ЛАБОРАТОРНЫЙ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЙ ВНУТРИ ПОГРУЖЕННОЙ В НЕФТЯНУЮ СКВАЖИНУ КОЛОННЫ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ КОРРОЗИИ И СЕДИМЕНТАЦИИ Российский патент 2023 года по МПК G01N13/00 G01N17/00 

Изобретение относится к специализированному лабораторному испытательному оборудованию, способному имитировать внутренние условия внутри участка колонны насосно-компрессорных труб (далее НКТ), по которым происходит подъем углеводородного сырья в нефтяной скважине. Целью подобного моделирования, как правило, является аппробация методов противодействия осложняющим факторам нефтедобычи - коррозии и различным видам отложений, а также набор достаточного массива статистических данных для выявления закономерностей в механизмах этих пагубных процессов. Изобретение может быть использовано в испытательных лабораториях, проводящих эксперименты в интересах нефтегазовых компаний и производителей погружного нефтедобывающего оборудования.

Наиболее ответственным элементом скважинного погружного оборудования является колонна НКТ, задачей которой является непосредственный подъем сырья на поверхность и ряд других функций. Работа НКТ часто осложнена как минимум одним из осложняющих промысловых факторов - коррозионной агрессивностью перекачиваемой среды или выпадением на стенках трубы твердых асфальто-смоло-парафиновых отложений (АСПО) из нефти по мере ее подъема на поверхность. Коррозия приводит к разгерметизации или даже ослаблению сечения металла трубы с последующим обрушением всей колонны. Тяжелые углеводородные компоненты выделяются из поднимаемой нефти по мере снижения давления и температуры в стволе скважины. Они оседают и накапливаются на стенках труб на глубине до 600-800 м, уменьшая проходное сечение НКТ, нарушая работу насосного оборудования, увеличивая энергозатраты на выкачивание пластового флюида, вплоть до полного срыва подачи нефти На практике свойства добываемой из скважины продукции хорошо известны, поэтому работа скважины просто останавливается с частотой до одного раза в сутки для очистки внутренней поверхности НКТ от АСПО.

Интенсивность коррозии и отложений зависит как от химического и фракционного состава пластового флюида, так и от условий эксплуатации скважины - температуры нефти и затрубного пространства у поверхности, давления, скорости и режима течения потока. Наиболее перспективным методом противодействия коррозии и АСПО является применение внутритрубных покрытий, изолирующих металл от агрессивной среды и противодействующих закреплению и нарастанию отложений на стенках труб. Кроме этого, для минимизации фактора коррозии и АСПО на практике применяется также ингибирование пластовой жидкости различными реагентами.

Даже в пределах одного месторождения состав пластовой продукции и физические условия добычи могут сильно изменяться от скважины к скважине. Таким образом существует необходимость подбора ингибитора, покрытия или сплава, наиболее эффективно противодействующего осложняющим факторам в определенных условиях. Наибольшая практическая и научная отдача от подобных экспериментов в том случае, если они проводятся в лабораторных условиях с возможностью наблюдения результатов на разных стадиях процесса и быстрого набора необходимого массива статистических данных для выявления закономерностей развития коррозии и выпадения АСПО в разных условиях.

Для решения этой задачи в мировой практике широко проводятся натурные эксперименты на специальных лабораторных циркуляционных стендах, имитирующих движение нефтяного потока на участке горизонтального трубопровода или в колонне НКТ. Ввиду необходимости набора большого количества статистических данных по таким испытаниям, неоднозначности и противоречивости получаемых результатов и отсутствия полного понимания механизмов прежде всего образования и отложения АСПО, простого воспроизведения физических условий на таких стендах недостаточно.

Необходимость проведения множества экспериментов и статистической обработки их результатов, что особенно касается изучения проблемы отложений, обуславливает потребность обеспечить максимальную сходимость и воспроизводимость количества и скорости выпадения АСПО в одинаковых условиях. Достигается это прежде всего единообразием термобарических и гидравлических условий прохождения потока через несколько секций выпадения АСПО в рамках одного испытательного цикла.

Из уровня техники известно, что большинство конструкций, существующих на сегодняшний день лабораторных гидравлических стендов с замкнутым контуром для изучения выпадения АСПО на стенках труб, не имеют подобной проблемы по причине наличия лишь одной тестовой секции коаксиального типа «труба в трубе», в которой при движении хладагента по межтрубному пространству и достигается выпадение АСПО. Такой подход не позволяет масштабировать проведение экспериментов по осаждению и учитывая, что время проведения одного цикла испытаний составляет до нескольких суток, приводит к чрезмерным временным затратам на все необходимые испытания. Также при этом невозможны сравнительные испытания нескольких тестовых образцов в условиях одного испытательного цикла.

