УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАКАЧКИ ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ В СКВАЖИНУ
DEVICE FOR HOT WATER INJECTION INTO WELL

Изобретение относится к области разработки месторождений углеводородов, находящихся на суше или в акватории, в том числе нефти и газогидратов.
Известна платформа морского бурения нефтяных и газовых скважин по патенту РФ №2166611, которая имеет буровую площадку, установленную на плавсредствах. Недостаток: низкая надежность устройства, неспособность его противостоять штормам, течению и смещению ледяного покрова.
Известна морская буровая платформа по заявке РФ на изобретение №2007129582. Морская буровая платформа содержит основание и опоры, известно изобретение по патенту РФ на изобретение №2288320. Морская платформа содержит основание и опоры с защитным блоком и источник электроэнергии, подключенный к потребителям энергии.
Известен способ добычи газа из твердых газогидратов, согласно которому в газогидратной залежи создаются неравновесные термобарические условия путем снижения давления и подвода тепла, при этом теплоподвод осуществляют введением твердого сорбента в зону залегания газогидрата для поглощения воды с удельным тепловыделением, превышающем теплоту диссоциации твердого газогидрата (см. патент RU 2159323, Е21В 43/00, 1999).
Недостатком этого способа является необходимость создания наземных сооружений для подачи в зону залегания газогидрата через скважину твердого сорбента и последующей регенерации сорбента, а также малая площадь контакта сорбента в вертикальном стволе скважины с породой, содержащей газогидрат.
Из известных способов наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ разработки месторождений твердых углеводородов, включающий разбуривание залежи системой сгруппированных по площади залежи скважин с горизонтальными участками, в каждой группе которой через один ряд скважин производят закачку теплоносителя в одни продуктивные пласты, а из другого осуществляют отбор углеводородов из других продуктивных пластов, причем в смежных группах скважин попеременно чередуют продуктивные пласты, в которые производят закачку теплоносителя и из которых отбирают углеводороды, см. патент US №5016709, Е21В 43/24, 1991.
Известны устройство и способ для термической разработки твердых углеводородов по патенту РФ №2231635, прототип. Техническим результатом этого изобретения является обеспечение интенсификации процессов теплопередачи между пластами и сокращение затрат на производство и закачку теплоносителя. Способ включает разбуривание залежи пересекающей пласты скважиной с системой горизонтальных боковых секций, формирование теплового поля в одном из пластов и отбор углеводородов из другого пласта. При этом бурение вышеупомянутой скважины производят с двумя горизонтальными ступенями, соответственно в верхнем продуктивном и нижнем пластах, из которых осуществляют бурение по меньшей мере двух боковых горизонтальных стволов в каждом пласте, замыкающихся друг с другом на проектной стыковочной траектории с образованием замкнутых каналов циркуляции между пластами. Герметизируют околоскважинное пространство путем установки на концах горизонтальных стволов заколонных пакеров и производят дискретную перфорацию упомянутых стволов с образованием двух секций перфорации в начале и конце каждого ствола. Затем осуществляют подачу под действием перепада давления между пластами горячей воды из нижнего пласта в верхний и принудительную подачу охлажденной воды из верхнего пласта в нижний до восстановления коллекторских свойств продуктивного пласта. После чего перекрывают участки боковых стволов между секциями перфорации внутриколонными пакерами для сообщения разобщенных секций перфорации с околоскважинными пространствами. При этом в процессе эксплуатации поддерживают непрерывную циркуляцию по образованным замкнутым каналам горячей воды из нижнего пласта и охлажденной из верхнего. Полученные продукты разложения гидратов - газ и воду направляют для разделения в сепаратор.
Эти устройство и способ позволяют повысить эффективность процесса теплового воздействия за счет реализации принципа многоуровнего воздействия на пласты и, как следствие, увеличить степень нефтеизвлечения углеводородов.
К недостаткам способа и устройства относятся большой расход теплоносителя, отсутствие мощного источника энергии, а также сложность реализации многоуровневой схемы теплового воздействия, что в итоге снижает экономичность процесса разработки, повышая удельные затраты на единицу добываемой продукции.
Задачи создания изобретения: повышение надежности работы комплекса, повышение пластового давления и улучшение прогрева твердых углеводородов для их плавления и испарения газогидратов при их наличии.
