Устройство для тепловой изоляции колонны

 

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано при эксплуатации нефтяных и газовых скважин с интенсивным парафиногидратообразованием. Задачей изобретения является повышение надежности работы устройства при одновременном упрощении его конструкции в целом. Устройство состоит из колонны наружных насосно-компрессорных труб (НКТ), внутри которых установлена колонна НКТ с центраторами. На колонне установлен центробежный насос (ЦН), а над ЦН на колонне установлен эжектор. Эжектор представляет собой рабочее сопло и конфузор, образующие приемную камеру, которая через клапан сообщена с кольцевым пространством. Конфузор эжектора переходит в камеру смешения в виде телескопического соединения, наружная часть которого соединена с конфузором эжектора, а внутренняя часть через диффузор соединена с внутренней колонной. Ниже места установки эжектора на наружной колонне размещен циркуляционный клапан, сообщающий замкнутое кольцевое пространство с затрубным. В нижней части внутренняя и наружная колонны НКТ соединены между собой посредством пары седло-конус. Для сцепления телескопического соединения при подъеме эжектора на поверхность с внутренней колонной и с наружной частью телескопического соединения жестко соединены упоры. Рабочее сопло эжектора сообщено с выкидом ЦН через колонну. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано при эксплуатации нефтяных и газовых скважин с интенсивным парафиногидратоотложением.

Известно устройство для тепловой изоляции труб, включающее внутреннюю и наружную колонны насосно-компрессорных труб, образующих замкнутое кольцевое пространство, эжектор, сопло которого соединено с внутренней трубой колонны, и камеру смещения, соединяющую ее полость с кольцевым пространством. Это устройство предназначено для предотвращения расщепления мерзлого грунта и замерзания воды в НКТ [1].

К недостаткам устройства относятся невозможность прокачки теплоносителя после остановки погруженного насоса, так как при этом высокопарафинистая нефть через приемную камеру попадает в кольцевое пространство и застывает там и тем самым создает парафиновую пробку, а также невозможность прокачки теплоносителя через кольцевое пространство из-за термического удлинения колонны НКТ, что влечет за собой изменение расстояния от сопла эжектора до камеры смещения, а это приводит к изменению режима работы самого эжектора.

Известно устройство для тепловой изоляции колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) в скважине, взятое нами в качестве прототипа, состоящее из колонны внутренних и наружных насосно-компрессорных труб, образующих замкнутое кольцевое пространство, эжектор, содержащий конфузор, приемную камеру, камеру смешения, сообщенную с кольцевым пространством, и рабочее сопло, сообщенное с внутренней колонной труб, причем в приемной камере эжектора установлен клапан, сообщающий полость приемной камеры с замкнутым кольцевым пространством, а наружная колонна труб образует с внутренней колонной под эжектором дополнительную кольцевую полость, сообщающуюся с замкнутой кольцевой полостью и связанную с затрубным пространством циркуляционным клапаном [2].

Недостатком данного устройства является возможность точного регулирования режима работы эжектора в виде размещения эжекторного устройства на внутренних трубах колонны, жестко закрепленных на устье скважины с возможностью термического удлинения в сторону рабочего сопла эжектора. Такое выполнение устройства при постоянном или периодическом нагнетании теплоносителя в нефтяной пласт (через внутренние трубы колонны) линейные размеры труб увеличиваются или уменьшаются, а вместе с ними меняется и расстояние от рабочего сопла до камеры смещения (конца внутренней колонны), а это влечет за собой изменение режима работы самого эжектора и соответственно к изменению подачи насоса.

Кроме того, телескопически выполненные удлиненные части камеры смещения должны быть заведомо выполнены (сделаны) больше длины максимального термического удлинения (Δl зависит от температуры нагнетаемого теплоносителя и длины трубы колонны и оно может достигать 5-7 м), а длина внутренней части телескопического соединения должна быть больше длины внешней его части еще на величину максимального расстояния от рабочего сопла до соединения конфузора с внешней частью телескопического соединения. Все это ведет к усложнению конструкции эжекторного устройства и в целом устройства тепловой изоляции колонны.

