УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОИЗОЛЯЦИИ СКВАЖИН В МНОГОЛЕТНЕМЁРЗЛЫХ ПОРОДАХ
DEVICE FOR WELLS THERMAL INSULATION IN PERENNIALLY FROZEN ROCKS

Изобретение относится к эксплуатации нефтяных и газовых скважин в районах с многолетнемерзлыми породами и предназначено для сохранения отрицательной температуры вокруг ствола скважины в течение всего срока ее эксплуатации.
Известно рефрижераторное шахтовое направление, состоящее из аккумулятора холода с полостью, заполненной замерзающей жидкостью, и торцевыми крышками, в корпусе аккумулятора коаксиально вмонтирована внутренняя труба с теплоизоляцией, под верхней торцевой крышкой установлен теплообменник радиаторного типа и генератор холода с наружным газопроводом и с циркуляционными трубами, пропущенными до нижней торцевой крышки (авт. свид. СССР №1809001 А1, дата приоритета 01.06.1991, дата публикации 15.04.1993, авторы: Быков И.Ю. и др.).
Недостатком известного аналога является использование в крупногабаритной конструкции большого объема замерзающей жидкости и повышенный расход хладоносителей.
Известно устройство, состоящее из коаксиально установленных трех труб, для реализации способа транспортировки нефти или газа в многолетнемерзлой породе, по которому углеводородный газ, предпочтительно природный газ, циркулирует между многолетнемерзлой породой и горячим флюидом (Патент США №3674086, дата приоритета 07.08.1970, дата публикации 04.07.1972).
Недостатком этого аналога является установка дополнительной трубы, обеспечивающей создание зазора между трубами для циркуляции газа, что способствует увеличению диаметра скважины и необходимости установки оборудования на поверхности скважины, а также приводит к существенным экономическим затратам.
Известно термоизолирующее направление, используемое при забуривании скважины в районах многолетней мерзлоты для предотвращения ее растепления, состоящее из сборно-разборных секций, содержащих внутреннюю и наружную коаксиальные трубы, межтрубное пространство между которыми заполнено теплоизолирующим материалом (Патент РФ №158353 U1, дата приоритета 28.09.2015, дата публикации 27.12.2015, авторы: Жилин А.С. и др.).
Недостатком известного термоизолирующего направления буровой скважины является низкая эффективность его использования в летний период из-за вероятности растепления околосвайного пространства в связи с отсутствием возможности управления тепловым потоком в системе скважина-многолетнемерзлая порода.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для термоизоляции скважин в многолетнемерзлых породах, принятое в качестве прототипа, содержащее коаксиально расположенные трубы, теплоизоляционную перегородку с зазорами в верхней и нижней частях, обеспечивающими естественную циркуляцию охлаждающей жидкости, которой заполнены кольцевые полости, разделенные теплоизоляционной перегородкой, при этом верхняя часть устройства сообщается с атмосферой и выполняет функцию теплообменника (авт. свид. СССР №1767162 А1, дата приоритета 13.08.1990, дата публикации 07.10.1992, авторы: Носков Н.А. и др., прототип).
Недостатком прототипа также является низкая эффективность его использования в летний период из-за отсутствия принудительной циркуляции охлаждающей жидкости и необходимости накопления устройством в зимний период достаточного количества холода в многолетнемерзлой породе для того, чтобы она не оттаяла летом.
Задачей изобретения является повышение эффективности термоизоляции скважин для предотвращения оттаивания многолетнемерзлой породы в течение всего срока эксплуатации скважины, включая летний период, путем управления тепловым потоком и его уменьшения.
Для решения поставленной задачи предложено устройство для термоизоляции скважин в многолетнемерзлых породах, включающее теплоизолирующую конструкцию между цементной стенкой скважины и эксплуатационной трубой, содержащую коаксиально расположенные две трубы и вертикальную теплоизоляционную перегородку между ними, образующую в межтрубном пространстве две камеры со средой, обеспечивающей отвод теплового потока. Новым является то, что в межтрубном пространстве теплоизолирующей конструкции с помощью вертикальной теплоизоляционной перегородки, установленной на пакерный элемент, расположенный на границе глубины оттаивания многолетнемерзлой породы, образованы внешняя и внутренняя изолированные камеры. Внешняя камера заполнена незамерзающей средой, а внутренняя камера заполнена теплоносителем для отвода внутренней теплоты скважины и оборудована системой принудительной циркуляции теплоносителя. Кроме того, вертикальная теплоизоляционная перегородка дополнительно снабжена внешним теплопроводящим слоем с термоэлектрическими элементами, установленными с возможностью прохождения через них электрического тока и контактирующими с теплоносителем внутренней камеры.
