УСТАНОВКА ПРЯМОГО УПРАВЛЯЕМОГО НАГРЕВА НЕФТИ

Полезная модель относится к оборудованию нефтяных скважин, в частности, к установкам нагрева нефти и может быть использована для создания оптимального теплового режима в добывающих нефтяных скважинах для предотвращения асфальтно-смоло-парафиновых отложений в насосно-компрессорных трубах нефтяных скважин и нефтепроводах.
Уровень техники
Известно устройство для поддержания теплового режима скважины на уровне предупреждения в ней парафиногидратообразования, содержащее геофизический кабель с сердечником из семи многопроволочных токопроводящих жил, подушку под броню в виде обмотки из полиэтилентерефталатной ленты, броню из стальных круглых проволок, подключенный к трехфазному источнику питания (см. Малышев А.Г. и др. Применение греющих кабелей для предупреждения парафиногидратообразования в нефтяных скважинах. «Нефтяное хозяйство», 1990, №6, с. 58-60).
Недостатком данного устройства является низкий уровень выделяемой электрической мощности, недостаточной для предупреждения образования отложений парафина, особенно в случаях высокого содержания парафиновых фракций в нефти (более 10%).
Известно устройство для нагрева скважины, содержащее расположенный в насосно-компрессорной трубе первый нагревательный
элемент в виде кабеля, подключенного к источнику питания, при этом на конце кабеля выполнен неизолированный участок с токопроводящими грузами, обеспечивающими электрическое соединение одной или нескольких параллельно соединенных жил кабеля, через которые пропускается ток, с насосно-компрессорной трубой, являющееся вторым нагревательным элементом, при этом кабель подключен к положительному выводу источника питания, а насосно-компрессорная труба - к отрицательному.
В устройстве мощность второго нагревательного элемента составляет 0,5-0,05 от мощности первого нагревательного элемента.
В устройстве неизолированный участок кабеля имеет длину 2-10 м, а токопроводящие грузы выполнены в виде металлических шайб с наружным диаметром, равным 1,1-1,3 диаметра кабеля по изоляции, и толщиной 20-60 мм, расположенных на неизолированном участке на расстоянии 0,3-0,6 м друг от друга.
В устройстве кабель имеет переменное по длине сопротивление.
В устройстве кабель снабжен заделанными в него датчиками температуры и контрольными жилами для их подключения к измерительному устройству (см. пат. РФ №2171363, кл. Е 21 В 37/00, 36/04, опубл. 27.07.2001 г.)
Недостатком данного устройства является невысокая эффективность процесса нагрева скважины.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятая авторами за прототип является установка для депарафинизации нефтегазовых скважин, содержащая спускаемый в зону возможного парафинообразования нагревательный кабель и соединенную с ним систему управления его нагревом, при этом нагревательный кабель содержит по меньшей мере два нагревательных элемента, изолированных друг от друга, расположенных в изоляционной оболочке и подключенных одними своими концами к источнику питания, при этом другие концы нагревательных элементов соединены между собой и
изолированы, а отношение электрических сопротивлений нагревательных элементов выбрано в пределах 1-10, причем установка дополнительно сдержит, по меньшей мере, один датчик температуры, установленный на нагревательном кабеле, а система управления нагревом выполнена с возможностью ступенчатого регулирования температуры нагревательного кабеля с чередованием его нагрева до максимально заданной температуры и создания пауз для его охлаждения в пределах 30°С от этой температуры.
В установке по меньшей мере один нагревательный элемент выполнен многожильным.
В установке нагревательные элементы выполнены из одного и того же материала.
В установке нагревательные элементы выполнены из разных материалов, имеющих близкие по значению коэффициенты теплового расширения.
В установке нагревательный кабель дополнительно содержит изолированный и электрически нейтральный торс из стальных жил, при этом нагревательные элементы выполнены из медных жил.
В установке нагревательные элементы расположены симметрично относительно друг друга.
В установке нагревательные элементы расположены коаксиально.
В установке общее электрическое сопротивление нагревательных элементов составляет менее 15 Ом.
В установке при наличии более двух датчиков температуры один из них размещают в кабеле рядом с местом соединения нагревательных элементов.
Установка содержит натяжной ролик, размещенный на крепежном приспособлении, установленном на расстоянии от устья скважины, направляющий ролик и сальниковое уплотнение, размещенные на устьевом фланце, через которые пропускают нагревательный кабель при введении его в скважину.
В установке система управления нагревом нагревательного кабеля содержит микро ЭВМ с программным управлением режимом нагрева при ручном выборе временного и температурного диапазонов нагрева и паузы и реле перевода в автоматический режим нагрева в диапазоне установленного временного интервала (см. пат. РФ №2166615, кл. Е 21 В 37/00, 36/04, опубл. 10.05.2001 г.).
Недостатком данной установки является высокое потребление мощности и невысокая надежность.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели сводится к минимизации потребляемой мощности и повышению надежности.
