Спосіб теплової ізоляції колони насосно-компресорних труб і пристрій для його здійснення

Изобретение относится к нефтегазодобывающей пром-ти. Цель изобретения — повышение эффективности и надежности теплоизоляции при одновременном снижении материальных и энергетических затрат. Откачивают среду из кольцевого пространства, образованного внутренней и наружной коаксиально установленными колоннами труб, посредством вакуумного насоса. Закачивают теплоноситель в пласт или отбирают продукцию из пласта, периодически изменяют теплодинамические или гидродинамические параметры теплоносителя или отбираемой пробы.. Уст*ройство для реализации данного спосо ба содержит вакуумный насос, расположенный в нижней части кольцевого пространства, образованного внутренней 1 и наружной 2 колоннами труб. Колонна труб 1 жестко связана с двумя последовательно соединенными меж-1 ду собой плунжерами 4 и Ь. Колонна 2 соединена с последовательно соединенными между собой цилиндрами 5 и 7 с образованием рабочей камеры 12. Полость последней сообщается с кольцевым пространством и пространством для выкида откачиваемой среды посредством клапанов 9, 10. Клапан 9 расположен в плунжере 4, а клапан 10 — в канале 19 для выкида откачиваемой жидкости. Вследствие того,что откачка из системы осуществляется в нижней части, в первую очередь отводится жидкая фаза и тяжелые газообразные фракции, 2 с. 1 з.п. ф—лы. 8 ил. (Л оо со со 00 14-8 У 1 1389348 Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для повышения э ф фективности тепловой изоляции сква— $ жин. Целью изобретения является повышение эффективности и надежности т е п лоизоляции при одновременном снижении материальных и энергетических Ю затрат. Сущность способа тепловой и з о л я ции колонны насосно—компрессорных труб в скважине, включающего откачку среды из кольцевого пространства, об-15 разованного внутренней и наружной к о аксиально установленными колоннами труб, посредством вакуумного насоса и закачку теплоносителя в пласт или отбор из пласта продукции заключает- 20 ся в том, что при закачке теплоносителя в пласт или при отборе из п л а с та продукции периодически изменяют тєплодинамические и гидродинамические параметры теплоносителя или о т - 25 бираемой из пласта продукции. На фиг.І показана схема, иллюстрирующая пример конкретного осуществления способа создания системы ваку30 умной теплоизоляции для нагнетания теплоносителя в скважину (или для о т бора продукции из п л а с т а ) ; на фиг.2 — 5 представлены варианты исполнения нижней части системы с изменением местоположения клапанов рабочей каме*~35 ры; на фиг, 6, 7 и 8 представлены варианты исполнения нижней части у с т ройства с последовательно установленными дифференциальными насосами. Устройство для тепловой изоляции 40 ды из кольцевого межтрубного пространства 8. Плунжеры насоса 4 и 6 герметично и жестко соединены между собой и с внутренней колонной труб 1 посредством ствола 11 с внутренним сквозным каналом, а наружный ряд труб жестко соединен с двумя последовательно с о е диненными цилиндрами 5 и 7 с образованием замкнутой кольцевой рабочей камеры 12, изменяющей свой объем при перемещении плунжеров 4 и 6 в цилиндрах 5 и 7 . Отвод газожидкостной с р е ды из межтрубного пространства 8 осуществляется через отверстия в полом верхнем плунжере 4 и через клапан 9 в рабочую камеру 12 и в зависимости от места установки клапана 10 — в затрубное l j или внутритрубное прост*" ранство, В представленном на фиг.1 варианте исполнения нижней части устройства • вакуумного насоса диаметр верх* ней сопрягаемой пары плунжер-цилиндр 4,5 больше диаметра нижней сопрягаемой пары плунжер-цилиндр 6 , 7 , но меньше внутреннего диаметра наружной колонны труб 2, Клапан 10 установлен между цилиндрами 5,7 и обеспечивает переток среды из рабочей камеры 12 в затрубное пространство при ходе плунжеров 4,6 в н и з . На фиг, 2 представлен вариант и с полнения нижней части устройства вакуумного насоса с установкой на стволе 11 клапана 10, сообщающего рабочую (кольцевую замкнутую) камеру 12 вакуумного насоса с внутритрубным пространством системы при ходе плунжеров 4 и 6 вниз (или при ходе циКОЛОННЫ НаСОСНО-"КОМПреССОрНЫХ Труб линдров 5 и 7 в в е р х ) . Диаметр верхвключает (см,фиг.1) внутреннюю колонней сопрягаемой пары плунжер—цилиндр ну труб 1, наружную колонну труб 2, 4,5 меньше внутреннего диаметра н а центраторы 3 , размещенные на одной из колонн и обеспечивающие их насос- 45 ружной колонны труб 2 и больше диаметра нижней сопрягаемой пары плунное (коаксиальное) расположение. Кожер—цилиндр 6 , 7 . лонны 1 и 2 жестко и герметично с о е динены в верхней части на устье скваНа фиг.