НАСОСНО-КОМПРЕССОРНАЯ ТРУБА С ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫМ ПОКРЫТИЕМ
TUBING WITH HEAT-INSULATING COATING

Изобретение относится к конструкциям насосно-компрессорных труб (НКТ) с теплоизоляционным покрытием (ТИП) и может быть использовано при строительстве из стыкуемых друг с другом НКТ теплоизолированных колонн глубиной до 5000 метров в нефтегазовой промышленности для нагнетания в углеводородосодержащий пласт рабочего агента воздействия (РАВ) в форме ультра-сверхкритического флюида, а также в геотермальной энергетике для отбора из искусственно созданного подземного теплообменного геотермального резервуара теплоносителя в форме ультра-сверхкритического флюида или сверхкритического флюида.
Ультра-сверхкритические флюиды имеют температуру до 700°С и давление до 60 МПа.
В настоящее время нефтедобывающие компании приступили к освоению нефтеносных сланцевых формаций, в частности, таких, как баженовская свита и доманиковая свита. Весьма перспективными для их освоения признано использование так называемых термохимических технологий, основанных на закачке по колонне НКТ в продуктивный пласт РАВ в форме ультра-сверхкритического флюида, имеющего высокие температуру и давление.
В геотермальной энергетике продолжает активно развиваться направление, известное под названием «Улучшенные геотермальные системы» ("Enhanced Geothermal Systems" (EGS)), суть которого заключается в закачке через нагнетательную скважину в предварительно фракционированный высокотемпературный гранитный пласт, находящийся на глубине до 5000 метров и имеющий температуру до 500-700°С, холодной воды, нагрев холодной воды (флюида) при ее прохождении по трещинам высокотемпературного гранитного пласта и отбор на дневную поверхность нагретого высокотемпературного флюида через добывающую скважину по колонне НКТ.
Естественно, что для реализации таких технологий требуются НКТ, обладающие высокими теплоизолирующими свойствами для снижения тепловых потерь флюида, высокими прочностными свойствами для выдерживания высокого давления флюида, высокими антикоррозионными свойствами, необходимыми для работы в агрессивных средах, а также обеспечивающие надежную и герметичную стыковку при строительстве колонн НКТ.
В настоящее время такие НКТ, оптимальным образом сочетающие высокие термобарические, антикоррозионные свойства, а также имеющие надежные соединительные элементы для формирования колонн, отсутствуют как в Российской Федерации, так и за рубежом, что является одним из сдерживающих факторов использования термохимических технологий.
Естественно, в Российской Федерации и за рубежом предпринимались неоднократные попытки разработки конструкции НКТ, удовлетворяющей таким высоким требованием. Однако до настоящего времени данная проблема не решена.
Наиболее активно для решения таких проблем используют различные конструкции НКТ с широким спектром многослойных ТИП, размещаемых на наружной или внутренней поверхности НКТ. Однако при их использовании возникает целый ряд проблем, а именно: сохранение целостности ТИП при захвате трубы зажимными элементами гидравлического ключа и/или слайдера при монтажно-демонтажных работах на колоннах НКТ, так как теплоизолирующие покрытия не являются достаточно прочными; традиционно используемые для соединения НКТ в колонну резьбовые соединения в условиях действия высоких давлений и температур флюида ненадежны и негерметичны; высокие температуры приводят к значительным термическим деформациям НКТ, изменяющим их длину, что зачастую приводит к разрушению ТИП и их защитных кожухов.
Рассмотрим несколько типичных конструкций НКТ с ТИП.
-4
-3
Известна теплоизолированная колонна НКТ (патент РФ №2129202, кл. Е21В 17/00, 1999 г.), включающая внутреннюю трубу с расположенной на ней многослойной экранной изоляцией, наружную трубу и муфту, внутренняя труба выполнена цельной с высаженными профилированными концами, наружная труба перед монтажом сжата вдоль оси на 9-12 мм, имеет на концах конусно-упорную резьбу и снабжена герметизированным вакуумно-плотным швом седлом, и клапаном, внутренняя и наружная трубы выполнены из одного материала и по торцам обварены вакуумно-плотными швами, на многослойной экранной изоляции размещены центрирующие кольца, между слоями многослойной экранной изоляции размещен газопоглотитель, в межтрубном пространстве создан вакуум 10-10 мм рт.ст., при этом муфта навернута на наружную трубу, а уплотнительная втулка поджимает профилированные концы внутренней трубы к наружной трубе.
