водонагреватель нефтепромысловый

Формула изобретения

Водонагреватель нефтепромысловый, включающий цилиндрический корпус, размещенные вдоль него связанные с источником тока неподвижные электроды, и, по крайней мере, один подвижный электрод, выполненный с возможностью поворота вокруг оси цилиндрического корпуса, патрубки для входа и выхода нагреваемой воды, изолирующие экраны, установленные между, по крайней мере, одним подвижным и неподвижными электродами и торцевую крышку, отличающийся тем, что изолирующие экраны закреплены непосредственно на электродах с частичным перекрытием их рабочих поверхностей в поперечном сечении и открытии на заданную величину по их длине, цилиндрический корпус выполнен с внутренней электрической изоляцией и наружной тепловой изоляцией, при этом, по крайней мере, один подвижный и неподвижные электроды закреплены на торцевой крышке.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к устройствам для предупреждения замерзания водоводов, и может быть использовано для нагрева воды, нагнетаемой в скважину для повышения нефтеотдачи пластов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является водонагреватель нефтепромысловый, включающий цилиндрический корпус, размещенные вдоль него неподвижные электроды, питающий кабель и торцевую крышку [1]. Внутренний электрод выполнен в виде жестко закрепленных колец, между которыми находится нагреваемая жидкость. Во время протекания электрического тока между электродами происходит нагрев жидкости.

Недостатком водонагревателя является то, что он имеет "жесткую" характеристику и ограниченные функциональные возможности: рассчитан на узкий диапазон режима работы, чем обусловлен необоснованно высокий расход электроэнергии. Кроме того, незначительные изменения расхода жидкости, качества нагнетаемой воды и ее начальной температуры приводят к нарушению режима нагревания.

Наиболее близким к заявляемому водонагревателю по технической сущности и наибольшему числу общих признаков является водонагреватель электродный (нефтепромысловый) [2], включающий цилиндрический корпус, размещенные вдоль него, связанные с источником тока, неподвижные электроды, и, по крайней мере, один подвижный электрод, выполненный с возможностью поворота вокруг оси цилиндрического корпуса, патрубки для входа и выхода нагреваемой воды, изолирующие экраны, установленные между, по крайней мере, одним подвижным и неподвижными электродами, и торцевую крышку.

Недостатки известного водонагревателя заключаются в больших энергетических затратах, невысокой надежности его работы и сложности монтажа.

В изобретении решается задача снижения энергетических затрат, повышение надежности водонагревателя и упрощения его монтажа.

Задача решается тем, что в известном водонагревателе нефтепромысловом, включающем цилиндрический корпус, размещенные вдоль него, связанные с источником тока неподвижные электроды, и, по крайней мере, один подвижный электрод, выполненный с возможностью поворота вокруг оси цилиндрического корпуса, патрубки для входа и выхода нагреваемой воды, изолирующие экраны, установленные между, по крайней мере, одним подвижным и неподвижными электродами, и торцевую крышку, согласно изобретению изолирующие экраны закреплены непосредственно на электродах, с частичным перекрытием их рабочих поверхностей в поперечном сечении и открытии на заданную величину по их длине, цилиндрический корпус выполнен с внутренней электрической изоляцией и наружной тепловой изоляцией, при этом, по крайней мере, один подвижный и неподвижные электроды закреплены на торцевой крышке.

Существенными признаками изобретения являются.

1. Цилиндрический корпус.

2. Размещенные вдоль цилиндрического корпуса неподвижные электроды.

3. Неподвижные электроды связаны с источником тока.

4. По крайней мере, один подвижный электрод.

5. По крайней мере, один подвижный электрод выполнен с возможностью поворота вокруг оси цилиндрического корпуса.

6. Патрубки для входа и выхода нагреваемой воды.

7. Изолирующие экраны.

8. Изолирующие экраны установлены между, по крайней мере, одним подвижным и неподвижными электродами.

9. Торцевая крышка.

10. Изолирующие экраны закреплены непосредственно на электродах.

11. Изолирующие экраны закреплены непосредственно на электродах, с частичным перекрытием их рабочих поверхностей в поперечном сечении и открытии на заданную величину по их длине.

12. Цилиндрический корпус выполнен с внутренней электрической изоляцией.

13. Цилиндрический корпус выполнен с наружной тепловой изоляцией.

14. По крайней мере, один подвижный и неподвижные электроды закреплены на торцевой крышке.

Признаки 1-9 являются общими с прототипом существенными признаками, признаки 10-14 являются существенными отличительными признаками изобретения.

