Нагреватель для нефтяной скважины

Изобретение относится к нефтяной промышленности и предназначено для путевого электронагрева высоковязкой нефтегазовой смеси скважин. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности предупреждения и ликвидации асфальтосмолопарафиновых отложений в нефтяных скважинах при упрощении конструкции регулятора и минимизации материальных и энергетических затрат за счет минимизации длины нагревательного кабеля (НК). Нагреватель включает источник тока (ИТ), выводящий кабель, а также НК. Токопроводящие жилы НК на одном его конце соединены между собой, а другими концами посредством выводящего кабеля подключены к ИТ. При этом параметры упомянутых ИТ, выводящего кабеля и НК связаны между собой следующим соотношением: где: L_k - длина НК, L - суммарная длина НК и выводящего кабеля, U - напряжение ИТ, cosϕ - коэффициент мощности, R₀ - активное сопротивление одного метра фазы (токопроводящей линии) НК, R₁ - активное сопротивление одного метра фазы (токопроводящей линии) выводящего кабеля, Р₀ - активная мощность, потребляемая одним метром НК. Выводящий кабель проходит через устье скважины и вниз в скважину вдоль подъемной трубы и электрически соединен с расположенным в скважине нагревательным кабелем. Скобы крепят кабели к подъемной трубе, расположенной внутри обсадной трубы, через равномерные промежутки. 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Нагреватель относится к оборудованию нефтяных скважин и предназначен для путевого электропрогрева высоковязкой нефтегазовой смеси скважин, оборудованных штанговыми насосными установками или погружными электронасосами, с целью поддержания в скважинах оптимального теплового режима для предупреждения и ликвидации альфальтосмолопарафиновых отложений.

Уровень техники

Известна кабельная линия, состоящая из соединенных между собой низкотемпературного и высокотемпературного отводов с разным удельным сопротивлением, каждый из которых состоит из изолированных токопроводящих жил в общей формообразующей оболочке, на которую уложена подушка под броню и броня, жилы каждого из отводов соединены попарно, место соединения жил выполнено неразъемным, поверх мест соединения каждой пары жил уложена изоляционная термостойкая оболочка, затем общая формообразующая изоляционная оболочка, подушка и броня, при этом изоляционная термостойкая оболочка уложена на каждую жилу, общая изоляционная формообразующая оболочка, подушка и броня уложены на соединенные попарно токопроводящие жилы каждого из отводов и место соединения жил непрерывно по всей длине кабельной линии (Патент РФ на полезную модель №10000, опубликована 16.05.1999 г. Бюл. №5.).

Признаки известной кабельной линии, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, заключаются в наличии нагревательного кабеля.

Причина, препятствующая получению в известной кабельной линии технического результата, который обеспечивается изобретением, заключается в выполнении нагревательного кабеля из двух отводов - низкотемпературного и высокотемпературного, а также в отсутствии выводящего кабеля.

Известен нагреватель для нефтяной скважины, содержащий расположенный в насосно-компрессорной трубе первый нагревательный элемент в виде кабеля, подключенного к источнику питания, при этом на конце кабеля выполнен неизолированный участок с токопроводящими грузами, обеспечивающими электрическое соединение одной или нескольких параллельно соединенных жил кабеля, через которые пропускается ток, с насосно-компрессорной трубой, являющейся вторым нагревательным элементом; при этом кабель подключен к положительному выводу источника питания, а насосно-компрессорная труба - к отрицательному. Кабель, кроме того, снабжен заделанными в него датчиками температуры и соединительными проводами для их подключения к измерительному прибору (Патент RU №2171363 С1, заявка №2000131536/03, дата подачи заявки 2000.12.18, публикация формулы 2001.07.18).

Признаки известного нагревателя, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, заключаются в наличии нагревательного кабеля и источника тока, к которому подключен этот кабель.

Причина, препятствующая получению в известном нагревателе технического результата, который обеспечивается изобретением, заключается в наличии токопроводящих грузов и использовании насосно-компрессорной трубы в качестве нагревательного элемента.

Наиболее близким аналогом (прототипом) для заявленного нагревателя является нагреватель для нефтяной скважины, включающий регулируемый источник тока, регулятор и нагревательный кабель, который содержит общую броню с подушкой под эту броню, параллельно расположенные внутри брони термоизолированные токопроводящие нагревательные жилы, соединенные на одном конце кабеля между собой, а другими концами подключенные к регулируемому источнику тока, а также уложенные параллельно нагревательным жилам в пространствах между ними и общей броней заполняющие жилы, как минимум две из которых выполнены в виде изолированных медных проволок, соединенных на одном конце кабеля между собой, а другими концами включенные в плечо электроизмерительного моста, диагональ измерения которого соединена с входом регулятора (Патент РФ №32186 на полезную модель; опубликована 10.09.2003. Бюл. №25).

Признаки известного нагревателя, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, заключаются в наличии источника тока и электронагревательного кабеля, токопроводящие нагревательные жилы которого на одном (нижнем) конце кабеля соединены между собой, а другими концами подключены к источнику тока.