З представлен вариант и с жины, а на нижней части их установполнения нижней части устройства лен насос, состоящий из двух п о с л е д е 50 вакуумного насоса с установкой между вательно соединенных пар цилиндрцилиндрами 5 к 7 клапана 10, сообщаюплунжер 5,4 и 7, 6, обеспечивающих щего рабочую (кольцевую замкнутую) герметизацию межтрубного пространсткамеру 12 вакуумного насоса с затрубва 8 и продольное возвратно-поступаным пространством системы при ходе тельное движение колони труб 1 и 2 4 ;5 плунжеров 4 и 6 вверх (или при ходе Верхний плунжер 4 и ступень цилиндцилиндров Ь п I вниз относительно ра 5 снабжены клапанами 9 и 10,обесплунжеров 4 и ь)Ф Диаметр верхней печивающими отвод газожидкостной е р е сопрягаемой лары плунжер-~цилиндр 4 389348 и 5 меньше диаметра нижней сопрягаемой пары плунжер—цилиндр 6 , 7 . На фиг, 4 представлен вариант и с полнения нижней части устройства вакуумного насоса с установкой между плунжерами 4 и Ь клапана 10, сообщающего рабочую камеру 12 вакуумного насоса с внутритрубным пространст*вом системы при ходе плунжеров 4 и 10 6 вверх (или при ходе цилиндров 5,7 в н и з ) . Диаметр верхней сопрягаемой пары плунжер—цилиндр 4-5 меньше дна-1 метра нижней сопрягаемой пары плунже р-цнлиндр 6 , 7 , На фиг.5 представлен вариант и с полнения нижней части устройства — вакуумного насоса с установкой между цилиндрами 5 и 7 клапана 9, сообщающего рабочую камеру 12 вакуумного 20 насоса с межтрубным пространством 8 по каналу между верхним цилиндром 5 и корпусом, соединяющим цилиндр 7 с наружной колонной труб 2. На фиг,6 представлен вариант с 25 последовательно установленными вакуумными насосами. Внутренняя колонна труб 1 жестко и герметично посредством стволов соединена с плунжерами 4, 6, 14, а наружная колонна труб 2 30 жестко и герметично соединена с цилиндрами 5, 7, 15 с образованием р а бочих камер 12 и 16, изменяющих свои объемы при перемещении плунжеров 4, 6, 14 в цилиндрах 5, 7, 15. Между цилиндрами 5, 7 и 7, 15 и в плунжерах 35 4, 14 установлены клапаны 9, 10, 17, 18. Отвод жидкости и газа из межтруб— ното пространства 8 осуществляется через полый плунжер 4, клапан 9, к а 40 меру 12, клапан 10, канал 19, к л а пан 17, рабочую камеру 16, клапан 18 в затрубное или внутритрубное пространство (в зависимости от места у с т а новки клапана 1 8 ) . Внутренний диаметр сопрягаемой пары цилиндр—плун- 45 жер 5 , 4 меньше внутреннего диаметра наружной колонны труб 2 и больше диаметра сопрягаемой лары цилиндрплунжер 7 , 6 , а диаметр пары 15,14 больше диаметра пары 7,6, На фиг. 7 и 8 представлены варианты, аналогичные варианту 6, от— личающиеся тем, что диаметр сопрягаемой пары цилиндр-плунжер 15,14 меньше диаметра пары 7,6» Для сокращения теплопотерь от внутренней колонны труб 1 за счет теплового излучения одна из колонн 55 труб (внутренняя 1 или наружная 2) или обе могут быть выполнены с отражающими покрытиями, например, а л ь фольевыми, а в межтрубном пространстве 8 может быть размещен на одной из колонн труб теплоизоляционный материал, например, из чередующихся слоев базальтового холста и алюминиевой фольги. С целью предупреждения воздействия высоких температур и повреждения скважины, направления потока теплоносителя в разрабатываемый объект, затрубное пространство скважины между наружной колонной труб 2 и эксплуатационной колонной может перекрываться пакером (над или под насосом парами цилиндр-плунжер), а для предотвращения утечек вверх в надпакерную зону и воспламенения — заполняться инертным газом под давлением (например, азотом). Для уменьшения теплопотерь и т р е ния центраторы 3 могут быть изготовлены из антифрикционного материала с низкими коэффициентами теплопроводности и