НАСОСНО-КОМПРЕССОРНАЯ ТРУБА С ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫМ ПОКРЫТИЕМ
TUBING STRING WITH HEAT-INSULATING COATING

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, а именно к конструкциям насосно-компрессорных труб (НКТ) с теплоизоляционным покрытием (ТИП) и может быть использовано для строительства из стыкуемых друг с другом НКТ теплоизолированных колонн в нефтегазовой промышленности для нагнетания в углеводородсодержащий пласт рабочего агента воздействия (РАВ), например, перегретого до 350 градусов водяного пара.
В настоящее время увеличивается количество скважин с трудно извлекаемой тяжёлой нефтью. В связи с этим практикуется закачка по колонне НКТ в продуктивный пласт РАВ в течение длительного времени для разжижения нефти и увеличения дебита скважин в последующем.
Для реализации таких технологий требуются НКТ, обладающие высокими теплоизолирующими свойствами для снижения тепловых потерь РАВ, простоту эксплуатации и изготовления, а также ремонтопригодность на существующих базах нефтедобывающих предприятий.
Для решения таких проблем используют различные конструкции НКТ, в том числе с многослойными ТИП на наружной поверхности трубы. Однако проблемы остаются: нарушение целостности ТИП в зоне захвата зажимами гидравлического ключа или спайдера при работе с колонной, повреждение ТИП при хранении и перевозке между объектами нефтедобычи, а также при спускоподъемных операциях, невозможность провести ремонт крепёжных элементов НКТ без повреждения ТИП, что требует его полной замены.
Рассмотрим несколько типичных конструкций НКТ с ТИП.
Известна теплоизолированная колонна НКТ [Патент RU № 2129202, МПК Е21В 17\00, опубл 20.04.1999], включающая внутреннюю трубу с расположенной на ней многослойной экранной изоляцией, наружную трубу и муфту. Внутренняя труба выполнена цельной с высаженными профилированными концами, наружная труба перед монтажом сжата вдоль оси на 9-12 мм имеет на концах конусно-упорную резьбу и снабжена герметизированным вакуумно-плотным швом, седлом и клапаном, внутренняя и наружные трубы выполнены из одного материала и по торцам обварены вакуумно-плотными швами, на многослойной экранной изоляции размещены центрирующие кольца, между слоями многослойной экранной изоляции размещён газопоглотитель, а в межтрубном пространстве создан вакуум, при этом муфта навёрнута на наружную трубу, а уплотнительная втулка поджимает профилированные концы внутренней трубы к наружной трубе.
Существенным недостатком известной конструкции является сложность сохранения вакуума в межтрубном пространстве из-за знакопеременных температурных деформаций при работе, требование постоянного контроля величины вакуума через клапан. Наличие сварных швов приводит к изменению структуры металла в зонах нагрева и ослаблению конструкции при осевом нагружении, а наличие наружной трубы утяжеляет колонну в целом.
Известна труба теплоизолированная [Патент RU № 121855, МПК Е21В 17\00, опубл. 2012г.], включающая размещённое на трубе теплоизоляционное покрытие, содержащее теплоотражающий и теплоизолирующий слои, слой базальтового полотна, покрытый теплоотражающим слоем, причём покрытие дополнительно содержит наружный защитный слой и второй теплоотражающий слой, теплоизолирующий слой размещён между теплоотражающими слоями, а на наружном теплоотражающем слое размещён защитный наружный слой, при этом теплоотражающие слои выполнены из алюминиевой фольги, а в качестве теплоизолирующего материала используют мультикремнезёмистый войлок, защитный слой представляет трубу из полипропилена, а между теплоотражающим покрытием и защитным покрытием размещён слой стеклопластика.
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что теплоизолирующее покрытие, состоящее из большого количества слоёв, весьма сложно и трудоёмко в изготовлении учитывая длину НКТ до 9 метров. Это способствует браку в виде несплошностей и переменной теплопроводности по длине НКТ в результате. Недостатком также является отсутствие в конструкции специально выполненных зон захвата инструментами при сборке таких НКТ в колонну, что ведёт к повреждению ТИП и сокращению срока службы НКТ.
