ГЕНЕРАЦИЯ ПАРА
VAPOUR GENERATION

Данное изобретение относится к генерации пара, более конкретно к устройству и способу генерации пара.
Генерация пара используется во многих областях промышленности, в частности, при добыче углеводородов. Например, при добыче вязкой нефти, тяжелой или нет, может потребоваться разжижение нефти (то есть снижение вязкости нефти) перед извлечением. Подобное разжижение еще более полезно для тяжелой нефти, содержащейся в песках, например в асфальтовых песках (встречающихся, в частности, в Канаде и Венесуэле). Однако снижение вязкости нефти получают, как правило, путем использования тепловой энергии. Для этого широко используется впрыскивание в пласт пара.
В настоящее время используют различные методы закачивания пара (например, стимуляция циклическим закачиванием пара (CCS), вытеснение паром, парогравитационный дренаж (SAGD)). Генерацию пара обычно осуществляют на поверхности с использованием специальных установок или различного типа парогенераторов. После этого пар передают в пласт по трубе, частично расположенной на поверхности. Таким образом, данным парогенераторам необходима определенная зона обслуживания, что осложняет размещение производственного оборудования. К примеру, бывает трудно установить дополнительные парогенераторы на небольших морских буровых платформах. Кроме того, поверхностная генерация пара влечет потери тепла в частях трубы, расположенных на поверхности и в скважине. Потери тепла в скважине приводят к нагреву участка, примыкающего к скважине, а не только пласта (который обычно находится в нижней части скважины). Данные тепловые потери представляют собой особенную проблему, если скважина проходит в вечной мерзлоте. Тепловые потери ухудшают качество пара. Обычно тепловые потери заставляют уменьшать глубину скважин. Поверхностные парогенераторы обычно работают на ископаемых видах топлива (газ, рециркуляционная часть добываемой нефти). Упомянутые выше тепловые потери снижают КПД установки впрыска пара.
В документе WO 1988/000276 A1 раскрыт тепловой генератор для нефтяных скважин, содержащий удлиненную камеру, в которой расположена пара неконцентрических электродов, по меньшей мере частично погруженных в воду. Во время работы на электроды подают электроэнергию, и они нагревают воду. Впрочем, генератор, раскрытый в данном документе, в свете упоминаемых выше недостатков не является вполне удовлетворительным.
Кроме того, в некоторых документах, например в EP 0387125 и GB 427838, предлагается нагрев жидкости, протекающей через трубу, образующую вторичную цепь электрического трансформатора. В данных трансформаторах используется замкнутый ферромагнитный сердечник. Например, первичная цепь (снабжаемая электроэнергией) намотана вокруг первой ветки, а вторичная цепь (образуемая трубой) намотана вокруг ветки, параллельной первой ветке. В результате два из трех габаритных размеров (высота, ширина и длина) устройств, описываемых в данных документах, оказываются слишком велики, чтобы, при определенном расходе генерируемого пара, устройства можно было ввести в скважину. Поэтому они не являются оптимальными для использования в нефтяных скважинах.
Задачей данного изобретения является создание усовершенствованных устройства и способа генерации пара, по меньшей мере частично лишенных упомянутых выше недостатков.
Для этого данное изобретение относится к устройству генерации пара. Устройство содержит трубу для циркуляции текучей среды, содержащую электропроводный и теплопроводный материал, и по меньшей мере один индуктивный кабель, изготовленный из электропроводного материала и намотанный вокруг трубы.
Данное изобретение также относится к способу генерации пара посредством устройства генерации пара. Способ содержит циркуляцию воды в трубе и, одновременно, подачу электроэнергии в индуктивный кабель.
Данное изобретение также относится к способу добычи углеводородов, содержащему генерацию пара согласно способу генерации пара.
