Внутрискважинный кольцевой нагреватель

Изобретение относится к устройствам для добычи нефти с применением тепла и может найти применение при разработке нефтяных залежей. Внутрискважинный нагреватель содержит коаксиально расположенные друг относительно друга внешнюю и внутреннюю трубы. Внешняя стенка внутренней трубы и внутренняя стенка наружной трубы расположены с кольцевым зазором, в котором расположен по меньшей мере один тепловыделяющий элемент. При этом пространство между указанными стенками заполнено свинцом и с боковых сторон закрыто пробками, а тепловыделяющий элемент выполнен или содержит в качестве источника энергии радиоактивный материал на основе изотопов кобальта или европия. Техническим результатом является снижение энергетических затрат на обработку пласта. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для добычи нефти с применением тепла.

Известен способ хранения материалов ядерных отходов, описанный в заявке US 2010105975 (А1). Согласно изобретению, предложен способ захоронения ядерных отходов, включающий стадии (а) формирования хранилища в нетрадиционном пласте нефти; (б) вставка отработанного ядерного топлива в указанное хранилище; и (c) извлечение углеводородов, Н2 и / или других пластовых флюидов, образующихся при нагревании указанного ОЯТ. В некоторых вариантах осуществления это изобретение передает тепло ядерных отходов системе, которая снижает вязкость битума или тяжелой нефти.

Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является тепловой генератор, описанный в документе US 8127840 (B2). Способ, описанный в указанном патенте, заключается в использовании тепла, вырабатываемого тепловым генератором, а также в использовании пара, получаемого при контакте между тепловым генератором и водой. Тепловой генератор представляет собой металлический экранированный контейнер цилиндрической формы, содержащий отдельные блоки уже инкапсулированных источников Strontium-90, способных генерировать температуру 100 градусов Цельсия, или комбинацию инкапсулированных источников Strontium-90, способных генерировать 100 градусов Цельсия каждый для получения в соответствии с необходимостью, до или более 600 градусов по Цельсию.

Задача, решаемая при создании заявленного решения, состоит в снижении энергетических затрат на обработку нефтеносных и т.п. пластов, при этом технический результат, достигаемый при решении такой задачи, состоит в повышении количества проводимой к нефтеносному пласту энергии и температурного уровня нагреваемой при этом воды.

Для достижения поставленного результата предлагается внутрискважинный нагреватель, содержащий коаксиально расположенные друг относительно друга внешнюю и внутреннюю трубы, внешняя стенка внутренней трубы и внутренняя стенка наружной трубы расположены с кольцевым зазором, в котором расположен по меньшей мере один тепловыделяющий элемент, при этом пространство между указанными стенками заполнено свинцом и с боковых сторон закрыто пробками, а тепловыделяющий элемент выполнен или содержит в качестве источника энергии радиоактивный материал на основе изотопов кобальта или европия.

Нагреватель может дополнительно содержать внешнюю радиационную защиту и кожух, послойно расположенные вокруг внешней трубы, а радиоактивный материал может быть выбран из группы изотоп кобальта-60, оксид европия Eu₂O₃, композиция Eu₂O₃ + Mo, изотопы европия-151, европия-153.

Изобретение иллюстрируется фиг.1, на которой показан поперечный разрез заявленного нагревателя, фиг.2 с сечением А-А согласно фиг.1, фиг.3 с графиками зависимости подогрева воды сборкой нагревателей общей длиной 500 м для аналитического и расчетного решений, фиг.4 с графическая зависимостью числа сборочных секций и суммарной длины сборки нагревателей от подогрева и расхода при использовании ПЭЛ с Eu₂O₃ активностью 14300 Ки (65 Ки/г).

Со ссылкой на фиг.1, 2 заявленный внутрискважинный кольцевой нагреватель состоит из следующих компонентов:

- верхней 2 и нижней 1 пробок;

- внутренней трубы 3;

- внешней трубы 4;

- внешней радиационной защиты 5;

- наружного кожуха 6;

- кольцевой рабочей полости 7, сформированной элементами 1 - 4 и заполненной свинцом;

- одного или более тепловыделяющих элементов 8, равномерно распределенных в пространстве рабочей полости, используемых в качестве первичного источника энергии.

Основным силовым элементом нагревателя является внешняя труба 4, к внутренней стенке которой приварена нижняя кольцевая пробка 1, к которой, в свою очередь, монтируется внутренняя труба 3 с образованием межтрубного кольцевого пространства, заполненного свинцом, в который погружены тепловыделяющие элементы 8. В качестве внешней и внутренней труб могут быть использованы серийно выпускаемые насосно-компрессорные трубы, например, диаметром 114 и 73 мм, соответственно. Свинцовый объем с установленными тепловыделяющими элементами 8 герметизируется привариванием верхней кольцевой пробки 2. На внешнюю поверхность внешней трубы 4 смонтирована внешняя радиационная защита 5. Наружная поверхность внешней радиационной защиты 5 прикрыта от коррозии и механических повреждений наружным кожухом 6. В процессе эксплуатации соединение нагревателей между собой производится при помощи муфты (не показана), которая может быть как самостоятельным сборочным элементом, так и входить в состав трубы - на обоснование теплотехнических характеристик нагревателя это не влияет. Подвеска собранной цепочки нагревателей (длиной до 500 м) в обсадной трубе и ее продвижение на рабочую глубину осуществляются с помощью стандартных труб, по которым, также, осуществляется и закачка воды в пласт.

