СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И ЛИКВИДАЦИИ ПАРАФИНОВЫХ ПРОБОК В НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИНАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК E21B37/00 E21B36/04 

Изобретение относится к области нефтяной промышленности и может быть использовано для оборудования нефтегазодобывающих скважин и поддержания в них теплового режима в целях предотвращения образования и ликвидации парафиновых пробок.

Известно устройство для поддержания теплового режима скважины на уровне предупреждения в ней парафиногидратообразования, содержащее геофизический кабель с сердечником из семи многопроволочных токопроводящих жил, подушку под броню в виде обмотки из полиэтилентерефталатной ленты, броню из стальных круглых проволок, подключенный к трехфазному источнику питания [1].

Недостаток известного устройства - низкий уровень выделяемой электрической мощности, недостаточной для предупреждения образования отложений парафина, особенно в случаях высокого содержания парафиновых фракций в нефти (более 10%).

Известно устройство для нагрева скважин и способ поддержания ее теплового режима [2], содержащее нагреватель в виде металлического цилиндра и электроподводящей шины, связанных между собой. Параметры нагревателя, всех сечений и площадей нагревателя и нагреваемого объекта взаимосвязаны. Регулирование теплового режима осуществляют сравнением температур нагреваемой в скважине жидкости и плавления температуры. Устанавливают значение рабочего тока, необходимого для предотвращения осаждения парафина на стенках скважины, прототип.

Известен способ поддержания теплового режима в скважине, включающий введение в нее нагревающей металлической поверхности и токопроводящей шины, пропускание через них электрического тока и управление подаваемой электрической мощностью до установления заданного теплового режима в скважинных трубах [2] - прототип.

Недостаток прототипов - не использование всех возможностей теплового нагрева в скважинах для обеспечения получения максимального дебита нефти при минимальном расходе электроэнергии.

Технической задачей изобретения является оптимизация технологического процесса предотвращения образования парафина в нефтегазовой скважине и оптимизация конструктивного выполнения устройства для снижения ее себестоимости и обеспечения безопасности работ.

Достижение технической задачи осуществляется с помощью созданного способа предотвращения образования и ликвидации парафиновых пробок в нефтегазовых скважинах, включающего опускание линейного нагревательного кабеля, его нагрев и регулирование температуры, при этом проводят предварительную тренировку кабеля с целью адаптации его к условиям работы в скважине, опускают его с барабанной лебедки, имеющей тормоз, как минимум через один направляющий ролик, закрепляют кабель у устья скважины специальными устройствами, герметизируют устье скважины с кабелем с помощью сальникового уплотнения или какого-либо аналогичного устройства, регулируют режим нагрева кабеля таким образом, чтобы температура по всей длине поверхности кабеля в скважине не менее одного часа в сутки была бы на 5-30% выше температуры плавления парафина, причем температура выходящего потока продукта из скважины была не менее чем на 15^oC выше минимальной температуры выходящего потока продукта без подогрева, и контролируют режим работы скважины по дебиту и по температуре выходящего потока продукта.

Согласно изобретению проведение предварительной тренировки для адаптации кабеля начинают с того, что опускают его в скважину на максимально возможную глубину и выдерживают его в течение времени от 1 часа до 5 суток, достаточном для полного его естественного вытягивания, нагревают до оптимальной рабочей температуры и выдерживают в нагретом состоянии в от 1 до 3 часов, после чего извлекают кабель из скважины и замыкают жилу с нагревательным элементом с естественного удлинения его отдельных элементов от веса и от различных коэффициентов температурного линейного расширения медной жилы и стальной брони кабеля.

При этом закрепляют кабель у устья скважины или хомутами, или конусными уплотнителями, или концевой петлей, для чего устанавливают в 4-7 метрах от оси скважины крепежное приспособление с натяжным роликом, расположенным в одной плоскости с направляющим роликом.