Данное изобретение также относится к оборудованию для добычи углеводородов, содержащему устройство генерации пара.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления изобретение содержит один или большее количество следующих признаков:
- труба имеет по меньшей мере один выступ на внутренней стенке;
- труба является цилиндрической;
- выступ представляет собой трапецию, расположенную по спирали вдоль трубы;
- трапеция является непрерывной или прерывистой;
- устройство также содержит оболочку, изготовленную из ферромагнитного материала, расположенного вокруг индуктивного кабеля;
- индуктивный кабель образует соленоид;
- индуктивный кабель является полым;
- труба имеет диаметр меньше 20 см, предпочтительно меньше 15 см;
- труба имеет длину меньше 30 м, предпочтительно меньше 20 м, и/или больше 5 м, предпочтительно больше 10 м;
- устройство также содержит источник электроэнергии, подаваемой в кабель;
- источник электроэнергии подает ток силой больше 500 A, предпочтительно больше 900 A;
- устройство содержит несколько труб для циркуляции воды, подсоединенных друг к другу.
Другие признаки и преимущества изобретения очевидны из нижеследующего описания одного предпочтительного варианта осуществления изобретения, предлагаемого в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 проиллюстрирован пример способа генерации пара;
на фиг.2 и 3 показан пример устройства генерации пара;
на фиг.4 изображен пример приемника;
на фиг.5 показан пример силовых линий магнитного поля в устройстве генерации пара.
Предлагается устройство генерации пара. Устройство содержит трубу для циркуляции текучей среды, содержащую электропроводный и теплопроводный материал, и по меньшей мере один индуктивный кабель, изготовленный из электропроводного материала и намотанный вокруг трубы. Такое устройство способствует улучшению генерации пара.
2
2
2
2
Труба для циркуляции воды позволяет воде циркулировать в направлении от впускного отверстия трубы к выпускному отверстию трубы. Труба содержит электропроводный материал, например сталь. Она может быть полностью либо частично изготовлена из упомянутого электропроводного (то есть способного проводить электричество) и теплопроводного (то есть способного эффективно проводить тепло) материала. Индуктивный кабель изготовлен из электропроводного материала и, таким образом, представляет собой электрический кабель, изготовленный, например, из меди. Индуктивный кабель может быть любой формы. Например, индуктивный кабель может иметь квадратное сечение. Сечение кабеля может быть больше 9 мм, предпочтительно больше 36 мм, и/или меньше 144 мм, предпочтительно меньше 64 мм.
Поскольку индуктивный кабель намотан, у него есть витки. Соответственно, индуктивный кабель может индуцировать сильное магнитное поле внутри упомянутых витков, при условии, что в индуктивный кабель подают электроэнергию. Электропроводный материал трубы позволяет генерировать токи Фуко при воздействии на него данного магнитного поля. Таким образом, под действием данного магнитного поля токи Фуко нагревают трубу за счет теплового эффекта Джоуля и передают тепловую энергию текучей среде, которая может присутствовать в трубе, так, чтобы было возможно образование пара. Индуктивный кабель намотан вокруг трубы и, таким образом, обеспечивает возможность возникновения магнитного поля в том месте, где индуктивный кабель намотан вокруг трубы. Одним из преимуществ такой расположения также является полезная для нагревания длина трубы. Фактически, нагрев происходит по всей длине намотки индуктивного кабеля вокруг трубы, причем он происходит постепенно по мере того, как в трубе циркулирует текучая среда. Такое устройство обеспечивает высокий КПД (выход) и, соответственно, высококачественное испарение воды (если текучая среда представляет собой воду). Качество пара представляет собой соотношение между количеством воды в виде насыщенного пара и общим количеством воды (то есть жидкость плюс насыщенный пар). Кроме того, вытянутая форма устройства делает его особенно подходящим для применения в нефтяных скважинах. Действительно, устройство легко вводится в скважину. Такое устройство позволяет также получать прямолинейный поток, а также более эффективно поддерживать входное давление.
Индуктивный кабель может образовывать соленоид. В частности, индуктивный кабель может образовывать катушку, длина которой по меньшей мере в два раза больше диаметра катушки. Это позволяет создавать мощное магнитное поле возле трубы и, соответственно, обеспечивать высокий показатель теплового эффекта Джоуля. Предпочтительно, индуктивный кабель намотан вокруг трубы на участке, длина которого больше чем в 50 раз превышает диаметр трубы, предпочтительно больше чем в 200 раз превышает диаметр трубы, что обеспечивает нагрев большого участка трубы по ее длине.
