Индукционный скважинный нагреватель
INDUCTION BOREHOLE HEATER

Изобретение относится к нефтяной промышленности и предназначено для теплового воздействия на призабойную зону и нефтяной пласт для предупреждения образования парафиногидратных отложений в зоне перфорации и под насосным оборудованием, для увеличения проницаемости нефтяного коллектора и повышения нефтеотдачи в целом. Обеспечение эффекта тепловой обработки призабойной зоны пласта позволяет добиться увеличения продуктивности скважины за счет предотвращения процесса кольматации пласта, и, как следствие, дополнительной добычи нефти и снижения эксплуатационных затрат на подземный ремонт скважин и промывки скважин.
Из уровня техники известен ряд индукционных нагревателей.
Из патента РФ №2284407 известен индукционный электронагреватель, включающий кожух и несущий элемент. На несущем элементе размещены последовательно соединенные индукционные катушки, снабженные ферритовыми магнитопроводами. Несущий элемент выполнен в виде токопроводящего немагнитного стержня. На нижнюю часть несущего элемента замкнут выходящий виток последней обмотки нижней катушки. Верхняя часть кожуха выполнена из немагнитного и неэлектропроводящего материала. Нижняя часть кожуха выполнена из магнитного и электропроводящего материала. Обмотки катушек намотаны на ферритовые магнитопроводы с разными диаметрами. Обмотки верхней катушки намотаны на ферритовый магнитопровод с большим диаметром. Обмотки нижней катушки намотаны на ферритовый магнитопровод с меньшим диаметром.
Недостатком данного известного электронагревателя является невозможность его использования в скважинах, оснащенных штанговым глубинным насосом (ШГН) и штанговым винтовым насосом (ШВН), вследствие того, что нагреватель не установлен стационарно, а спускается внутрь насосно-компрессорных труб (НКТ) на геофизическом кабеле. Прогрев обеспечивается теплоотдачей от корпуса нагревателя, т.к. на нем замкнуты магнитные поля (своего рода кипятильник). Нагрев токами высокой частоты подрузамевает использование генератора высоких частот, что приводит к значительному увеличению стоимости оборудования и увеличению расхода электроэнергии. Данный известный электронагреватель позволяет лишь разрушать уже образовавшиеся асфальтосмолопарафиновые отложения (АСПО), но не предотвращать их образование, т.е. является оборудованием сервисным, а не технологическим.
Использование ферритовых разомкнутых магнитопроводов с большим магнитным сопротивлением, обуславливающим снижение индуктивного переноса мощности и, как следствие, перегрев катушек индуктивности, снижает эффективность, а отсутствие системы телеметрии и гидрокомпенсации давления - надежность работы оборудования.
Также известен индукционный нагреватель для очистки труб нефтяного сортамента от асфальтосмолопарафиновых отложений (Патент РФ №2437726), включающий индукционный нагреватель, подключенный к источнику переменного тока. При этом индукционный нагреватель очищаемой трубы выполнен в виде независимых катушечных секций, намотанных на теплоизолирующий кожух, распределенных по всей его длине, источником питания катушечных секций индукционного нагревателя является преобразователь частоты, вход которого подключен к сети переменного тока промышленной частоты, выход - к индукционному нагревателю через электронный регулятор, блок управления которым соединен с термодатчиками, расположенными в контрольных точках поверхности очищаемой трубы.
Недостатком известного нагревателя является высокая энергоемкость процесса, вследствие одновременного нагревания всей площади очищаемой трубы, сложный монтаж установки на очищаемою трубу, дорогостоящие оборудование и длительный процесс нагревания.
Индукционные катушки являются наиболее уязвимым элементом конструкции известного нагревателя и их возможный перегрев, во-первых, существенно ограничивает допустимую мощность нагревателя, во- вторых снижает его эффективность и надежность.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является индукционный нагреватель (Патент РФ №2200228), который включает кожух, несущий элемент с размещенными на нем индукционными катушками. Несущий элемент выполнен в виде сплошного стержня, размещенного соосно в кожухе и соединенного с ним в верхней и нижней частях посредством узлов крепления из немагнитного материала. Индукционные катушки дополнительно снабжены ферритовыми магнитопроводами с полюсными наконечниками, обращенными к стенкам кожуха, и равномерно разнесены по длине стержня на расстоянии, кратном длине индукционной катушки. Межкатушечные пространства заполнены немагнитным и неэлектропроводящим материалом. Стержень и кожух также выполнены из немагнитного и неэлектропроводящего материала. Полюсные наконечники магнитопроводов, и немагнитный, и неэлектропроводящий материал межкатушечных пространств имеют каналы для последовательного соединения индукционных катушек. Известный индукционный нагреватель дополнительно снабжен термочувствительным элементом, встроенным в верхнем узле крепления.