Согласно изобретению, в устройстве между эксплуатационной трубой и внутренней стенкой теплоизолирующей конструкции расположены промежуточные трубы с цементными кольцами, обладающие температурным сопротивлением, способствующим уменьшению теплового потока.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично изображено устройство для термоизоляции скважин в многолетнемерзлых породах.
Устройство для термоизоляции скважин в многолетнемерзлых породах включает теплоизолирующую конструкцию 1, расположенную в шахте 2, выполненной с цементными стенками 3 в многолетнемерзлом грунте 4, кондуктор 5, промежуточную колонну 6, эксплуатационную трубу 7, насосно-компрессорную трубу 8 и промежуточные цементные кольца 9, создающие тепловое сопротивление между насосно-компрессорной трубой 8 с добываемой жидкостью 10 и теплоизолирующей конструкцией 1. На указанных трубах установлена фонтанная арматура 11.
Теплоизолирующая конструкция 1 является основным сборочным элементом устройства для термоизоляции скважин и содержит коаксиально расположенные наружную 12 и внутреннюю 13 трубы, образующие межтрубное пространство с торцевыми крышками, в котором на границе глубины оттаивания многолетнемерзлой породы установлен пакерный уплотнительный элемент 14, а на него герметично установлена вертикальная теплоизоляционная перегородка 15, образующая в межтрубном пространстве две изолированные кольцевые камеры. Внешняя камера 16 заполнена незамерзающей средой, являющейся антифризом, например этиленгликолем, а внутренняя камера 17 заполнена средой жидкого или газообразного теплоносителя, например дизтопливом или воздухом, для отвода внутренней теплоты скважины. При этом внутренняя камера 17 оборудована системой обеспечения принудительной циркуляции теплоносителя, содержащей трубопроводы подачи 18 теплоносителя и отвода 19 со встроенными в них насосом 20 для жидкой среды, компрессором для газообразной среды и теплообменным устройством 21. В наружной же камере 16 с незамерзающей средой принудительная циркуляция отсутствует.
Для повышения эффективности работы теплоизолирующей конструкции 1 вертикальная теплоизоляционная перегородка 15 дополнена обладающей высокой теплопроводностью металлической трубой 22 с термоэлектрическими элементами 23, контактирующими одной стороной со средой теплоносителя внутренней камеры 17. Для подключения термоэлектрических элементов 23 из теплоизолирующей конструкции 1 выведен кабельный отвод 24. В качестве термоэлектрических элементов могут быть использованы, например, элементы Пельтье (http:/www.chipdip.ru/catalog-show/thermoelectric-modules/, дата просмотра 05.04.2016).
Устройство для термоизоляции скважин в многолетнемерзлых породах работает следующим образом.
При необходимости охлаждения среды в наружной камере 16, преимущественно в летний период, через кабельный отвод 24 подается напряжение и сила тока на термоэлектрические элементы 23. Среда в наружной камере 16 охлаждается за счет работы термоэлектрических элементов до необходимой температуры предотвращения оттаивания многолетнемерзлой породы 4. Система обеспечения принудительной циркуляции, содержащая опущенный во внутреннюю камеру 17 трубопровод подачи 18 среды теплоносителя, трубопровод отвода 19 в верхней части камеры 17, насос 20 и теплообменное устройство 21, нагнетает среду теплоносителя, способствуя отводу выделяемой теплоты от горячих сторон термоэлектрических элементов 23 и добываемой жидкости 10. Нагнетаемая среда после охлаждения на поверхности закачивается обратно во внутреннюю камеру 17.
Во время зимнего периода эксплуатации газовых и нефтяных скважин термоэлектрические элементы 23 можно отключить для экономии потребляемой электроэнергии. В таком случае устройство будет работать за счет естественной конвекции среды теплоносителя.
При необходимости термоэлектрические элементы 23 можно включить для обогрева скважины, а путем изменения направления тока в них можно регулировать режимы нагревания или охлаждения в камерах со средами.
Данное устройство для термоизоляции скважин в многолетнемерзлых породах можно монтировать на действующих и строящихся скважинах, что позволит предотвратить оттаивание мерзлой породы, увеличит срок их эксплуатации.