Термодинамический способ воздействия на призабойную зону скважины и устройство для его осуществления
THERMODYNAMIC METHOD OF ACTION ON WELL BOTTOMHOLE ZONE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к термодинамическим способами и устройствам для воздействия на призабойную зону скважины при помощи электронагревателей для интенсификации добычи нефти.
Известна система для проведения ремонтных работ при промывке горячей жидкостью скважины (патент на ПМ RU №91740, МПК Е21В 43/00, опубл. 27.02.2010 Бюл. №6), включающая соединенные между собой в колонну секции насосно-компрессорных труб НКТ, через которую производится промывка скважины горячей жидкостью, причем на конце колонны НКТ смонтирован нагреватель, соединенный посредством проложенной по внешней поверхности НКТ линии связи, с размещенными на дневной поверхности блоком электропитания и с наземным измерительно-управляющим блоком, при этом в качестве линии связи система содержит нагревательный или питающий кабель, а наземный измерительно-управляющий блок настроен с возможностью обеспечения включения нагревателя в работу одновременно с закачкой горячей жидкости в скважину или после заполнения этой жидкостью колонны НКТ.
Этой системой реализуется способ промывки горячей жидкостью скважины, включающий спуск электрических проточных нагревателей с питающим кабелем в скважину на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) с выходом в интервале вскрытия, прокачку жидкости через колонну труб с обеспечением нагрева внутри потока жидкости нагревателями при подаче напряжения по питающему кабелю и подъема горячей воды снаружи колонны труб.
Недостатками данной системы и способа являются большие потери тепла и, как следствие, электроэнергии, связанные с принудительной (вынужденной) циркуляцией и большой площадью контакта воды со всеми холодными стенками скважины, практически отсутствие прогрева продукции скважины, особенно в слабопроницаемых коллекторах и коллекторах с вязкой продукцией (свыше 100 мПа•с), и необходимость соединения и защиты большой длины питающего кабеля с большими мощными нагревателями для обеспечения необходимой температуры нагрева.
Известен также термодинамический способ воздействия на призабойную зону скважины (патент RU №2203410, МПК Е21В 43/25, опубл. 27.04.2003 Бюл. № 12), включающий спуск в скважину электродвигателя, нижерасположенного нагревателя, пакеров, изолирование пакерами нагреваемого интервала скважины против продуктивного пласта и электродвигателя от нагреваемого интервала скважины, закачку холодной жидкости, которая обтекает электродвигатель, и подачу ее в нагреватель с последующим вытеснением нагретой жидкости в изолированный нагреваемый интервал скважины и далее в пласт, причем спуск в скважину электродвигателя, нижерасположенного нагревателя и пакеров осуществляют на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ), отделяют дополнительно пакером электродвигатель от вышележащей части скважины для образования охлаждаемого интервала скважины, закачку холодной жидкости осуществляют с поверхности в НКТ с последующим ее обтеканием электродвигателя в охлаждаемом интервале скважины и направлением перед подачей в нагреватель через отверстия на концевых участках отрезка НКТ, соединяющего механически электродвигатель и нагреватель, при этом для изолирования нагреваемого интервала скважины используют пакер, рассчитанный на высокое давление, а электродвигатель применяют для привода нагревателя, преобразующего механическую энергию в тепловую путем передачи вращения от электродвигателя к нагревателю валом, проходящим внутри отрезка НКТ.
Недостатками данного способа являются сложность реализации из-за необходимости установки двух пакеров, затраты энергии на вращение потока жидкости электродвигателем, плохое охлаждение электродвигателя особенно в слабопроницаемых коллекторах и коллекторах с вязкой продукцией, так как скорость потока жидкости для его охлаждения зависит от этих показателей.
