СКВАЖИННЫЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ, ВСТРАИВАЕМЫЙ В КОЛОННУ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ
DOWNHOLE ELECTRIC HEATER BUILT INTO THE TUBING STRING

Изобретение относится к области нефтегазодобычи и предназначена для проточной тепловой обработки пластового флюида как в призабойной зоне продуктивного пласта (ПЗП) с высоковязкой нефтью, так и в колонне насосно-компрессорных труб (НКТ), с целью снижения вязкости нефти и исключения образования асфальтосмолопарафиновых пробок.
Известны различные скважинные устройства для нагрева пластового флюида. Например, известны нагревательные кабели, размещаемые как снаружи, так и внутри колонны НКТ (патенты РФ №1839043; №2238392; №2334375 и др.). Недостатками этих устройств в виде кабеля являются увеличенные габариты, а также низкий коэффициент полезного действия, вследствие того, что нагревается вся скважина: т.е. и те места, где температура приближается к температуре парафиногидратообразования, и те места, где температура существенно выше температуры парафиногидратообразования.
Также известно устройство для нагрева жидкости, проходящей по колонне насосно-компрессорных труб (Патент РФ №2450121), состоящее из набора проточных кольцевых нагревателей, установленных на теле НКТ, стенки которой перфорированы, при этом проточные кольцевые нагреватели соединены кабелем с источником электрической энергии. Однако указанная конструкция имеет малую площадь нагрева, вследствие небольших размеров нагревательных элементов. А, кроме того, указанная конструкция является ненадежной в плане прочности, ввиду наличия множества перфорационных отверстий в теле колонны НКТ, которые ослабляют ее стойкость к динамическим воздействиям при добыче пластового флюида.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является нагреваемая секция, встраиваемая в колонну НКТ, которая содержит насосно-компрессорную трубу, концевые участки которой выполнены с возможностью встраивания ее в колонну НКТ, питающую шину, нагревательные элементы, закрепленные равномерно с помощью клея с высокой теплопроводностью и теплостойкостью на внешней поверхности указанной насосно-компрессорной трубы, при этом нагревательные элементы с первого по n-й образуют ряды по окружности, а нагревательные элементы рядов с первого по k-й расположены по направляющим внешней поверхности трубы секции насосно-компрессорных труб, k групп по (n+1)-му соединительному проводу, из которых в каждой группе первый соединительный провод соединяет первый в соответствующем ряду нагревательный элемент с питающей шиной, (n+1)-й соединительный провод соединяет последний в ряду нагревательный элемент с трубой секции насосно-компрессорных труб, остальные соединительные провода соединяют последовательно между собой нагревательные элементы ряда. Нагревательная секция снабжена диэлектрическими подкладками, в которых расположены на внешней поверхности трубы секции насосно-компрессорных труб питающая шина и соединительные провода. При этом вся поверхность насосно-компрессорной трубы секции покрыта слоем вулканизированной силиконовой резины, которая выполняет роль защитного кожуха, а также изолирует датчик и элементы нагревательной секции друг от друга и от внешней среды (Патент РФ №2337236).
Недостатками указанной известной нагревательной секции являются следующие:
- ненадежность работы в скважинах с высоким и аномально высоким давлением, а также при наличии высокого количества абразивных веществ в пластовом флюиде, т.к. резиновый кожух в этих условиях не обеспечит 100%-ную гарантию защиты нагревательных элементов от пластовой жидкости, что может привести к замыканию нагревательного элемента на колонну НКТ, что приведет к потере одной фазы у всех секций, а значит - к необходимости ремонтных работ с подъемом колонны;
- кроме того, известная нагревательная секция применима только для нагрева пластового флюида, проходящего по колонне НКТ и ее невозможно использовать для тепловой обработки ПЗП, ввиду наличия теплоизоляционного материала на поверхности секции;
- ненадежность работы конструкции, во-первых, ввиду наличия в каждой секции множества соединений нагревательных элементов с шиной, во-вторых, ввиду наличия клеевого соединения каждого элемента и датчика с насосно-компрессорной трубой, что может привести к отрыву этого нагревательного элемента или датчика, что чревато или выходом из строя всей секции, или ее перегревом.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в повышении надежности и эффективности работы за счет упрощения конструкции и увеличения теплоотдачи, при одновременном обеспечении универсальности за счет возможности его использования для тепловой обработки пластового флюида как в призабойной зоне продуктивного пласта, так и в колонне насосно-компрессорных труб.
