ПРИЗАБОЙНЫЙ СКВАЖИННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ И СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ С ЕГО ПРИМЕНЕНИЕМ
BOTTOM-HOLE HEATER AND METHOD FOR IMPROVEMENT OF OIL RECOVERY USING IT

Изобретение относится к нефтяной промышленности и предназначено для теплового воздействия на призабойную зону и нефтяной пласт для предупреждения образования парафиногидратных отложений в зоне перфорации и под насосным оборудованием, увеличения пронинцаемости нефтяного коллектора и повышения нефтеотдачи в целом.
Тепловая обработка призабойной зоны продуктивного пласта предназначена для расплавления и удаления парафино- и асфальтосмолистых отложений, для повышения фильтрационных свойств горной породы, слагающих нефтяной пласт, и понижения вязкости пластовой нефти.
Прогрев призабойной зоны скважинными нагревателями способствует расплавлению парафиновых и смоляных отложений и увеличению проницаемости призабойной зоны, снижению вязкости нефти и улучшению ее текучести.
В настоящее время существует несколько типов различных устройств для теплового воздействия на пласт:
- электродные электронагреватели [Патент на полезную модель №92087, 125249, Патенты №2206717, 2208145, Заявки №95107491/03, №2004111016/03, №96123652/03].
Недостаток - нагрев посредством токов электролита, что существенно ограничивает температуру нагревателя и снижает надежность, сложен контроль за состоянием нагревателя и самим электролитом, причем у электролитов с повышением температуры увеличивается проводимость, что будет приводить нежелательному эффекту - увеличению тепловой мощности нагревателя по мере роста температуры. Эти эффекты потребуют установки в нагревателе датчиков температуры, организации контроля температуры нагревателя наземной аппаратурой, что приведет к усложнению системы в целом.
- индукционные электронагреватели за счет наведенных индуктивных токов осуществляют нагрев корпуса нагревателя, специальных трубок, в которые уложены проводники или непосредственно погружного скважинного оборудования - насосно-компрессорных труб или обсадных колонн [Патент RU 2200228, RU 2249096]. Недостаток - сложная наземная аппаратура, токи высокой частоты, соответственно, большие потери.
- электрогазохимические - используют тепло химических реакций [Патент RU 2235870], электричество необходимо только для запуска тепловыделяющих процессов. Недостаток - короткое время действия.
- прокачки теплового агента с поверхности скважины [Патент RU 2471064]. Недостаток - большие потери во время транспортировки теплового агента. Необходимость еще одного гидравлического канала для доставки теплоносителя на забой скважины.
- электрические, основанные на принципе преобразования электрической энергии в тепловую. Электрические нагреватели наиболее просты из всех вышеперечисленных. Они могут выполняться как для динамических процессов - проведения спуско-подъемных операций для удаления парафиногидратных пробок путем их расплавления, так и для стационарной установки, например, в призабойную зону скважины для теплового воздействия и увеличения нефтеотдачи.
Известен скважинный электронагреватель [Патент RU 120697], содержащий полый корпус с электрическим нагревательным элементом и токовводом, отличающийся тем, что корпус выполнен проточным с открытым нижним торцом и верхними боковыми отверстиями, а электрический нагревательный элемент выполнен в виде коаксиальной с корпусом укладки.
Известен электрический скважинный нагреватель [Патент RU 24854] для удаления гидратопарафиновых образований в нефтяной или газовой скважине, содержащий ТЭН, волнообразный корпус, диаметр волн которого увеличивается от носовой части корпуса, приборную головку для подсоединения к кабельной головке, отличающийся тем, что на волнах корпуса изготовлены наклонные пазы, угол наклона которых выполнен из условия перекрытия просвета паза на входе в него и выходе из него в направлении, параллельном оси корпуса, а направление наклона пазов на соседних волнах корпуса выполнено в одну или в разные стороны.
Известен нагреватель [Патент RU 37521], содержащий корпус с трубчатым электронагревателем (ТЭН) внутри, кабельную головку, средства токоподвода к ТЭН с уплотнением токоведущих жил кабеля, отличающийся тем, что в кабельной головке выполнен конус с направлением вершины конуса внутрь нагревателя и с перегородкой, в которой изготовлены отверстия под токоведущие жилы кабеля, в конус кабельной головки вмонтирована коническая пробка из упругого материала и с отверстиями под токоведущие жилы, между кабельной головкой и ТЭН установлена нажимная втулка, на корпусе нагревателя расположен центратор.