В результате анализа конструкции данной НКТ необходимо отметить, что для стыковки НКТ в колонну традиционно используется конусно-упорное резьбовое межтрубное соединение, которое при нагреве НКТ с ТИП до температуры 550°С и более и при давлении выше 45-50 МПа не обеспечивает герметичность соединения и его надежность. Более того, используемое для обеспечения надежности и герметичности таких соединений высокое усилие затяжки, близкое по величине к пределу прочности материла НКТ, при эксплуатации может привести к срыву резьбы. По этой причине ресурс таких соединительных элементов труб не превышает нескольких циклов «свинчивание-развинчивание».
Существенным недостатком известной конструкции является сложность сохранения вакуума в межтрубном пространстве при воздействии высоких давления и температуры РАВ, а принудительное сжатие наружной трубы перед монтажом, создает нежелательные предварительные напряжения в НКТ. Конструкция такой НКТ весьма сложна, а технология ее изготовления еще сложнее, что, однако, не гарантирует при использовании высоких теплоизолирующих свойств.
Известна труба теплоизолированная (патент РФ на полезную модель №121855, кл. Е21В 17/00, 2012 г), включающая размещенное на трубе теплоизолирующее покрытие, содержащее теплоотражающий и теплоизолирующий слои, слой базальтового полотна, покрытый теплоотражающим слоем, причем покрытие дополнительно содержит наружный защитный слой и второй теплоотражающий слой, теплоизолирующий слой размещен между теплоотражающими слоями, а на наружном теплоотражающем слое размещен защитный наружный слой, при этом теплоотражающие слои выполнены из алюминиевой фольги, а в качестве теплоизолирующего материала используют мультикремнеземистый войлок, защитный слой представляет трубу из полипропилена, а между теплоотражающим покрытием и защитным покрытием размещен слой стеклопластика.
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что теплоизолирующее покрытие, состоящее из большого количества слоев, весьма сложно и трудоемко в изготовлении, для такого покрытия характерен довольно высокий процент брака, так как весьма сложно обеспечить плотное прилегание всех слоев друг к другу и, при этом, оно обладает достаточно высокой теплопроводностью. Как показали исследования, при прокачке через НКТ теплоносителя с температурой 450°С, температура на внешней поверхности трубы составляет примерно 50°С. Среднее значение коэффициента теплопроводности материала покрытия не превышает 0,039 Вт/м*К, а, как показали исследования, для эффективной работы колонны НКТ значение коэффициента теплопроводности ТИП при температуре 400°С не должно превышать 0,024 Вт/м*К, при 600°С - 0,029 Вт/м*К, а при температуре равной 800°С - 0,034 Вт/м*К. Весьма существенным является и то, что в конструкции НКТ не предусмотрены специально конструктивно оформленные зоны захвата трубы гидравлическим ключом или слайдером при проведении монтажно-демонтажных работ, что приводит к повреждениям теплоизолирующего покрытия снижению его теплоизолирующих свойств, а, следовательно, и срока эксплуатации НКТ.
Известна НКТ с ТИП, содержащая трубу из легированной стали с соединительными элементами на ее концах, выполненными в виде резьбовых поверхностей.
На наружной поверхности трубы сформировано многослойное ТИП. На поверхности трубы образованы две имеющие аналогичное конструктивное исполнение теплоизолированные зоны захвата, предназначенные для захвата трубы гидравлическим ключом и/или слайдером при сборке (разборке) колонны НКТ.
Каждая такая зона содержит металлический каркас, закрепленный посредством сварки на штатном месте наружной поверхности трубы. На каркасе, приваркой к нему продольных и поперечных ребер, образованы ячейки для размещения в них ТИП.
В качестве ТИП может быть использована широкая гамма материалов, например, полученных из коротких базальтовых волокон.