Достижение технической задачи осуществляется также установкой для предотвращения образования и ликвидации парафиновых пробок в нефтяных и газовых скважинах, которая включает нагревательный кабель, спускаемый в скважину, и систему управления нагревом кабеля, причем нагревательный кабель содержит не менее одной токоподводящей жилы и как минимум один линейный нагревательный элемент, причем отношение сопротивления нагревательного элемента R_н к сопротивлению токоподводящей жилы R_ж выбирают в пределах
1,9 < R_н/R_ж<8,0,
узел с направляющим роликом жестко закреплен на устьевом оборудовании скважины таким образом, что условная касательная, проходящая в полукруглой выемке направляющего ролика на расстоянии, равном радиусу нагревательного кабеля от самой глубокой части выемки, практически совпадает с осью скважины, а натяжной ролик для кабеля установлен на расстоянии L от устья скважины, выбираемом в пределах 1-10 м так, что продольные щеки направляющего и натяжного роликов располагаются в одной плоскости, причем нагревательный кабель электрически соединен с автоматизированным регулятором нагрева кабеля через силовой кабель.

Согласно изобретению в качестве нагревательного элемента могут быть выбраны многожильные стальные кабели, количество N которых определяют в пределах 1 < N < 10 и располагают вокруг изоляции токоподводящей жилы.

Причем нагревательный кабель содержит жилу, броню и изоляцию, выполненные таким образом, что газы и жидкость, содержащиеся в нефтегазовой скважине, не могут их расслоить и проникнуть внутрь кабеля по его длине более чем на 3 м.

Кроме того, жила и броня конца нагревательного кабеля, спускаемого в скважину, соединяются жестко относительно друг друга и место соединения изолируют, например, термоусадочной муфтой, или втулкой, или другим изоляционным материалом.

Согласно изобретению узел с направляющим роликом крепится либо к верхнему фланцу фонтанной арматуры, либо к верхней части ее с опорой на среднюю часть арматуры, причем расстояние между верхней частью уплотнительного сальника и горизонтальной плоскостью, проходящей через ось направляющего ролика, составляло не менее 1 м.

При этом автоматизированный регулятор нагрева кабеля содержит специализированную микроЭВМ с программным управлением выполнения режимных операций при ручном выборе временного и температурного диапазона работы, и паузы, и реле перевода в автоматическое их выполнение в диапазоне установленного временного интервала.

Для лучшего понимания в дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами на которых изображены:
фиг. 1 - общая схема размещения установки и осуществления способа предотвращения образования и ликвидации парафиновых пробок на нефтяной скважине:
фиг. 2 - схема крепления зажимом кабеля на тормозном валике;
фиг. 3 - сечения принципиальных конструктивных решений создания линейных нагревательных элементов, где а) с одной нагревательной и несущей броней; б) с двумя нагревательными и несущими элементами; в) с тремя элементами, г) с четырьмя элементами: д) с нагревательным элементом в виде цилиндра вокруг изоляции токоподводящей жилы; е) нагревательный элемент - металлическая труба, например нефтекомпрессорная труба (НКТ);
фиг. 4 - узел с направляющим роликом и конструктивные решения его крепления на фонтанной арматуре;
фиг. 5 - узел с натяжным роликом и вариант решения его крепления;
фиг. 6 - электрическая схема автоматизированного регулятора нагрева кабеля;
фиг. 7 изображает кабельный электрозамыкающий наконечник.

На бетонной площадке (фиг. 1) располагается устьевое оборудование 1, к верхнему, горизонтально расположенному фланцу 2 крепится узел 3 с направляющим роликом 4 (фиг. 4), через который в скважину опускается нагревательный кабель 5, предварительно он проходит через натяжной ролик 6, размещенный на крепежном приспособлении 7, которое вмуровано в бетонном фундаменте (фиг. 5), и сальниковое уплотнение 8. На крепежном приспособлении 7 установлен тормозной валик 9, к которому с помощью зажимов 10 жестко крепится кабель 5, а его конец крепится в соединительной электрической коробке 11 взрывобезопасного исполнения, где с другой стороны подводят и крепят силовой кабель 12, причем второй конец силового кабеля 12 вводят в автоматизированный регулятор нагрева 13, установленного и закрепленного на опоре 14, к которой подводится силовая линия 15 напряжением 380 В от подстанции (на фиг.1 не показана). Вся система при этом заземлена.

