способ ликвидации гидратных и парафиногидратных пробок в скважинах и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ ликвидации гидратных и парафиногидратных пробок в скважинах, включающий спуск в скважину до верхней границы пробки электронагревателя на подключенном к источнику тока многожильном кабеле, бронирующая металлическая оболочка которого соединена с металлическим корпусом электронагревателя, перевод материала пробки в расплавленное состояние включением электронагревателя и продвижение его по мере плавления материала пробки, отличающийся тем, что используют электронагреватель, нижний торец электрода которого контактирует со скважинной электропроводящей жидкостью, расположенной непосредственно над верхней частью пробки, которую используют в качестве электролита, при этом приемлемую величину рабочего тока при изменении удельного сопротивления скважинной электропроводящей жидкости обеспечивают путем изменения либо конструктивного параметра электронагревателя, либо напряжения, подаваемого на электрод.

2. Устройство для ликвидации гидратных и парафиногидратных пробок, содержащее источник питания, образующий цепь питания, связанный с источником питания многожильный кабель, бронирующая металлическая оболочка которого соединена с металлическим корпусом электронагревателя, а жилы - с электродом, и изоляторы, отличающееся тем, что электронагреватель выполнен с возможностью контактирования нижнего торца электрода со скважинной электропроводящей жидкостью, расположенной непосредственно над верхней частью пробки, а весь внутренний объем электронагревателя, находящийся ниже верхнего торца нижнего изолятора электрода, занимает тело нижнего изолятора.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что нижний торец электрода электронагревателя помещен внутрь тела нижнего изолятора и сообщен с наружным пространством под электронагревателем каналами, выполненными соосно в теле нижнего изолятора и в нижней части металлического корпуса, и величина диаметра которых определена из соотношения



где d - диаметр каналов, м;

n - количество каналов;

l - длина канала, м;

J_g - допускаемый рабочий ток, протекающий по кабелю, А;

U - напряжение на электроде электронагревателя, В;

- удельное сопротивление скважинной токопроводящей жидкости, Омм;

- число "", равное 3,14.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в цепь питания электронагревателя включено токорегулирующее устройство.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к эксплуатации нефтяных скважин и может быть использовано для ликвидации в них гидратных и парафиногидратных пробок.

Известен способ ликвидации гидратных и парафиновых пробок, предусматривающий плавление их спускаемым на электрокабеле в скважину электрическим нагревателем [1, 2].

Основной недостаток этого способа заключается в том, что он не обеспечивает возможности ликвидации пробок большой протяженности из-за прихвата кабеля, возникающего вследствие остывания, загущения и отложения расплавленного материала пробки, находящегося выше нагревателя. При этом, не опасаясь прихвата кабеля, можно производить непрерывное плавление пробки в течение 4,5 ч протяженностью не более 90 м, в то время как мощность сплошных интервалов пробки может достигать нескольких сот метров [3]. Такая малая величина бесприхватной проходки обусловлена низкой скоростью плавления твердой составляющей пробки, во-первых, из-за малой величины греющей поверхности электронагревателя, непосредственно контактирующей с ней, и, во-вторых, из-за того, что теплоноситель воздействует на вещество пробки не непосредственно, а через стенку корпуса, материал которого обладает тем или иным термическим сопротивлением, ограничивающим скорость передачи тепла. Расчеты показывают, что нагреватели такой конструкции [1, 2] расходуют не более 15-20% своей мощности на непосредственное плавление твердой составляющей пробки.

Известен способ ликвидации гидратных и парафиновых пробок [3], включающий спуск до верхней границы пробки электронагревателя на многожильном кабеле, подключенном к источнику тока. При этом часть жил кабеля закорочена и самостоятельно подключена к источнику питания. Вещество разрушенной пробки, находящееся выше электронагревателя, поддерживают в расплавленном состоянии дополнительным прогревом закороченными жилами кабеля. Электронагреватель и закороченные жилы кабеля могут работать как раздельно, так и совместно. Этот способ обеспечивает возможность ликвидации пробок большой протяженности.

Однако реализовать данный способ на существующей и серийно выпускаемой технике невозможно, поскольку значительно большая (в 7 раз) необходимая для этого величина тока, проходящего по многожильному кабелю, вызывает, в первую очередь, быстрый (в течение 5-10 мин) недопустимый чрезмерный разогрев участка кабеля, намотанного на барабан лебедки подъемного средства, который приводит к разрушению изоляции токопроводящих жил и, как следствие, к короткому замыканию и выходу кабеля из строя.

Известно устройство для ликвидации гидратных и парафиновых пробок в скважинах [3], содержащее источник питания, образующий цепь питания, связанный с источником питания многожильный кабель, бронирующая металлическая оболочка которого соединена с металлическим корпусом электронагревателя, а жилы - с электродом, размещенным на изоляторах и нижний конец которого погружен в электролит, заливаемый в нижнюю часть корпуса электронагревателя.