Недостатками данного известного нагревателя является отсутствие узла гидрокомпенсации давления, что неминуемо приведет к разрушению корпуса при воздействии высокого внутрискважинного давления, т.к. корпус выполнен из стеклопластика. Узел сопряжения стеклопластикового корпуса устройства и металлической колонной НКТ не является надежно герметизированным, так же, как и узел сопряжения элементов токоввода и корпуса устройства.
При питании данного нагревателя токами высокой частоты происходит их интенсивное ослабление в питающем кабеле.
Термочувствительный элемент, встроенный в верхнюю часть нагревателя, не является помехоустойчивым и не может обеспечить терморегулирование нагревателя в условиях воздействия высоких электромагнитных полей. Исполнение известного устройства в виде геофизического прибора подрузамевает спуск в скважину на геофизическом кабеле, что делает невозможным его использование в скважинах, оснащенных ШГН и ШВН.
Еще одним недостатком данного известного нагревателя является его низкая эффективность по нагреву затрубного пространства скважины, т.к. нагрев концентрируется на стенках НКТ, что делает затруднительным ликвидацию гидратных отложений.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности и эффективности нагревателя за счет оптимизации магнитной цепи, увеличения индукционной составляющей мощности и предотвращения перегрева обмотки, улучшения теплопередачи, обеспечения надежной герметизации и защиты в скважине при высоких давлениях, при одновременном расширении технологичности за счет возможности использования при работе источника тока как трехфазного напряжения 380 В, так и однофазного напряжения 220 В.
Поставленный технический результат достигается предлагаемым индукционным скважинным нагревателем, включающим корпус, выполненный из немагнитного материала, соосно размещенный в нем с образованием кольцевой полости сердечник, магнитопровод, изолированный токопроводящий провод, размещенный поверх магнитопровода, при этом один конец корпуса снабжен токовводом для ввода и соединения питающего кабеля с токопроводящим проводом, при этом новым является то, что сердечник выполнен полым из ферромагнитного материала, и его полость является сообщающейся с кольцевой полостью посредством сквозных отверстий в стенке сердечника, причем кольцевая полость и полость сердечника заполнены электроизолирующей жидкостью, а магнитопровод выполнен в виде тороидальных магнитопроводов - элементов из трансформаторной стали, размещенных непрерывно по всей длине сердечника с периодическими вставками ребер жесткости, выполненных в виде опорных колец тороидальной формы с разрезами для прокладки обмотки, причем поверх всех указанных тороидальных магнитопроводов выполнена непрерывная обмотка из изолированного токопроводящего провода, при этом нижний торец корпуса сочленен с узлом гидрокомпенсации таким образом, что его верхняя полость является общей с нижней полостью корпуса, а внутренняя полость указанного узла находится в жидкостной связи с полостью сердечника, при этом нагреватель выполнен с возможностью соединения вверху и внизу с телеметрической системой, чувствительные элементы верхней из которых выполнены с возможностью соединения с обмоткой провода через токоввод, а чувствительные элементы нижней из которых выполнены с возможностью соединения с обмоткой провода через узел гидрокомпенсации.
Указанный технический результат достигается за счет следующего.
Неоспоримым преимуществом предлагаемого нагревателя является универсальность - возможность его использования в скважинах с любым способом добычи нефти, в том числе и в скважинах, оснащенных ШГН и ШВН. Размещение его в зоне подвески насоса приведет в увеличению дебита и оптимизации режима работы насосного оборудования, а размещение в зоне перфорации - к дополнительному притоку нефтесодержащей жидкости, причем помимо нагрева обсадной колонны происходит проникновение магнитных (тепловых) полей в призабойную зону пласта. Это предотвращает процесс отложения АСПВ в пласте.