Задачей изобретения является повышение надежности работы устройства при одновременном упрощении конструкции устройства в целом.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве тепловой изоляции колонны, включающем внутреннюю и наружную колонны насосно-компрессорных труб, образующие замкнутое кольцевое пространство, эжектор, содержащий конфузор, приемную камеру, камеру смещения, сообщенную с кольцевым пространством, рабочее сопло, сообщенное с внутренней колонной труб, клапан, установленный в приемной камере эжектора и сообщающий полость последнего с замкнутым кольцевым пространством, дополнительную кольцевую полость, образованную под эжектором между наружной и внутренней трубой, сообщающуюся с замкнутым кольцевым пространством и связанную с затрубным пространством циркуляционным клапаном, устройство снабжено механизмом управления эжектором, выполненным в виде биметаллической втулки с двумя параллельными фигурными пазами, установленной жестко внутри трубы наружной колонны над эжектором, и управляющей муфты со штифтами, жестко закрепленной на ее боковых поверхностях, причем фигурные пазы биметаллической втулки выполнены наклонно-винтовыми, а их верхние направляющие части - вертикальными и начало их лежит на одной оси против друг друга, при этом штифты направляющей муфты размещены в наклонных пазах втулки.

Поставленная задача также решается тем, что механизм управления эжектором снабжен фиксатором, выполненным в виде направляющей скалки, установленной одним концом жестко на верхней стенке колпак-стакана, установленного жестко на наружной трубе колонны на устье скважины, а другим концом помещена в отверстие диска, жестко закрепленного на внутренней стенке колпак-стакана в его нижней части, и фиксируемой муфты, навинченной на конце внутренней трубы и выполненной в виде ступенчатой втулки с наружным и внутренним кольцевыми буртами, причем на наружном бурте выполнены отверстия, а на внутреннем - шлицевые пазы для ключа, при этом направляющая скалка размещена в отверстии наружного бурта фиксируемой муфты.

Существенными отличительными признаками заявленного изобретения в сравнении с прототипом являются: устройство снабжено механизмом управления эжектором, выполненным в виде биметаллической втулки с двумя параллельными фигурными пазами, установленной жестко внутри трубы наружной колонны над эжектором, и управляющей муфты со штифтами, жестко закрепленными на ее боковых поверхностях, причем фигурные пазы биметаллической втулки выполнены наклонно-винтовыми, а их верхние направляющие части - вертикальными и начало их лежит на одной оси против друг друга, а штифты направляющей муфты размещены в наклонных пазах втулки; механизм управления эжектором также снабжен фиксатором, выполненным в виде направляющей скалки, установленной одним концом жестко на верхней стенке колпак-стакана, установленного жестко на наружной трубе колонны на устье скважины, а другим концом помещена в отверстие диска, жестко закрепленного на внутренней стенке колпак-стакана в его нижней части, и фиксируемой муфты, навинченной на конце внутренней трубы, выполненной в виде ступенчатой втулки с наружным и внутренним кольцевыми буртами, причем на наружном выполнены отверстия, а на внутреннем - шлицевые пазы для ключа, при этом направляющая скалка размещена в отверстии наружного бурта фиксируемой муфты.

Расположение внутреннего ряда труб колонны нижним концом над эжектором в непосредственной близости от камеры смещения неподвижно фиксированном положении на биметаллической втулке, жестко установленной к внутренней поверхности наружной трубы колонны, а верхним его концом телескопически подвижно относительно наружной трубы колонны, жестко закрепленного на устье скважины, позволяет при нагнетании теплоносителя в пласт даже с переменной температурой (знакопеременной) сохранять постоянство расстояния от конца внутренней трубы (начала камеры смешения) и до рабочего сопла эжектора. Так как при такой конструкции устройства термическое удлинение внутреннего ряда труб направлено вверх, а нижний конец его (начало камеры смешения) зафиксировано неподвижно, т.е. остается неподвижно и поэтому расстояние от рабочего сопла до камеры смешения при всех обстоятельствах остается постоянным (неизменным) и тем самым обеспечивается стабильность и надежность работы эжектора.

