забойный водонагреватель для нагнетательной скважины

Формула изобретения

1. Забойный водонагреватель для нагнетательной скважины, включающий электроды, спущенные на питающем кабеле в скважину с насосно-компрессорными трубами, отличающийся тем, что в качестве электродов использованы оголенные концы проводов питающего кабеля, разведенные изолирующими втулками и имеющие возможность радиального перемещения.

2. Забойный водонагреватель для нагнетательной скважины по п. 1, отличающийся тем, что изолирующие втулки снабжены имеющими П-образную форму подпружиненными вкладышами с выступами, в которых закреплены электроды, причем выступы втулки взаимодействуют с внутренней поверхностью изолирующей втулки.

3. Забойный водонагреватель для нагнетательной скважины по п. 1 или 2, отличающийся тем, что расстояние между электродами в верхней части больше, чем в нижней, а разница расстояний между электродами в верхней и нижней частях определена по формуле



где r₁, r₂ - расстояния между электродами в верхней и нижней частях, см;

l - длина электродов, см;

Р_П, Р_В - удельные электрические сопротивления материалов провода и воды, Омсм;

n= 3,14;

D - диаметр провода питающего кабеля, см.

4. Забойный водонагреватель для нагнетательной скважины по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что он снабжен компенсатором веса питающего кабеля.

5. Забойный водонагреватель для нагнетательной скважины по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что в качестве питающего кабеля использован кабель-канат.

6. Забойный водонагреватель для нагнетательной скважины по одному из пп. 1-5, отличающийся тем, что он снабжен электропроводящими трубками, надетыми на электроды.

7. Забойный водонагреватель для нагнетательной скважины по одному из пп. 1-6, отличающийся тем, что насосно-компрессорные трубы снабжены на конце направляющей воронкой, а электроды размещены ниже насосно-компрессорных труб.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано в нагнетательных скважинах для термального заводнения продуктивных пластов с целью повышения коэффициента нефтеотдачи нефтяного месторождения.

Известна нагревательная печь для нагрева воды, закачиваемой с поверхности в нагнетательные скважины [1].

Недостатком устройства является размещение нагревательной печи на поверхности земли, которое приводит к тому, что при закачке нагретой воды в нагнетательную скважину на ее участке с температурой стенок колонны скважины, меньшей температуры нагрева закачиваемой воды, происходит отток тепла в окружающие горные породы.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является забойный водонагреватель для нагнетательной скважины, включающий электроды, спущенные на питающем кабеле в скважину с насосно-компрессорными трубами (НКТ) [2]. Нагревание жидкости производится на глубине скважины за счет пропускания через нее электрического тока. Водонагреватель можно спускать в скважину также вместе с НКТ на их нижнем конце. Питающий кабель при этом крепят на наружной поверхности труб.

Недостатком известного нагревателя являются сложность его монтажа в скважине и низкая надежность его работы. Сложность монтажа удорожает стоимость закачки горячей воды и приводит к потере в добыче нефти, связанной с увеличением простоя нагнетательной скважины на время монтажа нагревателя. Низкая надежность работы нагревателя связана с возможностью повреждения электрической изоляции кабеля во время спуска насосно-компрессорных труб, особенно в искривленную скважину, что приводит к необходимости проведения дополнительных подземных работ. В случае спуска известного нагревателя на кабель-канате закачка воды в скважину должна производиться по обсадной колонне, а не по НКТ, что не допускается, особенно при большом давлении нагнетания, когда ставится пакер для разгрузки обсадной колонны.

В изобретении решается задача повышения надежности работы устройства, упрощения его конструкции, снижения стоимости.

Задача решается за счет того, что в предложенном забойном водонагревателе для нагнетательной скважины, включающем электроды, спущенные на питающем кабеле в скважину с насосно-компрессорными трубами, согласно изобретению в качестве электродов использованы оголенные концы проводов питающего кабеля, разведенные изолирующими втулками и имеющие возможность радиального перемещения, а также за счет того, что изолирующие втулки снабжены имеющими П-образную форму подпружиненными вкладышами с выступами, в которых закреплены электроды, причем выступы втулки взаимодействуют с внутренней поверхностью изолирующей втулки, расстояние между электродами в верхней части больше, чем в нижней, а разница расстояний между электродами в верхней и нижней частях определена по формуле



где r₁, r₂ - расстояния между электродами в верней и нижних частях, см;

l - длина электродов, см;

Р_п, P_в - удельные электрические сопротивления материала провода и воды, Омсм;

n=3,14;

D - диаметр провода питающего кабеля, см.

Задача также решается за счет того, что предложенный забойный водонагреватель для нагнетательной скважины снабжен компенсатором веса питающего кабеля, в качестве питающего кабеля использован кабель-канат, также снабжен электропроводящими трубками, надетыми на электроды, насосно-компрессорные трубы снабжены на конце направляющей воронкой, а электроды размещены ниже насосно-компрессорных труб.

