ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ, УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИНГИБИРОВАНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ И КОРРОЗИИ СКВАЖИННОГО ОБОРУДОВАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК E21B37/00 E21B41/02 

Область техники

Настоящее изобретение относится к нефтегазодобывающей области, в частности - к электромагнитному излучателю, устройству и способу ингибирования образования отложений и коррозии скважинного оборудования при добыче углеводородного сырья посредством систем с электропогружными насосами (СЭПН) в осложненных условиях.

Предшествующий уровень техники

Осложненные условия при добыче углеводородного сырья характеризуются, помимо присутствия различных негативных факторов (механических примесей, газовых смесей и др.), прежде всего наличием в составе скважинного флюида (пластовой жидкости) значительного количества компонентов, обуславливающих гидратные и гидрато-углеводородные отложения.

Кроме того, в состав флюида входят компоненты, которые обуславливает интенсивную коррозию погружного оборудования и обсадной колонны скважины. Все это оказывает негативное влияние на работу СЭПН, снижает эффективность добычи скважинного флюида и приводит к отказу в работе оборудования.

В сложившейся практике эксплуатации месторождений в осложненных условиях широко применяются методы искусственного воздействия на флюид, основанные на механическом, тепловом или химическом воздействии, призванные уменьшить нежелательные отложения и уменьшить вязкость добываемых углеводородов, что позволяет снизить энергозатраты. Эти методы хорошо известны, однако их применение требует сложных и затратных технологий. Следует отметить, что химические методы, обеспечивающие хорошую сходимость лабораторных и практических результатов, обладают существенными недостатками, которые заключаются в экологических рисках и высокой коррозионной активности вследствие применения активных химических ингредиентов. Такие вещества, как оксиэтилиденфосфоновая кислота и ее производные (третий класс опасности), используемые как ингибиторы отложения солей, вызывают серьезные загрязнения окружающей среды и опасны при работе с ними.

Методы предотвращения коррозия скважинного оборудования также известны. В публикации Вахитов Т. М. и др. «Методы предупреждения коррозии скважинного оборудования в НГДУ» («Уфанефть», Нефтяное хозяйство, 1/2004г., с.75-75) отмечается, что основными причинами отказа СЭПН является их коррозия и засорение сульфидами железа. Там же предложены наиболее действенные методы борьбы с коррозией: использование магниево-цинковых протекторов, применение антикоррозионных покрытий, катодная защита. Однако предлагаемые решения имеют недостатки: магниево-цинковый протектор, имеющий электрохимический потенциал более отрицательный, чем сталь, обладает локальным действием; антикоррозионные покрытия недостаточно эффективны из-за ограниченного ресурса; применение катодной защиты обуславливает существенное удорожание процесса добычи, изменение конструкции скважинной компоновки и сложившейся системы подключения погружного электродвигателя (ПЭД) СЭПН, необходимы станция катодной защиты, четырехжильный кабель, дополнительные электроды и др.

В последнее время стало актуальным применение новых методов борьбы с нежелательными отложениями на элементах скважинного оборудования и коррозией погружного оборудования, которые заключаются в использовании электромагнитного воздействия. В процессе отложения солей на металлических поверхностях образуются химические соединения с участием элементов кристаллической решетки металла, что приводит к коррозии металла погружного оборудования.

Известно, что процесс коррозии металлов имеет два механизма - химический и электрохимический, причем электрохимический процесс является преобладающим (Скорчелетти В.В. «Теоретические основы коррозии металлов», Л., Химия, 1973. 263с).

Известен способ ингибирования процесса электрохимической коррозии посредством формирования электромагнитной волны, раскрытый в патенте GB 2447028. Способ заключается в формировании на устье скважины стоячей электромагнитной волны, образованной интерференцией прямой и отраженной волн, таким образом, чтобы узел стоячей волны располагался в непосредственной близости от области, где требуется ингибирование процесса коррозии. Согласно описанию, способ эффективен при адекватной идентификации положения узла стоячей волны в условиях незначительного рассеивания электромагнитной энергии, то есть для случая однородной протяженной трубы в диэлектрической среде. В реальности скважинная компоновка представляет соединение разнородных элементов с множеством отражений и заполнена электропроводящим флюидом, что обуславливает значительные трудности в реализации указанного способа.

Известны также способы предотвращения кристаллизации из водных растворов солей на поверхности трубопровода путем воздействия магнитного поля. В 1946 году бельгийский инженер Т. Вермейрен запатентовал аппарат магнитной обработки воды, US 2596743.

Известен также способ омагничивания скважинной жидкости постоянными магнитами (см., например, В.И. Бородин и др. «Результаты использования магнитных индукторов обработки нефти при ее добыче и транспортировке», Техника и технология добычи нефти, 2004, №4). Способ позволяет существенно уменьшить скорость образования отложений на внутренней поверхности насосно-компрессорных труб, исключает применение горячих дорогостоящих промывок скважин, применение скребков и существенно снижает энергозатраты. В магнитном поле частицы отложений ориентируются вдоль силовых линий внешнего магнитного поля, но затем слипаются в результате магнитного взаимодействия и откладываются на поверхностях. Этот механизм считается недостаточно эффективным (Лесин В.И. «Нетепловое воздействие электромагнитных и акустических полей на нефть для предотвращения отложений парафинов», Техника и технология добычи нефти. 2004, №1.) Согласно данному источнику для усиления эффективности необходимо одновременно прикладывать действие сил скорости сдвига, возникающее при вибрации среды или от акустического воздействия. Создание дополнительных эффектов приведет к существенному усложнению оборудования и потребует существенных энергозатрат.

