КОАКСИАЛЬНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ КАБЕЛЬ, НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ НАГРЕВА Российский патент 2018 года по МПК E21B36/04 E21B37/00 

Изобретение относится к области электронагрева индукционно-резистивными токами, возбуждаемыми посредством коаксиального индукционного кабеля, и может быть использовано в устройствах для ликвидации и предотвращения формирования парафиногидратных и асфальтосмолистых отложений в нефтегазовых скважинах и трубопроводах, а также для подогрева вязких продуктов в трубопроводах и емкостях с целью их транспортировки и перекачки.

Известен способ очистки нефтегазодобывающих скважин от образования пробок и ликвидации их, при котором в скважину опускают геофизический кабель, нагружают его на электродный тепловой прибор и пропускают по нему переменный электрический ток промышленной частоты [Г.А. Павленко. Опыт промышленного использования новых технических средств для ликвидации гидратопарафиновых образований в скважинах. - НТВ "Каротажник". Тверь: ГЕРС. 1998. Вып. 58. С. 88-91].

Устройство для реализации этого способа содержит развязывающий трансформатор, кабель, жилы которого одним концом подключены к трансформатору, а другой, погружной, частью - к электродному тепловому прибору.

Недостатком описанного способа является возможность теплового воздействия лишь на локальный объем нефтепродукта в трубопроводе и, как следствие, низкая эффективность очистки и повторное образование пробок на уже пройденных тепловым прибором участках скважины, что препятствует дальнейшему продвижению из-за схватывания кабеля.

Известен способ очистки скважин токами высокой частоты с помощью устройства индукционного нагрева в виде цилиндрической катушки (индуктора) [Шилов А.А., Хакимов Т.Г. и др. Тепловое воздействие на призабойную зону пласта с применением высокочастотного нагревателя. - НТВ "Каротажник". Тверь: ГЕРС. 1999. Вып. 64. С. 53-55], которая своим высокочастотным электромагнитным полем наводит греющие вихревые токи.

Недостатком описанного способа является возможность теплового воздействия лишь на локальный участок трубопровода и, как следствие опасность повторного образования пробок в очищенных участках и невозможно использовать вышеописанное устройство для прогрева скважины по всей глубине образования отложений.

Известен способ ликвидации и предотвращения образования отложений и пробок в нефтегазодобывающих скважинах, при котором в скважину на глубину образования отложений погружают нагревательную систему из линейного нагревательного элемента и питающей жилы, осуществляют нагрев путем пропускания электрического тока по нагревательному элементу через питающую жилу и регулируют тепловыделение по глубине образования отложений тем, что изменяют электрическую мощность в релейном режиме так, чтобы температура в скважине была в пределах 5-50°С выше температуры плавления парафинов, одновременно контролируют температуру электроизоляции греющих элементов, ограничивая ее температурой расплавления, и изменяют скорость прохождения продукта по скважине для достаточного его нагрева [RU, патент №2166615, МПК 6 Е21В 37/00, 36/04 от 11.10.99].

Устройство для реализации этого способа в различных вариантах исполнения содержит один или несколько изолированных линейных нагревательных элементов и токопроводящую питающую жилу, а также замыкатель тока между ними, причем нагревательные элементы и токопроводящая жила объединены общей электроизоляцией в одну конструкцию в виде многожильного кабеля.

В одном из вариантов реализации устройства указано, что в качестве линейного нагревателя может быть использована насосно-компрессорная труба (НКТ).

Недостатком этого способа и устройства для его реализации является возможность основного теплового воздействия лишь на нефтепродукт, что приводит к высокому расходу электроэнергии.

Известен способ для предупреждения формирования парафиногидратных образований в нефтегазовых скважинах и трубопроводах, а также для подогрева вязких продуктов в трубопроводах и емкостях с целью их транспортировки и перекачки, заключающийся в осуществлении нагрева с использованием скин-эффекта во внешнем проводнике нагревательного кабеля путем подачи тока от промышленной электросети на вход источника переменного тока нагревательного устройства. [RU, патент С1 №2589553, МПК Н05В 3/56 (2006.01) F16L 53/00 (2006/01)].