Решение указанных задач достигнуто в устройстве для закачки горячей воды в скважину, содержащем добывающую скважину и устройство для нагнетания воды в скважину, содержащем, в свою очередь, насос, выход которого соединен с нагнетательной скважиной, и электрогенератор, при этом после насоса по линии воды подключен регенеративный теплообменник, установленный в выхлопном устройстве газотурбинного привода и теплообменник-охладитель, газотурбинный привод содержит, в свою очередь, двухвальный двухкаскадный газотурбинный двигатель с внешним и внутренним валами, компрессор, камеру сгорания, турбину и двигатель Стирлинга, связанный с двухвальным двухкаскадным газотурбинным двигателем посредством одного из валов, этот же вал соединен с насосом, а другой вал - с электрогенератором, соединенным электрической связью с приводом насоса для перекачки углеводородов, перед двигателем Стирлинга установлена дополнительная камера сгорания, а теплообменник-охладитель по воздушной линии подключен между выходом из компрессора и коллектором системы охлаждения турбины. Газотурбинный двигатель может содержать воздухозаборник.
Двухзальный двухкаскадный газотурбинный двигатель имеет топливный трубопровод от топливного насоса, подведенный к основной камере сгорания, и реактивное сопло с внутренним обтекателем, компрессор выполнен двухкаскадным, а двигатель Стирлинга установлен за турбиной на внутреннем валу газотурбинного двигателя и содержит, по меньшей мере, один рабочий цилиндр, установленный за дополнительной камерой сгорания по потоку, и по меньшей мере, один расширительный цилиндр, установленный внутри внутреннего обтекателя, при этом к дополнительной камере сгорания подведен дополнительный топливный трубопровод от дополнительного топливного насоса.
Каждый расширительный цилиндр может иметь кожух, образующий с этим цилиндром охлаждающую полость, вход в охлаждающую полость соединен каналом между двумя валами с полостью за первым каскадом компрессора, а выход из охлаждающей полости соединен с внутренней полостью реактивного сопла.
Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, т.е. всеми критериями изобретения. Новизна и изобретательский уровень подтверждаются проведенными патентными исследованиями.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1…4, где:
на фиг.1 приведен комплекс,
на фиг.2 приведен газотурбинный привод,
на фиг 3 приведен двигатель Стирлинга,
на фиг.4 приведен разрез А-А.
Устройство для закачки горячей воды в скважину предназначено для закачки воды в нагнетательную скважину 1 ниже продуктивного пласта 2, под которым имеется водоносный пласт 3. Добывающая скважина 4 находится на некотором отдалении от нагнетательной скважины 1.
Колонна 5 добывающей скважины 4 подключена к входу в сепаратор 6, первый выход из которого подключен к перекачивающему насосу 7, а второй выход - к первому входу трехходового крана 8. Ко второму входу трехходового крана 8 подсоединен водозаборный патрубок 9, соединенный с водонакопительной емкостью 10, а к выходу трехходового крана 8 подсоединен водяной насос 11 с приводом 12. Трубопровод подачи воды 13 через управляемый клапан 14 соединен с входом в регенеративный теплообменник 15, выход которого соединен с теплообменником-охладителем 16, выход которого, в свою очередь, соединен с нагнетательной скважиной 1. Перекачивающий насос 7 соединен валом 17 с выходом редуктора 18, вход которого соединен с газотурбинным приводом 19, который выполнен в виде двухвального двухкаскадного газотурбинного двигателя 20 с встроенным в него двигателем Стирлинга 21. Двухвальный двухкаскадный газотурбинный двигатель ГТД 20 содержит воздухозаборник 21, внутренний вал 22 и внешний вал 23, компрессор 24, состоящий, в свою очередь из первого и второго каскадов компрессора, соответственно 25 и 26, далее расположены камера сгорания 27, турбина 28, содержащая в свою очередь, сопловой аппарат 29 и рабочее колесо 30. Газотурбинный двигатель содержит выхлопное устройство 31. Газотурбинный двигатель 21 содержит систему топливоподачи. Система топливоподачи содержит топливный насос 32 и привод топливного насоса 33, топливный трубопровод 34, отсечные клапаны 35, 36. Отсечной клапан 35 установлен перед камерой сгорания 27, а отсечной клапан 36 - перед дополнительной камерой сгорания 38, которая установлена перед двигателем Стирлинга 21 за турбиной 28, т.е. за ее рабочим колесом 30. Двигатель Стирлинга 21 связан с внешним валом 23, а перекачивающий насос 7 - с внутренним валом 22. Внутри выхлопного устройства 31 установлен регенеративный теплообменник 15. Теплообменник-охладитель 16 установлен вне газотурбинного привода 19.
