Насосно-компрессорная труба с теплоизоляционным покрытием
TUBING WITH HEAT-INSULATING COATING

Изобретение относится к конструкциям насосно-компрессорных труб (НКТ) с теплоизоляционным покрытием (ТИП) и может быть использовано при строительстве из стыкуемых друг с другом НКТ теплоизолированных колонн, предназначенных для подачи теплового агента в углеводородосодержащий пласт рабочего агента воздействия (РАВ), например, перегретого пара, с температурой до 350 градусов.
В настоящее время увеличивается количество скважин с трудно извлекаемой тяжелой нефтью. В связи с этим практикуется закачка по колонне НКТ в продуктивный пласт РАВ в течении длительного времени для разжижения нефти и увеличения дебита скважин в последующем.
Для реализации таких технологий требуются НКТ, обладающие высокими теплоизолирующими свойствами для снижения тепловых потерь РАВ, простые в эксплуатации и  в изготовлении, а также ремонтопригодные на существующих базах нефтедобывающих предприятий.
Для решения таких проблем используют различные конструкции НКТ, в том числе с многослойными ТИП на наружной поверхности трубы. Однако проблемы остаются: нарушение целостности ТИП в зоне захвата зажимами гидравлического ключа или спайдера при работе с колонной, повреждение ТИП при хранении и перевозке между объектами нефтедобычи, а также при спуско-подъемных операциях, невозможность провести ремонт крепежных элементов НКТ без повреждения ТИП, что требует его полной замены.
Рассмотрим несколько типичных конструкций НКТ с ТИП.
Известна теплоизолированная колонна НКТ [Патент RU № 2129202, МПК Е21В 17/00, опубл. 20.04.1999г], включающая внутреннюю трубу с расположенной на ней многослойной экранной изоляцией, наружную трубу и муфту. Внутренняя труба выполнена цельной с высаженными профилированными концами, наружная труба перед монтажом сжата вдоль оси на 9-12мм. имеет на концах конусно-упорную резьбу и снабжена герметизированным вакуумно-плотным швом седлом, и клапаном, внутренняя и наружные трубы выполнены из одного материала и по торцам обварены вакуумно-плотными швами, на многослойной экранной изоляции размещены центрирующие кольца, между слоями многослойной экранной изоляции размещен газопоглотитель, а в межтрубном пространстве создан вакуум , при этом муфта навернута на наружную трубу, а уплотнительная втулка поджимает профилированные концы внутренней трубы к наружной трубе.
Существенным недостатком известной конструкции является сложность сохранения вакуума в межтрубном пространстве из-за знакопеременных температурных деформаций при работе, требование постоянного контроля величины вакуума через клапан. Наличие сварных швов приводит к изменению структуры металла в зонах нагрева и ослаблению конструкции при осевом нагружении, а наличие наружной трубы утяжеляет колонну в целом.
Известна труба теплоизолированная [Патент RU № 121855 МПК Е21В17/00, опубл. 2012г.], включающая размещенное на трубе теплоизоляционное покрытие, содержащее теплоотражающий и теплоизолирующий слои, слой базальтового полотна, покрытый теплоотражающим слоем, причем покрытие дополнительно содержит наружный защитный слой и второй теплоотражающий слой, теплоизолирующий слой размещен между теплоотражающими слоями, а на наружном теплоотражающем слое размещен защитный наружный слой, при этом теплоотражающие слои выполнены из алюминиевой фольги, а в качестве теплоизолирующего материала используют мультикремнеземистый войлок, защитный слой представляет трубу из полипропилена, а между теплоотражающим покрытием и защитным покрытием размещен слой стеклопластика.
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что теплоизолирующее покрытие, состоящее из большого количества слоев, весьма сложно и трудоемко в изготовлении учитывая длину НКТ до 9 метров. Это способствует браку в виде несплошностей и переменной теплопроводности по длине НКТ в результате. Недостатком также является отсутствие в конструкции специально выполненных зон захвата инструментами при сборке таких НКТ в колонну, что ведет к повреждению ТИП и сокращению срока службы НКТ.
Известна НКТ с теплоизоляционным покрытием [Патент RU                  № 2704405, МПК Е21В 17/00, опубл. 2018г.]. В данной конструкции на трубе имеется ТИП, закрытое сверху кожухом. Две теплоизолированные зоны захвата трубы инструментом при монтаже-демонтаже, а также размещенные на торцах трубы соединительные элементы, предназначенные для стыковки труб при сборе их в колонну. При этом зоны захвата образованы дисками, приваренными к трубе и к кольцам с пластинами, причем между кольцами и защитным кожухом имеется гофрированный участок для компенсации температурных деформаций. В качестве ТИП использован материал «microtehrm» из пирогенного диоксида кремния.
