Скважинный нагреватель для наклонно пробуренных и выполаживающихся скважин

Изобретение относится к нефте- и газодобывающей промышленности и предназначено для активизации и возобновления притоков в нефтяных и газовых скважинах. Скважинный нагреватель для наклонно пробуренных и выполаживающихся скважин содержит полый цилиндрический корпус с установленным в нем топливным элементом и нагревательный элемент, контактирующий с топливным элементом, подключенный через герметизированный электроразъем к источнику питания. При этом скважинный нагреватель выполнен, по меньшей мере, из двух топливных элементов, соединенных между собой с помощью упругих связей и установленных с возможностью поворота относительно друг друга. Причем нижняя часть каждого топливного элемента выполнена с выпуклой округлой наружной поверхностью, а сопряженная с ней верхняя часть второго и последующих топливных элементов снабжена округлой вогнутостью того же радиуса. Техническим результатом является увеличение времени инициируемой реакции горения. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к нефте- и газодобывающей промышленности и предназначено для активизации и возобновления притоков в нефтяных и газовых скважинах, а также может быть использовано для закрепления неустойчивых лессовых, песчанистых, суглинистых грунтов.

Известен скважинный электронагреватель по патенту РФ №2006571, МПК E21B 36/04, опубл. 30.01.1994 г., содержащий полый цилиндрический корпус с установленным в нем нагревательным элементом и токоввод в его верхней части, подключенный к источнику питания с помощью герметизированного кабельного разъема. Нагреватель снабжен металлическим теплопроводящим сердечником, расположенным внутри полого цилиндрического корпуса, и монолитным металлическим излучателем тепловых потоков направленного действия, расположенным в нижнем торце полого цилиндрического корпуса и имеющим контакт с металлическим теплопроводящим сердечником, а полость цилиндра заполнена теплоизоляционным материалом. Данный нагреватель обеспечивает в скважине локальный прогрев до 400°C.

Недостатком устройства является то, что оно не позволяет создать долговременный высокотемпературный режим в призабойной зоне, необходимый для удаления асфальтосмолистых и парафиногидратных отложений в прискважинной зоне и восстановления гидродинамической связи с пластом. Кроме того, скважинный нагреватель требует большого расхода энергии, дорогостоящего бронированного кабеля и имеет ограничение использования по глубине и диаметру обслуживаемой скважины.

Известно устройство для теплового разрушения асфальто-смолистых, гидратопарафиновых и ледяных отложений в нефтяных и газовых скважинах по патенту РФ №2105134, МПК E21B 37/00, опубл. 20.02.1998 г., содержащее корпус, в котором расположены один или несколько тепловых электрических нагревателей (ТЭН), переходник и приборная головка.

Корпус устройства выполнен цельным или из отдельных связанных или не связанных между собой частей с прямой, ступенчатой или волнообразной образующей и с увеличивающимся диаметром в поперечных сечениях от носовой части к головной. В носовой части корпуса последовательно с ТЭН установлено объемное сопротивление - теплоизлучатель, в качестве которого может быть установлен легкоплавкий материал, например, олово, свинец, бронза, сплавы различных металлов, или металлокерамика, или оксидокерамика. Также в качестве объемного сопротивления может быть использована высокоомная смесь двух типов материалов с высокой температурой плавления. Первый тип - материалы электропроводящие высокоомные, например, уголь, графит, алмаз, вольфрам, ниобит, цирконий, титан, их карбиты и смеси, второй тип - материалы электроизоляционные, например, кремний, глина, кварц, корунд, шпат, магнезит и т.п. Основным принципом действия этого устройства является разделение тепловых потоков на отдельные контактные площадки и концентрация энергии в его носовой части.

Недостатками устройства являются недостаточная температура и ограниченная тепловая поверхность нагревателя, не позволяющие эффективно воздействовать на прискважинную зону, а также большая энергозатратность и высокая степень вероятности отказов из-за нарушения подающего электроэнергию кабеля. Кроме того, конструктивное выполнение этого устройства позволяет использовать его только в вертикальных скважинах, что снижает сферу его возможного применения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является скважинный нагреватель по патенту РФ №2168008, МПК E21B 43/25, 43/24, 43/27, 36/00, 37/06, опубл. 27.05.2001 г., принятый за прототип. Скважинный нагреватель содержит полый цилиндрический корпус с установленным в нем нагревательным элементом, соединенным с токовводом в виде герметизированного электроразъема, соприкасающимся с топливным элементом и подключенным к источнику питания. Нагревательный элемент установлен в нижней части топливного элемента, у нижней съемной крышки, с возможностью плотного контакта с топливным элементом, а топливный элемент выполнен из безгазового термитного топлива, в качестве которого может быть использован, например, железоалюминиевый термит с инертной добавкой.