Двигатель Стирлинга 21 (фиг.1) состоит из двух основных частей: группы рабочих цилиндров 39 и группы расширительных цилиндров 40, которые соединены трубопроводами 41. Группу расширительных цилиндров 40 предпочтительно установить вне газового тракта ГТД 21. Расширительные цилиндры 40 установлены в кожухе 42, полость которого сообщается с полостью «Д» внутри выхлопного устройства 31 выхлопными патрубками 43 (фиг.2).
На фиг.3 и 4 приведена схема одного из вариантов исполнения двигателя Стирлинга 21, который содержит группу рабочих цилиндров 39, имеющих оребрение 44 с установленным внутри каждого из них в полости «Б» рабочим поршнем 45, который шатуном 46 соединен с внешним валом двигателя 23, и группу расширительных цилиндров 40 с установленным внутри каждого из них в полости «В» вытеснительным поршнем 47. Каждый расширительный цилиндр 40 оборудован снаружи кожухом 42, образующим полость «Г» для охлаждения расширительного цилиндра 40. Вытеснительный поршень 47 соединен шатуном 48 с внешним валом двигателя 23. Трубопровод 41 соединяет полости «Б» и «В» для перетекания рабочего тела из рабочего цилиндра 39 в расширительный цилиндр 40. К полости «Г» подходит воздушый канал «Е», выполненный между валами 22 и 23, а выхлопные патрубки 43 соединяют полость «Г» с внутренней полостью «Д» выхлопного устройства 31 (фиг.2). К внутреннему валу 22 подсоединен электрогенератор 49, к которому подсоединены электрическими связями 50 все потребители электроэнергии и блок управления 51. К блоку управления 51 подсоединены электрическими связями 50 отсечные клапана 35, 36, а также со всеми датчиками контроля (на фиг.1…4 датчики не показаны).
Топливная система двигателя, т.е. топливный трубопровод 34, подсоединен к основному трубопроводу 52, предназначенному для перекачки добываемого продукта, который содержит задвижку 53.
При работе при помощи стартера (на фиг.1…4 стартер не показан) запускается ГТД 20, при этом включается привод насоса 33, топливный насос 32 подает топливо по топливному трубопроводу 34 в камеру сгорания 27.
Топливо воспламеняется при помощи электрозапальника (на фиг.1…4 не показано). Выхлопные газы проходят через турбину 28. Рабочее колесо турбины 29, с внешним валом 23 газотурбинного двигателя 20 раскручиваются, т.е ГТД 21 запускается.
Двигатель Стирлинга 21 запускается значительно позже из-за его инерционности. Шатуны 46 и 48 и поршни 45 и 47 двигателя Стирлинга 21 приводятся в действие при помощи внешнего вала 23 (возможна схема с приводом от внутреннего вала 23) газотурбинного двигателя 21 от компрессора первого каскада 25, который раскручивается в режиме авторотации воздухом, проходящим через него. Механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (этот механизм на фиг.1…4 детально не показан, но он может быть выполнен в виде коленчатого вала с шатунами) преобразует вращательное движение внутреннего вала 22 в возвратно-поступательное движение поршней 45 и 47 двигателя Стирлинга 21. Выхлопные газы нагревают через оребрение 44 рабочее тело внутри рабочих цилиндров 39. Для работы двигателя Стирлинга 21 достаточно иметь разницу температур на двух группах цилиндров: рабочих 39 и расширительных 40. Первоначально двигатель Стирлинга 21 работает принудительно и не выдает мощность, а наоборот ее потребляет. Примерно через 5…10 мин по мере прогрева рабочего тела внутри рабочих цилиндров 39 двигателя Стирлинга 21 он выходит на расчетный режим работы. Медленный выход двигателя Стирлинга 21 на расчетный режим работы является одним из его недостатков, но высокий КПД, надежность и хорошие экологические свойства в сочетании с ГТД, имеющим хорошие характеристики запуска, делает предложенный привод чрезвычайно интересным по всем показателям одновременно, т.к. позволит частично утилизировать тепло в реактивном сопле и применить вместо 4-х…5 ступеней турбины только одну ступень.