Указанный технический результат достигается предлагаемым скважинным электронагревателем, встраиваемым в колонну насосно-компрессорных труб, включающим насосно-компрессорную трубу, концевые участки которой выполнены с возможностью встраивания ее в колонну НКТ, кожух, концентрично установленный относительно насосно-компрессорной трубы, и нагревательные элементы, установленные между указанной трубой и кожухом, подключенные к токоподводящему кабелю, при этом новым является то, что кожух выполнен металлическим и установлен относительно насосно-компрессорной трубы с образованием кольцевого пространства, загерметизированного со стороны торцов кожуха, причем в указанном кольцевом пространстве размещен по меньшей мере один снабженный изолятором нагревательный элемент, выполненный в виде дугообразного пластинчатого электрода, нижний конец которого погружен в электролит, частично заполняющий кольцевое пространство, а верхний конец электрода подключен к токоподводящему кабелю, через узел ввода последнего в кольцевое пространство, при этом нагреватель снабжен, по меньшей мере, одним датчиком измерительного контроля, питание которого и снятие показателей с которого производится через указанный токоподводящий кабель.
При наличии в кольцевом пространстве дугообразного пластинчатого электрода числом более одного, они размещены равномерно по периметру.
Наружная поверхность металлического кожуха снабжена слоем теплоизоляции.
В качестве слоя теплоизоляции используют жидкий керамический утеплитель марки «Thermal-Coat™».
Кожух снабжен центрирующим элементом.
В качестве датчика измерительного контроля электронагреватель содержит датчик температуры и/или датчик давления.
Токоподводящий кабель размещен поверх кожуха нагревателя или в его кольцевом пространстве в кабельном канале.
На поверхности кожуха выполнена проточка для размещения в ней токоподводящего кабеля.
В качестве изолятора нагреватель содержит диэлектрические вставки, обеспечивающие изоляцию электродов друг от друга и от кожуха и насосно-компрессорной трубы.
В качестве диэлектрической вставки нагреватель в кольцевом пространстве содержит кольцо из диэлектрического материала с прорезями для размещения в них электродов.
В случае тепловой обработки призабойной зоны пласта верхняя часть насосно-компрессорной трубы нагревателя выполнена перфорированной.
Датчик измерительного контроля установлен в нагревателе в узле ввода или на колонне НКТ в непосредственной близости от этого узла.
Дугообразный пластинчатый электрод выполнен в виде замкнутого в кольцо электрода.
Поставленный результат достигается за счет следующего.
Благодаря тому, что кожух в предлагаемом скважинном нагревателе выполнен металлическим, будет обеспечена гарантированная защита нагревательного элемента, находящегося в кольцевом пространстве, от попадания на него пластовой жидкости и исключения повреждения электрической нагревательной системы, что повышает надежность работы электронагревателя. Добиться этого в нагревательной секции по прототипу проблематично, т.к. резиновый кожух априори будет менее стойкий к жестким скважинным условиям.
А благодаря тому, что металлический кожух установлен относительно насосно-компрессорной трубы с образованием кольцевого пространства, загерметизированного со стороны торцов кожуха, обеспечивается возможность размещения в нем эффективной нагревательной системы, состоящей по меньшей мере из одного нагревательного элемента, и электролита, частично заполняющего кольцевое пространство, и обеспечивающей нагрев пластовой жидкости, проходящей по колонне НКТ. Простая конструкция этой системы: электрод-электролит-токоподводящий кабель, соединенный через узел его ввода в кольцевое пространство, обеспечивает надежность работы всего нагревателя, в то время как в прототипе клеевое крепление нагревательных элементов к насосно-компрессорной трубе является не во всех ситуациях надежным, т.к. при их отклеивании возможно возникновение его замыкания на НКТ, что приведет к потере одной фазы по всем нагревательным элементам в секции. В предлагаемом же нагревателе в случае наличия нескольких электродов, каждый из них будет подсоединен к своей фазе и при выходе из строя одного из них и потере в результате одной фазы, остальные электроды будут продолжать эффективно работать. Кроме того, на надежность предлагаемого нагревателя влияет значительно меньшее число соединений в его конструкции, по сравнению с прототипом, где имеется множество соединений элементов с шиной.
