一种串联式变螺距井下流体电加热器的制作方法

本发明涉及油页岩原位转化井下注热领域，特别涉及一种串联式变螺距井下流体电加热器。

背景技术：

油页岩开发技术分为地表干馏技术和地下干馏技术。地表干馏技术是目前我国利用油页岩的主要技术手段，但地表干馏技术存在采矿成本高，矿渣堆放危险性高；大气及地下水污染大，用水量大；不适合深部油页岩开采等缺点。地下干馏技术又叫原位转化技术，原位转化技术是指在油页岩矿层对油页岩层进行原位热处理，使干酪根裂解为页岩油气的技术手段。原位转化技术具有不破坏地表，对环境无污染，适合深部油页岩层开发等优点。

油页岩原位转化加热方法有热传导、热对流、热辐射三种。热传导加热方法是将电阻加热器置于井眼中直接加热目标层，如美国专利us2548360描述了一种置于井眼粘性油中的电加热元件，该加热元件将粘性油加热并稀释，使油的粘度降低，从而将其泵至地表；专利cn1676870a描述了一种对流加热方法，该发明将高温蒸汽注入油页岩层，使干酪根裂解为页岩油气；美国专利us6023554描述了一种位于套管中的电加热元件，该加热元件通过热辐射加热套管，并通过套管加热填充在套管与地层之间的填料，进而加热油页岩层。

由于油页岩的导热系数较低，单一的热传导和热辐射方式存在加热速度慢，效率低的问题，而上述对流加热技术中高温流体与油页岩层的接触面积大，对流换热面积大，能更快的加热油页岩层。中国专利：cn1676870a，其中的高温流体产生部位在地表，存在沿程热损失大，不适用深部油页岩开发的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有井下加热器加热流体时流体压力损失大，大长度螺旋板加热器制造难度大，高温工况下大长度螺旋板易产生热力破坏，在加热器后半段由于流体被加热，加热器的传热系数降低等问题，提供一种串联式变螺距井下流体电加热器。

本发明是由第一接线腔、一级加热器、第二接线腔、二级加热器、第三接线腔、三级加热器和封隔器组成，一级加热器、二级加热器和三级加热器依次相连接，封隔器设置在三级加热器上，第一接线腔设置在一级加热器上，第二接线腔设置在一级加热器和二级加热器之间，第三接线腔设置在二级加热器和三级加热器之间；

所述电加热器的第一线缆通道、第二线缆通道、第三线缆通道由两个半圆形管道和中心隔板焊接而成，形成两个封闭的通道，防止信号线出现未发现的屏蔽层损坏时高频交流电对信号线产生干扰，防止三相电在加热器中产生电涡流，加热器工作时，从通道进气口注入冷空气对线缆通道进行冷却，保证线缆不产生高温损坏，有利于加热器长时间在高温工况下运行；

第一接线腔包括起吊锁止环、第一接线罩、第一线缆管、第一接线软管、第一密封垫圈，起吊锁止环通过螺纹连接设置在第一加热棒支座上，并固定第一接线罩，第一接线罩设置在起吊所致环下端，第一线缆管设置在第一接线腔内，并穿过第一接线罩，第一线缆管下端与四个第一电加热棒通过螺纹连接在一起，第一线缆管内侧与第一线缆通道相连接，第一线缆管的顶部在信号线通道侧开有信号线孔，用于穿过信号线；在动力线通道侧开有动力线孔，用于穿过动力线，在中心隔板上方设置有通道进气口，用于对两侧线缆通道注入低温气体，降低通道温度，防止信号线和动力线产生高温损坏，第一接线软管设置在第一线缆管和第一电加热棒之间，通过活动接头连接，用于将动力线与外界隔离，防止受到地下水的侵蚀，避免接线腔进水发生事故，第一密封垫圈设置在第一接线罩和第一壳体之间，并密封第一接线腔；