На фиг. 3 приведены сечения возможных конструктивных решений создания нагревательных элементов для решения вопроса депарафинизации нефтегазовых скважин. Так на фиг. 3-а показан разрез кабеля, где токоподающая жила 16 и один, расположенный параллельно, нагревательный элемент 17; на фиг. 3-б показан кабель, у которого два нагревательных элемента 17; на фиг. 3-в показан кабель с тремя нагревательными элементами 17; на фиг. 3-г - кабель, у которого четыре нагревательных элемента 17; на фиг. 3-д - кабель, у которого нагревательный элемент 17 имеет цилиндрическую форму и расположен вокруг изоляции токоподводящей жилы 16; на фиг. 3-е в качестве нагревательного элемента 17 могут быть использованы спущенные в скважину нефтекомпрессорные трубы.

Таким образом применяемый для депарафинизации нагревательный кабель 5 должен содержать не менее одной токоподводящей жилы 16 и, как минимум, один линейный нагревательный элемент 17, причем отношение сопротивления нагревательного элемента R_н к сопротивлению токоподводящей жилы R_ж выбирают в пределах
1,9 < R_н/R_ж < 8,0.

Узел 3 с направляющим роликом 4 жестко закреплен на устьевом оборудовании 1 таким образом, что условная касательная, проходящая в полукруглой выемке направляющего ролика 4 на расстоянии, равном радиусу нагревательного кабеля 5 от самой глубокой части выемки, практически совпадает с осью скважины, а натяжной ролик 6 для кабеля 5 установлен на расстоянии L от устья скважины, который выбран в пределах 1-10 м так, что продольные щеки направляющего 4 и натяжного 6 роликов располагаются в одной плоскости, причем нагревательный кабель электрически соединен с автоматизированным регулятором нагрева 13 кабеля через силовой кабель.

На фиг. 6 показана принципиальная схема автоматизированного регулятора нагрева 13 кабеля 5, который содержит автомат с тепловой защитой от короткого замыкания 18; магнитный пускатель 19; диодный мост 20; амперметр 21; вольтметр 22; предохранитель цепи 23 трансформатора 25; выключатель местного освещения 24; кнопки "пуск-стоп" 26; блок контактов 27; контакты 28 реле переключения автомат-ручной 37; катушка магнитного пускателя 29; реле (МКУ-48) 30; контакты 31 теплового реле 35; тумблер 32 переключения автомат-ручной; предохранитель 33 регулятора временного и температурного режима 38; термосопротивление 34 температурного датчика 39; шунт 36; реле переключения автомат-ручной 37; лампы освещения 40.

Кабельный электрозамыкающий наконечник 41 (фиг. 7) устанавливается на конце кабеля 5, который включает оболочку 42 из полиэтилена низкого давления, нагревательного элемента 17 из двух слоев навитой стальной проволоки, полиэтиленовой изоляции 43 токоподводящей жилы 16, на которую с усилием насажена резьбовая втулка 44 с надетым на нее и на стальную проволоку нагревательного элемента 17 металлическим стаканом 45, который приварен к стальной проволоке по всему периметру сварочным швом 46, а на резьбовую втулку 44 навинчена гайка 47. При этом наконечник 41 изолирован с помощью термоусадочной муфты 48.

Предлагаемый способ и установка для предотвращения образования парафиновых пробок в нефтегазовой скважине работают следующим образом.

