Способ компенсации тепловых потерь в нефтяной скважине

Изобретение относится к нефтяной промышленности и конкретно может быть использовано для создания оптимального теплового режима в добывающих нефтяных скважинах для предотвращения в них парафиногидратных отложений. Обеспечивает минимизацию потребляемой мощности и повышение надежности. Сущность изобретения: по способу осуществляют спуск в насосно-компрессорную трубу кабеля с нагревательным элементом, состоящим, по крайней мере, из двух частей - внутренней и внешней коаксиальной, на глубину, где температура скважинной жидкости выше точки начала кристаллизации парафиногидратов. Осуществляют подключение нагревательного элемента кабеля к регулируемому источнику электропитания. Обеспечивают выделение нагревательным элементом удельной мощности вдоль насосно-компрессорной трубы. Одну часть нагревательного элемента принимают с одинаковым электрическим сопротивлением по всей длине. Электрическое сопротивление по меньшей мере одной части другой части нагревательного элемента распределяют по длине прямо пропорционально удельной мощности элементарного участка нагревательного элемента на его глубине. При этом распределение выделяемой нагревательным элементом удельной мощности вдоль насосно-компрессорной трубы обеспечивают в соответствии с аналитическим выражением. 6 ил.

 

Изобретение относится к нефтяной промышленности и конкретно может быть использовано для создания оптимального теплового режима в добывающих нефтяных скважинах с целью предотвращения парафиногидратных отложений.

В настоящее время известны технические решения по использованию греющих кабелей для уменьшения отложения парафиногидратов в нефтяных скважинах (RU патент 2171363, кл. Е21В 37/00, 36/04, опубл. 27.07.2001, Бюл. №21; Нефтяное хозяйство. - №6. С.58-60).

Известны также различные устройства для поддержания теплового режима с целью предотвращения образования парафиногидратных пробок в насосно-компрессорных трубах нефтедобывающих скважин, с использованием нагревательных устройств, размещенных внутри скважины, например изобретение RU №2029069 С1, 20.02.1995, RU №2114982 С1, 10.07.1998. Суть изобретений: в насосно-компрессорных трубах размещается нагреватель в виде «составного металлического цилиндра из электрически связанных верхней и нижней частей неодинакового сечения нагреваемой поверхности».

Недостатком этих изобретений является сложность изготовления подобного нагревателя и крайне трудоемкая операция по установке нагревателя в скважине в связи с большой требуемой длиной участка прогрева скважины до 2000 метров.

Известны также изобретения RU №2158819 С2, 10.11.2000, RU №2166615 C1, 10.05.2001, RU №2186943 С2, 10.08.2002, в которых описывается применение специального кабеля с центральным стальным тросом, использующимся в качестве грузонесущей основы кабеля, и изолированными нагревательными жилами.

Недостатком подобной конструкции кабеля является необходимость предварительной тренировки кабеля путем спуска его в скважину на максимальную глубину для полного естественного вытягивания на время до 5-ти суток. Только после «тренировки» в скважине производят окончательную сборку нагревательных элементов. Это влечет длительную подготовку к запуску установки в целом, а также простой скважины. Цикличная подача тепла в скважину может также приводить к отрицательным эффектам работы нефтедобывающего оборудования и пласта, таким как периодическое смещение точки разгазирования нефти, изменение давления по стволу скважины, динамического уровня и, соответственно, периодического воздействия на пласт.

Данные технические решения не позволяют осуществлять прогрев скважины с оптимальным качеством при наименьших энергетических затратах.

Наиболее близким к предлагаемому является способ и устройство для регулирования теплового режима скважины (RU патент 2166615, кл. Е21В 37/00, 10.05.2001), включающий спуск в насосно-компрессорной трубе кабеля с распределенным по длине нагревательным элементом на глубину, где температура скважинной жидкости выше точки начала кристаллизации парафиногидратов и подключение нагревательного элемента кабеля к регулируемому источнику электропитания, выделение нагревательным элементом удельной мощности вдоль насосно-компрессорной трубы, а также соответствующее устройство, содержащее кабель с нагревательным элементом, состоящим из двух частей - внешней коаксиальной и внутренней, подключенных к регулируемому источнику электропитания, электрически соединенных в нижней части кабеля, опущенного на глубину начала кристаллизации парафиногидратов.

