ТЕПЛОИЗОЛИРОВАННАЯ КОЛОННА
THERMAL INSULATED COLUMN

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности для добычи нефти или газа в районах с многолетнемерзлыми породами, и может быть использовано в других отраслях при изоляции труб для транспортировки теплоносителей.
Известно термоизолирующее направление, используемое при забуривании скважины в районах многолетней мерзлоты для предотвращения ее растепления, состоящее из сборно-разборных секций, содержащих внутреннюю и наружную коаксиальные трубы, межтрубное пространство между которыми заполнено теплоизолирующим материалом (Патент РФ №158353 U1, дата приоритета 28.09.2015, дата публикации 27.12.2015, авторы: Жилин А.С. и др., RU).
Недостатком известного термоизолирующего направления скважины является низкая эффективность его использования в летний период из-за вероятности растепления околосвайного пространства в связи с отсутствием возможности управления тепловым потоком в системе скважина - многолетнемерзлая порода.
Известна насосно-компрессорная труба с вакуумной теплоизоляцией, содержащая внутреннюю и наружную трубы, коаксиально соединенные друг с другом в торцах вакуумно-плотным швом с образованием кольцевого межтрубного зазора, при этом в зазоре создан вакуум и расположена изоляция, где концы внутренней трубы выполнены с образованием конического раструба, контактирующего с соответствующими концами наружной трубы, изоляция выполнена в виде экрана с отражающей поверхностью, расположенного с зазором между стенками внутренней и наружной труб, а в стенке наружной трубы выполнено отверстие, в которое ввернута пробка, содержащая барометрический датчик (Патент РФ №123822 U1, дата приоритета 18.09.2012, дата публикации 10.01.2013, авторы: Заряев И.А. и др., RU).
Недостатком этого аналога является использование вакуумной теплоизоляции, которая в случае разгерметизации не сможет уменьшить тепловой поток скважины.
Известна труба теплообменника, содержащая оребрение в виде проволочной пружины, навитой по спирали, причем оребрение расположено на наружной и внутренней поверхностях трубы, оребрение на внутренней поверхности трубы выполнено из спирали, расположенной на каркасе (Патент РФ №2200925 С1, дата приоритета 15.03.2000, дата публикации 20.03.2003, автор Митюхин Ф.П., UA).
Данное устройство предназначено для использования в теплообменных аппаратах в энергетике и не позволяет управлять тепловыми потоками в скважине.
Наиболее близким по технической сущности является теплоизолированная колонна, включающая цельную с высаженными профилированными концами внутреннюю трубу, наружную трубу, которая перед монтажом сжата вдоль оси на 9-12 мм, имеет на концах конусно-упорную резьбу и снабжена седлом и клапаном, на многослойной экранной изоляции размещены центрирующие кольца, между слоями многослойной экранной изоляции размещен газопоглотитель, в межтрубном пространстве создан вакуум, при этом муфта навернута на наружные трубы, а уплотнительная втулка снабжена канавкой и поджимает профилированные концы внутренней трубы к наружной трубе (Патент РФ №2129202 С1, дата приоритета 12.08.1997, дата публикации 20.04.1999, авторы Кудинов В.И., Богомольный Е.И. и др., RU, прототип).
Недостатком прототипа также является использование вакуумной теплоизоляции, которая в случае разгерметизации не сможет уменьшить тепловой поток скважины, и невозможность управления тепловым потоком в межтрубном пространстве скважины.
Технической проблемой изобретения является повышение эффективности теплоизоляции скважин для предотвращения оттаивания многолетнемерзлой породы, включая летний период, путем управления тепловым потоком и его уменьшения в межтрубном пространстве скважины, а в случае необходимости нагрева ее межтрубного пространства, так как нередки случаи обратного промерзания многолетнемерзлой породы, что приводит к смятию обсадных колонн.