Сущность изобретения

Использование воды в качестве токопроводящей среды при ее нагреве дает значительные преимущества в теплопередаче и экономии расхода электроэнергии. Особенно полезно использовать водонагреватель в системе закачки воды на месторождениях в Северных районах в зимний период, когда нагнетательные скважины с малой приемистостью выбывают из эксплуатации на несколько месяцев из-за замерзания водоводов и тем самым ухудшают проектные показатели разработки месторождения.

Вместе с тем такой параметр качества воды, как удельное электрическое сопротивление, меняется в широких пределах от 10 до 1000 Омм для пресной воды и от 0,1 до 1, Омм для пластовой воды. Это обстоятельство вызывает следующие затруднения.

Снижение удельного электрического сопротивления воды в процессе закачки вызовет увеличение силы тока, протекающего между электродами, повысится подводимая мощность, увеличится температура воды. При увеличении удельного электрического сопротивления воды произойдет обратная картина - снизится температура выходящей воды.

Изменение расхода нагнетаемой воды также вызовет изменение температурного режима нагревания.

Кроме того, во время пуска нагревателя в работу по мере повышения его температуры происходит снижение удельного сопротивления воды, что требует корректирования режима нагревания. Регулирование температуры жидкости в известном нагревателе возможно путем изменения параметров электрического тока, достигаемого с помощью специальной электротехнической аппаратуры.

Изменяется напряжение электрического тока, которое вызывает вполне определенное изменение силы тока. Каждому значению напряжения соответствует только одно значение силы тока. Произведение этих параметров есть мощность, вводимая в нагреватель.

Диапазон изменения напряжения, а следовательно, и вводимой мощности, в известном устройстве ограничен однозначностью зависимости "напряжение-сила тока", возможностями электротехнической аппаратуры и условиями, создающими электрический пробой между электродами. В связи с этим ограниченными оказываются и пределы регулирования температуры нагреваемой жидкости.

Для скважин с различной приемистостью, а также качеством нагнетаемой воды и ее начальной температурой, требуются нагреватели разных размеров, с разным межэлектродным зазором. При этом сохранение оптимального межэлектродного зазора в условиях нестабильности параметров невозможно, требуется его существенная корректировка. В известном устройстве эта проблема решается путем расширение диапазона режима нагрева воды за счет использования в качестве дополнительного параметра регулирования - силы тока и размещенных вдоль цилиндрического корпуса неподвижных электродов и, по крайней мере, одного подвижного электрода, выполненного с возможностью поворота вокруг оси цилиндрического корпуса, чем обеспечивают возможность изменения межэлектродного зазора. Величина перемещения электрода зависит от конструкции водонагревателя.

В предлагаемом устройстве обеспечивают снижение энергетических затрат за счет наличия наружной тепловой изоляции цилиндрического корпуса. Наличие внутренней у него электрической изоляции позволяет исключить пробои на корпусе, тем самым повысить надежность работы водонагревателя. Расширение диапазона режима нагрева воды за счет использования в качестве дополнительного параметра регулирования - силы тока и размещение вдоль цилиндрического корпуса, по крайней мере, одного подвижного электрода, выполненного с возможностью поворота вокруг оси цилиндрического корпуса, обеспечивают возможность изменения межэлектродного зазора. Величина перемещения электрода зависит от конструкции водонагревателя.

Другим фактором экономии снижения энергетических затрат является включение нагревательной системы при острой потребности в ней (замерзания водовода), а при отсутствии такой необходимости нагреватель отключен, и расхода электроэнергии не происходит.

Водонагреватель является элементом трубопроводной системы заводнения, находится под избыточным внутренним давлением и в связи с этим имеет цилиндрическую форму.

Наиболее целесообразным способом перемещения подвижного электрода является его поворот вокруг оси цилиндрического корпуса (выполнение подвижного электрода поворотным).

Для расширения диапазона регулирования межэлектродного зазора между, по крайней мере, одним подвижным и неподвижными электродами установлены изолирующие экраны, которые позволяют за счет этого увеличить угол поворота подвижного электрода примерно в два раза.

В стационарном режиме работы нагревателя температура воды вдоль электродов увеличивается от начального значения на входе до конечного на выходе. Это обстоятельство обуславливает изменение ее электропроводящих свойств.

Вследствие этого за счет уменьшения удельного электрического сопротивления воды, вызванного ростом температуры, будет иметь место увеличение силы тока на конечных участках нагревателя.