На каркас с ТИП снаружи надет защитный кожух в виде разрезной трубки, которая при захвате ее гидравлическим ключом или слайдером должна обеспечивать сохранность ТИП и металлической поверхности трубы.
На разрезную трубку последовательно намотаны слои теплоотражающего материала (алюминиевой фольги) и защитной стеклопластиковой оболочки. Сверху на защитную стеклопластиковую оболочку намотана тонкая стальная сетка. Фиксация сетки на оболочке осуществляется полимерным связующим. Слой сетки предохраняет защитную оболочку от повреждений насечкой стальных губок гидравлического ключа и/или слайдера, а также исключает возможность проворота гидравлического ключа или слайдера относительно зоны захвата трубы, что позволяет несколько уменьшить усилие зажима трубы при проведении монтажно-демонтажных работ.
(патент РФ на полезную модель №156386, кл. F16L 59/00, 2015 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа данной конструкции НКТ необходимо отметить, что она, в отличие от приведенных выше, оснащена теплоизолированными зонами захвата. Однако выполнение таких зон в виде закрепленного на наружной поверхности трубы каркаса с обращенными наружу ребрами, между которыми размещено ТИП, не позволяет прикладывать к таким зонам высоких нагрузок, так как усилие гидравлического ключа или слайдера приходится на ребра каркаса, то есть, удельное усилие при контакте весьма высоко, что приводит к разрушению по месту контакта помещенных на каркас теплоизолирующих слоев и деформированию размещенного в ячейках каркаса ТИП. Все это значительно снижает теплоизолирующие свойства НКТ и срок ее эксплуатации.
Традиционно используемые в конструкции данной НКТ резьбовые соединительные элементы не обеспечивают герметичность соединения и его надежность в условиях ударных и знакопеременных тепловых нагрузок, что уже было отмечено выше.
Использование в качестве в качестве ТИП многослойной защитной оболочки не обеспечивает надежной теплоизоляции покрытия в условиях высоких температур и, соответственно, значительных тепловых линейных деформаций НКТ. Все приведенное выше снижает срок эксплуатации НКТ.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание НКТ с ТИП, обладающих высокими теплоизолирующими свойствами и длительным сроком эксплуатации за счет выбора и обеспечения сохранения целостности а, следовательно, герметичности, ТИП на трубе и зонах захвата в течение всего срока эксплуатации НКТ в условиях высоких температур и давлений флюида, а также за счет обеспечения герметичной стыковки НКТ при сборке их в колонны за счет оптимальной конструкции соединительных элементов трубы.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в насосно-компрессорной трубе с теплоизоляционным покрытием, содержащей трубу, на наружной поверхности которой размещено теплоизоляционное покрытие, закрытое сверху защитным кожухом, две теплоизолированные зоны захвата, предназначенные для захвата трубы гидравлическим ключом или слайдером при монтаже-демонтаже насосно-компрессорной трубы, а также размещенные у торцов трубы соединительные элементы, предназначенные для стыковки труб при сборке их в колонну, новым является то, что каждая зона захвата образована диском, надетым на трубу и скрепленным с ней, кольцом, охватывающим трубу и прикрепленным с диску, а также пластинами, прикрепленными к наружной поверхности трубы и внутренней поверхности кольца, защитный кожух прикреплен к кольцам зон захвата и оснащен гофрированным участком для компенсации термических деформаций, а каждый соединительный элемент трубы выполнен в виде гильзы, закрепленной на наружной поверхности трубы у ее торца и оснащенной поводками, имеющими возможность контакта со стягивающей муфтой, при этом для теплоизоляционного покрытия на наружной поверхности трубы может быть использован материал "MICROTHERM", изготовленный из пирогенного диоксида кремния, а для теплоизоляции зон захвата может быть использован материал ТИСК 1000 на основе силиката кальция.
На торцах гильз могут быть установлены проставки, выполненные из висмута, а на одной из торцевых поверхностей каждого поводка может быть выполнена коническая фаска, имеющая возможность контакта с конической фаской канавки полумуфты при затяжке муфтового соединения.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг. 1 - НКТ с ТИП, продольный разрез;
- на фиг. 2 - разрез А-А по фиг. 1 (разрез по зоне захвата);
- на фиг. 3 - разрез Б-Б по фиг. 1 (разрез по зоне соединения НКТ).
