Устройство для исследования внутрипластовых окислительных процессов при линейном повышении температуры

Полезная модель относится к нефтяной промышленности и может быть использована для физического моделирования процессов внутрипластового окисления в лабораторных условиях при линейном повышении температуры с заданной скоростью нагрева и различных давлениях.
Существующие методы оценки, перспективности проведения различных методов внутрипластового горения (окисления) на том или ином месторождении основаны на изучении механизма процесса внутрипластового горения (окисления) при закачке воздуха/водовоздушной смеси и определения их основных характеристик.
Известно устройство, которое используется для исследования внутрипластовых окислительных процессов (Cinar, Murat. Kinetics of Crude Oil Production in Porous Media Interpreted Using Isocoversional Methods. PhD thesis, Stanford University, 2011.) Устройство представляет собой трубу с фланцами на концах изготовленную из нержавеющей стали (марка 316), для герметизации фланцев используется ножевое уплотнение по отожженной медной прокладке толщиной 3,2 мм, длина трубы 145 мм, внутренний диаметр 31 мм, толщина стенки 18 мм. Фланцы закрываются крышками, в которых размещены технические разъемы. На внутренней поверхности устройства нанесено покрытие SilcoKleanTM 1000. Вдоль оси устройства проходит тонкостенная трубка диаметром 3,2 мм для установки 3-х термопар. Рабочее давление 0,69 МПа. В качестве нагревателя используется электрическая печь с максимальной температурой 760°C, для контроля температуры в печи используются 3 термопары, расположенные в разных местах печи.
Однако данное устройство недостаточно эффективно для исследований при давлениях сопоставимых с пластовыми, так как рабочее давление составляет 0,69 МПа. Устройство расположено в электрической печи, в связи с этим скорость нагрева устройства сильно снижена. Также в связи с высокой инерционностью нагрева печи и наличием пустого пространства точность поддержания температуры устройства низкая.
Частично устраняет недостатки аналога применение устройства, которое используется для исследования внутрипластовых окислительных процессов (SPE-180817-MS). Устройство представляет собой трубу с фланцами на концах изготовленную из нержавеющей стали (Hastelloy С-276), длина 902 мм, внутренний диаметр 21 мм, толщина стенки трубы 6 мм. На фланцах фиксируются крышки хомутовыми соединениями, в верхней крышке расположен разъем для шести термопар. По длине наружной стенки расположен керамический нагреватель, для равномерного нагрева рабочей зоны устройства длиной 584 мм. Максимальное рабочее давление 31 МПа. Максимальная рабочая температура 650°C.
Устройство нагревается с помощью массивного керамического нагревателя, в связи с этим скорость нагрева устройства снижена. Так как устройство нагревается на 65% от своей длины, а также в связи с высокой инерционностью нагревателя точность поддержания температуры устройства низкая. Не решена проблема оттока тепла от рабочей зоны.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство, используемое для исследования внутрипластовых окислительных процессов (патент №179479, Е21В 43/243; заявл. 16.06.2017; опубл. 16.05.2018), включающее камеру для проведения исследований с помещенной в нее пористой структурой (песок, дробленый керн, куски керна и т.д.), состоящее из трубы длиной от 1 до 2,5 м, внутренним диаметром от 47 до 98 мм и сборных фланцев, изготовленных из стали 12Х18Н10Т. Толщина стенки трубы, с нанесенной на нее искусственной шероховатостью, составляет 5-8 мм. На фланце расположено 3 разъема для ввода различных агентов и один разъем под трубчатый кожух для стационарных термопар, расположенный в центре, на втором фланце по центру расположен вывод для всех агентов. Снаружи камеры устанавливаются нагреватели (14-19 шт. ) и пассивно-активные радиаторы охлаждения (13-18 шт. ), между стенкой трубы и нагревателем устанавливаются контролирующие термопары. Радиаторы условно делят камеру на 14-19 равных зон. В трубчатом кожухе для термопар по центру каждой секции зафиксирована измерительная термопара. Термопары и нагреватели подключаются к контроллеру. Закачка рабочих агентов (вода, газ, нефть и т.д.) осуществляется через 3 разъема на фланце. Максимальное допустимое давление составляет 12 МПа. Контроллером задается температура нагрева каждого нагревателя (диапазон рабочих температур от 0 до 700°C). В процессе закачки рабочего агента изменение температур фиксируется термопарами, расположенными в трубчатом кожухе для термопар.