Наиболее близким по технической сущности является потоковый скважинный нагреватель (патент RU №2703591, МПК Е21В 36/04, Е21В 43/24, опубл. 21.10.2019 Бюл. № 30), характеризующийся работой в автономном режиме без подвода внешнего источника электроэнергии, содержащий приводной гидравлический двигатель, мультипликатор, синхронный генератор электрического тока и нагревательный элемент, представляющие собой отдельные модули, соединенные последовательно с помощью муфтовых соединений в насосно-компрессорной трубе внутри скважины, при этом в качестве приводного гидравлического двигателя использован винтовой забойный двигатель типовой конструкции, преобразующий энергию потока жидкости в механическую энергию вращения при прохождении в его внутренних полостях промывочной жидкости, причем в корпусе винтового забойного двигателя дополнительно выполнены промывочные окна, предназначенные для непрерывной циркуляции через них, и упомянутые внутренние каналы промывочной жидкости и удаления вместе с ней расплавленных парафиновых и гидратных отложений.
Этим нагревателем реализуется способ нагрева потоковой воды, включающий спуск на колонне труб в скважину последовательно установленных гидравлического двигателя, мультипликатора, генератора электрического тока и нагревательного элемента, располагаемого в интервале нагрева скважины, прокачку жидкости через двигатель, преобразующий энергию потока жидкости при прохождении жидкости в его внутренних полостях с выходом наружу через промывочные окна в механическую энергию вращения своего ротора, скорость которого изменяется для передачи ротору генератора, вырабатывающего электрический ток для генерации тепловой энергии нагревательным элементом.
Недостатками этого нагревателя и способа нагрева являются сильный нагрев генератора, так как он только снаружи при естественной конвекции омывается нагретой жидкостью, высвобождаемым газом и/или жидкими продуктами расплавления парафинов и газогидратов, так как скоростным потоком (вынужденной конвекцией) омывается только двигатель, полностью отсутствует возможность закачки в пласт горячего теплоносителя (жидкость) в продуктивный пласт для прогрева его продукции, при этом прогрев только за счет естественной конвекции снаружи нагревателя значительно снижает эффективность его работы.
Технической задачей предполагаемого изобретения является создание термодинамического способа воздействия на призабойную зону скважины и устройства для его осуществления, позволяющего эффективно охлаждать оборудование и нагревать прокачиваемую жидкость за счет вынужденной конвекции, обеспечиваемой наружным кожухом и проточным нагревателем, а также расширить функциональные возможности за счет возможности закачки через проточный нагреватель жидкости в продуктивный пласт, благодаря установленному выше пласта пакеру.
Техническая задача решается термодинамическим способом воздействия на призабойную зону скважины, включающим спуск на колонне труб в скважину установленных последовательно гидравлического забойного двигателя, мультипликатора, генератора электрического тока и нагревательного элемента, располагаемого в интервале нагрева скважины, прокачку жидкости через двигатель, преобразующий энергию потока жидкости при прохождении жидкости в его внутренних полостях с выходом наружу через промывочные окна в механическую энергию вращения своего ротора, скорость которого изменяется мультипликатором для передачи ротору генератора, вырабатывающего электрический ток для генерации тепловой энергии нагревательным элементом.
Новым является то, что перед спуском в скважину мультипликатора и генератор снабжают кожухом, сообщенным с выходом двигателя, для протекания жидкости, вытекающей с вращением из двигателя, а промывочные окна располагают снизу кожуха, ниже промывочных окон снаружи располагают пакер, который устанавливают выше продуктивного пласта, нагревательный элемент изготавливают проточным, внутренняя полость которого сообщена с кожухом, а промывочные окна оснащают электромагнитными клапанами, открывающими при выработке электроэнергии генератором и пропускающим жидкость в достаточном количестве для нормальной работы двигателя и охлаждения генератора и создания перепада давлений, достаточного для продавки нагретой жидкости из полости нагревателя в продуктивный пласт.
Техническая задача решается также устройством для термодинамического воздействия на призабойную зону скважины, включающим спускаемые на колонне труб приводной гидравлический двигатель, мультипликатор, синхронный генератор электрического тока и нагревательный элемент, представляющие собой отдельные модули, соединенные последовательно с помощью разъемных соединений, при этом в качестве приводного гидравлического двигателя использован забойный двигатель типовой конструкции, преобразующий энергию потока жидкости в механическую энергию вращения при прохождении в его внутренних полостях промывочной жидкости, вытекающей через промывочные окна.