Технический результат достигается с помощью установки прямого управляемого нагрева нефти, содержащей спускаемый в зону возможного парафинообразования нагревательный кабель, в котором установлены силовые проводники нагревательного элемента, последний установлен в нагревательном кабеле, проводники датчика температуры, датчик температуры, расположенный в нагревательном кабеле и броня, подключенная к защитному заземлению, при этом силовые проводники, проводники датчика температуры и броня имеют промежуточные электрические соединения, которые расположены в шкафе клеммном переходном и соединенную с ним систему управления его нагревом, состоящую из корпуса, внутри которого установлены автоматический выключатель с подключенной входной цепью питания силовой цепи, соединенный с блоком световой сигнализации, блок измерительных приборов и выходная панель с установленным на ней электротехническими выводами, блок управления с подключенной входной цепью питания, при этом система управления снабжена управляемым мостовым выпрямителем-
регулятором, при этом управляемый мостовой выпрямитель соединен с автоматическим выключателем, блоком измерительных приборов и выходной панелью, электротехнические выводы которой соединены с силовыми проводниками нагревательного кабеля, а блок управления соединен с электротехническими выводами выходной панели, к которым подключены проводники датчика температуры нагревательного кабеля и с входными цепями измерителя-регулятора, а выходные цепи последнего соединены с блоком управления, который соединен с управляемым мостовым выпрямителем, а с помощью измерителя-регулятора соединен с входной цепью питания.
Краткое описание чертежей
На фиг. дана установка прямого управляемого нагрева нефти.
Осуществление полезной модели
Установка прямого управляемого нагрева нефти содержит спускаемый в зону возможного парафинообразования нагревательный кабель 1, в котором установлены: силовые проводники 2 нагревательного элемента (на фигуре не показан), проводники 3 датчика температуры (на фигуре не показан), причем последний установлен внутри нагревательного кабеля 1 и броня 4, подключенная к защитному заземлению (на фигуре не пронумеровано), при этом нагревательный кабель 1 погружен нижним концом в насосно-компрессорную трубу 5 и закреплен на ней в сальниковом устройстве 6, насосно-компрессорная труба 5 установлена в обсадной колонне 7, причем между насосно-компрессорной трубой 5 и обсадной колонной 7 имеется затрубное пространство 8, являющееся проводником
тепла от насосно-компрессорной трубы 5 в грунт (на фигуре не пронумерован), а верхний конец нагревательного кабеля 1 заведен в шкаф 9 клеммный переходной и силовые проводники 2, проводники 3 датчика температуры и броня 4 имеют промежуточные электрические соединения 10, далее силовые проводники 2 и проводники 3 датчика температуры нагревательного кабеля 1 подключены к электротехническим выводам (на фигуре не показаны) выходной панели 11 системы управления, последняя содержит корпус 12, внутри которого установлены автоматический выключатель 13 с подключенной входной цепью питания силовой цепи (на фигуре не пронумеровано), соединенный с блоком 14 световой сигнализации и управляемым мостовым выпрямителем 15, последний соединен с блоком измерительных приборов 16 и выходной панелью 11 с установленными на ней электротехническими выводами (на фигуре не показаны), блок управления 17 подключен к электротехническим выводам выходной панели 11 к которым подключены проводники 3 датчика температуры нагревательного кабеля 1, входным цепям измерителя-регулятора 18, а так же соединен с управляемым мостовым выпрямителем 15, выходные цепи измерителя-регулятора 18 соединены с блоком управления 17, входная цепь питания цепей управления (на фигуре не пронумерована) соединена с блоком управления 17 и измерителем-регулятором 18.
Установка прямого управляемого нагрева нефти работает следующим образом.
Для минимизации потребляемой мощности распределение выделяемой силовыми проводниками 2 удельной мощности вдоль насосно-компрессорной трубы 5 обеспечивают в соответствии с формулой:
где: λ - расстояние (глубина) до элементарного участка нагревательного кабеля 1, м;
каб
N(λ) - удельная мощность, элементарного участка нагревательного кабеля 1 на глубине X, Вт/м;
- удельная мощность, потребляемая (отдаваемая) нефтью на элементарном участке насосно-компрессорной трубы 5, Вт/м;
- мощность потерь из элементарном участке насосно - компрессорной трубы 5 в затрубное пространство 8 и через стенки обсадную колонну 7 в грунт;
треб
Т(λ) - требуемая температура элементарного участка нагревательного кабеля 1 (выше, либо равна, точке плавления парафиногидрата),°К;
скв
Т(λ) - геодезическая температура элементарного участка скважины,°К;
1
D=D/(24·60·60) - производительность скважины, кг/с;
D - дебет скважины, кг/сутки;
С - теплоемкость жидкости в скважине, Дж/кг·°К;
α - коэффициент тепловых потерь насосно-компрессорной трубы 5 в затрубное пространство 8, Вт/м·°К.
