一种井下原位流体微波电加热方法及其微波电加热器技术领域
本发明涉及油页岩领域，特别涉及一种井下原位流体微波电加热方法及其微波电
加热器。
背景技术
目前世界上提出的各种油页岩原位开采方法的主要技术特征都是对油页岩进行
地下原位加热，使干酪根裂解生成油气，加热技术有电阻加热、微波加热、射频加热、热空气
加热、立体加热等，我国油页岩资源丰富，但是大多品位低、埋藏深，超过300m深的油页岩资
源占有相当大的比例，目前有吉林大学TS-A技术和众诚集团的压裂空气燃烧技术进行了示
范工程。
专利CN101871339A公开一种地下原位提取油页岩中烃类化合物的方法中，向工作
井内注入水和惰性气体水蒸汽，形成近临界水的微环境，页岩油被裂解成不同链长的有机
化合物，形成油水混合物，油水混合物经生产井提升到地面，经油水分离系统获得烃类化合
物，惰性气体和蒸汽使用地表加热系统加热，惰性气体和蒸汽的温度、压力临界状态在注入
井底的过程中发生改变。
专利CN103696747A公开一种油页岩原位提取页岩油气的方法中，向工作井内注入
地表加热的氮气，预热目标油页岩地层，利用循环气体和油页岩地层中的有机质发生局部
化学反应，化学强化加热油页岩地层，裂解干酪根生成油气产品，注入的氮气使用地表加热
系统进行加热，热量向井底传输过程中存在巨大损失。
专利CN103114831A公开一种油页岩油气资源原位开采方法中，通过在地面布置群
井，采用压裂方式使群井连通，然后间隔轮换注热井与生产井，将400～700℃高温烃类气体
沿注热井注入油页岩矿层，加热矿层使干酪根热解形成油气，并经低温气体或水携带沿生
产井排到地面，蒸汽使用地表加热系统加热，蒸汽的温度、压力在注入井底的过程中降低，
需要功率很大的地表加热系统才能满足原位开采技术要求。
微波能作为一种新型的热源形式，简单原理是其交变电磁场的极化作用使材料内
部的自由电荷重新排布及偶极子的反复调旋，从而产生强大的振动和摩擦，在这一微观过
程中交变电磁场的能量转化为介质内的热能，导致介质温度升高，因此微波加热是介质材
料自身损耗电磁场能量而发热。微波加热属于内加热不接触被加热物体，具有加热速度快、
加热效率高，可显著节能、热惯性小、对化学反应具有催化作用等优点。
微波能一个典型而成功的应用是对水进行加热，目前人们已经发明了各种各样的
微波热水器，均采用了极性水分子直接吸收微波而自身发热的加热形式。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有油页岩开采过程中加热所存在的问题，而提供一种
井下原位流体微波电加热方法及其微波电加热器。
本发明包括地下原位微波加热器系统和井内管柱循环系统，地下原位微波加热器
系统包括控制系统和井下微波加热器；
控制系统包括PLC控制装置、交流升压器和相应的连接线缆；
PLC装置是由PLC控制柜、井下温度传感器、压力传感器组成，井下温度压力传感器
实时监测加热区的温度和压力，信号经高屏蔽信号线反馈给PLC控制柜，PLC控制柜通过控
制交流升压器和注入泵的启停，完成对井内加热温度的控制和压力控制；
交流升压器将380V工业电压升压到2100V，经升压器内置倍压电路升压到4200V左
右，经高压高频导线输入到井中加热器微波发生器；
微波发生区作用是产生微波并输送到波导管中，微波发生器产生微波，波导管传
导产生的微波，壳体微波发生区段保护微波发生器不被外界环境侵蚀破坏，水冷系统是由
流体通道的微波发生区段和壳体组成，低温流体与壳体微波发生区段发生热交换，带走微
波发生器给壳体微波发生区段体的热量，进而起到冷却微波发生区作用；
封隔区两个作用，一是将加热区和微波发生区分隔开，保留安全距离防止避免加
热区的高温对微波发生去电路产生影响；二是分隔封隔区上下地层，防止下部水进去封隔
器上部，主要包括封隔器、上密封垫层、下密封垫层、壳体封隔区段、流体通道封隔区段和波
导管，封隔器作用是分隔密封封隔区上下地层，上密封垫层置于微波发生区和封隔区分界