Новым является то, что мультипликатор и генератор оснащены снаружи кожухом, сообщенным с выходом двигателя, для протекания жидкости вытекающей из двигателя, а промывочные окна расположены снизу кожуха, при этом ниже промывочных окон снаружи расположен пакер, устанавливаемый выше продуктивного пласта, нагревательный элемент выполнен проточным, внутренняя полость которого сообщена с кожухом, а промывочные окна оснащены электромагнитными клапанами, открывающими при выработке электроэнергии генератором и пропускающим жидкость в достаточном количестве для нормальной работы двигателя и охлаждения генератора и создания перепада давлений, достаточного для продавки нагретой жидкости из полости нагревателя в продуктивный пласт, причем кожух снизу для сообщения с полостью нагревателя оснащен раструбом сужающимся к низу с углом, не более 70° для исключения больших гидравлических потерь.
Новым является также то, что выходное отверстие промывочного окна снабжено жиклером тарированным отверстием для регулировки пропускной способности.
На чертеже изображена схема устройства в продольном разрезе для реализации термодинамического способа воздействия на призабойную зону скважины.
Устройство для термодинамического воздействия на призабойную зону скважины 1 включает спускаемые на колонне труб 2 приводной гидравлический забойный двигатель 3 (типовой конструкции), мультипликатор 4, синхронный генератор 5 электрического тока и проточный нагревательный элемент 6, представляющие собой отдельные модули, соединенные последовательно с помощью разъемных соединений (муфт, фланцев, резьбы или т.п. - не показано). Мультипликатор 4 и генератор 5 оснащены снаружи кожухом 7, сообщенным с выходом 8 двигателя 3, для протекания жидкости вытекающей из двигателя 3. Промывочные окна 9 расположены снизу кожуха 7 и оснащены электромагнитными клапанами 10, открывающими при выработке электроэнергии генератором 5. Ниже промывочных окон 9 снаружи расположен пакер 11, устанавливаемый выше продуктивного пласта 12. Внутренняя полость 13 нагревательного элемента 6 сообщена с кожухом 7 раструбом 14 сужающимся к низу с углом α при вершине, не более 70° для исключения больших гидравлических потерь (углы более 70° увеличивают потери энергии потока жидкости из-за преодоления перепада во внутренних диаметрах кожуха 7 в полости 13 нагревательного элемента 6). Для регулировки распределения объемов вытекающей через промывочные окна 9 жидкости и жидкости направляемой через внутреннюю полость 13 нагревательного элемента 6 в пласт 12 выходное отверстие промывочного окна 9 может быть снабжено жиклером 15 тарированным отверстием 16.
Конструктивные элементы, уплотнения и технологические соединения, не влияющие на работоспособность устройства, на чертеже не показаны или показаны условно.
Способ реализуется в следующей последовательности.
Предварительно из геолого-физических свойств (проницаемость, приемистость, состав и т.п.) продуктивного пласта 12 и его продукции (вязкость, состав, обводненность и т.п.) определяют в каких объемах, при какой температуре и какую нужно закачивать жидкость (вода, минерализованная вода, вода с реагентами и т.п.). Исходя из этих параметров выбирают проточный нагревательный элемент 6 (индукционный, ленточный или т.п.). При необходимости ставят последовательно насколько нагревательных элементов 6 (авторы на это не претендуют). Учитывая параметры нагревателя 6 (необходимое электрические напряжение и ток) подбирают генератор 5, и электрический забойный двигатель 3, а для согласования их работы (скоростей вращения выходного вала 17 ротора двигателя 3 и входного вала 18 генератора 5 между ними устанавливают мультипликатор 4 (редуктор). На стенде последовательно соединяют двигатель 3 и заключенные в кожух 7 мультипликатор 4 и генератор 5, подсоединяют остальные конструктивные элементы устройства. Прокачивают жидкость, определяя параметры вырабатываемого генератором напряжения и тока и распределения прокачиваемой жидкости через промывочные окна 9 кожуха 7 и через раструб 14 в полость 13 нагревательного элемента 6. При необходимости для регулировки распределения потока жидкости выходные отверстия промывочных окон 9 оснащают жиклерами 15 с тарированными отверстиями 16.