Известен способ обработки вещества магнитным полем и устройство для его осуществления (см., например, RU 2155081). Способ заключается в воздействии на жидкость переменным магнитным полем посредством излучателя, содержащего установленные в корпусе соосно электромагнитную катушку и постоянные магниты. Электромагнитная катушка расположена между магнитами и подключена к генератору, который генерирует модулированные сигналы с частотой 1-200 кГц и несущей частотой 100-2000 кГц, подвергнутые девиации с частотой 1 Гц. Недостатком способа является то, что обрабатывается ограниченный объем жидкости, находящейся в статическом положении, в специальном резервуаре. К недостаткам устройства следует отнести использование излучателя довольно сложной конструкции при локальном характере его воздействия.

Известно устройство для магнитной обработки движущихся нефтегазовых смесей (см., например, RU 2169033), которое обеспечивает магнитную активацию жидких сред. Устройство содержит герметичный корпус из немагнитного материала, в корпусе расположен магнитопровод и один кольцевой радиально намагниченный магнит. На радиальной оси кольцевого магнита в пазе на наружной поверхности корпуса размещена кольцевая вставка из ферромагнитного материала. Главный недостаток предложенного решения и решений, подобных этому, обусловлен тем, что в процессе магнитной обработки осуществляется омагничивание нефтегазовой смеси постоянными магнитами, рассмотренное выше. В магнитном поле частицы отложений ориентируются вдоль силовых линий внешнего магнитного поля, но затем слипаются в результате магнитного взаимодействия и откладываются на поверхностях.

Ближайшим техническим решением к заявляемому способу является способ снижения твердых отложений из водонефтяной смеси в трубопроводе нефтяной скважины (см, например, RU 2432322, опубликованный 27.10.2011). Способ снижения твердых отложений, в частности, осадка, твердых парафинов и/или асфальтенов из водно-нефтяной смеси в трубопроводах для нефтяной скважины заключается в формировании на устье скважины высокочастотного электрического поля посредством излучателя. Это поле распространяется по водонефтяной смеси в трубе, под действием поля в смеси образуются гомогенные затравочные кристаллы, на которые осаждаются частицы асфальтенов и/или твердых парафинов. Смесь в таком виде переносится по трубе. Достигаемый технический результат заключается в снижении отложений осадка на внутренней поверхности трубопровода в результате образования гомогенных затравочных кристаллов под действием распространяющегося электромагнитного поля.

К недостаткам указанного способа следует отнести его низкую эффективность с точки зрения защиты погружного оборудования. При размещении излучателя вблизи устья скважины, он будет находиться на достаточно большом удалении, от 500 м до 2000 м, от скважинной СЭПН. Поскольку распространение электромагнитного поля осуществляется в электропроводящей среде, то энергия электромагнитной волны, затухание которой пропорционально квадрату расстояния и обратно пропорционально диэлектрической проницаемости среды, будет ничтожно мала в зоне СЭПН и продуктивного пласта. Эта энергия будет недостаточна для ингибирования процесса формирования отложений и защиты от коррозии. Для размещения излучателя вблизи скважинной СЭПН потребуется прокладка отдельной кабельной линии для подключения к генератору, что сопряжено с дополнительным усложнением конструкции колонны насосно-компрессорных труб (НКТ). Также к недостаткам указанного способа следует отнести ограниченность вариаций электромагнитных воздействий.

Наиболее близким к заявляемому устройству является установка для обработки текущих сред (см., например, US 5935433, опубликованный 10.08.1999), например, кондиционирования воды в трубопроводе, которая препятствует образованию отложений на стенках трубопровода. Установка содержит излучатель, состоящий из сердечника, выполненного из высокочастотного магнитопроводящего материала и имеющего форму тороидального сердечника, и первичную обмотку, намотанную на этот сердечник ортогонально оси трубопровода. Вторичная обмотка сформирована участком трубопровода между контактными терминалами. К излучателю подключен генератор, который формирует магнитное поле вокруг трубы. Поле имеет концентрическую форму и распространяется по флюиду в трубе. Генератор управляется устройством управления, к которому подключен измерительный преобразователь, в качестве которого используется датчик аудио сигнала с фильтром и усилителем. Устройство управления включает в себя цепь формирователей сигналов управления.

Недостатком данного устройства является его недостаточная эффективность ингибирования образования отложений и коррозии, обусловленная ограниченностью возможных режимов излучения электромагнитного поля и, как следствие, низкий уровень адаптации к изменяющимся условиям эксплуатации, таким как физико-химические свойства потока жидкости, ее состав и др.

Краткое изложение существа изобретения

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания способа ингибирования образования отложений и коррозии скважинного оборудования при добыче углеводородного сырья, который обеспечит повышение эффективности защиты элементов скважинного пространства и погружного оборудования непосредственно в зоне установки системы электропогружного оборудования от естественных гидратных и гидрато-углеводородных отложений и одновременно коррозии при добыче углеводородного сырья путем генерации электромагнитного поля с изменяемой пространственной ориентацией и регулируемыми параметрами, адаптированными к условиям эксплуатации, формируемого непосредственно в зоне установки скважинной системы электропогружного насоса (СЭПН) без усложнения конструкции колонны насосно-компрессорных труб (НКТ).

