Автоматизированный саморегулирующийся нагреватель для прогрева текучей среды в скважине

Изобретение относится к области нефтедобычи. Технический результат - повышение точности и надежности управления нагревом текучей среды в скважине с различными способами добычи за счет возможности контроля теплового поля скважины при расширенном объеме получаемой информации состояния текучей среды в затрубном пространстве скважины, внутри насосно-компрессорных труб (НКТ) и на наружной поверхности НКТ, при одновременной простоте монтажа и эксплуатации. Нагреватель выполнен в виде кабельной линии (КЛ), состоящей из низкотемпературного кабеля и высокотемпературного - нагревательного - кабеля, токопроводящие жилы с одного конца которого соединены между собой и изолированы для образования концевой заделки. Другой конец нагревательного кабеля соединен с источником питания. При этом КЛ установлена снаружи НКТ или кабель спирально намотан на НКТ. Нагреватель также содержит наземный измерительно-управляющий блок, представляющий собой, например, программируемый частотный электронный модуль управления, и внутрискважинный измерительный блок, состоящий по меньшей мере из одного датчика (кварцевый резонатор) для считывая термобарических параметров текучей среды. Указанные датчики предназначены для преобразования текущих значений температуры и/или давления в частоту, соединены с измерительно-управляющим блоком посредством КЛ и установлены на теле НКТ и/или на теле ее соединительной муфты в зависимости от потребности измерения параметров текущей среды внутри НКТ и/или в затрубном пространстве. 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области нефтедобычи, преимущественно к области оборудования скважин нагревательными кабелями, и может быть использовано для электропрогрева трубопровода с текучей средой в скважине с одновременным контролем распределения теплового поля и затрубного давления по стволу нагнетательных и нефтедобывающих скважин, осложненных различного вида отложениями, при обеспечении минимизации тепловых потерь.

Известен электрический нагреватель для прогрева текучей среды в скважине, состоящий из каротажного кабеля, на котором последовательно закреплены электронагреватель и датчик для считывания термического параметра текучей среды (термометр). Указанный нагреватель размещен внутри насосно-компрессорных труб (НКТ), которыми оборудована скважина, и предназначен, помимо прогрева текучей среды, еще и для обеспечения контроля за профилем притока текучей среды в скважину путем установления изменения ее температуры (путем снятия термограммы) (патент РФ №2194855, кл. Е21В 47/00, от 2001 г.).

Недостатком указанного известного нагревателя является недостаточная точность и надежность управления нагревом текучей среды в скважине вследствие ограниченного участка снятия термограммы, да к тому же не на нагреваемом участке скважины, а ниже него. Кроме того, известный нагреватель предназначен для использования в фонтанирующих скважинах и в скважинах, оборудованных электроцентробежным насосом, при других же способах добычи известный нагреватель применить невозможно.

Также известен электронагреватель для прогрева текучей среды в скважине, состоящий из электронагревателя, датчиков температуры, соединенных с наземным измерительным блоком (частотно-модуляционная система), и из трех герметичных цилиндров с размещенными между ними термоизоляционными экранами, при этом цилиндры размещены вдоль скважины, электронагреватель расположен в среднем цилиндре и в каждом из цилиндров установлен датчик температуры (патент РФ №2096772, кл. G01N 25/18, от 1996 г.).

Однако указанный известный электронагреватель не может быть использован в добывающей скважине ввиду больших геометрических размеров.

Известен ряд линейных нагревателей в виде нагревательного кабеля или в виде кабельной линии, в состав которой входит нагревательный кабель, токопроводящие жилы которого с одного конца соединены друг с другом и изолированы, а с другого конца соединены с источником питания (свидетельство РФ на полезную модель №10000, кл. Н01В 7/18, от 1998 г.; свидетельство РФ на полезную модель №14474, кл. Н01В 7/18, от 1999 г.). Указанные линейные нагреватели могут быть использованы при различных способах добычи.

