Установка нагрева нефти

Изобретение относится к оборудованию нефтяных скважин и может быть использовано для создания оптимального теплового режима в добывающих нефтяных скважинах для предотвращения асфальтосмолопарафиновых отложений в насосно-компрессорных трубах (НКТ) нефтяных скважин и нефтепроводах. Техническим результатом изобретения является минимизация потребляемой мощности и повышение надежности. Для этого установка содержит спускаемый в зону возможного парафинообразования нагревательный кабель (НК), в котором установлены силовые проводники, броня и проводники датчика температуры. Причем последний установлен внутри НК. Броня снабжена внешней полимерной оболочкой и подключена к защитному заземлению. Силовые проводники, проводники датчика температуры и броня имеют промежуточные электрические соединения, которые расположены в шкафу клеммном переходном. Со шкафом соединена система управления нагревом НК. Внутри корпуса системы управления установлены автоматический выключатель с подключенной входной цепью питания силовой цепи, соединенный с блоком световой сигнализации и управляемым мостовым выпрямителем. Последний соединен с блоком измерительных приборов и выходной панелью с установленными на ней электротехническими выводами. С помощью проводников с датчиком температуры и с входными цепями измерителя-регулятора соединен блок управления (БУ). Выходные цепи измерителя-регулятора соединены с БУ, который соединен с управляемым мостовым выпрямителем. Блок питания цепей управления с подключенной входной цепью питания цепей управления соединен с БУ и измерителем-регулятором. При этом НК погружен нижним концом в НКТ и закреплен на ней в сальниковом устройстве. Причем НКТ установлена в обсадной колонне. Между НКТ и обсадной колонной имеется затрубное пространство, являющееся проводником тепла от НКТ в грунт. На поверхности НК проходит через направляющий ролик, оттяжной ролик и закреплен в замке. 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к оборудованию нефтяных скважин, в частности к установкам нагрева нефти, и может быть использовано для создания оптимального теплового режима в добывающих нефтяных скважинах для предотвращения асфальтосмолопарафиновых отложений в насосно-компрессорных трубах нефтяных скважин и нефтепроводах.

Уровень техники

Известно устройство для поддержания теплового режима скважины на уровне предупреждения в ней парафиногидратообразования, содержащее геофизический кабель с сердечником из семи многопроволочных токопроводящих жил, подушку под броню в виде обмотки из полиэтилентерефталатной ленты, броню из стальных круглых проволок, подключенный к трехфазному источнику питания (см. Малышев А.Г. и др. Применение греющих кабелей для предупреждения парафиногидратообразования в нефтяных скважинах. «Нефтяное хозяйство», 1990, №6, с.58-60).

Недостатком данного устройства является низкий уровень выделяемой электрической мощности, недостаточной для предупреждения образования отложений парафина, особенно в случаях высокого содержания парафиновых фракций в нефти (более 10%).

Известно устройство для нагрева скважины, содержащее 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, являющееся вторым нагревательным элементом, при этом кабель подключен к положительному выводу источника питания, а насосно-компрессорная труба - к отрицательному.

В устройстве мощность второго нагревательного элемента составляет 0,5-0,05 от мощности первого нагревательного элемента.

В устройстве неизолированный участок кабеля имеет длину 2-10 м, а токопроводящие грузы выполнены в виде металлических шайб с наружным диаметром, равным 1,1-1,3 диаметра кабеля по изоляции, и толщиной 20-60 мм, расположенных на неизолированном участке на расстоянии 0,3-0,6 м друг от друга.

В устройстве кабель имеет переменное по длине сопротивление.

В устройстве кабель снабжен заделанными в него датчиками температуры и контрольными жилами для их подключения к измерительному устройству (см. пат. РФ №2171363, кл. Е 21 В 37/00, 36/04, опубл. 27.07.2001 г.)

Недостатком данного устройства является невысокая эффективность процесса нагрева скважины.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятой авторами за прототип является установка для депарафинизации нефтегазовых скважин, содержащая спускаемый в зону возможного парафинообразования нагревательный кабель и соединенную с ним систему управления его нагревом, при этом нагревательный кабель содержит по меньшей мере два нагревательных элемента, изолированных друг от друга, расположенных в изоляционной оболочке и подключенных одними своими концами к источнику питания, при этом другие концы нагревательных элементов соединены между собой и изолированы, а отношение электрических сопротивлений нагревательных элементов выбрано в пределах 1-10, причем установка дополнительно сдержит, по меньшей мере, один датчик температуры, установленный на нагревательном кабеле, а система управления нагревом выполнена с возможностью ступенчатого регулирования температуры нагревательного кабеля с чередованием его нагрева до максимально заданной температуры и создания пауз для его охлаждения в пределах 30°С от этой температуры.