В основу настоящего изобретения поставлена также задача создания электромагнитного излучателя для ингибирования образования отложений и коррозии скважинного оборудования при добыче углеводородного сырья.

В основу настоящего изобретения поставлена также задача создания установки для ингибирования образования отложений и коррозии скважинного оборудования при добыче углеводородного сырья, которая обеспечивает реализацию указанного способа.

Поставленная задача решена путем создания электромагнитного излучателя для ингибирования образования отложений и коррозии скважинного оборудования, который содержит:

сердечник, выполненный из высокочастотного магнитомягкого материала и имеющий центральное отверстие для размещения на скважинном оборудовании, и по меньшей мере одну пару пазов, выполненных на торцах сердечника для размещения обмоток,

аксиальную обмотку, витки которой размещены в указанных пазах сердечника аксиально по отношению к продольной оси а-а скважинного оборудования, предназначенную для формирования электродвижущей силы, результирующий вектор которой направлен вдоль оси скважинного оборудования,

ортогональную обмотку, размещенную на сердечнике так, что витки ортогональной обмотки расположены перпендикулярно виткам аксиальной обмотки и перпендикулярно оси а-а скважинного оборудования, и предназначенную для формирования магнитодвижущей силы, результирующий вектор которой направлен вдоль оси скважинного оборудования, при этом

количество витков аксиальной обмотки и количество витков ортогональной обмотки подобраны таким образом, чтобы обеспечить:

- заданный диапазон частот излучения;

- максимальный коэффициент передачи мощности от электромагнитного излучателя в окружающее пространство;

- стабильность заданных параметров излучения.

Целесообразно, чтобы диапазон частот излучения, применительно к поставленной задаче, составлял от 30 кГц до 1 МГц.

Поставленная задача решена путем создания установки для ингибирования образования отложений и коррозии скважинного оборудования, содержащей:

электромагнитный излучатель для ингибирования образования отложений и коррозии скважинного оборудования;

двухканальный генератор, установленный в отдельном корпусе в непосредственной близости от электромагнитного излучателя и подключенный одним управляющим выходом к аксиальной обмотке и вторым управляющим выходом - к ортогональной обмотке излучателя;

электронный блок управления, размещенный в корпусе двухканального генератора, имеющий выход, подключенный к входу двухканального генератора;

блок сопряжения с погружным электродвигателем (ПЭД), обеспечивающий механическое и электрическое соединение установки для ингибирования образования отложений и коррозии с ПЭД,

множество датчиков параметров скважинной среды, установленных в скважинном пространстве и подключенных к электронному блоку управления.

Предпочтительно установка содержит блок электропитания, связанный с обмоткой погружного электродвигателя установки электропогружного насоса для отбора электроэнергии и питания блоков установки для ингибирования образования отложений и коррозии скважинного оборудования.

Предпочтительно электронный блок управления устройства связан каналом связи с аппаратурой мониторинга и управления, размещенной на поверхности земли.

Целесообразно, чтобы в качестве датчиков параметров среды использовались датчики, выбранные из группы, состоящей из датчиков давления, температуры, обводненности и расхода.

Поставленная задача решена путем создания способа ингибирования образования отложений и коррозии скважинного оборудования, содержащего этапы, на которых:

размещают на скважинном оборудовании сердечник электромагнитного излучателя из высокочастотного магнитомягкого материала с аксиальной обмоткой, витки которой расположены аксиально по отношению к продольной оси скважинного оборудования, и ортогональной обмоткой, витки которой расположены перпендикулярно виткам аксиальной обмотки и перпендикулярно оси скважинного оборудования,

подают на аксиальную и ортогональную обмотки переменные электрические сигналы с соответствующих двух управляющих выходов двухканального генератора, и

формируют электромагнитное поле в непосредственной близости от системы электропогружного насоса (СЭПН), причем посредством аксиальной обмотки формируют электродвижущую силу, результирующий вектор которой направлен вдоль оси скважинного оборудования, а посредством ортогональной обмотки формируют магнитодвижущую силу, результирующий вектор которой направлен вдоль оси скважинного оборудования,

осуществляют первоначальное формирование закона изменения выходных сигналов двухканального генератора на основе априорных данных или стохастических зависимостей,

варьируют пространственную ориентацию формируемого электромагнитного поля с получением многомодового электромагнитного поля,

регулируют величину напряженности электромагнитного поля в объеме скважинного пространства в непосредственной близости от системы электропогружного насоса (СЭПН) путем изменения величины магнитодвижущих сил излучателя в соответствии с заданным диапазоном значений напряженности электромагнитного поля в зависимости от параметров скважинного флюида,

посредством чего ингибируют образование гидратных и гидратно-углеводных отложений на скважинном оборудовании и коррозионных процессов металлических поверхностей оборудования,

при этом защиту от коррозии обеспечивают путем высокочастотной электрической поляризации металлических поверхностей, приводящей к протеканию уравнительных токов в поверхностном слое, и выравнивания электрического потенциала системы электропогружного насоса и обсадной колонны путем гальванизации скважинного флюида между ними, обеспечивающей торможение процессов электрохимической коррозии.