Основными недостатками устройства являются ограниченная мощность в объеме топлива скважинного нагревателя, невозможность его применения в наклонно пробуренных, выполаживающихся и горизонтальных скважинах, а также воздействие тепла от нагревателя на электроподающий кабель, приводящее к его порче.

Изобретение решает задачу повышения эффективности воздействия термообработки на скважину за счет увеличения количества выделяемого тепла на обрабатываемом интервале и расширение области применения устройства.

Технический результат от использования изобретения заключается в увеличении времени инициируемой реакции горения примерно на 70-80%, а также в возможности смонтировать устройство для термообработки скважин любой конфигурации и в любых горно-геологических условиях.

Для достижения технического результата скважинный нагреватель, содержащий полый цилиндрический корпус с установленным в нем топливным элементом и нагревательный элемент, контактирующий с топливным элементом, подключенный через герметизированный электроразъем к источнику питания, согласно изобретению, выполнен по меньшей мере из двух топливных элементов, соединенных между собой с помощью упругих связей (в том числе соединительных элементов) и установленных с возможностью поворота друг относительно друга, причем нижняя часть каждого топливного элемента выполнена с выпуклой округлой наружной поверхностью, например, в виде полусферы или части сферы, а сопряженная с ней верхняя часть второго и последующих топливных элементов снабжена округлой вогнутостью того же радиуса. При этом топливные элементы соединены между собой в виде гибкой гирлянды, подходящей для скважины любой геометрии.

Кроме того, топливные элементы могут быть выполнены из прессованного безгазового термитного топлива, а нижняя часть каждого топливного элемента, контактирующая с верхней частью последующего топливного элемента, сформирована из состава, обеспечивающего температуру воспламенения топлива в последующем элементе.

Кроме того, топливные элементы, начиная со второго, могут быть выполнены все из прессованных кислородосодержащих веществ, или поочередно из безгазового термитного топлива и из прессованных кислородосодержащих веществ в водонепроницаемой сгораемой оболочке.

Кроме того, в вариантах изготовления топливные элементы могут быть соединены между собой с помощью подпружиненных соединительных элементов или с помощью подпружиненного троса, пропущенного по оси гирлянды через заранее сформированный в каждом топливном элементе герметизированный канал, при этом в верхней части нагревателя трос закреплен на спускоподъемном устройстве, а с противоположной стороны - на наконечнике, установленном в нижней части нижнего топливного элемента.

В качестве подпружиненного троса может быть использован проводник электрического тока, одним концом подключенный к источнику питания, а другим концом соединенный с нагревательным элементом, совмещенным с наконечником и установленным в нижней части нижнего топливного элемента для инициирования его зажигания.

В этом случае состав, обеспечивающий температуру зажигания топлива в выше расположенном топливном элементе, размещен в верхней части нижнего инициирующего топливного элемента.

Кроме того, каждый топливный элемент может быть выполнен в виде гибкой, например, пластиковой, сгораемой, термоусадочной трубы, наполненной насыпным, порошкообразным или гранулированным безгазовым термитным топливом или кислородосодержащим веществом.

Кроме того, источник питания может быть размещен в корпусе нагревателя и снабжен таймером для его включения, установленным на срабатывание через заданный период времени или на заданной глубине.

Кроме того, выше области подключения к нагревателю электроразъема установлен флюидопроницаемый тепловой кольцевой экран, выполненный из теплопоглощающих, несгораемых материалов, сформированный, например, в виде лепестков, или секторов решетчатых или перфорированных упругих или гибких дисков, или пучков волокон и т.п., диаметром, соразмеримым с диаметром обсадной колонны на интервале его установки.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид скважинного нагревателя в разрезе; на фиг.2 - вариант исполнения нагревателя с подпружиненным токоподающим кабелем; на фиг.3 показана схема расположения теплоизолирующего экрана для защиты от перегрева кабеля, находящегося в «гибкой трубе»; на фиг.4 схематично показан вариант скрепления топливных элементов между собой.

