Нагреватель скважинный

Данная полезная модель относится к технике и технологии добычи, и может быть применена для интенсификации добычи нефти и газа. Обеспечивает увеличение добычи нефти и газа, оптимизацию процессов высоковязкой скважинной продукции при помощи совокупной работы насосного и теплового оборудования для изменения реологических свойств (например, вязкости) добываемой скважинной продукции. Полезная модель направлена на изменение реологических свойств добываемой пластовой продукции для повышения нефтеотдачи пласта за счет снижения вязкости добываемой продукции.
В связи со значительным истощением легкоизвлекаемых нефтей, появилась необходимость в разработке новых технологий для добычи трудноизвлекаемых запасов, в том числе высоковязких.
Предлагаемый скважинный нагреватель делает возможным добычу скважинной высоковязкой продукции с помощью любых насосов без существенного изменения их характеристик, например, коэффициента полезного действия, что достигается с помощью нагрева добываемой продукции внутри скважины, что ведет к изменению ее реологических свойств, в частности, снижению вязкости.
Из традиционно используемых для добычи нефти типов насосов наиболее приспособленными для извлечения высоковязкой продукции являются винтовые насосы. Скважинные винтовые насосы работают за счет передачи энергии в виде вращающейся колонны насосных штанг от, установленного на устье скважины электродвигателя или с помощью передачи энергии от погружного электродвигателя.
Известны способы добычи высоковязкой продукции скважин с помощью винтовых насосных установок, скважинных штанговых насосных установок (ШГН), установок погружных электроцентробежных насосов (УЭЦН) [Ивановский В.Н. и д.р. Скважинные насосные установки для добычи нефти. Учебное пособие. М.: ГУП Изд-во "Нефть и газ" РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002 - 824 стр. Термические методы воздействия на нефтяные пласты. Справочное пособие "Недра", 1995 г., стр. 82].
Общим недостатком всех этих способов является существенное влияние реологических свойств (например, вязкости) добываемой продукции на показатели работы насосных установок, например КПД, он может существенно снижаться.
Также из уровня техники известен скважинный нагреватель, осуществляющий нагрев газожидкостной смеси в скважине (см. RU 2450117 С1, опуб. 10.05.2012), содержащий проточные кольцевые нагреватели на торце насосно-компрессорной трубы для осуществления нагрева газожидкостной смеси с парафином на забое скважины и на насосно-компрессорной трубе, размещенной над электроцентробежным насосом для осуществления дополнительного нагрева газожидкостной смеси с парафином, при этом все проточные кольцевые нагреватели соединены выше насоса трехфазным кабелем насоса, а ниже однофазным.
Недостатки аналога заключаются в сложности его осуществления, и, в частности, невозможности осуществления для высоковязких нефтей, дороговизне и ненадежности применяемого кабеля, а также в невозможности поддержания температуры добываемой продукции на заданном значении.
Наиболее близким, выбранным авторами в качестве прототипа, является скважинный нагреватель, описанный в способе прогрева призабойной зоны скважины (см. RU 2559975 С1, опуб. 20.08.2015), характеризуемом тем, что в призабойную зону скважины в интервал перфорации на хвостовике из насосно-компрессорных труб (НКТ) ниже скважинного погружного оборудования в зависимости от необходимой длины и мощности нагрева опускают один или несколько соединенных между собой скважинных электрических резистивных нагревателей, производят управляемый прогрев околоскважинного пространства призабойной зоны и поступающей в скважину пластовой жидкости, при этом в нижней трубе, на которой укрепляют нагреватель, изготавливают щелевые отверстия, через которые осуществляют свободное перемещение нагретой скважинной жидкости из затрубного пространства во внутреннее пространство НКТ и обратно, а сам скважинный нагреватель используют как со штанговыми глубинными насосами, так и с электрическими центробежными и винтовыми насосами и в фонтанных и газлифтных скважинах, одновременно с помощью станции управления поддерживают в автоматическом режиме заданную температуру нагревателя, одновременно контролируют температуру отходящего от нагревателя потока и температуру выходящего потока жидкости на устье скважины, а подачу необходимой мощности на нагреватель с учетом контрольных измерений автоматически регулируют программируемым контроллером станции управления заданной температурой нагревателя, тем самым на призабойную зону скважины оказывают необходимое тепловое воздействие.
Недостатками прототипа являются: низкая эффективность теплоотвода от поверхности нагревательного элемента до внутренней поверхности корпуса скважинного нагревателя, кроме того на границе теплоноситель/внутренняя стенка корпуса скважинного нагревателя имеется большой температурный перепад, что требует большей площади внешней поверхности корпуса скважинного нагревателя для отвода заданной мощности; в случае увеличения мощности скважинного нагревателя по мере роста температуры рабочей жидкости, требуется контролировать температуру элементов соответствующей аппаратурой, что ведет к усложнению конструкции устройства; использование рабочей жидкости в виде промежуточного теплоносителя в полости скважинного нагревателя приводит к увеличению массы всего устройства в условиях ограниченного диаметра скважин по сравнению с устройствами прямого нагрева; использование рабочей жидкости в виде промежуточного теплоносителя в полости скважинного нагревателя приводит к избыточным массовым характеристикам всего устройства в условиях ограниченного диаметра скважин.
