Способ ликвидации, предотвращения образования отложений и интенсификации добычи нефти в нефтегазодобывающих скважинах и устройство для его реализации
METHOD FOR ELIMINATION, PREVENTION OF SEDIMENTS FORMATION AND INTENSIFICATION OF OIL PRODUCTION IN OIL AND GAS WELLS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к оборудованию нефтегазодобывающих скважин, и может быть использовано для ликвидации парафиногидратных пробок и поддержания в скважинах оптимального теплового режима в целях предупреждения и ликвидации парафиногидратных и асфальтосмолистых отложений на внутренней поверхности насосно-компрессорной трубы (НКТ).
Известен способ теплового воздействия [RU, патент №2248442 от 10.09.2003], при котором с целью предупреждения образования асфальтосмолопарафиновых отложений в скважине на глубине образования отложений в скважину погружают нагревательную систему, состоящую из линейного нагревательного элемента в виде металлического проводника, питающей жилы и замыкателя тока между ними в головной части. Замыкатель представляет собой локальный нагреватель, при помощи которого осуществляют нагрев при погружении нагревательной системы в скважину, что позволяет проходить пробки, образованные отложениями. После погружения осуществляют преимущественно попутный нагрев путем замыкания цепи тока, образованной металлическим проводником и питающей жилой, для этого замыкающий элемент имеет падающую зависимость сопротивления от роста температуры. Устройство, реализующее способ, содержит нагревательную систему, состоящую из питающей жилы, выполненной из скрученных и изолированных проводников, линейного нагревательного элемента в виде голого металлического проводника и замыкателя, состоящего из корпуса, ферритового сердечника и обмотки. Особенностью замыкателя является то, что ферритовый сердечник при нагреве до точки Кюри теряет свои магнитные свойства и сопротивление замыкателя падает.
Недостатками данного способа и устройства для его реализации являются отсутствие контроля температуры в процессе работы индукционной системы и, как следствие, возможный перегрев замыкателя и жилы линейного нагревательного элемента, ее дальнейший электрический пробой и выход из строя нагревательной системы, т.е. снижение надежности работы нагревательной системы в целом.
Описанный выше недостаток устранен в прототипе [RU, патент № 2569102 от 20.11.2015]. В скважину погружают нагревательную систему, состоящую из линейного нагревательного элемента в виде металлического проводника, питающей жилы и замыкателя тока между ними в головной части. Замыкатель выполняют на ферромагнитном сердечнике, температура замыкающего элемента и окружающей его среды контролируется при помощи датчика температуры, части нагревательной системы, и регулируется системой управления в необходимом диапазоне при спуске нагревательной системы в скважину, затем, после полного погружения нагревательной системы в скважину, система управления нагревом вводит ферромагнитный сердечник в насыщение, и тепловыделение происходит преимущественно по длине линейного нагревательного элемента, поскольку замыкающий элемент имеет падающую зависимость сопротивления от насыщения его ферромагнитного сердечника. Устройство, реализующее способ, содержит нагревательную систему, состоящую из питающей жилы, выполненной из скрученных и изолированных проводников, линейного нагревательного элемента в виде голого металлического проводника и замыкателя, выполненного в виде обмотки из высокочастотного провода, намотанной на сердечник и помещенной внутрь металлической оболочки, сердечник торцевыми частями замкнут на эту оболочку, а в головной части нагревательной системы располагается датчик температуры, при помощи которого контролируется температура замыкателя при спуске нагревательной системы в скважину, в качестве сердечника используется ферромагнитный материал, вводимый в насыщение системой управления нагревом, когда нагревательная система полностью погружена в скважину. Причем в насыщение сердечник замыкателя вводится путем увеличения частоты пропускаемого через его обмотку тока.
Недостатком данного способа и устройства для его реализации является его принципиальная труднореализуемость, поскольку, во-первых, практически невозможно подобрать ферромагнитный материал, который будет насыщаться при увеличении частоты тока, пропускаемого по питающей жиле, во-вторых, при пропускании высокочастотного тока по жиле линейного нагревательного элемента создается сильная электромагнитная помеха, которая будет оказывать значительное влияние на измерительную часть, а именно на провода от датчика температуры, установленного в головной части нагревательной системы, на которых будет наводиться напряжение импульсной помехи, что обязательно приведет к сбою в показаниях температуры и к выходу из строя измерительной системы, т.е. снижается надежность нагревательной системы в целом.