Выполнение электрода в форме дугообразного пластинчатого элемента имеет следующие преимущества, влияющие на эффективность работы нагревателя:
- увеличивает площадь теплопередачи, т.к. нагревательный элемент имеет дугообразную протяженную форму, приближенную к форме насосно-компрессорной трубы;
- обеспечивает равномерность передачи тепла всему периметру насосно-компрессорной трубы, а значит - проходящему по ней пластовому флюиду. Особенно это выражено при наличии нескольких таких электродов, которые в преимущественном варианте рекомендуется размещать вдоль указанной трубы равномерно, в то время как в прототипе между рядами нагревательных элементов и между самими элементами имеются промежутки, которые снижают равномерность теплопередачи, а также это может происходить и за счет наличия клея, который оттягивает на себя часть мощности;
- значительно увеличивает коэффициент полезного действия.
Наличие узла ввода токоподводящего кабеля в кольцевое пространство электронагревателя обеспечивает три функции: возможность соединения кабеля с электродом; надежную защиту кабеля и датчиков контроля от повреждения; обеспечение герметичности кольцевого пространства, а значит повышение надежности работы. Узел ввода может включать, например, блок раздельного управления электродами, состоящий из реле и блока автоматики, по которому получают команду от наземной станции управления на подключение двух, трех и т.д. электродов.
Благодаря тому, что в указанном узле ввода или на колонне НКТ в непосредственной близости от этого узла заявляемого скважинного электронагревателя установлен по меньшей мере один датчик измерительного контроля, питание которого и снятие показателей с которого производится через указанный токоподводящий кабель, обеспечивается, во-первых, контроль за степенью нагрева нагревателя, во-вторых, появляется возможность регулировки через электрод с использованием этого датчика, посредством наземной системы управления, режимами нагрева с обеспечением оптимальных параметров для конкретной скважины, что приводит к исключению неоправданных электрозатрат, и в-третьих, повышается надежность работы электронагревателя за счет исключения перегрева нагревательной системы. Кроме того, даже если выйдет из строя датчик, то перегрев заявляемого нагревателя будет исключен при предлагаемой конструкции, т.к. электролит просто испарится и нагрев прекратится по этому основанию, т.е. надежность работы не нарушится, в то время как в прототипе выход из строя датчика обязательно приведет к перегреву нагревательной секции.
В преимущественном варианте исполнения электронагревателя наружная поверхность металлического кожуха может быть снабжена слоем теплоизоляции для исключения теплопотерь на нагрев затрубья. Такой вариант предпочтительно использовать для нагрева жидкости в НКТ, а вот для нагрева предлагаемым электронагревателем, например затрубья, или призабойной зоны пласта теплоизоляция не требуется, т.к. в этой зоне требуется нагрев как пластового флюида из пласта, так и этого флюида, попадающего в нижний конец НКТ и самой зоны ПЗП. Вместе с этим в преимущественном варианте выполнения в верхней части насосно-компрессорной трубы электронагревателя могут быть выполнены перфорационные отверстия для оптимизации нагрева флюида в зоне ПЗП.
Кожух может быть снабжен центрирующим элементом для защиты кабеля в месте установки муфты колонны НКТ.
Снабжение электрода (электродов) термостойким изолятором позволяет защитить корпус, кожух от контакта с ними и контакта этих электродов между собой, что повышает надежность работы электронагревателя. Этот термостойкий изолятор может быть выполнен, например, в виде диэлектрической вставки, или иметь кольцо из диэлектрического материала с прорезями для размещения в них электродов.
Указанный технический результат по сути состоит из двух частей: в повышении надежности и эффективности работы за счет упрощения конструкции и увеличения теплоотдачи, и в обеспечение универсальности за счет возможности его использования для тепловой обработки пластового флюида как в призабойной зоне продуктивного пласта, так и в колонне насосно-компрессорных труб и в межтрубном пространстве.
