СПОСОБ ПРЕДОХРАНЕНИЯ УСТЬЯ НАГНЕТАТЕЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ ОТ ЗАМОРАЖИВАНИЯ
METHOD FOR PROTECTING HEAD OF INJECTION WELL AGAINST FREEZING

Предложение относится к нефтяной промышленности, в частности к способам предохранения устья нагнетательной скважины от замораживания.
Известен способ нанесения на трубу термоизоляционного покрытия (патент RU 2136495, МПК В29С 63/18, В29С 67/20, F16L 59/14, опубл. 10.09.1999, бюл. №25). В рассматриваемом способе согласно изобретению предупреждение замерзания в водоводе достигается благодаря теплоизоляции труб методом нанесения пенополиуретана. Недостатками данного способа являются гидрофильность и высокая хрупкость пенополиуретана, а также отсутствие каких-либо дополнительных источников тепла и, как следствие этого, отсутствие возможности предупреждения замерзания устья водонагнетательной скважины при использовании этого способа в случае длительных остановок скважины. Кроме того, пенополиуретан крошится при незначительных деформациях, что снижает его долговечность, особенно при многократном использовании, также пенополиуретан поглощает воду, что приводит к повышению его теплопроводности и к кратному ухудшению его теплоизолирующих свойств.
Также известен способ предотвращения замерзания устья водонагнетательных скважин в режиме циклического заводнения, включающий использование тепла грунта, в котором использование низкотемпературного тепла грунта с температурой от 0°С и выше достигается за счет преобразования энергии потока закачиваемой воды в электрическую, ее аккумулирования и последующего использования для принудительной циркуляции воды (патент RU №2160824, МПК Е21В 36/00, опубл. 20.12.2000, бюл. №35). Недостатком известного способа является то, что для его осуществления необходимо, чтобы скорость потока закачиваемой воды была достаточной для приведения в действие электрогенератора. В случае снижения приемистости скважины скорость потока закачиваемой воды может снизиться так, что приведение в действие электрогенератора станет невозможным.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ предотвращения замерзания устья водонагнетательной скважины, включающий накопление и использование тепла грунта, согласно изобретению на правом и левом нижнем плечах контура обвязки, от нижней границы промерзания грунта до центральной задвижки водовода (для правого плеча) и до дневной поверхности грунта (для левого нижнего плеча) устанавливают нагревательные элементы (патент RU 2213846, МПК Е21В 36/04, опубл. 10.10.2003, бюл. №28). Недостатком известного способа является то, что для его функционирования необходим дополнительный источник электрической энергии, который будет подводиться к устью скважины, что само по себе технически сложно и экономически нецелесообразно. В случае каких-либо перебоев с электропитанием вода в системе циркулировать перестанет и замерзнет.
Технической задачей предложения является повышение стабильности работы узлов арматуры устья нагнетательной скважины в полнофункциональном режиме во время сезонных снижений температуры окружающей среды ниже нуля градусов по Цельсию, в случаях утвержденных и внеплановых (аварийных) перерывов в подаче воды в скважину.
Задача решается предлагаемым способом предохранения устья нагнетательной скважины от замораживания, включающим накопление и использование тепла грунта.
Новым является то, что обвязку устьевой арматуры нагнетательной скважины выполняют в форме двух замкнутых контуров - верхнего, заполненного водой, и нижнего, заполненного фреоном, причем в верхний контур обвязки включают два теплообменника, которые устанавливают на правом плече контура, при этом первый теплообменник устанавливают в грунте под границей промерзания грунта, а второй - на поверхности грунта ниже центральной задвижки водовода.
Новым является также то, что первый теплообменник используют для поддержания температуры воды в верхнем контуре обвязки не ниже плюс 5°С, а второй теплообменник - для перекачки тепла фреоном с поверхности в грунт, где происходит его аккумуляция.
Новым является также то, что устьевую арматуру, верхний и нижний контуры обвязки теплоизолируют посредством нанесения теплоизолирующей краски до границы промерзания грунта.
Обвязка устья нагнетательной скважины и оборудование, необходимые для реализации способа, представлены на чертеже, где I - верхний контур обвязки; II - нижний контур обвязки; 1 - устьевая арматура; 2 - первый теплообменник; 3 - второй теплообменник; 4 - водовод; 5 - центральная задвижка; 6, 7 - краны для подключения и отключения первого и второго теплообменника; 8, 9 - труба.
Сущность предложения заключается в следующем. Обвязку устьевой арматуры нагнетательной скважины выполняют в форме двух замкнутых контуров - верхнего I, заполненного водой, и нижнего II, заполненного фреоном. В контур обвязки I включают два теплообменника, которые устанавливают на правом плече контура, при этом первый теплообменник устанавливают в грунте под границей промерзания грунта, а второй - на поверхности грунта ниже центральной задвижки водовода, в котором посредством фреона в летний период времени происходит перекачка тепла с поверхности в грунт и его аккумуляция.
При остановке скважины и падении температуры воды в контуре обвязки I начинается перенос тепла за счет конвекции теплой воды из водовода, которая прогревается за счет тепла грунта. При понижении температуры в контуре обвязки I ниже плюс 6°С пары фреона конденсируются в первом теплообменнике, при этом выделяется тепло, что не дает остыть воде в контуре обвязки I ниже плюс 5°С, тем самым сохраняется конвекция воды (при понижении температуры воды до плюс 4°С и ниже конвекция воды прекращается вследствие достижения максимальной плотности воды).