Общим недостатком известных скважинных нагревателей высоковязкой продукции является невозможность управления температурой продукции в добывающих скважинах во время ее добычи, а соответственно и ее реологическими свойствами, что приводит к необходимости применения насосных установок, предназначенных для добычи высоковязкой продукции возможно имеющей высокую начальную температуру. Это возникает вследствие того, что тепловое воздействие оказывается в целом на продуктивный пласт для увеличения его нефтеотдачи, а не на продукцию уже находящуюся в добывающей скважине.
Предлагаемый нагреватель направлен на изменение реологических свойств добываемой продукции для возможности применения стандартных насосных установок без существенного снижения эффективности их работы.
Задачей настоящей полезной модели является повышение эффективности добычи скважинной продукции, имеющей первоначальную повышенную вязкость, с помощью стандартных насосных установок, предназначенных для эксплуатации скважин с продукцией низкой вязкости.
Технический результат заключается в повышении эффективности и надежности скважинного нагревателя за счет рационального расположения нагревательных элементов и эффективной теплопередачи окружающей среде.
Технический результат достигается тем, что нагреватель скважинный состоит из подвеса, корпуса в виде полого цилиндра, нагревательных элементов, токоввода, согласно полезной модели нагревательные элементы расположены по наружной поверхности корпуса и размещены по вершинам равностороннего треугольника, при этом нагреватель выполнен с возможностью поддерживать заданную температуру в результате постоянного или кратковременно-цикличного нагрева, контролируемого и/или задаваемого системой управления.
Кроме того, нагреватель соединен со станцией управления геокабелем.
Кроме того, нагреватель является модульным, количество модулей выбирается в зависимости от требуемой мощности и составляет от 2 до 12 штук. Каждый модуль оснащен датчиком температуры с обратной связью. При этом модули соединяют между собой с помощью фланцевого соединения, или с помощью тросов, или цепей, или гибкой связи.
Кроме того, нагреватель выполнен индукционного и/или резистивного принципа действия. При этом полость цилиндра заполнена теплопроводящим материалом. А на внешней поверхности корпуса нагревателя размещают ребра.
На сопроводительных чертежах показан предложенный скважинный нагреватель и иллюстрационный вариант скважинной установки, содержащей такой нагреватель. Однако не следует считать данный пример единственным осуществлением и каким-либо образом ограничивающим осуществление предложенного нагревателя. На фиг. 1 показан скважинный нагреватель, на фиг. 2 показан увеличенный вид А с фиг. 1, на фиг. 3 показан пример схемы размещения насосной установки и нагревателя в скважине, на фиг. 4 показана схема управления насосом и нагревателем в скважине.
Нагреватель скважинный (см. фиг. 1-2) состоит из подвеса 7, корпуса в виде полого цилиндра (отдельной позицией не обозначен), нагревательных элементов (отдельными позициями не обозначены) и токоввода. При этом нагревательные элементы расположены по наружной поверхности корпуса и размещены по вершинам равностороннего треугольника. А нагреватель выполнен с возможностью поддерживать заданную температуру в результате постоянного или кратковременно-цикличного нагрева, контролируемого и/или задаваемого системой управления. Кроме того, нагреватель соединен со станцией управления геокабелем 21 (фиг. 3).
Кроме того, нагреватель является модульным, количество модулей 8, 9, 10 (фиг. 1) выбирается в зависимости от требуемой мощности и составляет от 2 до 12 штук. Каждый модуль 8, 9, 10 оснащен датчиком температуры с обратной связью. При этом модули соединяют между собой с помощью фланцевого соединения, или с помощью тросов, или цепей, или гибкой связи.
Кроме того, нагреватель 22 (фиг. 3) выполнен индукционного и/или резистивного принципа действия. При этом полость цилиндра заполнена теплопроводящим материалом. А на внешней поверхности корпуса нагревателя 22 размещают ребра.
Также нагреватель (фиг. 1) содержит шпильки 1 и гайки 2 для крепления верхнего модуля к подвесу 7. Прокладку 3 (например, паронит) и гровер 5, болт 6 и заглушку 11, кроме того, уплотнительное кольцо 4 (фиг. 2).
Рассмотрим пример схемы размещения насосной установки и нагревателя в скважине (фиг. 3) с комплектным набором оборудования частотно-регулируемого привода (ЧРЭП) и внутрискважинного нагревателя унифицированного типа, при осуществлении которого снижается энергопотребление насосной установки за счет снижения вязкости жидкости, появляется возможность замены насосного агрегата на насосный агрегат с меньшей мощностью.