Изучение конструкции показывает, что труба НКТ имеет зоны сварки дисков, ослабляющие материал путем изменения его структуры и создания концентраторов напряжений. Оформление зоны захвата многочисленными деталями (проставки, гильзы), в том числе из редкого материала (висмут), ведет к увеличению трудозатрат при стыковке труб в колонну и снижает эксплуатационную надежность. Неясным является вопрос о применении в качестве ТИП диоксида кремния, который является порошком. Очевидно, что изготовление из него колец, одеваемых на трубу, возможно при наличии связующего, имеющего высокую термостойкость. Предложенная конструкция сложна в изготовлении и содержит элементы повышенной точности, что ведет к удорожанию НКТ в целом.
Известна НКТ с ТИП, содержащая трубу из легированной стали с соединительными элементами на ее концах в виде резьбовых поверхностей [Патент RU № 156386, МКП F16L 59/00, опубл. 2015г.].
На наружной поверхности трубы сформировано многослойное ТИП. На поверхности трубы образованы две имеющие аналогичное конструктивное исполнение зоны захвата, предназначенные для воздействия инструментом при монтаже-демонтаже колонны НКТ. Каждая зона содержит металлический каркас, закрепленный сваркой на наружной поверхности трубы. На каркасе, приваркой к нему продольных и поперечных ребер, образованы ячейки для ТИП.
В качестве ТИП могут применяться разные материалы, например, базальт.
На каркас с ТИП надет защитный кожух для сохранения ТИП при захвате, например, гидравлическим ключом. На кожух намотаны слои теплоотражающего материала (алюминиевая фольга) и стеклопластиковой оболочки, а на последнюю- тонкая стальная сетка. Сетка на оболочке фиксируется полимерным связующим. Слой сетки предохраняет защитную оболочку от повреждений стальными губками гидравлического ключа или спайдера.
Однако многоэлементность таких зон в виде закрепленного на наружной поверхности трубы каркаса с обращенными наружу ребрами, не позволяет прикладывать к таким зонам высоких нагрузок. Это приводит к разрушению в месте контакта помещенных на каркас теплоизолирующих слоев и деформированию размещенного в ячейках каркаса ТИП.
Наружная поверхность НКТ при спуско–подъемных операциях из-за непрямолинейности обсадной колонны скважины контактирует с ней, что ведет к преждевременному износу - центраторы не предусмотрены. Кроме того, НКТ по данному патенту также имеет места сварки, недостатки чего указаны выше.
Соединение труб в колонну проходит через резьбовую муфту. Таким образом, ТИП на ней отсутствует и возникают теплопотери на этом участке.
В процессе эксплуатации НКТ подвержена частой сборке в колонну и обратному демонтажу. В результате коническая резьба изнашивается и требует ремонта. Обсуждаемая конструкция не позволяет провести ремонт удалением дефектной резьбы и создания новой, так как это ведет к нарушению каркаса, ТИП и защитного кожуха. Восстановление конструкции крайне трудоемко.
Все   вышеприведенное снижает срок эксплуатации НКТ.
Известна насосно-компрессорная труба с теплоизоляционным покрытием [Патент RU 2766464, МКП Е21В 17/01, F16L 59/14, опубл. 15,03.2021], принятая за прототип.
В ней в качестве ТИП применен намотанный на трубу керамический шнур и литьевой композиционный материал из мелкодисперсных полых микросфер из фенолформальдегидной смолы или стекла и полимеризующегося связующего, например, эпоксидной смолы. После отверждения создается монолитный блок ТИП с трубой и защитным кожухом.
