способ и устройство для регулирования теплового режима скважины

Формула изобретения

1. Способ регулирования теплового режима скважины, включающий введение в зону возможного образования твердого парафинового субстрата нагревателя, электрически связанного с источником питания, и управление подаваемой электрической мощностью до установления задаваемого теплового режима в скважинном объеме, отличающийся тем, что подводимое тепло распределяют вдоль скважины непрерывно или циклично таким образом, что в каждом поперечном сечении скважины поддерживают соотношение минимального q₁ и максимального q₂ значений подводимого в единицу времени количества теплоты в пределах 1,0 (q₁ + q₂) : q₂ 2,0, при этом восполняют количество q₃ теплоты в единицу времени жидкому и твердому субстратам, отдаваемого количества q₄ теплоты окружающим скважину породам через нефтяную колонну труб, которое выбирают в пределах 1 q₃ : q₄ 5, и расплавляют им количество m₁ твердого парафинового субстрата и нагревают количество m₂ жидкой нефти, выбирая соотношение между ними в пределах 1 (m₁ + m₂) : m₂ 100, и регулируют значение минимально допустимой скорости V₁ прохождения жидкости или газа через устье скважины по отношению к значению V₂ максимально возможной скорости прохождения нефти в данной скважине в пределах 0,05 V₁ : V₂ 1,0.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при циклической подаче количества тепла в скважину поддерживают деятельность цикла Т₁ в сутках, которую выбирают по отношению ко времени Т₂ в сутках между циклами в пределах 0,01 Т₁ : Т₂ 100.

3. Устройство для регулирования теплового режима скважины, содержащее расположенный на поверхности источник питания, электрически связанный с нагревателем, размещенным внутри скважинных труб, отличающееся тем, что нагреватель выполнен из двух изолированных друг от друга композиций электродов, автономных и/или охватывающих одна другую таким образом, что длина l₁ периметра композиции охватываемого электрода выбрана к длине l₂ периметра композиции охватывающего электрода в пределах 1,05 (l₁ + l₂) : l₂ 1,99, охватываемая и охватывающая композиции электродов выполнены соответственно из n₁ и n₂ протяженных элементов, где n₁ и n₂ выбраны в пределах 1 n₁ 30 и 1 n₂ 150, таким образом, что суммарная площадь S₁ поперечных сечений n₁ элементов и суммарная площадь S₂ поперечных сечений n₂ элементов взаимосвязаны соотношением 0,1 S₁ : S₂ 0,8, при этом соотношение максимального размера l₃ поперечного сечения композиции охватываемого электрода к максимальному расстоянию l₄ между композициями охватываемого и охватывающего электродов выбрано в пределах 1,01 (l₃ + l₄) : l₄ 10.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтяной промышленности и конкретно может быть использовано для регулирования теплового режима в добывающих нефтяных скважинах с целью ликвидации парафиновых образований.

Известны технические решения по использованию греющих кабелей для предупреждения парафиногидратообразования в нефтяных скважинах (Нефтяное хозяйство. - N 6. с. 58 - 60), а также устройство по международной заявке N PCT/RU 91/00073, номер публикации WO 92/08036, кл. E 21 B 37/00, 1992.

Известные устройства решают частные задачи общей проблемы, не учитывая систему управления устройством, технологию выполнения и скважные факторы, существенно влияющие на результативность очистки скважины от парафина.

Известно изобретение (РФ N 2029069, кл. E 21 B 37/00, 1995). Сущность изобретения: в скважных трубах устанавливают нагреватель в виде составного металлического цилиндра из верхней и нижней частей неодинакового сечения нагревательной поверхности. Части цилиндра электрически связаны между собой, а сам цилиндр - с источником питания. Параметры соотношений длин частей нагревателя, периметров сечений, площадей нагреваемых поверхностей взаимосвязаны. Регулирование теплового режима осуществляют сравнением температур нагреваемой в скважине жидкости и плавления парафина, скважной трубы и нагреваемой поверхности. Устанавливают значение рабочего тока по отношению к минимальному току, необходимому для предотвращения осаждения парафина в заданных пределах (прототип).

