Устройство для разрушения гидратных и парафиновых пробок

 

Использование: для интенсификации разрушения гидратных и парафиновых пробок в осложненных скважинах как в НКТ, так и в затрубном пространстве. Сущность изобретения: в скважину спускают на многожильном кабеле электронагреватель, рабочие жилы которого замкнуты на электрод, и осуществляют тепловое воздействие на вещество пробки с одновременным наложением низкочастотной вибрации, подключаемым к свободной жиле дополнительным устройством в составе нагревателя (электромагнитным вибратором). Устройство позволяет работать раздельно как в режиме нагрева, при котором все шесть рабочих жил подключены к однофазному источнику тока, так и в режиме омического сопротивления кабеля, когда объединенные попарно в три группы рабочие жилы подключены к трехфазному току. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к устройствам по ликвидации гидратных или парафиновых пробок в эксплуатационных колоннах добывающих скважин.

Известно скважинное термоакустическое устройство [1], содержащее акустический излучатель и связанный с ним нагреватель с клеммной камерой. Источник ультразвуковых колебаний выполнен из сплава типа пермендюр и создает ультразвуковые колебания в диапазоне частот от 5 до 30 кГц, которые распространяются в радиальном направлении, а интенсивность колебаний достигает 5 - 10 Вт/см, при этом для работы глубинного излучателя необходим наземный ультразвуковой генератор, его энергия передается по кабелю на излучающие секции, за счет их радиального изменения создаются акустические колебания, направленность которых регулируется отражателями. Совместное действие теплового и акустического полей приводит к многократному повышению эффективной температуропроводности пласта в зоне его обработки. Несмотря на очевидные преимущества комплексного воздействия теплового и акустического полей на обрабатываемый объект, нельзя не отметить узко направленную применимость устройства только при воздействии на призабойную зону пласта (ПЗП). Так как реально для получения достаточного уровня мощности (не менее 8 - 10 кВт) необходимо иметь нагреватель длиной 10 - 15 м, это требует применения лубрикаторов соответствующей длины. Высокая частота ультразвукового излучателя и радиальная направленность колебания исключают возможность его применения для разрушения гидратных и парафиновых пробок в НКТ и тем более в затрубном пространстве.

Известны способ ликвидации гидратных и парафиновых пробок в скважинах и устройство для его осуществления, взятое в качестве прототипа [2], технологией которого предусмотрены закорачивание свободных жил кабеля со стороны нагревателя и подключение их к источнику питания.

Такое решение проблемы, включающее использование свободных жил в целях получения дополнительной тепловой энергии и отвода ее в расплавленное вещество пробки для поддержания температуры в этой зоне выше температуры кристаллизации, приемлемо.

Реально работа кабеля в режиме омического сопротивления при работающем нагревателе не всегда дает ожидаемый результат, так как процесс разрушения пробок в силу его непредсказуемости чаще всего не укладывается в оптимальные сроки. Это приводит к перегреву кабеля, находящегося на барабане лебедки до такой степени, что защитная оболочка его жил не выдерживает (начинает испаряться).

Цель изобретения - интерсификация разрушения гидратных и парафиновых пробок как в НКТ, так и в затрубном пространстве скважин путем плавления их электрическим нагревателем.

Для реализации технического решения используется устройство разрушения гидратных пробок, содержащее источник питания и связанный с ним многожильный кабель с электронагревателем, причем кабель связан с электронагревателем одной частью жил, другая часть жил закорочена и соединена с источником питания с возможностью раздельного или одновременного включения электронагревателя и закороченных жил многожильного кабеля. Согласно изобретению в устройстве все рабочие жилы со стороны нагревателя соединены с его электродом, а со стороны источника тока в режиме работы нагревателя все рабочие жилы подключены к однофазному току, а в режиме омического сопротивления кабеля рабочие жилы соединены попарно и разбиты на три группы с возможностью подключения к трехфазному току.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить их соответствие критерию "новизна".

Из изучения других известных аналогов в данной области техники, где такие технические признаки, как замыкание всех рабочих жил кабеля (соединение "звездой") на электрод нагревателя и подключение с другой стороны к источнику либо однофазного, либо трехфазного тока, а также подключение свободной жилы к дополнительным устройствам в составе нагревателя не были выявлены, поэтому они обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию "изобретательский уровень".

Техническим результатом действия заявляемого устройства является ускорение процесса разрушения гидратных и парафиновых пробок как в НКТ, так и в затрубном пространстве скважин в условиях присутствия в них механических примесей и включений.

Для реализации технического решения необходимо произвести соответствующую доработку известного устройства [2], в частности присоединить замкнутые жилы со стороны нагревателя с его электродом, а седьмую свободную жилу использовать для подключения дополнительных устройств, применение которых в составе нагревателя многократно усиливает процесс разрушения гидратных и парафиновых пробок, в частности низкочастотный электромагнитный вибратор, что отражено на фиг. 1 - 4.