Однако их недостатком является недостаточная точность процесса нагрева текучей среды в скважине и невозможность управления этим процессом.

Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в повышении точности и надежности управления нагревом текучей среды в скважине с различными способами добычи: фонтанной, при оборудовании штанговым или электроцентробежным насосом, за счет возможности контроля теплового поля скважины при одновременной простоте монтажа и эксплуатации.

Указанный технический результат достигается предлагаемым автоматизированным саморегулирующимся нагревателем для прогрева текучей среды в скважине, оборудованной насосно-компрессорными трубами НКТ, содержащим установленный в скважине снаружи или внутри НКТ нагреватель в виде нагревательного кабеля или в виде кабельной линии, в состав которой входит нагревательный кабель, причем токопроводящие жилы указанного нагревателя с одного конца соединены друг с другом и изолированы, а с другого конца соединены с источником питания, наземный измерительно-управляющий блок и внутрискважинный измерительный блок, состоящий по меньшей мере из одного датчика для считывания термобарических параметров текучей среды и соединенный электропроводящей сигналопередающей линией связи с наземным измерительно-управляющим блоком, при этом указанный датчик установлен таким образом, чтобы его чувствительный элемент касался стенки НКТ или стенки муфты НКТ или находился в непосредственной близости от стенки НКТ или от стенки муфты НКТ, причем ориентирование чувствительного элемента датчика к наружной или к внутренней стенке НКТ или муфты зависит от потребности измерения термобарических параметров текучей среды внутри НКТ или в затрубном пространстве скважины.

В преимущественном варианте в качестве датчиков для считывания термобарических параметров текучей среды используют датчики температуры или датчики давления.

Также в качестве датчиков для считывания термобарических параметров текучей среды используют кварцевые резонаторы.

Возможно использование в качестве наземного измерительно-управляющего блока частотного электронного модуля управления.

В качестве электропроводящей сигналопередающей линии связи используют нагревательный кабель, или кабельную линию, или одножильный геофизический кабель.

В качестве электропроводящей сигналопередающей линии связи используют двухпроводную линию «токопроводящая жила - броня» кабеля.

При наличии датчиков более одного наземный измерительно-управляющий блок и электропроводящая сигналопередающая линия связи его с внутрискважинным измерительным блоком выполнены с возможностью одновременного считывания сигналов со всех указанных датчиков.

И при этом датчики для считывания термобарических параметров текучей среды соединены с наземным измерительно-управляющим блоком с обеспечением при работе постоянного непрерывного контакта при одном приемо-передающем канале для всех указанных датчиков.

Возможно выполнение наземного измерительно-управляющего блока в виде программируемого частотного электронного модуля управления, который включает в себя генератор шума, перестраиваемый входной резонансный усилитель, микропроцессорный блок управления нагревательным кабелем, микропроцессорный блок вычисления и жидкокристаллический дисплей.

Кроме того, нагреватель может быть выполнен в виде линейного нагревательного кабеля или в виде линейной кабельной линии, в состав которой входит нагревательный кабель.

Или нагреватель может быть выполнен в виде спирально намотанного на НКТ нагревательного кабеля или в виде спирально намотанной на НКТ кабельной линии, в состав которой входит нагревательный кабель.

Указанный технический результат достигается за счет следующего.

Благодаря дополнительному введению в конструкцию автоматизированного саморегулирующегося нагревателя, связанных между собой наземного измерительно-управляющего блока и внутрискважинного измерительного блока, состоящего по меньшей мере из одного датчика для считывания термобарических параметров текучей среды, обеспечивается поддержание температуры добываемой текучей среды в заданных границах, оптимизация энергопотерь при путевом прогреве, возможность высокочастотного измерения и контроля теплового поля скважины.

Благодаря установке чувствительного элемента датчика в непосредственной близости от стенки НКТ или стенки ее муфты, вплоть до касания, обеспечивается высокая точность и достоверность определения термобарических параметров текучей среды, так как коэффициент теплопроводности НКТ таков, что температура ее стенки практически соответствует температуре текучей среды.