Устройство может содержать оболочку, изготовленную из ферромагнитного материала и расположенную вокруг индуктивного кабеля. Оболочка направляет магнитное поле для оптимизации нагрева. Кроме того, если устройство введено в обсадную колонну (то есть в металлическую трубу, прикрепленную с помощью цемента к стенке скважины), оболочка защищает обсадную колонну от магнитного потока. Ферромагнитный материал оболочки может представлять собой мягкое железо или любой другой материал, имеющий характеристики мягкого ферромагнитного материала.
Труба может иметь по меньшей мере один выступ на внутренней стенке. Здесь и далее термин «приемник» означает выступ или все выступы, при наличии. Приемник может представлять собой часть трубы, выступающую вовнутрь трубы. Приемник увеличивает внутреннюю поверхность трубы и создает «горячие точки» (температура которых может превышать 300°C и составлять, например, от 350 до 400°C). Соответственно, приемник улучшает нагрев текучей среды в трубе. Кроме того, приемник создает турбулентность во время циркуляции данной текучей среды. Турбулентность формирует токи, гомогенизирующие текучую среду и, таким образом, распределяющие тепло для улучшения качества нагрева. Приемник также вызывает потери давления (то есть локальные потери давления), благоприятствующие генерации пара.
Приемники могут быть различной формы. Для улучшения нагрева приемник может образовывать трапецию, расположенную по спирали вдоль трубы, которая может быть цилиндрической. Трапеция может быть непрерывной или прерывистой. Если трапеция является прерывистой, приемник содержит несколько выступов, расположенных на воображаемой спиральной линии внутри трубы.
Индуктивный кабель может быть полым. В данном случае кабель содержит свободный проход в его центре. Этот проход позволяет охлаждающей жидкости, например воде, циркулировать внутри индуктивного кабеля, что дает возможность избежать повреждений индуктивного кабеля. Охлаждение индуктивного кабеля может также служить для предварительного нагрева испаряемой воды. Например, проход в индуктивном кабеле может быть соединен с трубой выше по потоку трубы. В результате, независимо от способа генерации пара, использующего устройство, вода может циркулировать в индуктивном кабеле перед поступлением, уже в предварительно нагретом виде, в трубу, где воде будет легче испаряться.
Труба может иметь (наружный) диаметр меньше 20 см, предпочтительно меньше 15 см. Обсадные колонны скважины имеют диаметр приблизительно 30 см. Внутренний диаметр трубы может быть меньше 16 см, предпочтительно меньше 10 см. Таким образом, размеры трубы позволяют обеспечить пространство для намотки индуктивного кабеля вокруг трубы. Соответственно, устройство хорошо подходит для обычно используемых диаметров стволов скважин, то есть 23-25 см.
Труба может иметь длину меньше 13 м, предпочтительно меньше 10 м, и/или больше 5 м, предпочтительно 8 м, предпочтительно равную или по меньшей мере приблизительно равную 9 м. Данные размеры представляют собой хороший компромисс между простотой монтажа и используемой полезной длиной. В сущности, чем длиннее труба, тем больший нагрев можно обеспечить на длинном участке трубы. Длину участков, однако, ограничивают для лучшей адаптации к стандартным буровым установкам (то есть буровому оборудованию).
Кроме того, устройство может содержать источник электроэнергии, подаваемой в индуктивный кабель. Источник электроэнергии может быть расположен на поверхности и передавать электроэнергию в обмотку индуктивного кабеля/кабелей вокруг трубы/труб (в скважине в пласте) посредством одного или большего количества передающих кабелей. Такой парогенератор может работать без ископаемых видов энергии. Он не может генерировать газов, вызывающих парниковый эффект, во всяком случае, в избыточно сконцентрированных количествах. Поэтому такой парогенератор экологически безопаснее и имеет высокий КПД, поскольку электроэнергию легко передавать на низких частотах с меньшими потерями при передаче. Такое устройство способствует увеличению выхода пара, поскольку отсутствуют тепловые потери. Фактически, пар генерируется непосредственно в скважине, ближе к пласту, чем к устью скважины, и с поверхности не переносится.