位置，作用是严格分隔微波发生区和封隔区，防止发生流体交换，还具有隔温作用，下密封
垫层置于封隔区和加热区分界位置，作用是严格分隔封隔区和加热区，防止加热区热流体
进入封隔区，防止加热区热量传导给封隔区；壳体封隔区段有足够力学强度保护封隔区水
管和波导管；内部水管是往加热区输入待加流体，并起冷却不锈钢腔体作用；波导管是将微
波发生区产生的微波输送到加热区内，波导管底部由陶瓷严格封闭，防止加热区水进入波
导管损毁微波发生器。
加热区是微波和待加热水混合加热水的区域，微波完全被流体吸收被加热，微波
在壳体内被流体完全吸收；温度传感器和压力传感器实时测量加热区的温度和压力，高屏
蔽导线将信号输送到PLC控制柜，用来反映加热情况和控制输出加热器功率；温度传感器通
道是保护温度传感器，并传感器导线至于内；单向压力阀作用是防止加热器以外流体、污物
进入加热区的腔体；
井内管柱循环系统由注流体管柱、井口密封组成，注流体管柱用于间断性注入流
体，井口密封为三通道井口需要穿过高压注水管柱、高屏蔽温度压力信号线和为微波发生
器提供电力高压高频号导线。
本发明之一种井下原位流体微波电加热器，包括微波发生器、上密封垫层、波导
管、壳体、下密封垫层、温度传感器、压力传感器、高压高频导线、高屏蔽信号线和单向阀，微
波发生器、上密封垫层、波导管、下密封垫层、温度传感器、压力传感器分别设置在壳体内
部，高压高频导线和高屏蔽信号线分别连接在壳体上端，单向阀设置在壳体下端，壳体内具
有流体通道和温度传感器通道，温度传感器设置在温度传感器通道内，微波发生器和上密
封垫层设置在波导管上端，下密封垫层、温度传感器和压力传感器分别设置在波导管下端，
壳体的上部开设有上口，下部开设有下口；
上密封垫层和下密封垫层将壳体内部分成三个区域，上密封垫层和下密封垫层之
间为封隔区，上密封垫层上端为微波加热器，下密封垫层下端为加热区。
本发明之一种井下原位流体微波电加热方法，具体步骤如下：
1)工作时，根据需要，钻数个水平井或者竖直井，将加热器和封隔器放入井内，封
隔器在加热器下端，PLC控制柜和交流升压器设置在地面上并分别于加热器相连接，开动水
泵，将常温流体沿注流体管柱输送到加热井中，从上口进入到加热器中，常温流体在加热器
顶部分成4个小管路，首先冷却微波发生区腔体外壁，然后经过封隔区流入加热区内吸收微
波被加热，对油页岩地层压裂，产生水平裂缝，使数个井的孔底连通；
2)将微波井下加热器与注水管柱连接，并连接好高压高频导线，高屏蔽信号线连
接一同下入其中一个井中，封隔器在加热器封隔区与上覆基岩地层之间进行密封，并对井
口密封；
3)开启加热器电源，380V高压电在高压升压器中升压到2100V左右，经倍压电路升
到4200V左右，经高压导线输送到微波发生器，微波发生器产生微波，经波导管传送到加热
区腔体内，被水完全吸收；
4)加热区腔体内有温度传感器和压力传感器，温度和压力传感器实时测量加热区
的温度和压力，高屏蔽信号线将信号输送到PLC控制柜，地面可观测到数据变化，根据数据
调节加热器功率，控制加热的温度；
5)加热器的加热区内，被加热的水压力高于腔体外围，热流体将从单向阀中流出
加热器进入地层，与地层发生热交换，加热油页岩地层，裂解油页岩产生油气，通过另一个
井随循环水流出地表。
本发明的有益效果：
本发明方法简单，节约能源，开采效率高，加热速度快、加热效率高，热惯性小，对
化学反应具有催化作用，热量向井底传输过程中损失小，降低了开采成本，提高了能源开采
率。
附图说明
图1为本发明加热器结构示意图。
图2为本发明加热器的a-a'剖面图。
图3为本发明加热器的b-b'剖面图。
图4为本发明加热器的c-c'剖面图。
图5为本发明实施例1和实施例2开采技术原理图。
图6为本发明实施例3开采技术原理图。
图7为本发明实施例3开采技术原理图。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，本发明之一种井下原位流体微波电