Наиболее близким к предлагаемому является скважинный электронагреватель по патенту [Патент RU 2006571], включающий полый цилиндрический корпус с нагревательным элементом и токовводом в верхнем своем торце, отличающийся тем, что он снабжен металлическим теплопроводящим сердечником, расположенным внутри полого цилиндрического корпуса, и монолитным металлическим излучателем тепловых потоков направленного действия, расположенным в нижнем торце полого цилиндрического корпуса, причем электронагревательный элемент размещен на внешней поверхности металлического теплопроводящего сердечника, монолитный металлический излучатель тепловых потоков направленного действия имеет контакт с металлическим теплопроводящим сердечником, а полость цилиндра заполнена теплоизоляционным материалом.
Недостатком всех вышеперечисленных изобретений является либо ограниченная мощность скважинных нагревателей, либо их низкая надежность. Эти положения объясняются тем, что скважинному нагревателю необходимо преобразовать электрическую энергию в тепловую и передать ее скважинной жидкости. При этом перегрев скважинного нагревателя способен вызвать его выход из строя и нарушить безопасность работ на скважине.
Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением является упрощение и повышение надежности системы управления скважинным нагревателем, упрощение конструкции его корпуса.
Техническая задача достигается тем, что предлагается применение нагревательных элементов из определенной группы материалов или системы терморегулирования и использование гидрозащиты для корпуса скважинного нагревателя.
Процессы теплопередачи ограничены площадью тел, между которыми происходит теплопередача. В основном, электронагреватели имеют сплошной или трубчатый металлический корпус, посредством которого и осуществляется передача тепла от скважинного нагревателя скважинной жидкости. Предлагается конструкция скважинного нагревателя, в котором нагревательные элементы взаимодействуют с теплоносителем (например «Пента-410»), передающим тепло к наружным стенкам скважинного нагревателя. Рабочая температура теплоносителя в замкнутом контуре до 300 градусов, выше которой начинается его разрушение.
В некоторых случаях эксплуатации скважины могут возникнуть предпосылки для перегрева скважинного нагревателя, например при продолжительном контакте последнего с газовой средой. Это чревато выходом из строя скважинного нагревателя и представляет угрозу безопасности работ на скважине. Для предупреждения перегрева скважинного нагревателя наиболее простым способом является использование эффекта термостабилизации за счет применения подходящих материалов в качестве нагревательных элементов.
Для анализа эффективности применения различных материалов в качестве нагревательных элементов приведем следующие расчеты:
0
R=R·(1+α-ΔT),
где R - конечное сопротивление материала нагревательного элемента;
0
R - сопротивление материала нагревательного элемента при 20°С;
α - температурный коэффициент сопротивления.
Температурный коэффициент сопротивления
Проводник
α, 10<sup>-3</sup>*С<sup>-1</sup>
Алюминий
4,2
Вольфрам
5
Железо
6
Золото
4
Константан (сплав Ni-Cu+Mn)
0,05
Латунь
0,1-0,4
Магний
3,9
Манганин (сплав меди, марганца и никеля - приборный)
0,01
Медь
4,3
Нейзильбер (сплав меди, цинка и никеля)
0,25
Никелин (сплав меди и никеля)
0,1
Никель
6,5
Нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца)
0,1
Олово
4,4
Платина
3,9
Ртуть
1
Свинец
3,7
Серебро
4,1
Сталь
4,00
Февраль (Cr (12-15%); Al (3,5-5,5%); Si (1%); Mn (0,7%); + Fe)
0,1
Цинк
4,2
Для традиционно применяемого в нагревателях нихрома увеличение температуры нагревательного элемента на 100°С приведет к увеличению сопротивления на 1%, при 200 градусах - 2%. Т.е. выделяемая нагревателем мощность остается практически неизменной, что влечет за собой значительную вероятность выхода из строя скважинного нагревателя вследствие перегрева. Это может произойти при остановке потока скважинной жидкости или замещении жидкости газом, т.е. при внешних условиях значительно ухудшающих теплоотвод от скважинного нагревателя, или сбоях в системе терморегулирования.
Для никелевого нагревательного элемента повышение температуры нагревателя на 100 градусов приведет к увеличению омического сопротивления в 1,65 раза, при 200 градусах сопротивление увеличится соответственно в 2,3 раза, что приведет к падению мощности нагревателя также в 2,3 раза. Таким образом, проявляется эффект термостабилизации и увеличивается надежность скважинного нагревателя.
Аналогичными температурными свойствами обладают железо и медь.
Другим способом предупреждения перегрева нагревателя является использование системы терморегулирования, которая изменяет мощность, передаваемую на нагревательные элементы путем установки дополнительных терморегулирующих датчиков непосредственно на скважинном нагревателе или системы терморегулирования, расположенной в наземной станции.
