Лифтовая теплоизолированная труба

Изобретение относится к нефтегазодобыватощей промышленности, в частности к добыче нефти и газа с применением нагнетания теплоносителя в пласт, и может быть использовано в других отраслях народного хозяйства для теплоизоляции трубопроводов. Труба содержит несущую трубу и концентрично расположенные теплоизолированные кожухи, между которыми жёстко закреплены торцовые диафрагмы и имеется зазор между кожухами на стыках. Теплоизолированные кожухи в секциях выполнены линейно из двух частей и разных металлов и соединены жёстко встык между собой, одна часть из которых выполнена из обычного сортамента, а другая часть из металла, обладающего “памятью формы”. Линейная длина данной стыкуемой части кожуха последнего определяется исходя из длины секций и разности температур внутреннего кожуха и внешней несущей лифтовой трубы. Изобретение обеспечивает повышение надёжности работы в условиях значительных температур и давлений. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к добыче нефти и газа с применением нагнетания теплоносителя в пласт, и может быть использовано в других отраслях народного хозяйства для теплоизоляции трубопроводов.

Известна теплоизолированная колонна, состоящая из секций труб, соединенных узлом со смежно-расположенными секциями. Каждая из секций содержит коаксиально расположенные наружную и внутреннюю трубы, образующие герметичное кольцевое пространство для размещения теплоизоляционного материала. Трубы наружные и внутренние связаны по торцам фланцами. Причем одна из труб образующих секций предварительно напряжена. Один из концов трубы секции выполнен в виде раструба, содержащего наружный и внутренний участки труб, причем длины их разные. Разница между наружным и внутренним участками равна толщине (изоляционного слоя) кольца межтрубного пространства. При этом в основании раструба наружная труба образует с внутренней зазор. Узел соединения секций труб имеет резьбовой участок на наружной поверхности секций труб с одного из ее концов и резьбовой участок на внутренней поверхности. Узел соединения содержит также уплотнение, расположенное между упорными поверхностями, образованными торцовым фланцем, связывающим наружные и внутренние трубы секций со стороны резьбы, и торцовым фланцем, расположенным в основании раструба между участками внутренней трубы основной секции и раструбной части.

Фланцы имеют вкладыши в виде сухарей из металла с теплопроводностью, меньшей теплопроводности материала труб [1].

Недостатком такой конструкции является то, что соединение секции ступенчато полым концом (в виде раструба) с наружной трубой ведет к резкому увеличению габаритных размеров (по диаметру), что делает невозможным использование ее в размерах большинства скважин.

Кроме того, эта теплоизолированная колонна имеет сложную технологию ее изготовления, что затрудняет ее изготовление и сужает область ее использования.

Известна лифтовая теплоизолированная труба, взятая в качестве прототипа, включающая концентрично расположенные несущую трубу и кожух с теплоизолирующим материалом в кольцевом зазоре между ними, которые соединяются между собой четвертьторовыми торцовыми диафрагмами. Длина кожуха подбирается таким образом, чтобы при стыковке между собой оставался первоначальный расчетный зазор δ=2-5 мм [2].

Недостатком известной конструкции лифтовой теплоизолированной трубы является то, что рабочий ход четвертьторовой диафрагмы (компенсатора температурного расширения) ограничен из-за ее геометрической формы (конструкции) и соединительного шва. Здесь соединительный шов выполнен лобовым. Как известно, лобовые швы находятся в более сложном напряженном состоянии, чем другие швы, так как здесь одновременно возникают напряжения от осевой силы изгиба и среза.

Таким образом, вышерассмотренные конструкции (аналог и прототип) обладают общим существенным недостатком. Низкая надежность работы их в условиях высоких температур, когда температурные удлинения теплоизолированных внутренних труб (кожухов) по сравнению с наружными трубами становятся значительными, что вызывает температурные перенапряжения в конструкции и ее разрушение. Так, например, при температуре теплоносителя t=340°С и длине секции l=10 м температурное расширение внутренней трубы (удлинение внутренней трубы относительно наружной) достигает до ΔI=40...42 мм (деформация упругого элемента не более 2...5 мм).

Задачей изобретения является повышение надежности работы лифтовой теплоизолированной трубы в условиях высоких температур и давлений при одновременном упрощении ее конструкции.

