Устройство для нагрева скважины и способ поддержания ее теплового режима

 

Использование: в нефтяной промышленности для поддержания оптимального теплового режима в скважинах с парафиногидратными отложениями. Сущность изобретения: в скважинных трубах утанавливают нагреватель в виде составного металлического цилиндра из верхней и нижней частей неодинакового сечения нагреваемой поверхности. Части цилиндра электрически связаны между собой, а сам цилиндр - с источником питания. Параметры соотношений длин частей нагревателя, периметров сечений, площадей нагреваемых поверхностей взаимосвязаны. Регулирование теплового режима осуществляют сравниванием температур нагреваемой в скважине жидкости и плавления парафина, скважинной трубы и нагреваемой поверхности. Устанавливают значение рабочего тока по отношению к минимальному току, необходимому для предотвращения осаждения парафина в заданных пределах. 2 с., 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области нефтяной промышленности и может быть использовано для оборудования скважин и поддержания в них оптимального теплового режима в целях ликвидации парафино-гидратных образований.

Известно устройство для поддержания теплового режима скважины на уровне предупреждения в ней парафиногидратообразования, содержащее геофизический кабель с сердечником из семи многопроволочных токопроводящих жил, подушку под броню в виде обмотки из полиэтилентерефталатной ленты, броню из стальных круглых проволок, подключенный к трехфазному источнику питания [1].

Недостаток известного устройства - низкий уровень выделяемой электрической мощности, недостаточной для предупреждения образования отложений парафина, особенно в случаях высокого содержания парафиновых фракций в нефти (более 10%).

Известна терморегулируемая скважина, способ и средства поддержания ее теплового режима, содержащая источник питания, скважинные трубы, внутри которых расположено термонагревательное устройство [2] - прототип.

Известен способ поддержания теплового режима в скважине, включающий введение в нее нагревающей металлической поверхности и токопроводящей шины, пропускание через них электрического тока и управление подаваемой электрической мощностью до установления заданного теплового режима в скважинных трубах [2] - прототип.

Недостаток прототипов - неиспользование всех возможностей теплового нагрева в скважинах для обеспечения максимальной производительности и оптимизации процесса добычи нефти и газа.

Цель изобретения - возобновление добычи нефти и газа в скважинах, ранее выбывших из эксплуатации из-за образования гидропарафиновых пробок, исключение возможности образования новых пробок на всем протяжении эксплуатации, оптимизация добычи нефти и газа, увеличение производительности добычи нефти и газа в скважинах.

Достижение цели обеспечивается в терморегулируемой скважине, содержащей источник питания, скважинные трубы, внутри которой расположено термонагревательное устройство, состоящее из нагревателя и электропроводки тем, что нагреватель выполнен в виде металлического цилиндра, длина L₁ которого выбрана по отношению к длине L₂ скважинной трубы в пределах 1,01 ≅ ≅ 2,0 Цилиндр составлен из двух электрически соединенных между собой верхней и нижней частей неодинакового сечения нагреваемой металлической поверхности, охватывающей вместе с изолятором электропроводящую шину, электрически соединенных между собой в нижней части цилиндра таким образом, что в каждой из плоскостей поперечного сечения внутренний периметр Р₁ скважинной трубы взаимосвязан с наружным периметром Р₂верхней части нагреваемой металлической поверхности с отношением в пределах: 0,01 ≅ ≅ 1,0 Площадь S₁ нагреваемой металлической поверхности выбрана по отношению к площади S₂ скважинных труб в пределах: 0,001 ≅ ≅ 1,0 Площадь сечения S₃ нижней части нагреваемой металлической поверхности на ее длине L₃, выбранной по отношению к общей длине L₁термонагревательного устройства в пределах: 1,0 ≅ ≅ 2,0, взаимосвязана с величиной S₄ площади поперечного сечения верхней части нагреваемой металлической поверхности в соотношении: 0,15 ≅ ≅ 0,6 Скважина снабжена дополнительным отделяемым автономным блоком управления ее тепловым режимом, соединенным с источником питания, и автономным отделяемым стабилизатором тока, соединенным с источником питания, нагреваемой металлической поверхностью и блоком управления.

Цель достигается также с помощью способа поддержания теплового режима в скважине, включающего введение в нее нагреваемой металлической поверхности и токопроводящей шины, пропускание через них электрического тока и управление подаваемой электрической мощностью до установления заданного теплового режима в скважинных трубах. Температуру t₁, нагреваемой в скважине жидкости или газа поддерживают по отношению к температуре t₂ плавления парафина в пределах:
1,01 ≅ ≅ 1,5.