Скважина, на которой предусматривается использование способа и установки, предотвращающих образование парафиновых пробок в НКТ, проходит соответствующую подготовку. Узел 3 с направляющим роликом 4 диаметром 500-600 мм жестко крепится на устьевом оборудовании 1 мм. На расстоянии 1-10 м от бетонной площадки устья скважины в шурф глубиной 1 м со сторонами 0,7 х 0,7 м устанавливается крепежное приспособление 7 с натяжным роликом 6 диаметром 500-600 мм таким образом, чтобы боковые щеки натяжного ролика 6 и направляющего ролика 4 были бы расположены в одной плоскости. Заливают бетоном шурф и после его затвердения образуется бетонный фундамент крепежного приспособления 7 с натяжным роликом 6 и тормозным валиком 9. Кроме того, на искробезопасном расстоянии от устьевого оборудования 1 устанавливается автоматизированный регулятор нагрева 13 (полное наименование: автоматизированный регулируемый источник электропитания - АРИЭ) на опоре 14, к которому подводится и электрически подсоединяется силовая линия 15 380 В, а от АРИЭ 13 к крепежному приспособлению 7 прокладывается силовой кабель 12, концы которого подключены с одной стороны к АРИЭ 13, а с другой стороны - к соединительной коробке 11.

Затем предварительно тренируют кабель 5, для чего опускают его в скважину на максимально возможную глубину и выдерживают его в течение времени от 1 часа до 5 суток, достаточном для полного его естественного вытягивания, после чего нагревают его до оптимальной рабочей температуры и выдерживают в нагретом состоянии от 1 до 3 часов, после чего извлекают кабель 5 из скважины и замыкают жилу 16 с нагревательным элементом 17 с учетом естественного удлинения его отдельных элементов от веса и от различных коэффициентов температурного линейного расширения медной жилы 16 и стальной брони 17 кабеля 5.

Причем для спуска кабеля 5 в скважину отключают подачу газа в пространство между трубами НКТ, если в скважине установлен ЭЦН - его отключают, промывают скважину паром или горячей водой на глубину спуска кабеля 5, проверяют чистоту скважины зондированием (спуск груза).

Перематывают кабель 5 с заводского барабана на барабан лебедки каротажной установки, надежно закрепив конец кабеля. Намотав кабель 5 на лебедку, на свободном конце кабеля, спускаемого в скважину, жилу 16 и нагревательный элемент 17 соединяют жестко, но подвижно относительно друг друга с помощью кабельного электрозамыкающего наконечника 41, которое включает цилиндрическую резьбовую втулку 44 с внутренним сквозным отверстием по центру. На втулку надевается металлический стакан 45, в донной части которого имеется отверстие под резьбовой диаметр втулки 44. С медной жилы 16 снимают наложенную на нее изоляцию длиной 50 мм, обрезая при этом нагревательную стальную броню 17 только 25 мм, изоляционная оболочка 42 от конца обрезанного нагревательного элемента 17 очищается на 30 мм. Сначала на медную жилу 16 надевается с усилием бронзовая резьбовая втулка 44, утолщенная ее часть уходит под нагревательный элемент 17, на втулку 44 надевается металлический стакан 45, который должен вплотную надеться на металлическую броню нагревательного элемента 17, при этом металлический стакан 45 приваривается к проволоке нагревательного элемента 17 по всему периметру кабеля 5. Перед сваркой на резьбовую втулку 44 навинчивается гайка 47, которая прижимает стакан к нагревательному элементу 17. На данное устройство надевается термоусадочная муфта 48 и дополнительно сверху обматывается изоляционным материалом. В нижней части термоусадочной муфты сверлится отверстие под диаметр токопроводяцей жилы 16.

Приведенный пример и размеры относятся к конструкции кабеля типа КНПБП-16.

Перед спуском кабеля 5 в скважину на верхний фланец 2 устьевого оборудования 1 устанавливают сальниковое уплотнение 8, ослабляя его таким образом, чтобы нагревательный кабель 5 свободно проходил через него.

