ПОДОГРЕВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области нефтедобычи и может быть использована для теплового воздействия на призабойную зону, в том числе при эксплуатации скважин, дающих парафинистые, смолистые нефти.
Также полезная модель может быть успешно применена на скважинах, эксплуатирующих пласты с тяжелой, маловязкой нефтью, или на скважинах, резко снизивших производительность из-за закупорки пор парафино-смолистыми отложениями.
Кроме того, в качестве погружного подогревателя полезная модель может быть использована для нагрева битума, минерального масла, мазута, дизельного топлива, иных нефтепродуктов, воды, любых других жидких сред. Подогреватель может использоваться в подземных резервуарах и емкостях, применяться для подогрева цистерн, в том числе железнодорожных, при очистке хранилищ легкозастывающих веществ.
Таким образом, помимо области нефтедобычи полезная модель может быть использована и во многих других областях, промышленности, сельского хозяйства, жилищно-коммунального хозяйства, транспорта, везде где, требуется подогрев жидких сред, оборудования, коммуникаций.
При эксплуатации скважин, особенно при понижении температуры добываемой нефти происходит изменение фазового равновесия составляющих компонентов нефти. Уменьшается растворимость парафина и смол, что приводит к осаждению их в призабойной зоне, в подъемных трубах и на стенках скважин. Следствием закупорки пор является ухудшение фильтрационной способности пласта, соответственно, снижение продуктивности скважин.
Прогрев призабойной зоны приводит к тому, что снижается вязкость нефти, отложения парафинов и смол в порах пласта, на стенках скважины, в трубах, фильтрах расплавляются и с потоком нефти выносятся на поверхность.
Как правило, призабойную зону прогревают при помощи спускаемых в скважину на кабель-тросе глубинных электронагревателей, при помощи газонагревателей, нефтепродуктами, горячей нефтью, водой, паром, путем термохимического воздействия.
Известен и принят за прототип глубинный электронагреватель (https://studopedia.ru/15_35432_teplovoe-vozdeystvie-na-prizaboynuyu-zonu-skvazhin.html).
Глубинный электронагреватель содержит головку, клеммную полость, трубчатые электронагревательные элементы (ТЭН), перфорированный кожух.
В головке электронагревателя размещено устройство для крепления бронекабеля. Головка соединена болтами с гидрофланцем.
В гидрофланце расположены сальники, уплотняющие токоведущие жилы. Под гидрофланцем расположена клеммная полость, в которой размещены соединения токоведущих жил кабель-троса с контактными стержнями трубчатых электронагревательных элементов.
Сборка нагревателя состоит из трех П-образных трубчатых нагревательных элементов, которые соединены с фланцем. Каждый нагревательный элемент представляет собой стальную трубку диаметром 17 мм, внутри которой запрессована спираль из нихромовой проволоки в кварцевом песке или плавленой окиси магния. Последние служат электрической изоляцией спирали от металлической трубки, а также являются проводниками тепла.
Снаружи ТЭН защищены от механических повреждений кожухом. В нижней части кожуха приварена муфта, в которую ввертывается карман для термометра. Электронагреватель предназначен для работы в скважинах с эксплуатационной колонной диаметром 146 мм и более. Наружный диаметр электронагревателя 112 мм, длина 3700 мм, масса 60 кг. Максимальная мощность электронагревателя 21 кВт, напряжение 380 В.
Недостатки устройства:
Для обеспечения взрывобезопасности, удельная поверхностная мощность, или удельная тепловая мощность (Watt Density) трубчатых электронагревательных элементов, рассчитывается исходя из физико-химических свойств нагреваемого легко-воспламеняемого вещества.
Также следует учитывать, что сырая нефть, мазут, дизельное топливо, битум, иной нефтепродукт при интенсивном нагреве начинает коксоваться (происходит крекинг нефтепродукта). Этого нельзя допускать во избежание появления на поверхности ТЭН нежелательного углеродистого слоя, который в свою очередь приводит к снижению теплоотдачи, увеличению времени нагрева и снижению КПД устройства в целом.
Производительность прототипа существенно ограничена свойствами нагреваемого легко-воспламеняемого вещества, и каким-либо средством борьбы с крекингом нефтепродукта прототип не снабжен. Следствием этого является увеличение времени необходимого на прогрев, а также коксообразование. Прототипом, прогрев проводится в течение 3-7 суток, соответственно, в течение этого времени эксплуатация скважины невозможна. После прогрева электронагреватель извлекают из скважины, спускают глубинный насос и пускают скважину в эксплуатацию.
Известен способ паротепловой обработки призабойной зоны скважины, где теплоносителем выступает перегретый водяной пар.