Вместе с тем, описываемая НКТ имеет недостатки. Основным является наличие зон захвата инструментом (спайдер и гидроключ) при сборке труб в колонну. Эти участки не теплоизолированы, что требует после свинчивания колонны установить полускорлупы и зафиксировать их стрип-лентами. Это обеспечивает теплоизоляцию зон захвата, но ведет к потерям времени на сборку колонны, дополнительным сборочным единицам и контролю качества монтажа полускорлуп. Поскольку зоны захвата имеют разброс от 0,2 до 1,2 метра от места соединения НКТ, то длина полускорлуп превышает 2,0 метра, что увеличивает потребное количество поясов стрип-лент и дополнительного персонала по работе с полускорлупами. Соответственно при разборке колонны для развинчивания ее участков необходим демонтаж полускорлуп, что ведет к снижению производительности процесса.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение теплоизолирующих свойств и длительности срока эксплуатации НКТ при простоте и надежности конструкции, а также обеспечение ремонтопригодности и снижение трудоемкости монтажно-демонтажных операций при сборке колонны.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что насосно-компрессорная труба с теплоизоляционным покрытием (ТИП) содержит трубу с резьбовыми частями на торцах и имеющую на наружной поверхности теплоизоляционное покрытие из керамического шнура, клея и литьевого полимеризующегося композиционного материала, закрытого защитным кожухом, и крышки. Крышки установлены на резьбовых частях трубы, имеют окна, заполненные литьевым полимеризующимся композиционным материалом, выполнены с соединительными элементами, обеспечивающими сборку в колонну, при этом одна крышка жестко связана с трубой и кожухом, а вторая крышка жестко связана с трубой, но подвижна относительно кожуха при температурных деформациях трубы и имеет на поверхностях, обращенных к теплоизоляционному покрытию, антиадгезионный слой, а на наружной ее поверхности размещено уплотнение стыка с кожухом и фиксаторы, входящие в пазы кожуха, причем в теплоизоляционном покрытии у торцов кожуха с центровкой по его внутренней поверхности на длину зон захвата при сборке в колонну, размещены каркасы усиления жесткости кожуха.
Крышки, ограничивающие ТИП, жестко связаны с торцами трубы и имеют соединительные элементы, например, резьбу для сборки НКТ в колонну. При этом одна из крышек также жестко связана с кожухом, например, сваркой, поскольку последний изготовлен из металла (сталь). Вторая крышка не скреплена с кожухом и может перемещаться относительно него при температурном удлинении трубы.
Таким образом, зоны захвата инструментом НКТ при сборке в колонну полностью (на всю длину) теплоизолированны и защищены металлическим кожухом, не имеющим снаружи дополнительных элементов (гладкая труба). Поскольку каждая последующая НКТ наворачивается на крышку, закрепленную на трубе, то при температурном удлинении они перемещаются совместно и не создают между собой неконтролируемый зазор.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами.
На Фиг.1 представлена НКТ с ТИП. Продольный разрез по всей длине.
На Фиг. 2 представлена крышка.
На Фиг. 3 представлен каркас усиления.
На Фиг. 4 представлен узел сборки НКТ в колонну с зазором от температурного удлинения.
Основной частью НКТ (фиг.1) является труба 1 из легированной стали, преимущественно по ГОСТ 633-80. На торцах трубы 1 имеются резьбовые части 2, воспринимающие осевую нагрузку растяжения при работе на скважине.
На концах трубы 1 на резьбы 2 установлены крышки 3 и 4, между которыми намотан керамический шнур 5 с клеевым слоем 6 на бромированной эпоксидной смоле, смешанной с полыми микросферами. Крышки 3,4 объединены кожухом 7, а пространство между шнуром 5, крышками и кожухом 7 заполнено литьевым полимеризующимся композиционным материалом 8 на основе полых микросфер и полимеризующегося связующего, например, эпоксидной смолы. При отверждении связующего образуется монолитный блок из трубы 1, крышек 3,4, шнура 5 с клеевым швом 6, кожуха 7, литьевым полимеризующимся композиционным материалом 8 и каркасов усиления 12.
Каркасы усиления 12 в полости кожуха 7 размещены на двух его противоположных концах в зонах захвата кожуха 7 и воспринимают нагрузку от сжатия кожуха 7 инструментами при свинчивании колонны.
При этом крышки 3,4 установленные на резьбовые части 2 трубы 1, выполнены с соединительными элементами 14, например, резьбой, повторяющей типоразмер аналогичных элементов на трубе 1. Наружный диаметр крышки 3 больше наружного диаметра кожуха 7, образуя выступ (на фиг не обозначен), для обеспечения захвата НКТ при такелажных операциях.
Крышка 3 жестко связана с кожухом 7, например, сваркой, а крышка 4 подвижна относительно кожуха 7 в осевом направлении при возникновении температурных деформаций и образовании зазора 10 на скважине при работе. На поверхности крышки 4, обращенные к ТИП, нанесен антиадгезионный слой 9, например, силиконовый каучук, для исключения склеивания при отверждении ТИП.
Для исключения попадания в зазор 10, образующийся при удлинении трубы 1, жидкости из полости скважины, указанный зазор 10 герметизирован уплотнением 11. Произвольное отворачивание крышки 4 блокировано установкой шпонок 13 , входящих в ответные пазы 15 кожуха 7.