Имеющиеся в настоящее время конструкции скважинных нагревателей снабжены массивным корпусом, необходимым для того, чтобы выдержать значительное внутрискважинное давление, достигающее 300 бар. В связи с этим предлагается использовать гидрозащиту, заключающуюся в следующем - скважинная жидкость через каналы в корпусе воздействует на эластичную диафрагму, заполненную жидким теплоносителем [Каплан Л.С. Оператор по добыче нефти и попутного газа. Уфа. 2005 г.]. Деформация диафрагмы влечет уменьшение объема и повышение давления теплоносителя. Происходит выравнивание внешнего и внутреннего давлений скважинного нагревателя и соответственно разгрузка корпуса от механических напряжений.
Кроме того, увеличение температуры теплоносителя вызывает его расширение, что может привести к повреждению корпуса. Гидрозащита позволит решить и эту проблему.
На фиг.1 изображен скважинный нагреватель.
На фиг.2 изображен скважинный нагреватель с гидрозащитой.
Согласно фиг.1 скважинный нагреватель состоит из головки 1 с внутренней или внешней резьбой для соединения с колонной насосно-компрессорных труб или наконечником шлангокабеля, жестко связанной с головкой 1 трубой 2, находящимся на головке 1 токоввода 3, с проводами 4, присоединенными к нему одним концом, а вторым - к нагревательным элементам 5, закрепленных на трубе 2 посредством держателей 6. На головке 1 закреплен корпус 7 с прикрепленной к нему втулкой 8. В пространстве, ограниченном головкой 1, трубой 2, корпусом 7 и втулкой 8 находится теплоноситель 9, для заливки которого в головке 1 предусмотрены отверстия, закрывающиеся пробками 10. Между головкой 1 и корпусом 7, а также между корпусом 7 и втулкой 8 установлены уплотнительные элементы 11.
Предлагаемый скважинный нагреватель работает следующим образом:
после присоединения головки 1 к колонне насосно-компрессорных труб или наконечнику шлангокабеля с соответствующим подключением силовой линии к токовводу 3 скважинный нагреватель доставляется в нуждающуюся для подогрева зону, после чего подается электрический ток на нагревательные элементы 5, тепло от которых передается посредством теплоносителя 9 корпусу 7, головке 1 и втулке 8, за счет чего осуществляется подогрев призабойной зоны. Кроме того, от нагревательных элементов 5 через держатели 6 тепло передается трубе 2, подогревающей проходящую через нее скважинную жидкость.
Согласно фиг.2 скважинный нагреватель состоит из головки 1 с внутренней или внешней резьбой для соединения с колонной насосно-компрессорных труб или наконечником шлангокабеля, жестко связанной с головкой 1 трубой 2, находящимся на головке 1 токоввода 3, с проводами 4, присоединенными к нему одним концом, а вторым - к нагревательным элементам 5, закрепленных на трубе 2 посредством держателей 6. На головке 1 закреплен корпус 7 с прикрепленной к нему промежуточной втулкой 12, на которой в свою очередь закреплен нижний корпус 13, имеющий отверстия 14 с прикрепленной к нему втулкой 8. На промежуточной втулке 12 посредством хомута 15 закреплена верхняя часть эластичной диафрагмы 16, нижняя часть которой прикреплена хомутом 15 посредством втулки 17 к трубе 2. В пространстве, ограниченном головкой 1, трубой 2, корпусом 7, промежуточной втулкой 12 и эластичной диафрагмой 16, находится теплоноситель 9, для заливки которого в головке 1 и промежуточной втулке 12 предусмотрены отверстия, закрывающиеся пробками 10. В местах контакта корпуса 7 с головкой 1 и промежуточной втулкой 12 установлены уплотнительные элементы 11.
Принцип работы такого скважинного нагревателя аналогичен вышеописанному предлагаемому за исключением того, что при погружении скважинного нагревателя в скважину, скважинная жидкость через отверстия 14 попадает внутрь нижнего корпуса 13 и оказывает давление на эластичную диафрагму 16, что вызывает уменьшение ее объема и соответствующее увеличение давления теплоносителя 9 до значения, приблизительно равного значению давления скважинной жидкости. Кроме того, при нагреве теплоноситель 9 расширяется и оказывает давление на эластичную диафрагму 16, что вызывает увеличение ее объема и позволяет снизить нагрузку на корпус 7.
Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение срока эксплуатации скважинного нагревателя, повышение его надежности и повышение безопасности эксплуатации скважины.