Устройство для реализации этого способа в различных вариантах состоит из отрезка нагревательного кабеля работающего на основе скин-эффекта, содержащего центральный проводник, внутренний изоляционный слой и расположенный коаксиально поверх них ферромагнитный внешний проводник, внутренний изоляционный слой выполнен из полимерного материала, а внешний проводник выполнен в виде гофрированной стальной трубы с толщиной стенки менее трех толщин скин-слоя на рабочей частоте напряжения питания и двухфазного источника переменного тока, в котором первый выход источника переменного тока подключен к проксимальному концу центрального проводника, а второй - к проксимальному концу внешнего проводника, причем на дистальном конце указанного отрезка кабеля центральный и внешний проводники замкнуты между собой.

Недостатком этого способа и устройства для его реализации является возможность основного теплового воздействия лишь на нефтепродукт, что приводит к высокому расходу электроэнергии.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому эффекту является способ ликвидации и предотвращения образования отложений и пробок в нефтегазодобывающих скважинах, при котором осуществляют нагрев на глубину образования отложений с помощью нагревательной системы, содержащей линейный нагревательный элемент в виде колонны труб в скважине или металлического проводника, погружаемого в скважину, и погружаемую в скважину питающую жилу, по которой пропускают электрический ток с обеспечением его замыкания в головной части нагревательной системы на линейный нагревательный элемент, при этом регулируют тепловыделение. Через питающую жилу пропускают электрический ток высокой частоты и воздействуют на металл линейного нагревательного элемента высокочастотным полем питающей жилы, при этом частоту электрического тока устанавливают на нижнем пороге из условия, чтобы глубина проникновения высокочастотного поля в металл линейного нагревательного элемента была меньше его толщины, и регулируют тепловыделение таким образом, что обеспечивают преимущественное тепловыделение по длине линейного нагревательного элемента путем уменьшения промежутка между последним и питающей жилой и путем увеличения частоты электрического тока от этого нижнего порога [Патент №2248442, кл. Е21В 37/00, 36/04, опубл. 2005 г.].

Устройство для его реализации содержит нагревательную систему, состоящую из питающей жилы и линейного нагревательного элемента в виде колонны труб в скважине или металлического проводника с сечением, выбранным достаточным для удержания веса погружаемой в скважину нагревательной системы, а также замыкатель электрического тока между ними в головной части нагревательной системы. В качестве металлического проводника устройство содержит голый металлический проводник, питающая жила выполнена из скрученных и изолированных проводников, а замыкатель электрического тока выполнен либо в виде обмотки из высокочастотного провода, намотанной на ферритовый сердечник и помещенной внутрь металлической оболочки таким образом, что ферритовый сердечник торцевыми частями замкнут на эту оболочку, при этом марка феррита сердечника выбрана из условия превышения его температуры потери магнитных свойств над температурой плавления отложений в скважине, но не выше температуры их возгорания или коксования, либо в виде голого электрода, подключенного к питающей жиле, снабженного охранными изоляционными втулками, установленными с промежутками по длине голого электрода, причем голый электрод расположен с образованием вдоль его оси канала для протока жидкости между ним и нагревательным элементом [Патент №2248442, кл. Е21В 37/00, 36/04, опубл. 2005 г.].

Общим недостатком устройств для реализации способа является низкая надежность из-за возможности пробоя головного замыкателя, а также громоздкость конструкции.

Задачей изобретения является повышение производительности очистки скважин, трубопроводов или емкостей за счет обеспечения максимально полного охвата необходимых зон нагрева и обеспечение регулирования выделяемой тепловой мощности на поверхности трубопровода скважины или иного обогреваемого объекта, обеспечение простоты обслуживания и повышения надежности нагревательной системы.