Для решения технической проблемы предложена теплоизолированная колонна, включающая коаксиально расположенные наружную и внутреннюю трубы с теплоизоляцией между ними и муфты, причем наружная труба установлена с возможностью компенсации линейных расширений. Согласно изобретению новым является то, что теплоизолированная колонна выполнена с возможностью управления тепловыми потоками внутри скважины, при этом в межтрубном пространстве наружной и внутренней труб установлены термоэлектрические элементы, обмотанные проволокой или лентой для их фиксации относительно внутренней трубы, концы внутренней и наружной труб смещены относительно друг друга и соединены с помощью переходника, который снабжен кабельным разъемом для питания термоэлектрических элементов и соединен наружным резьбовым соединением с муфтой, при этом конец внутренней трубы, выступающий над торцом наружной трубы, и концевая часть наружной трубы объединены переходником посредством разъемного соединения.
Согласно изобретению наружная труба выполнена в виде проволочной или ленточной навивки из теплопроводного материала.
Согласно изобретению наружная труба выполнена из секций теплопроводных труб с компенсатором линейных расширений между ними, а в межтрубном пространстве наружной и внутренней труб установлены центрирующие кольца.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 схематично изображена теплоизолированная колонна, где наружная труба выполнена в виде проволочной или ленточной навивки из теплопроводного материала; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1, где представлены термоэлектрические элементы; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1, где отображен кабельный разъем переходника; на фит.4 показана теплоизолированная колонна, в которой наружная труба выполнена из секций теплопроводных труб с компенсатором линейных расширений между ними; на фиг. 5 - выносной элемент А на фиг. 4, где указано размещение металлической проволоки или ленты для фиксирования термоэлектрического элемента относительно внутренней трубы.
Теплоизолированная колонна, изображенная на фит.1, содержит внутреннюю трубу 1 и коаксиально расположенную по отношению к ней наружную трубу 2 в виде проволочной или ленточной навивки из теплопроводного материала, например алюминия. Между внутренней и наружной трубами образовано межтрубное пространство, в котором расположен теплоизоляционный материал 3 с низкой теплопроводностью, например в виде пенополиуретановой скорлупы, и установлены термоэлектрические элементы 4 с проводами 5 для подвода электрического питания (фиг. 2). В качестве термоэлектрических элементов могут быть использованы, например, элементы Пельтье (http://www.chipdip.ru/catalog-show/thermoelectric-modules/, дата просмотра 04.05.2017). Концы внутренней 1 и наружной 2 труб смещены относительно друг друга и соединены с помощью переходника 6, который снабжен кабельным разъемом 7 для питания термоэлектрических элементов 4 по проводам 5 (фиг. 3) и резьбовым соединениям на верхнем конце для монтирования муфты 8. При этом конец внутренней трубы, выступающий над торцом наружной трубы, и конец наружной трубы объединены переходником 6 посредством разъемного соединения, причем внутренняя труба 1 соединена с переходником с помощью, например, резьбового соединения, а наружная труба 2 соединена с помощью посадки с натягом.
Теплоизолированная колонна для управления тепловыми потоками в скважине, показанная на фиг. 1, изготавливается и работает следующим образом.
На внутреннюю трубу 1 устанавливают по высоте термоэлектрические элементы 4 с проводами 5 и теплоизоляционный материал 3 в виде пенополиуретановых скорлуп, затем на них наматывается проволока или лента внахлест из теплопроводного материала, образующая наружную трубу 2. Наружная труба из проволочной или ленточной навивки 2 выполняет функцию кожуха, компенсатора линейных расширений и фиксирует термоэлектрические элементы 4 относительно внутренней трубы 1. Далее на верхний конец внутренней трубы 1 посредством резьбового соединения накручивается переходник 6, который наружным концом ввинчивается на наружную трубу 2 из проволоки или ленты без зазоров между ними, образуя посадку с натягом. После этого кабельный разъем 7 соединяется с проводами 5 термоэлектрических элементов 4.
В процессе работы через кабельный разъем 7 по проводам 5 к термоэлектрическим элементам 4 подается необходимое значение электрического тока и напряжения для управления тепловым потоком в межтрубном пространстве скважины. Термоэлектрические элементы 4 охлаждают поверхность наружной трубы 2 и нагревают внутреннюю трубу 1.
Приведенный пример реализации изобретения является наиболее простым в изготовлении, экономичным и потому наиболее предпочтительным.