Общим недостатком способов и устройств, содержащих такой элемент, как замыкатель, является необходимость постоянной настройки частоты, что сказывается на изменении мощности генератора в процессе работы нагревательной системы, а в худшем случае перегрузки ключевых элементов генератора, приводящих к выходу их из строя, так как имеет место рассогласование работы высокочастотного генератора и его нагрузки (линейного нагревательного элемента). Другим недостатком способов и устройств, содержащих замыкатель, является то, что замыкатель в силу своей конструкции имеет диаметр, близкий к внутреннему диаметру НКТ, поэтому опущенный в НКТ скважины линейный нагревательный элемент с замыкателем на конце будет препятствовать потоку скважинной жидкости при добыче, так как значительно снижается сечение НКТ, в которую помещен замыкатель, и, следовательно, оставлять такую нагревательную систему в НКТ на постоянную работу (то есть не операция разовой обработки скважины для удаления АСПО, а стационарный длительный режим работы нагревательной системы в скважине для повышения интенсификации добычи) не представляется возможным.  Таким образом, главные недостатки прототипа  – это низкая надежность работы нагревательной системы и невозможность работы нагревательной системы при длительной работе в скважине для повышения интенсификации добычи нефти.
Технической задачей изобретения является повышение надежности работы нагревательной системы и обеспечение возможности длительной работы нагревательной системы в скважине для повышения интенсификации добычи нефти. Поставленная задача решается способом ликвидации, предотвращения образования отложений и интенсификации добычи нефти в нефтегазодобывающих скважинах, при котором осуществляют нагрев на глубину образования отложений с помощью нагревательной системы, содержащей линейный нагревательный элемент в виде металлического проводника, погруженного в скважину, и погруженной в скважину питающей жилы, по которой пропускают электрический ток высокой частоты и воздействуют на металл линейного нагревательного элемента высокочастотным полем питающей жилы, создают индукционные высокочастотные токи в металлическом проводнике, при этом питающую жилу линейного нагревательного элемента электрически изолируют от металлического проводника как по всей длине линейного нагревательного элемента, так и в его головной части, причем длину линейного нагревательного элемента и частоту переменного тока, пропускаемого по питающей жиле выбирают из условия равенства периода переменного тока ¼, ½ или целой длине электромагнитной волны, распространяемой по линейному нагревательному элементу, и не изменяют частоту тока в процессе работы нагревательной системы, а с целью исключения перегрева металлического проводника и питающей жилы контролируют среднюю температуру линейного нагревательного элемента путем измерения его добротности, и в случае достижения добротности линейного нагревательного элемента величины, соответствующей максимально допустимой температуре, отключают высокочастотный ток через питающую жилу, а при достижении добротности, равной минимально возможной температуре в скважине, снова его включают. Кроме того, поставленная задача решается также способом, при котором питающую жилу линейного нагревательного элемента электрически замыкают накоротко на конец металлического проводника головной части, погруженной в скважину (без применения такого дополнительного элемента как замыкатель), и защищают короткозамкнутый контакт от механического воздействия при погружении головной части в скважину. Задача решается также устройством для ликвидации и предотвращения образования отложений и пробок в нефтегазодобывающих скважинах, содержащим нагревательный элемент, состоящий из ферромагнитного металлического проводника с сечением, выбранным достаточным для удержания веса погружаемого в скважину нагревательного элемента, и питающей жилы, выполненной из скрученных и изолированных проводников, при этом питающая жила, выполненная из медного эмаль-провода, скрученная по типу литцендрата и дополнительно покрытая полимерной или фторопластовой оболочкой, надежно изолирована от ферромагнитного металлического проводника, на всем его протяжении, особенно в его головной части, опускаемой в скважину, причем длина линейного нагревательного элемента и период переменного тока генератора, выход которого подключен к входу линейного нагревательного элемента, согласованы между собой и равны ¼, ½ или целой длине электромагнитной волны, распространяемой по линейному нагревательному элементу, и в процессе работы генератора частота генерируемого тока остается постоянной, а система управления индукционным нагревом, подключенная к входу генератора, включающая или отключающая по релейному закону генератор, нагруженный на линейный нагревательный элемент, работает таким образом, чтобы не допустить перегрев линейного нагревательного элемента,  путем контроля его добротности и вычисления по величине добротности средней температуры линейного нагревательного элемента, полностью погруженного в скважину, причем при достижении добротности линейного нагревательного элемента величины, соответствующей максимально допустимой температуре, система управления отключает высокочастотный генератор, на который нагружен линейный нагревательный элемент, тем самым прекращая ток через питающую жилу, а при достижении добротности, равной минимально возможной температуре в скважине, снова включает генератор в работу. Кроме того, поставленная задача решается устройством, в котором питающая жила в конце линейного нагревательного элемента напрямую электрически связана с металлическим проводником, погруженным в скважину, причем короткозамкнутое электрическое соединение защищено от механических повреждений цельнометаллическим колпачком, туго обжатым вокруг металлического проводника, так чтобы выполненный короткозамкнутый контакт не был  переменным, был максимально надежным и с низким переходным сопротивлением.