На фиг. 1 показано нагревательное устройство, содержащее многожильный кабель 1 в бронированной оплетке и жестко заделанный в верхней части корпуса 2, выполняющим совместно с наконечником 3 роль одного электрода, а для герметизации места заделки окончания жил кабеля служит резиновая пластина 4. Оголенные окончания рабочих жил крепятся механическим путем в верхней части второго электрода 5 (соединение "звездой"), который коаксиально закреплен центраторами 6 и 7 внутри корпуса 2, контейнер 8 с катализатором закреплен в верхней части электрода 5, а выход седьмой свободной жилы соединен с катушкой 9 электромагнитного вибратора, при включении которого к источнику тока происходят колебания якоря 10 с частотой, равной 50 Гц. К нижней части электрода 5 через резьбовое соединение крепится сменный электрод 11, имеющий электрическую связь через электролитную среду 12 с наконечником 3.

На фиг. 2 отражена принципиальная электрическая схема нагревателя в исходном состоянии, где N - нейтральный провод; А, Б, С - фазные провода источника тока; К₁ - К₄ - контакты электромагнитного реле; 13 - бронированная оплетка кабеля; 14 - 19 - рабочие жилы кабеля; 20 - свободная жила кабеля.

Устройство работает следующим образом.

Электронагреватель, в частности каталитический, спускают в НКТ на многожильном кабеле 1 (КН7 - 70 - 180), шесть жил которого 14 - 19 соединены попарно в три группы для каждой из трех фаз источника тока (фиг. 2) через коммутирующее устройство с контактами К₁ - К₄ на устье скважины и могут переключаться оператором либо в режим нагревателя, либо в режим омического сопротивления кабеля. В первом случае (фиг. 3), при котором в отличие от [2] можно передать значительно больший ток 30 - 35 А без боязни перегрева изоляции жил, что значительно увеличивает мощность нагревателя, за счет чего возрастает его теплопередача в окружающую среду и ускоряется процесс разрушения пробок, а также увеличивается общее время нахождения материала пробки в расплавленном состоянии.

Согласно [2] активную мощность W_н нагревателя можно найти из выражения W_н= I²_к·R_к, где J_к - ток, идущий по жилам кабеля; R_к - сопротивление одной жилы кабеля.

В свою очередь J_к = U_ф/R_к, где U_ф - фазное напряжение генератора тока. Так как в этом случае все шесть рабочих жил работают как один проводник для однофазного тока, то общее сопротивление R_к будет в шесть раз меньше, чем при использовании для питания части рабочих жил (две жилы как в прототипе). Таким образом, прирост активной мощности нагревателя происходит за счет того, что потери энергии на сопротивление кабеля будут в шесть раз меньше, чем для двухжильного подключения. Отсюда следует, что в шесть раз увеличивается активная мощность нагревателя и соответственно тепловая энергия, генерируемая им После прохождения интервала пробки в НКТ и возникновения ситуации, в которой невозможно создать циркуляцию рабочей жидкости (НКТ - затрубное пространство) из-за наличия пробки в затрубном пространстве, известные способы их ликвидации неэффективны в силу их локального действия. Так, например, закачка в НКТ нагретой до 60 - 80^oC технологической жидкости (раствор CaCl₂) не дает должных результатов. Подача тепловой энергии по всему интервалу пробки в затрубном пространстве решает эту проблему за 5 - 7 ч. Работа кабеля 1 в режиме омического сопротивления (фиг. 4) наиболее полно отвечает решению этой весьма сложной производственной задачи. Переключая кабель 1 на этот режим (контакты К₃ реле замкнуты), когда он полностью спущен в НКТ, а нагреватель отключен, за счет сопротивления прохождению трехфазного тока по соединенным попарно и замкнутым на электрод (соединение "звездой") рабочим жилам 14 - 19 происходит генерирование тепла, которое рассеивается с поверхности кабеля по всей его длине.

Такой режим создает дополнительный поток тепловой энергии, позволяющей на 10 - 15^oC повысить температуру уже расплавленного вещества пробки в НКТ и через несколько часов поддержания этого состояния за счет увеличения теплоотдачи через стенки НКТ прогреть весь интервал пробки в затрубном пространстве до такой степени, что она начнет разрушаться, и между НКТ и затрубным пространством возникнет гидродинамическая связь, что служит сигналом для окончания работ.

Активную мощность W_к, когда в активном сопротивлении (жилах кабеля) происходит необратимое преобразование электрической энергии в тепловую, находят из выражения W_к= I²_к·R_к. В режиме омического сопротивления трехфазный ток протекает по шести соединенным попарно жилам, разбитым на три группы (одна группа - одна фаза), таким образом, общее сопротивление кабеля будет в два раза меньше Окончательно активная мощность в этом режиме для трехфазного тока выразится следующим образом:

Из расчета следует, что парное соединение рабочих жил для трехфазного тока увеличивает выход активной мощности и тем самым количество тепла в 3,5 раза больше, чем это достигается в прототипе.