Заявляемое устройство так же способно предотвращать образование гидратов по стволу насосно-компрессорных труб (НКТ).
Использование устройства в скважинах с периодическим режимом работы насосного оборудования позволит избежать кольматации пласта в период накопления, что приведет к значительному увеличению межремонтного периода работы скважины и полному освоению нефтенесущего пласта.
Возможно применение устройства и в нагнетательных скважинах системы поддержания пластового давления - ликвидация ледяных пробок и замерзания затрубного пространства.
Благодаря тому, что корпус предлагаемого нагревателя выполнен из немагнитного материала, например, из нержавеющей стали, магнитные поля свободно проходят сквозь него и замыкаются на обсадной колонне. Сам корпус практически не подвергается нагреву, вся тепловая энергия концентрируется на обсадной колонне, передавая тепло заколонной породе и пластовому флюиду.
Благодаря тому, что сердечник в предлагаемом нагревателе выполнен полым из ферромагнитного материала, а магнитопровод выполнен в виде тороидальных магнитопроводов-элементов из трансформаторной стали, размещенных непрерывно по всей длине сердечника с периодическими вставками ребер жесткости, выполненных в виде опорных колец тороидальной формы, обеспечивается возможность направить магнитные поля, а, значит, и всю тепловую энергию в наружную сторону, что исключает риск перегрева обмоток и увеличивает КПД нагревателя. Под трансформаторной сталью понимается кремнистая электротехническая сталь, представляющая собой сплав железа обычно с кремнием, иногда легированный алюминием.
Применение заявляемых тороидальных магнитопроводов позволило полностью отказаться от катушек индуктивности, как в известных нагревателях. Намотка токопроводящего провода производится непрерывно и непосредственно на указанные тороидальные магнитопроводы по всей длине. При этом значительно снижается трудоемкость изготовления нагревателя, увеличивается количество витков по сравнению с индуктивными катушками и появляется возможность использовать источник тока не только с трехфазный напряжением 380 В, но и однофазный с напряжением 220 В (частотой 50 Гц). Это позволяет достичь значительного энергосбережения при эксплуатации предлагаемого нагревателя.
Заявляемый нагреватель является маслонаполненным, в отличие от нагревателя по прототипу. Электроизолирующая жидкость применяется не только для изоляции и охлаждения, но и для выравнивания давления между наружным и внутрикорпусным пространством.
Благодаря тому, что в заявляемом нагревателе нижний торец корпуса сочленен с узлом гидрокомпенсации, обеспечивается выравнивание внешнего (скважинного) и внутреннего давления нагревателя, при этом корпус нагревателя разгружается от механических напряжений, что повышает надежность работы. При нагреве масло, находящееся в полостях нагревателя, конвектирует, благодаря наличию сквозных отверстий в стенке на концевых участках полого сердечника, и за счет этого улучшается теплоотдача.
За счет того, что верхняя полость узла гидрокомпенсации является общей с нижней полостью корпуса, обеспечивается создание подобие одной конструкции, когда и корпус и узел будут работать совместно в тандеме и одномоментно по разгрузке от механических напряжений именно такой единой конструкции. На эту же цель и на создание «единой конструкции» будет работать и то, что внутренняя полость указанного узла находится в жидкостной связи с полостью сердечника посредством соединительного канала. То есть в предлагаемом нагревателе создан контур циркуляции охлаждающей жидкости - диэлектрического масла, в кольцевой полости, в полости сердечника и во внутренней полости узла гидрокомпенсации, что будет обеспечивать хороший теплоотвод с непрерывной обмотки токопроводящего провода и защиту от перегрева.
Таким образом, используемый узел гидрокомпенсации выполняет следующие функции:
- уравнивает давление во внутренней полости нагревателя с давлением пластовой жидкости в скважине;
- компенсирует тепловое изменение объема масла во внутренней полости нагревателя и его утечки через негерметичные элементы конструкции;
- защищает внутреннюю полость нагревателя от попадания пластовой жидкости.
Преимущественно, в предлагаемом нагревателе лучше использовать диафрагменный узел гидрокомпенсации с упругой диафрагмой. Все это повышает надежность и эффективность заявляемого нагревателя и позволяет его эксплуатацию в скважинах с высоким давлением и высоким газовым фактором.