Целесообразно, чтобы регулировали давление и температуру скважинного флюида на входе в систему электропогружного насоса для дополнительной защиты от нежелательных отложений.

Предложенный способ позволяет повысить эффективность защиты элементов скважинного пространства и погружного оборудования непосредственно в зоне установки системы электропогружного оборудования от естественных гидратных и гидрато-углеводородных отложений и одновременно коррозии при добыче углеводородного сырья путем генерации электромагнитного поля с изменяемой пространственной ориентацией и регулируемыми параметрами, адаптированными к условиям эксплуатации, формируемого непосредственно в зоне установки скважинной системы электропогружного насоса (СЭПН) без усложнения конструкции колонны насосно-компрессорных труб НКТ.

Обоснование технического результата

Технический результат изобретения достигается благодаря следующему.

Образование твёрдого осадка во флюиде классифицируется как процесс кристаллизации. Известно, что движущей силой процесса кристаллизации является перенасыщение. При кристаллизации можно выделить следующие этапы: образование кристаллических зародышей и их рост до видимых размеров. Скорость кристаллизации ограничивается скоростью зародышеобразования.

Центром зародышеобразования может быть любая энергетическая неоднородность: заряженная частица, свободная поверхностная энергия кристаллической поверхности и её дефекты. При этом процесс кристаллообразования соответствует принципу структурно-геометрического подобия, согласно которому гетерогенная (инородная) поверхность служит матрицей при совпадении сингоний (конфигурации элементарной ячейки) веществ и отличии параметров их кристаллических решёток не более, чем на 20%. Очевидно, что в данном случае главным фактором является перенасыщение, которое характеризуется коэффициентом перенасыщения

k_i=C_i/R_i,

где: k_i - коэффициент перенасыщения для i-го вещества;

С_i - фактическая концентрация i-го вещества в растворе;

R_i - растворимость i-го вещества, в данном объёме жидкости в фиксированных термодинамических условиях, т.е.

R_i=f(T, P, φ, Σ),

где: T - температура, Р - давление, φ - химический потенциал растворённых солей, Σ - совокупность других факторов.

Относительная величина кристаллографического несоответствия может быть определена из соотношения

δ=|1-α_cr/α_sf|,

где: α_cr - величина параметров кристаллической решётки кристалообразующего вещества,

α_sf - величина параметров кристаллической решётки подложки.

Из вышеизложенного следует, что чем меньше δ , тем с большей интенсивностью подложка инициирует образование зародышей. Очевидно, что при наличии в скважинном пространстве гетерогенных, по отношению к растворам флюида, металлических поверхностей, обладающих рядом неоднородностей, покрытых окислами, кристаллографическое несоответствие которых по отношению целому ряду солей минимально, то при значительном перенасыщении k следует ожидать интенсивного отложения солей на этих поверхностях.

Еще одно важное положение из теории химической термодинамики. Это понятие термодинамической энтропии, как одно из объективных качеств, характеризующих хаотичность системы. Согласно выводам Л.Больцмана, энтропия определяется соотношением:

S = b · lnW,

где S - энтропия;

b - постоянная Больцмана;

W - термодинамическая вероятность - число возможных микросостояний системы (в данном случае - скважинного флюида), которые обеспечивают параметры данного макросостояния.

Расчет изменений энтропии в конкретных процессах хорошо известен, так процесс растворения и смешивания приводит к повышению энтропии, а кристаллизация - к ее уменьшению.

Очевидно, что интенсификация процесса кристаллообразования в объеме флюида приведет к уменьшению коэффициента перенасыщения k_i, что в свою очередь приведет к замедлению гетерогенной кристаллизации на поверхностях скважинного пространства. Условием интенсивного объемного кристаллообразования является высокий уровень энтропии флюида и, чем выше энтропия, тем выше интенсивность кристаллообразования.

Согласно теории магнитогидродинамического (МГД) резонанса при воздействии электромагнитного поля на растворы происходит формирование силы Лоренца, создаваемой при пересечении жидкостью магнитных силовых линий. Степень воздействие этой силы на энтропию существенно повышается, если попадет в резонанс с собственными колебаниями электрически заряженных частиц (ионов, свободных радикалов, мельчайших твердых частиц). Интенсификации перемещения разнополярно заряженных частиц в электромагнитном поле уменьшает силы притяжения молекул воды к ионам, что приводит к ускорению процесса зародышеобразования. При этом интенсивно формируются гомогенные (однородные) затравочные кристаллы в объеме раствора, и далее происходит интенсивный рост кристаллов в этом объеме, а не на поверхностях. В свою очередь интенсивная кристаллизации продолжается до тех пор, пока уровень энтропии не упадет до некоторого порогового значения, и воздействие электромагнитного поля с заданными детерминированными параметрами будет лишь поддерживать это значение энтропии, устанавливая в системе динамическое равновесие. Этим объясняется многообразие устройств электромагнитной обработки жидкостей, дающих эффект только в каждой конкретной ситуации.

Предлагаемое изобретение обеспечивает повышение эффективности процесса за счет формирования изменяющегося во времени и пространстве суммарного электромагнитного поля, формируемого посредством излучателя и конструктивных элементов скважинного пространства. Причем результатом воздействия является поддержание интенсивного объемного кристаллообразования в условиях изменения макросостояния флюида (давление, температура, состав). Гомогенные затравочные кристаллы притягивают вещество из раствора более активно примерно на порядок, чем гетерогенные затравочные кристаллы на поверхности, вследствие чего кристаллы образуются в виде взвеси и перемещаются вместе с потоком флюида.

