稠油熱采的一次革命。我國的稠油資源相當豐富，推廣該技術， 是采油行業節能減排和提高效率的有效途徑。

結束語

    空心桿電加熱裝置中，電熱桿產生的熱量并不是一成不變的，越靠近地面，單位長度產生的熱量越多，越向下單位長度產生的熱量越少。原油在提升的過程中，地層溫度逐漸降低，利用電熱桿加熱功率和地層溫度的變化機理，可以用較小的功率使井筒內原油保持一定的溫度。由于電源頻率越高，寄生電容截取的電流越大，所以在相同的井況條件下，中頻電加熱裝置采用較小的加熱功率就會取得良好的加熱效果，試驗結果表明，中頻加熱與工頻加熱對比，在井口原油溫度相同的情況下，加熱功率平均低10~20KW，節電率在15%以上。