Основным недостатком данного устройства является то, что основная часть греющей поверхности электронагревателя, приходящаяся на боковые стенки корпуса, не контактирует, а значит и не производит плавление твердой составляющей пробки, располагающейся под нижней торцевой частью корпуса. Другим серьезным недостатком устройства является то, что в процессе работы электронагревателя неиспарившаяся часть его электролита, располагающаяся в нижней части корпуса и являющаяся теплоносителем на данном участке, воздействует на твердое вещество пробки не непосредственно, а через металлическую стенку корпуса, обладающего определенным термическим сопротивлением, ограничивающим скорость передачи тепла. Выполнение же нижней части корпуса электронагревателя, контактирующей с твердой составляющей пробки, из материала теплопроводности большей, чем материал боковых стенок, как предлагается [4], не устраняет этот недостаток, хотя позволяет несколько интенсифицировать процесс плавления пробки за счет увеличения скорости передачи тепла и довести протяженность бесприхватного ее плавления до 110-120 м. Однако этого также недостаточно, чтобы ликвидировать пробку большой протяженности без аварийных прихватов кабеля.

Задачей, на решение которой направлен технический результат, является исключение аварийных прихватов кабеля при ликвидации пробок большой протяженности.

Поставленный технический результат достигается тем, что по объекту-способу для ликвидации гидратных и парафиногидратных пробок в скважинах, включающему спуск в скважину до верхней границы пробки электронагревателя на подключенном к источнику тока многожильном кабеле, бронирующая металлическая оболочка которого соединена с металлическим корпусом электронагревателя, перевод материала пробки в расплавленное состояние включением электронагревателя и продвижение его по мере плавления материала пробки, особенностью является то, что используют электронагреватель, нижний торец электрода которого контактирует со скважинной электропроводящей жидкостью, расположенной непосредственно над верхней частью пробки, которую используют в качестве электролита, при этом приемлемую величину рабочего тока при изменении удельного сопротивления скважинной электропроводящей жидкости обеспечивают путем изменения либо конструктивного параметра электронагревателя, либо напряжения, подаваемого на электрод, а по объекту-устройству для ликвидации гидратных и парафиногидратных пробок, содержащему источник питания, образующий цепь питания, связанный с источником питания многожильный кабель, бронирующая металлическая оболочка которого соединена с металлическим корпусом электронагревателя, а жилы - с электродом, и изолятор, особенностью является то, что электронагреватель выполнен с возможностью контактирования нижнего торца электрода со скважинной электропроводящей жидкостью, расположенной непосредственно над верхней частью пробки, а весь внутренний объем электронагревателя, находящийся ниже верхнего торца нижнего изолятора электрода, занимает тело нижнего изолятора, при этом нижний торец электрода электронагревателя помещен внутрь тела нижнего изолятора и сообщен с наружным пространством под электронагревателем каналами, выполненными соосно в теле нижнего изолятора и в нижней части металлического корпуса, и величина диаметра которых определена из соотношения, а в цепь питания электронагревателя включено токорегулирующее устройство.

На чертеже дана схема электронагревательного устройства для реализации способа.

Электронагревательное устройство содержит установленный на поверхности источник питания 1, подключенный к нему фазный провод 2, выключатель 3, токорегулирующее устройство 4 многожильный кабель, бронирующая металлическая оболочка 5 которого с нижней стороны соединена с металлическим корпусом 6 электронагревателя, а с верхней - с нулевым проводом 7 источника питания. Жилы 8 кабеля закорочены как со стороны источника питания, так и со стороны электронагревателя и подсоединены к верхней торцевой части 10 его электрода 11, нижний торец 12 которого помещен внутрь тела нижнего изолятора 13, занимающего весь внутренний объем электронагревателя ниже верхнего торца нижнего изолятора и загерметизирован от верхнего торца 10 уплотнениями 14. Нижний торец электрода 12 сообщен с наружным пространством под нагревателем 15 каналами А и Б, выполненными соосно в теле нижнего изолятора 13 и нижней части металлического корпуса 6.

Электрическая связь электрода 11 с корпусом 6 при работе обеспечивается наличием в каналах А скважинной электропроводящей жидкости, заполняющей их при спуске нагревателя в скважину.