НКТ состоит, собственно, из трубы 1, изготовленной из жаропрочного, жаростойкого и коррозионностойкого металла или сплава, например, Inconel 740, Inconel 716 или Haynes 282.
На наружной поверхности трубы 1 сформировано ТИП 3а. В качестве ТИП может быть использована широкая гамма стандартных материалов, примененных, например, в аналогах, приведенных в описании. Как показали исследования, наиболее предпочтительным является использование ТИП из микропористого теплоизоляционного материала "MICROTHERM", изготовленного из пирогенного диоксида кремния. Выбор именно этого ТИП 3а обусловлен тем, что он, при плотности 320 кг/м имеет весьма низкие характеристики теплопроводности, которые, что весьма важно при изменении температуры его нагрева, меняются незначительно, а именно: при температуре 200°С - 0,022 Вт/м*К, при температуре 400°С - 0,024 Вт/м*К, при температуре 600°С - 0,029 Вт/м*К и при температуре 800°С - 0,034 Вт/м*К. Конструктивно ТИП 3а реализовано в виде колец, последовательно надеваемых на трубу 1.
На трубе 1, у ее концов, образованы две идентичные по конструктивному исполнению зоны захвата, предназначенные для захвата НКТ гидравлическим ключом и/или слайдером при проведении монтажно-демонтажных работ по сборке (разборке) колонны НКТ.
Каждая из таких зон выполнена в виде диска 2, закрепленного (предпочтительно, посредством сварки) на наружной поверхности трубы 1, кольца 7, охватывающего трубу 1 и закрепленного (предпочтительно, посредством сварки) на диске 2. На наружной поверхности трубы 1 в зоне кольца 7 продольно относительно ее (трубы) оси прикреплены (предпочтительно, посредством сварки) пластины 5. На внутренней поверхности кольца 7, продольно относительно оси трубы 1, прикреплены пластины 6.
Место сварки обозначено на фиг. 1 позицией 15.
Пространство каждой зоны захвата, между внутренней поверхностью кольца 7 и наружной поверхностью трубы 1, заполнено теплоизоляционным материалом 4 (ТИП 4). В качестве такового может быть использована широкая гамма стандартных материалов, примененных, например, в аналогах. Как показали исследования, наиболее предпочтительным является использование в качестве ТИП 4 силиката кальция (марка ТИСК 1000, выпускается по СТО 1086672005144-056-2010).
3
Выбор именно такого ТИП 4 обусловлен тем, что при плотности 1000 кг/м он имеет следующие характеристики по теплопроводности: при температуре 200°С - 0,06 Вт/м*К, при температуре 400°С - 0,08 Вт/м*К, при температуре 600°С - 0,09 Вт/м*К и при температуре 800°С - 0,17 Вт/м*К. Данное теплоизоляционное покрытие (в частности, его марка ТИСК 1000) имеет более высокие значения теплопроводности, но выбрано для использования в настоящей НКТ с теплоизоляционным покрытием, так как имеет высокую плотность, необходимую для формирования теплоизоляции двух идентичных зон захвата.
Пластины 5 и 6 размещены внутри плотного теплоизоляционного материала 4 для размещения ТИП, а также для повышения жесткости зоны захвата и, следовательно, уменьшения деформации кольца 7 при его захвате гидравлическим ключом и/или слайдером при проведении монтажно-демонтажных работ по сборке (разборке) колонны НКТ.
Длина каждой зоны захвата определяется длиной (высотой) кольца 7 и составляет от 300 до 350 мм.
Кольцо 7, диск 2, пластины 5 и 6 выполнены из коррозионностойкого материала, например, нержавеющей стали.