Выполнение биметаллической втулки с фигурными пазами, установленной жестко внутри наружной трубы колонны над эжектором, и управляющей муфты со штифтами с одними концами, жестко закрепленными на ее боковых поверхностях, а другим - в фигурных пазах втулки дает возможность изменения расстояния от рабочего сопла до камеры смещения и тем самым изменять режим работы эжектора при изменении характеристики истечения жидкости. Этим самым обеспечивается оптимальный режим работы эжектора.

Вышеуказанные существенные отличительные признаки нам были неизвестны из патентной и научно-технической информации и соответствуют критерию "новизна", т.е. существенные отличительные признаки являются "новыми".

Учитывая то, что вышеуказанные существенные отличительные признаки являются неочевидными для среднего специалиста в этой области знаний, то мы считаем, что изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Что же касается "промышленной применимости", то изобретение соответствует этому критерию, так как на него выполнены рабочие чертежи, вся необходимая техническая документация. В настоящее время идет подготовка к изготовлению и испытанию опытного образца в промысловых условиях.

Сущность изобретения поясняется ниже, где на фиг. 1-2 представлена схема устройства для теплоизоляции колонны, на фиг. 3 - развертка биметаллической втулки с пазами, на фиг. 4 - разрез по А-А на фиг. 2.

Устройство состоит из колонны 1 наружных насосно-компрессорных труб, внутри которых установлена внутренняя колонна 2 насосно-компрессорных труб с центраторами 3, 4, 5. На колонне внизу установлен электроцентробежный насос (ЭЦН 6), а над ЭЦН 6 на колонне 2 установлен эжектор.

Эжектор представляет собой рабочее сопло 7 и конфузор 8 эжектора, образующие приемную камеру 9, которая через клапан 10 сообщена замкнутым кольцевым пространством 11, конфузор 8 эжектора переходит в камеру смещения, выполненную в виде телескопического соединения, наружная часть 12 которого соединена с конфузором 8 эжектора, а вторая внутренняя часть 13 телескопического соединения через диффузор 14 соединена с внутренней колонной труб 2. Ниже места установки эжектора на наружной колонне труб 1 размещен циркуляционный клапан 15, который сообщает замкнутое кольцевое пространство 11 с затрубным пространством 16.

Наружные 1 и внутренние 2 колонны труб образуют замкнутое кольцевое пространство 11, а под эжектором, между наружной 1 и внутренней 21 колоннами, образована дополнительная кольцевая полость, сообщающаяся с замкнутым кольцевым пространством 11 и затрубным пространством 16 посредством циркуляционного клапана 15.

В нижней части внутренняя 2 и наружная 1 колонна НКТ соединены между собой посредством пары седло 17 - конус 18. Упор 19 жестко соединен с внутренней колонной 2, а упор 20 жестко соединен с наружной частью 12 телескопического соединения.

Упоры 19 и 20 сцепляют телескопическое соединение при подъеме эжектора на поверхность.

Рабочее сопло 7 эжектора сообщено с выкидом ЭЦН 6 (или продуктивным пластом в случае фонтанного подъемника) через колонну 21.

Устройство снабжено механизмом управления эжектором, выполненным в виде биметаллической втулки 22 с двумя параллельными фигурными пазами 23, и управляющей муфты 24 со штифтами 25, жестко закрепленными на ее боковых поверхностях.

Фигурные пазы биметаллической втулки 22 выполнены наклонно-винтовыми, а их верхние направляющие части - вертикальными и начало их лежит на одной оси против друг друга.