Существенные признаки устройства.

1. Электроды.

2. Электроды спущены на питающем кабеле в скважину с насосно-компрессорными трубами.

3. В качестве электродов использованы оголенные концы проводов питающего кабеля.

4. Оголенные концы проводов питающего кабеля разведены изолирующими втулками и имеют возможность радиального перемещения.

5. Изолирующие втулки снабжены имеющими П-образную форму подпружиненными вкладышами с выступами.

6. В выступах изолирующих втулок закреплены электроды.

7. Выступы взаимодействуют с внутренней поверхностью изолирующей втулки.

8. Расстояние между электродами в верхней части больше, чем в нижней.

9. Разница расстояний между электродами в верхней и нижней частях определена по формуле



где r₁, r₂ - расстояния между электродами в верней и нижних частях, см;

l - длина электродов, см;

P_п, P_в - удельные электрические сопротивления материала провода и воды, Омсм;

n=3,14;

D - диаметр провода питающего кабеля, см.

10. Снабжение компенсатором веса питающего кабеля.

11. В качестве питающего кабеля использован кабель-канат.

12. Снабжение электропроводящими трубками, надетыми на электроды.

13. Насосно-компрессорные трубы снабжены на конце направляющей воронкой.

14. Размещение электродов ниже насосно-компрессорных труб.

Признаки 1, 2 являются существенными признаками, общими с прототипом, признаки 3, 4 являются существенными отличительными признаками, признаки 5-14 являются существенными дополнительными признаками.

Известные и предлагаемое устройства осуществляют нагрев жидкости на глубине скважины за счет пропускания через нее электрического тока. При этом забойный нагреватель для нагнетательных скважин спускают на кабеле или через (на) колонну НКТ.

Однако известная конструкция забойного водонагревателя достаточно сложна и ее монтаж в скважине приводит к длительным простоям скважины, потерям в добыче нефти, удорожанию стоимости закачки горячей воды. Кроме того, известные конструкции менее надежны в работе по сравнению с предложенной, поскольку работа забойного электронагревателя связана с возможностью повреждения кабеля, прикрепленного к наружной поверхности НКТ во время их спуска, особенно в искривленную скважину. Это приводит к необходимости дополнительных подземных работ.

Известное устройство не обладает возможностью равномерного распределения нагрузок по длине забойного водонагревателя, что также снижает надежность его работы.

Устройство недостаточно экономично, так как расход электроэнергии в данном случае не регулируется в зависимости от необходимой температуры нагрева.

Указанные недостатки устранены в предложенном техническом решении.

Использование в качестве электродов оголенных концов питающего кабеля позволяет максимально упростить конструкцию и исключить дорогостоящие простои для монтажа устройства в скважине. Электроды разводят изолирующими втулками для исключения короткого замыкания оголенных концов проводов для создания нужной температуры межэлектродного зазора. Расстояние между разведенными концами электродов в верхней части должно быть больше, чем в нижней, что позволяет равномерно распределить токовую нагрузку по длине забойного водонагревателя, что повышает надежность его работы и улучшает прогрев. При этом компенсируется сопротивление прохождению электрического тока вдоль электродов, т.е. изменение электрического сопротивления по воде на концах электродов принято равным сопротивлению самих электродов.

Разница расстояний между разведенными концами электродов в верхней и нижней частях определена по формуле



где r₁, r₂ - расстояние между электродами в верхней и нижней частях, см;

l - длина электродов, см;

D - диаметр провода питающего кабеля, см;

P_п, P_в - удельные электрические сопротивления материала провода и воды, Омсм;

n=3,14.

Длину разведенных электродов и разницу расстояний между ними в верхней и нижней частях задают, исходя из заданной тепловой производительности устройства. Электроды имеют возможность радиального перемещения за счет снабжения изолирующей втулки подпружиненными вкладышами, имеющими П-образную форму, в которых закреплены электроды. Вкладыши имеют выступы, взаимодействующие с внутренней поверхностью изолирующей втулки.

Вместе с тем, в предлагаемом устройстве устраняют возникающие сложности, связанные с удержанием кабеля в НКТ, а также с тем, что свободно свисающий питающий кабель в НКТ вызывает растягивающие напряжения в нем с наибольшей величиной в точке подвеса питающего кабеля на устье скважины. Эти напряжения возрастают с увеличением глубины спуска забойного водонагревателя и могут достигнуть предела прочности питающего кабеля на растяжение от собственного веса.

Напряжения, равные пределу прочности стандартного питающего кабеля, достигаются при глубине спуска, равной 1370 м. Для устранения возможности обрыва питающего кабеля используют в устройстве его разгрузку при помощи компенсатора веса кабеля, например промежуточного ролика. Ролик устанавливают на такой длине питающего кабеля, на которой в кабеле не достигаются предельные напряжения.