Известна НКТ с теплоизоляционным покрытием [Патент RU                  № 2704405, МПК Е21В 17\00, опубл. 2018г.]. В данной конструкции на трубе имеется ТИП, закрытое сверху кожухом. Две теплоизолированные зоны захвата трубы инструментом при монтаже-демонтаже, а также размещённые на торцах трубы соединительные элементы, предназначенные для стыковки труб при сборе их в колонну. При этом зоны захвата образованы дисками, приваренными к трубе и к кольцам с пластинами, причём между кольцами и защитным кожухом имеется гофрированный участок для компенсации температурных деформаций. В качестве ТИП использован материал «microtehrm» из пирогенного диоксида кремния.
Изучение конструкции показывает, что труба НКТ имеет зоны сварки дисков, ослабляющие материал путём изменения его структуры и создания концентраторов напряжений. Оформление зоны захвата многочисленными деталями (проставки, гильзы), в том числе из редкого материала (висмут), ведёт к увеличению трудозатрат при стыковке труб в колонну и снижает эксплуатационную надёжность. Неясным является вопрос о применении в качестве ТИП диоксида кремния, который является порошком. Очевидно, что изготовление из него колец, одеваемых на трубу, возможно при наличии связующего, имеющего высокую термостойкость. Предложенная конструкция сложна в изготовлении и содержит элементы повышенной точности, что ведёт к удорожанию НКТ в целом.
Известна НКТ с ТИП, содержащая трубу из легированной стали с соединительными элементами на её концах в виде резьбовых поверхностей, принятая за прототип [Патент RU № 156386, МПК F16L 59\00, опубл. 2015г.]
На наружной поверхности трубы сформировано многослойное ТИП. На поверхности трубы образованы две имеющие аналогичное конструктивное исполнение зоны захвата, предназначенные для воздействия инструментом при монтаже-демонтаже колонны НКТ. Каждая зона содержит металлический каркас, закреплённый сваркой на наружной поверхности трубы. На каркасе, приваркой к нему продольных и поперечных рёбер, образованы ячейки для ТИП.
В качестве ТИП могут применяться разные материалы, например, базальт.
На каркас с ТИП надет защитный кожух для сохранения ТИП при захвате, например, гидравлическим ключом. На кожух намотаны слои теплоотражающего материала (алюминиевая фольга) и стеклопластиковой оболочки, а на последнюю - тонкая стальная сетка. Сетка на оболочке фиксируется полимерным связующим. Слой сетки предохраняет защитную оболочку от повреждений стальными губками гидравлического ключа или спайдера.
Недостатками данного решения является многоэлементность таких зон в виде закреплённого на наружной поверхности трубы каркаса с обращёнными наружу рёбрами, не позволяет прикладывать к таким зонам высоких нагрузок. Это приводит к разрушению в месте контакта помещённых на каркас теплоизолирующих слоёв и деформированию размещённого в ячейках каркаса ТИП.
Наружная поверхность НКТ при спускоподъёмных операциях из-за непрямолинейности обсадной колонны скважины контактирует с ней, что ведёт к преждевременному износу - центраторы не предусмотрены. Кроме того, НКТ по данному патенту также имеет места сварки, недостатки чего указаны выше.
Соединение труб в колонну проходит через резьбовую муфту. Таким образом, ТИП на ней отсутствует и возникают теплопотери на этом участке.
В процессе эксплуатации НКТ подвержена частой сборке в колонну и обратному демонтажу. В результате коническая резьба изнашивается и требует ремонта. Обсуждаемая конструкция не позволяет провести ремонт удалением дефектной резьбы и создания новой, так как это ведёт к нарушению каркаса, ТИП и защитного кожуха. Восстановление конструкции крайне трудоёмко.
Всё вышеприведённое снижает срок эксплуатации НКТ.