Из уровня техники наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является лабораторно-исследовательский циркуляционный стенд для испытаний методов противодействия процессам седиментации и коррозии в колонне насосно-компрессорных труб (Патент на полезную модель RU 202556 U1). Этот стенд был спроектирован, изготовлен, протестирован и запатентован авторами настоящего патента. Стенд состоит из замкнутого контура для нагрева и циркуляции испытательной среды, имитирующей пластовую жидкость, с включенной в него тестовой секцией из четырех параллельных испытательных патрубков - реальных сегментов НКТ, через которые прокачивается испытательная среда. Поверх каждого испытательного патрубка коаксиально «надета» охлаждающая рубашка, создающая герметичный зазор для циркуляции хладагента в межтрубном пространстве для охлаждения образцов при экспериментах по выпадению АСПО. Контроль температурных условий осаждения обеспечивается посредством температурных датчиков, каждый из которых через сквозное отверстие охлаждающей рубашки размещен в предварительно высверленном в испытательном образце глухом посадочном месте. Это позволяет напрямую контролировать в режиме реального времени температуру границы раздела между испытательной средой и охлажденной стенкой на протяжении всего процесса осаждения АСПО.

Недостатком такой конструкции стенда, выявленным при проведении исследований на нем, являлось отсутствие единообразия гидравлических и термических условий для каждой испытательной секции.

Взаиморасположение испытательных патрубков приводило к различным скоростям потоков в них по причине разной их удаленности от единых точек входа и выхода потока из испытательной секции. В ближайших к выходам из испытательной секции патрубках НКТ поток приводил к преимущественному срыву слоя отложений, тогда как в крайних патрубках образовывались практически застойные зоны. Система подвода и отвода хладагента, состоящая из гибких шлангов, оказалась чувствительной к перегибам - номинально одинаковый расход и скорость потока хладагента из-за изгибов и пережатий подводящих шлангов не обеспечивали равенства интенсивности охлаждения каждого патрубка. Кроме того, температурный градиент между испытательной средой и омываемой ею поверхностью произвольно меняется при нарастании слоя АСПО, являющегося теплоизолятором, и при срыве отложений потоком с локального участка стенки испытательного патрубка. Таким образом, тепловой градиент между испытательной средой и всей омываемой им поверхностью будет отличатся в разных патрубках даже при одной и той же температуре хладагента. Поэтому необходима обратная связь между тепловым датчиком в стенке каждого патрубка и системой охлаждения для регулировки действительного температурного градиента в автоматическом режиме.

Техническая задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в обеспечении единообразия термических и гидравлических условий в каждой испытательной секции в рамках одного цикла.

Достигаемый технический результат - повышение сходимости и воспроизводимости результатов стендовых испытаний в условиях необходимости набора большого количества статистических данных для проверки существующих моделей прогнозирования выпадения АСПО на разных типах поверхности и возможности сопоставления результатов стендовых испытаний с результатами ОПИ и косвенных методов оценки стойкости поверхностей к выпадению АСПО.

Технический результат достигается тем, что лабораторный испытательный стенд для воспроизведения эксплуатационных условий внутри погруженной в нефтяную скважину колонны насосно-компрессорных труб, при испытаниях различных методов противодействия коррозии и седиментации, содержит в своей основе замкнутый гидравлический контур для нагрева и циркуляции идентичной добываемым из нефтяных пластов водонефтяным смесям испытательной среды, в который включена испытательная секция состоящая из четырех съемных вертикальных параллельных коаксиальных конструкций типа «труба в трубе», в которых внутренняя труба является испытательным образцом в виде сегмента НКТ, омываемого изнутри циркулирующей средой, а внешняя труба является охлаждающей рубашкой и образует межтрубный зазор, по которому циркулирует хладагент, охлаждая внутренние стенки сегментов НКТ и провоцируя выпадение АСПО из испытательной среды с возможностью контроля температурных условий выпадения отложений в реальном времени за счет наличия в каждой рубашке охлаждения сквозного отверстия, соосно располагаемого при сборке образца и рубашки с высверленным в образце глухом отверстием и монтажом внутрь получившегося посадочного места термодатчиков, причем съемные коаксиальные конструкции взаиморасположены относительно друг друга в испытательной секции так, что потоки испытательной среды, протекающие через каждый сегмент НКТ, преодолевают одинаковое расстояние от общей точки входа в испытательную секцию до общей точки выхода из нее, обеспечивая единообразие гидродинамических условий в каждом испытательном патрубке, кроме того в систему подвода хладагента от емкости с хладагентом и криостатом к охлаждающим рубашкам испытательных секций включен электромагнитный распределительный коллектор, регулирующий подачу хладагента в охлаждающую рубашку каждого отдельного патрубка для обеспечения равенства температурных условий охлаждения стенок вне зависимости от того как происходит осаждение АСПО в каждом патрубке; управление коллектором осуществляется дистанционно и автоматически посредством обратной связи от сигналов с термодатчиков в стенке каждого образца, поступающих на терминал управления стендом и оттуда по проводной связи управляющими каждым электромагнитным клапаном коллектора.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:

Фиг. 1 - Общий вид лабораторного испытательного стенда

Фиг. 2 - Схема автоматического дистанционного управления потоком хладагента в охлаждающую рубашку на каждом испытательном сегменте НКТ для поддержания равенства температурных условий образования АСПО в них.

