УСТАНОВКА ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ УЛЬТРА-СВЕРХКРИТИЧЕСКОГО РАБОЧЕГО АГЕНТА
APPARATUS FOR GENERATING AN ULTRA-SUPERCRITICAL WORKING FLUID

Изобретение относится к оборудованию для нефтегазовой промышленности и может быть использовано для генерации рабочего агента высокой температуры и давления, инжектируемого в нефтекерогеносодержащие пласты для повышения их нефтеотдачи и внутрипластовой генерации в них синтетических углеводородов.
В настоящее время на территории России открыты месторождения углеводородов (в частности, баженовская и доманиковая свиты), основной углеводородный потенциал которых заключен не в подвижной нефти плотных пород (НПП), а в малоподвижной и/или неподвижной битуминозной нефти и керогене.
Комплексное освоение таких месторождений предполагает использование термохимического воздействия рабочими агентами на их продуктивные пласты для внутрипластовой генерации синтетических углеводородов из керогена и битуминозной нефти, а также для частичного внутрипластового улучшения качества и интенсификации добычи содержащейся в их продуктивных пластах НПП.
Как показали исследования, осуществление процесса внутрипластового пиролиза/гидропиролиза, а также реэнергизация и увеличение проницаемости продуктивных пластов, могут быть осуществлены за счет инжектирования в них рабочего агента, параметры которого (температура (Т) и давление (Р)) обеспечивают прогрев продуктивных пластов до температуры от 400°С до 480°С. Для достижения этого результата, с учетом тепловых транспортных потерь, которые неизбежно возникают при доставке рабочего агента с дневной поверхности скважины в зону продуктивного пласта, необходимо чтобы наземное оборудование генерировало рабочий агент с температурой от 600 до 800°С и давлением от 40 до 60 МПа. В качестве сырья для генерирования такого рабочего агента используют, как правило, обработанную (подготовленную) соответствующим образом воду.
Генерируемый на дневной поверхности скважины с такими рабочими параметрами рабочий агент находится в ультра-сверхкритическом состоянии. Термин «ультра-сверхкритическая вода» используется в технической литературе и техническими специалистами для обозначения проектных режимов работы устройств с параметрами выше тех, которые принято называть «сверхкритическими». В теплоэнергетике типичный диапазон сверхкритических параметров находится в диапазоне от 245 до 285 бар при температуре от 540 до 630°С. Американский исследовательский институт электроэнергетики (ERPI) называет ультра-сверхкритическими такие «паровые циклы», где «пар» прогревается до температуры более 593°С при давлении более 280 бар. В заявленном изобретении под термином «ультра-сверхкритический рабочий агент» понимается рабочий агент (пароводяная смесь), имеющий температуру от 593 до 800°С и давление от 30 до 60 МПа.
Для генерации инжектируемых в скважины рабочих агентов используются монтируемые на дневной поверхности скважины установки, преобразующие подаваемую в них воду в рабочий агент - пароводяную смесь.
Так, например, известна установка для генерирования рабочего агента в виде пара, содержащая оснащенный горелочным устройством паровой котел, в теплоизолированном корпусе которого размещен блок конвективных труб, соединенный на входе с линией подвода подготовленной воды, а на выходе - с линией отбора полученного из воды рабочего агента - пара.
Установка содержит линию подготовки топлива, подаваемого на горелочное устройство котла и включающую фильтр для очистки подаваемого газа, выход которого связан с регулятором давления газа, а выход этого регулятора посредством трубопровода соединен с горелочным устройством.
Линия водоподготовки включает емкость для сырой воды, связанную с модулем водоподготовки. В линию соединения емкости для сырой воды и модуля водоподготовки включен насос для перекачки воды из емкости в модуль. Выход модуля водоподготовки связан с емкостью для питательной воды, которая связана с входом конвективных труб парового котла.
Паровой выход котла имеет возможность связи с нагнетательной скважиной и/или с теплообменником подогрева сырой воды, которая прокачивается через него перед подачей в емкость. Для обеспечения распределения пара по магистралям его подачи на скважину и/или теплообменник предусмотрены регулируемые задвижки, а на линии отвода пара предусмотрен клапан аварийного сброса пара.
В процессе работы установки, в зависимости от положения регулируемых задвижек, полученный в котле рабочий агент- пар подается либо на нагнетательную скважину, либо в теплообменник для подогрева подаваемой в емкость сырой воды, либо одновременно на нагнетательную скважину и в теплообменник. При повышении давления пара выше расчетного, срабатывает клапан аварийного сброса давления пара в атмосферу.
(см. патент РФ на полезную модель №104965 кл. Е21В 43/24, 2010).
