Устройство для исследования внутрипластовых окислительных процессов

Полезная модель относится к нефтяной промышленности и может быть использована для физического моделирования процессов внутрипластового окисления в лабораторных условиях при различных температурах и давлениях.
Известно устройство, которое используется для исследования внутрипластовых окислительных процессов в условиях приближенным к адиабатическим (SPE-141117-PA). Устройство представляет собой трубу с фланцами на концах изготовленную из нержавеющей стали (марка 316), длина 1000 мм, внутренний диаметр 75 мм, толщина стенки трубы 1,3 мм. Фланцы закрываются крышками, в которых размещены технические разъемы. По длине наружной стенки расположен теплоизоляционный материал Fiberfrax. Вдоль оси устройства проходит тонкостенная трубка для установки подвижной термопары. Предельное максимальное давление 1,4 МПа.
Однако существующее устройство недостаточно эффективно для исследований при давлениях сопоставимых с пластовыми, так как максимально допустимое давление составляет 1,4 МПа. У устройства отсутствуют нагревательные элементы для компенсации потерь тепла рассеиванием от стенок. Также не решена проблема перетока тепла от фронта окисления к стенке трубы и дальнейший чрезмерный нагрев области перед фронтом окисления от стенки трубы. Кроме того, данное устройство не обеспечивает высокой точности измерений, поскольку подвижная термопара движется одновременно с фронтом или по заданному алгоритму и не предусматривает фиксированного расположения термопар, для фиксации температуры по всей длине трубы во времени.
Частично устраняет недостатки аналога применение устройства двухтрубной системы. Известно, например, устройство, которое используется для изучения механизма «влажного» и обычного процесса внутрипластового горения (окисления) (Экспериментальное исследование влияния величины водо-воздушного отношения на параметры процесса внутрипластового горения / А.А. Боксерман, С.А. Жданов, А.А. Кочешков, В.В. Полковников // Сб. науч. тр. / ВНИИ. - 1973. - Вып. 47: Исследования в области разработки нефтяных месторождений и гидродинамики пласта. - С. 236-246.).
Устройство представляет собой две трубы, вставленные одна в другую с фланцами изготовленные из нержавеющей стали, длина внешней толстостенной трубы составляет 1400 мм, внутренний диаметр 170 мм, длина внутренней тонкостенной трубы составляет 1500 мм, внутренний диаметр 82 мм, толщина стенки внутренней трубы 0,8 мм. Один из фланцев на конце внутренней трубы закрывается крышкой фланца с различными техническими разъемами, к внутренней трубе приварен фланец, являющийся крышкой для фланца толстостенной трубы. Также на стенке внешней трубы расположены технические разъемы. Фланец на втором конце толстостенной трубы закрывается крышкой, которая имеет технический разъем и уплотняет внутреннюю и внешнюю трубу. Межтрубное пространство заполняется теплоизоляционным материалом - вермикулитом. Вдоль оси устройства располагается тонкостенная трубка для установки подвижной термопары. Кроме подвижной термопары имеется ряд стационарных термопар устанавливаемых на внешней поверхности тонкостенной трубы. На часть тонкостенной трубы, выступающей из крышки фланца, устанавливается дополнительный фланец и нагревательный элемент, отвечающий за инициацию процессов окисления.
Недостаток приведенного устройства заключается в трудоемкости испытаний, поскольку требуется частая замена тонкостенной трубы из-за ее прогорания. Также ее толщина не предусматривает плотной компоновки исследуемой пористой структуры (песок, измельченный керн и т.д.). У устройства отсутствуют нагревательные элементы для компенсации потерь тепла рассеиванием от стенок. Кроме того, данное устройство не обеспечивает высокой точности измерений, поскольку стационарные термопары, устанавливаемые на внешней поверхности тонкостенной трубы, фиксируют показания с высокой погрешностью из-за рассеивания тепла стенками.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство, используемое для изучения механизма «влажного» и обычного процесса внутрипластового горения (окисления) и определения их основных характеристик (Экспериментальное исследование процесса извлечения нефти с помощью внутрипластового горения / А.А. Боксерман, С.А. Жданов, А.А. Кочешков, В.В. Полковников // Науч. - техн. сб. по добыче нефти / ВНИИ. - 1971. - Вып. 41. - С. 75-83.). Устройство представляет собой трубу с фланцами на концах изготовленную из нержавеющей стали, длина 1500 мм и внутренним диаметром 110 мм. Фланцы закрываются крышками фланцев с различными техническими разъемами. На одной из крышек фланцев расположено устройство для инициации процессов окисления, представляющее собой электрический нагревательный элемент мощностью 500 Вт. По наружной стенке трубы расположено 5 секционных электрических нагревателей и слоем листового асбеста. Вдоль оси устройства проходит тонкостенная трубка диаметром 6 мм для установки подвижной термопары.