一级加热器包括第一加热棒支座、第一电加热棒、第一加热棒锁紧螺母、第一加热棒密封层、第一线缆通道、第一螺旋折流板、第一中心管隔热层、第一中心管、第一传感器孔、第一壳体、第一密封圈，第一加热棒支座设置在第一壳体内侧，与第一壳体通过螺纹连接，第一电加热棒环形设置在第一加热棒支座上，并通过第一加热棒锁紧螺母固定，第一加热棒密封层设置在第一电加热棒与第一加热棒支座之间，并由第一加热棒锁紧螺母压实，第一线缆通道的上端穿过第一加热棒支座，并与第一线缆管相连接，第一线缆通道下端与第二线缆通道上端焊接在一起，第一中心管隔热层设置在第一线缆通道和第一中心管之间，起到阻止热量从第一中心管传递到第一线缆通道的作用，第一中心管设置在第一中心管隔热层外环，穿过第一螺旋折流板的中心管孔，与第一螺旋折流板通过电焊连接，第一中心管下部与第二中心管上部焊接在一起，第一螺旋折流板设置在第一壳体内，穿过第一中心管和第一电加热棒，通过电焊连接，对所加热气体起导流作用，强化传热，第一传感器孔设置在第一中心管靠近第一电加热棒尾部的位置，用于穿过传感器，第一壳体下端部设置有四个螺栓孔，用于连接第二连接螺栓；

第二接线腔包括第二密封垫圈、第二接线罩、第二连接螺栓、第二连接支座、第二线缆管、第二连接软管、第二密封垫圈，第二密封垫圈设置在第一壳体与第二连接支座之间，通过第二连接螺栓连接，第二接线罩设置在第二连接支座外侧，与第二连接支座通过螺纹连接，第二连接支座设置在第一壳体和第二加热棒支座之间，通过第二连接螺栓连接，第二连接支座、第一壳体与第二加热棒支座之间分别设置有第二密封垫圈，第二线缆管下端与第二连接软管上端连接，将动力线与外界隔绝，第二接线软管上端与第二线缆管下端相连接，第二接线软管下端与第二电加热棒上端相连接，第二密封圈设置在第二连接支座与第二加热棒支座之间；

二级加热器包括加第二加热棒支座、第二电加热棒、第二加热棒锁紧螺母、第二加热棒密封层、第二线缆通道、第二螺旋折流板、第二中心管隔热层、第二中心管、第二传感器孔、第二壳体和第二密封圈，第二加热棒支座通过螺纹连接在第二壳体内，第二加热棒支座上具有四个第一加热棒孔和四个第一螺栓孔，并分别用于连接第二电加热棒和第二连接螺栓，第二电加热棒设置在第二加热棒支座的第一加热棒孔上，第二加热棒锁紧螺母设置在第二电加热棒上端的外螺纹处，第二加热棒密封层设置在第二电加热棒和加热棒孔之间的环形空间内，用于对加热棒孔进行密封，第二线缆通道穿过第二连接支座，与第二线缆管连接，第二线缆通道上端与第一线缆通道下端焊接，第二线缆通道下端与第三线缆通道上端连接，第二螺旋折流板设置在第二壳体内，穿过第二电加热棒和穿过第二中心管，并与第二中心管焊接，对所加热流体起导流作用，第二中心管隔热层设置在第二线缆通道外环，防止热量从第二中心管传递至第二线缆通道，第二中心管设置在第二中心管隔热层外环，穿过第二螺旋折流板的中心管孔，与第二螺旋折流板焊接，第二中心管上部与第一中心管下部焊接在一起，第二中心管下端与第三中心管上端焊接在一起，第二传感器孔设置在第二中心管上，用于穿过传感器，第二壳体下端部设置有四个第二螺栓孔，用于与第三连接螺栓相连接；

第三接线腔包括第三密封垫圈、第三接线罩、第三连接螺栓、第三连接支座、第三线缆管、第三连接软管和第三密封垫圈，第三密封垫圈设置在第二壳体端部，并第三连接支座之间，通过第三连接螺栓连接，第三接线罩设置在第三连接支座外侧，与第三连接支座通过螺纹连接，第三连接支座设置在第二壳体和第三加热棒支座之间，并通过第三连接螺栓连接，第三连接支座和第二壳体分别与第三加热棒支座之间设置有第三密封垫圈，第三线缆管下端与第三连接软管上端连接，将动力线与外界隔绝，第三接线软管上端与第三线缆管下端相连接，第三接线软管下端与第三电加热棒上端相连接，第三密封圈设置在第三连接支座与第三加热棒支座之间；