В части питающей жилы и головного замыкателя поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в качестве питающей жилы и замыкателя предлагается применить коаксиальный индукционный кабель, содержащий центральный проводник и внутренний изоляционный слой, поверх них коаксиально расположенные гибкие слои из магнитомягкого материала, центральный изоляционный, внешний электропроводящий и внешний изоляционный слои.

В части нагревательного устройства поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что предлагаемое нагревательное устройство состоит из линейного нагревательного элемента в виде колонны труб в скважине, трубопровода или емкости и в отличие от прототипа, погружаемого в скважину отрезка коаксиального индукционного кабеля, с обеспечением замыкания внутреннего и наружного проводников коаксиального индукционного кабеля в головной части и подключением внутреннего и наружного проводников коаксиального индукционного кабеля в наружной части к выводам источника переменного тока различной частоты, при этом коаксиальный индукционный кабель имеет различную конструктивную индуктивность по своей длине.

В части способа нагрева поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что предполагаемый способ заключается в осуществлении нагрева индуктивными токами, возбуждаемыми в колонне труб скважины, трубопроводе или емкости наружным проводником коаксиального индукционного кабеля путем подачи тока от промышленной сети на вход источника переменного тока различной частоты вышеописанного нагревательного устройства. После подачи тока от промышленной сети предпочтительно регулируют рабочую частоту и выходное напряжение источника переменного тока.

Центральный проводник может быть выполнен в виде оплетки из неферромагнитных проводников с высокой проводимостью или грузонесущего элемента оплетенного проводниками с высокой проводимостью. Внутренний изоляционный слой может быть изготовлен из полимерного материала. Слой из магнитомягкого материала может быть выполнен с возможностью изменения поперечного сечения вдоль продольной оси кабеля. Указанный слой может быть выполнен в виде оплетки из магнитомягкой проволоки и или набора магнитомягких втулок и или спирально навитой ленты из магнитомягкого материала. Поверх слоя из магнитомягкого материала нанесена полимерная изоляция. Внешний проводник может быть выполнен в виде оплетки из неферромагнитных проводников с высокой проводимостью. Поверх внешнего проводника предпочтительно расположена внешняя полимерная оболочка. Внешняя полимерная изоляция может быть выполнена армированной неэлектропроводящим материалом.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1. изображено сечение индукционного кабеля.

На фиг. 2 изображена установка для обработки скважины, содержащая устройство для реализации способа ликвидации и предотвращения образования отложений и пробок в нефтегазодобывающих скважинах.

Коаксиальный индукционный кабель (фиг. 1) состоит из центрального грузонесущего элемента 1, расположенного коаксиально поверх него центрального проводника 2, внутреннего изоляционного слоя 3 из теплостойкого полимерного материала, расположенного коаксиально поверх них слоя из магнитомягкого материала (магнитопровода) 4, расположенного поверх них среднего изоляционного слоя 5, коаксиально расположенного поверх них наружного проводника 6 и внешней полимерной оболочки 7. С одной стороны кабеля внутренний и наружный проводники замкнуты перемычкой 8 и изолированны, а с другой стороны внутренний и наружный проводники подключены к клеммам 9 и 10 источника переменного тока различной частоты.

Установка (фиг. 2) содержит источник переменного тока 11, нагревательную систему из центрального проводника коаксиального индукционного кабеля 2, распределенного магнитопровода коаксиального индукционного кабеля 3, наружного проводника коаксиального индукционного кабеля 4 и линейного нагревательного элемента в виде колонны труб скважины 12. В головной части центральный и наружный проводники коаксиального индукционного кабеля замкнуты и внешне изолированы, а с наружной части наружный и внутренний проводники подключены к источнику переменного тока различной частоты.

Работа линейной нагревательной системы заключается в следующем.