На чертежах показаны: поверхность земли 1; стенка 2 наклонной или выполаживающейся скважины, пробуренной на нефтеносный пласт и подвергаемой термообработке; эксплуатационная колонна 3; забой 4 скважины; гибкая труба 5 (колтюбинг), установленная внутри эксплуатационной колонны, с проходящим внутри нее токоподающим кабелем в виде изолированных проводников 6 или в виде проводящего подпружиненного троса 7; электроподающая станция, являющаяся одновременно источником питания 8 для скважинного нагревателя.

Скважинный нагреватель содержит полый составной цилиндрический корпус 9 с верхней съемной крышкой 10, на которой установлен герметизированный кабельный электроразъем 11, подключенный к источнику питания 8.

При этом скважинный нагреватель выполнен по меньшей мере из двух топливных элементов 12, соединенных между собой с помощью упругих связей, например, соединительных элементов 13, и установленных с возможностью поворота друг относительно друга. Для этого нижняя часть 19 каждого топливного элемента 12 выполнена с выпуклой округлой наружной поверхностью, например, в виде полусферы или части сферы, а сопряженная с ней верхняя часть второго и последующих топливных элементов снабжена округлой вогнутостью того же радиуса. Топливные элементы 12 соединены между собой в виде гибкой гирлянды, подходящей для скважины любой геометрии, а их количество подбирается в зависимости от мощности обрабатываемого интервала скважины, горно-геологических условий залегания пород и конкретной решаемой задачи термообработки.

Топливные элементы 12 могут быть выполнены из прессованного термитного топлива, например, в виде цельного топливного брикета круглого сечения или пакета кольцеобразных топливных шашек, устанавливаемых одна на другую и прижатых друг к другу, или же из порошкообразного термитного топлива, помещенных в цилиндрический корпус 9, представляющий собой водонепроницаемую термоусадочную сгораемую оболочку, плотно сжимающую находящийся в ней топливный элемент. При этом нижняя часть 19 каждого топливного элемента, контактирующая с верхней частью последующего топливного элемента, сформирована из состава, обеспечивающего температуру воспламенения топлива в последующем элементе.

В частности, в качестве топлива может быть использовано безгазовое термитное топливо, такое, как железоалюминиевый термит с инертной добавкой (например, оксида алюминия), дающий температуру горения порядка 1200-1300°C, а в нижней части топливного элемента применяют состав, обеспечивающий температуру на контакте до 1600-1800°C, т.е. более высокую, чем температура горения безгазового топлива, например, добавлением в железоалюминиевый термит магния или алюминиевой пудры.

В качестве топлива для формирования топливных элементов 12 могут быть использованы также кислородосодержащие вещества, например, хлораты, фтораты, селитры, загеленная перекись водорода и т.п. в прессованном виде или в порошкообразном или гранулированном виде, помещенные в водонепроницаемую термоусадочную сгораемую оболочку. Температура горения этих веществ несколько ниже температуры горения термитного топлива (порядка 600-800°C), поэтому топливные элементы из них целесообразно размещать в гирлянде, начиная со второго, либо располагать топливные элементы поочередно выполненными из безгазового термитного топлива и из прессованных кислородосодержащих веществ.

Соединительные элементы 13 для скрепления между собой топливных элементов 12 могут быть выполнены, например, в виде шплинтов или крючков, соединенных подпружиненными карабинами, или иных легкоплавких или сгораемых конструктивных элементов, обеспечивающих герметичность контакта топливных элементов за счет усилий пружин при необходимости изгиба нагревателя и позволяющих топливным элементам менять свое положение друг относительно друга, как это показано на фиг.4.

Изолированные проводники 6 предназначены для подачи электропитания от герметизированного кабельного электроразъема 11 на нагревательный элемент 14, установленный в верхней части топливного элемента 12 и служащий в качестве электрического запального прибора, предназначеного для инициирования реакции горения безгазового термитного топлива. Если топливный элемент 12 выполнен в виде пакета топливных шашек, то нагревательный элемент 14 может быть выполнен, например, в виде тонкой металлической фольги, плотно обернутой вокруг верхней топливной шашки и подсоединенной к проводникам 6 электродами (на чертеже не показаны). В случае, когда топливный элемент 12 выполнен в виде топливного порошка, нагревательный элемент 14 может иметь, например, форму спирали, погружаемой в порошок в нижней части инициирующего топливного элемента 12.