Известны способы стационарной тепловой обработки призабойной зоны пласта, заключающиеся в том, что в скважине в интервале пласта ниже насосного оборудования устанавливают стационарные нагревательные устройства и осуществляют прогрев пласта в процессе эксплуатации непрерывно или по заданному режиму [Справочная книга по добыче нефти. Под ред. Ш.К. Гиматудинова, М.: Недра, 1974 г.].
Наиболее близким к предлагаемому является способ нагрева углеводородсодержащего пласта нагревателем, заключающийся в том, что устанавливают нагреватель в пласт и подают ток в нагреватель таким образом, что нагреватель обеспечивает осуществляемый посредством электрического сопротивления нагрев, по меньшей мере, участка пласта [Патент RU 244113 8].
Недостатком данного способа является применение линейного нагрева, что отрицательно сказывается на КПД скважинного нагревателя и влечет возможность его перегрева.
Как известно, коэффициенты теплопередачи между металлической стенкой и жидкостью очень сильно зависят от состояния последней и наличия в ней газа, например:
Коэффициенты теплоотдачи
Вт/(м2*К)
Спокойная вода - металлическая стенка
450
Текущая вода - металлическая стенка
450+2100·<maths num="1"><math display="block"><mrow><msqrt><mi>v</mi></msqrt></mrow></math><img file="00000001.tif" he="6" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
м/сек
Кипящая вода - металлическая стенка
4500
Конденсирующийся водяной пар
10500
Воздух - гладкая поверхность
5,6+4*v
м/сек
*где v - скорость потока в м/с. (Справочник по физике, Х. Кухлинг, Москва, «МИР», 1983)
Как видно из приведенных данных, коэффициенты теплопередачи очень сильно различаются для различных состояний вещества, окружающего скважинный нагреватель.
Расчет теплопередачи стенка скважинного нагревателя - окружающая среда
P=σ·S·ΔT
ΔT=100°С
S=π·d·L - площадь теплопередачи
L=5 м - длина скважинного нагревателя
d=80 мм - диаметр скважинного нагревателя
σ - коэффициент теплоотдачи
Результаты расчета теплопередачи стенка скважинного нагревателя - окружающая среда
Площадь скважинного нагревателя, м2
1,256
Мощность, передаваемая при стоячей воде, Вт
56520
Мощность, передаваемая при скорости скважинной жидкости 1 м/с, Вт
320 280
Мощность, передаваемая кипящей водой, Вт
565 200
Мощность, передаваемая воздухом, Вт
703
Расчет температуры скважинного нагревателя для различных состояний скважинной жидкости
ΔT=P/(σ·S)
Результаты расчета температуры скважинного нагревателя для различных состояний скважинной жидкости
Начальная температура скважинной жидкости
20
°С
Мощность скважинного нагревателя
20
кВт
Температура скважинного нагревателя при стоячей воде
55
°С
Температура скважинного нагревателя при скорости скважинной жидкости 1 м/с
26
°С
Температура скважинного нагревателя при кипящей воде
24
°С
Температура скважинного нагревателя при воздухе в лифтовой колонне
612
°С
По результатам расчетов видно, что температура скважинного нагревателя изменяется в зависимости от состояния окружающей его среды. В соответствии с этим необходимо использование системы терморегулирования, которая позволит определять температуру скважинного нагревателя и изменять мощность, передаваемую на них, не давая подняться температуре выше значения, которое необходимого для разрушения теплоносителя.
Реализация способа приведена на фиг. 3 и фиг. 4 и производится следующим образом
На наземной площадке 18 рядом с пробуренной скважиной 19, имеющей обустройство обсадной колонной 20 со вскрытым продуктивным пластом 21, размещают мобильную наземную технику 22 с барабаном или бухтой 23 гибкой грузонесущей полимерной трубы 24, содержащей силовой провод 25, верхний конец которого подключен к системе терморегулирования 26, после чего к наконечнику гибкой грузонесущей полимерной трубы 24 присоединяют скважинный нагреватель 27, а к его токовводу 3 подключают нижний конец силового провода 25, к втулке 8 скважинного нагревателя 27 подключают оборудование 28, необходимое для подъема скважинного вещества 29, после чего производят спуск в скважину 19 гибкой грузонесущей полимерной трубы 24 со скважинным нагревателем 27, после размещения которого в зоне продуктивного пласта 21 осуществляют управляемый системой терморегулирования 26 нагрев скважинного нагревателя 27, тепло от которого передается не только зоне продуктивного пласта 21, но и скважинной жидкости, проходящей через трубу 2.
Техническим результатом заявляемого способа является увеличение нефтеотдачи скважины и повышение безопасности ее эксплуатации.