Процесс осаждения растворенных веществ из воды на поверхности оборудования в скважинном пространстве одновременно будет приводить к снижению отложений на поверхностях оборудования асфальтенов и твердых парафинов из нефтяного содержимого водно-нефтяной смеси. Как асфальтены, так и твердые парафины могут использовать затравочные кристаллы в качестве центра кристаллизации, на котором осаждаются взвешенные частицы, которые обладают внешней схожестью с крупинками.

Таким образом, сформированные в объеме флюида кристаллы транспортируются на поверхность из скважины без образования отложения осадка на поверхностях оборудования в скважинном пространстве.

Выбор и оптимизация параметров электромагнитного воздействия и законов их изменений (в дальнейшем - управляющих воздействий) выбирается по критерию минимума нежелательных отложений, определяемому опосредованно в процесс работы по ряду технологических параметров, например, по уменьшению давления на приеме и увеличению производительности СЭПН, режимам ПЭД, увеличению твердой фазы флюида (за счет кристаллов солей), выносимой на поверхность.

Ограничениями при оптимизации являются критерии, полученные в ходе априорного математического и физического моделирования, реализации эвристических подходов, практического опыта, интерпретации статистических данных и др. Методы оптимизации хорошо известны в технике. Выработка управляющих воздействий осуществляется в автоматическом или автоматизированном режиме.

Следует отметить, что к числу управляющих воздействий опосредованно относится также регулирование динамического уровня на приеме СЭПН, т.к. изменение этого уровня изменяет давление, температуру флюида и, следовательно, его коэффициент растворимости k_i. Однако возможности такого воздействия ограничены, т.к. динамический уровень выбирается, прежде всего, исходя из технологических соображений. Тем не менее регулирование динамического уровня может быть использовано в ограниченных пределах при формировании управляющих воздействий.

В предлагаемом изобретении, помимо защиты от нежелательных отложений, осуществляется защита от коррозии. Из теории известно, что возможен процесс электрохимической коррозии, не противоречащий законам термодинамики, для которого

ΔG_T = - nE_TF_Ф < 0,

где: ΔG_Т - изменение изобарно-изотермического потенциала данного коррозионного процесса, кал/г-атом Me;

n- число грамм-эквивалентов;

Е_Т = (V_к)_oбр-(V_а)_обр - э.д.с. гальванического элемента, в котором обратимо осуществляется данный коррозионный процесс, В;

(V_к)_oбр - обратимый потенциал катодной реакции в данных условиях, В;

(V_а)_обр=(V_Me)_обр - обратимый потенциал металла в данных условиях;

F_Ф=23062 кал/г-экв - число Фарадея.

Принципиальная возможность протекания процесса электрохимической коррозии металла определяется, таким образом, соотношением обратимого потенциала металла в данных условиях и обратимого потенциала катодного процесса в данных условиях. Самопроизвольное протекание электрохимического коррозионного процесса возможно, если (V_а)_обр=(V_Me)_обр<(V_к)_oбр, т.е. для электрохимического растворения металла необходимо присутствие в электролите окислителя - деполяризатора, обратимый окислительно-восстановительный потенциал которого положительнее обратимого потенциала металла в данных условиях, т.е.

Е_Т > 0, ΔG_Т < 0.

В большинстве практических случаев протекание электрохимической коррозии обычно характеризуется локализацией анодного и катодного процессов на различных (более или менее постоянных) участках корродирующей поверхности металла, что приводит к неравномерному или местному характеру коррозионного разрушения. Эти отличающиеся по своим физическим и химическим свойствам участки корродирующей поверхности металла, на которых происходят анодный или катодный процессы, являются гальваническими элементами. Таким образом, электрохимическая коррозия металлов напоминает работу гальванического элемента, в котором отрицательный электрод (например, цинк) растворяется, когда он соединен проводником со вторым электродом, на котором восстанавливаются ионы водорода или другие вещества и поэтому ее можно рассматривать как результат работы большого числа коррозионных гальванических элементов на корродирующей поверхности металла, соприкасающейся с электролитом.

В целом поверхность корродирующего металла представляет собой многоэлектродный гальванический элемент. Процесс электрохимической коррозии в немалой степени провоцируют блуждающие токи. Механизм их действия - формирование катодных и анодных зон на поверхностях металлических конструкций. Как показано в публикации Закирова В.Р. и др. «О причинах разрушения корпусов погружных электродвигателей в добывающих скважинах» (Нефть. Газ. Новации., 2009, №2, с. 46-51), серьезной причиной, вызывающей коррозию ПЭД и обсадной колонны, является наведенный потенциал с брони кабеля на корпус ПЭД.