В результате анализа известной установки необходимо отметить, что для ее функционирования используются качественно подготовленные топливо и вода, что повышает срок службы агрегатов установки и уменьшает выбросы продуктов сгорания топлива в атмосферу. Полученный рабочий агент может быть использован по нескольким назначениям - для подачи в скважину и/или для подогрева сырой воды.
Однако в ряде случаев, например, при испытаниях установки (в том числе приемо-сдаточных, контрольных и других типов), при выходе установки на рабочий режим, когда параметры рабочего агента не соответствуют требованиям для закачки его в скважину, при прекращении скважиной приема рабочего агента, при перекрытии подачи рабочего агента в скважину, необходимо либо останавливать установку, либо сбрасывать полученный рабочий агент в атмосферу, что значительно снижает эффективность работы установки, так как ее запуск занимает довольно много времени, что делает невозможным оперативную подачу рабочего агента в скважину, а сброс пара в атмосферу резко снижает эффективность работы установки, так как приводит к неоправданному расходу рабочего агента.
Известна установка для генерирования рабочего агента в виде пара, инжектируемого в скважину, содержащая паровой котел, оснащенный горелочным устройством для сжигания топлива и подачи продуктов сгорания в полость котла для нагрева пропускаемой по теплообменным трубам котла воды до образования пара. Установка также содержит емкость для сырой воды, модуль водоподготовки, теплообменник, причем вход емкости для сырой воды связан с выходом теплообменника, предназначенного для подогрева подаваемой в емкость воды, выход которой связан с входом модуля водоподготовки, выход модуля связан с входом теплообменных труб парового котла, и их выход имеет возможность соединения с нагнетательной скважиной, при этом установка оснащена баком-расширителем, в полости которого установлен змеевик из труб, имеющий возможность соединения своим входом с выходом теплообменных труб парового котла, а выходом - с полостью бака-расширителя, при этом бак-расширитель в верхней части имеет отвод для вывода пара, а в нижней - отвод для удаления воды, полученной в результате конденсации пара.
(см. патент РФ на полезную модель №112264, кл. Е21В 43/24, 2012) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что данная установка, в отличие от приведенной выше, обеспечивает сепарирование части сгенерированного рабочего агента в воду и повторное ее использование в установке или для иных нужд. Однако, при генерировании рабочего агента, имеющего ультра-сверхкритические параметры, при проведении сепарирования, значительная его часть выбрасывается в атмосферу в виде пара, а то количество рабочего агента, которое сепарировалось, имеет весьма высокую температуру, и по этой причине не может быть использовано без длительной выдержки для его охлаждения.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности работы установки за счет снижения технологических потерь рабочего агента до инжектирования его в скважину.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в установке для генерации ультра-сверхкритического рабочего агента, содержащей модуль водоподготовки, имеющий возможность подсоединения к источнику воды, модуль генерации ультра-сверхкритического рабочего агента, первый насосный блок, предназначенный для подачи воды из модуля водоподготовки на модуль генерации ультра-сверхкритического рабочего агента, к выходу которого подсоединен трубопровод отвода сгенерированного в модуле генерации рабочего агента к скважине, в котором установлен управляемый запорный клапан, а также сепаратор, предназначенный для разделения поступающего сгенерированного рабочего агента на пар и воду, и подведенную к сепаратору линию для отвода отсепарированной воды, новым является то, что вход сепаратора посредством трубопровода соединен с трубопроводом отвода сгенерированного в модуле генерации рабочего агента к скважине и в этом трубопроводе установлены управляемый запорный клапан и редуктор давления, предназначенный для снижения давления поступающего в сепаратор рабочего агента, а в линию для отвода отсепарированной воды, последовательно от сепаратора, встроены второй насосный блок, теплообменник - охладитель, накопительная емкость и третий насосный блок, на выходе данной линии установлен управляемый запорный клапан, между которым и третьим насосным блоком к линии входом подведен трубопровод, выходом соединенный с модулем водоподготовки, причем в этом трубопроводе установлен управляемый запорный клапан, а к каналу сепаратора, предназначенному для отвода пара, входом может быть подсоединен конденсатор, выход которого соединен с накопительной емкостью.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых представлена схема установки.
Заявленная в качестве изобретения установка содержит модуль водоподготовки 1 с накопительной емкостью 2 на входе.
Как правило, для обеспечения функционирования установки могут быть использованы различные источники воды (озера, реки, скважинная вода и пр.). Подаваемая для получения рабочего агента вода содержат разнообразные примеси, а наличие растворенного в воде кислорода вызывает коррозию узлов и деталей магистралей теплообменных трактов и насосно-компрессорных труб, причем с повышением температуры воды растворимость кислорода уменьшается и увеличивается его агрессивность.
