способ предотвращения замерзания устья нагнетательной скважины и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ предотвращения замерзания устья нагнетательной скважины, включающий подачу теплоносителя от заглубленного в грунт конвективного теплообменника к устью нагнетательной скважины, отличающийся тем, что предварительно осуществляют накопление тепла в грунте путем подачи из подземной части водовода части закачиваемой в нагнетательную скважину воды в качестве теплоносителя в конвективный теплообменник с последующей ее циркуляцией.

2. Устройство для предотвращения замерзания устья нагнетательной скважины, включающее струенаправляющие элементы для подачи теплоносителя от конвективного теплообменника, заглубленного в грунт к устью нагнетательной скважины, отличающееся тем, что конвективный теплообменник выполнен в виде соединенных между собой в U-образную конструкцию струенаправляющих элементов, причем один из струенаправляющих элементов соединен с подземной частью водовода, при этом конвективный теплообменник снабжен пластинами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли, в частности, к способам предотвращения замерзания устья нагревательных скважин и устройствам их осуществления.

Известен способ теплоизоляции нагревательной колонны в скважине [1] включающий закачку смеси теплоизоляционного материала с водой в кольцевое пространство скважины и удаление воды из смеси. Недостатком способа является низкая эффективность теплоизоляции колонны из-за неравномерного распределения материала в кольцевом пространстве.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ, осуществляемый при использовании конструкции скважины [2] Способ основан на использовании конвективного теплообмена и реализуется с помощью чередующихся термосвай и термосифонов, заполненных низкозамерзающим теплоносителем ( керосином или аммиаком).

Известный способ, т.е. конвективная передача тепла грунта к устью скважины с помощью термосвай и термосифонов, находит ограниченное применение, т. е. в зимнее время грунт вокруг скважины охлаждается до такой степени, что впоследствии летом не успевает прогреться до положительных температур. Это явление обуславливает низкую эффективность способа при использовании известной конструкции скважины по а.с. 1698419. Кроме того, известная конструкция обладает большой металлоемкостью.

Целью данного технического изобретения является повышение эффективности способа предотвращения замерзания устья нагревательной скважины за счет использования тепла воды, закачиваемой в нагнетательную скважину, для накопления тепла в грунте и последующего обогрева устья скважины при аварийном прекращении закачки воды в скважину. А также устройства для осуществления способа за счет упрощения конструкции конвективного теплообменника.

Поставленная цель достигается тем, что в способе предотвращения замерзания устья нагнетательной скважины, включающем подачу теплоносителя от заглубленного в грунт конвективного теплообменника к устью нагнетательной скважины, согласно изобретения, предварительно осуществляют накопление тепла в грунте путем подачи из подземной части водовода части закачиваемой в нагнетательную скважину воды в качестве теплоносителя в конвективный теплообменник с последующей ее циркуляцией. Поставленная цель достигается тем что, в устройстве для предотвращения замерзания устья нагнетательной скважины, включающем струенаправляющие элементы для подачи теплоносителя от конвективного теплообменника, заглубленного в грунт, к устью нагнетательной скважины, согласно изобретению, конвективный теплообменник выполнен в виде соединенным между собой в U-образную конструкцию струенаправляющих элементов, причем один из струенаправляющих элементов соединен с подземной частью водовода, при этом конвективный теплообменник в заглубленной части снабжен пластинами.

Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в период закачки воды в скважину используется тепло, приносимое закачиваемой водой. В летнее время температура закачиваемой воды составляет 14-18^oC, что на 8-10^oC превышает естественную температуру грунта на глубине 1,6 м, т.е. в зоне устойчивых положительных температур. В зимнее время перепад температур уменьшается до 4-6^oC, но остается достаточной, чтобы обеспечить устойчивое накопление тепла в зоне заглубления конвективного теплообменника. В этом отличие данного технического решения от известных способов предупреждения замерзания устья нагнетательной скважины. Для накопления тепла в грунте часть закачиваемой воды пропускают через теплообменник, представляющий собой U-образную конструкцию, нижняя часть которой снабжена набором пластин (радиатором) для лучшей теплопередачи. Существующая конструкция известных конвективных теплообменников не позволяеn в принципе передавать тепло с поверхности в глубину грунта, а по своей сути может лишь передавать тепло из нижележащей точки в вышележащую за счет уменьшения плотности теплоносителя при его нагреве. Соединение между собой струенаправляющих элементов с образованием U-образной конструкции позволяет использовать предлагаемое устройство в двух вариантах постоянно в качестве обычного теплообменника для передачи тепла закачиваемой воды в грунт и эпизодически в качестве конвективного теплообменника для обратной передачи тепла грунта к устью скважины при непредвиденной (аварийной) остановке закачки воды, т.е. для предотвращения замерзания устьевого оборудования в зимнее время. В этом отличие предлагаемого технического решения от известных способов использования конвективных теплообменников ( термосвай и термосифонов), работающих зимой непрерывно в режиме конвективного теплообмена, поэтому сильно охлаждающих грунт в районе заглубления.

