СИСТЕМА ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЗАМЕРЗАНИЯ УСТЬЯ НАГНЕТАТЕЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ

Предложение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности, к системе закачки жидкости (воды) в пласт с целью вытеснения нефти и поддержания пластового давления.
Известна система предотвращения замерзания устья нагнетательной скважины для осуществления способа предотвращения замерзания устья нагнетательной скважины (см. патент РФ №2152509, Е21В 36/00. опубл. в бюл. №19 от 10.07.2000 г.), включающая теплоизоляционное покрытие с водоотталкивающей оболочкой устьевой арматуры, направления и кондуктора нагнетательной скважины, надземной части подводящего водовода и его участка до глубины сезонного промерзания грунта и для нагрева воды в надземной части водовода и устьевой арматуре за счет конвективного переноса тепла грунта.
Недостатком известной системы является отсутствие дополнительного источника тепла, позволяющего гарантированно поддерживать температуру воды в надземном водоводе и устьевой арматуре нагнетательной скважины выше температуры замерзания при остановке закачки воды в случае аномально морозной зимы.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемой является система предотвращения замерзания устья нагнетательной скважины, описанная в способе предотвращения замерзания устья водонагнетательной скважины (см. патент РФ №2213846, Е21В 36/04. опубл. в бюл. №28 от 10.10.2003 г.), включающая обвязку устьевой арматуры нагнетательной скважины в виде замкнутого контура, теплоизоляционное покрытие устьевой арматуры, направления и кондуктора нагнетательной скважины, надземной части подводящего водовода и его участок до глубины сезонного промерзания грунта для обеспечения конвективного переноса тепла грунта. Кроме того, система снабжена электронагревательными элементами для дополнительного нагрева.
Недостатком данной системы является то, что реконструкция обвязки устьевой арматуры нагнетательной скважины в замкнутый контур снижает надежность конструкции в целом за счет введения дополнительных трубопроводов и запорной арматуры, работающих под высоким давлением и повышает ее металлоемкость. При этом в замкнутом контуре может быть нарушена непрерывность (сплошность) потока воды из-за скопления воздушных пробок, снижения уровня воды в насосно-компрессорных трубах или водоводе, что приводит к прекращению циркуляции воды в замкнутом контуре и переноса ею тепла грунта. Для работы же электронагревательных элементов требуется дорогостоящая прокладка электрокабеля к нагнетательным скважинам, на которых электроснабжение обычно отсутствует.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является поддержание устьевой арматуры нагнетательной скважины и надземного участка водовода в работоспособном состоянии в условиях отрицательных температур при плановых и аварийных остановках закачки воды, а также при снижении приемистости скважины или режима закачки воды.
Техническая задача решается предлагаемой системой предотвращения замерзания устья нагнетательной скважины, включающей теплоизолированные на глубину сезонного промерзания грунта кондуктор, направление скважины и надземный участок водовода, а также источник тепла, одно плечо которого расположено в грунте ниже глубины сезонного промерзания грунта.
Новым является то, что источник тепла выполнен в виде теплоизолированной тепловой трубы с испарителем на одном плече, расположенном в грунте, и конденсатором - на другом, взаимодействующим с надземным участком водовода внутри теплоизоляции, причем конденсатор располагают под углом относительно горизонта, поднимающимся от тепловой трубы.
На фиг.1 представлена технологическая схема системы предотвращения замерзания устья нагнетательной скважины для варианта исполнения надземной части водовода восходящим в направлении устьевой арматуры нагнетательной скважины, на фиг.2 - для варианта нисходящего исполнения надземной части водовода нисходящим в направлении устьевой арматуры нагнетательной скважины.
Система предотвращения замерзания устья нагнетательной скважины содержит водовод 1 (фиг.1 и 2), соединенный надземным участком 2 с устьевой арматурой 3 нагнетательной скважины, имеющей в составе своей конструкции направление и кондуктор 4, при этом устьевая арматура 3 нагнетательной скважины, направление и кондуктор 4, надземный участок 2 и водовод 1 на участке до глубины сезонного промерзания грунта оснащены теплоизоляционным покрытием 5 (с водоотталкивающей оболочкой). Кроме того, надземный участок 2 водовода 1 оснащен в качестве нагревателя тепловой трубой 6 с испарителем 7 и конденсатором 8, при этом испаритель 7 расположен в грунте ниже глубины сезонного промерзания, конденсатор 8 прикреплен к надземной части 2 водовода 1 по нижней образующей под теплоизоляционным покрытием 5 и выполнен восходящим относительно горизонта от тепловой трубы 6, а тепловая труба 6 на участке между глубиной сезонного промерзания грунта и теплоизоляционным покрытием 5 надземной части 2 водовода 1 оснащена защитным и теплоизоляционным кожухом 9. В качестве тепловой трубы 6 может быть использована, например, конструкция со свободным каналом, в котором происходит конвективный перенос тепла, либо конструкция с капиллярным наполнителем (фитилем, спеченным или пористыми материалом).