Другим техническим приемом, использованным в предлагаемом устройстве, является параллельный спуск с питающим кабелем более прочного, чем сам питающий кабель, компенсатора его веса, расположенного по его длине и скрепленного с ним. Компенсатор веса кабеля в виде каната берет на себя часть нагрузки, вследствие чего уменьшается растягивающее усилие на кабель.

При больших глубинах скважины вместо кабеля используют более прочный кабель-канат, армированный металлической оболочкой повышенной прочности. Такая замена даст возможность увеличить глубину спуска водонагревателя до 4000 м.

Предложенное устройство для увеличения рабочей поверхности электродов в случае реализации большей мощности устройства при ограниченной длине электродов снабжено электропроводящими трубками (надетыми на электроды).

НКТ на нижнем конце снабжены воронкой для избежания зацепления устройства об НКТ при его подъеме.

Предложение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема оборудования нагнетательной скважины с забойным водонагревателем в продольном разрезе; на фиг.2 показано сечение А - А фиг. 1; на фиг. 3 показан забойный электронагреватель для нагнетательной скважины в продольном разрезе в увеличенном виде; на фиг. 4 показано сечение Б - Б фиг.3; на фиг. 5 показана электрическая схема забойного водонагревателя для нагнетательной скважины.

Забойный водонагреватель для нагнетательной скважины включает электроды 1, спущенные на питающем кабеле 2 с проводами 3 внутри в скважину 4 с обсадной колонной и насосно-компрессорными трубами 5. В качестве электродов 1 используют оголенные концы проводов 3 питающего кабеля 2, разведенные изолирующими втулками 6 и имеющие возможность радиального перемещения. Изолирующие втулки 6 снабжены имеющими П-образную форму подпружиненными (пружинами 7) вкладышами 8 с выступами 9, в которых закреплены электроды 1. Выступы 9 взаимодействуют с внутренней поверхностью изолирующей втулки 6. Устройство также снабжено компенсатором веса питающего кабеля 2 в виде каната 10, расположенного по длине кабеля 2 (параллельно ему) и прикрепленного к кабелю 2 оболочкой 11, электропроводящими трубками 12, надетыми на электроды 1, а насосно-компрессорные трубы 5 снабжены на конце направляющей воронкой 13. Кабель 2 подвешен на направляющем ролике 14 и пропущен через сальник 15.

Электрическая схема устройства включает автотрансформатор 16, предохранители 17, рубильник 18 и другие элементы питания, контроля и управления (на чертеже не показаны), размещенные в блоке 19, и представляет собой комбинированное соединение фаз переменного трехфазного тока: треугольником и звездой.

Устройство работает следующим образом.

Подвешенный на направляющем ролике 14 питающий кабель 2 с забойным водонагревателем для нагнетательной скважины 4 спускают в НКТ 5 с помощью лебедки (на чертеже не показана). По длине питающего кабеля 2 (параллельно ему) спускают компенсатор веса кабеля 2 - канат 10 (в предложенном устройстве), прикрепленный к кабелю 2 посредством оболочки 11, длину каната 10 выбирают такой, чтобы исключить достижение предельных напряжений. Прочность материала каната 10 должна быть большей, чем у питающего кабеля 2.

При движении в НКТ 5 вкладыши 8 находятся в сжатом состоянии, а при выходе из них через воронку 13 они расширяются (за счет освобождения пружин 7) до рабочих размеров межэлектродного зазора. После спуска питающего кабеля 2 с компенсатором его веса на заданную глубину (наиболее выгодно размещение разведенных электродов 1 напротив продуктивного пласта) осуществляют проверку сопротивления его изоляции, устанавливают сальник 15 и закрепляют подвеску питающего кабеля 2 на устье скважины 4, а верхний конец подключают к автотрансформатору 16. Осуществляют закачку воды в НКТ 5, одновременно включают электропитание и производят нагревание жидкости. Происходит тепловыделение в объем воды между электродами 1 за счет ее омического сопротивления непосредственно перед поступлением ее в пласт. Причем нагревание воды начинается от места, где концы проводов питающего кабеля 2 оголены, поэтому тепло от них не передается на изоляцию кабеля 2, т.к. изоляция омывается холодной водой, а нагреваемая - уходит вниз.

Регулирование температуры нагреваемой воды производят с помощью автотрансформатора 16 путем изменения напряжения. Для автотрансформатора АТС 3-100, например, диапазон регулирования напряжения составляет 770-920 В. Вводимая в скважину мощность при этом изменяется на 20%.