加热器，包括微波发生器101、上密封垫层102、波导管103、壳体104、下密封垫层105、温度传
感器106、压力传感器107、高压高频导线109、高屏蔽信号线110和单向阀112，微波发生器
101、上密封垫层102、波导管103、下密封垫层105、温度传感器106、压力传感器107分别设置
在壳体104内部，高压高频导线109和高屏蔽信号线110分别连接在壳体104上端，单向阀112
设置在壳体104下端，壳体104内具有流体通道111和温度传感器通道108，温度传感器106设
置在温度传感器通道108内，微波发生器101和上密封垫层102设置在波导管103上端，下密
封垫层105、温度传感器106和压力传感器107分别设置在波导管103下端，壳体104的上部开
设有上口1041，下部开设有下口1042；
上密封垫层102和下密封垫层105将壳体104内部分成三个区域，上密封垫层102和
下密封垫层105之间为封隔区，上密封垫层102上端为微波加热器，下密封垫层105下端为加
热区。
本发明之一种井下原位流体微波电加热方法，具体步骤如下：
1)工作时，根据需要，钻数个水平井或者竖直井，将加热器1和封隔器115放入井
内，封隔器115在加热器1下端，PLC控制柜113和交流升压器114设置在地面上并分别于加热
器1相连接，开动水泵，将常温流体沿注流体管柱115输送到加热井中，从上口1041进入到加
热器中，常温流体在加热器顶部分成4个小管路，首先冷却微波发生区腔体外壁，然后经过
封隔区流入加热区内吸收微波被加热，对油页岩地层205压裂，产生水平裂缝203，使数个井
的孔底连通；
2)将微波井下加热器1与注水管柱115连接，并连接好高压高频导线109，高屏蔽信
号线110连接一同下入其中一个井中，封隔器115在加热器封隔区115与上覆基岩地层204之
间进行密封，并对井口密封；
3)开启加热器电源，380V高压电在高压升压器114中升压到2100V左右，经倍压电
路升到4200V左右，经高压导线输送到微波发生器101，微波发生器产生微波，经波导管103
传送到加热区腔体内，被水完全吸收；
4)加热区腔体内有温度传感器106和压力传感器107，温度和压力传感器实时测量
加热区的温度和压力，高屏蔽信号线110将信号输送到PLC控制柜113，地面可观测到数据变
化，根据数据调节加热器功率，控制加热的温度；
5)加热器的加热区内，被加热的水压力高于腔体外围，热流体将从单向阀112中流
出加热器进入地层，与地层发生热交换，加热油页岩地层，裂解油页岩产生油气，通过另一
个井随循环水流出地表。
实施例1
请参阅图5所示，某地油页岩埋藏深度为380米，层厚为10米，使用临界水萃取方法
进行原位开采，首先钻两孔竖直井，两孔竖直井为第一竖直井201和第二竖直井202，深度为
395米，最后一级套管直径尺寸为Φ219，将第一竖直井201井作为注入井，将第二竖直井202
作为开采井，对第一竖直井201进行射孔，并对油页岩地层205压裂，产生水平裂缝203，使第
一竖直井201和第二竖直井202孔底连通；
将微波井下加热器1与注水管柱115连接，并连接好高压高频导线109，高屏蔽信号
线110连接一同下入第一竖直井201中，封隔器115在加热器封隔区115与上覆基岩地层204
之间进行密封，并对井口密封；
使用循环水泵在第一竖直井201管柱中注水，开动电源，对交流升压器供给380V高
压电，在交流升压器114将电压升压到2100V，经升压器内置倍压电路升压到4200V，经高压
高频导线109输入到井中加热器微波发生器1，微波井下加热器微波发生区产生微波并通过
波导管传送到加热区内，在加热区内，微波完全被水吸收，很快升温，首先产生水蒸汽首先
把孔内压力提高，通过限压阀将孔内压力维持在20Mpa，井底的水被加热到370℃，保持为临