Схема работает следующим образом.
От источника водоснабжения (на фиг.1 и 2 условно не показан) вода закачивается по водоводу 1 с надземным участком 2 и устьевую арматуру 3 в нагнетательную скважину, имеющую в составе своей конструкции направление и кондуктор 4. Устьевая арматура 3 нагнетательной скважины, направление и кондуктор 4, надземный участок 2 и водовод 1 на участке до глубины сезонного промерзания грунта оснащены теплоизоляционным покрытием 5 с водоотталкивающей оболочкой (например, пенополиэтилен и т.п.), при этом источником тепла является закачиваемая в нагнетательную скважину вода.
При остановке закачки в нагнетательную скважину в зимнее время года, особенно при сильно отрицательных температурах воздуха, прекращается поступление тепла в надземный участок 2 водовода 1 и устьевую арматуру 3 нагнетательной скважины с закачиваемой водой. В устьевой арматуре 3 нагнетательной скважины происходит конвективный перенос тепла от глубинных слоев воды в нагнетательной скважины к верхним слоям. Наиболее интенсивно остывает надземный участок 2 водовода 1 (промысловый опыт). При снижении температуры надземного участка 2 водовода 1 ниже температуры грунта на глубине размещения испарителя 7, теплоноситель (например, фреоны, ацетоны, аммиак) при положительной температуре в испарителе 7, имеющем развитую внешнюю поверхность (например, оребренную) для интенсивного теплообмена с грунтом, нагревается, вскипает и в газообразном состоянии по тепловой трубе 6, теплоизолированной кожухом 9, за счет конвективного движения поступает в конденсатор 8, в котором происходит теплообмен с надземным участком 2 водовода 1. Испаритель 7 расположен в грунте ниже глубины сезонного промерзания грунта, конденсатор 8 прикреплен к надземной части 2 водовода 1 по нижней образующей под теплоизоляционным покрытием 5 и выполнен восходящим от тепловой трубы 6, а тепловая труба 6 на участке между глубиной сезонного промерзания грунта и теплоизоляционным покрытием 5 надземной части 2 водовода 1 оснащена защитным и теплоизоляционным кожухом 9. На фиг.1 показан вариант размещения тепловой трубы 6 с испарителем 7 и конденсатором 8 при восходящем исполнении надземного участка 2 водовода 1 относительно устьевой арматуры 3 нагнетательной скважины, на фиг.2 - при нисходящем исполнении надземного участка 2 водовода 1 относительно устьевой арматуры 3 нагнетательной скважины. При передаче тепла через стенки конденсатора 8 надземному участку 2 водовода 1 (фиг.1) пары теплоносителя остывают, переходят в жидкую фазу, которая под действием гравитационных сил и пространственного расположения конденсатора 8, выполненного нисходящим относительно горизонта к тепловой трубе 6, стекает по стенкам тепловой трубы 6 обратно в испаритель 7. При достижении температуры надземного участка 2 водовода 1 величины, близкой к температуре грунта на глубине размещения испарителя 7, нагрев надземного участка 2 водовода 1 за счет теплопереноса от испарителя 7 через тепловую трубу 6 и конденсатор 8 замедляется или прекращается. В случае изменения погодных условий и повышении температуры окружающей среды и, соответственно, надземного участка 2 водовода 1 выше температуры грунта на глубине размещения испарителя 7, нагрев надземного участка 2 водовода 1 за счет теплопереноса от испарителя 7 через тепловую трубу 6 и конденсатор 8 прекращается.
При возобновлении закачки воды по водоводу 1 с надземным участком 2 и устьевую арматуру 3 в нагнетательную скважину источником тепла вновь становится закачиваемая в нагнетательную скважину вода.