В варианте изготовления (фиг.2) топливные элементы 12 могут быть соединены между собой с помощью подпружиненного троса 15, пропущенного по оси гирлянды через заранее сформированный в каждом топливном элементе 12 герметизированный от проникновения содержащейся в скважине жидкости канал 16, при этом в верхней части скважинного нагревателя трос 15 закреплен на спускоподъемном устройстве (на чертеже не показан), а с противоположной стороны - на наконечнике 17, установленном в нижней части нижнего топливного элемента.

В этом случае инициирующий зажигание топливный элемент 12 должен быть установлен нижним в гирлянде соприкасающихся контактирующих топливных элементов, а состав, обеспечивающий температуру зажигания топлива в выше расположенном топливном элементе 12, размещается в его верхней части.

В качестве подпружиненного троса 15 может быть использован проводник электрического тока, например, нижняя часть проводящего подпружиненного троса 7, одним концом подключенный к источнику питания 8 через герметизированный кабельный электроразъем 11, а другим концом соединенный с нагревательным элементом 14, совмещенным с наконечником 17 и установленным в нижней части нижнего топливного элемента 12 для инициирования его зажигания.

Для предотвращения перегрева токоподающего кабеля и изолированных проводников 6, в частности, предусмотрен флюидопроницаемый тепловой кольцевой экран 18, выполненный из теплопоглощающих, несгораемых материалов, таких, например, как медь, бронза, асбест и т.п., установленный в гибкой трубе 5 выше области подключения к нагревателю электроразъема 11 (фиг.3). Этот экран сформирован, например, в виде лепестков, или секторов решетчатых или перфорированных упругих или гибких дисков, или пучков волокон и т.п., диаметром, соразмеримым с диаметром обсадной колонны на интервале его установки.

Кроме того, в варианте изготовления устройства источник питания 8 может быть размещен не на поверхности земли 1, а в корпусе скважинного нагревателя внутри инициирующего топливного элемента (верхнего или нижнего) и снабжен таймером для его включения, установленным на срабатывание через заданный период времени или па заданной глубине (на чертеже не показан). Этот период времени определяется предполагаемой длительностью монтирования и спуска нагревателя на интервал обработки, или сигналом от датчика давления, срабатывающего при достижении расчетного давления на заданной глубине, или последовательным кодовым импульсным искусственным повышением давления на устье скважины.

Скважинный нагреватель работает следующим образом.

Перед монтажом в скважине 2 осуществляют сборку скважинного нагревателя в том виде, который зависит от цели, поставленной для термической обработки. Если предполагают ликвидацию парафиногидратных отложений, монтируют 2-3 топливных элемента с безгазовым термитным топливом, соединенных сгораемыми или расплавляемыми соединительными элементами 13. Если необходим прогрев или термогазовая обработка, то гирлянду формируют из топливных элементов 12 с кислородосодержащими веществами (хлоратами, фторатами, загеленной перекисью водорода, селитрами и т.п.), начиная со второго, в количестве, соответствующем мощности обрабатываемого интервала или протяженности пологого участка скважины, где предполагается вызвать нефтеприток.

Скругленная форма выполнения поверхности верхних и нижних частей топливных элементов 12 обусловлена, с одной стороны, задачей упрощения размещения в их скважине при перемещении по контуру изгиба скважины. С другой стороны, их форма обеспечивает увеличение контактирующей поверхности топливных элементов и упрощение процесса их стыковки.

После монтажа топливных элементов 12 проверяют (тестируют) возможность замыкания цепи на запальном приборе (нагревательном элементе 14).

При нормальной работе цепи монтируют гибкий флюидопроницаемый кольцевой экран 18 из теплопоглощающих и несгораемых лепестков, диаметр которого должен соответствовать диаметру колонны на интервале обработки, размещая его над местом соединения изолированных проводников 6 (геофизического кабеля) и скважинным нагревателем.

Затем проводят шаблонирование скважины, определяют интервал обработки, опускают скважинный нагреватель до забоя 4, или искусственного забоя, или границы парафиногидратных отложений, или интервала отработки, и производят включение нагревательного элемента 14 от электроподающей станции (источника питания 8), инициирующего термитную реакцию в инициирующем (на Фиг.1 - верхнем) топливном элементе 12. После расчетного времени сгорания термитного топлива в инициирующем элементе поднимают кабель или гибкую трубу (колтюбинг) 5 с экраном 18, а реакция в последующих топливных элементах 12 идет самостоятельно.