Использование предлагаемого способа позволяет предотвратить замораживание устья нагнетательной скважины в течение неограниченного времени при плановых и аварийных остановках закачки воды, а также при падении приемистости скважины. В этом отличие предлагаемого технического решения от известных способов применения конвективных теплообменников и электрического подогрева. Нанесение на устьевую арматуру, верхний и нижний контуры обвязки, кроме поверхностей теплообменников, до нижней границы промерзания грунта теплоизолирующей краски, а также использование тепла грунта позволяют поддерживать температуру в контуре обвязки I, при которой возможна циркуляция воды за счет конвекции.
В качестве теплоизолирующей краски можно использовать, например, краску ТЕПЛОМЕТ, ThermoShield Exterieur и др. Применение теплоизолирующей краски по сравнению с использованием пенополиуретана (по патенту RU 2136495) или пенополиэтилена (по патенту RU 2213846) обеспечивает теплоизоляцию на оборудовании любой конфигурации, причем теплоизоляция не нарушается при сборке и разборке устьевого оборудования.
Предлагаемый способ осуществляют в следующей последовательности. Выполняют обвязку устьевой арматуры нагнетательной скважины в форме двух замкнутых контуров - верхнего I (см. чертеж), заполненного водой, и нижнего II, заполненного фреоном. В контур обвязки I включают два теплообменника, которые устанавливают на правом плече контура, при этом первый теплообменник 2 устанавливают в грунте под границей промерзания грунта, а второй теплообменник 3 - на поверхности грунта ниже центральной задвижки водовода 4, в котором посредством фреона в летний период времени происходит перекачка тепла с поверхности в грунт и его аккумуляция.
При остановке закачки воды контур обвязки I (заполненный водой), углубленный в грунт до зоны устойчивых положительных температур (на глубине 1,6 м и ниже находится зона устойчивых положительных температур) (А.В.Деточенко, А.Л.Михеев и М.М.Волков. Спутник газовика. - М.: Недра, 1978. - С.91, табл.3.11), и водовод 4 начинают играть роль теплообменника. Вода на поверхности контура обвязки I, включая устьевую арматуру 1, охлаждается, а в контуре обвязки I ниже границы промерзания грунта остается теплой за счет тепла грунта. Холодная вода имеет большую плотность, чем теплая, и за счет этого в контуре обвязки I создается циркуляция в направлении, показанном на чертеже. Теплая вода поднимается на поверхность контура обвязки I нагнетательной скважины, тем самым предотвращая ее замерзание в устьевой арматуре 1. Расположение левого плеча контура обвязки I под углом к оси скважины снижает сопротивление движению воды в контуре обвязки I. Труба 9 контура обвязки I под границей промерзания грунта входит в водовод 4 под углом к оси водовода, что способствует использованию большего количества тепловой энергии грунта. Для поддержания температуры воды в контуре обвязки I выше плюс 5°С на правом плече контура обвязки I ниже границы промерзания грунта устанавливают теплообменник 2. При понижении температуры в контуре обвязки II ниже плюс 6°С пары фреона конденсируются в теплообменнике 2, при этом выделяется тепло, которое передается воде, циркулирующей по контуру обвязки I, и тем самым предотвращается остановка циркуляции. В качестве фреона можно использовать, например, Хладон С318 с температурой кипения плюс 6°С.
Нанесение на наземное оборудование скважины, включая устьевую арматуру нагнетательной скважины, верхний и нижний контур обвязки скважины теплоизолирующей краски, а также использование низкотемпературного тепла грунта позволяет существенно снизить теплопотери в контуре обвязки I. Уменьшение температуры воды в устьевой арматуре и контуре обвязки I нагнетательной скважины при остановке закачки или снижении приемистости скважины ее температура посредством теплообменника 2 поддерживается на уровне не ниже плюс 5°С, что предотвращает прекращение циркуляции воды и замерзание устья скважины.
Передача тепла при сезонных снижениях температуры и его накопление при сезонных повышениях температуры в контуре обвязки II посредством фреона происходит в следующей последовательности: при сезонных снижениях температуры кран 6 открывают, а 7 закрывают, фреон циркулирует в контуре обвязки II за счет конвекции, испарения и конденсации, поэтому происходит передача тепла грунта, накопленного при сезонных повышениях температуры, воде, циркулирующей в контуре обвязки I. При температуре окружающей среды плюс 6°С и выше закрывают кран 6, а кран 7 открывают. Фреон попадает в теплообменник 3, нагревается и испаряется с поглощением за счет тепла окружающей среды. Пары фреона опускаются по трубе 8 контура обвязки II и конденсируются в грунте (температура грунта ниже границы промерзания меньше плюс 6°С), выделяемое тепло аккумулируется грунтом.
Таким образом, в данном предложении достигается результат - повышение стабильности работы узлов арматуры устья нагнетательной скважины в полнофункциональном режиме во время сезонных снижений температуры окружающей среды ниже нуля градусов по Цельсию, в случаях утвержденных и внеплановых (аварийных) перерывов в подаче воды в скважину.