Из условия симметричности нагрузки по напряжению необходимо использовать четное количество жил, поэтому седьмая жила не используется. Предлагается подключать к седьмой (свободной) жиле устройства, принцип действия которых заключается в использовании любого известного физического эффекта, наиболее подходящего для процесса разрушения гидратных и парафиновых пробок в эксплуатационных колоннах скважин, в частности низкочастотный электромагнитный вибратор 9 (фиг. 1).

Механизм его влияния на работу нагревателя и интерсификацию процесса растепления пробок в условиях их осложнения присутствием механических предметов (груз - штанга) или механических примесей (песок) заключается в следующем. В первом случае нагреватель, вошедший в контакт с торцом какого-либо длинномерного предмета, сброшенного в НКТ и осевшего в пробке, останавливается, так как зона конвекционной передачи тепла от наконечника 3 не превышает 15 - 20 см и необходимо значительно увеличивать время прогрева таких интервалов. Процесс вообще становится невозможным, если длина предмета составляет более 40 - 50 см. Кроме того, увеличение времени прогрева приводит к тому, что выше расположенные слои расплавленного материала пробки вновь кристаллизируются и возникает аварийная ситуация (прихват кабеля). В случае с механическими примесями, равномерно рассеянными по всему объему пробки, они по мере разрушения пробки будут оседать на границе раздела (пробка - жидкость). Это будет происходить до тех пор, пока их концентрация на границе раздела не достигнет такой величины, после которой они станут играть роль теплоотражающего экрана, и передача тепла под экран снизится до такой степени, при которой наступит динамическое равновесие между поступающим и отраженным от него теплом. Нагреватель при этом "зависает".

Включение в состав нагревателя низкочастотного вибратора значительно ускоряет разрушение пробки за счет интенсификации эффекта тепло- и массообмена, что достигается увеличением поверхности контакта фаз и уменьшением диффузионных сопротивлений. С этой целью к взаимовоздействующему в зоне теплового контакта веществу пробки подводится дополнительная энергия путем наложения на эту зону низкочастотных колебаний. В системах, где движение потока ламинарно как при спуске нагревателя, теплопередача от поверхности нагрева зависит от низкочастотных колебаний и может дать прирост коэффициента теплопередачи до 700% [3, с. 213]. Это происходит за счет перехода от естественной (свободной) конвекции, когда перенос тепла путем перемещения некоторых объемов жидкости из более нагретой части пространства в менее нагретую обусловлен меньшей плотностью более нагретых объемов, а их поднятие в поле тяготения происходит по закону Архимеда к вынужденной конвекции, при которой течение среды вызывается внешними силами (движущиеся части корпуса).

Кроме того, при разложении электролита под действием проходящего через него тока образуются атомы водорода и кислорода, которые, вступая в реакцию между собой, образуют молекулы воды. Для ускорения этого процесса используется катализатор 8 [4], гранулы которого обволакиваются пленкой воды, и эффективность его работы снижается, при этом концентрация водорода и кислорода переходит безопасный уровень и возможно взрывное воспламенение смеси, неоднократно отмечаемое. Вибрационные колебания разрушают пограничную пленку воды, тем самым освобождая эффективную поверхность катализатора. Таким образом, здесь в отличие от [4] происходит переход от пассивной защиты катализатора (установка в верхней части корпуса) к активной защите.

Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР, N 1613588, кл. E 21 B 43/24, 1987.

2. Патент РФ, N 2003781, кл. E 21 B 43/24, 1991.

3. Варсанофьев В.Д. и др. Вибрационная техника в химической промышленности. - М.: Химия, 1985.

4. Авторское свидетельство СССР, N 1539310, кл. E 21 B 43/24, 1987.

Формула изобретения

1. Устройство для разрушения гидратных и парафиновых пробок, содержащее источник питания и связанный с ним многожильный кабель с электронагревателем, причем кабель связан с электронагревателем одной частью жил, другая часть жил закорочена и соединена с источником питания с возможностью раздельного или одновременного включения электронагревателя и закороченных жил многожильного кабеля, отличающееся тем, что все рабочие жилы кабеля со стороны нагревателя соединены с его электродом, а со стороны источника тока, в режиме нагрева устройства, все рабочие жилы подключены к однофазному току, а в режиме омического сопротивления кабеля рабочие жилы соединены папарно и разбиты на три группы с возможностью подключения в трехфазному току.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что свободная жила используется для подключения дополнительных устройств в составе нагревателя, в частности низкочастотного электромагнитного вибратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4