Технический результат - создание НКТ с ТИП, обладающей высокими теплоизолирующими свойствами при простоте и надёжности конструкции, ремонтопригодности и долговечности при эксплуатации, а также снижение трудоёмкости при монтажно-демонтажных операциях сборки/разборки колонны.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что насосно-компрессорная труба с теплоизоляционным покрытием содержит трубу, на наружной поверхности которой размещено теплоизоляционное покрытие, закрытое сверху защитным кожухом, по торцам которого расположены крышки, а также две теплоизолированные зоны захвата и размещённые на резьбовых частях торцов трубы, соединительные элементы (муфты). Теплоизоляционное покрытие включает два термобарьерных слоя. Первый термобарьерный слой – это керамический шнур, второй термобарьерный слой – это литьевой композиционный материал. Теплоизоляционное покрытие создает после отверждения монолитный блок с трубой и кожухом на участке трубы между зонами захвата, которые теплоизолируются полускорлупами, зафиксированными на соединительном элементе стрип-лентами.
Особенностями является то, что литьевой композиционный материал выполнен с использованием полых микросфер и связующего материала (эпоксидная смола) при соотношении компонентов 3-5:1. Полускорлупы содержат центраторы, защитный кожух и вкладыш, которые соединены в монолитный блок после отверждения литьевого композиционного материала и стянуты стрип-лентой, не выступающей за наружный габарит цетраторов. Причем керамический шнур имеет преимущественно квадратное сечение и закреплён на трубе с помощью механической смеси, а вкладыш выполнен из пористого керамического материала.
Труба, её ТИП и защитный кожух регулярной части трубы объединены в монолитный блок после отверждения литьевого композиционного материала, нагнетаемого в зазор между кожухом и трубой литьём под давлением. При этом зоны захвата НКТ защищены съёмными полускорлупами, содержащими тот же литьевой композиционный материал, что и регулярная часть, которое монолитно связанно с вкладышем, прилегающим к трубе и соединительному элементу, в качестве которого применяется муфта, а также с центраторами положения НКТ в обсадной колонне и защитным кожухом.
Полускорлупы стянуты стрип-лентами из нержавеющей стали с толщиной, не превышающей выступание центратора над защитным кожухом.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг. 1 представлена НКТ с ТИП. Продольный разрез регулярной части;
- на фиг. 2 представлена НКТ в сборе с защитой зоны захвата;
- на фиг. 3 представлен компенсационный зазор.
Основной частью НКТ (фиг.1) является труба 1, изготовленная из легированной стали. На торцах трубы 1 имеется резьбовая часть 5 для установки соединительного элемента 6 при сборе НКТ в колонну. На наружной поверхности трубы 1 сформировано ТИП из двух термобарьерных слоев.
Первый термобарьерный слой изготовлен из керамического шнура 7, предпочтительно квадратного сечения для минимизации захлопывания воздуха в межвитковом пространстве. Шнур 7 наматывается на трубу 1, исключая зоны захвата 4, с помощью механической смеси 18, состоящей из мелкодисперсных полых микросфер и полимеризующегося связующего в виде бромированной эпоксидной смолы.
На концах трубы 1, исключая зоны захвата 4, установлены крышки 3, на которые опирается защитный кожух 2. Крышки 3 изготовлены из металла с антикоррозийным покрытием, или нержавеющей стали, а защитный кожух 2 - из трубы ПНД (полиэтилен низкого давления) или полипропилена. Пространство между защитным кожухом 2 и шнуром 7 заполнено вторым 8 термобарьерным слоем на основе мелкодисперсных полых микросфер и полимеризующегося связующего, например, эпоксидной смолы, при соотношении их друг к другу, например, как (3-5):1. Микросферы могут иметь размерность диаметра от 2 мкм до 500 мкм в зависимости от задаваемых параметров теплопроводности композиции со связующим и быть изготовлены из полимера, например, фенолформальдегида, или стекла.
Для стыковки с защитой зоны захвата 4 трубы 1 и компенсации температурных деформаций в осевом направлении крышки 3 снабжены цилиндрическим выступом 12, где в канавке размещено уплотнение 13.
