УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ СКВАЖИНЫ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ
DEVICE FOR HEAT INSULATION OF WELLS IN PERMANENTLY FROZEN GROUND

Изобретение относится к газовой и нефтяной промышленности, в частности к охлаждающим устройствам буровых скважин, и предназначено для эксплуатации скважин в районах кавернозных, многолетнемерзлых пород (ММП).
Известен стабилизатор для пластично-мерзлых грунтов с круглогодичным режимом работы [патент RU №2231595, МПК E02D 3/115, опубл. 01.10.2002 г.] для аккумуляции холода в основании инженерных сооружений, включающий подземную и наземную части трубчатого герметичного корпуса, заполненного хладагентом, подземная часть которого является испарителем, а надземная - конденсатором, имеющим термоэлектрические модули в виде элементов Пельтье.
В данном стабилизаторе модуль Пельтье применяется исключительно для циркуляции хладагента и не имеет непосредственного отношения к охлаждению ММП.
Известен способ теплоизоляции устьевой зоны добывающей скважины в многолетнемерзлых породах и устройство для его осуществления [патент RU №2127356, МПК Е21В 36/00, опубл. 10.03.1999 г.]. Вокруг верхнего участка колонны труб размещают теплоизолирующий элемент, по длине которого установлены теплопередающие трубки-контейнеры. С помощью этих трубок-контейнеров осуществляют отвод тепла от теплоизолирующего элемента. В трубки-контейнеры, размещенные непосредственно за трубой направления, устанавливают с возможностью извлечения и замены сезонно действующие термостабилизаторы. Эти термостабилизаторы осуществляют перенос естественного природного холода от воздуха к границе теплоизолирующий элемент - многолетнемерзлые породы. Количество и взаиморасположение трубок-контейнеров и термостабилизаторов по периметру трубы направления определяют путем решения двумерного нестационарного уравнения теплопроводности. Расчетная область представляет собой сегмент сечения, плоскость которого параллельна поверхности земли. Величина расчетной области может меняться от 1×1 м до 30×30 м, а шаг разбиения на элементарные блоки неравномерный и может меняться от 0,01 до 5 м.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является система стабилизации вечной мерзлоты вокруг добывающей скважины [патент США №3763931, МПК Е21В 43/00, 1973 г.]. В данной системе вокруг верхнего участка добывающей скважины размещают колонну труб теплоизолирующего элемента, по длине которого установлены теплопередающие трубки-контейнеры соединенные кожухом. С их помощью осуществляют отвод тепла от теплоизолирующего элемента.
Однако упомянутые способы недостаточно надежно обеспечивают термоизоляцию ММП в устьевой зоне добывающей скважины, так как при их использовании не учитываются возможные сезонные перепады температур.
Техническим результатом предложенного изобретения является предотвращение образования провалов, сохранение устойчивости скважины.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для теплоизоляции скважины в многолетнемерзлых породах, содержащем теплопередающие трубки-контейнеры с хладагентом, соединенные кожухом, расположенные внутри промежуточной колонны, новым является то, что скважина дополнительно оснащена термопарой, блоком управления и регистрации температуры, а также элементом, состоящем из токопроводящего кабеля-троса и корпуса, выполненного в виде сплошного цилиндрического кольца или его сегментов, внутри которого установлены термоэлектрические модули Пельтье.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показан температурный график при перемещении трубки-контейнера к стенке промежуточной колонны; на фиг.2 - температурный график при установке элемента; на фиг.3 - элемент, состоящий из корпуса, выполненного в виде сплошного цилиндрического кольца, внутри которого имеются термоэлектрические модули Пельтье, и токопроводящего кабеля-троса; на фиг.4 - элемент, состоящий из корпуса, выполненного в виде сегментов цилиндрического кольца, внутри которого имеются термоэлектрические модули Пельтье, и токопроводящего кабеля-троса; на фиг.5 изображена компоновка скважины; на фиг.6 - разрез А-А на фиг.1, когда корпус элемента выполнен в виде сплошного цилиндрического кольца; на фиг.7 - разрез А-А на фиг.1, когда корпус элемента выполнен в виде сегментов цилиндрического кольца;
Устройство содержит элемент, состоящий из корпуса 1, выполненного в виде сплошного цилиндрического кольца или его сегментов, внутри которого установлены термоэлектрические модули Пельтье 2, термопару 3, токопроводящие кабеля-троса 4, трубки-контейнеры 6 с циркулирующим хладагентом 7, теплоизолирующий материал 9, заполняющий кольцевое пространство между эксплуатационной 8 и промежуточной 5 колоннами, блок управления и регистрации температуры 10.