теплового расширения. Это исключит наличие тепловых мостов, заеданий, которые могут возникнуть при взаимном перемещении колонн труб. Устройство ( ф и г , ! ) монтируется в следующей последовательности. Дифференциальный цилиндр 5 , 7 . с клапаном 10 спускается на наружной колонне труб 2, затем спускается дифференциальный плунжер 4,6 со стволом 11 и клапаном 9 на внутренней колонне труб 1 с центраторами 3, Способ осуществляется следующим образом. По внутренней (нагнетательной) колонне труб 1 нагнетают теплоноситель в скважину (или отбирают из пласт-а продукцию). Нагнетательная система, скважина и горные породы нагреваются,- В результате температурной деформации колонны труб 1 и 2 удлиняются, В соответствии с законом теплообмена нагнетательной системы со скважиной и горными породами температура внутренней (нагнетательной) колонны труб 1 будет выше температуры наружной колонны труб 2, поэтому удлинение внутренней колонны труб 1 будет больше наружной колонны труб 2. Вследствие жесткого соединения колонн труб 1 и 2 в верхней части (на устье скважины) температурная де 1J89J48 формация их относительно друг друга ется и температура. Регулирование обеспечивается двумя последовательдавления пара может быть осуществлено соединенными парами цилиндр-плунно запорной или регулирующей арматужер 4, 5 и 6, 7 (дифференциальным рой , установленнойt например, на насосом), установленными в нижней устье скважины. части колонн труб 1 и 2. Герметично Для капельного теплоносителя и жестко соединенные между собой и (например, горячей или перегретой с внутренней колонной труб 1 посредводы) изменение температуры в скважиством ствола 11 плунжеры 4 и 6 пере— 10 не может быть достигнуто путем регумещаются вниз относительно цилиндлирования температуры теплоносителя, ров 5 и 7, объем кольцевой замкнутой вырабатываемого непосредственно прокамеры 12 уменьшается, клапаны 9 и мысловым источником - парогенерато10 закрыты. Газожидкостная система, ром или водогрейной установкой, или находящаяся в кольцевой замкнутой путем регулирования расхода закачикамере 12, сжимается, давление ее ваемого теплоносителя запорной или возрастает. При превышении давления регулирующей арматурой, установленгазожидкостной системы в камере 12 ной на устье скважины. давления в скважине 13, клапан 10 Для эксплуатационной добывающей открывается и газожидкостная система скважины термодинамические параметры из камеры 12 стравливается (вытесня- 20 (температура) регулируются путем изется) в затрубное пространство 13. В менения гидродинамических.параметконце хода плунжера 4 и 6 вниз кларов, т.е. путем изменения расхода отпан 10 закрывается. бираемой продукции запорной или регуЗатем изменяют, например снижают, 25 лирующей арматурой, установленной на устье скважины. термодинамические или гидродинамические параметры закачиваемого теплоноВо всех случаях термодинамическосителя или отбираемой продукции. В го или гидродинамического (расход) соответствии с законом теплообмена изменения параметров потока достигасистемы со скважиной и горными поро30 ется регулирование термодинамическодами температура внутренней (нагнеrb параметра рабочего агента (тептательной) колонны труб 1 снижается лоносителя или отбираемой продукна большую величину, чем наружной ции) - температуры, а значит и темколонны труб 2, поэтому внутренняя пературы внутренней колонны труб и, колонна труб I сокращается на сущесткак следствие, изменение ее длины венно большую величину, чем наружная 35 в результате температурной деформаколонна труб 2. Плунжеры 4 и 6 перет ции, при этом температурной деформещаются вверх относительно цилиндмацией наружной колонны принебрега— ров 5 и 7, клапаны 9 и 10 закрыты. ют вследствие ее незначительности. Объем кольцевой замкнутой камеры 12 Регулирование температуры потока увеличивается^ давление гаэожидкост— 40 теплоносителя или продукции скважины ной системы в ней снижается и при позволяет осуществлять вакуумирова— его снижении до давления в кольцевом ние нагнетательной системы. межтрубном пространстве 8 клапан 9 Регулирование (периодичность измеоткрывается и газожидкостная система нения температуры теплоносителя или из кольцевого межтрубного