На фиг.2 показана одна из крышек 3,4, которые имеют сквозные окна 16, заполненные литьевым полимеризующимся композиционным материалом 8 одновременно с заливкой этим материалом регулярной части трубы 1 при создании на ней ТИП. На внутренней поверхности окна 16 подвижной крышки 4 по периметру со стороны поверхности с антиадгезионным слоем выполнен V-образный выступ ( на фиг. не показан) для создания концентрации напряжений при отделении в момент температурных деформаций и образования зазора 17 литьевого полимеризующегося композиционного материала, как элемента ТИП регулярной части трубы 1 , от литьевого полимеризующегося композиционного материала 8 в окнах 16 крышки 4. Окна 16 второй ( неподвижной) крышки 3 данных выступов не имеют. Монолитная связь материала в окнах 16 и этого же материала на регулярной части трубы 1 сохраняется в процессе эксплуатации.
Таким образом, за счёт конструкции крышек снижается их материалоёмкость, уменьшаются потери тепла через них пропорционально уменьшению площади живого сечения металла, из которого они изготовлены. Это обеспечивает повышение теплоизолирующих свойств и длительности срока эксплуатации НКТ.
На фиг.3 представлен каркас усиления 12 жесткости кожуха 7, который состоит из колец 18, соединенных спицами 19. Наружный диаметр 20 колец 18 принят равным внутреннему диаметру кожуха 7, а сечение колец 18 принимается по расчету в зависимости от усилия сжатия НКТ инструментом при свинчивании колонны. Спицы 19 предназначены для удержания колец 18 в сборке до момента заливки ТИП полости кожуха НКТ.
На фиг.4 показан узел сборки двух НКТ (21 и 22) в колонну и зазор 17, возникающий из-за температурного удлинения трубы при эксплуатации. В стыке 23 между НКТ обеспечен конструктивный зазор 0,5-1,0 мм при свинчивании колонны, герметизированный эластичной термостойкой прокладкой 24, например, из полиамида.  Данный зазор 17 изменяет свою величину и геометрию от нагрузок при опускании колонны из НКТ в скважину, имеющую кривизну по длине, а прокладка 24 препятствует массообмену (а, значит, и теплообмену) между возможной жидкостью в зазоре 17 и полостью обсадной трубы (на фиг. не показана) скважины.
НКТ изготавливают следующим образом.
На трубу 1 на клей 6 наматывают шнур 5 по всей длине, на подвижную крышку 4 наносят антиадгезионный слой 9. После отверждения клея 6 на шнур 5 с двух сторон трубы 1 устанавливают каркасы усиления 12 и навинчивают крышки 3,4 до упора по резьбе 2.
На подвижную крышку 4, устанавливается уплотнение 11 и на подготовленную трубу 1 надвигается кожух 7, который пазами 15 центрируется по шпонкам 13 на крышке 4. Торец кожуха 7 со стороны неподвижной крышки 3 приваривается к ней круговым стыковым швом.
Собранная труба 1 присоединяется к литьевой машине и через окна 16 одной из крышек, например, 3 происходит нагнетание литьевого полимеризующегося композиционного материала 8 в части литьевого композиционного материала. Воздух вытесняется через окна 16 крышки 4 на противоположном конце трубы 1. После отверждения композиционного состава НКТ считается годной к эксплуатации. На соединительные элементы 14 (резьбы) крышек 3,4 монтируются полиэтиленовые защитные транспортные заглушки (на фиг. не показаны).
Предлагаемое конструктивное исполнение НКТ исключает повреждение ТИП при хранении и использовании. Отсутствуют зоны захвата за элементы ТИП.  Сборка в колонну осуществляется захватом и вращением за защитный кожух 7, который усилен внутренним каркасом 12 в зонах захвата. Это дает дополнительное преимущество в снижении массы всей конструкции за счет применения тонкостенной трубы кожуха 7, например, 2-3 мм, против труб с толщиной стенки от 7 мм у аналогов.
Преимущество данной конструкции НКТ и в том, что температурные деформации в виде удлинения компенсируются внутри кожуха 7, который разгружен, не создавая дополнительных напряжений. Поскольку крышки 3,4 являются самостоятельными деталями, то в случае выхода из строя резьбы 2 на них, появления дефектов других элементов, возможна замена из ЗИП без повреждения ТИП и трубы 1, на которой оно смонтировано. То есть конструкция ремонтопригодна в условиях нефтегазовых промыслов. Данная конструкция НКТ не требует испытаний на прочность или герметичность, может храниться в полевых условиях и транспортироваться по грунтовым дорогам в любое время года. Это обеспечено гарантированной сохранностью ТИП внутри стального кожуха 7, а также отсутствием каких-либо наружных элементов.