Выполнение тела нижнего изолятора занимающим всю нижнюю часть внутреннего пространства электронагревателя позволяет исключить нахождение электропроводящей скважинной жидкости внутри корпуса. Это, в свою очередь, исключает парообразовательный процесс в его внутреннем пространстве и, как следствие, исключает нагревание паром боковых стенок корпуса, не производящих плавление пробки. Кроме того, такое выполнение нижнего изолятора позволяет герметично от внутреннего пространства электронагревателя разместить в нем нижний торец электрода, а также выполнить в нем каналы А, в которых происходит преобразование электрической энергии в тепловую энергию скважинной электропроводящей жидкости, и которые соединяют нижний торец электрода через каналы Б в нижней металлической части корпуса с наружным пространством под электронагревателем, обеспечивая возможность выхода нагретой скважинной жидкости и пара непосредственно на верхнюю часть пробки. Таким образом, выполнение тела нижнего изолятора занимающим весь внутренний объем электронагревателя, находящийся ниже верхнего торца нижнего изолятора, позволяет, во-первых, термоизолировать боковую часть поверхности корпуса, не участвующей в плавлении твердой составляющей пробки, от ее нижней части, осуществляющей непосредственное плавление и, во-вторых, исключить отрицательное влияние термического сопротивления материала стенок корпуса на скорость передачи тепла от теплоносителя на твердую составляющую вещества пробки. В результате устраняются недостатки известного устройства и существенным образом (в 4-5 раз) увеличивается скорость плавления пробки.

Размеры каналов А, выполненных в теле нижнего изолятора электрода, определяются, исходя из следующих соображений. Рабочий ток, протекающий по многожильному кабелю, не должен быть больше некоторого допустимого значения J_g, превышение которого, как указывалось выше, приводит к чрезмерному нагреванию участка кабеля, намотанного на барабан лебедки подъемного средства, разрушению изоляции токопроводящих жил и, как следствие, к короткому замыканию и выходу кабеля из строя. Так, для семижильного кабеля марки КГ 7-70-180 величина допускаемого рабочего тока составляет 18-20 А.

Рассматривая участок электрической цепи между нижним торцом электрода 12 и нижней частью корпуса 6 нагревателя, на основании правил Кирхгофа [5] и учитывая, что металлический корпус электронагревателя, соединенный металлической бронирующей оболочкой 5 с нулевым проводом 7 источника питания 1, имеет нулевой потенциал, можно получить

U=U_k,

где U - напряжение на электроде нагревателя, В;

U_k - падение напряжения в каналах изолятора В.

На основании закона Ома, имеем

U_k=J_gR,

где R - суммарное сопротивление скважинной электропроводящей жидкости в каналах изолятора, Oм.

Для растворов электролитов, каковой является скважинная электропроводящая жидкость, также как и для металлических проводников, справедлива известная в электротехнике зависимость



где R₁ - сопротивление одного канала, Oм;

- удельное сопротивление скважинной электропроводящей жидкости, Oмм;

l - длина канала, м;

S - площадь поперечного сечения канала, м.

Каналы, как правило, выполняются одинаковых размеров. Тогда для n-го количества каналов их суммарное сопротивление при параллельном (как в нашем случае) соединении будет равно



С учетом формул (1) и (2), выражая площадь поперечного сечения канала через его диаметр d, окончательно получим



Задаваясь, к примеру, значениями J_g= 20 А, =0,1 Oмм, l=10 мм, n = 7, U = 220 В, из формулы (5) будем иметь значение диаметра каналов, которые необходимо выполнить в теле нижнего изолятора, равное 2 мм.

Скважинной электропроводящей жидкостью, как правило, является либо пластовая вода, которая всегда присутствует в том или ином количестве в добываемой из пласта нефти и которая скапливается вследствие гравитационного расслоения, как наиболее тяжелая фаза, в виде водяного столба над пробкой, либо солевой раствор, закачиваемый в трубы для глушения скважин при проведении капитального ремонта и невымытый из труб при выводе скважины на рабочий режим после его окончания.

Электропроводность пластовой воды обусловлена ее минерализацией, в большинстве случаев, солями натрия, кальция, магния и может изменяться как по пластам, так и по скважинам, от единиц до нескольких сот граммов на литр. При изменении минерализации пластовой воды изменяется и ее удельное сопротивление. Диапазон этого изменени лежит в пределах от 0,02 до 0,2 Омм. Чем выше минерализация, тем оно ниже и наоборот [6].

Изменение удельного сопротивления приводит к изменению электрического тока, протекающего в цепи питания. Для оценки этого изменения выразим из формулы (5) величину тока J, значение которого не должно превышать допускаемой величины. Математически это запишется так



где B= конструктивный параметр электронагревателя.

Из формулы (6) видно, что обеспечение приемлемой величины рабочего тока при изменении удельного сопротивления скважинной электропроводящей жидкости можно производить путем изменения соответствующим образом либо конструктивного параметра (подбором размеров каналов и их количества), либо напряжения, подаваемого на электрод.