Установка для борьбы с АСПО (асфальтосмолопарафиновыми отложениями) (фиг. 1) содержит высокочастотный генератор 1, нагруженный на  грузонесущий кабель 2, систему управления нагревом 3 и лебедку с барабаном 4. Грузонесущий кабель 2 образует нагревательную систему. Нагревательная система погружается в насосно-компрессорную трубу 5, либо в межтрубное пространство, образованное насосно-компрессорной трубой 5 и обсадной колонной 6. Грузонесущий кабель (фиг. 2) состоит из внешней грузонесущей стальной брони 7 (обычно двойного повива), которая является линейным нагревательным элементом, питающей жилы 8, состоящей из скрученных по типу литцендрата медных эмалированных проводников 9 (изоляция между скрученными проводниками обеспечивается слоем эмали 10), в пространстве между скрученными проводниками и стальной броней – полимерный или фторопластовый наполнитель 11. Поскольку используется эмаль-провод, то диаметр грузонесущего кабеля значительно меньше по сравнению со стандартными грузонесущими геофизическими кабелями, в котором жилы изолированы полимерной или фторопластовой оболочкой (например, минимальный диаметр семижильного грузонесущего кабеля 10-12 мм, а предлагаемый семижильный кабель из эмаль-провода имеет диаметр  5,2 мм).  Погруженная в ствол скважины нагревательная система (фиг. 3) осуществляет распределенный нагрев по длине скважины.
Индукционная нагревательная система работает следующим образом. Грузонесущий кабель 2 (фиг.1) спускается в скважину в зону образования отложений. При этом при его спуске легко преодолеваются забитые отложениями участки 13 (фиг.3) в НКТ, поскольку, во-первых, грузонесущий кабель имеет малый диаметр, что снижает сопротивление, оказываемое скважинной жидкостью, во-вторых, кабель под собственным весом (как игла) легко пронизывает забитые отложениями участки 13, в третьих, согласование длины кабеля и периода высокочастотного тока, пропускаемого по жиле кабеля, равного ¼, ½ или целой длины электромагнитной волны, распространяемой по линейному нагревательному элементу, приводит к тому, что броня кабеля (металлический проводник) в головной части, опускаемой в скважину нагревательного элемента, нагревается до температуры, достаточной для проплавления отверстия небольшого диаметра в пробке для дальнейшего спуска кабеля. После погружения кабеля на необходимую длину, он работает и греется в обычном режиме, что приводит к полной ликвидации парафиногидратных пробок и способствует поддержанию в скважинах оптимального теплового режима в целях предупреждения и ликвидации парафиногидратных и асфальтосмолистых отложений на внутренней поверхности НКТ и интенсификации добычи нефти (при этом частоту тока не изменяют на всем протяжении работы нагревательной системы, так как нагрузка генератора является согласованной и настроенной на максимальную энергоэффективность, путем правильного выбора длины кабеля и периода высокочастотного тока, пропускаемого по жиле кабеля).