Способ предотвращения замерзания устья нагнетательной скважины осуществляется в следующей последовательности. Часть закачиваемой воды из водовода системы поддерживания пластового давления (ППД) пропускают через U-образную конструкцию конвективного теплообменника, где вода отдает тепло в грунт, т. е. в период нормальной работы скважины осуществляют непрерывное накопление тепла в грунте. Среднесуточные естественные температуры грунта для широты Уфы а зависимости от глубины приведены в таблице (А.В.Деточенко, А.Л.Михеев и М.М.Волков. Спутник газовика. М. Недра, 1978, с.91, табл. 3.11).

Как видно из таблицы, на глубине 1,6 м и ниже находится зона устойчивых положительных температур. Температура сточной воды в системе ППД, используемой для закачки в скважину в зимнее время, составляет от 8 до 12^oC. Перепад между температурой воды в теплообменнике и температурой грунта в зимнее время достигает 4-6^o, что вполне достаточно, чтобы обеспечить устойчивое накопление тепла в зоне заглубления конвективного теплообменника. При аварийной остановке закачки воды в скважину в зимнее время накопленное тепло и естественное тепло грунта из зоны устойчивых положительных температур (т. е. с глубины 1,6 м и более метров) поступает на обогрев устьевого оборудования за счет конвективной теплопередачи. Вода, находящаяся в наземной части водовода охлаждается быстрее воды, находящейся в устье скважины. Ее плотность становится выше плотности воды, заполняющей U-образную конструкцию конвективного теплообменника, т.е. холодная вода стремится занять место теплой. В свою очередь, теплая вода, находящаяся в заглубленной части U-образной конструкции, как более легкая, поднимается вверх к устью, где отдает тепло устьевому оборудованию. В заглубленной части U-образной конструкции теплообменника происходит постоянный нагрев воды за счет накопленного ранее тепла грунта. Таким образом происходит конвективный перенос тепла от грунта к устьевому оборудования, т.е. происходит циркуляция воды по замкнутому контуру. В предлагаемом способе в качестве теплоносителя используется ее низкозамерзающая жидкость как в известных способах, а та же вода, которая заполняет водовод системы ППД и устьевое оборудование скважины. В этом случае передача тепла осуществляется самым эффективным способом - непосредственным смешением, а не через стенку устьевого теплообменника, как это происходит при использовании известный способов и устройств для конвективного теплообмена.

Устройство для осуществления предлагаемого способа предотвращения замерзания устья нагнетательной скважины поясняется чертежом. Устройство содержит нисходящий струенаправляющий элемент 1, соединенный с восходящим струенаправляющим элементом 2 и которые вместе образуют U-образную конструкцию. U-образная часть струенаправляющих элементов снабжена набором пластин 3, которые служат для увеличения теплопередающей поверхности. Струенаправляющий элемент 1 присоединен к подземной части водовода 4, а струенаправляющий элемент 2 к катушке 5 устья нагнетательной скважины. Наземная часть водовода 6 выполнена наклонной и через задвижку 7 присоединена к катушке 5 устья скважины. Все наземное оборудование теплоизолируется, чем обеспечивается снижение потерь тепла в зимнее время.

Устройство работает следующим образом. В период закачки воды в нагнетательную скважину часть воды от подземной части водовода 4 по нисходящему струенаправляющему элементу 1 поступает в U-образную часть теплообменника. Набор пластин 3, установленных на нижней части, способствует эффективному накоплению в грунте тепла, приносимого закачиваемой водой. Отдав тепло в грунт, вода по восходящему струенаправляющему элементу 2 поступает в катушку 5, где смешивается с основным потоком воды и далее по насосно-компрессорным трубам поступает на забой скважины. Таким образом происходит непрерывное накопление тепла в грунте при закачке воды в скважину. В случае аварийного прекращения закачки воды в скважину зимой, т.е. при прекращении принудительного движения воды, происходит охлаждение воды, находящейся в наземной части водовода 6. Охлажденная вода, имеющая большую плотность, чем теплая, устремляется по нисходящему струенаправляющему элементу 1 в нижнюю часть U-образной конструкции. Откуда холодная вода вытесняет теплую воду, нагретую накопленным теплом грунта. Теплая вода поступает по восходящему струенаправляющему элементу 2 в катушку 5, задвижку 7, где отдает накопленное тепло устьевому оборудованию. Затем охлажденная вода по наклонной части наземного водовода 6 вновь устремляется вниз в зону устойчивых положительных температур. Таким образом происходит конвективный перенос тепла грунта к устью нагнетательной скважины при аварийной остановке закачки воды, чем предотвращается замерзание устья нагнетательной скважины в зимних условиях.

Применение предлагаемого технического решения позволяет предотвратить замерзание устья нагнетательной скважины без использования активных нагревателей, т. е. без постороннего источника энергии. Кроме того, предлагаемая конструкция проще в изготовлении и требует меньшего расхода металла.