Биметаллическая втулка 22 установлена жестко внутри трубы наружной 1 колонны над эжектором, а управляющая муфта 24 закреплена также жестко на внутренней трубе 2 в непосредственной близости от упора 19, жестко соединенного на внутренней трубе 2 колонны рядом с верхним концом диффузора 14, при этом штифты 25 управляющей муфты 24 размещены в наклонных пазах 23 биметаллической втулки 22.

Верхний конец внутренней трубы 2 колонны соединен с наружной трубой 1 телескопически-подвижно посредством колпак-стакана 26, закрепленного жестко к наружной трубе 1 колонны на устье скважины. Между внутренней трубой 2 и расточкой колпак-стакана 26 размещен сальник 27.

Механизм управления снабжен фиксатором, выполненным в виде направляющей скалки и фиксируемой втулки.

Направляющая скалка 28 установлена одним концом жестко на верхней стенке колпак-стакана 26, установленного жестко на наружной трубе 1 колонны на устье скважины, а другим концом помещена в диске 29 с отверстием 30, жестко закрепленного на внутренней стенке колпак-стакана 26 в его нижней части.

Фиксируемая муфта 31, навинченная на конце внутренней трубы 2 колонны, выполнена в виде ступенчатой втулки с внутренним 32 и наружным 33 концевыми буртами, причем на наружном бурте выполнены отверстия 34, а на внутреннем - шлицевые пазы 35 для ключа.

Направляющая скалка 28 размещена в отверстии 34 наружного бурта фиксируемой муфты 31.

При изменении характеристики течения рабочей жидкости и необходимости изменения расстояния от рабочего сопла 7 до камеры смещения (части 12 и 13) производят подъем и опускание колонны 2. Для удобства манипуляции с этой колонной на верхней стенке колпак-стакана 26 предусмотрено отверстие 36. Это отверстие глушится при помощи фланца 37 и прокладки 38.

Устьевая арматура оборудована задвижками 39, 40, 41.

При стабильных характеристиках потока скважинной жидкости через рабочего сопло 7 эжектор включает камеру смешения, жестко соединенную с конфузором 8 и диффузором 14.

Устройство работает следующим образом.

Устройство спускают в скважину, причем эжектор располагают в скважине на расстоянии от поверхности земли ниже глубины отложения парафина.

В начальный период времени кольцевое пространство 11 между внутренней 2 и наружной 1 колоннами заполнено жидкостью глушения. При включении ЭЦН6 (или с началом работы фонтанного подъемника открывают задвижку 41) поток скважинной жидкости подается к рабочему соплу 7 и через приемную камеру 9, конфузор 8, камеру смешения (части 12 и 13) и колонну 2 на поверхность. При этом на выходе из сопла 7 происходит захват "пассивной" жидкости, находящейся в приемной камере 9, ее смешение в камере (частях 12-13) с "рабочей" скважинной жидкостью. При падении давления в камере 9 клапан 10 под действием давления столба жидкости в кольцевом пространстве 11 открывается и тем самым обеспечивается отвод жидкости из кольцевого пространства 11 с помощью эжектора, работающего как струйный насос. При падении давления в кольцевом пространстве 11 клапан 15 на колонне 1 закрывается, т.к. давление в затрубном пространстве 16 остается выше. Пока уровень жидкости в кольцевом пространстве 11 не достигает клапана 10, через последний отводится жидкость. После чего эжектор начинает работать по принципу газоструйного компрессора. Во время отвода из кольцевого пространства 11 паров жидкости и газа над уровнем жидкости последняя будет испаряться из-за падения парциального давления паров над уровнем, что приводит к полному удалению жидкости из кольцевого пространства 11. Затем эжектор проводит вакуумирование этого кольцевого пространства, тем самым повышая теплоизоляцию колонны 2, а также снижая интенсивность парафиноотложения.

После длительной остановки скважины происходит отложение парафина на эжекторе и колонне 2, при этом под действием гидростатического давления скважинной продукции в колонне 2 клапан 10 закрывается, перекрывая доступ парафинистой продукции скважины в кольцевое пространство 11. При этом кольцевое пространство 11 будет пустым и его можно использовать как свободный канал для циркуляции теплоносителя. Последний циркулирует через задвижку 40, пространство 11, затрубное пространство 16, задвижку 39 или через задвижку 40, кольцевое пространство 11, колонну 2 и задвижку 41. В связи с этим эффективность разогрева колонны 2 повышается.