Изменение конструктивного параметра электронагревателя целесообразно производить на стадии планирования операции по растеплению той или иной скважины, когда оценивается степень минерализации скважинной жидкости, находящейся в ней. Это достигается путем подбора и установки в нижнюю часть корпуса электронагревателя нижнего изолятора, имеющего требуемый конструктивный параметр В. Осуществлять регулирование величины тока этим способом уже на стадии непосредственного растепления пробки неэффективно, т.к. для этого требуется выполнение дополнительных непроизводительных спускоподъемных операций по его извлечению из скважины. В этом случае регулирование величины рабочего тока необходимо производить путем изменения напряжения, подаваемого на электрод электронагревателя.

Поэтому предлагается для этого включение в питающую цепь токорегулирующего устройства (например, реостата).

Предложенный способ реализуют следующим образом.

Электронагреватель 6 на кабеле спускают в скважину 16 до верхней границы пробки 17 и включателем 3 подают напряжение от источника тока 1 через фазный провод 2, токорегулирующее устройство 4 и жилы 8 кабеля на электрод 11, нижний торец 12 которого контактирует со скважинной электропроводящей жидкостью, находящейся в каналах А нижнего изолятора. Электрический ток, проходя к металлическому корпусу 6 электронагревателя по этой электропроводящей жидкости, обладающей омическим сопротивлением, производит ее нагревание, и она, практически, мгновенно переходит в парообразное состояние. Расчет показывает, например, что при значениях рабочего тока, удельного сопротивления скважинной электропроводящей жидкости, количества и размеров каналов, указанных выше, время этого превращения в диапазоне температур от 0 до 100^oС и атмосферном давлении составляет 0,12 с. При этом электрическое сопротивление в каналах увеличивается, а ток в цепи падает. Поскольку занимаемый объем одной и той же массы воды при одинаковом давлении в парообразном состоянии значительно больше, чем в жидком, то пар, образовавшийся в каналах, расширяется и в форме горячей струи выбрасывается наружу, расплавляет при этом вещество пробки 17, нагревает и перемешивает жидкость 15 над ней. Пар в процессе своего расширения контактирует с более прохладной наружной жидкостью и быстро конденсируется. Каналы при этом вновь заполняются скважинной электропроводящей жидкостью, электрическое сопротивление в них уменьшается, ток увеличивается, и снова происходит быстрый разогрев и превращение в пар сконденсировавшейся и вновь поступившей в каналы А жидкости и т.д. Процесс быстро повторяется по вышеописанному порядку.

Выбрасываемые из каналов А струи пара, в свою очередь, оказывают на корпус электронагревателя силовое реактивное воздействие. Поэтому в процессе работы электронагреватель вибрирует, что также способствует перемешиванию горячей жидкости, находящейся над пробкой, и интенсифицирует процесс ее плавления.

Если веществом пробки является гидрат, то при плавлении он разлагается на исходные составляющие - газ и минерализованную воду (либо пластовая вода, либо солевой раствор). Если же в пробке присутствует еще и парафин (парафиногидратная пробка), то он плавится. Газ и расплавленный парафин легче воды и они поднимаются вверх. Поэтому над пробкой по мере ее плавления все время имеется электропроводящий слой жидкости 15, которая, заполняя каналы А изолятора 13, обеспечивает постоянную электрическую связь электрода 11 электронагревателя с его корпусом. Ввиду того, что корпус 6 электронагревателя имеет нулевой потенциал, то, практически, вся электрическая энергия, подаваемая по жилам 8 кабеля на электрод 11, расходуется на разогрев этого слоя жидкости. А так как большая часть поверхности данного нагревающегося слоя жидкости непосредственно контактирует с твердым веществом пробки 17 и горячая жидкость 15 при этом интенсивно перемешивается вибрирующим корпусом и струями горячего пара, выбрасываемыми из каналов А, то происходит более интенсивное ее плавление и скорость проходки увеличивается в 4-5 раз в сравнении с известным устройством [3]. При этом протяженность бесприхватного плавления увеличивается с 90-120 до 480-600 м и становится соизмеримой с протяженностью всей пробки. Таким образом, за один бесприхватный период ликвидируется вся пробка большой протяженности.

Предлагаемый способ позволяет также в 4-5 раз сократить время, затрачиваемое на ликвидацию пробки, и существенно снизить при этом как трудовые, так и материальные затраты.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР 1114782, кл.Е 21 В 43/24, 1984.

2. Авторское свидетельство СССР 122113, кл. Е 21 В 43/24, 1959.

3. Патент РФ 2003781, кл. Е 21 В 37/02, Е 21 В 43/24, 1991.

4. Авторское свидетельство СССР 1539310, кл. Е 21 В 43/24, 1987.

5. Зисман Г.А. и др. Курс общей физики. Т.2. М., изд-во "Наука", 1974, с. 97-104.

6. Сухоносов Г.Д. и др. Справочник по испытанию необсаженных скважин. М. , Недра, 1985, с. 119-120.