Количество Q электрической энергии, подаваемой в единицу времени, по отношению к количеству m нагреваемой ею жидкости или газа выбирают в пределах:
0,15 ≅ ≅ 1,7, где С - теплоемкость жидкости и/или газа;
а - экспериментальный коэффициент, определяемый конструктивными особенностями нагреваемой металлической поверхности, теплопотерями и т.д.;
а=0,2÷0,35.

Температуру t₃ скважинной трубы поддерживают по отношению к температуре t₄ нагреваемой металлической поверхности в пределах:
0,01 ≅ ≅ 0,55, устанавливая значение рабочего тока J_раб, нагревающего металлическую поверхность по отношению к минимальному току J_min, необходимому для предотвращения осаждения парафина в пределах:
1,0 ≅ ≅ 1,4.

На фиг. 1 показана терморегулируемая скважина; на фиг. 2 - блок управления тепловым режимом скважины.

Терморегулируемая скважина содержит источник питания 1, скважинные трубы 2, внутри которых расположено термонагревательное устройство 3, состоящего из нагревателя 4 и электропроводки 5. Термонагревательное устройство 3 выполнено в виде металлического цилиндра 4, переменного сечения (кабеля), длина L₁ которого выбрана по отношению к длине L₂скважинной трубы 2 в пределах:
1,01≅ ≅ 2,0.

Таким образом, цилиндр 4 составлен из двух электрически соединенных между собой верхней 6 и нижней 7 частей неодинакового сечения нагреваемой металлической поверхности. Металлическая поверхность 4 охватывает электропроводящую шину 5 вместе с ее изолятором и электрически соединена с ней в нижней части 8. Металлическая поверхность 4 при необходимости также может быть электрически изолирована материалом с хорошей теплопроводностью. Броня термонагревательного устройства 3 может быть использована в качестве нагреваемой металлической поверхности 4.

В каждой из плоскостей поперечного сечения терморегулируемой скважины внутренний периметр Р₁ скважинной трубы 2 взаимосвязан с наружным периметром Р₂ верхней части 6 нагреваемой металлической поверхности 4 соотношением в пределах:
0,01≅ ≅ 1.

Площадь S₁ обеих частей 6 и 7 нагреваемой металлической поверхности выбрана по отношению к площади S₂ поверхности скважинных труб в пределах:
0,001 ≅ ≅ 1,0
Вышеприведенные математические соотношения охватывают практически все возможные варианты конструктивных особенностей выполнения основных узлов (элементов) терморегулируемой скважины.

Площадь S₃ сечения нижней части 7 нагреваемой металлической поверхности на ее длине L₃ (фиг. 1), выбранной по отношению к общей длине L₁ нагреваемой металлической поверхности, практически определяющей длину термонагревательного устройства 3 в пределах:
1,0 ≅ ≅ 2,0 взаимосвязана с величиной S₄ площади поперечного сечения верхней части в нагреваемой металлической поверхности в соотношении:
0,15 ≅ ≅ 0,6.

В целях общности конструктивного решения следует отметить, что отличающиеся друг от друга площади S₃ и S₄ не обязательно должны быть строго одинаковыми по всей длине верхней и нижней 7 частей нагреваемой металлической поверхности, однако их соотношение должно соответствовать вышеприведенному выражению.

Скважина снабжена дополнительным отделяемым автономным блоком 9 управления ее тепловым режимом, соединенным с источником питания 1 и автономным отделяемым стабилизатором 10 тока, соединенным с источником питания 1, блоком 9 и нагреваемой металлической поверхностью. Оптимальные варианты выполнения блока 9 и стабилизатора 10 будут описаны ниже.

Способ поддержания теплового режима в скважине, отражающей работу предложенного устройства, заключается в следующем. Температуру t₁нагреваемой в скважине жидкости или газа поддерживают по отношению к температуре t₂ плавления парафина в пределах:
1,01 ≅ ≅ 1,5
Количество электрической энергии Q, подаваемой в единицу времени по отношению к количеству m нагреваемой ею жидкости или газа, выбирают в пределах:
0,15 ≅ ≅ 1,7, где с - теплоемкость жидкости и/или газа;
а - экспериментальный коэффициент, определяемый конструктивными особенностями нагреваемой металлической поверхности, теплопотерями и т.д., а= 0,2÷0,35.

Температуру t₃ скважинной трубы поддерживают не ниже температуры t₂ и по отношению к температуре t₄ нагреваемой металлической поверхности в пределах:
0,01 ≅ ≅ 0,55.