三级加热器包括加第三加热棒支座、第三电加热棒、第三加热棒锁紧螺母、第三加热棒密封层、第三线缆通道、第三螺旋折流板、第三中心管隔热层、第三中心管、第三传感器孔、第一单向阀、第三壳体、第三密封圈，第三加热棒支座设置在第三壳体内，并通过螺纹相连接，第三加热棒支座上具有四个第三加热棒孔和四个第三螺栓孔，分别与第三电加热棒和第三连接螺栓相配合，第三电加热棒设置在第三加热棒支座的第三加热棒孔上，第三加热棒锁紧螺母设置在第三电加热棒上端的外螺纹处，第三加热棒密封层设置在第三电加热棒与第三加热棒孔之间的环形空间内，用于对第三加热棒孔进行密封，第三线缆通道穿过第三连接支座与第三线缆管连接，第三线缆通道上端与第二线缆通道下端焊接，第三螺旋折流板设置在第三壳体内，穿过第三电加热棒和第三中心管，并与第三中心管焊接在一起，对所加热流体起导流作用，第三中心管隔热层设置在第三线缆通道外环，防止热量从第三中心管传递至第三线缆通道，第三中心管设置在第三中心管隔热层外环，穿过第三螺旋折流板的中心管孔，与第三螺旋折流板焊接，第三中心管上端与第二中心管下端焊接在一起，第三传感器孔设置在第三中心管上，用于穿过传感器，第一单向阀设置在第三中心管的底端，第三壳体下端部设置有四个第三螺栓孔，并与单向阀座相连接；

封隔器包括连接螺栓、单向阀、上端盖、胶筒、封隔器支座、坐封填料、热敏金属环、下端盖，上端盖与下端盖结构相同；

上端盖包括端盖套、端盖金属环、上端盖套、端盖连接螺栓；

端盖金属环设置在端盖套和上端盖套之间，端盖套和上端盖套之间通过端盖连接螺栓连接；

连接螺栓用于连接单向阀与第三壳体底端，单向阀上端与第三壳体底部通过连接螺栓相连接，单向阀下端与封隔器支座连接，上端盖置于封隔器支座上部，通过螺纹连接，胶筒置于上端盖和下端盖之间，胶筒外侧设置有热敏金属环，封隔器支座上端与单向阀下端连接，封隔器支座下端与下端盖相连接，坐封填料设置在封隔器支座和胶筒之间的环空，热敏金属环置于胶筒外侧，下端盖设置在封隔器支座的下端；

所述第一加热棒支座、第二加热棒支座、第三加热棒支座为渐开式支座，第一壳体、第二壳体、第三壳体为渐缩式支座，用于减少流体的局部压力损失；

所述第一电加热棒、第二电加热棒、第三电加热棒为螺纹管式电加热棒，其外表面有螺纹状突起，用于增大电加热棒的传热面积，降低加热棒壁面流体的边界层厚度，提高加热棒与流体之间的传热性能；

所述的第一螺旋折流板、第二螺旋折流板和第三螺旋折流板为连续螺旋折流板，采用三级螺距，第一螺旋折流板的螺距最大，第二螺旋折流板的螺距次之，第三螺旋折流板的螺距最小，通过逐级提高传热系数来提高加热器的综合性能；

所述第一密封垫圈、第二密封垫圈和第三密封垫圈为石墨垫圈；

所述第二连接支座和第三连接支座横截面呈工字型；

所述坐封填料为热膨胀系数较大的热敏性材料，当受热时坐封填料大体积膨胀，使胶筒向外扩张，实现坐封，当解封时，停止注热，坐封填料收缩，实现解封；

所述端盖金属环横截面为工字型。

本发明的工作原理和过程：

将本加热器竖直放置于井中，通入空气(也可是氮气、二氧化碳、水等流体)作为传热介质，通入空气(氮气、二氧化碳等气体)作为低温流体，降低线缆通道内的温度，然后对油页岩区块进行钻井工作，并对目标层进行压裂，井眼中下入套管；本加热器调试后下入井内，并预热，观测本加热器的各项参数，达到要求后，开始注气和注入常温空气，对封隔器进行坐封；通过地面显示设备实时监控本加热器的各项参数，避免加热棒壁面温度超过加热棒的最高耐受温度；需要上提本加热器时，停止加热，继续注入空气，一段时间后封隔器解封，上提本加热器。