Чтобы плотность тока по длине водонагревателя была одинаковой и не произошел пробой в конце электродов, изолирующие экраны закреплены непосредственно на электродах, с частичным перекрытием их рабочих поверхностей в поперечном сечении и открытии на заданную величину по их длине.

Закрепление изолирующих экранов непосредственно на электродах позволяет также упорядочить протекание электрического тока между электродами и устранить неконтролируемое рассеивание электрической энергии.

Закрепление, по крайней мере, одного подвижного и неподвижных электродов на торцевой крышке позволяет обеспечить легкость монтажа: при монтаже электроды закрепляют на крышке, после чего их вставляют в корпус.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан водонагреватель нефтепромысловый в продольном разрезе, а на фиг.2 - поперечное сечение А-А водонагревателя нефтепромыслового.

В качестве примера взят водонагреватель, питающийся трехфазным током с соединением фаз "звездой". Он может иметь также соединение фаз "треугольником" или иметь питание от однофазного тока (не показано).

Водонагреватель размещают в начале участка водовода, в котором происходит или ожидается замерзание воды в зимнее время. Его устанавливают на байпасной (параллельной) линии водовода с задвижками ( не показано) с возможностью отключения без прекращения закачки воды в нагнетательную скважину на период времени, когда нет угрозы замерзания.

Водонагреватель нефтепромысловый состоит из цилиндрического корпуса 1 с внутренней электрической изоляцией 2 и наружной тепловой изоляцией 3, подвижного электрода 4 с валом 5, неподвижных электродов 6, изолирующих экранов 7. Корпус 1 имеет патрубки 8 и 9 для входа и выхода нагреваемой воды. На торце корпуса 1 крепится крышка 10, через которую проходят электроизолированные и герметизированные провода в клеммную коробку 11, в которую входит кабель электрического тока, присоединяемый к клеммам 12 (кабель не показан).

В крышке имеется также сальниковое устройство 13 для вывода вала 5 подвижного электрода 4. На конце вала 5 имеется рукоятка 14 для поворота подвижного электрода 4, а также стопорное устройство, ограничитель и указатель угла поворота или межэлектродного зазора (не показаны). Крышка 10 защищена колпаком 15.

Неподвижные электроды 6 присоединены к трем фазам электрического тока и расставлены по окружности поперечного сечения через 120^o. Подвижный электрод 4 заземлен. Он имеет три лопасти 16 также через 120^o и образует вместе с неподвижными электродами 6 схему соединения фаз "звездой".

Электроды 4, 6 нагревателя изображены на фиг. 1 и 2 в виде труб, но могут быть выполнены в виде штанг, пластин и других профилей. Изоляция 2 может быть в виде стекла, нанесенного на внутреннюю поверхность корпуса 1 пно известной технологии остеклования насосно-компрессорных труб.

Изолирующие экраны 7 могут быть выполнены в виде стекла или термовлагостойкого лака, нанесенного на соответствующие поверхности электродов или и виде перегородок между электродами. Подобным образом изолируется внутренняя поверхность крышки 10 и все электропроводящие элементы внутри корпуса 1. Такая защита позволяет упорядочить протекание электрического тока между электродами и делает стабильной рабочую характеристику водонагревателя.

При монтаже водонагревателя электроды 6 и вал 5 с электродами 4 закрепляются на крышке 10, после чего они вставляются в корпус 1, а крышка 10 крепится к корпусу 1 на уплотнительной прокладке 17.

Допустимый угол поворота подвижного электрода может быть различным в зависимости от характеристики питающего электрического тока. Для трехфазного переменного тока, например, максимальный угол поворота может быть в пределах 100-110^o.

При повороте подвижного электрода 4 от одного крайнего положения до другого электрическое сопротивление воды между электродами и этом случае изменяется в 4-5 раз, соответственно, будет изменяться и мощность водонагревателя.

Проходное сечение корпуса 1 и патрубков 8 и 9 рассчитано на расход воды до 300 м³/сут, что обеспечивает возможность применения одного типоразмера водонагревателя практически для всего фонда нагнетательных скважин, где происходит замерзание водоводов.

Водонагреватель нефтепромысловый присоединяют к байпасной линии водовода с помощью фланцев 18 и 19 соответственно, патрубков 8 и 9 с входом воды через патрубок 8 и выходом - через патрубок 9. Входной участок байпасной линии, так же, как и выходной, должен иметь теплоизоляцию, одинаковую с теплоизоляцией основного водовода.

Водонагреватель нефтепромысловый работает следующим образом. Перед включением водонагревателя, если не известно удельное электрическое сопротивление или расход воды, подвижный электрод 4 устанавливают в крайнее правое положение с максимальным межэлектродным зазором.