界状态；临界水流入地层裂缝203，加热裂解油页岩，并萃取产生的油气，通过第二竖直井
202随循环水流出地表。
实施例2
请参阅图5所示，某地油页岩埋藏深度为100米，层厚为12米，使用蒸汽加热方法进
行原位开采，首先钻两孔竖直井，两孔竖直井为第一竖直井201和第二竖直井202，深度为
117米，最后一级套管直径尺寸为Φ168，将第一竖直井201作为注入井，将第二竖直井202作
为开采井，对第一竖直井201进行射孔，并对油页岩地层205压裂，产生水平裂缝203，使第一
竖直井201和第二竖直井202孔底连通。
将微波井下加热器1与注蒸汽管柱115连接，并连接好高压高频导线109，高屏蔽信
号线连接一同下入第一竖直井201井底，封隔器115在加热器封隔区115与上覆基岩地层204
之间进行密封，并对井口密封；
使用循环水泵在第一竖直井201管柱中注水，开动电源，对交流升压器114供给
380V高压电，在交流升压器将电压升压到2100V，经升压器内置倍压电路升压到4200V左右，
经高压高频导线109输入到井中加热器微波发生器1，微波井下加热器1微波发生区产生微
波并通过波导管103传送到加热区内，在加热区内，微波完全被蒸汽吸收，很快升温，通过限
压阀将孔内压力维持在3Mpa，井底的蒸汽被加热到500℃，蒸汽流入地层裂缝203，加热裂解
油页岩，并生成的油气，通过第二竖直井202随循环蒸汽流出地表。
实施例3
请参阅图6和图7所示，某地矿物盐成分主要为Na2CO3、K2CO3埋藏深度为500米，层
厚为50米，使用原位溶解开采方法进行开采，首先钻两孔水平井，两孔水平井为第一水平井
301和第二水平井302井距为150m，水平井尾端钻1个竖直井303连通，水平段长度为1000m，
水平井采用为上下布局，第一水平井301深度为515m，第二水平井302深度为530m，最后一级
套管直径尺寸为Φ244，将微波井下加热器1与注水管柱115连接，并连接好高压高频导线
109，高屏蔽信号线110连接一同下入加热井井底，在加热器封隔区115与上覆基岩地层304
之间进行密封，并对井口密封；
首先，将竖直井303作为加热井，第一水平井301作为开采井，使用循环水泵在竖直
井303管柱中注水；开动电源，对交流升压114器供给380V高压电，在交流升压器将电压升压
到2100V，经升压器内置倍压电路升压到4200V，经高压高频导线109输入到井中加热器微波
发生器1，微波井下加热器微波发生区产生微波并通过波导管103传送到加热区内，在加热
区内，微波完全被水吸收，很快升温到80℃，第一水平井301中，快速溶解第一水平井301周
围的盐矿地层305，通过第一水平井301随循环水流出地表；
其次，将竖直井303作为加热井，第二水平井302作为开采井，使用循环水泵在竖直
井203管柱中注水；开动电源，对交流升压器114供给380V高压电，在交流升压器将电压升压
到2100V，经升压器内置倍压电路升压到4200V左右，经高压高频导线109输入到井中加热器
微波发生器1，微波井下加热器微波发生区产生微波并通过波导管103传送到加热区内，在
加热区内，微波完全被水吸收，很快升温到80℃，第二水平井302中，快速溶解第二水平井
302周围的盐矿地层305，通过第二水平井302随循环水流出地表；
最后，将第二水平井302作为加热井，第一水平井301作为开采井，对第一水平井
301进行分段射孔，并分段压裂，两个水平井之间产生垂直裂缝306连接，使用循环水泵在第
二水平井302管柱中注水；开动电源，对交流升压器114供给380V高压电，在交流升压器114
将电压升压到2100V，经升压器内置倍压电路升压到4200V左右，经高压高频导线109输入到
井中加热器微波发生器1，微波井下加热器微波发生区产生微波并通过波导管103传送到加
热区内，在加热区内，微波完全被水吸收，很快升温到80℃，流入地层裂缝306，快速溶解地
层中的矿盐，通过开采井301随循环水流出地表。