Теплоизолированная колонна, изображенная на фиг. 4, также является примером возможной реализации изобретения. Указанная теплоизолированная колонна содержит внутреннюю трубу 1 и наружную трубу 2 из секций теплопроводящих труб с установленными между ними компенсаторами линейных расширений 9, например, в виде гофрированной диафрагмы с наполнителем 10. В межтрубном пространстве наружной и внутренней труб расположена теплоизоляция 3 и по высоте установлены термоэлектрические элементы 4 с проводами 5 для подвода электрического питания, обмотанные тонкой металлической проволокой или лентой 11 для жесткого фиксирования их относительно внутренней трубы 1, а также установлены центрирующие кольца 12 для обеспечения точной посадки наружной трубы относительно внутренней и могут быть изготовлены из пластика. Концы внутренней 1 и наружной 2 труб, как и в первом примере, смещены относительно друг друга и соединены с помощью переходника 6, который снабжен кабельным разъемом 7 для питания термоэлектрических элементов 4 по проводам 5 и резьбовым соединениям на верхнем конце для монтирования муфты 8. При этом конец внутренней трубы, выступающий над торцом наружной трубы, и конец наружной трубы объединены переходником 6 посредством разъемного соединения, например резьбового соединения или соединения посадкой с натягом.
Теплоизолированная колонна для управления тепловыми потоками в скважине, показанная на фиг. 4, изготавливается и работает следующим образом.
На нижнем конце внутренней трубы 1 посредством резьбового соединения накручивается переходник 6 с кабельным разъемом 7. Далее устанавливаются секция теплоизоляционного материала на внутреннюю трубу 1 с проводами 5 и накручивается путем резьбового соединения секция наружной трубы 2, а на другом ее конце ввинчивается с помощью разъемного соединения, например резьбового соединения, компенсатор линейных расширений 9. Кольцевое пространство между компенсатором линейных расширений и внутренней трубы заполняется наполнителем 10, например теплоизоляционной пеной. Далее на внутреннюю трубу по высоте устанавливаются центрирующие кольца 12, теплоизоляционный материал 3, термоэлектрические элементы 4 с проводами 5 путем последовательного чередования. Термоэлектрические элементы фиксируются относительно внутренней трубы с помощью тонкой проволоки или ленты 11, например алюминиевой (фиг. 5). Далее монтируется секция наружной трубы 2 и соединяется с компенсатором линейных расширений 9 путем разъемного соединения, так чтобы центрирующие кольца 12, теплоизоляционный материал 3, термоэлектрические элементы 4 с проводами 5 располагались в кольцевом пространстве. Таким образом, собирается теплоизолированная колонна требуемой высоты. В конце сборки на верхе торца внутренней трубы посредством резьбового соединения накручивается переходник 6 с кабельным разъемом 7. Переходник 6 фиксирует с помощью резьбового соединения наружную трубу 2 относительно внутренней 1. Далее кабельный разъем 7 соединяется с проводами 5 термоэлектрических элементов 4. В конце с обеих сторон теплоизолированной колонны на резьбовое соединение переходников 6 монтируются муфты 8.
В процессе работы через кабельный разъем 7 по проводам 5 к термоэлектрическим элементам 4 подается необходимое значение электрического тока и напряжения для управления тепловым потоком в межтрубном пространстве скважины. Термоэлектрические элементы 4 охлаждают поверхность наружной трубы 2 и нагревают внутреннюю трубу 1.
При необходимости в обоих примерах, изменив направление подачи электрического тока и напряжения на термоэлектрические элементы, можно регулировать режимы нагревания и охлаждения межтрубного пространства скважины.
Теплоизолированную колонну для управления тепловыми потоками внутри скважины можно монтировать на действующих и строящихся скважинах в районах с многолетнемерзлой породой, что позволит предотвратить их оттаивание и увеличит срок эксплуатации скважин.
Достигаемый изобретением технический результат заключается в расширении арсенала технических средств, в повышении эффективности теплоизоляции скважин и в расширении функциональных возможностей путем управления тепловым потоком и его уменьшения в межтрубном пространстве скважины, для предотвращения оттаивания многолетнемерзлой породы, или, в случае необходимости, нагрева межтрубного пространства скважины.