Поставленная задача решается тем, что в лифтовой теплоизолированной трубе, включающей несущую трубу и концентрично расположенные теплоизолированные кожухи, между которыми жестко закреплены торцовые диафрагмы и имеется зазор между кожухами на стыках, при этом теплоизолированные кожухи в секциях выполнены линейно из двух частей и разных металлов и соединены жестко встык между собой, одна часть из которых выполнена из обычного сортамента, а другая часть из металла, обладающего “памятью формы”, причем линейная длина данной стыкуемой части кожуха последнего определяется исходя из длины секций и разности температур внутреннего кожуха и внешней несущей лифтовой теплоизолированной трубы.

Поставленная задача также решается тем, что на одном из торцов секции лифтовой теплоизолированной трубы установлен компенсатор температурного расширения, выполненный в виде двух ступенчатых колец, размещенных одно в другом скользяще-подвижно относительно друг друга, при этом внутреннее кольцо крепится жестко на кожухе, а наружное кольцо - к внутренней стенке несущей трубы, в свою очередь, оба они жестко связаны встык с их ступицами и с вогнутой пластинкой.

Существенными отличительными признаками заявленного изобретения в сравнении с прототипом, являются:

- теплоизолированные кожухи в секциях выполнены линейно из двух частей и разных металлов и соединены жестко встык между собой, одна часть из которых выполнена из обычного сортамента, а другая часть из металла, обладающего “памятью формы”, при этом линейная длина стыкуемой части кожуха последнего определяется исходя из длины секций и разности температур внутреннего кожуха и внешней несущей лифтовой теплоизолированной трубы;

- на одном из торцов секции лифтовой теплоизолированной трубы установлен компенсатор температурного расширения, выполненный в виде двух ступенчатых колец, размещенных одно в другом скользяще-подвижно относительно друг друга, при этом внутреннее кольцо крепится жестко на кожухе, а наружное кольцо - к внутренней стенке несущей трубы, в свою очередь, оба они жестко связаны встык с их ступицами и с вогнутой пластинкой.

Выполнение теплоизолированного кожуха (внутренней трубы) в секции линейно из двух частей и разных металлов, соединенных между собой встык, одна часть из которых выполнена из обычного сортамента, а другая часть из металла, обладающего “памятью формы”, дает возможность компенсировать температурное расширение (удлинение) внутренней трубы (кожуха), возникающее при нагнетании теплоносителя, по этим стыкованным между собой трубам, за счет изменения (укорочения) этой стыкованной части трубы, выполненной из материала, обладающего “памятью формы”. Этот металл (материал трубы), обладающий “памятью формы”, при повышении температуры изменяет форму, т.е. уменьшается (укорачивается) в нашем случае по длине, а другая часть трубы (из обычного сортамента), как известно, при нагреве удлиняется. Такое выполнение лифтовой теплоизолированной трубы решает главный вопрос компенсации температурного расширения, даже при значительных параметрах температуры и давления, а также значительно упрощает конструкцию лифтовой теплоизолированной трубы в целом.

Кроме того, установка на одном из торцов секции лифтовой теплоизолированной трубы компенсатора температурного расширения, выполнение его в виде двух ступенчатых колец и размещение их одно в другом скользяще-подвижно относительно друг друга, а также крепление внутреннего кольца жестко на кожухе наружного кольца к стенке внутренней несущей трубы и связывание встык с их ступицами и с вогнутой пластинкой устранит (компенсирует) непредусмотренные погрешности удлинения и укорочения [ΔI₁+(-ΔI₂)]=±ΔI_t внутренней трубы-кожуха (трубы обычного сортамента и трубы, обладающей “памятью формы”), получаемые теоретическим путем и реально возникающими при эксплуатации лифтовой теплоизолированной трубы в промышленных условиях. Вышеуказанные существенные отличительные признаки нам были неизвестны из патентной и научно-технической информации и соответствуют критерию “новизна”, т.е. существенные отличительные признаки являются “новыми”.

Учитывая то, что вышеприведенные отличительные признаки являются новыми для специалиста в этой области знаний, мы считаем, что изобретение соответствует критерию “изобретательский уровень”.

Что же касается “промышленной применимости”, то изобретение соответствует этому критерию, так как на него выполнены рабочие чертежи. Подготовлена необходимая техническая документация и идет подготовка к изготовлению и испытанию опытного образца в промышленных условиях на Ярегском месторождении тяжелой нефти для закачки пара в пласт на глубину 200 м.

На чертеже изображена лифтовая теплоизолированная труба в разрезе.