При включении источника переменного тока 11 (фиг. 2), по внутреннему 2 и внешнему 4 проводникам индукционного кабеля начинает протекать переменный электрический ток, создавая намагничивающею силу, под действием которой в распределенном магнитопроводе 3 индукционного кабеля и распределенном магнитопроводе колонны труб в скважине 12 наводятся разделенные переменные магнитные потоки. Магнитопровод 3 индукционного кабеля обеспечивает разделение электромагнитных полей внутреннего и наружного проводников индукционного кабеля и минимизирует взаимное влияние переменных токов вышеуказанных проводников, с одной стороны и улучшает магнитную связь между наружным проводником индукционного кабеля и нагреваемой трубопроводом. Под действием переменного магнитного потока вызванного наружным проводником индукционного кабеля в трубопроводе 12 наводятся вихревые токи, разогревающие эти трубы.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет добиться высокой производительности и качества очистки скважин, а также обеспечить простоту монтажа и надежную работу устройства.

Группа изобретений относится к области электронагрева индукционными токами и может быть использовано в устройствах для ликвидации и предотвращения формирования гидратопарафиновых и асфальтосмолистых образований в нефтегазовых скважинах и трубопроводах, а также для подогрева вязких продуктов. Индукционный кабель содержит центральный грузонесущий элемент, расположенный коаксиально поверх него внутренний многопроволочный проводник, внутренний изоляционный слой, коаксиально расположенный поверх них слой из магнитомягкого материала переменного сечения, центральный изоляционный слой, коаксиально расположенный поверх них внешний многопроволочный проводник и внешний изоляционный слой. Внутренний, наружный проводники, внутренний, центральный и наружный изоляционные слои и слой из магнитомягкого материала выполнены гибкими. Нагревательное устройство включает линейный нагревательный элемент в виде колонны труб в скважине, трубопровода или емкости и помещенного в него отрезка индукционного кабеля, у которого в головной части наружный и внутренний проводники замкнуты между собой. С наружной части один из выводов источника тока переменной частоты подключен к центральному проводнику индукционного кабеля, а другой вывод источника переменного тока подключен к внешнему проводнику индукционного кабеля. Способ нагрева заключается в осуществлении индукционного нагрева колонны труб в скважине, трубопровода или емкости с использованием индукционного поля, создаваемого внешним проводником индукционного кабеля путем подачи тока от промышленной сети на вход источника переменного тока. Повышается производительность очистки скважин с обеспечением регулирования выделяемой тепловой мощности, надежность, обеспечивается простота обслуживания. 3 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Коаксиальный индукционный кабель, содержащий центральный грузонесущий элемент, расположенный коаксиально поверх него внутренний многопроволочный проводник, коаксиально расположенный поверх них внутренний гибкий изоляционный слой из полимерного материала, отличающийся тем, что поверх них коаксиально расположен гибкий слой из магнитомягкого материала переменного сечения по длине, поверх них коаксиально расположен центральный изоляционный слой из гибкого полимерного материала, поверх них коаксиально расположен внешний многопроволочный проводник и расположенный поверх них внешний армированный гибкий изоляционный слой.

2. Нагревательное устройство, состоящее из линейного нагревательного элемента в виде колонны труб в скважине, трубопровода или емкости, помещенного в него отрезка коаксиального индукционного кабеля по п. 1 и источника переменного тока различной частоты, в котором первый выход источника переменного тока подключен к наружному концу центрального проводника коаксиального индукционного кабеля, а второй - к наружному концу внешнего проводника коаксиального индукционного кабеля, причем в головной части указанного отрезка кабеля центральный и внешний проводники замкнуты между собой и внешне изолированы.

3. Способ нагрева, заключающийся в осуществлении нагрева колонны труб в скважине, трубопровода или емкости с использованием индукционного поля, создаваемого внешним проводником коаксиального индукционного кабеля путем подачи тока от промышленной сети на вход источника тока переменной частоты различной частоты вышеописанного нагревательного устройства по п. 2.