Принимаем описанное устройство за прототип.
Недостатки прототипа состоят в следующем.
1. Максимальное допустимое давление составляет 12 МПа, что ограничивает возможность проведения исследований при более высоких давлениях.
2. Наличие пассивно-активных радиаторов делает невозможным равномерный линейный нагрев всего устройства.
3. Ограниченная точность измерений, поскольку большие линейные размеры не позволяют обеспечить равномерный линейный нагрев всего устройства.
Задача полезной модели - повышение точности измерений при физическом моделировании внутрипластовых окислительных процессов в различных пористых средах за счет измерения температуры вдоль оси модели при равномерном линейном нагреве с определенной скоростью.
Сущность предлагаемого технического решения заключается том, что в известной полезной модели уменьшен диаметр и длина трубы. При этом внутренний диаметр и длина трубы уменьшен от 47 до 26 мм и от 98 до 52 мм, т.е. в 1,8 и 1,9 раз соответственно. Убраны радиаторы пассивно-активного охлаждения. Нагреватели равной длины скомпонованы с учетом покрытия всей модели с минимальным зазором, для обеспечения максимально равномерного нагрева модели. Центральный трубчатый кожух с комплектом измерительных термопар, равномерно распределенных по всей длине трубы, заменен трубчатым кожухом меньшего диаметра с меньшей толщиной стенки, для обеспечения точного контроля температур. Нагревательные элементы и места их стыков теплоизолированы для поддержания равномерного нагрева.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где:
На фиг. приведена схема устройства для исследования внутрипластовых окислительных процессов при линейном повышении температуры. Устройство включает внешние кольцевые электронагреватели (4 шт.) 1, измерительные термопары (4 шт.) 2 и контролирующие термопары (4 шт.) 3, трубчатый кожух для термопар 4, теплоизоляция 5, фланцы сборные 6 и 7, труба 8, ввод и вывод агентов 9 и 10 соответственно, контроллер 11.
Основой устройства (Фиг.) является камера для проведения исследований с помещенной в нее пористой структурой (песок, дробленый керн, куски керна и т.д.), состоящая из трубы 8, сталь 12Х18Н10Т длина 0,9 м, внутренний диаметр 46 мм, толщина стенки трубы 9-11 мм, с нанесенной на внутренние стенки искусственной шероховатостью, а также сборных фланцев 6, 7, сталь AISI 316Ti. На фланце 6 расположено 4 разъема для ввода различных агентов или дополнительного оборудования и один разъем под трубчатый кожух 4 для установки измерительных термопар 2, расположенный в центре, на фланце 7 по центру расположен вывод для всех агентов. Снаружи камеры устанавливаются внешние нагреватели 1 (4 шт. ), между стенкой трубы и внутренней поверхностью нагревателей устанавливаются контролирующие термопары 3. Нагреватели условно делят камеру на 4 равные зоны. В трубчатом кожухе для термопар 4 по центру каждой зоны зафиксирована измерительная термопара. Термопары и нагреватели подключаются к контроллеру 11. Закачка рабочих агентов (вода, газ, нефть и т.д.) осуществляется через разъемы на фланце 5. Максимальное рабочее давление составляет 40 МПа. Контроллером 11 задается температура нагрева каждого нагревателя (диапазон рабочих температур от 0 до 600°C). В процессе закачки рабочего агента изменение температур фиксируется термопарами, расположенными в трубчатом кожухе для термопар 4.
Преимущества заявленного устройства перед прототипом состоят в следующем:
1. Увеличение максимального рабочего давления с 8 до 40 МПа;
2. Уменьшение размеров модели и увеличение длины нагревателей позволяет добиться большей точности контроля температуры при равномерном нагреве всей модели;
3. Размещение комплекта термопар в трубчатом кожухе для термопар меньшего диаметра и с меньшей толщиной стенки позволяет получать более точные зависимости изменения температур по длине модели от времени.
4. Уменьшение размеров и веса устройства за счет уменьшения линейных размеров модели и отказа от пассивно-активных радиаторов.
Таким образом, заявленное устройство обеспечивает повышение точности измерений, снижение их трудоемкости и идентичность условий последующих испытаний, позволяет проводить более широкий спектр исследований по сравнению с прототипом.