Недостаток этого изобретения заключается в том, что он не учитывает ряд технологических факторов процесса нагрева скважины, обеспечивающих не только поддержание режима в скважине, но и его регулирование.

Решаемая техническая задача и достигаемый технический результат с помощью предлагаемого изобретения заключаются в осуществлении регулирования процесса нагрева скважины по времени рационального расхода тепла с учетом количества твердого парафина и жидкой нефти в обогреваемом объеме скважины и скорости выхода нефти из скважины.

Достигаемый технический результат обеспечивается новым способом регулирования теплового режима в скважине, включающего введение в зону возможного образования твердого парафинового субстрата нагревателя, электрически связанного с источником питания, и управление подаваемой электрической мощностью до установления задаваемого теплового режима в скважном объеме, в котором согласно изобретению подводимое тепло распределяют вдоль скважины непрерывно или циклично таким образом, что в каждом поперечном сечении скважины поддерживают соотношение минимального q₁ и максимального q₂ значений подводимого в единицу времени количества теплоты в пределах 1,0 (q₁ + q₂) : q₂ 2,0, при этом восполняют количество q₃ теплоты в единицу времени жидкому и твердому субстратам, отдаваемого количества q₄ теплоты окружающим скважину породам через нефтяную колонну труб (НКТ), которое выбирают в пределах 1 q₃ : q₄ 5, и расплавляют им количество m₁ твердого парафинового субстрата, и нагревают количество m₂ жидкой нефти, выбирая соотношение между ними в пределах 1 (m₁ + m₂) : m₂ 100, и регулируют значение минимально допустимой скорости V₁ прохождения жидкости или газа через устье скважины по отношению к значению V₂ максимально возможной скорости прохождения нефти или газа в данной скважине в пределах 0,05 V₁ : V₂ 1,0, причем при циклической подаче количества тепла в скважину поддерживают деятельность цикла T₁ в сутках, которую выбирают по отношению ко времени T₂ между циклами в пределах 0,01 T₁ : T₂ 100.

Достигаемый технический результат обеспечивается также новым устройством для регулирования теплового режима скважины, содержащим расположенный на поверхности источник питания, электрически связанный с нагревателем, размещенным внутри скважных труб, в котором согласно изобретению нагреватель выполнен из двух изолированных друг от друга композиций электродов, автономных и/или охватывающих одна другую таким образом, что длина l₁ периметра, композиции охватываемого электрода выбрана к длине l₂ периметра композиции охватывающего электрода в пределах

1,05 (l₁ + l₂) : l₂ 1,99;

охватываемая и охватывающая композиции электродов выполнены соответственно из n₁ и n₂ протяженных элементов, где n₁ и n₂ выбраны а пределах 1 n₁ 30 и 1 n₂ 150 таким образом, что суммарная площадь S₁ поперечных сеченией n₁ элементов и суммарная площадь S₂ поперечных сечений n₂ элементов взаимосвязаны соотношением 0,1 (S₁ : S₂) 0,8, при этом соотношение максимального размера 1₃ поперечного сечения композиции охватываемого электрода к максимальному расстоянию 1₄ между композициями охватываемого и охватывающего электродов выбрано в пределах.

1,01 (l₃ + l₄) : l₄ 10.

На фиг. 1 изображена фонтанирующая скважина с линейным нагревательным элементом; на фиг. 2 - скважина с глубинным насосом и линейным нагревательным элементом; на фиг. 3 - скважина с эрлифтным способом откачки нефти и линейным нагревательным элементом; на фиг. 4 - скважина с откачкой нефти тартанием и боковым вводом линейного нагревательного элемента ниже уровня поршневого блока качалки.