Для обеспечения указанного режима значение рабочего тока J_раб., нагревающего металлическую поверхность по отношению к минимальному току J_min, необходимому для предотвращения осаждения парафина (парафиногидратных отложений), в пределах:
1,0 ≅ ≅ 1,4
В целях оптимизации необходимых условий работы терморегулируемой скважины и ее теплового режима целесообразно использование блока 9 управления тепловым режимом и стабилизатора 10 тока. В блоке 9 управления тепловым режимом терморегулируемой скважины установлены датчики 11 и 12 контроля регулируемых параметров и исполнительные узлы 13 и 14, соединенные цепью 15 обратной связи. Отличительными особенностями блока 9 являются установка датчика 11 минимально допустимого значения объема подачи жидкости (газа) из скважины и датчика 12 максимально допустимого значения температуры жидкости (газа). Датчик 11 через узел 13 включения электронагрева скважины соединен с источником 1 электропитания. Датчик 12 через узел 14 выключения электронагрева скважины подключен к источнику 1 ее электропитания.

Способ управления тепловым режимом терморегулируемой скважины блоком 9 включает определение экстремальных значений вышеуказанных контролируемых параметров и управление электронагревом при достижении задаваемых режимов. Практически это сводится к тому, что включение электронагрева скважины производят при уменьшении объема V_min выхода жидкости и/или газа через скважину до значения, которое по отношению к номинальному объему V_ном выхода выбирают в пределах:
0,85 ≅ ≅ 0,99
Выключение электронагрева скважины в целях экономии электроэнергии производят при достижении максимальной температуры t_maх нагреваемой жидкости и/или газа значения, которое по отношению к их номинальной температуре t_ном выбирают в пределах:
1,001 ≅ ≅ 1,4
В качестве номинальных значений указанных параметров принимают их среднестатические значения, усредненные за некоторый, приемлемый для отчета промежуток времени (сутки, месяц, квартал и др.).

Стабилизатор 10 тока терморегулируемой скважины, содержащий регулирующий узел 15 и измеритель 16 тока, соединенные цепью 17 обратной связи, характеризуется тем, что дополнительно снабжен последовательно подключенными отделяемыми узлами 18 и 19, соединенными с датчиком 12 температуры жидкости и/или газа. Это узлы соответственно: поддержатель тока прожига (узел 18) короткого замыкания и аварийного отключателя (узел 19) тока при достижении подаваемого количества электроэнергии прожига критического значения, определяемого особенностями воспламенения нагреваемой жидкости и/или газа. Узлы 15 и 17 обратной связи блоков 9 и 10 являются традиционными для контрольно-управляющих систем и не заключают в себе особенностей, отличающих их от известных.

Способ регулирования тока в стабилизаторе 10, включает измерение тока прибором 16 и поддержание его в зависимости от заданных режимов с помощью регулирующего узла 15 и характеризуется тем, что максимальное отклонение тока Δ J от значения стабилизируемой величины тока J_стабподдерживает в пределах
0,95 ≅ ≅ 1,1
При возникновении короткого замыкания в связи с трудностями извлечения из скважины термонагревательного устройства, его ремонта и нового погружения в скважину в стабилизаторе 10 предусмотрены для устранения прожига узлы 18 и 19. Для устранения короткого замыкания путем его прожига устанавливают стабилизируемый ток J_прож. прожига, существенно увеличенное значение которого поддерживают по отношению к J_стаб. в пределах:
2,0 ≅ ≅ 15
Для обеспечения пожарной безопасности ток прожига отключают при достижении подаваемого количества энергии Э_прож прожига его критического значения Э_крит., при которой возможно воспламенение нефти (газа), в пределах:
0,7 ≅ ≅ 1,0,
повторяя, таким образом, после охлаждения нагреваемой жидкости (газа) попытки прожига несколько раз до устранения места короткого замыкания. При этом легко устраняют наиболее часто возникающие короткие замыкания в виде точечных касаний или на небольших участках.

Описанные объекты взаимосвязаны единым изобретательским замыслом, так как все их существенные признаки целенаправленно и неразрывно обеспечивают достижение указанного технического результата - увеличение производительности добычи нефти и газа в скважинах. Это доказывают также и нижеприведенные варианты примеров практического осуществления заявленных объектов, в которых нецелесообразно повторять существенные признаки, одинаковые для каждого из примеров. Так как примеры осуществления заявленных объектов отличаются друг от друга только количественными значениями параметров, характеризующих существенные признаки, то их для удобства целесообразно свести в следующую таблицу.

Оценка каждого из вариантов практического осуществления заявленных объектов производилась по параметру Е (см. таблицу), характеризующему соотношение производительностей добычи нефти и/или газа в предложенной терморегулируемой скважине и скважине-прототипе при максимально близких их основных характеристиках в условиях эксплуатации. Как следует из таблицы, в оптимальных условиях практического выполнения терморегулируемой скважины (вариант 1) достигалось наилучшее соотношение производительностей (Е=1,5). Предельные значения заявленных параметров были получены путем статической обработки результатов экспериментальных данных, их анализа и обобщения, исходя из критерия приближения производительности добычи в предложенной скважине к производительности добычи в скважине - прототипе (нижние пределы, вариант 2, Е=1,0002 (верхние пределы, вариант 3, Е=1,0003).