Причина, препятствующая получению в известном нагревателе технического результата, который обеспечивается изобретением, заключается в непосредственном подключении нагревательного кабеля к источнику тока.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в обеспечении возможности предупреждения и ликвидации асфальтосмолопарафиновых отложений в нефтяных скважинах при упрощении конструкции регулятора (или его исключения) и минимизации материальных и энергетических затрат.

Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в минимизации длины нагревательного кабеля.

Достигается технический результат тем, что нагреватель для нефтяной скважины включает источник тока, выполненный в виде либо источника трехфазного или двухфазного переменного тока, либо источника однофазного переменного тока, либо источника постоянного тока, выводящий кабель, а также нагревательный кабель, токопроводящие жилы которого на одном его конце соединены между собой, а другими концами посредством выводящего кабеля подключены к источнику тока, при этом параметры упомянутых выше источника тока, выводящего и нагревательного кабелей связаны между собой следующим соотношением:

где L_k - длина нагревательного кабеля,

L - суммарная длина нагревательного и выводящего кабелей,

U - либо напряжение между фазами источника трехфазного или двухфазного переменного тока, либо напряжение между фазой и нулем источника однофазного переменного тока, либо напряжение источника постоянного тока,

cos ϕ - коэффициент мощности (ϕ - угол между током, протекающим по нагревательному и выводящему кабелям, и напряжением U), при этом в случае использования источника постоянного тока cosϕ=1,

R₀ - либо активное сопротивление одного метра фазы нагревательного кабеля в случае использования источника трехфазного или двухфазного переменного тока, либо активное сопротивление одного метра токопроводящей линии нагревательного кабеля в случае использования источника однофазного переменного тока или источника постоянного тока,

R₁ - либо активное сопротивление одного метра фазы выводящего кабеля в случае использования источника трехфазного или двухфазного переменного тока, либо активное сопротивление одного метра токопроводящей линии выводящего кабеля в случае использования источника однофазного переменного тока или источника постоянного тока,

Р₀ - активная мощность, потребляемая одним метром нагревательного кабеля.

Новые признаки заявленного нагревателя заключаются в наличии выводящего кабеля, посредством которого нагревательный кабель соединен с источником тока, а также в том, что длина L_k нагревательного кабеля, суммарная длина L нагревательного и выводящего кабелей, напряжение U источника тока, активное сопротивление R₀ одного метра любой токопроводящей жилы нагревательного кабеля, активное сопротивление R₁ одного метра любой токопроводящей жилы выводящего кабеля, а также мощность Р₀, потребляемая одним метром нагревательного кабеля, связаны отношением:

Краткое описание чертежей

На чертеже показана функциональная схема нагревателя для нефтяной скважины.

Осуществление изобретения

На чертеже показана нефтяная скважина 1, имеющая одну или несколько обсадных труб 2, проходящих через скважину. Подъемная труба 3 проходит через обсадную трубу 2 к поверхности. Устье 4 скважины расположено на поверхности. Напорный трубопровод 5 простирается от устья 4 скважины для передачи добываемых жидкостей.

Нагреватель для нефтяной скважины содержит нагревательный кабель 6, выводящий кабель 7 и источник тока 10. Токопроводящие жилы нагревательного кабеля выполнены из стали, меди или алюминия, а токопроводящие жилы выводящего кабеля выполнены из меди или алюминия. Кроме того, нагревательный кабель 6 в поперечном сечении имеет плоскую, круглую или выпукло-вогнутую форму и предназначен для предотвращения наращивания гидратов, льда, асфальтенов и парафинового воска (парафинов) или других теплочувствительных веществ, которые могут откладываться на внутренней поверхности трубы 3. Если нагревательный кабель выполнен плоским и выпукло-вогнутым, то его располагают снаружи вдоль подъемной трубы 3 (как показано на прилагаемой фигуре), а если круглой - то внутри подъемной трубы 3 (не показано). При этом его нижняя точка 8, в которой имеет место электрическое соединение между собой нижних концов токопроводящих жил кабеля, расположена в зоне начала предполагаемого парафинообразования. Выводящий кабель 7 проходит через устье 4 скважины и вниз в скважину вдоль подъемной трубы 3 и непосредственно электрически нижними концами своих токопроводящих жил соединен с верхними концами токопроводящих жил нагревательного кабеля 6, а верхними концами - с источником тока 10. Скобы 9 крепят кабели 6 и 7 (если кабель 6 выполнен плоским или выпукло-вогнутыми) к подъемной трубе 3 через равномерные промежутки. Кроме того, источник тока 10 может быть выполнен в виде трехфазного, двухфазного или однофазного источника переменного тока или в виде источника постоянного тока. В первом случае кабели 6 и 7 имеют минимум по три токопроводящие жилы по числу фаз источника 10 (жил может быть больше). Во втором, третьем и четвертом случаях каждый кабель имеет минимум две токопроводящие жилы. При использовании в этих случаях трехжильного кабеля используют либо только его две жилы, либо две жилы соединяют параллельно, так что они фактически образуют одну жилу. При этом опытным путем установлено, что минимальное энергопотребление нагревательного кабеля 6, обеспечивающее гарантированный эффект предотвращения парафинообразования в скважине, обеспечивается, если длина L_k нагревательного кабеля 6, суммарная длина L нагревательного 6 и выводящего 7 кабелей, напряжение U между фазами источника трехфазного или двухфазного переменного тока 10 (или напряжение U между фазой и нулем источника однофазного переменного тока 10, или напряжение U источника постоянного тока 10), активное сопротивление R₀ одного метра фазы нагревательного кабеля 6 (в случае использования источника трехфазного или двухфазного переменного тока) или сопротивление R₀ одного метра токопроводящей линии нагревательного кабеля 6 (в случае использования источника постоянного тока или однофазного источника переменного тока), активное сопротивление R₁ одного метра фазы выводящего кабеля 7 (в случае использования источника трехфазного или двухфазного переменного тока) или сопротивление R₁ одного метра токопроводящей линии выводящего кабеля 7 (в случае использования источника постоянного тока или однофазного источника переменного тока), мощность Р₀, потребляемая одним метром нагревательного кабеля 6, и коэффициент мощности cosϕ связаны соотношением:

Работа нагревателя для нефтяной скважины заключается в следующем.

Предварительно, исходя из заданных параметров глубины начала парафинообразования, электрических параметров имеющихся в наличии нагревательных 6 и выводящих 7 кабелей (R₀, R₁), необходимой минимальной отдаваемой нагревательным кабелем 6 мощности (и, соответственно, мощности Р₀, потребляемой одним метром этого нагревательного кабеля 6), предотвращающей указанное парафинообразование, а также заданного напряжения источника тока, по приведенной выше математической зависимости определяют потребную длину L_k нагревательного кабеля 6. Далее кабели 6 и 7 электрически соединяют между собой и располагают на подъемной трубе 3 при помощи скоб 9, так чтобы нижний конец нагревательного кабеля 6 располагался на глубине предполагаемого начала парафинообразования. При этом предварительно нижние концы токопроводящих жил нагревательного кабеля 6 соединяют между собой. После того как кабели 6 и 7 установлены в скважине, кабель 7 его верхним концом подключают к источнику тока 10, на котором выставляют необходимое напряжение U. Источник тока 10 включают, в результате чего по токопроводящим жилам нагревательного кабеля 6 непрерывно или периодически протекает трехфазный или двухфазный переменный электрический ток (или однофазный переменный ток, или постоянный ток) от источника 10. Ток протекает и нагревает эти жилы, от которых тепло через термоизоляционную диэлектрическую оболочку нагревательного кабеля передается к нагревательным поверхностям кабеля, а от них - к трубе 3, предотвращая образование в скважине парафина и других теплочувствительных веществ. При этом длина нагревательного кабеля 6, вычисленная при помощи приведенного выше отношения (которое определено опытным путем), обеспечивает при заданных прочих параметрах нагревателя такой нагрев нефти в скважине, при котором исключается образование парафинов при минимально возможном потреблении электрической энергии. Возможно также, что в некоторых случаях длина L_k нагревательного кабеля будет являться заданной величиной, определяемой условиями эксплуатации скважины. Тогда при помощи приведенного выше математического выражения определяют либо напряжение U источника тока 10, необходимое для обеспечения номинальной мощности Р₀, подводимой к нагревательному кабелю 6, либо электрические параметры кабелей 6 и 7 (R₀-R₁).

Нагреватель для нефтяной скважины, включающий источник тока, выполненный в виде либо источника трехфазного или двухфазного переменного тока, либо источника однофазного переменного тока, либо источника постоянного тока, выводящий кабель, а также нагревательный кабель, токопроводящие жилы которого на одном его конце соединены между собой, а другими концами посредством выводящего кабеля подключены к источнику тока, при этом параметры упомянутых выше источника тока, выводящего и нагревательного кабелей связаны между собой следующим соотношением:

где L_k - длина нагревательного кабеля,

L- суммарная длина нагревательного и выводящего кабелей,

U - либо напряжение между фазами источника трехфазного или двухфазного переменного тока, либо напряжение между фазой и нулем источника однофазного переменного тока, либо напряжение источника постоянного тока,

cosϕ - коэффициент мощности,

R₀ - либо активное сопротивление одного метра фазы нагревательного кабеля в случае использования источника трехфазного или двухфазного переменного тока, либо активное сопротивление одного метра токопроводящей линии нагревательного кабеля в случае использования источника однофазного переменного тока или источника постоянного тока,

R₁ - либо активное сопротивление одного метра фазы выводящего кабеля в случае использования источника трехфазного или двухфазного переменного тока, либо активное сопротивление одного метра токопроводящей линии выводящего кабеля в случае использования источника однофазного переменного тока или источника постоянного тока,

Р₀ - активная мощность, потребляемая одним метром нагревательного кабеля.