В качестве питающего кабеля 2 может быть использован, например, стандартный кабель КБПК 3х35 ТУ 16-505, предназначенный для погружных электродвигателей. Он имеет три медные жилы (провода) с индивидуальной полиэтиленовой изоляцией и полиэтиленовой оболочкой. Жилы скручены и закрыты стальной ленточной броней. Оболочки жил не имеют соединения между собой. Концы проводов на участках, где они разведены, очищены от изоляции, оголены.

Разрывная длина кабеля КБПК, при которой он рвется под собственным весом, равна 1370 м. В более глубоких скважинах, до 4000 м, верхнюю часть питающего кабеля подвешивают на канате, на чертеже не показано. Свободный конец кабеля не должен превышать разрывную длину. Для скважин с большей глубиной, более 4000 м, спуск нагревателя производят на кабель-канате с разрывным усилием 150-200 кН, армированном металлической оболочкой повышенной прочности.

Длину разведенных и оголенных (очищенных от изоляции) концов проводов кабеля 2 определяют исходя из заданной тепловой производительности устройства при плотности тока на электродах 0,5-1,5 А/см². Например, для повышения температуры воды на 20^oС при закачке 100 м³/сут и плотности тока 1,0 А/см² длина проводов-электродов кабеля КБПК должна быть 1,9 м.

Разница в расстояниях между электродами 1 на верхнем и нижнем концах забойного водонагревателя позволяет компенсировать сопротивление прохождению электрического тока вдоль электродов 1, т.е. изменение электрического сопротивления по воде на концах электродов принято равным сопротивлению самих электродов 1. Это дает возможность равномерно распределить токовую нагрузку по длине водонагревателя, что повышает надежность его работы. Наиболее целесообразно это осуществлять при нагнетании в скважину пластовой воды, имеющей низкое удельное сопротивление, при повышенной температуре нагрева, когда сопротивление электрода увеличивается, а воды - уменьшается. Например, для медных электродов длиной 260 см, диаметром 0,2 см, имеющих удельное электрическое сопротивление при 100^oС, равное 2,410^-6 Oмсм и для пластовой воды 5 Омсм, разница в расстояниях между концами электродов должна быть 2 мм.

Омическое сопротивление воды (фиг.4) между электродами 1 более высокое, чем омическое сопротивление воды между электродами 1 и заземленной обсадной колонной скважины 4. В предложенном забойном водонагревателе имеет место комбинированное соединение фаз переменного трехфазного тока. Основной нагрев происходит в процессе работы по схеме соединения "треугольником", а дополнительный - по схеме соединения "звездой".

Контроль за температурой нагрева осуществляют по количеству затраченной электроэнергии и расходу воды, по которым расчетным путем определяют температуру нагрева по формуле



где Т - температура нагрева воды перед поступлением ее в пласт, ^oС;

Т_нач - начальная температура воды перед нагревом, ^oС;

W - потребляемая электрическая мощность на выходе из трансформатора, кВт;

Q - приемистость нагнетательной скважины, м³/сут;

С - теплоемкость воды, кал/(г^oС).

Например, в пласт, насыщенный парафинистой нефтью с температурой выпадения парафина, равной 45^oС, закачивают воду. Температура закачиваемой воды должна превосходить это значение. Температура нагнетаемой воды на забое скважины без нагрева при расходе 100 м³/сут составляет лишь Т_нач=25^oС, что приводит к выпадению парафина в призабойной зоне пласта.

Используют предлагаемое устройство для нагрева воды, закачиваемой в скважину с мощностью W = 105 кВт. Теплоемкость воды принимают равной 1 кал/(г^oС). Температуру воды после нагревателя определяют по формуле (2):

.

Из формулы видно, что контрольное определение температуры воды после нагревателя, равное 46,7^oС, удовлетворяет условию превышения температуры выпадения парафина 45^oС и закачка воды в пласт допустима, тогда как нагнетание воды без нагрева при начальной температуре 25^oС нарушило бы коллекторские свойства пласта, превратив его в непроницаемый.

Предложенное техническое решение позволяет сократить объем и упростить монтажные работы, повысить надежность работы забойного водонагревателя. Это дает экономию затрат, равную разности между стоимостью подземного ремонта скважины со спуском и подъемом известного нагревателя, насосно-компрессорных труб и кабеля и стоимостью отдельной операции по спуску и подъему с помощью лебедки предложенного нагревателя и кабеля, которая составляет 30-40% от стоимости подземного ремонта скважины. Исключаются затраты на повторные подземные ремонты, связанные с повреждением и пробоем кабеля, спускаемого по межтрубному пространству. Сокращается время простоя нагнетательной скважины.

Источники информации

1. Справочная книга по добыче нефти. Под редакцией Гиматудинова Ш.К. М., Недра, с. 125-134, 1974 г.

2. Авторское свидетельство СССР 381736, кл. Е 21 В 43/24, 1970 г. - прототип.