Защита зоны захвата 4 НКТ и соединительного элемента 6 (стыковочной муфты) (фиг.2) выполнена в виде двух съёмных полускорлуп (на фиг. не обозначены), которые установлены на зоны захвата 4 трубы 1 и соединительный элемент 6 (муфту) вкладышем 11, выполненным из пористой керамики. Он защищает от сдвиговых нагрузок и заменяет первый термобарьерный слой регулярной части трубы 1.
Защитный кожух 2 полускорлуп изготовлен из трубы ПНД или полипропилена и опирается на центраторы 10, ориентирующие НКТ в обсадной колонне скважины (на фиг. не показана) при спускоподъёмных операциях.
Полускорлупы после установки на зону захвата 4 НКТ стягиваются двумя или тремя стрип-лентами 9 до достижения минимального зазора в плоскости разъёма 14. При этом конструктивно обеспечено превышение 15 центратора 10 над стрип-лентой 9 для исключения контакта последней с обсадной колонной при движении.
Важным является то, что полускорлупы представляют собой монолитный блок, закреплённый на соединительном элементе 6 (муфте), что исключает их срыв с НКТ при взаимодействии центраторов 10 с обсадной колонной при движении во время спускоподъёмных операций.
Компенсация температурных осевых деформаций НКТ и отклонений размеров от номинала при изготовлении (показана на фиг.3) обеспечена наличием зазора 16, который образуется после монтажа полускорлуп, защищающих зоны захвата 4 (фиг.2). При этом уплотнение 13 обжимается выступом (на фиг. не обозначен) центратора 10, что герметизирует полость 17, образованную крышкой 3 и центратором 10. Таким образом исключается перенос флюида (при его наличии) из зазора между НКТ и обсадной колонной в полость 17 и обратно, что снижает теплопотери рабочего агента воздействия.
3
2
2
Как показано на фиг. 1, первый термобарьерный слой выполнен из шнура 7. Шнур 7 выполнен из керамического волокна с рабочей температурой нитей 700°С, плотностью 500 кг/м, теплопроводность 0,038 Вт/м °С. Шнур 3 установлен на трубу 1 с помощью механической смеси 18, состоящей из мелкодисперсных полых микросфер и полимеризующегося связующего в виде бромированной эпоксидной смолы при пределе прочности при сдвиге по клеевому шву 10-11 МПа. Такие параметры шнура 7 гарантированно обеспечивают его термостойкость в составе ТИП для НКТ при температурах РАВ в виде, например, перегретого до 350°С водяного пара, а усилие сдвига всего ТИП с трубы 1 превышает 4100 кг/см. Что находится на уровне прочности резьбовой части НКТ. Кроме того, шнур 7 дополнительно служит амортизационным слоем для ТИП при эксплуатации. Известно, что между скважинами НКТ перевозятся автотранспортом по пересечённой местности, сопровождаемой тряской. Также возможны и технические вибрации при работе в скважине. Слой из шнура 7 позволяет сохранить ТИП на длительное время. Одновременно, введение в конструкцию заявляемой НКТ шнура 7 из керамических волокон снижает напряжения в ТИП от температурного удлинения НКТ при работе в скважине. Шнур 7, как конструкция из многих волокон, являясь прослойкой между металлической НКТ и полимерным ТИП, резко снижает напряжения в адгезионном шве между ТИП и шнуром 7, шнуром 7 и НКТ. Этим достигается долговечность целостности конструкции, заявляемой авторами.
В качестве второго 8 термобарьерного слоя ТИПа применен материал, представляющий механическую смесь эпоксидной смолы и полых микросфер из полимера или стекла. Плотность упаковки микросфер варьируется в зависимости от требуемых параметров ТИП на НКТ. Авторами проведены исследования для соотношения микросфер - смола как 3-5:1 при среднем фракционном составе микросфер, который изменяется в диапазоне диаметров 2-500 мкм. Получены результаты: адгезия к стали 10 МПа, Теплопроводность 0,052-0.07 Вт/м °С, прочность при сжатии 28-50 МПа, при растяжении 20-30 МПа, диапазон температур -70 +150°С и модуль упругости 400-2000 МПа. Полученные результаты позволили применить это ТИП для изоляции НКТ и создания монолитного блока из ряда элементов конструкций, представленных на фиг. 1 и 2.