В скважину, в течение определенного времени нагнетают водяной пар с помощью специально предназначенной для этого установки. После этого, для передачи тепла в глубь пласта устье скважины закрывают.
Для получения от паротепловой обработки хороших результатов, в скважину, необходимо закачать не менее 1000 тонн пара. В зависимости от производительности (примерно 4 тонны в час) одной паро-генерирующей установки время на закачку составляет 10-12 суток. После этого, для того чтобы тепло от пара передалось в глубь пласта, скважину закрывают на 2-5 суток. Таким образом, эксплуатация скважины возможна только по истечении 10-17 суток.
Известно (US 2601626, Хикен Кент) способ и система для поставки тепловой энергии в скважину.
Генерирование энергии у устья скважины ведет к потерям энергии теплоносителя при его транспортировании в скважину.
Целью заявленной полезной модели является повышение эффективности разогрева массива скважины, снижение времени необходимого на прогрев, недопущение коксообразования.
Задача достигается за счет смачивания ТЭН водой, а также дополнительного, дозированного воздействия на пласт паром, генерированным непосредственно в месте расположения пласта. Благодаря этому, разогрев продукта происходит в "мягком" режиме, среда не перегревается и не теряет своих свойств.
Использование промежуточного теплоносителя (воды, водных растворов гликолей) исключает коксообразование, перегрев вязких продуктов в контактных зонах.
Задача достигается тем, что согласно полезной модели, подогреватель содержит термоэлектрический электронагреватель, установленный в корпусе, который имеет перфорацию, отличается тем, что
подогреватель снабжен системой подачи жидкости на поверхность термоэлектрического нагревателя, система содержит дозатор, представляющий собой цилиндр, разделенный вытеснителем жидкости на две камеры, одна камера гидравлически, через один обратный клапан соединена с источником давления жидкости и, через другой обратный клапан соединена с устройством разбрызгивания жидкости на поверхность термоэлектрического нагревателя, другая камера гидравлически соединена с полостью находящейся под перфорированном кожухом корпуса, перфорация кожуха выполнена на его части вне зоны нахождения под ним устройства разбрызгивания жидкости на поверхность термоэлектрического нагревателя;
корпус может быть выполнен цилиндрическим;
корпус может содержать три части: основную, головку, кожух с отверстиями (перфорированный);
части корпуса могут быть соединены резьбовыми элементами;
полость головки может быть заполнена электроизоляционной жидкостью, например, жидким стеклом;
2
2
n
жидким стеклом может быть; водный щелочной раствор силикатов натрия NaO(SiO);
термоэлектрический электронагреватель может быть U-образный;
термоэлектрический электронагреватель может быть выполнен как сборка, содержащая два нагревательных элемента;
в качестве вытеснителя жидкости может быть поршень;
производительность системы подачи жидкости на поверхность нагревательного элемента (соответственно, объем впрыскиваемой жидкости) может быть рассчитана исходя из выражения баланса мощностей:
Р×t=С×М,
где: Р - мощность нагревательного элемента; t - время; С - удельная теплота парообразования; М - масса жидкости;
корпус может быть выполнен из стали; из коррозионно-стойкой стали; из хромистой стали; из стали 40X13;
устройство разбрызгивания жидкости на поверхность термоэлектрического нагревателя выполнено из термостойких материалов; из жаростойкой стали; из хромистой стали ферритного класса; из стали 15X28;
цилиндр дозатора может быть изготовлен из коррозионно-стойкой стали; из хромистой стали; из стали 40X13;
вытеснитель жидкости может быть изготовлен из алюминиевого сплава типа Al-Si;
вытеснитель жидкости может быть снабжен кольцевыми уплотнениями;
степень защиты герметичной части корпуса подогревателя от проникновения посторонних предметов и от проникновения воды может соответствовать IP69-K.
Подогреватель представлен:
фиг. 1 - подогреватель в скважине;
фиг. 2 - подогреватель в разрезе;
фиг. 3 - система подачи жидкости на поверхность термоэлектрического нагревателя.
Для функционирования подогревателя необходимы (фиг. 1) источник электрического питания 1 и источник давления жидкости, например, насосная станция 2 (насос 2). Источник электрического питания и источник давления жидкости могут быть расположены у устья скважины, а подогреватель с ними связан, соответственно, электрическим кабелем 3, при этом, возможно через разъемный узел 4, и трубопроводом 5, также возможно через свой разъемный узел. Подогреватель может быть установлен вертикально, горизонтально, под наклоном.
Сам подогреватель содержит:
корпус, предпочтительно выполнен цилиндрическим, может содержать одну или несколько соединенных частей. Части могут быть соединены винтами, болтами, на резьбовых шпильках, другими резьбовыми элементами.