НКТ оснащена защитным кожухом 8. Кожух может быть выполнен в виде трубы, надеваемой при сборке НКТ на ТИП 3а. 3ащитный кожух 8 выполнен, предпочтительно, из коррозионностойкого материала (например, нержавеющей стали), толщиной 1-2 мм. При сборке НКТ защитный кожух 8 торцами крепится (предпочтительно, посредством сварки) к кольцам 7 зон захвата, обеспечивая герметичное соединение. На защитном кожухе 8 имеется гофрированный участок 16. Данный участок может быть выполнен в виде кольцевой гофрированной вставки, торцами скрепленной с фрагментами защитного кожуха 8. Наличие гофрированного участка 16 обеспечивает целостность кожуха 8 за счет компенсации тепловых линейных деформаций трубы 1 в условиях действия на НКТ с ТИП высоких температур.
Под гофрированном участком 16 размещено ТИП 3, выполненное, как и ТИП 3а, из микропористого теплоизоляционного материала "MICROTHERM", изготовленного из пирогенного диоксида кремния. ТИП 3 отличается от ТИП 3а тем, что имеет меньший диаметр.
Основное назначение защитного кожуха 8 - защита размещенных между зон захвата и в зонах захвата ТИП 3, ТИП 3а и ТИП 4 от воздействия агрессивных сред, влаги и механических повреждений при транспортировке и монтажно-демонтажных работах. С наружных относительно зон захвата сторон, защита ТИП обеспечивается дисками 2. Таким образом, обеспечена надежная защита ТИП от внешних воздействий.
Для соединения НКТ с ТИП с другой НКТ с ТИП при строительстве колонны НКТ, у торцов трубы имеются зоны соединения, в их областях размещены соединительные элементы, каждый из которых выполнен в виде гильзы 11, надетой на наружную поверхность трубы 1 до упора в диск 2 и прикрепленной к трубе 1 и к диску 2 (предпочтительно, посредством сварки).
На наружной поверхности гильз 11 размещены поводки 10, выполненные, например, в виде полуколец. Поводки 10 могут быть прикреплены к гильзам 11, например, посредством сварки или, что более предпочтительно, установлены с возможностью съема, например, в выполненных для этого пазах (не показаны) гильз 11, то есть, являться закладными элементами. Это обеспечивает их легкую замену без замены гильз 11, что весьма важно, так как при эксплуатации колонны НКТ они воспринимают основные нагрузки.
На одной из торцевых поверхностей каждого поводка 10 может быть выполнена коническая фаска (см. фиг. 1).
На торцах гильз 11 могут быть размещены выполненные в виде колец проставки 9. Проставки 9 изготовлены, предпочтительно, из висмута.
НКТ с ТИП изготавливают следующим образом.
Формируют на трубе 1 зону захвата, для чего к наружной поверхности трубы 1 приваривают пластины 5 и диск 2. К диску 2 приваривают кольцо 7 с пластинами 6 на нем. Пространство между наружной поверхностью трубы 1 и внутренней поверхностью кольца 7 заполняют ТИП 4. Одна зона захвата собрана.
На части наружной поверхности трубы 1, до контакта с собранной зоной захвата, размещают кольца ТИП 3а, надевают на него фрагмент защитного кожуха 8, длина которого равна суммарной длине надетых на трубу колец 3а. На наружной поверхности трубы 1, до контакта с ТИП 3а, размещают ТИП 3, на которое надевают гофрированную вставку 16. Далее на наружной поверхности трубы 1 до контакта с ТИП 3 размещают кольца ТИП 3а и надевают на него второй фрагмент защитного кожуха 8. Гофрированную вставку 16 крепят, например, сваркой, торцами к торцам фрагментов защитного кожуха, образуя неразъемное соединение.
Аналогично изложенному выше формируют вторую зону захвата.
К кольцам 7 прикрепляют (предпочтительно, посредством сварки) свободные торцы фрагментов защитного кожуха 8.
Таки образом, на трубе 1 сформированы две зоны захвата, ТИП, состоящее из ТИП 3а и ТИП 3, а также защитный кожух 8.
Далее, на наружные поверхности трубы 1 по ее концам устанавливают гильзы 11 с поводками 10. Приваривают гильзы 11 к трубе 1 и к диску 2. Если это необходимо, на торцы гильз 11 устанавливают проставки 9 (проставки 9 могут быть установлены на торцы гильз 11 непосредственно перед стыковкой НКТ с ТИП с другой НКТ с ТИП).
НКТ с ТИП собрана и готова к использованию.