Лифтовая теплоизолированная труба состоит из секций коаксиально (концентрично) расположенных наружных 1 (несущих) труб, внутренних 2, 3 труб (теплоизолированных кожухов) и компенсаторов температурного расширения (торцовых диафрагм). Между наружными 1 трубами (несущими) и внутренними 2, 3 трубами (теплоизолированными кожухами) размещен теплоизолирующий материал 4. Трубы имеют узлы соединения, состоящие из муфт 5, соединительных (центрирующих) колец 6, уплотнителя 7 и втулки 8.

Теплоизолированные кожухи 2, 3 (внутренние трубы) в секциях выполнены линейно из двух частей и разных металлов и соединены жестко встык между собой, одна часть из которых выполнена из обычного сортамента 2, а другая часть из металла, обладающего “памятью формы” 3. Линейную длину, участка трубы, обладающего “памятью формы” 3, определяют исходя из длины секций и разности температур внутренней трубы 2, 3 (кожуха) и внешней 1 трубы (несущей) лифтовой теплоизолированной трубы.

Компенсатор температурного расширения выполнен в виде двух ступенчатых колец, размещенных одно в другом скользяще-подвижно относительно друг друга, при этом внутреннее кольцо 9 крепится жестко на кожухе 2, а наружное кольцо 10 - к внутренней стенке несущей 1 трубы, в свою очередь, внутреннее 9 и наружное 10 кольца жестко связаны встык с их ступицами 11, 12 и вогнутой пластинкой 13. Компенсатор температурного расширения (9, 10, 11, 12, 13) установлен на одном из торцов секции лифтовой теплоизолированной трубы. Несущие 1 (наружные трубы) и кожухи 3 (внутренние трубы) с другого конца жестко соединены между собой при помощи соединительных (центрирующих) колец 6.

Муфты 5 герметично соединяют несущие 1 трубы, а уплотнительные кольца 7 (уплотнители) плотно зажаты между соединительными (центрирующими) кольцами 6 и кольцами 9, 10 компенсатора температурного расширения.

Длина внутренней трубы 2, 3 (кожуха) подбирается таким образом, чтобы после свинчивания (стыковки) оставался первоначальный зазор (δ) не менее длины погрешности (±ΔI_t) удлинения и укорочения внутренней трубы (кожуха) 2, 3, получаемые теоретическим путем и реально возникающими при эксплуатации лифтовой теплоизолированной колонны. Длину погрешности ΔI_t для практических целей можно принять приближенно ΔI_t=2...4 мм, тогда зазор (δ) можно принять δ=ΔI_t+6...8 мм.

С целью улучшения условий работы уплотнителя 7 стыковочного узла консольные части кожухов 2, 3 (на стыках секций) охвачены втулкой 8 с возможностью скольжения в ней.

Изготовление и работа лифтовой теплоизолированной трубы заключается в следующем.

Сборку лифтовой теплоизолированной трубы производят секционно в заводских условиях.

Перед началом сборки секций выполняют предварительные сборочные операции функциональных узлов, а именно:

- производят стыковку внутренних труб (кожухов) 2, 3, состоящих из двух частей и разных металлов, из которых одна часть 2 из обычного сортамента, например, из стали группы прочности “Д” насосно-компрессорных труб (НКТ) по ГОСТ 633-80, а другая часть 3 из металла, обладающего “Памятью формы” (тиникелита титана, изменяющего форму при нагреве или остывании по длине до 12%), и выполняют сварку встык прочно-плотным швом;

- сначала к ступице 11 внутреннего кольца 9 устанавливают вогнутую пластинку 13 и приваривают их между собой встык прочно-плотным швом, а затем устанавливают наружное кольцо 10 охватом внутреннего кольца 9 (размещают одно в другое) до соприкосновения его ступицей с наружным диаметром вогнутой пластинки 13 и приваривают их встык прочно-плотным швом. При этом наружные торцовые поверхности колец 9, 10 должны лежать на одной плоскости и радиальное биение внутренних и наружных поверхностей относительно общей оси не должно препятствовать скольжению их относительно друг друга. Таким образом подготовленный сборочный узел - компенсатор температурного расширения (9, 10, 11, 12, 13) - устанавливают к торцу внутренней тубы (кожуха) 2, 3, со стороны обычного сортамента, состыкованной между собой из разных металлов, и приваривают его прочно-плотным швом к наружному диаметру этой трубы на расстоянии 10...12 мм от ее торца. Затем к другому концу, со стороны (другой части) металла, обладающего “памятью формы”, внутренней трубы (кожуха) 2, 3 приваривают также прочно-плотным швом соединительное кольцо 6.