Особую роль для осуществления способа играет  распределение нагрева по длине линейного нагревательного элемента (кабеля внутри скважины). Уникальность способа заключается в возможности перемещения зон интенсивного нагрева по длине линейного нагревательного элемента. Длина линейного нагревательного элемента и частота переменного тока, пропускаемого по питающей жиле от генератора 1, выбрана из условия равенства периода переменного тока ¼, ½ или целой длине электромагнитной волны, распространяемой по линейному нагревательному элементу.  Данное условие необходимо соблюдать для согласования генератора и его нагрузки, поскольку линейный нагревательный элемент (обычно имеет длину 1000 – 1500 м, то есть расстояние, равное диапазону возможного отложения АСПО в скважинах) для высокой частоты тока генератора представляет собой длинную линию. Следовательно, для получения стоячей электромагнитной волны в длинной линии, как наиболее энергоэффективной с точки зрения нагрева индукционной системы (потери в длинной линии в данном случае является рабочим режимом нагревательной системы) требуется указанное согласование [Изюмов Н.М., Линде Д.П. Основы радиотехники. - М.: Радио и связь, 1983 г.]. При разомкнутой длинной линии (в конце головной части линейного нагревательного элемента электрически изолированы жила и металлический проводник, то есть обеспечен режим холостого хода длинной линии), будет иметь место максимальное напряжение, минимальный ток на конце и в начале длинной линии (кабеля), что обеспечивает максимальную температуру нагрева в середине первой половины и середины второй половины линейного нагревательного элемента  и минимальную температуру в начале, что является наиболее энергоэффективным при ликвидации, предотвращения образования АСПО в скважине и интенсификации добычи нефти (это обычно диапазон 150-250 и 500-700 м от устья скважины), и при этом поскольку в начале  линейный нагревательный элемент (кабель) греется меньше, то он не будет перегреваться, если его небольшая часть осталась на барабане 4 (фиг.1).  При необходимости изменения длины кабеля или изменения промежутка максимального нагрева по длине кабеля изменяют условие равенства периода переменного тока ¼, ½ или целой длине электромагнитной волны, распространяемой по линейному нагревательному элементу. В случае короткозамкнутого конца головной части линейного нагревательного элемента (без применения дополнительного элемента как замыкатель, препятствующего прохождению скважинной жидкости при стационарной работе нагревательной системы) также необходимо соблюдать указанное условие согласования генератора и его нагрузки (режим к.з. для длинной линии). Отличие будет только в выборе другого значения равенства периода переменного тока и длины электромагнитной волны, распространяемой по линейному нагревательному элементу для того, чтобы имела место максимальная энергоэффективность нагревательной системы. Изолированная на конце грузонесущего кабеля (в головной части линейного нагревательного элемента) жила (режим х.х. длинной линии), по которой пропускают высокочастотный ток от генератора 1, как и короткозамкнутое электрическое соединение (режим к.з. длинной линии), защищены от механических повреждений цельнометаллическим колпачком 12 (фиг.3), туго обжатым вокруг металлического проводника (брони грузонесущего кабеля), так, чтобы выполненное изолированное исполнение жилы выдержало высокое напряжение на конце жилы, а выполненный короткозамкнутый контакт не был  переменным, был максимально надежным и с низким переходным сопротивлением.
Наибольший эффект при реализации предлагаемого способа, при котором достигается высокая надежность работы нагревательной системы, получают тем, что контролируют среднюю температуру линейного нагревательного элемента, путем измерения его добротности на заданной частоте работы генератора. Как известно [RU, авторское свидетельство №746465 от 07.07.1980], величина эквивалентных активного и индуктивного сопротивлений индуктора (в нашем случае индуктор – это жила линейного нагревательного элемента индукционной нагревательной системы) определяют температуру тела (нагреваемого объекта, то есть металлического проводника) и, соответственно, измеряя добротность (отношение эквивалентного индуктивного сопротивления к  эквивалентному активному), можно косвенно рассчитать температуру жилы и металлического проводника линейного нагревательного элемента и управлять процессом нагрева, чтобы не допустить перегрева жилы линейного нагревательного элемента и, соответственно, повысить надежность работы нагревательной системы в целом. Система управления нагревом 3 (фиг.1) включает или отключает по релейному закону высокочастотный генератор 1, нагруженный на линейный нагревательный элемент (грузонесущий кабель 2), таким образом, что при достижении на заданной частоте генератора 1 добротности линейного нагревательного элемента (добротность вычисляется по алгоритму, заложенному в систему управления 3) величины, соответствующей максимально допустимой температуре нагревательной системы в скважине, система управления 3 отключает высокочастотный генератор 1, на который нагружен линейный нагревательный элемент, тем самым прекращая ток через питающую жилу, а при достижении добротности, равной минимально возможной температуре в скважине, снова включает генератор 1 в работу.
Предлагаемая нагревательная система имеет более широкие функциональные возможности с точки зрения ее применимости для повышения интенсификации добычи нефти в нефтегазодобывающих скважинах, поскольку может постоянно (стационарно в период эксплуатации нефтегазодобывающих скважин от одного капитального ремонта до другого) работать в НКТ, не препятствуя потоку скважинной жидкости, и имеет более высокую надежность, которая определяется простотой и высокой надежностью работы системы управления и измерения средней температуры жилы нагревательного элемента, и, соответственно, исключению ее перегрева, и высокой надежностью работы высокочастотного генератора, поскольку он работает на согласованную с ним нагрузку, что обеспечивает благоприятный режим работы ключевых элементов генератора.