На фиг.1 приведен температурный график при перемещении трубки-контейнера к стенке промежуточной колонны без элемента, содержащего термоэлектрические модули Пельтье. Из данного графика видно, что при эксплуатации скважины летом положительная температура (Т>0) выйдет за наружную поверхность промежуточной колонны, что приведет к потере устойчивости скважины в следствии протаивания ММП. В зимнее время года отрицательная температура опустится ниже температуры ММП, вследствие увеличения расстояния между изоляцией и эксплуатационной колонной.
Снижение температуры в зимнее время является положительным эффектом, а повышение температуры в летнее время - нежелательным. Чтобы устранить повышение температуры в летнее время, колонну оснащают элементом с корпусом 1, выполненным в виде сплошного цилиндрического кольца или его сегментов, внутри которого установлены термоэлектрические модули Пельтье 2.
При установке элемента в результате эффекта Пельтье температурный график летнего периода будет иметь отрицательное значение с наружной стороны колонны, а с внутренней - положительное (фиг.2), причем из-за повышения температуры между поверхностью трубки-контейнера и модулем Пельтье будет происходить свободная или принудительная циркуляция хладагента, что является эффективным способом поддержания температуры ММП по всей длине скважины.
Устройство для теплоизоляции скважины в многолетнемерзлых породах работает следующим образом.
Элемент с корпусом 1, выполненный в виде сплошного цилиндрического кольца (фиг.3) или его сегментов (фиг.4), внутри которого установлены термоэлектрические модули Пельтье 2, и термопарой 3 опускают с помощью токопроводящих кабелей-тросов 4 (фиг.5) в промежуточную колонну 5 (фиг.5, 6, 7) и размещают на внутренней поверхности данной колонны на глубину, где имеются зоны ММП. В зависимости от мощности ММП подбирают высоту элемента. Зоны, мощность и глубины распространения ММП определяют известными способами, например, бурением параметрических скважин с отбором керна и его последующим исследованием. Далее опускают трубки-контейнеры 6, которые заполняют циркулирующим хладагентом 7. Количество трубок-контейнеров и глубина их установки зависят от конкретных условий распространения ММП. В кольцевое пространство между эксплуатационной 8 и промежуточной 5 колоннами закачивают теплоизолирующий материал 9. Затем осуществляют процесс эксплуатации скважины.
Термопара 3 (фиг.4), расположенная между промежуточной колонной 5 и элементом, фиксирует изменение температуры ММП и подает сигнал на блок управления и регистрации температуры 10, расположенный на устье скважины. С блока управления 10 через кабели-тросы 4 подается электрический ток определенной мощности к элементу с термоэлектрическими модулями Пельтье 2. Модули Пельтье 2 охлаждают корпус 1 с наружной стороны, вследствие чего происходит охлаждение ММП, и нагревают с внутренней. Трубки-контейнеры 6 с циркулирующим хладагентом 7 создают отвод тепла с горячей стороны корпуса 1, чтобы обеспечить максимальную разность температур между наружной и внутренней поверхностями элемента.
В зимнее время элемент работает как дополнительный источник электроэнергии, так как трубки-контейнеры 6 обеспечивают необходимое охлаждение ММП. В результате разности температур между ММП и трубкой-контейнером 6 возникнет электрический ток, который поступает через кабели-тросы 4 в блок управления 10, который содержит преобразователь электрической энергии (не показан). Преобразователь электрической энергии предназначен для регулирования параметров электрической энергии, поступающей от элемента через кабели-тросы 4.
Устройство для теплоизоляции скважины в многолетнемерзлых породах позволяет предотвратить образование провалов и сохранить устойчивость скважины.