В случае монтирования источника воспламенения непосредственно в корпусе нагревателя, он может быть снабжен таймером типа МПП-45-02 или запоминающим устройством, включающимся при импульсном кодовом давлении, инициируемым с устья скважины 2. В этом случае отпадает необходимость в токоподающем кабеле и мероприятиях по предотвращению его перегрева.

При необходимости увеличения длительности времени термической обработки и наличии в скважине нефти, конденсата, парафина, топливные элементы 12 выполняют из прессованных кислородосодержащих веществ (хлоратов и т.п.). Эти вещества выделяют при инициировании разогретый до 600°C кислород, окисляющий углеводородные вещества, и обеспечивающий дополнительные прогрев и снижение забойного давления за счет возникающей газообразной фазы. Вещества заключают в сгораемую термоусадочную, водопроницаемую оболочку, например, из полиэтилена производства ОАО «Невский пластик», артикул 1434, не содержащего галогенов и не подавляющих горение.

Таким образом, использование заявленного изобретения, по сравнению с прототипом, обеспечивает сохранность геофизического кабеля, увеличение мощности теплового и термогазохимического воздействия и расширение технических возможностей применения устройства в соответствии с геологическими и эксплуатационными характеристиками.

1. Скважинный нагреватель для наклонно пробуренных и выполаживающихся скважин, содержащий полый цилиндрический корпус с установленным в нем топливным элементом и нагревательный элемент, контактирующий с топливным элементом, подключенный через герметизированный электроразъем к источнику питания, отличающийся тем, что скважинный нагреватель выполнен, по меньшей мере, из двух топливных элементов, соединенных между собой с помощью упругих связей и установленных с возможностью поворота относительно друг друга, причем нижняя часть каждого топливного элемента выполнена с выпуклой округлой наружной поверхностью, а сопряженная с ней верхняя часть второго и последующих топливных элементов снабжена округлой вогнутостью того же радиуса.

2. Скважинный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что топливные элементы выполнены из безгазового термитного топлива, а нижняя часть каждого топливного элемента, контактирующая с верхней частью последующего топливного элемента, сформирована из состава, обеспечивающего температуру воспламенения топлива в последующем элементе.

3. Скважинный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что топливные элементы, начиная со второго, выполнены из прессованных кислородосодержащих веществ.

4. Скважинный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что топливные элементы, начиная со второго, выполнены поочередно из безгазового термитного топлива или из прессованных кислородосодержащих веществ.

5. Скважинный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что корпус топливного элемента выполнен в виде гибкой водонепроницаемой термоусадочной сгораемой оболочки.

6. Скважинный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что топливные элементы соединены между собой с помощью подпружиненных соединительных элементов.

7. Скважинный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что топливные элементы соединены между собой с помощью подпружиненного троса, пропущенного по оси гирлянды через заранее сформированный в каждом топливном элементе герметизированный канал, в верхней части нагревателя закрепленного на спускоподъемном устройстве, а с противоположной стороны - на наконечнике, установленном в нижней части нижнего топливного элемента.

8. Скважинный нагреватель по п.7, отличающийся тем, что в качестве подпружиненного троса использован проводник электрического тока, одним концом подключенный к источнику питания, а другим концом соединенный с нагревательным элементом, совмещенным с наконечником и установленным в нижней части нижнего топливного элемента для инициирования его зажигания.

9. Скважинный нагреватель по п.8, отличающийся тем, что состав, обеспечивающий температуру зажигания топлива в вышерасположенном топливном элементе, размещен в верхней части нижнего инициирующего топливного элемента.

10. Скважинный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что топливный элемент выполнен в виде гибкой, сгораемой, термоусадочной трубы, наполненной насыпным, порошкообразным или гранулированным, безгазовым термитным топливом или кислородосодержащим веществом.

11. Скважинный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что источник питания размещен в корпусе нагревателя и снабжен таймером для его включения, установленным на срабатывание через заданный период времени или на заданной глубине.

12. Скважинный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что выше области подключения к нему электроразъема установлен флюидопроницаемый тепловой кольцевой экран, выполненный из теплопоглощающих, несгораемых материалов.

13. Скважинный нагреватель по п.12, отличающийся тем, что кольцевой экран сформирован в виде лепестков или секторов решетчатых или перфорированных упругих дисков диаметром, соразмеримым с диаметром обсадной колонны на интервале его установки.