На фиг. 1 - 4 изображены: источник 1 питания, система 2 управления, линейный нагревательный кабель 3, включающий композиции охватываемого и охватывающего электродов, нефтяная колонна труб (НКТ) 4, нефтяной пласт 5, токоподвод для глубинного насоса 6, глубинный насос 7, воздушный компрессор 8, эрлифтные трубы 9, качалка 10 нефти, дополнительная скважина для ввода кабеля 3 в нефтяную скважину 11, лубрикатор 12.

При детальном описании терморегулируемой скважины и способа регулирования нецелесообразно подробно описывать конструктивные особенности таких составных частей, как источник 1 питания (фиг. 1 - 4), который может быть либо в виде линии электропередачи в 380 В, либо генератора, приводимого в движение дизельным двигателем, и система 2 управления. Причем добыча нефти осуществляется как из фонтанирующей скважины (см. фиг. 1), добыча из скважины с помощью глубинного насоса (см. фиг. 2) или эрлифтный способ добычи нефти из скважины (фиг. 3) и добыча нефти из скважины татртанием (фиг. 4). Известно, что наибольший объем добычи нефти приходится на первые три способа. При этом через лубрикатор 12 с помощью каротажной установки с блоком линейный нагревательный кабель 3 вводится внутрь НКТ 4 на глубину возможного образования твердого парафинового субстрата приблизительно на 1000 - 1400 м от устья скважины, кабель 3 электрически связан с источником 1 питания через систему 2 управления подаваемой электрической мощностью до установления задаваемого теплового режима в скважном объеме. При этом подводимое тепло распределяют вдоль скважины непрерывно или циклически таким образом, что в каждом поперечном сечении скважины поддерживают соотношение минимального q₁ максимального q₂ значений подводимого в единицу времени количества теплоты в пределах 1,0 (q₁ + q₂) : q₂ 2,0. Минимальное значение q₁ подводимого тепла соответствует значению

(q₁ + q₂) : q₂ = 1,0.

В этом случае q₁ = 0, а значит электроэнергия в кабель не подается и нагрев нефти не производится. Такая технология применяется при цикличном нагреве кабеля, т.е. нагрев кабеля осуществляется периодически в зависимости от скорости вытекания нефти из скважины. Максимальное значение подводимого количества тепла q₂ в единицу времени осуществляют в случае пробивания парафиновой пробки при спуске кабеля в скважину, при значительном дебите нефти (от 50 т в сутки и более) перед отключением кабеля в очередном цикле с тем, чтобы проходящая мимо кабеля нефть, НКТ и затрубные окружающие породы получили значительное количество тепла, и за счет этого исключить возможность образования парафиновых пробок в межцикличный период. Количество тепла q₃, передаваемое нагревательным кабелем жидкому или твердому субстрату, восполняют по отношению к количеству теплоты q₄, отдаваемой в единицу времени окружающим породам через НКТ, выбирают в пределах 1 (q₃ : q₄) 5. При этом, когда отношение (q₃ : q₄) = 1, то в том случае трубам и в затрубное пространство передается такое количество тепла q₄, которое точно соответствует количеству тепла q₃, расходуемого нефтью, что явно недостаточно для обеспечения нормальной добычи нефти, так как в цикличном режиме работы установки прекращение подачи тока в кабель приведет к постепенному остыванию нефти и естественному выпадению парафина в осадок и, как следствие, к уменьшению скорости потока нефти. Увеличение значения соотношения (q₃ : q₄) до 5 обеспечивает получение нефтяной колонне труб значительного количества тепла, что обеспечит на весь период между циклами запас тепловой энергии для того, чтобы исключить возможность образования парафиновых пробок. Этим же теплом расплавляют количество m₁ твердого парафинового субстрата и нагревают количество m₂ жидкой нефти, выбирая соотношение между ними 1 (m₁ + m₂) : m₂ 100 с тем, чтобы это соотношение всегда стремилось к (m₁ + m₂) : m₂ = 1, и в этом случае скважина будет работать с полной отдачей нефти.