Для использования НКТ с ТИП доставляют к скважине.
Для стыковки НКТ при строительстве колонны используют муфтовое соединение, которое является более надежным по сравнению с резьбовым. Используемая для стыковки муфта состоит из двух полумуфт 12, стягиваемых друг с другом посредством болтов 13, вставляемых в отверстия (не показаны) полумуфт 12 и стяжных гаек 14, навинчиваемых на резьбу болтов 13. На внутренней поверхности полумуфт 12 выполнены параллельно друг другу канавки (не показаны), одна из стенок каждой из которых может иметь коническую фаску (не показана).
Для строительства колонны, одну из НКТ, уже частично находящуюся в скважине, фиксируют за зону захвата слайдером. Стыкуемую с ней НКТ зажимают за зоны захвата гидравлическими ключами и выставляют соосно находящейся в скважине трубе. Выставленные НКТ контактируют друг с другом торцами гильз 11. Полумуфты 12 накладывают на гильзы 11 стыкуемых НКТ таким образом, чтобы поводки 10 гильз располагались в канавках полумуфт, после чего стягивают полумуфты 12 болтами 13 и стяжными гайками 14, затягивая муфтовое соединение.
При наличии на торце поводков 10 и канавках полумуфт 12 конических фасок, установку полумуфт на гильзах осуществляют таким образом, чтобы их конические фаски контактировали друг с другом, после чего стягивают полумуфты 12 болтами 13 и стяжными гайками 14, затягивая муфтовое соединение,
При затяжке соединения за счет контакта конических фасок поводков гильз и канавок полумуфт (данные поверхности образуют клиновую пару), стыкуемые НКТ притягиваются друг к другу до плотного контакта торцов гильз, образуя надежное герметичное торцевое соединение.
Специалистам в данной области техники понятно, что на зону соединения одной НКТ с ТИП с другой НКТ с ТИП может быть установлено теплоизоляционное покрытие, выполненное из теплоизоляционного материала "MICROTHERM", изготовленного из пирогенного диоксида кремния, в форме скорлуп, на поверхности которых закреплена внешняя защитная оболочка, выполненная из стеклоткани и, которые закреплены в зоне соединения двух НКТ с ТИП двумя и/или тремя внешними хомутами, изготовленными из нержавеющей стали.
Опускают присоединенную НКТ в скважину.
В процессе эксплуатации собранной колонны НКТ, проставки 9 повышают степень герметичности стыка. Если проставки изготовлены из висмута, то при нагреве до температуры выше 271,44°С, они переходит из твердого состояния в жидкое, что повышает степень герметичности места контакта торцов гильз 11 двух состыкованных НКТ.
Весьма важно, что при соединении НКТ их стыковка идет не по торцам труб 1, а по торцам соединительных элементов - их гильз 11, что позволяет увеличить площадь контактного соединения, максимально увеличить силу прижима друг к другу торцов гильз 11, а также исключить смятие торцов труб 1.
Нетрудно заметить, что в конструкции НКТ используется однослойное ТИП, имеющее высокие теплоизолирующие свойства и минимальные термические деформации (полная усадка при температуре 1000°С - менее 3%) во всем интервале температур флюида, что обеспечивает сохранение целостности ТИП в течение всего срока эксплуатации НКТ. Данное покрытие, в отличие от многослойного, не подвержено расслоению, разрушению под действием высоких температур. От внешних воздействий оно защищено кожухом, имеющим температурный компенсатор (гофры). Используемые соединительные элементы позволяют осуществить надежную стыковку НКТ герметично по торцам и сохранить герметичность в течение срока эксплуатации трубы, а также обеспечивают практически неограниченное количество циклов сборки-разборки при проведении монтажно-демонтажных работ.
При проведении монтажно-демонтажных работ, практически, не затрагивается основной металл трубы 1, что позволяет сохранить ее прочностные характеристики в течение длительного времени.
Таким образом, получена НКТ с ТИП, сочетающая в себе высокие теплоизолирующие характеристики, надежность, герметичность стыковочного соединения при сборке НКТ в колонну, а также длительный срок эксплуатации в условиях одновременного действия высоких температур (до 700°С) и давления (до 50 МПа).