Благодаря тому, что нагреватель выполнен с возможностью соединения вверху и внизу с телеметрической системой, чувствительные элементы которых выполнены с возможностью соединения с обмоткой провода через токоввод, может обеспечиваться непрерывный контроль за тепловым полем скважины до и после нагревателя, а так же автоматический режим работы нагревателя по заданной температуре пластового флюида, что позволяет дополнительно снизить расход электроэнергии.
oб
Опытные испытания опытного образца предлагаемого нагревателя проводились при различных напряжениях и токах, как на воздухе, так и в ванне, заполненной гидравлическим маслом. Напряжение питания нагревателя изменялось с помощью лабораторного трехфазного автотрансформатора (ЛАТР 0 - 45ОV, 27А). Для измерения сопротивления R между фазами нагревателя использовался калибратор АМ-7030. Для измерения температуры корпуса и сердечника применялись калиброванные термопары, установленные на поверхностях ферромагнитных массивов вне корпуса нагревателя.
Для измерения всех необходимых параметров использовался модуль ввода параметров электронной сети МЭ110-220.3М, позволяющий измерять все необходимые величины в режиме реального времени.
Было установлено, что тепловые потери трехфазной обмотки индуктора сопоставимы с потерями неферромагнитного массива предлагаемого нагревателя и составляют 2-8%, в зависимости от режимов работы. Таким образом, 92-98% всей потребляемой активной мощности в предлагаемом нагревателе, выделяется в виде тепла не в обмотке индуктора и корпусе нагревателя, а в ферромагнитном массиве обсадной колонны. Эта мощность передается в массив с помощью магнитного поля, то есть индукционным путем.
Коэффициент полезного действия (КПД) предлагаемого индуктора близок к 100%, так как вся потребляемая активная мощность, как в массиве, так и в обмотке индуктора, выделяется в виде тепла.
Коэффициент мощности Соsφ, находится в пределах 0,84-0,91. Это очень высокий показатель для данного вида электромагнитных устройств.
Этими испытаниями было доказано, что предлагаемый нагреватель, благодаря своим основным конструктивным особенностям в виде немагнитного корпуса, тороидального протяженного магнитопровода и непрерывной обмотки, характеризуется высокой эффективностью нагрева, за счет существенного увеличения индуктивной составляющей мощности, а также поверхностей теплоотдачи и коэффициентов теплопередачи.
Применение предлагаемого индукционного нагревателя позволяет в 5-10 раз сократить потребление электроэнергии по сравнению с использованием ТЭНовых нагревателей.
Испытания на герметичность проводились в специальном стенде под давлением 21 МПа. Герметичность была обеспечена.
Предлагаемая конструкция индукционного нагревателя иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 - приведена принципиальная схема нагревателя, а также фотоизображениями, где на фото 1 - приведен вид элемента 7 тороидального магнитопровода 6; на фото 2 - единая конструкция магнитопровода 6 из элементов 7 тороидальных; на фото 3 - обмотка 5; на фото 4 - кольца опорные 8.
Согласно фиг. 1, скважинный нагреватель состоит из следующих элементов:
- Корпус 1, изготовлен из немагнитного материала, например, нержавеющей стали. В электрическом плане предназначен для беспрепятственного прохожения магнитных полей. В преимущественном варианте его внешняя поверхность может быть снабжена центрирующими ребрами для исключения «залипания» нагревателя в обсадной колонне и для защиты токоввода при спуске в скважину;
- Сердечник 2, изготовлен из ферромагнитной стали и установлен соосно внутри корпуса 1 с образованием кольцевой полости 3 между стенками корпуса 1 и сердечника 2. Предназначен для замыкания магнитного потока и преобразования энергии магнитного поля в тепловую энергию, а также служит дополнительной полостью для заполнения и циркуляции диэлектрического масла - теплоносителя. Посредством сквозных отверстий 4 на концевых участках сердечника 2, его полость соединена с кольцевой полостью, образованной между корпусом 1 и сердечником 2, с образованием контура циркуляции охлаждающей жидкости в полости расположения непрерывной обмотки 5, что обеспечивает хороший теплоотвод;
- Магнитопровод 6 (фото 2) тороидальный, выполненный из трансформаторной стали, состоит из тороидальных элементов 7 (фото 1) по размеру корпуса 1 и сердечника 2, и собран из указанных элементов в единую конструкцию на сердечнике 2;
- Кольца опорные 8 (фото 4) тороидальной формы с разрезами для прокладки обмотки, выполняющие роль ребер жесткости для корпуса 1; при использовании источника тока с однофазным с напряжением 220 В и непрерывной обмотке этих колец опорных может быть минимально два - в начале и в конце обмотки;
- Обмотка 5 (фото 3) из изолированного токопроводящего провода, наложенная непрерывно поверх магнитопровода 6, образуя по меньшей мере одну группу, одни концом присоединены через канал 9 токоввода 10 к питающему электрическому кабелю (на чертеже не показан), а другие соединены между собой, образуя соединение «звезда».