При нагнетании теплоносителя во внутренней трубе 2 происходит термическое удлинение внутренней колонны труб, но, однако, подвижная часть 13 телескопической камеры остается неподвижной, т.к. нижняя часть этой колонны размещена неподвижно над эжектором на биметаллической втулке, установленной жестко внутри наружной 1 колонны, при этом термическое удлинение этой колонны направлено вверх в сторону свободного конца и тем самым сохраняется постоянство расстояния от рабочего сопла до камеры смешения (до нижней части внутренней 2 колонны). В связи с этим достигается стабильность и надежность работы эжектора и в целом устройства.

Начальное исходное положение муфты 24 со штифтами 25 должно быть по высоте в середине наклонных пазов 23 биметаллической втулки 22.

При изменении характеристик истечения рабочей жидкости появляется необходимость изменения расстояния от рабочего сопла до камеры смешения. Для этого необходим "подъем" или "спуск" колонны 2, для чего необходимо выполнить следующее. Сначала снять крышку 37 с колпак-стакана 26. Затем завести во внутренние пазы муфты 31 специальный поворотный ключ и повернуть его в одну или другую сторону в зависимости от того "поднять" или "спускать" эту колонну. При этом предварительно освободить фиксатор, для чего скалку 28 отвинтить. При повороте колонны (ключа) по часовой стрелке - "подъем", а против - "спуск". После окончательного установления оптимального расстояния от рабочего сопла 7 до камеры смещения (в этом положении) зафиксировать внутреннюю трубу 2 с камерой смещения при помощи скалки 28.

Заявленное изобретение в сравнении с прототипом позволяет повысить надежность работы устройства при одновременном упрощении конструкции устройства в целом.

Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР N 651118, кл. E 21 B 43/00,1979.

2. Авторское свидетельство СССР N 1780356, кл. E 21 B 36/00, 1990.

Формула изобретения

1. Устройство для тепловой изоляции колонны, включающее внутреннюю и наружную колонны насосно-компрессорных труб, образующие замкнутое кольцевое пространство, эжектор, содержащий конфузор, приемную камеру, камеру смешения, сообщенную с кольцевым пространством, рабочее сопло, сообщенное с внутренней колонной труб, клапан, установленный в приемной камере эжектора и сообщающий полость последнего с замкнутым кольцевым пространством, дополнительную кольцевую полость, образованную под эжектором, между наружной и внутренней трубой, сообщающуюся с замкнутым кольцевым пространством и связанную с затрубным пространством циркуляционным клапаном, отличающееся тем, что устройство снабжено механизмом управления эжектором, выполненным в виде биметалической втулки с двумя параллельными фигурными пазами, установленной жестко внутри трубы наружной колонны над эжектором, и управляющей муфты со штифтами, жестко закрепленными на ее боковых поверхностях, причем фигурные пазы биметаллической втулки выполнены наклонно-винтовыми, а их верхние направляющие части - вертикальными и начало их лежит на одной оси против друг друга, при этом штифты управляющей муфты размещены в наклонных пазах втулки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что механизм управления эжектором снабжен фиксатором, выполненным в виде направляющей скалки, установленной одним концом жестко на верхней стенке колпак-стакана, установленного жестко на наружной трубе колонны на устье скважины, а другим концом помещена в отверстие диска, жестко закрепленного на внутренней стенке колпак-стакана в его нижней части, и фиксируемой муфты, навинченной на конце внутренней трубы и выполненной в виде ступенчатой втулки с наружным и внутренним кольцевыми буртами, причем на наружном выполнены отверстия, а на внутреннем шлицевые пазы для ключа, при этом направляющая скалка размещена в отверстии наружного бурта фиксируемой муфты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4