Возбуждение переменного электромагнитного поля в зоне установки УЭПН приводит к возникновению катодной поляризации металлических поверхностей и обеспечивает протекание уравнительных токов, что приводит к торможению процесса электрохимической коррозии. Кроме того, гальванизация высокочастотным электромагнитным полем зазора между обсадной колонной и ПЭД обеспечит выравнивание указанного наведенного потенциала. Чем выше частота электромагнитного поля, тем выше интенсивность указанных защитных процессов.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает схематично электромагнитный излучатель (частичный продольный разрез), согласно изобретению;

Фиг. 2 изображает вид по стрелке А на Фиг. 1, согласно изобретению;

Фиг. 3 изображает блок-схему установки для ингибирования образования отложений и коррозии скважинного оборудования, согласно изобретению;

Фиг. 4(а,b) иллюстрируют принцип формирования электромагнитного поля для двух характерных случаев, согласно изобретению.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Электромагнитный излучатель 1 (Фиг. 1, 2) согласно изобретению содержит сердечник 2, выполненный из высокочастотного магнитомягкого материала и имеющий центральное отверстие 3 для размещения на скважинном оборудовании 4, например, на основании погружного электродвигателя (ПЭД) (не показан). Сердечник 2 содержит по меньшей мере одну пару пазов 5, выполненных на торцах 6 и 7 сердечника для размещения обмоток. На Фиг. 1 показана также обсадная труба 8 скважины.

На сердечнике 2 размещена аксиальная обмотка 9, витки которой размещены в указанных пазах 5 сердечника аксиально по отношению к продольной оси а-а скважинного оборудования, предназначенная для формирования электродвижущей силы E, результирующий вектор которой направлен вдоль оси а-а скважинного оборудования.

На сердечнике 2 размещена также ортогональная обмотка 10, витки которой расположены перпендикулярно виткам аксиальной обмотки 9 и перпендикулярно оси а-а скважинного оборудования, предназначенная для формирования магнитодвижущей силы, результирующий вектор F которой направлен вдоль оси а-а скважинного оборудования.

При этом количество витков аксиальной обмотки и количество витков ортогональной обмотки подобраны таким образом, чтобы обеспечить:

- заданный диапазон частот излучения;

- максимальный коэффициент передачи мощности от электромагнитного излучателя в окружающее пространство;

- стабильность заданных параметров излучения.

Диапазон частот излучения, применительно к поставленной задаче, составляет от 30 кГц до 1МГц.

Установка 11 (Фиг. 3) для ингибирования образования отложений и коррозии скважинного оборудования содержит электромагнитный излучатель 1, предназначенный для размещения на скважинном оборудовании 4, и двухканальный генератор 12, установленный в отдельном корпусе в непосредственной близости от электромагнитного излучателя 1 и подключенный одним выходом 13 к аксиальной обмотке 9 и вторым выходом 14 - к ортогональной обмотке 10 электромагнитного излучателя 10.

Установка 11 содержит электронный блок 15 управления, обеспечивающий управление электромагнитным излучателем 1, размещенный в корпусе двухканального генератора 12, имеющий выход 16, подключенный к управляющему входу 17 двухканального генератора.

Установка 11 содержит также блок 18 сопряжения с погружным электродвигателем 19 (ПЭД), обеспечивающий механическое и электрическое соединение с корпусом двухканального генератора и обмоткой системы погружного насоса СЭПН.

Множество датчиков 20, 21, 22, 23 параметров скважинной среды установлены в скважинном пространстве и подключены к электронному блоку 15 управления.

Установка 11 содержит блок 24 электропитания, связанный с обмоткой погружного электродвигателя 19 ПЭД установки электропогружного насоса для отбора электроэнергии и ее подачи на блоки установки 11 для ингибирования образования отложений и коррозии скважинного оборудования.

Электронный блок 15 управления связан каналом 25 связи с аппаратурой 26 мониторинга и управления, размещенной на поверхности земли.

В качестве датчиков 20, 21, 22, 23 параметров скважинной среды используются датчики, выбранные из группы, состоящей из датчиков давления, температуры, обводненности и расхода.

Канал 25 связи обеспечивает двухстороннюю связь между скважинной частью и наземной аппаратурой. Он может быть беспроводным или проводным. В качестве проводного канала целесообразно использовать силовые цепи питания погружного электродвигателя 23. Блок 24 электропитания осуществляет отбор электроэнергии от обмотки ПЭД 23 или получает электроэнергию от наземной аппаратуры через эту обмотку для питания аппаратуры скважинной части.

В состав установки 11 для ингибирования образования отложений и коррозии скважинного оборудования могут быть включены дополнительные устройства, обеспечивающие комплексное воздействие на флюид и продуктивный пласт, например виброакустический генератор с излучателем.

Электронный блок 15 управления обеспечивает двухстороннюю связь с наземной аппаратурой 26 мониторинга, передавая измерительную и контрольную информацию и принимая внешние команды и уставки.

Двухканальный генератор 12 обеспечивает подачу с управляющих выходов 13 и 14 на два независимых входа электромагнитного преобразователя 1 электрических сигналов, параметры которых и законы изменения во времени которых соответствуют командам, формируемым в электронном блоке 15 управления. Как указано выше, один управляющий выход 13 двухканального генератора 12 подключен к аксиальной обмотке 9, а другой управляющий выход 14 подключен к ортогональной обмотке 10 излучателя. Электромагнитный излучатель 1 формирует совместно с элементами скважинного пространства - СЭПН, обсадной трубой, колонной насосно-компрессорных труб (НКТ) и скважинным флюидом переменное электромагнитное поле, функционально зависящее от выходных сигналов двухканального генератора 12 и свойств скважинной среды.