Затем пропускают свободный конец нагревательного кабеля 5 под натяжной ролик 6 и через направляющий ролик 4 и сальниковое уплотнение 8 вручную проталкивают кабель 5 в скважину на глубину 15-20 м, далее кабель начинает опускаться в скважину под собственным весом, а потом метров через 50 спуск кабеля 5 осуществляют с притормаживанием. После спуска кабеля на всю длину устанавливают зажимы 10 над сальниковым уплотнением 8 и после того, как кабель повис на зажимах 10 над сальниковым уплотнением 8, кабель дополнительно крепят к тормозному валику 9, например, зажимами 10 (хомутами, стяжками, петлями) и затем затягивают сальниковое уплотнение 8. Освободив второй конец кабеля 5 от лебедки каротажной станции, подключают его электрически с силовому кабелю 12 через соединительную коробку 11 взрывобезопасного выполнения.

Подготовка к работе автоматизированного регулятора режима нагрева кабеля 5 в ручном режиме осуществляется в следующей последовательности: включают вводной автомат 18, а затем там же тумблер ручного управления и кнопку "П" 26.

Подготовка установки к работе в автоматизированном режиме осуществляется в следующей последовательности:
- отключается тумблер ручного управления:
- включается тумблер 32 автоматизированного управления.

После подготовки работы АРИЭ в ручном или автоматизированном режиме на электронном регуляторе 38 устанавливают выбранный режим нагрева кабеля 5 и временной режим цикличной работы (интервал времени работы и временная пауза между выключением и новым включением). Причем регулируют режим нагрева кабеля таким образом, чтобы температура по всей длине поверхности кабеля 5 в скважине не менее одного часа в сутки была бы на 5-160^oC выше температуры давления парафина, при этом температура выходящего потока продукта из скважины была не менее чем на 15^oC выше минимальной температуры выходящего потока продукта без подогрева, и контролируют режим работы скважины по дебиту и по температуре вышедшего из скважины продукта.

Устройство автоматизированного регулирования режима нагрева 13 кабеля (фиг. 6) обеспечивает управление временными и температурными параметрами работы кабеля 5 в скважине как в ручном, так и автоматизированном режимах.

Ручное управление режимом работы кабеля осуществляется по схеме, которая принципиально не отличается от широко известных и содержит: пульт управления, который включает
- магнитный пускатель 29 с контактами 19 и тепловым реле 35;
- диодный мост 20;
- приборы 21 и 22 для индикации режима работы нагревательного кабеля.

Дополнительно в описанную схему внесено реле 37 перевода работы устройства в автоматизированный режим и регулятор 38 временного и температурного режима нагрева кабеля.

Регулятор 38, содержащий специализированную микроЭВМ с программным управлением выполнения режимных операций, обеспечивает ручной выбор временного и температурного диапазонов работы и пауз, и автоматическое их выполнение в диапазоне установленного временного интервала. Устройство обеспечивает пределы измеряемых температур от 0 до 150^oC, а временные пределы от 1 минуты до 24 часов.

Принципиальные изменения, внесенные в схему, дают возможность работать в широких диапазонах временных и температурных режимах, которые позволяют решать основную задачу в нефтедобывающей скважине - исключить возможность образования парафиновых пробок, тем самым обеспечить непрерывную добычу с максимально возможным постоянным дебитом нефти из скважины.

Практическая полезность заявляемого изобретения подтверждена проведенными испытаниями установки. В результате которых скважина, ранее полностью закрывавшаяся парафином через 3,5 суток, проработала без остановки для очистки 90 дней с увеличением ежесуточного дебита в 1,5 раза.

Источники информации
1. Малышев А.Г. и др. Применение греющих кабелей для предупреждения парафиногидратообразования в нефтяных скважинах. "Нефтяное хозяйство". 1990, N 6, с, 58-60.

2. Патент РФ N 2029069, МПК 7 E 21 B 37/00, опубл.1995.