В настоящее время существует целый ряд устройств, позволяющих решать практически любые проблемы с очисткой подаваемой на получение рабочего агента воды.
В любом случае, исполнение модуля водоподготовки зависит от состава подаваемой в него воды, количества и видов примесей в ней, а также производительности установки. Конкретное исполнение модуля водоподготовки 1 без труда определяется специалистами.
Вода в модуль водоподготовки из источника подается под давлением насосом (не показан).
Выход модуля водоподготовки подсоединен к накопительной емкости 3. Накопительные емкости 2 и 3 обеспечивают резервирование исходной и подготовленной воды для непрерывной работы установки.
Выход накопительной емкости 3 соединен с первым насосным блоком, выполненным в виде соединенных друг с другом подпиточного насоса 4 и насоса высокого давления 5. В процессе работы установки подпиточный насос 4, обеспечивает номинальное давление подпора на всасе насоса высокого давления 5 для подачи воды в модуль генерации ультра-сверхкритического рабочего агента 6, который может быть выполнен различным образом, например, в виде теплоизолированного корпуса (позицией не обозначен), в котором размещены соединенные друг с другом секции теплообменных труб 7, при этом выходной трубопровод 8 насоса высокого давления 5 соединен с входной секцией 9 модуля генерации 6, а к выходной секции 10 модуля генерации подсоединены трубопровод 11 подвода сгенерированного рабочего агента через управляемый запорный клапан 12 на скважину (не показана), а также трубопровод 13 подвода через управляемый запорный клапан 14 к сепаратору 15 ультра - сверхкритического рабочего агента.
Сепаратор предназначен для разделения поступающего сгенерированного рабочего агента на пар и воду. Отсепарированная вода отводится из полости сепаратора посредством линии 16.
В нижней части корпуса (не показан) модуля генерации 6 установлено горелочное устройство 17, предназначенное для нагрева до заданной температуры прогоняемой по секциям теплообменных труб воды. К горел очному устройству подсоединены трубопроводы 18 и 19 для подвода топливных агентов, например, соответственно, природного газа и воздуха.
В верхней части корпуса (не показан) модуля генерации 6 имеется канал 20 для отвода из полости корпуса продуктов сгорания топлива.
В принципе, в качестве модуля генерации 6 может быть использован модуль, выполнение которого раскрыто в описании изобретения к патенту РФ №2701008 и который обеспечивает получение рабочего агента с необходимыми ультра-сверхкритическими параметрами.
Сепаратор 15 ультра - сверхкритического рабочего агента может быть различного типа. Например, сепаратор может быть выполнен в виде корпуса 21, в котором размещен змеевик 22 из труб. В верхней части корпуса 21 имеется канал 23, сообщающий полость корпуса 21 с атмосферой и предназначенный для отвода пара. В нижней части корпуса 21 сепаратора 15 имеется отводной патрубок, к которому посредством трубопровода 24 подсоединена линия 16 отвода отсепарированной в сепараторе из рабочего агента воды.
Для комплектования установки также могут быть использованы сепараторы, конструкция которых раскрыта в описаниях к патентам РФ на полезные модели №/№129597, 53755.
В трубопроводе 13 размещен редуктор давления 26, предназначенный для снижения давления поступающего в сепаратор рабочего агента, который обеспечивает работу сепаратора на энергозаниженных параметрах рабочего агента.
Линия 16 включает последовательно соединенные трубопроводом 27 второй насосный блок 25, на вход которого подведен трубопровод 24, теплообменник - охладитель 29, накопительная емкость 30, третий насосный блок 31 с выходным трубопроводом 32, в котором установлен управляемый запорный клапан 33. Выходной трубопровод 32 через управляемый запорный клапан 33 может быть соединен с дренажом (отвод отсепарированной воды для потребителя или сброс из системы), либо посредством трубопровода, в котором установлен управляемый запорный клапан 34, - с модулем водоподготовки, например, с входной емкостью 2.
Теплообменник - охладитель 29 является стандартным, например, воздушного охлаждения.
Насосные блоки 25 и 31 конструктивно идентичны и выполнены известным образом.
К каналу 23 сепаратора 15, предназначенному для отвода пара в атмосферу, посредством трубопровода (позицией не обозначен) может быть входом подсоединен конденсатор 35, например, воздушного охлаждения, выход которого соединен с накопительной емкостью 36.
Естественно, что для обеспечения функционирования установка оснащена трубопроводами транспортирования топлива, воды, пара, запорно-регулирующей арматурой, датчиками измерения уровня, температуры и давления воды, пара, топлива.