Установка датчика именно таким образом позволяет упростить монтаж и сборку нагревателя.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется двумя чертежами: на фиг.1 приведен общий вид автоматизированного саморегулирующегося линейного нагревателя, на фиг.2 - общий вид автоматизированного саморегулирующегося нагревателя со спиральной намоткой кабеля.

Заявляемый автоматизированный саморегулирующийся нагреватель (далее - АСН) состоит из нагревателя, например, линейного (фиг.1), выполненного, например, в виде кабельной линии 1, состоящей из низкотемпературного кабеля 2 и высокотемпературного - нагревательного - кабеля 3, токопроводящие жилы с одного конца которого соединены между собой (например, в «звезду») и изолированы для образования концевой заделки 4. Другой конец кабеля соединен с источником питания 5. Кабельная линия 1 установлена снаружи НКТ 6. Возможно выполнение нагревателя со спиральной намоткой кабеля на наружную поверхность НКТ (фиг.2). АСН также содержит наземный измерительно-управляющий блок 7, представляющий собой, например, программируемый частотный электронный модуль управления, и внутрискважинный измерительный блок 8, состоящий из одного или нескольких датчиков 9 для считывая термобарических параметров текучей среды 10. При этом в качестве датчика 9 можно использовать датчик температуры, например высокотемпературный кварцевый термочувствительный резонатор марки РКТВ-206, а также датчик давления, например кварцевый манометрический резонатор абсолютного значения марки РКМА-Р. Указанные датчики 9 предназначены для преобразования текущих значений температуры и давления в частоту, соединены с наземным измерительно-управляющим блоком 7 посредством кабельной линии 1 (может быть также соединен и посредством одножильного геофизического кабеля) и установлены таким образом, чтобы его чувствительный элемент 12 находился в непосредственной близости от стенки НКТ или от стенки муфты НКТ или в преимущественном варианте касался стенки НКТ 6 или стенки муфты 11 НКТ. В зависимости от потребности измерения термобарических параметров текучей среды 10 внутри НКТ 6 или в затрубном пространстве скважины 13 ориентирование чувствительного элемента 12 датчика 9 производится к наружной или внутренней стенке НКТ 6 или наружной или внутренней стенке муфты 11.

Работает предлагаемый автоматизированный саморегулирующийся нагреватель (АСН) следующим образом.

Непосредственно у скважины или на кабельном участке производится монтаж кабельной линии 1 из низкотемпературного кабеля 2 и нагревательного кабеля 3 путем их герметичного соединения друг с другом. После определения необходимой длины кабельной линии 1 производят концевую заделку 4 его свободного конца посредством выполнения соединения токопроводящих жил, например, в «звезду» и ее изоляцию. Кроме того, от токопроводящей жилы и брони нагревательного кабеля 3 кабельной линии 1 выполняют герметичные отводы для подключения датчиков 9 (кварцевых резонаторов) (в случае, если в качестве электропроводящей сигналопередающей линии связи используют двухпроводную линию «токопроводящая жила - броня кабеля»).

Перед спуском кабельной линии 1 в скважину производят наземные испытания изготовленной концевой заделки 4 на специальном стенде, на котором моделируют скважинные условия, а именно наличие агрессивной пластовой среды, температура +30-100°С, давление 20-23 МПа. Время испытаний составляет 18 часов. В случае отсутствия электрического пробоя кабельной линии 1 после испытаний ее спускают в скважину путем крепления хомутами к наружной поверхности насосно-компрессорных труб НКТ 6. При этом на соединительной муфте 11 (или на НКТ 6) устанавливают датчик 9 (или датчики 9) таким образом, чтобы его чувствительный элемент 12 касался наружной стенки НКТ 6 или наружной стенки муфты 11 НКТ или находился в непосредственной близости от стенки НКТ или стенки муфты НКТ. В этом случае измерение термобарических параметров текучей среды 10 будет производиться в затрубном пространстве скважины 13. При установке датчика 9 внутри НКТ 6 при ориентировании чувствительного элемента 12 к внутренней стенке НКТ 6 или муфты 11 измерение термодинамических параметров текучей среды 10 будет производиться внутри колонны НКТ.