Недостатком этого изобретения является повышенный расход электроэнергии, связанный с тем, что весь нагревательный элемент прогревают током равномерно без учета градиента температуры вдоль ствола скважины, а электрическое сопротивление равномерно распределено по длине нагревательного элемента. Кроме того, устройство имеет низкую надежность, связанную с:

- низкой механической прочностью устройства из-за размещения грузонесущего элемента внутри кабеля, что может привести, учитывая вертикальную подвеску кабеля до 2000 м, к подвижкам или сползанию нагревательных элементов относительно центрального троса, особенно при циклической работе устройства - нагрев/остывание;

- с невозможностью температурного мониторинга нагревательного элемента кабеля из-за отсутствия датчиков температуры, в результате чего могут возникать неконтролируемые перегревы отдельных участков нагревательного элемента, приводящие при несвоевременном отключении питания к его разрушению;

- отсутствием внешней брони из стальной проволоки, покрытой полимерной оболочкой, что особенно важно для защиты нагревательных элементов при спусках-подъемах кабеля в насосно-компрессорных трубах;

- низкой электробезопасностью из-за отсутствия элементов контроля целостности изоляционной оболочки нагревательных элементов и токов утечки.

Целью изобретения является минимизация потребляемой мощности и повышение надежности.

Для минимизации потребляемой мощности распределение выделяемой нагревательным элементом удельной мощности вдоль насосно-компрессорной трубы обеспечивают в соответствии с формулой:

N_каб(λ)=N_нефть(λ)+N_потерь(λ), (1)

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

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

- удельная мощность, потребляемая (отдаваемая) нефтью на элементарном участке насосно-компрессорной трубы, Вт/м;

N_потерь(λ)=α·[Т_треб(λ)-Т_скв(λ)] - мощность потерь из элементарного участка насосно-компрессорной трубы в затрубное пространство, Вт/м;

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

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

- производительность скважины, кг/с;

D - дебит скважины, кг/сутки;

С - теплоемкость жидкости в скважине,

α - коэффициент тепловых потерь насосно-компрессорной трубы в затрубное пространство,

Для минимизации потребляемой мощности электрическое сопротивление по меньшей мере одной части нагревательного элемента по длине кабеля прямо пропорционально мощности потерь в затрубное пространство N_потерь(λ) на глубине λ элементарного участка насосно-компрессорной трубы.

В качестве грузонесущего элемента кабеля с нагревательным элементом применена двухповивная разнонаправленная броня из стальной проволоки диаметром (0,8...1,7 мм) и количеством проволок 12...36 в каждом повиве, расположенная снаружи кабеля и охватывающая все элементы его конструкции.

Внутри нагревательного элемента кабеля вмонтированы датчики температуры.

Броня кабеля является одновременно защитным элементом кабеля от механических повреждений и заземлена через устройство защитного отключения нагревательного элемента кабеля от регулируемого источника питания по величине предельного тока утечки.

Внешняя броня кабеля имеет полимерную оболочку.

На фиг.1 представлено устройство компенсации тепловых потерь в нефтяной скважине. Оно содержит кабель 1 с нагревательным элементом 2, погруженный нижним концом в насосно-компрессорную трубу 3 обсадной колонны 4 через сальниковое устройство 5, причем между насосно-компрессорной трубой 3 и обсадной колонной имеется затрубное пространство 6, являющееся проводником тепла от насосно-компрессорной трубы в грунт. На поверхности кабель проходит через направляющий ролик 7 и закреплен верхним концом в замковом устройстве 8. Силовые проводники 9, 10 нагревательного элемента 2 кабеля 1 подключены к регулируемому источнику электропитания 11.

Примеры конструкции кабеля представлены на фиг.2, фиг.3. Кабель (фиг.2) содержит нагревательный элемент 2, состоящий из двух частей. Внутренняя часть 12 нагревательного элемента 2 размещена по всей оси кабеля, имеет одинаковое сопротивление по всей длине кабеля и изготовлена, например, из медных проводников. Внешняя часть 13 нагревательного элемента 2 является коаксиальной и состоит, например, из различного количества металлических проводников. Электрическое сопротивление по меньшей мере одной части нагревательного элемента, например внешней части 13 нагревательного элемента, распределено по длине кабеля прямо пропорционально мощности потерь в затрубное пространство N_потерь(λ), элементарного участка насосно-компрессорной трубы на глубине λ. В данном варианте сопротивление внешней части 13 нагревательного элемента по длине кабеля определяется соотношением:

где: I_ном - номинальный ток регулируемого источника питания, А. Между двумя частями нагревательного элемента находится электроизоляционный материал 14. Части 12 и 13 нагревательного элемента электрически соединены между собой в нижней части кабеля 2. Внутри нагревательного элемента 2 размещены датчики температуры 15 с сигнальными проводниками 16, выведенными к верхнему концу кабеля 2. Нагревательный элемент имеет общую электроизоляционную оболочку 17, поверх которой уложена двухповивная разнонаправленная броня 18 из стальной проволоки диаметром (0,8...1,7 мм) и количеством проволок 12...36 в каждом повиве, расположенная снаружи кабеля и охватывающая все элементы его конструкции. Броня кабеля имеет внешнюю полимерную оболочку 19.