В установке по меньшей мере один нагревательный элемент выполнен многожильным.

В установке нагревательные элементы выполнены из одного и того же материала.

В установке нагревательные элементы выполнены из разных материалов, имеющих близкие по значению коэффициенты теплового расширения.

В установке нагревательный кабель дополнительно содержит изолированный и электрически нейтральный торс из стальных жил, при этом нагревательные элементы выполнены из медных жил.

В установке нагревательные элементы расположены симметрично относительно друг друга.

В установке нагревательные элементы расположены коаксиально.

В установке общее электрическое сопротивление нагревательных элементов составляет менее 15 Ом.

В установке при наличии более двух датчиков температуры один из них размещают в кабеле рядом с местом соединения нагревательных элементов.

Установка содержит натяжной ролик, размещенный на крепежном приспособлении, установленном на расстоянии от устья скважины, направляющий ролик и сальниковое уплотнение, размещенные на устьевом фланце, через которые пропускают нагревательный кабель при введении его в скважину.

В установке система управления нагревом нагревательного кабеля содержит микроЭВМ с программным управлением режимом нагрева при ручном выборе временного и температурного диапазонов нагрева и паузы и реле перевода в автоматический режим нагрева в диапазоне установленного временного интервала (см. пат. РФ №2166615, кл. Е 21 В 37/00, 36/04, опубл.10.05.2001 г.).

Недостатком данной установки является высокое потребление мощности и невысокая надежность.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к минимизации потребляемой мощности и повышению надежности.

Технический результат достигается с помощью установки нагрева нефти, содержащей спускаемый в зону возможного парафинообразования нагревательный кабель, в котором установлены силовые проводники, проводники датчика температуры, причем последний установлен в нагревательном кабеле, броня, подключенная к защитному заземлению, при этом силовые проводники, проводники датчика температуры и броня имеют промежуточные электрические соединения, которые расположены в шкафе клеммном переходном, и соединенную с ним систему управления его нагревом, состоящую из корпуса, внутри которого установлены автоматический выключатель с подключенной входной цепью питания силовой цепи, соединенный с блоком световой сигнализации, блок измерительных приборов и выходная панель с установленным на ней электротехническими выводами, блок управления, блок питания цепей управления с подключенной входной цепью питания цепей управления, при этом система управления снабжена управляемым мостовым выпрямителем и измерителем-регулятором, причем управляемый мостовой выпрямитель соединен с автоматическим выключателем, блоком измерительных приборов и выходной панелью, электротехнические выводы которой соединены с силовыми проводниками нагревательного кабеля, а блок управления соединен с помощью проводников с датчиком температуры и с входными цепями измерителя-регулятора, а выходные цепи последнего соединены с блоком управления, который соединен с управляемым мостовым выпрямителем, блок питания цепей управления соединен с блоком управления и измерителем-регулятором.

Краткое описание чертежей

На чертеже дана установка нагрева нефти.

Осуществление изобретения

Установка нагрева нефти содержит спускаемый в зону возможного парафинообразования нагревательный кабель 1, в котором установлены: силовые проводники 2, проводники 3 датчика температуры (не показан), причем последний установлен внутри нагревательного кабеля 1, и броня 4, снабженная внешней полимерной оболочкой (не показана) и подключенная к защитному заземлению (не пронумеровано), при этом силовые проводники 2, проводники 3 датчика температуры и броня 4 имеют промежуточные электрические соединения 5, которые расположены в шкафе 6 клеммном переходном, и соединенную с ним систему управления его нагревом, состоящую из корпуса 7, внутри которого установлены автоматический выключатель 8 с подключенной входной цепью питания силовой цепи (не пронумеровано), соединенный с блоком световой сигнализации 9 и управляемым мостовым выпрямителем 10, последний соединен с блоком измерительных приборов 11 и выходной панелью 12 с установленными на ней электротехническими выводами (не показаны), блок управления 13 соединен с помощью проводников 3 с датчиком температуры и с входными цепями измерителя-регулятора 14, а выходные цепи измерителя-регулятора 14 соединены с блоком управления 13, который соединен с управляемым мостовым выпрямителем 10, блок питания 15 цепей управления с подключенной входной цепью питания цепей управления (не пронумерована) соединен с блоком управления 13 и измерителем-регулятором 14, при этом нагревательный кабель 1 погружен нижним концом в насосно-компрессорную трубу 16 и закреплен на ней в сальниковом устройстве 17, насосно-компрессорная труба 16 установлена в обсадной колонне 18, причем между насосно-компрессорной трубой 16 и обсадной колонной 18 имеется затрубное пространство 19, являющееся проводником тепла от насосно-компрессорной трубы 16 в грунт (не пронумерован), а на поверхности нагревательный кабель 1 проходит через направляющий ролик 20, оттяжной ролик 21 и закреплен в замке 22.