После включения водонагревателя в сеть проверяют напряжение и силу тока. Затем поворотом рукоятки 14 против хода часовой стрелки подвижный электрод 4 устанавливают в положение в котором напряжение и сила тока достигюет расчетных значений, соответствующих заданной температуре нагрева воды. Рукоятка 14 в этом положении застопоривается.

Возможно предварительное тарирование водонагревателя на стенде. Результаты тарирования наносят на лимб и закрепляют на крышке 10.

Нагревание воды происходит в результате пропускания через нее электрического тока, подведенного к электродам.

При необходимости корректировка межэлектродного зазора может производиться с помощью рукоятки 14. Изменение межэлектродного зазора при постоянном напряжении питающего тока приводит к изменению силы тока и, следовательно, к изменению мощности водонагревателя.

Пример реализации применения водонагревателя нефтепромыслового в условиях промысла.

В нагнетательную скважину месторождения Лангенас (Зап. Сибирь) закачивают воду с всходом 40 м³/сут через наземный водовод диаметром 100 мм и протяженностью 300 м.

По предыдущим наблюдениям установлено, что этот водовод, имеющий обычную теплоизоляцию, замерзал при температуре окружающей среды ниже -23^oC и оставался замерзшим до конца весны следующего года.

Аналогичные нагнетательные скважины ежегодно находились в бездействии 3-4 месяца. Досрочное "растепление" водовода не производилось из-за больших затрат на пропаривание труб и ремонт поврежденных участков.

По метеорологическим наблюдениям число холодных дней с температурой ниже -23^oС в районе Лангенаса составляет 40-50 дней, с температурой ниже -28^oС 2-28 дней и с температурой ниже -35^oС - 5-10 дней. Наиболее низкая температура воздуха может быть -40^oС.

Чтобы вода не замерзала в водоводе при скорости потока 0,06 м/с, соответствующей расходу 40 м³/сут, необходимо иметь в начале водовода температуру воды, превышающую на 5-8^oС температуру ее замерзания.

При использовании известного водонагревателя [2] с нерегулируемой мощностью он должен быть включен на все 50 зимних дней и иметь максимальную мощность, рассчитанную на самую низкую температуру -40^oС, даже если в течение всей зимы такая температура продержится одни сутки или вообще не реализуется. Эта мощность составляет 48,4 кВт или 41,710³ ккалч. Сезонный расход энергии составит по одной скважине 58,110³ кВт/ч.

С целью использования предложенного водонагревателя нефтепромыслового, устанавливаемого на начальном участке указанного водовода, производится приварка байпасной линии из трубы диаметром 100 мм с входной и выходной задвижками и ответными фланцами водонагревателя. На водоводе между входом и выходом байпасной линии устанавливают промежуточную задвижку.

На замний период промежуточные задвижки закрываются, и нагнетаемая в скважину вода прокачивается через байпасную линию с водонагревателем для нагрева воды до температуры, при которой замерзание водовода не происходит.

Использование предложенного водонагревателя позволяет осуществлять дифференцированный нагрев воды в зависимости от погодной температуры, который невозможен при использовании известного нагревателя из-за особенности его конструкции.

В случае дифференцированного нагрева, в соответствии с указанными метеорологическими наблюдениями, водонагреватель будет работать с мощностью 15,5 кВт 11 дней, с мощностью 25,2 кВт 17 дней, с мощностью 38,8 кВт 9 дней и мощностью 48,4 кВт одни сутки. Общий расход энергии за год составит 23,910³ кВтч в отличие от годового расхода энергии в известном устройстве, равном 58,110³ кВтч, т.е. в 2,4 раза меньше.

Регулирование мощности водонагревателя производят в зависимости от погодных условий, сообщаемых по данным бюро прогнозов региональной метеорологической службы, вручную, либо автоматизированным способом с применением датчиков температуры.

Учитывая возможности регулирования режима работы водонагревателя нефтепромыслового посредством изменения межэлектродного зазора в 4-5 раз, изменения силы тока и его мощности, можно сделать вывод о том, что предложенный водонагреватель при любых условиях предупредит обмерзание водоводов и позволит обеспечить непрерывную работу нагнетательных скважин в зимний период для широкого диапазона их приемистости и свойств нагнетаемой воды с экономией энергетических затрат в 2,4 раза, а также повысить надежность работы устройства и упростить его монтаж.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР 381736, кл. Е 21 В 43/24, 1970 г.

2. RU 93010909, 27.06.95г. - прототип.