Электроэнергия, подаваемая в кабель, может представлять собой электрический ток силой больше 500 A, предпочтительно больше 900 A. Для снижения потерь при такой силе тока устройство предпочтительно содержит несколько передающих кабелей. В таком случае, источник электроэнергии адаптирован для обеспечения соответствующего напряжения. Диапазон допустимых напряжений может составлять от 5 до 10 кВ.
Труба может также представлять собой частично замкнутое пространство, на давление внутри которого давление пласта влияет мало. Это позволяет управлять давлением, которому подвергается текучая среда при нагреве. Таким образом, возможно легко определять характеристики генерируемого пара (если текучая среда является водой) и эффективно регулировать генерацию пара в течение продолжительного периода времени. Размеры изобретения являются функцией характеристик пласта, в частности давление пара, подаваемого системой согласно изобретению, выше давления пласта, который предстоит разрабатывать.
Устройство может содержать несколько труб для циркуляции воды, подсоединенных друг к другу. Трубы могут быть подсоединены друг к другу с возможностью передачи текучей среды посредством механических соединений для последующей циркуляции воды внутри всех труб. Кабели, намотанные вокруг труб, соединены посредством электрических соединений. Возможно, например, подсоединить друг к другу три трубы.
Устройство может содержаться в оборудовании для добычи углеводородов. Устройство, в частности, может быть расположено в скважине так, чтобы генерация пара осуществлялась непосредственно у пласта. Это делает оборудование компактным и позволяет выполнять разработку любых месторождений высоковязких углеводородов, что обусловлено качеством генерируемого пара, возможностью управления характеристиками генерируемого пара и компактностью оборудования, что, в частности, дает возможность использовать данное оборудование на морских буровых платформах.
Оборудование для добычи может содержать буровую установку. В таком случае, расположение устройства может содержать:
- позиционирование трубы, с намотанным по меньшей мере одним электрическим кабелем, в буровой установке;
- опускание трубы в скважину, при этом к верхней части трубы остается доступ со стороны буровой установки;
- позиционирование новой трубы в буровой установке;
- соединение новой трубы, с намотанным по меньшей мере одним электрическим кабелем, с предыдущей трубой, содержащее соединение кабеля новой трубы с кабелем предыдущей трубы;
причем перечисленные выше этапы повторяют до тех пор, пока друг к другу не будут подсоединены, например, три трубы.
Как показано на фиг.1, устройство может использоваться в способе генерации пара, содержащем циркуляцию (S1) воды в трубе и, одновременно, подачу (S2) электроэнергии в кабель. Электроэнергия кабеля индуцирует магнитное поле, нагрев электропроводного материала трубы и нагрев воды, циркулирующей в трубе, до температуры испарения, одновременно с подачей электроэнергии. Такое устройство, соответственно, обеспечивает испарение воды с высоким КПД и высоким качеством пара.
Как говорилось выше, вода может быть нагрета предварительно. Для этого способ может содержать предварительную циркуляцию воды в кабеле для его охлаждения.
Данный способ может содержаться в способе добычи углеводородов. Генерация пара может быть осуществлена непосредственно у пласта, и, следовательно, он может быть впрыснут напрямую в пласт без тепловых потерь. Это упрощает извлечение углеводородов, что особенно важно в случае добычи вязкой или тяжелой нефти.
Согласно данному способу пар можно генерировать в количестве 100-300 тонн в сутки, предпочтительно 200 тонн в сутки. Способ добычи углеводородов может быть осуществлен путем циклического закачивания пара в пласт (H&P, Huff & Puff) или путем вытеснения паром, то есть непрерывного промывания пласта паром (Steam Drive). Одно и то же устройство может обеспечить впрыск пара в обоих указанных выше режимах. Таким образом, устройство является универсальным.