В результате продукты сгорания раскручивают ротор двигателя Стирлинга 21 и через внешний вал 23 (возможна схема с применением передачи вращения через внутренний вал) раскручивают ротор электрогенератора 49. Электрогенератор 49 вырабатывает электроэнергию, которая электрическими связями 50 подается к потребителям электроэнергии. Применение электрогенератора 49 повышает надежность комплекса. При отказах, приводящих к прекращению вращения одного из валов: внутреннего 22 или внешнего 23, или электрогенератор 52 продолжит вырабатывать электроэнергию или продолжает работу насос 10 и перекачка углеводородов не прекращается.
Приводится в действие насос для перекачки углеводородов 10, который повышает давление добываемого продукта (углеводородов) в основной магистрали 55. Одновременно водяной насос 13 забирает воду или из водоема или из сепаратора 9, в зависимости от положения трехходового крана 11 и по трубопроводу подачи воды 15 через управляемый клапан 16 вода поступает в регенеративный теплообменник 11, где подогревается выхлопными газами, выходящими из газотурбинного привода 21 в выхлопное устройство 31, и далее поступает в теплообменник-охладитель 18, где дополнительно нагревается, охлаждая при этом воздух, идущий на охлаждение турбины, и далее поступает в нагнетательную скважину 1. Давление в продуктивном пласте 5 повышается. При наличии твердых газогидратов они расплавляются и становятся пригодными для отбора в добывающих скважинах.
При отказе газотурбинного двигателя открывают отсечной клапан 36, и топливо поступает в дополнительную камеру сгорания 39. Установка продолжает работу в том же режиме. При отказе двигателя Стирлинга 21 закрывают отсечной клапан 36 и открывают отсечной клапан 35 для подачи топлива в камеру сгорания 28. Комплекс продолжает работу в том же режиме. Потребление энергии осуществляется от накопителей энергии или резервного электрогенератора (на фиг.1…4 не показано). Это значительно повышает надежность комплекса в целом.
Применение источника тепловой энергии, работающего на добываемом топливе, дает ряд преимуществ, связанных с тем, что в отдаленные районы страны трудно доставить топливо и компактный, и мощный источник энергии, каким является газотурбинная установка. Кроме того, применение замкнутой схемы подогрева, без расходования воды также дает преимущество, уменьшает загрязнение добываемой смеси.
Применение в качестве основного теплоносителя горячей воды, имеющей высокую температуру и большую теплоемкость, позволяет быстрее и эффективнее произвести термическую обработку продуктивного пласта, состоящего преимущественно из углеводородов в твердой фазе и льда и не загрязняет окружающую среду, т.к. вода непрерывно циркулирует по замкнутому контуру, отделяясь в сепараторе. Кроме того, утилизация тепла в выхлопном устройстве газотурбинной установки повышает ее КПД. Обеспечивается автоматическое согласование распределения мощности, идущей на подогрев воды и привод компрессора и насоса для перекачки нефти и сепаратора.
Утилизация тепла при помощи теплообменника (регенерация), используемая традиционно не эффективна, например, из-за больших габаритов теплообменников, их большого веса, загромождения газового тракта и необходимости дальнейшего преобразования тепловой энергии подогретого воздуха или пара в механическую энергию, например, при помощи паровой турбины. В результате использования утилизации тепла выхлопных устройств, КПД установки повышается на 20%…30%.
Предложенное устройство позволяет:
- значительно повысить надежность комплекса за счет сохранения его работоспособности при серьезном отказе в работе газотурбинного двигателя за счет применения дополнительной камеры сгорания, установленной перед двигателем Стирлинга, за счет применения охлаждаемой турбины и охлаждения воздуха, используемого для этой цели в теплообменнике, и за счет применения электрогенератора и привода насоса от двухвального газотурбинного двигателя,
- утилизировать ранее не используемую энергию газотурбинного двигателя для подогрева воды перед ее подачей в продуктивный пласт и способствовать разложению газовых гидратов на газ и воду, при их добыче,
- поддерживать высокое пластовое давление в продуктивных пластах за счет закачки горячей воды,
- обеспечить экологичность процесса добычи углеводородов (нефти, газа или газогидратов) за счет возврата пластовой воды в продуктивный пласт (или ниже него - в водоносный пласт),
- обеспечить работу газотурбинной установки на добываемых углеводородах.