В качестве грузонесущего элемента нагревательного кабеля 1 применена броня 4, представляющая собой два разнонаправленных повива стальных проволок (количества проволок в повивах - 12-36), расположенная снаружи нагревательного кабеля 1 и охватывающая все элементы его конструкции.
Броня 4 нагревательного кабеля 1 является одновременно защитным элементом нагревательного кабеля 1 от механических повреждений и заземлена (на фигуре не пронумеровано), чем обеспечивает требуемый уровень электробезопасности при эксплуатации.
Внешняя полимерная оболочка защищает броню 4 нагревательного кабеля 1 от негативных внешних воздействий.
Для минимизации выделяемой нагревательным кабелем 1 тепловой мощности электрическое сопротивление, по меньшей мере, одного из силовых проводников 2 по длине нагревательного кабеля 1 должно быть прямопропорционально удельной мощности элементарного участка нагревательного кабеля 1 на глубине λ.
Во внутренней части нагревательного кабеля 1 расположены датчики температуры (на фигуре не показан) и проводники 3 датчика температуры одним концом подключенные к датчику температуры, а другим к системе регулирования. Датчик температуры обеспечивает обратную связь в системе регулирования и необходим для управления процессом нагрева нефти, а так же предотвращения аварийных режимов работы установки нагрева нефти вследствие перегрева нагревательного кабеля 1.
Сальниковое устройство 6 обеспечивает крепление нагревательного кабеля 1 в насосно-компрессорной трубе 5, и герметичность последней.
Верхний конец нагревательного кабеля 1 заведен в шкаф 9 клеммный переходной. Силовые проводники 2, проводники 3 датчика температуры и броня 4 нагревательного кабеля 1 имеют промежуточное электрическое соединение 10 в шкафе 9 клеммном переходном и предотвращают попадание нефтяных газов через нагревательный кабель 1 в систему управления, что обеспечивает требуемый уровень пожаробезопасности установки нагрева нефти.
Далее силовые проводники 2 и проводники 3 датчика температуры нагревательного кабеля 1 подключают к клеммам (на фигуре не показаны) выходной панели 11.
Питание сети силовой цепи установки нагрева нефти осуществляют от трехфазной сети переменного тока напряжением 380-620 В частоты 50 Гц.
Напряжение питающей сети силовой цепи прикладывается к контактам автоматического выключателя 13, который дает возможность включения и выключения силовой цепи установки нагрева нефти, а так же обеспечивает отключение напряжения силовой цепи при возникновении аварийной ситуации.
С автоматического выключателя 13 напряжение поступает на блок световой сигнализации 14 и на управляемый мостовой выпрямитель 15. Индикаторы (на фигуре не показаны) блока световой сигнализации 14
отображают наличие напряжения соответствующих фаз питающей сети силовой цепи.
Управляемый мостовой выпрямитель 15 преобразует переменное напряжение питающей сети силовой цепи в постоянное напряжение прикладываемое к электротехническим выводам выходной панели 11 и далее к силовым проводникам 2 нагревательного кабеля 1, необходимое для создания рабочего тока в цепи силовых проводников 2. Управляемый мостовой выпрямитель 15 управляет величиной отдаваемой в нагревательный кабель 1 энергии, а следовательно и температурой нагреваемой нефти. Отсутствие механических контактов в управляемом мостовом выпрямителе 15 повышает его надежность и увеличивает срок эксплуатации установки нагрева нефти в целом.
Блок измерительных приборов 16 отображает величину напряжения на выходе управляемого мостового выпрямителя 15 и величину тока в цепи силовых проводников 2 нагревательного кабеля 1, что необходимо для визуального контроля и оценки рабочего режима нагревательного кабеля 1.
Электротехнические выводы выходной панели 11 надежно соединяют силовые проводники 2 с силовой цепью системы управления и проводники 3 датчика температуры с блоком управления 17.
Блок управления 17 формирует выходной токовый сигнал диапазона 0-20 мА в зависимости от сопротивления датчика температуры нагревательного кабеля 1.
Токовый сигнал блока управления 17 подается на измеритель-регулятор 18, который на основании полученных данных отображает текущую температуру нагревательного кабеля 1 в точке установки датчика температуры и в зависимости от заданных параметров регулирования, формирует сигнал управления. Полученный от измерителя-регулятора 18 сигнал управления преобразуется блоком управления 17 в импульсы управления для управляемого мостового выпрямителя 15.
Напряжение питающей сети цепей управления, подают на блок управления 17 и измеритель-регулятор 18.
Предлагаемая полезная модель по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
- установка потребляет минимальную мощность;
- имеет высокую надежность;
- высокую эффективность процесса нагрева скважины и уровень выделяемой электрической мощности, достаточной для предупреждения асфальтно-смоло-парафиновых отложений.