Лабораторный испытательный стенд для воспроизведения эксплуатационных условий внутри погруженной в нефтяную скважину колонны насосно-компрессорных труб при испытаниях различных методов противодействия коррозии и седиментации состоит из бака 1, в который перед экспериментом заливается испытательная водонефтяная среда, перекачивающего насоса 2, трубопроводной системы, состоящей из байпасного контура 3, в котором циркулирует и перемешивается среда, в течение некоторого времени, до полного расплавления всех углеводородных составляющих и основного контура 4, включающего испытательную секцию 5 с четырьмя параллельными вертикальными коаксиальными сборками типа «труба в трубе» 6, в виде испытательных сегментов НКТ внутри охлаждающих рубашек. Также в состав стенда входит терминал управления 7, подъемный механизм 8, регулирующий высоту испытательной секции и позволяющий испытывать патрубки НКТ разной длины. Регулировка высоты возможна благодаря гибкому металлорукаву 9 между испытательной секцией и баком для водонефтяной среды. По всей длине снаружи байпасного и основного контура, за исключением испытательной секции, расположены ленточные электронагреватели 10 для подогрева испытательной жидкости в процессе циркуляции.

Стенд и система автоматической регулировки температурного градиента между средой и стенкой испытательного патрубка работают следующим образом:

Через верхнюю крышку бака 1 заливается испытательная среда, чей состав зависит от цели проводимого эксперимента. В случае необходимости изучения процессов выпадения АСПО на внутренних стенках испытательных патрубков это сырая нефть с водой в различных пропорциях, насыщенная парафиновыми углеводородами. Под действием насоса 2 водонефтяная смесь начинает циркулировать в байпасном контуре 3, изолированном от основного испытательного контура. Через несколько часов, когда гарантированно произойдет полное расплавление всех углеводородов в испытательной жидкости под действием нагревателей 10 и смесь тщательно перемешается, происходит переключение циркуляции жидкости с байпасного контура на основной контур 4 и в охлаждающие рубашки начинается подача хладагента. При этом начинается отсчет начала испытания.

Нагретая водонефтяная смесь попадает в испытательную секцию 5, где движется снизу вверх, после чего происходит разделение потока в месте разветвления секции на четыре направления по количеству коаксиальных сборок 6. Разделенный поток, пройдя сквозь испытательные коаксиальные сборки проходит через металлорукав 9 обратно в бак, циркулируя таким образом по замкнутому контуру до остановки насоса, обеспечивая омывание внутренней поверхности испытательных патрубков с той или иной целью эксперимента. При необходимости съема коаксиальных сборок 6 и замены в них испытательных патрубков на другие, это можно сделать без остановки циркуляции жидкости переключением с основного контура обратно на байпасный. Расстояние L от места разделения общего потока на входе в испытательную секцию 5 до выхода из нее, показанное на фиг. 1, является равным для потоков, проходящих через все испытательные патрубки, в составе коаксиальных сборок 6, что обеспечивает единообразие гидродинамических условий во всех патрубках при проведении эксперимента.

Температурный градиент между средой и стенкой испытательного патрубка регулируется автоматически и дистанционно согласно схеме, представленной на фиг. 2. Регулировка происходит путем передачи сигнала, пропорционального температуре стенки испытательного патрубка, с термодатчика, смонтированного в каждой коаксиальной сборке, на терминал управления. Передача осуществляется посредством проводной связи. С терминала данные в виде соответствующего уровня напряжения также передаются на электромагнитные катушки распределительного коллектора, смонтированного между емкостью с хладагентом и криостатом и лабораторным стендом.

В зависимости от напряжения, подаваемого на каждую катушку, происходит открытие или закрытие клапана, через который хладагент подается в каждую испытательную сборку. Таким образом, путем такой постоянной подачи хладагента в импульсном режиме осуществляется поддержание единого для всех образцов температурного градиента вне зависимости от толщины слоя АСПО на стенках, возможного срыва части отложений потоком среды и перегибов/пережатий в системе подачи хладагента в стенд. Точность регулировки его при такой системе составляет 0,3-0,4°С.