本发明的有益效果：

本发明降低了大长度螺旋折流板的制造难度，克服了高温工况下大长度螺旋折流板易产生热力破坏的缺点，加热流体时流体的压力损失小，传热系数高。本发明可以实现对目标地层的过热蒸汽开采、热气体开采。该加热器经优化后也可用于开采可燃冰、油页岩、稠油等储层。

附图说明

图1是本发明上部分剖面示意图。

图2是本发明中间部分剖面示意图。

图3是本发明下部分剖面示意图。

图4是图2中的a-a向剖视图。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3和图4所示，本发明是由第一接线腔1、一级加热器2、第二接线腔3、二级加热器4、第三接线腔5、三级加热器6和封隔器7组成，一级加热器2、二级加热器4和三级加热器6依次相连接，封隔器7设置在三级加热器6上，第一接线腔1设置在一级加热器2上，第二接线腔3设置在一级加热器2和二级加热器4之间，第三接线腔5设置在二级加热器4和三级加热器6之间；

所述电加热器的第一线缆通道25、第二线缆通道45、第三线缆通道65由两个半圆形管道和中心隔板焊接而成，形成两个封闭的通道，防止信号线出现未发现的屏蔽层损坏时高频交流电对信号线产生干扰，防止三相电在加热器中产生电涡流，加热器工作时，从通道进气口注入冷空气对线缆通道进行冷却，保证线缆不产生高温损坏，有利于加热器长时间在高温工况下运行；

第一接线腔1包括起吊锁止环11、第一接线罩12、第一线缆管13、第一接线软管14、第一密封垫圈15，起吊锁止环11通过螺纹连接设置在第一加热棒支座21上，并固定第一接线罩12，第一接线罩12设置在起吊所致环11下端，第一线缆管13设置在第一接线腔1内，并穿过第一接线罩12，第一线缆管13下端与四个第一电加热棒22通过螺纹连接在一起，第一线缆管13内侧与第一线缆通道25相连接，第一线缆管13的顶部在信号线通道侧开有信号线孔131，用于穿过信号线；在动力线通道侧开有动力线孔132，用于穿过动力线，在中心隔板上方设置有通道进气口133，用于对两侧线缆通道注入低温气体，降低通道温度，防止信号线和动力线产生高温损坏，第一接线软管14设置在第一线缆管13和第一电加热棒22之间，通过活动接头连接，用于将动力线与外界隔离，防止受到地下水的侵蚀，避免接线腔进水发生事故，第一密封垫圈15设置在第一接线罩12和第一壳体201之间，并密封第一接线腔1；

一级加热器2包括第一加热棒支座21、第一电加热棒22、第一加热棒锁紧螺母23、第一加热棒密封层24、第一线缆通道25、第一螺旋折流板26、第一中心管隔热层27、第一中心管28、第一传感器孔29、第一壳体201、第一密封圈202，第一加热棒支座21设置在第一壳体201内侧，与第一壳体201通过螺纹连接，第一电加热棒22环形设置在第一加热棒支座21上，并通过第一加热棒锁紧螺母23固定，第一加热棒密封层24设置在第一电加热棒22与第一加热棒支座21之间，并由第一加热棒锁紧螺母23压实，第一线缆通道25的上端穿过第一加热棒支座21，并与第一线缆管13相连接，第一线缆通道25下端与第二线缆通道45上端焊接在一起，第一中心管隔热层27设置在第一线缆通道25和第一中心管28之间，起到阻止热量从第一中心管28传递到第一线缆通道25的作用，第一中心管28设置在第一中心管隔热层27外环，穿过第一螺旋折流板26的中心管孔，与第一螺旋折流板通过电焊连接，第一中心管28下部与第二中心管48上部焊接在一起，第一螺旋折流板26设置在第一壳体201内，穿过第一中心管28和第一电加热棒22，通过电焊连接，对所加热气体起导流作用，强化传热，第一传感器孔29设置在第一中心管28靠近第一电加热棒22尾部的位置，用于穿过传感器，第一壳体201下端部设置有四个螺栓孔，用于连接第二连接螺栓33；