Конструкция узлов и агрегатов установки, не раскрытая в настоящей заявке, является известной и не составляет предмета патентной охраны настоящего изобретения.
Работа установки может осуществляться как в автоматическом режиме, для чего она оснащается системой управления (не показана), так и в ручном режиме.
Установка работает следующим образом.
Работа установки начинается с подготовки воды, предназначенной для получения рабочего агента.
В накопительную емкость 2 модуля водоподготовки 1 под давлением подается исходная вода из источника.
Подготовленная в модуле водоподготовки 1 вода подается в накопительную емкость 3, из которой подпиточным насосом 4, обеспечивающим номинальное давление подпора, подается на вход насоса высокого давления 5 и далее под высоким давлением в модуль генерации ультра-сверхкритического рабочего агента 6 во входную секцию теплообменных труб 9
Включают горелочное устройство 17. Образующиеся в результате сгорания топлива дымовые газы обтекают пучки секций теплообменных труб модуля генерации 6, отдавая тепло прокачиваемой через них воде, в результате чего вода нагревается, превращаясь в рабочий агент, а дымовые газы отводятся из полости корпуса (не показан) модуля генерации 6 в атмосферу через канал 20. Одновременно с включением в работу модуля генерации 6 открывают запорный клапан 14 трубопровода 13, соединяя выходную секцию 10 модуля генерации с сепаратором 15. Запорный клапан 12 при этом закрыт. Полученный в модуле 6 рабочий агент, который на этапе запуска установки еще не имеет заданных параметров давления и температуры, поступает в сепаратор 15, в котором практически полностью сепарируется в воду. Из сепаратора 15 вода по трубопроводу 24 поступает на вход второго насосного блока 25 линии 16 и посредством насосного блока 25 по трубопроводу 27 через теплообменник - охладитель 29, в котором она охлаждается до заданной температуры, подается в накопительную емкость 30, из которой посредством третьего насосного блока 31 подается в зависимости от положения запорных клапанов 33 и 34 в дренаж (отвод сепарированной воды для потребителя или сброс из системы) или во входную емкость 2 модуля водоподготовки 1.
При выходе установки на рабочий режим перекрывают запорный клапан 14 и открывают запорный клапан 12. В результате, полученный в модуле генерации 6 рабочий агент, который в выходной секции 10 модуля 6 имеет температуру ~600°С и давление до 60 МПа, по трубопроводу 11 подводится к скважине и инжектируется в ее продуктивный пласт.
В случае возникновения на скважине нештатной ситуации, требующей временной остановки инжектирования рабочего агента или временной остановки в соответствии с реализуемой на скважине добычной технологией, перекрывают запорный клапан 12 и открывают запорный клапан 14, в результате чего сгенерированный рабочий агент поступает в сепаратор 15 по трубопроводу 13, в котором, аналогично приведенному выше, осуществляется его сепарирование и отвод отсепарированной воды.
Использование в данных ситуациях сепаратора 15 позволяет не прерывать работу установки, не сбрасывать полученный рабочий агент в атмосферу, а охлаждать рабочий агент, пропуская его через змеевик сепаратора, теплообменник - охладитель, и через трубопровод 32 подавать потребителям или возвращать в блок водоподготовки, что значительно упрощает процесс последующей водоподготовки, так как данная вода уже очищена от примесей и полностью подготовлена к парообразованию.
Сбор отводимого от сепаратора пара в конденсаторе 35 позволяет практически весь пар конденсировать в воду, которую собирают в накопительной емкости 36. Также конденсат может быть направлен через теплообменник - охладитель (при необходимости) в накопительную емкость 30 или в накопительную емкость 2. В данном случае необходимость в емкости 36 отпадает.
Подача рабочего агента на сепаратор осуществляется также при пусконаладочных работах, приемо-сдаточных, контрольных и других испытаниях, когда параметры рабочего агента не соответствуют требованиям для инжектирования его в скважину.
Наличие в магистрали 13 редуктора давления 26 позволяет снизить давление рабочего агента на входе в сепаратор 15 с 60 МПа до 10…20 МПа. Это весьма существенно, так как обеспечивается работа сепаратора на энергозаниженных параметрах рабочего агента, Применение в конструкции установки теплообменника - охладителя 29 позволяет накапливать в емкости 30 сепарированную воду с рабочей температурой ~40°С, которую можно использовать для производственных нужд или направить на повторный цикл парообразования.
Все это значительно повышает эффективность эксплуатации установки, так как позволяет практически полностью исключить технологические потери сгенерированного рабочего агента до его инжектирования в скважину.
Установка может быть выполнена в стационарном исполнении или размещена на транспортабельной платформе, перемещаемой автотракторными средствами.