- Токоввод 10 предназначен для герметичного сопряжения питающего электрического кабеля и одного конца провода обмотки 5 нагревателя;
- Электроизолирующая жидкость, например, масло диэлектрическое, применяется в предлагаемом маслонаполненном индукционном нагревателе с целью изоляции и охлаждения нагревающихся частей.
- Узел гидрокомпенсации 11; его верхняя полость 12 является общей с нижней полостью 13 корпуса 1, а внутренняя полость 14 указанного узла находится в жидкостной связи с полостью сердечника 2 посредством соединительного канала 15, снабженного клапаном. Известно, что узел гидрокомпенсации 11 представляет собой корпус в виде трубы, внутри которого размещена резиновая диафрагма. Внутренняя полость диафрагмы заполнена маслом и сообщается с внутренней полостью сердечника 2 электродвигателя по каналу 15 в головке, который перекрыт пластмассовой пробкой (на чертеже не показана). В головке имеется отверстие для заполнения маслом внутренней полости диафрагмы, которое герметизируется пробкой, и отверстие с перепускным клапаном и пробкой. Перепускной клапан используется в процессе подготовки компенсатора к монтажу. Полость за диафрагмой сообщается с пластовой жидкостью через отверстия в корпусе компенсатора.
- Телеметрическая система 16 верхняя, чувствительные элементы которой выполнены с возможностью соединения с обмоткой 5 провода через токоввод 10,
- Телеметрическая система 17 нижняя, чувствительные элементы которой выполнены с возможностью соединения с обмоткой 5 провода через внутреннюю полость узла гидрокомпенсации 11.
- Переводник 18 для присоединения нагревателя к НКТ (на чертеже не показаны).
Предлагаемый индукционный нагреватель работает следующим образом.
Производится монтаж нагревателя на скважине. Для этого нагреватель переводником 18 присоединяется к колонне НКТ и, предварительно дозаполненный маслом, спускается в скважину в зону предполагаемого прогрева, например, в призабойную зону пласта (ПЗП). При этом к токовводу 10 нагревателя присоединяется питающий кабель (на чертеже не показан), который другим концом присоединяется на поверхности к источнику питания через станцию управления (на чертеже не показаны). При включении питания ток проходит по обмотке 5. При этом образуется переменный магнитный поток, который замыкается по магнитопроводу, образованному полым сердечником 2 и магнитопроводом 6. Энергия магнитного поля генерируется в тепло, которое сквозь корпус 1 нагревателя передается на обсадную колонну. На концевых участках сердечника 2 выполнены сквозные отверстия 4, через которые происходит циркуляция масла по полости сердечника 2 и кольцевой полости 3 для улучшения теплоотвода. При этом в эту циркуляцию включается и узел гидрокомпенсации 11. При нагреве увеличивается омическое сопротивление обмотки 5. По изменению сопротивления этой обмотки станция управления контролирует температуру этих обмоток и совместно с данными системы телеметрии осуществляет автоматическую терморегуляцию. Электроизолирующая жидкость в нагревателе находится под давлением (она предварительно была закачена в полость сердечника 3 через заправочный клапан под давлением), что вместе с узлом гидрокомпенсации 11 обеспечивает надежную герметизацию нагревателя. Для обеспечения длительной и надежной работы нагревателя в скважине, задается режим работы, рассчитываемый предварительно по известным параметрам скважины. Предлагаемый нагреватель обеспечивает необходимый тепловой режим в ПЗП и повышает эффективность нефтедобычи.