第二接线腔3包括第二密封垫圈31、第二接线罩32、第二连接螺栓33、第二连接支座34、第二线缆管35、第二连接软管36、第二密封垫圈37，第二密封垫圈31设置在第一壳体201与第二连接支座34之间，通过第二连接螺栓33连接，第二接线罩32设置在第二连接支座34外侧，与第二连接支座通过螺纹连接，第二连接支座34设置在第一壳体201和第二加热棒支座41之间，通过第二连接螺栓33连接，第二连接支座34、第一壳体201与第二加热棒支座41之间分别设置有第二密封垫圈31，第二线缆管35下端与第二连接软管36上端连接，将动力线与外界隔绝，第二接线软管36上端与第二线缆管35下端相连接，第二接线软管36下端与第二电加热棒42上端相连接，第二密封圈37设置在第二连接支座34与第二加热棒支座41之间；

二级加热器4包括加第二加热棒支座41、第二电加热棒42、第二加热棒锁紧螺母43、第二加热棒密封层44、第二线缆通道45、第二螺旋折流板46、第二中心管隔热层47、第二中心管48、第二传感器孔49、第二壳体401和第二密封圈402，第二加热棒支座41通过螺纹连接在第二壳体402内，第二加热棒支座上具有四个第一加热棒孔和四个第一螺栓孔，并分别用于连接第二电加热棒42和第二连接螺栓33，第二电加热棒42设置在第二加热棒支座41的第一加热棒孔上，第二加热棒锁紧螺母43设置在第二电加热棒42上端的外螺纹处，第二加热棒密封层44设置在第二电加热棒42和加热棒孔之间的环形空间内，用于对加热棒孔进行密封，第二线缆通道45穿过第二连接支座34，与第二线缆管35连接，第二线缆通道45上端与第一线缆通道25下端焊接，第二线缆通道45下端与第三线缆通道65上端连接，第二螺旋折流板46设置在第二壳体401内，穿过第二电加热棒42和穿过第二中心管48，并与第二中心管焊接，对所加热流体起导流作用，第二中心管隔热层47设置在第二线缆通道45外环，防止热量从第二中心管48传递至第二线缆通道45，第二中心管48设置在第二中心管隔热层47外环，穿过第二螺旋折流板46的中心管孔，与第二螺旋折流板46焊接，第二中心管48上部与第一中心管28下部焊接在一起，第二中心管48下端与第三中心管上端焊接在一起，第二传感器孔49设置在第二中心管48上，用于穿过传感器，第二壳体401下端部设置有四个第二螺栓孔，用于与第三连接螺栓53相连接；

第三接线腔5包括第三密封垫圈51、第三接线罩52、第三连接螺栓53、第三连接支座54、第三线缆管55、第三连接软管56和第三密封垫圈57，第三密封垫圈51设置在第二壳体401端部，并第三连接支座54之间，通过第三连接螺栓53连接，第三接线罩52设置在第三连接支座54外侧，与第三连接支座通过螺纹连接，第三连接支座54设置在第二壳体401和第三加热棒支座61之间，并通过第三连接螺栓53连接，第三连接支座54和第二壳体401分别与第三加热棒支座61之间设置有第三密封垫圈51，第三线缆管55下端与第三连接软管56上端连接，将动力线与外界隔绝，第三接线软管56上端与第三线缆管55下端相连接，第三接线软管56下端与第三电加热棒62上端相连接，第三密封圈57设置在第三连接支座54与第三加热棒支座61之间；