Отличие кабеля (фиг.3) состоит в том, что внутренняя часть 12 нагревательного элемента выполнена коаксиальной, а датчики температуры 15 размещены по оси кабеля.

Силовые проводники 9, 10 нагревательного элемента, выходящие из верхнего конца кабеля, подключены к управляемому выпрямителю 20 регулируемого источника электропитания 11 через устройство защитного отключения 21. Сигнальные проводники 16 датчиков температуры 15 подключены к терморегулирующим приборам 22. Кроме того, в регулируемом источнике электропитания 11 расположены пускорегулирующая аппаратура 23, измерительные приборы контроля тока и напряжения нагревательных элементов 24, вспомогательное оборудование подогрева и освещения 25 шкафа регулируемого источника электропитания 11.

Устройство работает следующим образом.

Осуществляют спуск в насосно-компрессорную трубу 3 кабеля 1 с нагревательным элементом 2, состоящим, по крайней мере, из двух частей, на глубину, где температура скважинной жидкости выше точки начала кристаллизации парафиногидратов. Подключают нагревательный элемент 2 кабеля 1 к регулируемому источнику электропитания 11. Нагревательный элемент выделяет удельную мощность вдоль насосно-компрессорной трубы 3. Распределение выделяемой нагревательным элементом удельной мощности вдоль насосно-компрессорной трубы обеспечивают в соответствии с формулой (1) (это достигается вышеописанной конструкцией нагревательного элемента, в соответствии с которой электрическое сопротивление по меньшей мере одной части нагревательного элемента, например внешней части 13 нагревательного элемента по длине кабеля, прямо пропорционально удельной мощности потерь N_потерь(λ) элементарного участка насосно-компрессорной трубы на глубине λ). Следует уточнить происхождение некоторых данных в формуле (1).

Т_треб(λ) - требуемая температура элементарного участка кабеля (пример - на фиг.4) задается геологической службой нефтедобывающего предприятия, °К;

Т_скв(λ) - геодезическая температура элементарного участка скважины (геотерма скважины) является паспортными данными скважины (пример геотермы скважины - на фиг.5), °К;

- производительность скважины, кг/с;

D - дебит скважины (паспортное данное скважины), кг/сутки;

С - теплоемкость жидкости в скважине (паспортное данное скважины), Дж/(кг·К);

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

Теоретически рассчитанные значения коэффициента тепловых потерь значительно различаются для разных вариантов состояния затрубного пространства: от k₁=0,66 Вт/(м·К) для случая заполнения затрубного пространства воздухом при атмосферном давлении, до k₁=4,39 Вт/(м·К) для заполнения затрубного пространства водой. Соответственно и величина потерь в затрубное пространство будет существенно различаться, например, принимая разницу температур между потоком жидкости и затрубным пространством 20°С, получим значения тепловых потерь от 13,2 до 87,8 Вт/м. Для сравнения тепловая мощность, расходуемая кабелем на нагрев нефти _Nнефть(λ) составляет 2-8 Вт/м и достаточно постоянна по длине скважины λ. Вышесказанное хорошо иллюстрируется графиками - фиг.4-6.

С учетом же того, что сечение внутреннего нагревательного в разы больше сечения внешнего нагревательного элемента, а выделяемая мощность прямо пропорциональна сопротивлению, может быть получено соотношение (2).

Удельная мощность нагревательного элемента 2 складывается из двух составляющих, первая из которых относится к внутренней части 12 нагревательного элемента 2, а вторая - к внешней (коаксиальной) его части 13:

Сравнивая формулу (1): N_каб(λ)=N_нефть(λ)+N_потерь(λ) и формулу (3) и учитывая количественные характеристики слагаемых этих формул, можно сделать следующее заключение: постоянная составляющая в формуле (3), связывающая сопротивление внутреннего проводника R_внутр, отражает незначительную тепловую мощность, выделяемую кабелем на нагрев нефти, а переменная составляющая R_внеш(λ) должна компенсировать потери нефти в затрубное пространство. Таким образом, получаем зависимость электрического сопротивления по меньшей мере одной части нагревательного элемента от удельной мощности потерь N_потерь(λ) по длине скважины λ:

График зависимости удельной мощности элементарного участка нагревательного элемента кабеля N_каб(λ) по глубине λ, полученный на основании формулы (4), приведен на фиг.6.