В качестве примеров используемых нагревательных элементов могут быть упомянуты следующие типоразмеры:

- серийно производимые на предприятиях «Росатом» гамма-источники кобальтовые типа ГИК;

- трубки поглощающих элементов (ПЭЛ) органов регулирования реакторов типа БН.

В качестве рабочего вещества в нагревательных элементах типа ГИК используется кобальт суммарной активностью 800 Ки, соответствующей выводимым из эксплуатации ГИК-А6, и кобальт суммарной активностью 9600 Ки, соответствующей свежепроизведенным ГИК-А6.

В качестве рабочего вещества в нагревательных элементах типа ПЭЛ используется молибден-европиевый кермет с суммарной активностью 8800 Ки (40 Ки/грамм), соответствующий параметрам выгружаемых из реактора ПЭЛ второй микрокампании; молибден-европиевый кермет с суммарной активностью 14300 Ки (65 Ки/грамм), соответствующий параметрам выгружаемых из реактора ПЭЛ четвертой микрокампании; или же кобальт суммарной активностью 24000 Ки, соответствующий удельной активности выгружаемого из реактора кобальта 60 Ки/грамм.

Устройство работает следующим образом: в радиоактивном материале происходят ядерные реакции, сопровождающиеся выделением ионизирующего излучения и тепловой энергии. Материал внешней оболочки и материал, заполняющий межтрубное пространство нагревательного элемента используется для захвата ионизирующего излучения, преобразуя его в дополнительные источники тепловой энергии. Выделяющаяся в нагревательном элементе тепловая энергия отводится от него водой, прокачиваемой через скважину, что приводит к росту температуры воды.

Нижеследующие примеры подтверждают возможность практической реализации заявленного решения

Пример 1. Были произведены расчеты подогрева воды для нагревателя заявленной конструкции. Исходные данные для расчета:

- обогреваемая длина канала - 500 м;

- тепловыделение по длине канала - 2345,2 Вт/м;

- температура жидкости (вода) на входе в обогреваемый канал - 25°С;

- заглубление нижней точки обогреваемого канала под уровнем поверхности
3000м;

- температура грунта по высоте обогреваемого канала - от 52,4°С (верхняя отметка на глубине 2500 м по поверхности) до 62,9°С (нижняя отметка на глубине 3000м); средняя температура грунта - 57°С;

- диаметр внутренней трубы с циркулирующей жидкостью - 132×7 мм;

- диаметр внешней трубы - 168×9 мм;

-толщина слоя породы - 2 м.

Результаты аналитических расчетов и моделирования (для расхода 100 т/сут и 200 т/сут, соответственно) представленные на фиг.3 показывают совпадение представленного аналитического решения и моделирования - отклонения температуры воды на выходе из участка не превышает 3%.

Пример 2. Используя эмпирическую зависимость подогрева воды от количества нагревателей в сборке и расхода подаваемой воды вида:

, (1)

где: ΔТ - полученный перепад температур, К;

N - число нагревателей;

G - расход воды, т./сутки;

была построена графическая зависимость числа сборочных секций внутрискважинного нагревателя и суммарной длины их сборки от подогрева и расхода воды в количестве 100, 200 и 300 т./сутки, соответственно, при использовании тепловыделяющих элементов на основе ПЭЛ с Eu₂O₃ активностью 14300 Ки (65 Ки/г) - фиг.4.

1. Внутрискважинный нагреватель, содержащий коаксиально расположенные друг относительно друга внешнюю и внутреннюю трубы, внешняя стенка внутренней трубы и внутренняя стенка наружной трубы расположены с кольцевым зазором, в котором расположен по меньшей мере один тепловыделяющий элемент, при этом пространство между указанными стенками заполнено свинцом и с боковых сторон закрыто пробками, а тепловыделяющий элемент выполнен или содержит в качестве источника энергии радиоактивный материал на основе изотопов кобальта или европия.

2. Нагреватель по п.1, дополнительно содержащий внешнюю радиационную защиту и кожух, послойно расположенные вокруг внешней трубы.

3. Нагреватель по п.1 или 2, в котором радиоактивный материал выбран из группы: изотоп кобальта-60, оксид европия Eu₂O₃, композиция Eu₂O₃ + Mo, изотопы европия-151, европия-153.