простран- 45 отбираемой продукции) может быть усства 8 поступает в камеру 12, В контановлено расчетным или опытным путем це хода плунжеров 4 и 6 вверх клапан и определяется необходимой глубиной 9 закрывается. вакуумирования межтрубного пространДалее циклы работы повторяются. ства системы, спецификой условий Термодинамические параметры зака- 50 применения. чиваемого в скважины теплоносителя Например, для условий закачки (например, влажного водяного пара) влажного пара температура теплоносимогут быть изменены путем регулиротеля на устье скважины может измевания (изменения) давления теплоняться от 336,63 до 99,63°С при сни-' носителя на устье скважины. Так как 55 жении давления от 14,0 до 0,1 МПа для влажного водяного пара темпера(периодическая отсечка подачи пара). тура однозначно определяется давлеЕсли для оценочных расчетов принято, нием, то со снижением давления снижачто температура внутренней (нагнета I 1389348 тельной) колоннії труб с о о т в е т с т в у средняя температура внутренней колонет температуре пара, а наружной к о ны труб в процессе реализации спосолонны /-/90°С постоянно в процессе ба может меняться от г* 65°С при отработы и не изменяется при изменении с боре продукции до 40°С при снижении температуры закачиваемого пара, то дебита скважины или до -23°С при осотносительное перемещение низа в н у т тановке скважины. Время изменения ренней (нагнетательной) и наружной температуры (снижения) составит соколонн составит ^/3,45 м при их длиответственно ^20 и 60 мин и более. не 1000 м, 10 Средняя температура наружной коПериодичность регулирования темпе» лонны труб для всех случаев будет ратуры может составлять от 10 мин до практически одинакова (23*С). При часов. длине колонн труб системы 1000 м Глубина вакуумирования межтрубно— изменение средней температуры внутго пространства зависит от длины хо-* 15 ренней колонны обеспечит длину хода да плунжера т величины мертвого простплунжера на 0,29 м и 0,48 м соответ" ранства дифференциального насоса, ственно. давления в скважине и утечек в меж— Пе риодичность регулирования темтрубное пространство. пературы определяется в основном При величине мертвого пространст— 20 герметичностью системы, утечками в пава S и = 0,05 м, длине хода плунжера рах цилиндр—плунжер и может соста3,45 м, давлении скважинной среды вить от 30 мин и более. на уровне насоса 10,0 МПа в межтруб— Система (фиг*I — 8) может быть ном пространстве абсолютное давление собрана на базе насосно—компрессорбудет 0,076 МПа (0,76 а т а ) . 25 ных труб и полых штанг 114/73; 60,3; Последовательная .'_ установка диф48; 42, 102/63,3; 48; 42, 89/48; 42; ференциальных насосов в нижней ч а с 73/48; 42 со следующими соотношенияти системы позволяет увеличить г л у ми герметизирующих пар цилиндр—плунбину 'вакуумирования межтрубного жер (например, аналогичных базе станпространства 8 Р а значит существен— 30 дартных скважинных штанговых насосов) но повысить термическое сопротивле93/70; 57; 44; 38; 33; 29, 70/57; ние теплопередачи (снизить коэффици44| 38; 33; 29, 57/44; 38; 33; 29, ент теплопередачи)* Для рассмотрена 44/38; 33; 29, 38/33; 29, 33/29. ных условий ( 0 М ~ 0 9 0 5 , S - 3,45 м 8 Способ может быть реализован и Р с = 100 а т ) давление в межтрубном « при непрерывной закачке теплоносипространстве в зависимости от колителя или при непрерывном отборе прочества насосов равно (МПа): дукции. При этом вакуумирование может быть обеспечено путем изменения 0,755 1 температуры наружной колонны труб 2 0,00037 периодической подкачкой теплоносите40 0,00000431 . 