Таким образом, предлагаемая система предотвращает замерзание устья нагнетательной скважины и обеспечивает поддержание устьевой арматуры нагнетательной скважины и надземного участка водовода в работоспособном состоянии при эксплуатации нагнетательной скважины в зимний период.
Пример конкретного выполнения.
3
2
2
По водоводу 1 (фиг.1 и 2) диаметром 89 мм и толщиной стенки 7,5 мм с надземным участком 2 длиной 4 м, диаметром 89 мм и толщиной стенки 7,5 мм и устьевую арматуру 3 закачивают воду в нагнетательную скважину, имеющую в составе своей конструкции направление и кондуктор 4, с расходом 120 м/сут. Устьевая арматура 3 нагнетательной скважины, направление и кондуктор 4, надземный участок 2 и водовод 1 на участке до глубины 1 м оснащены теплоизоляционным покрытием 5 с водоотталкивающей оболочкой (пенополиэтилен). Надземный участок 2 водовода 1 оснащен в качестве нагревателя тепловой трубой 6 длиной 6 м и диаметром 12 мм с испарителем 7 площадью оребренной внешней поверхности 1,5 м и конденсатором 8 поверхностью теплообмена с надземным участком 2 водовода 1 площадью 0,12 м, при этом испаритель 7 расположен в грунте на глубине 2 м от поверхности грунта, в качестве теплоносителя использован фреон марки R 22 (хлордифторметан). Конденсатор 8 прикреплен к надземной части 2 водовода 1 по нижней образующей под теплоизоляционным покрытием 5 и выполнен восходящим относительно горизонта на 8° от тепловой трубы 6. Тепловая труба 6 на глубину 1 м в грунт и от поверхности грунта до теплоизоляционного покрытия 5 надземной части 2 водовода 1 оснащена защитным и теплоизоляционным кожухом 9. Принимаем за минимальную температуру наиболее холодного периода для средней полосы европейской части Российской Федерации минус 30°С, температура грунта на глубине 2 м составляет 3°С, температура закачиваемой воды поддерживается не ниже 5°С (для пресной воды).
При продолжительной остановке закачки воды в нагнетательную скважину (планово или аварийно) происходит постепенное снижение температуры воды в надземном участке 2 водовода 1 в течение 1,5 ч до температуры 1°С. В испарителе 7 жидкий фреон вскипает, поскольку температура превышает температуру кипения (минус 40,8°С) за счет тепла грунта, при этом он переходит в газовую фазу и по тепловой трубе 6 конвективно перемещается в конденсатор 8. В процессе передачи тепловой энергии через стенки конденсатора 8 надземному участку 2 водовода 1 в количестве 59,4 кДж на 1 м водовода пары фреона охлаждаются до температуры конденсации (которая зависит от давления паров хладагента и находится в диапазоне 15…50°С), переходят в жидкую фазу, которая под действием капиллярных сил и пространственного расположения конденсатора 8, выполненного нисходящим относительно горизонта к тепловой трубе 6, стекает по стенкам тепловой трубы 6 обратно в испаритель 7. При достижении температуры надземного участка 2 водовода 1 величины, близкой к температуре грунта на глубине размещения испарителя 7, нагрев надземного участка 2 водовода 1 за счет теплопереноса от испарителя 7 через тепловую трубу 6 и конденсатор 8 замедляется или прекращается.
При возобновлении закачки воды по водоводу 1 с надземным участком 2 и устьевую арматуру 3 в нагнетательную скважину источником тепла вновь становится закачиваемая в нагнетательную скважину вода.
Использование данного предложения позволяет при небольших дополнительных капитальных затратах с помощью существующей системы поддержания пластового давления обеспечивать поддержание устьевой арматуры нагнетательной скважины и надземного участка водовода в работоспособном состоянии при эксплуатации нагнетательной скважины в зимний период, предотвращать замерзание устья нагнетательной скважины при плановых и аварийных остановках закачки воды, а также при снижении приемистости скважины или режима закачки воды за счет использования процесса теплопереноса тепла грунта ниже глубины его сезонного промерзания с помощью тепловой трубы к надземному участку водовода, теплоизолированного вместе с устьевой арматурой, направлением и кондуктором нагнетательной скважины, а также водоводом на участке до глубины сезонного промерзания грунта и, как результат, экономить материальные затраты на поддержание пластового давления.