После регулировки устройство частично разбирают и отправляют к скважине 1, в которую последовательно спускают нагреватель 6 с установленным выше пакером 11 (механическим, электромеханическим, гидравлическим или. т.п.) и соединенным механически с через раструб 14 кожухом 7, а электрически - как и электромагнитные клапаны 10 промывочных окон 9 кабелем 19 с генератором 5, мультипликатор 4 и двигатель 3. На колонне труб 2 устройство спускают в скважину 1 в интервал установки нагревателя 6 (призабойную зону скважины 1), герметизируют межтрубное пространство пакером 11 выше продуктивного пласта 12. Через колонну труб 2 начинают прокачивать жидкость, энергия потока которой преобразуется в механическую энергию вращения ротора (не показан) двигателя 3 при прохождении в его внутренних полостях. Выходной вал 17 ротора двигателя передает вращение через шлицевое соединение (не показано) или муфту 21 входному валу 20 мультипликатора 4. Выходной вал 22 мультипликатора 4 через шлицевое соединение (не показано) или муфту 23 передает измененную скорость вращения входному валу 18 ротора генератора 5, который вырабатывает электрическую энергию, передающуюся по кабелю 19 электромагнитным клапанам 10, открывая их, и нагревательному элементу 6 для выработки тепловой энергии. При этом закрученная ротором жидкость из выхода 8 двигателя 3 вращаясь протекает в кожухе 7 снаружи мультипликатора 4 и генератора 5 интенсивно охлаждая их и предварительно нагреваясь (за счет вынужденной конвекции). Часть жидкости постоянно циркулирует через промывочные окна 9 на поверхность и опять закачивается в колонну труб 2, а часть, ускоряя вращение потока в раструбе 14 и проходя для нагрева по полости 13 нагревательного элемента 6, продавливается в продуктивный пласт 12. Из-за скорости потока жидкости с вращением внутри полости 13 нагревательного элемента 6 за счет вынужденной конвекции происходит интенсивный нагрев жидкости и охлаждение самого нагревательного элемента 5. Вынужденная конвекция в таких условиях нагрева в 3 - 5 раз более эффективна, чем естественная конвекция. При этом тепловая энергии от нагревателя 6 не рассеивается по всей скважине из-за установки пакера 11.
Для закачки реагентов в колонну труб закачивают необходимый объем этого реагента, который продавливают жидкость со скоростью достаточной для закачки в пласт 12, но не достаточной для вращения ротора двигателя 3. При этом электромагнитные клапаны 10 остаются закрытыми. После закачки жидкости в объеме равном сумме внутренних объемов колонны труб 2 и кожуха 7 за вычетом объемов генератора 5 и мультипликатора 4, то есть когда реагент окажется во внутренней полости 1 нагревательного элемента 6, скорость закачки жидкости увеличивают для вращения ротора двигателя 3 и выработки электроэнергии генератором 5 с открытием электромагнитных клапанов 10 для циркуляции жидкости. При этом нагревательный элемент 6 нагревает реагент, который задавливается частью покачиваемой жидкости через колонну труб 2 в пласт 12 для его обработки. После чего эксплуатацию скважины 1 ведут в обычном режиме.
Предлагаемые термодинамический способ воздействия на призабойную зону скважины и устройство для его осуществления позволяют эффективно охлаждать оборудование и нагревать прокачиваемую жидкость за счет вынужденной конвекции, обеспечиваемой наружным кожухом и проточным нагревателем, а также расширить функциональные возможности за счет возможности закачки через проточный нагреватель любой нагреваемой жидкости в продуктивный пласт, благодаря установленному выше пласта пакеру.