На устье скважины установлен датчик скорости, с помощью которого регулируют значение минимально допустимой скорости V₁ прохождения нефти через устье скважины по отношению к значению максимально возможной скорости V₂ прохождения нефти в данной скважине в пределах 0,05 V₁ : V₂ 1,0, причем в процессе регулирования скорости с помощью линейного нагревательного кабеля 3 V₁/V₂ в практике работы должны быть в пределах 0,95 - 1,0, однако, в ряде случаев, когда возникает необходимость рационального использования запасов нефтяных пластов, с помощью нагревательного кабеля можно регулировать производительность скважины в любых заявляемых пределах.

Как установлено исследованиями, на некоторых скважинах при значительном процентном содержании парафина, относительно высокой температуре плавления парафина и его теплоемкости, а также относительно низком значении температурного градиента Земли (увеличение температуры в глубину на 1^oC на каждые 12 - 90 м), а также при значительном дебите нефти (более 50 т/сут) возникает необходимость, чтобы нагревательный элемент работал в постоянном или близком к этому значению режиме. В этом случае правомерно соотношение T₁/T₂ 2 10³ сут, т.е. кабель находится электрически включенным на протяжении всего времени местонахождения в скважине 5 лет. Выход соотношения T₁/T₂ за пределы максимального значения (2 10³) не имеет смысла, так как за это время полностью вырабатывается ресурс работы кабеля. Однако, при низком процентном содержании парафина, низкой температуре его плавления и низком значении коэффициента теплоемкости, малом дебите скважины и высоком температурном градиенте Земли в данной географической точке местонахождения скважины и соотношение T₁/T₂ 0,01 сут является допустимым. При соотношении T₁/T₂ менее 0,01 сут процесс очистки скважины от парафина не может быть осуществим из-за недостаточного прогрева скважины.

При описании устройства для регулирования теплового режима скважины, которое содержит расположенный на поверхности источник 1 питания, систему 2 управления, электрически связанные с нагревательным кабелем 3, размещенным внутри нефтяной колонны труб 4, в которых нагреватель выполнен из двух изолированных друг от друга композиций электродов, автономных и/или охватывающих одна другую таким образом, что длина l₁ периметра композиции охватываемого электрода выбрана к длине l₂ периметра композиции охватывающего электрода в пределах 1,05 (l₁ + l₂) : 1,99; причем минимальное значение этого соотношения (l₁ + l₂) : l₂ = 1,05 определяется минимальной величиной периметра l₁ в композиции токоподвода, материал которого может быть выбран, например, медным или алюминиевым, или сверхпроводимым радиусом r₁, кроме того, токоподвод может быть выполнен в виде одной жилы, многожильным, где n₁ выбирается 1 n₁ 30, иметь в центре стальной трос d = 2 - 5 мм, обеспечивающий прочность токоподвода при спуске на глубину до 1400 - 1500 м. Композиция нагревательного элемента выполнена, как правило, из стальных проволок, длина его наружного периметра l₂, которая определяется радиусом r₂ от оси симметрии кабеля d₁ каждой проволоки и их количество n₂ выбирают в пределах 1 n₂ 150, причем радиус r₂ зависит от свойств применяемого изоляционного материала между композициями электродов. При выборе высококачественного изоляционного материала, обеспечивающего энергопрочность между электродами в 1000 Вт с минимальной его толщиной l₁ по своей величине может быть близка величине l₂, а следовательно, соотношение (l₁ + l₂) : l₂ стремится к максимуму 1,99, но никогда не может быть равно или больше 2.

При этом суммарная площадь S₁ поперечных сечений n₁ протяженных элементов композиции охватываемого электрода и суммарная площадь S₂ поперечных сечений n₂ протяженных элементов композиции охватывающего электрода взаимосвязаны с соотношением 0,1 (S₁ : S₂) 3.