Проведённые расчёты для скважины глубиной 1300 м, температуре пара на входе 300°С и его производительности 0,94 Гкал/ч, параметре Шухова 0.091996 показали, что при размере шнура 7 10*10 мм температура пара на входе в пласт составит 276°С (при расходе пара 0,019290123 кг/с). Температура на поверхности защитного кожуха 2 составила 109,14°С. Это можно считать приемлемым результатом, который может быть улучшен изменением параметров подачи пара.
Расчётные параметры проверены экспериментом, где на НКТ диаметром 73 мм нанесено ТИП по предлагаемой заявке. При подаче в НКТ горячего воздуха 350°С и расходе 300 л/мин через 80 мин на наружной поверхности защитного кожуха 2 зафиксирована стабилизация температуры на уровне 70°С. Данный результат лучше расчётного, что позволяет рекомендовать предлагаемую конструкцию НКТ к применению.
НКТ с ТИП изготавливают следующим образом.
На трубу 1 на механической смеси 18 наматывают шнур 7, исключая зоны захвата 4, которые расположены перед резьбовой частью 5. На трубу 1 устанавливают крышки 3 (с обоих сторон трубы 1) и защитный кожух 2. Через технологические отверстия одной из крышек 3 нагнетают второй 8 термобарьерный слой теплоизоляционного покрытия, при этом воздух вытесняется через отверстия (на фиг. не обозначены) в крышке 3 в направлении А (фиг.1). Нагнетание заканчивают при появлении второго 8 термобарьерного слоя в данных отверстиях. После отверждения второго 8 термобарьерного слоя регулярная часть НКТ считается готовой.
Для изготовления полускорлуп защиты соединительного элемента 6 (муфты) (фиг. 2), соединяющей трубы 1 в колонне, применяют имитатор, дублирующий защищаемое соединение (не показан). На него последовательно устанавливают вкладыш 11, центраторы 10 и защитный кожух 2. Половинки вкладыша 11 стягивают монтажной тонкой проволокой (не показана), а защитный кожух 2 и центраторы 10 - стрип-лентой 9. После сборки полость заполняют вторым 8 термобарьерным слоем. После его отверждения полускорлупы разъединяют дисковой фрезой по плоскости разъёма, обозначенной защитным кожухом 2. Процесс изготовления полускорлуп закончен. При нанесении на плоскости разъёма 14 вкладыша 11 и защитного кожуха 2 антиадгезива, например, силикона, применение фрезы не требуется.
Далее на резьбовые части 5 устанавливают соединительные элементы 6, устанавливают на них и зоны захвата 4 полускорлупы и соединяют их стрип-лентами 9.
Для использования НКТ с ТИП доставляют к скважине.
На месте стыковки НКТ в колонну стрип-ленты 9 удаляют, производят стыковку НКТ при помощи соединительных элементов 6, затем устанавливают обратно две полускорлупы, центрируя их по соединительному элементу 6 и стягивают их стрип-лентами 9. Уплотнения 13 устанавливают в канавки крышек 3 при нахождении НКТ в горизонтальном положение на стеллаже перед сборкой в колонну.
Предлагаемое конструктивное исполнение НКТ и ТИП исключает повреждение ТИП.
Преимущество предлагаемой конструкции НКТ также в том, что при повреждении теплоизоляционного покрытия зоны захвата 4, то есть полускорлуп, при эксплуатации оно может быть немедленно заменено из резерва, а регулярная часть НКТ продолжает применяться далее. Кроме того, при выходе из строя резьбовой части 5 трубы 1, возможно её удаление, отрезанием на токарном станке со срезанием части ТИП регулярной части, которая монолитна. После восстановления резьбы крышка 3 возвращается на своё место с помощью клея на основе эпоксидной смолы. Это позволяет увеличить срок службы НКТ и сократить затраты на ремонт, поскольку от него не страдает ТИП.