3 ля или отбором продукции по затруб4 0,000000032 ному пространству, так как изменение температуры наружного ряда труб Таким образом, последовательной вызывает изменение ее длины в реустановкой нескольких дифференциальзультате температурной деформации, ных насосов в системе можно добитьпри этом температурной деформацией ся глубокого вакуума в межтрубном внутренней колонны принебрегают пространстве. Для условий отбора продукции тем*". вследствие ее незначительности. пература на входе в систему в скважиПеред осуществлением способа моне может меняться от 80 до 50 С на жет быть осуществлено предварительвыходе из системы на устье. После изное вытеснение жидкости из межтрубменения режима отбора, снижения дебиного пространства газом путем его та скважины запорной или регулируюподачи в межтрубное пространство щей арматурой на устье температура (например, инертным газом) и послегазожидкостного потока понизится до дующей его выпуск из межтрубного 60 и 25 С соответственно на входе и S пространства. S выходе из системы или примет темпеТаким образом, за счет изменения ратуру окружающих горных пород после термодинамических или гидродинамичесостановки скважины. Таким образом ких параметров закачиваемого в сква— 1389348 О и гидродинамические параметры теплоносителя или отбираемой из пласта продукции. 2. Устройство для тепловой изоляции колонны насосно—компрессорных труб в скважине, включающее коакси— ально расположенные внутреннюю и н а ружную колонны труб с центраторами на одной из них, образующие кольцевое пространство, и вакуумный насос, содержащий цилиндры с плунжерами и клапанами, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения эффективности и надежности теплоизоляции при одновременном снижении материальных и энергетических з а т р а т , вакуумный насос расположен в нижней части кольцевого пространства, причем внутренняя колонна труб жестко связана с двумя последовательно соединенными между собой плунжерами, а наружная колонна труб жестко связана с двумя последовательно соединенными между собой цилиндрами с образованием р а бочей камеры, полость которой сообщается с кольцевым пространством и пространством для выкида откачиваем мой среды посредством клапанов f i один Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я 30 из которых расположен в верхнем плунжере, а другой — в канале для выки— 1, Способ тепловой изоляции колонда откачиваемой среды, ны насосно-компрессорных труб в с к в а жине, включающий откачку среды иэ 3, Устройство по п . 2 , о т л и кольцевого пространства, образованноч а ю щ е е с я тем, что, вакуумго внутренней и наружной коаксиально 35 ный насос выполнен многоступенчатым, установленными колоннами труб посредпри этом внутренняя колонна труб ством вакуумного насоса и закачку жестко связана с последовательно соетеплоносителя в пласт или отбор из динёнными плунжерами, наружная к о пласта продукции, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повыше- 40 лонна труб жестко связана с последовательно соединенными цилиндрами с ния эффективности и надежности теплообразованием сообщающихся между с о изоляции при одновременном снижении бой посредством клапанов рабочих материальных и энергетических з а т р а т , камер, полость последней из которых при закачке теплоносителя в пласт или при отборе из пласта продукции перио— дд соединена посредством клапана с в ь г кидом для откачиваемой среды. дически изменяют термодинамические ЖИИу ПО СИСТеме теПЛОНОСИТелЯ ИЛИ ОТ" бираемой из пласта продукции и, как следствие, температурной деформации колонн труб обеспечивается возврат-" ,но—поступательное перемещение наружной и внутренней (нагнетательной) колонн труб 1 и 2 относительно друг друга и работа вакуумного насоса, а значит и откачка гаэожидкостной 10 среды из кольцевого межтрубного п р о странства 8 насосом, установленным в нижней части системы вакуумной изоляции, и достигается необходимая глубина вакуумирования кольцевого 15 межтрубного пространства. Вследствие того, что откачка из системы осуществляется в нижней ч а с ти, а первую очередь отводится жидкая фаза и тяжелые газообразные фрак- 20 ции, которые существенно увеличивают эффективный коэффициент теплопроводности среды, находящейся в межтрубном пространстве. Это обеспечивает высокую эффективность и надеж*- 25 ность вакуумирования, а значит и т е п лоизоляции. 389348 -4 •9 •5 I -5 40 •н 9. il 10 6 41 7 6 Фиг.і Фиг. 3 • 9 4 40 І й АО -7 "6 Фиг-it -И 1 -7 389348 -10 -6 -7 19 17 18 /54 ISИ* 15 —18 /5 Фиг.7 Фиг.6 //7 41 41 -/7 /5 15 Редактор Г.Мозжечкова Заказ 238/ДСІІ Составитель В.Борискина Техред А.Кравчук Тираж 410 В И П Государственного комитета СССР НИИ по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д . Корректор А.Тяско Подписное Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, U