Эта взаимосвязь определяется выбором материала, из которого изготавливаются композиции охватываемого и охватывающего электродов, материала изоляции между ними, длиной нагревательного кабеля, и минимальное значение (S₁ : S₂) будет при выборе в качестве материала сверхпроводников. При соотношении (S₁ : S₂) меньше 0,1 конструкция кабеля не может соответствовать требованию необходимой теплоотдачи, так как при пропуске через проводник слишком малого сечения тока большой силы и мощного напряжения произойдет нагревание внутреннего токоподвода, что приведет к быстрому износу кабеля и малоэффективной его работе. Соотношение (S₁ : S₂) 3 обеспечивает создание кабеля с площадью S₁ поперечного сечения к композиции охватываемого электрода, который будет занимать всю площадь от центра кабеля до жил круговой оплетки композиции охватывающего электрода. При выходе соотношения (S₁ : S₂) за максимальные пределы происходят нарушения конструктивной логики создания нормального кабеля.

Соотношение максимального размера l₃ в поперечном сечении охватываемой композиции к максимальному расстоянию l₄ между охватываемой и охватывающей композициями выбрано в пределах 1,01 (l₃ + l₄) : l₄ 10. При этом выход за низкие пределы, т.е. создание кабеля, у которого это соотношение (l₃ + l₄) : l₄ меньше 1,01, приводит к использованию токоподвода с большим сопротивлением, в результате будет нагреваться внутренняя часть кабеля.

Пример данных, необходимых для расчета установки по ликвидации парафиновых пробок для скважины N250 в ОАО "Роснефть-Ставропольнефтегаз":

q₁ = 150000 кал;

q₂ = 202500 кал;

m₁ = 15 кГ;

m₂ = 15000 кГ;

V₁ = 11,4 л/мин;

V₂ = 12 л/мин;

T₁ = 4 ч (0,167 сут);

T₂ = 20 ч (0,83 сут);

l₁ = 10 мм;

l₂ = 52 мм;

n₁ = 7;

n₂ = 44;

S₁ = 10 мм²;

S₂ = 53 мм²;

l₃ = 3,6 мм;

l₄ = 5,0 мм;

В скважине N250 d = 89 мм из нефтяного пласта с глубины 3450 - 1455 м с эрлифтными нефтяными трубами d = 60,3 мм до глубины 780 м (см. фиг. 3) средняя ежедневная добыча 10 т/сут; за 3 последних месяца 1996 г. скважина работала 53 дня, остальные простаивала. По расчету после монтажа новой установки ежесуточный дебит нефти составит 15 т/сут ежедневно, без простоев.

Как показали проведенные исследования и расчеты, указанный технический результат достигается только при взаимосвязанном использовании всей совокупности существенных признаков заявленного объекта (таблица). Для сопоставления возможностей достижения указанного технического результата в каждом из примеров оказалось целесообразным использовать параметр , характеризующий расширение функциональных возможностей применения в процессе экспериментального осуществления заявляемого технического решения в сравнении с прототипом.

Рассмотрим примеры проведенных исследований, отраженных в таблице. Нижние и верхние значения заявляемых пределов были получены на основании статистической обработки экспериментальных данных, преимущественно исходя из условия приближения параметра к единице (₁ = 1,01, ₂ = 1,03), а также с учетом других известных обстоятельств, накладывающих ограничения на заявляемые пределы. В оптимальном примере 3 практической реализации заявляемого объекта было достигнуто наиболее высокое значение параметра (₃ = 3,5).

При выходе за нижние (пример 5) и верхние (пример 6) значения заявляемых пределов указанный технический результат не достигается (₅ = 0,98, ₆ = 0,97). В произвольном примере 4 при использовании значений существенных параметров внутри заявляемых пределов получено промежуточное значение технического результата (₄ = 2,7).