Изобретение относится к лабораторному испытательному оборудованию, способному имитировать внутренние условия внутри участка колонны насосно-компрессорных труб (НКТ), по которым происходит подъем углеводородного сырья в нефтяной скважине. Лабораторный испытательный стенд для воспроизведения эксплуатационных условий внутри погруженной в нефтяную скважину колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) при испытаниях различных методов противодействия коррозии и седиментации содержит в своей основе замкнутый гидравлический контур для нагрева и циркуляции идентичной добываемым из нефтяных пластов водонефтяным смесям испытательной среды, в который включена испытательная секция, состоящая из четырех съемных вертикальных параллельных коаксиальных конструкций типа «труба в трубе», в которых внутренняя труба является испытательным образцом в виде сегмента НКТ, омываемого изнутри циркулирующей средой, а внешняя труба является охлаждающей рубашкой и образует межтрубный зазор, по которому циркулирует хладагент, охлаждая внутренние стенки сегментов НКТ и провоцируя выпадение асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО) из испытательной среды с возможностью контроля температурных условий выпадения отложений в реальном времени за счет наличия в каждой рубашке охлаждения сквозного отверстия, соосно располагаемого при сборке образца и рубашки с высверленным в образце глухим отверстием и монтажом внутрь получившегося посадочного места термодатчиков. Съемные коаксиальные конструкции взаиморасположены относительно друг друга в испытательной секции так, что потоки испытательной среды, протекающие через каждый сегмент НКТ, преодолевают одинаковое расстояние от общей точки входа в испытательную секцию до общей точки выхода из нее, обеспечивая единообразие гидродинамических условий в каждом испытательном патрубке, кроме того, в систему подвода хладагента от емкости с хладагентом и криостатом к охлаждающим рубашкам испытательных секций включен электромагнитный распределительный коллектор, регулирующий подачу хладагента в охлаждающую рубашку каждого отдельного патрубка для обеспечения равенства температурных условий охлаждения стенок вне зависимости от того, как происходит осаждение АСПО в каждом патрубке; управление коллектором осуществляется дистанционно и автоматически посредством обратной связи от сигналов с термодатчиков в стенке каждого образца, поступающих на терминал управления стендом и оттуда по проводной связи управляющих каждым электромагнитным клапаном коллектора. Техническим результатом является повышение сходимости и воспроизводимости результатов стендовых для проверки существующих моделей прогнозирования выпадения АСПО на разных типах поверхности и возможности сопоставления результатов стендовых испытаний с результатами ОПИ и косвенных методов оценки стойкости поверхностей к выпадению АСПО. 2 ил.

Лабораторный испытательный стенд для воспроизведения эксплуатационных условий внутри погруженной в нефтяную скважину колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) при испытаниях различных методов противодействия коррозии и седиментации, содержащий в своей основе замкнутый гидравлический контур для нагрева и циркуляции идентичной добываемым из нефтяных пластов водонефтяным смесям испытательной среды, в который включена испытательная секция, состоящая из четырех съемных вертикальных параллельных коаксиальных конструкций типа «труба в трубе», в которых внутренняя труба является испытательным образцом в виде сегмента НКТ, омываемого изнутри циркулирующей средой, а внешняя труба является охлаждающей рубашкой и образует межтрубный зазор, по которому циркулирует хладагент, охлаждая внутренние стенки сегментов НКТ и провоцируя выпадение асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО) из испытательной среды с возможностью контроля температурных условий выпадения отложений в реальном времени за счет наличия в каждой рубашке охлаждения сквозного отверстия, соосно располагаемого при сборке образца и рубашки с высверленным в образце глухим отверстием и монтажом внутрь получившегося посадочного места термодатчиков, отличающийся тем, что съемные коаксиальные конструкции взаиморасположены относительно друг друга в испытательной секции так, что потоки испытательной среды, протекающие через каждый сегмент НКТ, преодолевают одинаковое расстояние от общей точки входа в испытательную секцию до общей точки выхода из нее, обеспечивая единообразие гидродинамических условий в каждом испытательном патрубке, кроме того, в систему подвода хладагента от емкости с хладагентом и криостатом к охлаждающим рубашкам испытательных секций включен электромагнитный распределительный коллектор, регулирующий подачу хладагента в охлаждающую рубашку каждого отдельного патрубка для обеспечения равенства температурных условий охлаждения стенок вне зависимости от того, как происходит осаждение АСПО в каждом патрубке; управление коллектором осуществляется дистанционно и автоматически посредством обратной связи от сигналов с термодатчиков в стенке каждого образца, поступающих на терминал управления стендом и оттуда по проводной связи управляющих каждым электромагнитным клапаном коллектора.