После спуска в скважину всей кабельной линии 1 второй свободный конец ее подключают через наземный измерительно-управляющий блок 7 к источнику питания 5.

При подаче тока высокого напряжения происходит нагрев нагревательного кабеля 3 кабельной линии 1, который в свою очередь изменяет параметры текучей среды 10 внутри НКТ 6 и/или в затрубном пространстве 13 скважины.

Производят измерение параметров текучей среды 10 внутри НКТ 6 или в затрубном пространстве 13 скважины чувствительным элементом 12 датчика 9. Благодаря тому что чувствительный элемент 12 датчика 9 касается стенки НКТ 6 или стенки муфты 11 НКТ или находится в непосредственной близости от стенки НКТ или стенки муфты НКТ, производится замер температуры и давления пограничного слоя текучей среды 10, где в первую очередь происходит отложение АСПВ. При помощи датчика 9 сигнал попадает на наземный измерительно-управляющий блок 7, например программируемый частотный электронный модуль управления, который включает в себя генератор шума, перестраиваемый входной резонансный усилитель, микропроцессорный блок управления нагревательным кабелем 3, микропроцессорный блок вычисления и жидкокристаллический дисплей.

При этом предварительно в память измерительно-управляющего блока 7 заносятся граничные значения температуры (а можно и давления, в зависимости от требуемых параметров) текучей среды 10 внутри колонны НКТ, при которых следует осуществлять включение - выключение АСН. Если значения температуры, полученные с определенных кварцевых резонаторов (датчиков 9), находятся в пределах или ниже запрограммированных указанных граничных, то измерительно-управляющий блок 7 вырабатывает сигнал на подключение кабельной линии 1 к источнику питания 5. Если значения температуры, полученные с определенных кварцевых резонаторов (датчиков 9), находятся выше граничных, то АСН не подключается к источнику питания 5, а замер температуры будет непрерывно производиться до тех пор, пока значения температуры не войдут в пределы граничных, и только после этого измерительно-управляющий блок 7 вырабатывает сигнал на подключение кабельной линии 1 к источнику питания 5. Указанные граничные значения могут быть также заданы и для параметров давления.

Поступающая при этом информация обрабатывается с помощью микропроцессорного блока вычисления и поступает в измерительно-управляющий блок 7. Далее включается генератор шума, который вырабатывает сигнал с равномерно распределенным спектром в заданном диапазоне частот и в свою очередь возбуждает чувствительные элементы 12 датчиков 9 на частотах, соответствующих текущим значениям температуры и/или давления (в зависимости от назначения датчиков 9). Частоты задаются при помощи перестраиваемого входного резонансного усилителя и микропроцессорного блока вычисления, в котором заложен алгоритм вычисления численного значения частот. Измерение и поддержание параметров производится до тех пор, пока показания не будут соответствовать заданным граничным значениям.

Предлагаемый автоматизированный саморегулирующийся нагреватель имеет следующие преимущества перед известными:

- позволяет измерять температуру текучей среды как внутри НКТ от забоя до устья, так и в затрубном пространстве или одновременно, при наличии датчиков более одного;

- позволяет более точно управлять процессом электропрогрева текучей среды в скважине, т.к. осуществление контроля за параметрами этой среды производится в пристенном, пограничном слое у НКТ, а также в большом интервале (при наличии нескольких датчиков), где наиболее вероятны отложения АСПВ;

- благодаря тому что измерительно-управляющий блок АСН является программируемым, то и сам АСН является саморегулирующимся в зависимости от температуры текучей среды, что обеспечивает минимизацию тепловых потерь и оптимизацию энергосбережения;

- характеризуется большей надежностью вследствие использования резонаторов на тех частотах, на которых на них не воздействует ток высокого напряжения;

- характеризуется простотой монтажа и эксплуатации, т.к., в частности, в основных узлах используются сборные блоки и печатные платы;

- характеризуется высокой точностью измерения температуры и давления за счет применяемых материалов и изделий;

- может быть использован в скважине с любым способом добычи: фонтанной, при оборудовании скважины штанговым или электроцентробежным насосом.