Таким образом, распределение сопротивления хотя бы одного нагревательного элемента кабеля в соответствии с формулой (4) обеспечивает минимальное энергопотребление за счет расхода количества выделяемого тепла на компенсацию потерь в затрубное пространство.

Нелинейное сопротивление нагревательных элементов кабеля по длине позволяет получить участки с кабеля с различной удельной тепловой мощностью, которая направляется на компенсацию тепла, отдаваемого в затрубное пространство движущимся потоком скважинной жидкости. Таким образом, с учетом того, что кабель опускается в скважину до точки, где геодезическая температура выше точки выпадения твердых фракций парафинов, нет необходимости расходовать тепловую мощность на нагрев нефти, т.к. теплопотери прямо пропорциональны разности температур нефть - затрубное пространство, повышение температуры нефти будет приводить к повышенным потерям тепла.

Реализация предлагаемого способа и устройства была выполнена при применении кабеля с внутренним и внешним нагревательным элементами, поперечный разрез кабеля приведен на фиг.2. При этом внутренний нагревательный элемент имел постоянное сечение по длине кабеля 16 мм², а внешний проводник состоял из 72 проволок диаметром 0,31 мм. Причем в зависимости от длины кабеля и требуемой мощности на данном участке кабеля до 2/3 проволок внешнего нагревательного элемента удалялась.

Таким образом, при среднем токе нагревательных элементов 80А на центральном нагревательном элементе выделялась мощность 6,4 Вт/м, внешний нагревательный элемент в зависимости от величины потерь в затрубное пространство на глубине λ выделял тепловую мощность от 28 до 83 Вт/м.

Применение брони кабеля из стальной проволоки служит прежде всего грузонесущей основой кабеля, а также является механической защитой нагревательных элементов кабеля и их теплоотводящим элементом. Внешний броневой каркас защищает все внутренние элементы кабеля также и от высоких скважинных давлений (до 60 МПа). Кроме того, броня кабеля заземляется и подключается к устройству защитного отключения, что повышает надежность. Броня кабеля выполняется из двух противоположных повивов стальной проволоки. Диаметры проволок, применяемых для бронирования - (0,8÷1,7) мм, количество проволок в повивах - (12÷36), что обосновывается стандартной технологией изготовления кабеля.

Наличие внешней полимерной оболочки кабеля необходимо для предотвращения утечек скважинной жидкости через проволочную броню при высоком устьевом давлении при спуске кабеля через сальниковое устройство (лубрикатор).

Датчики температуры, размещенные внутри нагревательных элементов кабеля, позволяют осуществлять мониторинг скважинных процессов с целью осуществления корректировки подаваемой мощности при прогреве затрубного пространства с течением времени.

Предлагаемый способ и устройство компенсации тепловых потерь в нефтяных скважинах успешно реализован на предприятии ОАО «Тэбукнефть» республики Коми и эксплуатируется с 2001 года. Акты промысловых испытаний устройства прилагаются.

Способ компенсации тепловых потерь в нефтяной скважине, включающий спуск в насосно-компрессорную трубу кабеля с нагревательным элементом, состоящим, по крайней мере, из двух частей - внутренней и внешней коаксиальной, на глубину, где температура скважинной жидкости выше точки начала кристаллизации парафиногидратов, подключение нагревательного элемента кабеля к регулируемому источнику электропитания, выделение нагревательным элементом удельной мощности вдоль насосно-компрессорной трубы, отличающийся тем, что одну часть нагревательного элемента принимают с одинаковым электрическим сопротивлением по всей длине, а электрическое сопротивление, по меньшей мере, одной части другой части нагревательного элемента распределяют по длине прямо пропорционально удельной мощности элементарного участка нагревательного элемента на его глубине, при этом распределение выделяемой нагревательным элементом удельной мощности вдоль насосно-компрессорной трубы обеспечивают в соответствии с формулой

N_каб(λ)=N_нефть(λ)+N_потерь(λ),

где λ - расстояние - глубина до элементарного участка нагревательного элемента кабеля, м;

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

- удельная мощность, потребляемая - отдаваемая нефтью на элементарном участке насосно-компрессорной трубы, Вт/м;

N_потерь(λ)=α·[Т_треб(λ)-Т_скв(λ)] - мощность потерь из элементарного участка насосно-компрессорной трубы в затрубное пространство, Вт/м;

Т_треб(λ) - требуемая температура элементарного участка кабеля, °К;

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

- производительность скважины, кг/с;

D - дебит скважины, кг/сутки;

С - теплоемкость жидкости в скважине,

α - коэффициент тепловых потерь насосно-компрессорной трубы в затрубное пространство,