Благодаря наличию двух независимых входов электромагнитное поле варьируется в широких пределах в отношении пространственной ориентации и временной зависимости.

Принципы формирования электромагнитного поля двумя обмотками, аксиальной и ортогональной, электромагнитного генератора поясняются со ссылками на Фиг. 4а и 4b.

На Фиг. 4а показаны силовые линии магнитного поля, формируемые электромагнитным излучателем 1 при наличии сигнала с выхода 13 двухканального генератора 12. Здесь F - магнитодвижущая сила, (мдс), направленная вдоль оси а-а сердечника электромагнитного излучателя 1 и соосно с осью СЭПН, f - линии магнитного потока, i- цепь электрического тока, 10 - обсадная труба, 4 - элемент системы электропогружного насоса СЭПН. Как показано на Фиг. 4а, для точки «k» скважинного пространства ориентация векторов магнитной индукции b и напряженности электрического поля е ортогональная.

На Фиг. 4b показаны силовые линии, формируемые электромагнитным излучателем 1 при наличии сигнала с выхода 14 двухканального генератора 12. Здесь вектор результирующей эдс E направлен вдоль оси а-а сердечника и соосно системе СЭПН, i - путь электрического тока, f - направление магнитного потока. Как показано на Фиг. 4b, для точки «k» скважинного пространства ориентация векторов магнитной индукции b и напряженности электрического поля е ортогональная.

При одновременной подаче сигналов на оба входа электромагнитного излучателя 1 электромагнитное поле представляет собой интерференцию раскрытых выше двух характерных случаев.

Таким образом, варьируя сигналами на входах электромагнитного излучателя, возможно получить многомодовое электромагнитное поле, флуктуирующее по направлению в пространстве и изменяемое во времени. Первоначальное формирование законов изменения выходных сигналов осуществляется на основании априорных данных или стахостических зависимостей с последующей оптимизацией, как было выше указано.

Механизм ингибирования коррозии включает в себя, во-первых, катодную поляризацию металлических поверхностей оборудования в скважинном пространстве, во-вторых, выравнивание наведенного потенциала между обсадной колонной и СЭПН за счет гальванизации скважинного флюида в зазоре между этими элементами.

Способ ингибирования образования отложений и коррозии скважинного оборудования содержит следующие операции.

Размещают на скважинном оборудовании 4 сердечник 2 электромагнитного излучателя из высокочастотного магнитомягкого материала с аксиальной обмоткой 9, витки которой расположены аксиально по отношению к продольной оси а-а скважинного оборудования, и ортогональной обмоткой 10, витки которой расположены перпендикулярно виткам аксиальной обмотки 9 и перпендикулярно оси а-а скважинного оборудования.

Подают на аксиальную и ортогональную обмотки 9, 10 переменные электрические сигналы с соответствующих двух выходов 13, 14 двухканального генератора, и формируют электромагнитное поле в непосредственной близости от системы электропогружного насоса (СЭПН), причем посредством аксиальной обмотки формируют электродвижущую силу, результирующий вектор Е которой направлен вдоль оси а-а скважинного оборудования, а посредством ортогональной обмотки формируют магнитодвижущую силу, результирующий вектор F которой направлен также вдоль оси скважинного оборудования.

Первоначальное формирование изменения выходных сигналов двухканального генератора 12 осуществляют на основе априорных данных или стохастических зависимостей.

Варьируют по заданной программе пространственную ориентацию формируемого электромагнитного поля с получением многомодового электромагнитного поля.

Регулируют величину напряженности электромагнитного поля в объеме скважинного пространства в непосредственной близости от системы электропогружного насоса (СЭПН) путем изменения величины магнитодвижущих сил излучателя в соответствии с заданным диапазоном значений напряженности электромагнитного поля в зависимости от параметров скважинного флюида, т.е. температуры, давления, обводненности и расхода.

В результате обеспечивается ингибирование образования гидратных и гидратно-углеводных отложений на скважинном оборудовании и коррозионных процессов металлических поверхностей оборудования.

Дополнительно регулируют давление и температуру скважинного флюида на входе в систему электропогружного насоса для дополнительной защиты от нежелательных отложений.

Защиту от коррозии обеспечивают путем высокочастотной электрической поляризации металлических поверхностей, которая осуществляется при работе электромагнитного излучателя, приводящей к протеканию уравнительных токов в поверхностном слое, и выравнивания электрического потенциала системы электропогружного насоса и обсадной колонны при гальванизации скважинного флюида между ними, что приводит к торможению процессов электрохимической коррозии.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение может быть использовано для ингибирования образования отложений и коррозии скважинного оборудования при добыче углеводородного сырья посредством систем с электропогружными насосами (СЭПН) в осложненных условиях.