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано для оборудования нефтегазодобывающих скважин и поддержания в них теплового режима в целях предотвращения образования и ликвидации парафиновых пробок. Способ и устройство предотвращения образования и ликвидации парафиновых пробок в нефтегазовых скважинах основаны на использовании линейного нагревательного кабеля. Управляют температурным и временным режимом работы кабеля и различных деталей, обеспечивающих спуск кабеля, его крепление. Использование изобретения оптимизирует технологический процесс предотвращения образования парафина в нефтегазовой скважине. Конструктивное выполнение устройства снижает себестоимость и обеспечивает безопасность работ. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ предотвращения образования и ликвидации парафиновых пробок в нефтегазовых скважинах, включающий опускание линейного нагревательного кабеля, его нагрев и регулирование температуры, отличающийся тем, что проводят предварительную тренировку кабеля к условиям его работы в скважине, затем производят спуск кабеля в скважину с барабана лебедки, имеющей тормоз, как минимум через один направляющий ролик, закрепляют кабель у устья скважины, герметизируют устье скважины с кабелем с помощью сальникового уплотнения или какого-либо аналогичного устройства, регулируют режим нагрева кабеля таким образом, чтобы температура по всей длине поверхности кабеля в скважине была бы на 5 - 30% выше температуры плавления парафина, причем температура выходящего потока продукта из скважины была не менее чем на 15^oС выше минимальной температуры выходящего потока продукта без подогрева, и контролируют режим работы скважины по дебиту и по температуре выходящего потока продукта. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно тренируют кабель, для чего опускают его в скважину на максимально возможную глубину и выдерживают его в течение времени от 1 ч до 5 суток, достаточном для полного его естественного вытягивания, нагревают до оптимальной рабочей температуры и выдерживают в нагретом состоянии от 1 до 3 ч, после чего извлекают кабель из скважины и замыкают жилу с нагревательным элементом с учетом естественного удлинения его отдельных элементов от веса и от нагрева за счет различных коэффициентов температурного линейного расширения медной жилы и стальной брони кабеля. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что закрепляют кабель у устья скважины хомутами, или конусными уплотнениями, или концевой петлей, для чего устанавливают на крепежном приспособлении в 4 - 7 м от оси скважины в одной плоскости с направляющим роликом натяжной ролик. 4. Установка для предотвращения образования и ликвидации парафиновых пробок в нефтегазовых скважинах, включающая нагревательный кабель, спускаемый в скважину, и систему управления нагревом кабеля, отличающаяся тем, что она содержит узел с направляющим роликом, который жестко закреплен на устьевом оборудовании скважины таким образом, что условная касательная, проходящая в полукруглой выемке направляющего ролика на расстоянии, равном радиусу нагревательного кабеля от самой глубокой части выемки, практически совпадает с осью скважины, и крепежное приспособление с натяжным роликом для кабеля, установлено на расстоянии L от устья скважины, которое выбрано в пределах 1 - 10 м так, что продольные щеки направляющего и натяжного роликов расположены в одной плоскости, причем нагревательный кабель электрически соединен с автоматизированным регулятором нагрева кабеля через силовой кабель и содержит не менее одной токоподводящей жилы и, как минимум, один линейный нагревательный элемент, причем отношение сопротивления нагревательного элемента Rн к сопротивлению токоподводящей жилы Rж находится в пределах 1,9 < Rн/Rж < 8,0. 5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что в качестве нагревательного элемента использованы многожильные стальные кабели, количество N которых выбрано в пределах 1 < N < 10, причем кабели расположены вокруг изоляции токоподводящей жилы. 6. Установка по п.4, отличающаяся тем, что жила и броня конца нагревательного кабеля, спускаемого в скважину, соединены жестко относительно друг друга и изолированы, например, термоусадочной муфтой, или втулкой, или изоляционным материалом для того, чтобы газы и влага, содержащиеся в нефтегазовой скважине, не могли бы проникнуть внутрь кабеля по длине и расслоить его. 7. Установка по п.4, отличающаяся тем, что узел с направляющим роликом жестко закреплен на устьевом оборудовании скважины, причем расстояние между верхней частью уплотнительного сальника и горизонтальной плоскостью, проходящей через ось направляющего ролика, составляло бы не менее 1 м. 8. Установка по п.4, отличающаяся тем, что автоматизированный регулятор нагрева кабеля содержит микроЭВМ с программным управлением выполнения режимных операций при ручном выборе временного и температурного диапазона работы и паузы и реле перевода в автоматическое их выполнение в диапазоне установленного временного интервала.