三级加热器6包括加第三加热棒支座61、第三电加热棒62、第三加热棒锁紧螺母63、第三加热棒密封层64、第三线缆通道65、第三螺旋折流板66、第三中心管隔热层67、第三中心管68、第三传感器孔691、第一单向阀692、第三壳体601、第三密封圈602，第三加热棒支座61设置在第三壳体601内，并通过螺纹相连接，第三加热棒支座上具有四个第三加热棒孔和四个第三螺栓孔，分别与第三电加热棒62和第三连接螺栓63相配合，第三电加热棒62设置在第三加热棒支座61的第三加热棒孔上，第三加热棒锁紧螺母63设置在第三电加热棒62上端的外螺纹处，第三加热棒密封层64设置在第三电加热棒62与第三加热棒孔之间的环形空间内，用于对第三加热棒孔进行密封，第三线缆通道65穿过第三连接支座64与第三线缆管连接，第三线缆通道65上端与第二线缆通道35下端焊接，第三螺旋折流板66设置在第三壳体601内，穿过第三电加热棒62和第三中心管68，并与第三中心管68焊接在一起，对所加热流体起导流作用，第三中心管隔热层67设置在第三线缆通道65外环，防止热量从第三中心管68传递至第三线缆通道65，第三中心管68设置在第三中心管隔热层67外环，穿过第三螺旋折流板66的中心管孔，与第三螺旋折流板66焊接，第三中心管68上端与第二中心管48下端焊接在一起，第三传感器孔69设置在第三中心管68上，用于穿过传感器，第一单向阀692设置在第三中心管68的底端，第三壳体601下端部设置有四个第三螺栓孔，并与单向阀座72相连接；

封隔器7包括连接螺栓71、单向阀72、上端盖73、胶筒74、封隔器支座75、坐封填料76、热敏金属环77、下端盖78，上端盖73与下端盖78结构相同；

上端盖73包括端盖套731、端盖金属环732、上端盖套733、端盖连接螺栓734；

端盖金属环732设置在端盖套731和上端盖套733之间，端盖套731和上端盖套733之间通过端盖连接螺栓734连接；

连接螺栓71用于连接单向阀72与第三壳体601底端，单向阀72上端与第三壳体601底部通过连接螺栓71相连接，单向阀72下端与封隔器支座75连接，上端盖73置于封隔器支座上部，通过螺纹连接，胶筒74置于上端盖73和下端盖78之间，胶筒74外侧设置有热敏金属环，封隔器支座75上端与单向阀72下端连接，封隔器支座75下端与下端盖相连接，坐封填料76设置在封隔器支座75和胶筒74之间的环空，热敏金属环77置于胶筒74外侧，下端盖78设置在封隔器支座75的下端；

所述第一加热棒支座21、第二加热棒支座41、第三加热棒支座61为渐开式支座，第一壳体201、第二壳体401、第三壳体601为渐缩式支座，用于减少流体的局部压力损失；

所述第一电加热棒22、第二电加热棒42、第三电加热棒62为螺纹管式电加热棒，其外表面有螺纹状突起，用于增大电加热棒的传热面积，降低加热棒壁面流体的边界层厚度，提高加热棒与流体之间的传热性能；

所述的第一螺旋折流板26、第二螺旋折流板46和第三螺旋折流板66为连续螺旋折流板，采用三级螺距，第一螺旋折流板26的螺距最大，第二螺旋折流板46的螺距次之，第三螺旋折流板66的螺距最小，通过逐级提高传热系数来提高加热器的综合性能；

所述第一密封垫圈15、第二密封垫圈31和第三密封垫圈51为石墨垫圈；

所述第二连接支座34和第三连接支座54横截面呈工字型；

所述坐封填料为热膨胀系数较大的热敏性材料，当受热时坐封填料大体积膨胀，使胶筒74向外扩张，实现坐封，当解封时，停止注热，坐封填料收缩，实现解封；

所述端盖金属环372横截面为工字型。

本发明的工作原理和过程：

请参阅图1、图2、图3和图4所示，将本加热器竖直放置于井中，通入空气(也可是氮气、二氧化碳、水等流体)作为传热介质，通入空气(氮气、二氧化碳等气体)作为低温流体，降低线缆通道内的温度，然后对油页岩区块进行钻井工作，并对目标层进行压裂，井眼中下入套管；本加热器调试后下入井内，并预热，观测本加热器的各项参数，达到要求后，开始注气和注入常温空气，对封隔器进行坐封；通过地面显示设备实时监控本加热器的各项参数，避免加热棒壁面温度超过加热棒的最高耐受温度；需要上提本加热器时，停止加热，继续注入空气，一段时间后封隔器解封，上提本加热器。