Группа изобретений относится к нефтегазодобывающей отрасли, в частности к ингибированию образования отложений и коррозии скважинного оборудования. Установка включает электромагнитный излучатель, двухканальный генератор, электронный блок управления, имеющий выход, подключенный к входу генератора, блок сопряжения с погружным электродвигателем, датчики параметров скважинной среды, подключенные к блоку управления. Излучатель содержит сердечник из магнитомягкого высокочастотного материала на скважинном оборудовании с пазами, в которых размещены витки аксиальной обмотки, ортогональную обмотку, витки которой расположены перпендикулярно оси скважинного оборудования. Генератор подключен одним управляющим выходом к аксиальной обмотке, вторым управляющим выходом к ортогональной обмотке. Повышается эффективность ингибирования образования отложений и коррозии. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Электромагнитный излучатель для ингибирования образования отложений и коррозии скважинного оборудования, содержащий:
сердечник, выполненный из высокочастотного магнитомягкого материала и имеющий центральное отверстие для размещения на скважинном оборудовании, и по меньшей мере одну пару пазов, выполненных на торцах сердечника из высокочастотного магнитомягкого материала для размещения обмоток,
аксиальную обмотку, витки которой размещены в указанных пазах сердечника аксиально по отношению к продольной оси а-а скважинного оборудования, предназначенную для формирования электродвижущей силы, результирующий вектор которой направлен вдоль оси скважинного оборудования,
ортогональную обмотку, размещенную на сердечнике так, что витки ортогональной обмотки расположены перпендикулярно виткам аксиальной обмотки и перпендикулярно оси а-а скважинного оборудования, и предназначенную для формирования магнитодвижущей силы, результирующий вектор которой направлен вдоль оси скважинного оборудования, при этом
количество витков аксиальной обмотки и количество витков ортогональной обмотки подобраны таким образом, чтобы обеспечить:
- заданный диапазон частот излучения;
- максимальный коэффициент передачи мощности от электромагнитного излучателя в окружающее пространство;
- стабильность заданных параметров излучения.

2. Электромагнитный излучатель по п. 1, в котором диапазон частот излучения, применительно к поставленной задаче,
составляет от 30 кГц до 1МГц.

3. Установка для ингибирования образования отложений и коррозии скважинного оборудования, содержащая:
электромагнитный излучатель для ингибирования образования отложений и коррозии скважинного оборудования по п. 1;
двухканальный генератор, установленный в отдельном корпусе в непосредственной близости от электромагнитного излучателя и подключенный одним управляющим выходом к аксиальной обмотке и вторым управляющим выходом - к ортогональной обмотке электромагнитного излучателя;
электронный блок управления, размещенный в корпусе двухканального генератора, имеющий выход, подключенный к входу двухканального генератора;
блок сопряжения с погружным электродвигателем (ПЭД), обеспечивающий механическое и электрическое соединение установки для ингибирования образования отложений и коррозии с ПЭД;
множество датчиков параметров скважинной среды, установленных в скважинном пространстве и подключенных к электронному блоку управления.

4. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что содержит блок электропитания, связанный с обмоткой погружного электродвигателя установки электропогружного насоса для отбора электроэнергии и питания блоков установки для ингибирования образования отложений и коррозии скважинного оборудования.

5. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что блок управления связан каналом связи с аппаратурой мониторинга и управления, размещенной на поверхности земли.

6. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что в качестве датчиков параметров среды используются датчики, выбранные из группы, состоящей из датчиков давления, температуры, обводненности и расхода.

7. Способ ингибирования образования отложений и коррозии скважинного оборудования, содержащий следующие операции:
размещают на скважинном оборудовании сердечник электромагнитного излучателя из высокочастотного магнитомягкого материала с аксиальной обмоткой, витки которой расположены аксиально по отношению к продольной оси скважинного оборудования, и ортогональной обмоткой, витки которой расположены перпендикулярно виткам аксиальной обмотки и перпендикулярно оси скважинного оборудования,
при этом количество витков аксиальной обмотки и количество витков ортогональной обмотки подобирают таким образом, чтобы обеспечить:
- заданный диапазон частот излучения в пределах от 30 кГц до 1МГц;
- максимальный коэффициент передачи мощности от электромагнитного излучателя в окружающее пространство;
- стабильность заданных параметров излучения,
подают на аксиальную и ортогональную обмотки переменные электрические сигналы с соответствующих двух управляющих выходов двухканального генератора, и
формируют электромагнитное поле в непосредственной близости от системы электропогружного насоса (СЭПН), причем посредством аксиальной обмотки формируют электродвижущую силу,
результирующий вектор которой направлен вдоль оси а-а скважинного оборудования, а посредством ортогональной обмотки формируют магнитодвижущую силу, результирующий вектор которой направлен вдоль оси а-а скважинного оборудования,
осуществляют первоначальное формирование закона изменения выходных сигналов двухканального генератора на основе априорных данных или стохастических зависимостей,
варьируют пространственную ориентацию формируемого электромагнитного поля с получением многомодового электромагнитного поля,
регулируют величину напряженности электромагнитного поля в объеме скважинного пространства в непосредственной близости от системы электропогружного насоса (СЭПН) путем изменения величин магнитодвижущих сил излучателя в соответствии с заданным диапазоном значений напряженности электромагнитного поля в зависимости от параметров скважинного флюида,
посредством чего ингибируют образование гидратных и гидратно-углеводных отложений на скважинном оборудовании и коррозионных процессов металлических поверхностей скважинного оборудования,
при этом защиту от коррозии обеспечивают путем высокочастотной электрической поляризации металлических поверхностей, приводящей к протеканию уравнительных токов в поверхностном слое, и выравнивания электрического потенциала системы электропогружного насоса и обсадной колонны путем гальванизации скважинного флюида между ними, обеспечивающей торможение процессов электрохимической коррозии.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что регулируют давление и температуру скважинного флюида на входе в систему электропогружного насоса для дополнительной защиты от нежелательных отложений.