На фиг. 2 показан подогреватель скважинный, корпус которого содержит три части: основную 6 (или среднюю), головку 7, кожух 8 с отверстиями (перфорированный). Головка 7 со средней частью 6 соединена посредствам шпилек с резьбой, установленных в головке (или на средней части) и гаек.
Головка 7 закрывает среднюю часть 6, а также предназначена для крепления за нее, возможно в том числе и тросом, подогревателя в подвешенном состоянии (для спуска в скважину, подъема из нее, при расположении в скважине). Для этого головка может быть снабжена скобой, кольцом, крюком или другим подобным элементом.
В торце головки имеется отверстие для электрического кабеля, в самой головке имеется устройство для крепления электрического кабеля. Таким устройством может быть, например, прижимная пластина.
Для удобства доступа к полости головки, ее фланец с отверстием под электрический силовой кабель может быть съемным (закреплен винтами, болтами, шпильками с гайками, и т.п.). В самой головке имеется устройство для крепления электрического силового кабеля. Таким устройством может быть, например, прижимная пластина.
При собранном подогревателе головка герметичная, герметично закрывает среднюю часть (могут использоваться уплотняющие манжеты, прокладки, герметизирующие пасты), полость головки предназначена для размещения в ней электрических разъемов, клемм.
2
2
n
2
2
n.
Полость головки может быть заполнена электроизоляционным веществом (жидкостью), например, жидким стеклом. Представляет собой водный щелочной раствор силикатов натрия NaO(SiO), или калия KO(SiO), или лития. Электроизоляционная жидкость служит в качестве жидкой изоляции и теплоотводящей среды. При использовании электроизоляционной жидкости снижаются диэлектрические потери, также можно уменьшить размеры и металлоемкость подогревателя, силовых кабелей.
На средней части 6 корпуса, на специально предназначенном для этого кронштейне или на фланце закреплен по меньшей мере один нагревательный элемент 9 (ТЭН) - термоэлектрический нагреватель, а также в средней части и на ней установлены компоненты системы подачи жидкости на его поверхность.
Нагревательный элемент 9 может быть выполнен как сборка, содержащая несколько нагревательных элементов, предпочтительно не менее двух.
Средняя часть 6 выполнена герметичной.
Со свободной стороны, средняя часть 6 корпуса и соответственно нагревательные элементы закрыты перфорированным кожухом 8, который защищает их от возможных механических повреждений.
Перфорация кожуха представляет собой отверстия, выполненные на второй, дальней от основной (средней) части корпуса, половине кожуха.
Таким образом, нагревательный элемент 9 закрыт как сплошной (не перфорированной) частью кожуха, так и перфорированной частью кожуха.
Кожух 8 и средняя часть 6 могут быть соединены при помощи резьбы, хомута, и т.п.
Нагревательный элемент или каждый нагревательный элемент в сборке таких элементов содержит металлическую трубку, например, стальную, внутри которой находится спираль из проволоки, выполненной из сплава никеля с хромом. Для защиты от контакта спирали с металлической стенкой трубки используется кварцевой песок или плавленая окись магния. Последние являются проводниками тепла и, служат электрической изоляцией спирали от металлической трубки. U, М, П, W, V - возможные формы для трубки нагревательного элемента, соответственно, и для нагревательного элемента.
Система подачи жидкости (фиг. 3) на поверхность термоэлектрического нагревателя 9 содержит дозатор, представляющий собой цилиндр 10, разделенный вытеснителем 11 жидкости на две камеры «А» и «Б». В качестве вытеснителя жидкости может быть поршень или плунжер.
Одна, камера «А» гидравлически (трубопроводом 12), через один обратный клапан 13 соединена с источником 2 давления жидкости и, через другой обратный клапан 14 соединена с устройством 15 разбрызгивания жидкости на поверхность термоэлектрического нагревателя.
Другая, камера «Б» гидравлически соединена с полостью под кожухом 8. Эта полость является пространством отграниченным торцом основной (средней) части корпуса, внутренними поверхностями стенок кожуха 8, поверхностью термоэлектрического нагревателя 9 и поверхностью устройства 15 расположенных под кожухом 8.
Рабочие циклы осуществляются в полостях, расположенных с обеих сторон поршня. Таким образом, дозатор является устройством двойного действия. Для уплотнения поршня в цилиндре, для улучшения отвода тепла от поршня, последний может быть снабжен по меньшей мере одним кольцом покрытым износостойким материалом.
Устройство 15 представляет собой трубу, имеет по меньшей мере один диффузор 16, который может иметь рассекатель жидкости.
Устройство 15 закреплено на средней части корпуса и своим участком с диффузором 16 выведено под кожух 8.