Установка нагрева нефти работает следующим образом. Для минимизации потребляемой мощности распределение выделяемой силовыми проводниками 2 удельной мощности вдоль насосно-компрессорной трубы 16 обеспечивают в соответствии с формулой:

где: λ - расстояние (глубина) до элементарного участка нагревательного кабеля 1, м;

N_каб(λ) - удельная мощность элементарного участка нагревательного кабеля 1 на глубине λ, Вт/м;

N_нефть(λ)=С·D₁·dT_треб(λ)/dλ - удельная мощность, потребляемая (отдаваемая) нефтью на элементарном участке насосно-компрессорной трубы 16, Вт/м;

N_потерь(λ)=α·(Т_треб(λ)-Т_скв(λ)) - мощность потерь из элементарного участка насосно-компрессорной трубы 16 в затрубное пространство 19 и через стенки обсадной колонны 18 в грунт;

Т_треб(λ) - требуемая температура элементарного участка нагревательного кабеля 1 (выше либо равна точке плавления парафиногидрата), К;

Т_скв(λ) - геодезическая температура элементарного участка скважины, К;

D₁=D/(24 ·60·60) - производительность скважины, кг/с;

D - дебит скважины, кг/сутки;

С - теплоемкость жидкости в скважине, Дж/кг·К;

α - коэффициент тепловых потерь насосно-компрессорной трубы в затрубное пространство, Вт/м·К.

В качестве грузонесущего элемента нагревательного кабеля 1 применена броня 4, представляющая собой два разнонаправленных повива стальных проволок (количества проволок в повивах - 12÷36), расположенная снаружи нагревательного кабеля 1 и охватывающая все элементы его конструкции.

Броня 4 нагревательного кабеля 1 является одновременно защитным элементом нагревательного кабеля 1 от механических повреждений и заземлена (не пронумеровано), чем обеспечивается требуемый уровень электробезопасности при эксплуатации.

Внешняя полимерная оболочка защищает броню 4 нагревательного кабеля 1.

Для минимизации выделяемой нагревательным кабелем 1 тепловой мощности электрическое сопротивление, по меньшей мере, одного из силовых проводников 2 по длине нагревательного кабеля 1 должно быть прямопропорционально удельной мощности элементарного участка нагревательного кабеля 1 на глубине λ.

Во внутренней части нагревательного кабеля 1 расположены датчики температуры (не показан) и проводники 3 датчика температуры, одним концом подключенные к датчику температуры, а другим к системе регулирования. Датчик температуры обеспечивает обратную связь в системе регулирования и необходим для управления процессом нагрева нефти, а также предотвращения аварийных режимов работы установки нагрева нефти вследствие перегрева нагревательного кабеля 1.

Сальниковое устройство 17 обеспечивает крепление нагревательного кабеля 1 в насосно-компрессорной трубе 16 и герметичность последней.

Направляющий ролик 20 и оттяжной ролик 21 обеспечивают правильность монтажа нагревательного кабеля 1 в процессе эксплуатации и предотвращают недопустимый изгиб нагревательного кабеля 1.

Замок 22 предотвращает соскальзывание нагревательного кабеля 1 в скважину при выходе из строя сальникового устройства 17.

Верхний конец нагревательного кабеля 1 заведен в шкаф 6 клеммный переходной. Силовые проводники 2, проводники 3 датчика температуры и броня 4 нагревательного кабеля 1 имеют промежуточное электрическое соединение 5 в шкафе 6 клеммном переходном и предотвращают попадание нефтяных газов через нагревательный кабель 1 в систему управления, что обеспечивает требуемый уровень пожаробезопасности установки нагрева нефти.