1. Автоматизированный саморегулирующийся нагреватель для прогрева текучей среды в скважине, оборудованной насосно-компрессорными трубами (НКТ), характеризующийся тем, что он содержит установленный в скважине снаружи или внутри НКТ нагреватель в виде нагревательного кабеля или в виде кабельной линии, в состав которой входит нагревательный кабель, причем токопроводящие жилы указанного нагревателя с одного конца соединены друг с другом и изолированы, а с другого конца соединены с источником питания, наземный измерительно-управляющий блок и внутрискважинный измерительный блок, состоящий по меньшей мере из одного датчика для считывания термобарических параметров текучей среды и соединенный электропроводящей сигналопередающей линией связи с наземным измерительно-управляющим блоком, при этом указанный датчик установлен таким образом, чтобы его чувствительный элемент касался стенки НКТ, или стенки муфты НКТ, или находился в непосредственной близости от стенки НКТ или стенки муфты НКТ, причем ориентирование чувствительного элемента датчика к наружной или к внутренней стенке НКТ или муфты зависит от потребности измерения термобарических параметров текучей среды внутри НКТ или в затрубном пространстве скважины.

2. Нагреватель по п.1, характеризующийся тем, что в качестве датчиков для считывания термобарических параметров текучей среды используют датчики температуры или датчики давления.

3. Нагреватель по п.1 или 2, характеризующийся тем, что в качестве датчиков для считывания термобарических параметров текучей среды используют кварцевые резонаторы.

4. Нагреватель по п.1, характеризующийся тем, что в качестве наземного измерительно-управляющего блока используют частотный электронный модуль управления.

5. Нагреватель по п.1, характеризующийся тем, что в качестве электропроводящей сигналопередающей линии связи используют нагревательный кабель, или кабельную линию, или одножильный геофизический кабель.

6. Нагреватель по п.5, характеризующийся тем, что в качестве электропроводящей сигналопередающей линии связи используют двухпроводную линию «токопроводящая жила - броня» кабеля.

7. Нагреватель по п.1, характеризующийся тем, что при наличии датчиков более одного наземный измерительно-управляющий блок и электропроводящая сигналопередающая линия связи его с внутрискважинным измерительным блоком выполнены с возможностью одновременного считывания сигналов со всех указанных датчиков.

8. Нагреватель по п.7, характеризующийся тем, что все датчики для считывания термобарических параметров текучей среды соединены с наземным измерительно-управляющим блоком с обеспечением при работе постоянного непрерывного контакта при одном приемо-передающем канале для всех указанных датчиков.

9. Нагреватель по п.1, характеризующийся тем, что наземный измерительно-управляющий блок выполнен в виде программируемого частотного электронного модуля управления, который включает в себя генератор шума, перестраиваемый входной резонансный усилитель, микропроцессорный блок управления нагревательным кабелем, микропроцессорный блок вычисления и жидкокристаллический дисплей.

10. Нагреватель по п.1, характеризующийся тем, что нагреватель выполнен в виде линейного нагревательного кабеля или в виде линейной кабельной линии, в состав которой входит нагревательный кабель.

11. Нагреватель по п.1, характеризующийся тем, что при установке нагревателя снаружи НКТ нагреватель выполнен в виде спирально намотанного на НКТ нагревательного кабеля или в виде спирально намотанной на НКТ кабельной линии, в состав которой входит нагревательный кабель.