На внутреннюю трубу (кожух) 2, 3, на участке между соединительным (центрирующим) кольцом 6 и компенсатором температурного расширения (9, 10, 11, 12, 13), наматывают чередующиеся слои теплоизолирующего материала 4, фольги и базальтового холста. Последний наружный слой закрепляют проволочными бандажами. Затем на внутреннюю трубу (кожух) 2, 3 с соединительным кольцом 6, теплоизолирующим материалом 4 и компенсатором температурного расширения (торцовой диафрагмой) (9, 10, 11, 12, 13) надевают наружную (несущую) 1 трубу и приваривают к ней также прочно-плотным швом соединительное кольцо 6 и компенсатор температурного расширения (9, 10, 11, 12, 13).

Полученные теплоизолированные секции труб собирают в колонну и спускают в скважину как обычные НКТ, предварительно устанавливая между соединительными кольцами 6 и компенсаторами температурного расширения (9, 10, 11, 12, 13) уплотнители 7, втулки 8, свинчивают муфтами на наружных (несущих) 1 трубах. При этом зазор 5 между стыками должен составлять в пределах δ=6...8 мм.

При постоянном или периодическом нагнетании теплоносителя в нефтяной пласт через лифтовую теплоизолированную трубу линейные размеры внутренних труб (кожухов) 2, 3, выполненных из двух частей и разных металлов и соединенных между собой встык, одна часть из которых, выполненная из обычного сортамента, расширяется (удлиняется), а другая часть, выполненная из металла, обладающего “памятью формы”, - укорачивается (уменьшаются), т.к. внутренняя труба (кожух) 2, 3 одним концом жестко связана с наружной (несущей) 1 трубой через соединительное кольцо 6, а другим - компенсатором температурного расширения (торцовой диафрагмой) (9, 10, 11, 12, 13) с ограниченной возможностью удлинения. И так, в зависимости от того, насколько удлинится при нагреве одна часть трубы из обычного сортамента, настолько же укоротится другая часть, обладающая эффектом “памяти формы”. При этом возможную разницу погрешности удлинения и укорочения этих стыкуемых между собой труб, получаемую расчетным путем и реально возникающей при эксплуатации лифтовой теплоизолированной трубы, компенсирует торцовая диафрагма - компенсатор температурного расширения (9, 10, 11, 12, 13).

Таким образом снимается внутреннее напряжение в секциях труб, возникающее при нагнетании теплоносителя в нефтяной пласт.

Соотношение длин внутренних труб (кожухов) 2, 3 в секциях определяется расчетным путем, исходя из общей длины секции, рабочей температуры, качества материалов, стыкуемых между собой частей.

Все это вместе взятое повышает надежность работы лифтовой теплоизолированной трубы, даже при высоких параметрах температуры и давления и резко упрощает ее конструкцию по сравнению с прототипом. В связи с этим увеличивается также и область ее применения.

Источники информации:

1. А.с. СССР №1696677 А, Е 21 В 36/00, 1991 г.

2. Патент РФ №2065919 C1, E 21 B 17/00, 1996 г.

1. Лифтовая теплоизолированная труба, содержащая несущую трубу и концентрично расположенные теплоизолированные кожухи, между которыми жёстко закреплены торцовые диафрагмы и имеется зазор между кожухами на стыках, отличающаяся тем, что теплоизолированные кожухи в секциях выполнены линейно из двух частей и разных металлов, и соединены жёстко встык между собой, одна часть из которых выполнена из обычного сортамента, а другая часть из металла, обладающего “Памятью формы”, причём линейная длина, данной стыкуемой части кожуха последнего, определяется исходя из длины секций и разности температур внутреннего кожуха и внешней несущей лифтовой трубы.

2. Лифтовая теплоизолированная труба по п. 1, отличающаяся тем, что на одном из торцов секции лифтовой теплоизолированной трубы установлен компенсатор температурного расширения, выполненный в виде двух ступенчатых колец и размещённых одно в другое скользяще-подвижно относительно друг друга, при этом внутреннее кольцо крепится жёстко на кожухе, а наружное кольцо - к внутренней стенке несущей трубы, которые, в свою очередь, жёстко связаны встык ступицами этих колец с вогнутой пластинкой.