Но при этом следует подчеркнуть, что указанные части неразрывно связаны между собой технически причинно-следственной связью, а именно:
- надежность и эффективность работы обеспечивается за счет использования упрощенной электродной системы с применением дугообразных электродов, которая размещена в кольцевом пространстве между насосно-компрессорной трубой, по которой протекает поток пластового флюида, и кожухом, и при этом благодаря такому ее выполнению будет увеличена теплоотдача за счет сплошности по вертикали и дугообразному выполнению, повторяющему контур насосно-компрессорной трубы и кожуха, именно таких электродов и равномерного их размещения в кольцевом пространстве, при наличии, конечно, и всех остальных существенных признаков полезной модели, без которых электронагреватель просто будет неработоспособным;
- а универсальность обеспечивается за счет того, что нагрев может осуществляться этой упрощенной электродной системой с применением дугообразных электродов, которая размещена в кольцевом пространстве между насосно-компрессорной трубой и кожухом, как потока, протекающего через эту трубу (через теплопередачу насосно-компрессорной трубе), так и пластового флюида в межтрубном пространстве и в ПЗП (через теплопередачу как кожуху, так и НКТ).
Вот почему «надежность и эффективность работы» и одновременная «универсальность» при такой упрощенности конструкции, особом ее выполнении и высокой теплопередаче являются взаимообусловленными, функционально связанными между собой причинно-следственной связью частями, которые совместно и образуют общий технический результат заявленного изобретения.
Указанный общий технический результат достигается всей совокупностью признаков, изложенной в формуле изобретения.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлен продольный разрез предлагаемого скважинного электронагревателя; на фиг. 2 - разрез Α-A; на фиг. 3 - общая схема многофункционального устройства нагрева скважинной жидкости, включающего заявляемый электронагреватель, встроенный в колонну НКТ.
Заявляемый скважинный электронагреватель (фиг. 1) состоит из насосно-компрессорной трубы 1, концевые участки 2 и 3 которой выполнены с возможностью встраивания ее в колонну НКТ путем выполнения на них резьбы. Также нагреватель содержит металлический кожух 4, концентрично установленный относительно насосно-компрессорной трубы 1 с образованием кольцевого пространства 5, которое выполнено загерметизированным со стороны торцов кожуха 4, например, компаундом или металлическими заглушками с уплотнителем. В указанном кольцевом пространстве 5 размещен по меньшей мере один нагревательный элемент, выполненный в виде дугообразного пластинчатого электрода 6, который для увеличения площади соприкосновения с электролитом, а значит для увеличения теплопередачи, может быть замкнут в кольцо, нижний конец которого погружен в электролит 7 (в качестве него можно использовать, например, раствор соли или дистиллированную воду), частично заполняющий кольцевое пространство 5, а верхний конец электрода 6 подключен к токоподводящему кабелю 8, через узел 9 ввода последнего в кольцевое пространство 5. Для подключения токоведущих жил токопроводящего кабеля 8 к электродам 6 под узлом 9 ввода должен быть установлен изолятор с контактным зажимом. В нижней части кольцевого пространства 5 электроды 6 должны быть нанизаны на насадку, выполненную из диэлектрического материала, выполняющего роль изолятора, для исключения контакта электродов 6 и НКТ 1 и/или кожуха 4. Или в кольцевом пространстве 5 может быть установлен изолятор в виде кольца из диэлектрического материала с прорезями для размещения в них электродов. Верхняя часть кольцевого пространства 5 образует паровую зону электронагревателя. При наличии в кольцевом пространстве 5 дугообразного пластинчатого электрода 6 числом более одного, они размещены равномерно по периметру для обеспечения равномерности прогрева потока жидкости в колонне насосно-компрессорных труб (фиг. 2).