Перфорация кожуха выполнена на второй, дальней от основной (средней) части корпуса половине кожухе, в зоне размещения под кожухом нагревательного элемента 9 и вне зоны размещения под кожухом разбрызгивающего устройства 15. То есть, разбрызгивающее устройство 15 находится под не перфорированной частью кожуха.
Материалы.
Для изготовления частей корпуса предпочтительна толстостенная цельнотянутая стальная труба.
В качестве материалов для изготовления частей корпуса, крепежа, элементов подвески предпочтительны коррозионно-стойкие стали. Из них лучше подходят хромистые стали (мартенситные; мартенситно-ферритные. К этому виду относятся стали типа 30X13, 40X13 и т.д; ферритные, к этому виду относятся стали 400-й серии).
Для изготовления устройства разбрызгивания жидкости на поверхность термоэлектрического нагревателя, компонентов, закрепляемых на нем, предпочтительны жаростойкие материалы, например, жаростойкие (окалино-стойкие) стали. Из них предпочтительны: хромистые стали ферритного класса, например, 15Х25Т, 15X28; хромоникелевые аустенитные стали, например, 10Х23Н18, 20Х25Н20С2.
Материалы для изготовления деталей дозатора.
Требования к материалам для изготовления вытеснителя жидкости (поршня, плунжера):
высокая механическая прочность; малая плотность; теплостойкость, в том числе термоциклическая; хорошая теплопроводность; малый коэффициент линейного расширения (оптимально - совпадающий с таковым у гильзы); коррозионная/химическая стойкость; хорошие антифрикционные свойства, обеспечивающие ресурс.
Для изготовления поршня (плунжера) могут быть использованы серый чугун, алюминиевые сплавы типа Al-Si (силумин), жаропрочная сталь (типа 20Х3МВФ или подобная).
Для изготовления цилиндра (гильзы) могут быть использованы чугун, стали, в том числе коррозионно-стойкие, например, хромистые стали (мартенситные; мартенситно-ферритные. К этому виду относятся стали типа 30X13, 40X13 и т.д.).
Степень защиты герметичной части корпуса подогревателя от проникновения посторонних предметов и от проникновения воды соответствует IP69-K.
Функционирование.
н
Вода, под давлением Р, величиной, не менее чем давление забоя, подается по трубопроводу 12 через клапан 13 в камеру "А" цилиндра 10. За счет этого происходит перемещение поршня (плунжера) 11 в сторону уменьшения камеры «Б» и, до упора в цилиндре 10. Объем камеры «А» увеличивается.
н
В результате заполнения водой камеры «А» давление в ней возрастает до Р, что приводит к открытию клапана 14. Через клапан 14, по трубопроводу 12 вода поступает в устройство 15 и через диффузор (-ры) 16 распрыскивается на поверхность нагревательного элемента 9.
Происходит испарение воды, при этом давление пара Рк в полости кожуха 8 возрастает до Рк>Рн.
Под действием образованного в полости кожуха 8 пара под давлением Рк поршень 11 начинает смещаться назад, объем камеры «А» уменьшается, клапан 13 приводится в положение закрыт.
Жидкость из камеры «А» подается по трубопроводу 12 и через устройство 15 наносится (впрыскивается) на нагревательный элемент 9.
Наиболее высокая производительность системы подачи жидкости на поверхность нагревательного элемента (соответственно, объем впрыскиваемой жидкости) может быть рассчитана исходя из выражения баланса мощностей:
P×t=С×М,
где: Р - мощность нагревательного элемента; t - время; С - удельная теплота парообразования; М - масса жидкости.
Тогда масса жидкости для ее превращения в пар за 1 сек. определится как
При таком соответствии, конструкция отвечает условию сохранения баланса мощностей между нагревательным элементом и теплотой парообразования, т.е. объем впрыскиваемой жидкости соответствует мощности нагревательного элемента.
При таком соответствии произойдет интенсивное парообразование под кожухом 8, а именно под его частью, выполненной без перфорации, то есть, под кожухом 8 в первой половине полости.
Далее, пар будет проходить во вторую, находящуюся под перфорированной частью кожуха 8 половину полости и, в итоге через перфорацию выходить в скважину. При этом пар, обтекая поверхности нагревательного элемента 9, нагревается дополнительно.
С выходом пара в скважину, давление под кожухом 8 выровняется с давлением в скважине и процесс парообразования повторится.
Таким образом, количество подаваемой на поверхность нагревательного элемента 9 воды регулируется посредствам управления давлением, создаваемым питающим насосом, дозируется заданным объемом цилиндра 10, и определяется перемещением вытеснителя 11 жидкости под давлением пара образованного в полости кожуха 8.