Принимаем описанное устройство за прототип.
Недостатки прототипа состоят в следующем.
1. Наличие слишком широких, на порядок шире фронта окисления нагревателей, так как компенсационный нагрев, помимо компенсации потерь тепла, будет также нагревать зону впереди фронта горения.
2. Наличие перетока тепла от фронта окисления к стенке трубы и дальнейший чрезмерный нагрев области перед фронтом окисления от стенки трубы.
3. Ограниченная точность измерений, поскольку подвижная термопара отслеживает температуру в одной конкретной точке, в соответствии с заданным алгоритмом движения термопары, в отличие от группы фиксированных термопар, позволяющих фиксировать температуру по всей длине трубы одновременно.
Задача полезной модели - повышение точности измерений при физическом моделировании внутрипластовых окислительных процессов в различных пористых средах за счет измерения температуры вдоль оси модели и обеспечение соответствия температуры внешнего нагрева и внутренней температуры.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в известной полезной модели устройство для инициации процессов окисления заменяется одним из секционных электронагревателей нагревателей, позволяющим обеспечивать контролируемый искусственный нагрев зоны поджига. Уменьшены диаметр трубы и ширина нагревательных элементов с одновременным увеличением их количества, из соотношения ширина нагревательного элемента равна внутреннему диаметру трубы, что позволяет максимально снизить нагрев перед фронтом горения. При этом внутренний диаметр тубы уменьшился от 110 мм до 47 и 98 мм, т.е. в 2,3 и 1,1 раза. Центральный ствол для подвижной термопары заменен стволом с комплексом стационарных термопар, распределенных по всей длине трубы, обеспечивая более точный и одновременный контроль температур. Между нагревательными элементами на расстоянии дополнительно установлены радиаторы пассивно-активного охлаждения, условно делящие модель на равные зоны, для исключения перетоков тепла по металлу.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где:
На фиг.приведена схема устройства для исследования внутрипластовых окислительных процессов. Устройство включает внешние кольцевые электронагреватели (14 шт.) 1, измерительные термопары (28 шт.) 2, труба для термопар 3, радиаторы охлаждения пассивно/активные (13 шт.) 4, теплоизоляция 5, фланцы сборные 6 и 7, труба (с внутренним диаметром 78 мм и толщиной стенки 8 мм) 8, ввод и вывод агентов 9 и 10 соответственно, электронный контроллер 11.
Пример работы устройства.
Основой устройства (Фиг. 2) является камера для проведения исследований с помещенной в нее пористой структурой (песок, дробленый керн, куски керна и т.д.) состоящая из трубы 8 длиной от 1 до 2,5 м, внутренним диаметром от 47 до 98 мм, толщина стенки трубы 5-8 мм, с нанесенной на внутренние стенки искусственной шероховатостью, и сборных фланцев 6, 7 изготовленных из стали 12Х18Н10Т. На фланце 6 расположено 3 разъема для ввода различных агентов и один разъем под трубу для стационарных термопар 3, расположенный в центре, на фланце 7 по центру расположен вывод для всех агентов. Снаружи камеры устанавливаются внешние кольцевые электронагреватели (14-19 шт.) 1 и пассивно-активные радиаторы охлаждения (13-18 шт.) 4, между стенкой трубы и электронагревателя устанавливаются измерительные термопары. Радиаторы охлаждения условно делят камеру на от 14 до 19 равных зон. По центру каждой секции зафиксирована измерительная термопара, расположенная в трубе для термопар. Термопары и электронагреватели подключаются к электронному контроллеру 11. Закачка рабочих агентов (вода, газ, нефть и т.д.) осуществляется через разъемы на фланце 6. Максимальное допустимое давление составляет 12 МПа. Контроллером 11 задается температура нагрева каждого электронагревателя (диапазон рабочих температур от 0 до 700°С). В процессе закачки рабочего агента изменение температур фиксируется термопарами, расположенными в стволе 3.
Преимущества заявленного устройства перед прототипом состоят в следующем:
1. Уменьшение размеров и увеличение количества нагревательных элементов позволяет добиться большей точности и эффективности контроля температуры;
2. Наличие радиаторов пассивно-активного охлаждения позволяет минимизировать переток тепла по металлу между зонами;
3. Наличие комплекса термопар, равномерно распределенных по оси модели, позволяет получать более точные зависимости изменения температур по длине модели от времени.
Таким образом, заявленное устройство обеспечивает повышение точности измерений, снижение их трудоемкости и идентичность условий последующих испытаний по сравнению с прототипом.