Далее силовые проводники 2 нагревательного кабеля 1 подключают к клеммам (не показаны) выходной панели 12, проводники 3 датчика температуры к блоку 13 управления.

Питание сети силовой цепи установки нагрева нефти осуществляют от трехфазной сети переменного тока напряжением 380-620 В частоты 50 Гц.

Напряжение питающей сети силовой цепи прикладывается к контактам автоматического выключателя 8, который дает возможность включения и выключения силовой цепи установки нагрева нефти, а также обеспечивает отключение напряжения силовой цепи при возникновении аварийной ситуации.

С автоматического выключателя 8 напряжение поступает на блок световой сигнализации 9 и на управляемый мостовой выпрямитель 10. Индикаторы (не показаны) блока световой сигнализации 9 отображают наличие напряжения соответствующих фаз питающей сети силовой цепи.

Управляемый мостовой выпрямитель 10 преобразует переменное напряжение питающей сети силовой цепи в постоянное напряжение, прикладываемое к электротехническим выводам выходной панели 12 и далее к силовым проводникам 2 нагревательного кабеля 1, необходимое для создания рабочего тока в цепи силовых проводников 2. Управляемый мостовой выпрямитель 10 управляет величиной отдаваемой в нагревательный кабель 1 энергии, а следовательно, и температурой нагреваемой нефти. Отсутствие механических контактов в управляемом мостовом выпрямителе 10 повышает его надежность и увеличивает срок эксплуатации установки нагрева нефти в целом.

Блок измерительных приборов 11 отображает величину напряжения на выходе управляемого мостового выпрямителя 10 и величину тока в цепи силовых проводников 2 нагревательного кабеля 1, что необходимо для визуального контроля и оценки рабочего режима нагревательного кабеля 1.

Электротехнические выводы выходной панели 12 надежно соединяют силовые проводники 2 с силовой цепью системы управления.

Проводники 3 датчика температуры нагревательного кабеля 1 подключают к блоку управления 13. Блок управления 13 формирует выходной токовый сигнал диапазона 0-20 мА в зависимости от сопротивления датчика температуры нагревательного кабеля 1.

Токовый сигнал блока управления 13 подается на измеритель-регулятор 14, который на основании полученных данных отображает текущую температуру нагревательного кабеля 1 в точке установки датчика температуры, и в зависимости от заданных параметров регулирования формирует сигнал управления. Полученный от измерителя-регулятора 14 сигнал управления преобразуется блоком управления 13 в импульсы управления для управляемого мостового выпрямителя 10.

Напряжение питающей сети цепей управления подают на блок питания 15 цепи управления. Блок питания 15 формирует питающие напряжения для блока управления 13 и измерителя-регулятора 14.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:

- установка потребляет минимальную мощность;

- имеет высокую надежность;

- высокую эффективность процесса нагрева скважины и уровень выделяемой электрической мощности, достаточной для предупреждения асфальтосмолопарафиновых отложений.

Установка нагрева нефти, содержащая спускаемый в зону возможного парафинообразования нагревательный кабель, в котором установлены силовые проводники, проводники датчика температуры, причем последний установлен в нагревательном кабеле, и броня, подключенная к защитному заземлению, при этом силовые проводники, проводники датчика температуры и броня имеют промежуточные электрические соединения, которые расположены в шкафу клеммном переходном, и соединенную с ним систему управления его нагревом, состоящую из корпуса, внутри которого установлены автоматический выключатель с подключенной входной цепью питания силовой цепи, соединенный с блоком световой сигнализации, блок измерительных приборов и выходная панель с установленными на ней электротехническими выводами, блок управления, блок питания цепей управления с подключенной входной цепью питания цепей управления, отличающаяся тем, что система управления снабжена управляемым мостовым выпрямителем и измерителем-регулятором, при этом управляемый мостовой выпрямитель соединен с автоматическим выключателем, блоком измерительных приборов и выходной панелью, электротехнические выводы которой соединены с силовыми проводниками нагревательного кабеля, а блок управления соединен с помощью проводников с датчиком температуры и с входными цепями измерителя-регулятора, а выходные цепи последнего соединены с блоком управления, который соединен с управляемым мостовым выпрямителем, блок питания цепей управления соединен с блоком управления и измерителем-регулятором.