Далее примеры осуществления устройства описаны со ссылками на фиг.2-5. На фиг.2 показан один пример устройства 10 генерации пара в продольном разрезе. На фиг.2 устройство 10 показано вместе с трубой 12 для циркуляции текучей среды, содержащей электропроводный и теплопроводный материал, а также индуктивным кабелем 14, изготовленным из электропроводного материала и намотанным вокруг трубы 12. На фиг.3 изображена секция устройства 10, показанного на фиг.2, перпендикулярная продольной центральной оси 22 устройства 10 и содержащая часть 29 трубы 12, вокруг которой намотан индуктивный кабель 14.
Как показано на чертежах, жидкая вода 16 может проникать в трубу 12, циркулировать в ней и выходить из нее в виде пара (содержание жидкости в нем является функцией достигнутого качества). В кабель 14 подают электрическое напряжение от источника 19 электроэнергии, и кабель нагревает трубу 12 посредством магнитного поля, индуцируемого по всей длине обмотки. В данном примере устройство 10 содержит передающие кабели 24, по которым электроэнергия поступает в кабель 14, и приемник 20, расположенный на внутренней стенке трубы 12 (выступы, направленные вовнутрь трубы 12, то есть к оси 22). Таким образом, достигается высокий тепловой КПД. В результате происходит испарение воды 16. Как показано на чертежах, устройство 10 является компактным и имеет вытянутую форму. Длина устройства 10 по меньшей мере в два раза превышает его ширину. Соответственно, устройство 10, не имеющее большого объема, подходит для ввода в скважину.
Кроме того, устройство может содержать несколько труб (три трубы), подсоединенных друг к другу посредством соединений и образующих трубу с общей длиной 29 м (например, 27 м), вокруг которой намотан кабель 14, причем длина каждой из труб 12, вокруг которой намотан кабель 14, составляет 9 м. Также показано устройство 10, установленное внутри скважины. Как, в частности, показано на чертежах, обсадная колонна 23 скважины окружена цементом 13. Возле кабеля 14 геологический грунт содержит углеводороды и, таким образом, образует пласт 25. Таким образом, расположение труб 12, вокруг которых намотан кабель 14, в пласте позволяет избежать тепловых потерь. Благодаря этому не происходит бесполезного нагрева части 26 подстилающего слоя грунта, ближайшего к поверхности 15 и не содержащего углеводородов. На чертежах также показана оболочка 27, защищающая обсадную колонну 23 от слишком высоких температур.
На фиг.4 показан приемник 50 в виде расположенной по спирали трапеции в трубе 12, которая может быть использована в устройстве 10, показанном на фиг.2 и 3. В поперечном разрезе трубы 12, показанном на фиг.4, находящийся в плоскости разреза приемник 50 имеет вид выступов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Приемник 50 может быть изготовлен из электропроводного и теплопроводного материала, что позволит увеличить поверхность теплообмена с текучей средой, как это показано на чертеже.
На фиг.5 схематически показан пример графического представления силовых линий 40 магнитного поля в одном из вариантов осуществления устройства 10 генерации пара. Силовые линии 40 магнитного поля получены посредством программного обеспечения, разработанного для расчетов методом конечных элементов. Устройство частично показано в продольном разрезе. Показана только половина устройства. Показанное в данном примере устройство соответствует фиг.2 и 3 и, в частности, содержит оболочку 27 вокруг кабеля 14. Как показано на чертеже, оболочка 27 позволяет сосредоточить магнитное поле на трубе 12 и защитить обсадную колонну 23, в некоторой степени также подверженную воздействию магнитного поля. Устройство 10 позволяет добиться хорошего эффекта Джоуля для нагрева трубы 12 с меньшим ущербом для обсадной колонны 23.
Очевидно, что данное изобретение никоим образом не ограничено описанными и проиллюстрированными примерами осуществления изобретения и может содержать любые альтернативные варианты, известные специалисту в области техники.