Собирают спускаемую в скважину установку (см. фиг. 3), состоящую из нагревателя 22, насоса 23, трубы НКТ 24, обратного клапана 25, патрубка (1/2 м) 26, сбивного клапана 27, патрубка (1/2 м) 28, кольца Рудака 29, колонны НКТ 30, клямс 31, протектора 32 двухканального на всех муфтах НКТ, кабеля 12, устьевой арматуры 13 с двумя кабельными вводами, клеммной коробки 14, станции управления 15, трансформатора 16, сдвоенного патрубка 17, муфты 18, защиты оконцовочного устройства ЗОК 19, термопреобразователя 20, геокабеля 21. Клямсы (например, ПКК 73) устанавливают на каждой трубе НКТ по три штуки. Протекторы кабельные (например, ПК 73/2) устанавливают на всех муфтах НКТ. Спускают в скважину нагреватель 22 и насосную установку, прогревают продукцию и осуществляют ее подъем из скважины с помощью насоса 23, при этом с помощью станции управления 15 поддерживают заданную температуру нагревателя 22, нагреватель 22 устанавливается под насосную установку, при этом нагрев производят постоянно или кратковременно-циклично, причем температуру нагрева и режим работы нагревателя контролируют и/или задают с помощью системы управления 15, входящей в состав станции управления насосной установкой или устанавливаемой отдельно, при этом управление насосной установкой и нагревателем осуществляется по сигналам с датчиков технологических параметров. Нагреватель 22 соединен со станцией управления 15 геокабелем 21. Кроме того, нагреватель 22 является модульным, количество модулей выбирается в зависимости от требуемой мощности и составляет от 2 до 12 модулей. Кроме того, модули соединяют между собой с помощью фланцевого соединения, или с помощью тросов, или цепей, или гибкой связи. Кроме того, нагреватель 22 выбирают индукционного и/или резистивного принципа действия. Каждый модуль нагревателя 22 состоит из нескольких электронагревательных элементов, которые в нагревателе размещают по вершинам равностороннего треугольника, при этом полость цилиндра заполнена теплопроводящим материалом. Кроме того, каждый модуль оснащен датчиком температуры с обратной связью. Кроме того, на внешней поверхности корпуса нагревателя размещают ребра.
1
2
n
Функциональная схема системы управления для скважин с высоковязкой продукцией представлена на фиг. 4 при совместной работе ЧРЭП и скважинного нагревателя. Управляющий контроллер 37 регулирует скорость вращения вала приводного электродвигателя 33 посредством преобразователя частоты 34. Одновременно осуществляется управление внутрискважинным нагревателем унифицированного типа 35. Путем формирования сигнала для блока питания 36. Конструктивно контроллер 37, преобразователь частоты 34 и блок питания 36 могут быть установлены как в станции управления скважинной 15 (см. фиг. 3), так и отдельно с целью унификации с действующим фондом оборудования. Управление осуществляется по сигналам с датчиков технологических параметров 38, 38, …, 38. Состав датчиков меняется в зависимости от конструкции скважин, конфигурации системы и типа используемого насоса.
Указанный результат достигается сочетанием работы насосной установки с ЧРЭП, а также постоянного и/или кратковременно-циклического нагрева добываемой продукции внутри скважины с помощью электрического нагревательного оборудования, за счет чего изменяются ее реологические свойства, в частности снижается вязкость, что уменьшает или исключает снижение энергетических характеристик скважинных насосных установок и дает возможность применять насосные установки, в частности, УЭЦН, без существенного запаса по напору, мощности и подаче. Таким образом, повышается эффективность добычи вязкой продукции нефтяной скважины за счет совместного управления насосной установкой и внутрискважинным нагревателем по данным с датчиков технологических параметров.
Относительно скважинного нагревателя технический результат заключается в повышении эффективности и надежности скважинного нагревателя за счет рационального расположения нагревательных элементов и эффективной теплопередачи окружающей среде.
Проведенный патентный анализ выявил отличия от известного уровня техники, в связи с чем предложенный нагреватель соответствует критерию патентоспособности «новизна». Предложенный нагреватель может быть осуществлен оборудованием, выпускаемым промышленностью с применением известных материалов и технологий, произведен и успешно прошел внутрискважинные испытания, в связи с чем предложенный нагреватель соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Следует понимать, что после рассмотрения специалистом приведенного описания с примером осуществления скважинного нагревателя и схемы размещения насосной установки и нагревателя в скважине, а также сопроводительных чертежей, для него станут очевидными другие изменения, модификации и варианты реализации заявленного изобретения. Таким образом, все подобные изменения, модификации и варианты реализации, а также другие области применения, не имеющие расхождений с сущностью настоящей полезной модели, следует считать защищенными настоящей полезной моделью в объеме прилагаемой формулы.