ВНУТРИСКВАЖИННЫЙ КОЛЬЦЕВОЙ НАГРЕВАТЕЛЬ
WELL RING HEATER

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.
2
3
2
3
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 EuO, композиция EuO+ Mo, изотопы европия-151, европия-153.
2
3
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 EuO 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;
2
3
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 EuO активностью 14300 Ки (65 Ки/г) -  фиг.4.