При этом в узле ввода 9 или на колонне НКТ в непосредственной близости к электронагревателю установлен по меньшей мере один датчик 10 измерительного контроля, например, датчик температуры и/или датчик давления, причем питание и снятие показателей с которого производится через указанный токоподводящий кабель 8. Следует отметить, что наружная поверхность металлического кожуха 4 может быть снабжена слоем теплоизоляции 11 (например, из жидкого керамического утеплителя марки «Thermal-Coat™») для исключения теплопотерь на нагрев затрубного пространства скважины. Кроме того, на поверхности кожуха 4 может быть выполнена проточка для размещения в ней токоподводящего кабеля 8, размещенного в скважине поверх колонны насосно-компрессорных труб. Однако токопроводящий кабель 8 может проходить как внутри кольцевого пространства 5 по герметичному кабельному каналу 12, либо проходить по его внешней поверхности с посадкой в указанную проточку. В последнем случае он закреплен и защищен протекторами.
Работает предлагаемый скважинный электронагреватель следующим образом. Указанный электронагреватель 13 при спуске в скважину колонны насосно-компрессорных труб 14 встраивается посредством концевых участков 2 и 3 насосно-компрессорной трубы 1 в указанную колонну через муфтовое соединение 15. При этом формируется многофункциональное устройство нагрева скважинной жидкости, включающее заявляемый электронагреватель (фиг. 3). На фиг. 3 показано устройство с тремя заявляемыми скважинными электронагревателями. Причем электронагреватель 13 может быть предназначен как для нагрева жидкости в колонне НКТ 14, для нагрева предлагаемым электронагревателем призабойной зоны пласта (ПЗП) 17, так и для нагрева затрубного пространства 16 или их комбинация. При встраивании его в колонну именно в зоне ПЗП 17 верхняя часть насосно-компрессорной трубы может быть снабжена перфорационными отверстиями 18. Кожух 4 электронагревателя 13 может быть снабжен центрирующим элементом 16 для обеспечения защиты кабеля 8. Поверх колонны или внутри НКТ 14 размещается токоподводящий кабель 8 (он может быть как силовой, так и нагревательный), предназначенный как для питания насосной установки 19, так и электродов 6 в кольцевом пространстве 5 нагревателя 13. По кабелю подается, преимущественно, трехфазный ток (в этом случае необходимо разместить в кольцевом пространстве 5 три электрода 6 или количество, кратное трем), но может быть и однофазный. После подачи напряжения через электрод 6 и электролит 7 к трубе 1 потечет ток, вызывая нагрев электролита 7, его кипение и образование пара, что в свою очередь приведет к теплообмену между стенкой насосно-компрессорной трубы 1 и внутрискважинной жидкостью в НКТ 14. Такой же эффект будет происходить и в электронагревателе 13 у ПЗП 17, производя в дальнейшем тепловую обработку и самой призабойной зоны 17 через передачу тепла от кожуха 4.
При работе происходит рост давления внутри кольцевого пространства 5 электронагревателя, электролит 7 превращается в пар и происходит снижение его уровня и уменьшение тока нагревателя, за счет уменьшения площади контакта электролита 7 с электродами 6, что косвенно определяет соотношение объемов вода-пар и позволяет судить о параметрах термодинамического процесса. При остывании и конденсации пара уровень электролита 7 в кольцевом пространстве 5 восстанавливается, сопротивление электронагревателя принимает первоначальное значение. И нагрев продолжается.
Таким образом, предлагаемый скважинный электронагреватель является универсальным, позволяющим производить нагрев как пластового флюида в колонне НКТ 14, межтрубного пространства 16, так и производить нагрев пласта в зоне ПЗП 17 и жидкости в ней.
Кроме того, указанный нагреватель является более надежным в работе за счет упрощения конструкции. А также позволяет увеличить мощность нагрева и теплоотдачу (его КПД равен 96-98%) за счет применения электродов заявленной конструкции и их количества, а значит обеспечить нагрев до требуемой температуры именно нужного участка скважины. При этом наличие теплоизоляции поверх кожуха делает нагреватель с высокой теплопередачей жидкости в колонне НКТ, а нагреватель без теплоизоляции будет успешно работать в межтрубном пространстве, в зоне ПЗП, т.к. не будет препятствовать теплоотдаче пласту, в результате чего увеличивается прогрев пласта вглубь.