Как следует из таблицы выход как за нижние заявленные пределы (вариант 4, Е=0,999), так и за верхние пределы (вариант 5, Е=0,998) приводит к невозможности достижения указанного технического результата. Варианты 6, 7, 8 иллюстрируют другие сочетания заявленных параметров, как с нахождением на и внутри заявленных пределов с достижением технического результата (вариант 6, Е=1,1; вариант 8, Е=1,2), так и при выходе за заявленные пределы и недостижением при этом указанного технического результата (вариант 7, Е=0,96).

Совокупность заявленных объектов обеспечивает и другие достоинства, в числе которых целесообразно отметить возобновление добычи нефти и/или газа в скважинах, ранее выбывших из эксплуатации из-за образования гидропарафиновых отложений, исключение возможности образования новых пробок на всем протяжении эксплуатации скважин, экономию энергии за счет терморегулирования, оптимизацию режима добычи нефти и/или газа, исключение простоев скважин, улучшение экологического климата за счет исключения разлива нефти и парафина во время механической очистки скважин, экономию материалов и т. д.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА СКВАЖИНЫ И СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ ЕЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА.

1. Устройство для нагрева скважины, содержащее расположенный на поверхности источник питания, электрически связанный с нагревателем, расположенным внутри скважинных труб, отличающееся тем, что оно снабжено автономным блоком управления тепловым режимом, соединенным с источником питания и автономным стабилизатором тока, соединенным с нагревателем, источником питания и блоком управления, при этом нагреватель выполнен в виде составного металлического цилиндра из двух электрически связанных верхней и нижней частей неодинакового сечения нагреваемой поверхности, причем внутренний периметр P₁ сечения скважинной трубы и наружный периметр P₂ сечения верхней части цилиндра связаны соотношением

площадь S₁ нагреваемой поверхности и площадь S₂ скважинных труб связаны соотношением

площадь сечения S₃ нижней части нагреваемой поверхности и площадь S₄ поперечного сечения верхней части нагреваемой поверхности связаны соотношением

при этом длина L₃ нижней части нагреваемой поверхности и общая длина L₁ цилиндра связаны соотношением

а длина L₁ цилиндра и длина L₂ скважинной трубы связаны соотношением

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что автономный стабилизатор тока имеет последовательно подключенные блоки контроля тока прожига аварийного отключения и датчик температуры жидкости (газа).

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что автономный блок управления тепловым режимом имеет датчики контроля минимального допустимого значения объема подачи жидкости (газа) и максимально допустимого значения температуры, при этом первый непосредственно, а второй через блок аварийного отключения соединены с источником питания.

4. Способ поддержания теплового режима в скважине, включающий введение в нее нагревателя, электрически связанного с источником питания, управление подаваемой электрической мощностью до установления заданного теплового режима в скважинных трубах, отличающийся тем, что температура t₁ нагреваемой в скважине жидкости или газа и температура t₂ плавления парафина связаны соотношением

количество электрической энергии Q, подаваемой в единицу времени, по отношению к количеству m нагреваемой ею жидкости или газа выбирают в пределах

где C - теплоемкость жидкости (газа);
a=0,2-0,35 - экспериментальный коэффициент, определяемый конструктивными особенностями нагреваемой поверхности, теплопотерями и т.д.;
при этом температуру t₃ скважинной трубы поддерживают по отношению к температуре t₄ нагреваемой поверхности в пределах

устанавливают значение рабочего тока I_раб, нагревающего металлическую поверхность по отношению к минимальному току I_min, необходимому для предотвращения осаждения парафина, в пределах

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что управление подаваемой электрической мощностью осуществляют автономным блоком управления теплового режима путем включения электронагрева скважины при уменьшении объема V_min выхода жидкости (газа) через скважину до значения, которое по отношению к номинальному объему V_ном выхода выбирают в пределах

и выключения электронагрева скважины при достижении максимальной температуры нагреваемой жидкости (газа) до значения, которое по отношению к ее номинальной температуре выбирают в пределах

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что управление подаваемой электрической мощностью осуществляют автономным стабилизатором тока, при этом максимальное отклонение тока ΔI от значения стабилизируемой величины тока I_стаб поддерживают в пределах

при возникновении короткого замыкания устанавливают стабилизируемый ток прожига I_прож, величину которого поддерживают по отношению к I_стаб в пределах

и отключают ток прожига при достижении подаваемым количеством энергии прожига Э_прож его критического значения Э_крит в пределах

повторяя после охлаждения нагреваемой жидкости (газа) попытки прожига до устранения места короткого замыкания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 20.12.2004        БИ: 35/2004

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 17.12.2005

Извещение опубликовано: 20.04.2008        БИ: 11/2008

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 17.12.2009

Дата публикации: 27.12.2011

---