СПОСОБ ЛИКВИДАЦИИ ЛЕДЯНЫХ ПРОБОК В СКВАЖИНЕ Российский патент 2023 года по МПК E21B37/00 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей отрасли, а именно к области эксплуатации наблюдательных скважин сети геотехнического мониторинга и может быть использовано для ликвидации в них ледяных пробок.

Известны различные способы и устройства для удаления гидратно-парафиновых и ледяных отложений в скважинах: пропаривание пробок горячим водяным паром или горячей водой через трубки и шланги, спускаемые в скважины; нагрев пробок спускаемыми в скважины нагревателями различного рода - электрическими, электролитическими, химическими и т.д. (Хорошилов В.А., Малышев А.Г. Предупреждение и ликвидация гидратных отложений при добыче нефти. - М., 1986. - //Нефтепромысловое дело: Обзор информ. /ВНИИОЭНГ; Вып. 15 (122)).

Основным недостатком использования указанных технических решений для удаления льда из наблюдательных термометрических скважин является нарушение установившегося температурного режима, вмещающих скважину грунтов оснований инженерных объектов.

Известен способ плавления льда без подогрева, при температуре ниже 0°С. Плавление выполняется путем обработки поверхности льда веществами, плавящими лед, например, растворами поваренной соли, этиленгликоля, глицерина и др. (Бобков В.А. Производство и применение льда. - М., Пищевая промышленность, 1977. - 232 с.). Например, при взаимодействии хлористых солей со льдом происходит гидратация ионов хлора молекулами воды, что вызывает разрушение кристаллической структуры льда. В результате лед тает (плавится) и образуется раствор соли, который имеет температуру замерзания ниже, чем температура замерзания воды.

Основным недостатком данного способа является длительность процесса плавления льда, что не позволяет его эффективно использовать для удаления ледяных пробок из скважин.

Известен способ удаления ледяной пробки из наблюдательных скважин с помощью бурения малогабаритными буровыми установками, который позволяет извлечь лед из скважины, не нарушая установившийся температурный режим грунтов.

Недостатками способа является его трудоемкость и ограничения по применению в стесненных условиях, например, вентилируемых подполий.

Наиболее близким является Способ ликвидации гидратных и парафиногидратных пробок в скважинах, включающий заливку в скважину электропроводящей жидкости с возможностью расположения ее над верхней частью пробки, спуск в скважину электрода, подключенного к источнику тока, с погружением его в электропроводящую жидкость до верхней границы пробки, расплавление материала пробки посредством электрода и продвижение его по мере плавления материала пробки [RU 2204698 С2, МПК Е21В 37/00, Е21В 36/04, опубликовано 20.05.2003 г.], взятый в качестве ближайшего аналога.

Основными недостатками указанного способа являются растепление (оттаивание) вмещающих скважину грунтов, в результате нагрева электродов и электролита за счет использования мощных источников энергии.

Задачей изобретения является удаление ледяных пробок из наблюдательных скважин без нарушения температурного режима вмещающих грунтов, за счет плавление льда без нагрева раствора электролита.

Поставленная задача достигается тем, что Способ ликвидации ледяных пробок в скважине включает:

- заливку в скважину электропроводящей жидкости с возможностью расположения ее над верхней частью пробки;

- спуск в скважину электрода, подключенного к источнику тока, с погружением его в электропроводящую жидкость до верхней границы пробки;

- расплавление материала пробки посредством электрода и продвижение его по мере плавления материала пробки,

при этом:

- материал пробки представляет лед;

- скважина представляет собой наблюдательную скважину в виде металлической трубы заданного размера;

- электропроводящая жидкость представляет собой раствор электролита;

- используется, по меньшей мере, один электрод, в этом случае вторым электродом будет металлическая труба термометрической скважины, причем она будет катодом (подключена к отрицательному полюсу источника питания), чтобы не разрушаться в результате электрохимических реакций;

- располагают электроды в скважине коаксиально с использованием электроизоляционных материалов, обеспечивая изоляцию электродов от стенки скважины и между электродами, и закрепляют их;

- электроды подключают к источнику постоянного тока, чередуя соединение электродов с катодом и анодом, обеспечивая протекание процесса электролиза раствора электролита и плавление льда ледяной пробки без нагрева;

- дополнительно электроды снабжают отверстиями, дополнительно в процессе плавления льда ледяной пробки подают воздух под давлением от компрессора, например, по шлангу, на контакт электродов с поверхностью ледяной пробки;

- дополнительно устанавливают датчик температуры в межэлектродное пространство, обеспечивая контроль температуры раствора электролита.

На фиг. 1 изображена наблюдательная скважина с ледяной пробкой и раствором электролита, на фиг. 2 изображена наблюдательная скважина с ледяной пробкой и раствором электролита, снабженная трубчатыми электродами, на фиг. 3 изображен график динамики плавления ледяной пробки.

Наблюдательные скважины являются обязательным элементом сети геотехнического мониторинга, проведение которого в области распространения многолетнемерзлых пород предусмотрено на стадии строительства и эксплуатации всех видов зданий и сооружений.

Наблюдательные скважины, например, термометрические, изготавливаются из стальных труб диаметром 38-76 мм, длиной 10-15 м и более. В процессе эксплуатации часть наблюдательных скважин выходит из строя, в результате образования в них ледяных пробок. На некоторых производственных объектах количество неработающих по указанной причине наблюдательных скважин может достигать 50% и более, от всего фонда наблюдательных скважин.

Вывод наблюдательной скважины из эксплуатации предполагает погружение новой наблюдательной скважины-дублера, для сохранения информативности результатов геотехнического мониторинга, что является дорогостоящим мероприятием. Кроме того, значительное количество наблюдательных скважин располагается на участках плотной застройки или под зданиями с вентилируемым подпольем, где производство буровых работ на стадии эксплуатации затруднительно или невозможно осуществить. В результате снижается информативность и достоверность результатов режимных наблюдений за состоянием грунтов оснований зданий и сооружений.

Таким образом, разработка способа плавления льда в скважинах является актуальной задачей, имеющей важное значение для обеспечения эксплуатационной надежности инженерных объектов.

Способ ликвидации ледяных пробок - отложений реализуется следующим образом.

1. Приготовляют раствор электролита, например, гидрокарбоната натрия, заданной концентрации.

2. В наблюдательную скважину 1 с ледяной пробкой 2 заливают раствор электролита 3 (фиг. 1) в заданном объеме.

3. Берут металлические трубчатые электроды 4 (Электроды), которые представляют собой трубы заданного размера диаметра, например, стальные трубы заданного размера диаметра, и выполняют в них отверстия 5.

4. Далее электроды 4 устанавливают коаксиально с использованием электроизоляционных материалов 6. Электроизоляционные материалы 6, которые представляют собой, например, изоляционную ленту ПВХ, обеспечивают изоляцию электрода 4 от стенок скважины 1 и между электродами 4. Кроме того, дополнительно посредством электроизоляционных материалов 6 формируют направление циркуляции раствора электролита и пузырьков газов, атмосферного воздуха.

5. Затем трубчатые электроды 4 закрепляют посредством фиксирующих элементов 7, например, шпилек.

6. Затем трубчатые электроды 4 опускают в скважину 1 на канате 8, погружая в раствор электролита 3, расположенный над ледяной пробкой (фиг. 2), до контакта с ледяной пробкой 2.

7. Электроды 4 подключают к источнику постоянного тока 9, чередуя катод-анод, затем на электроды 4 подают напряжение по питающей линии 10, при этом электрический потенциал на электродах 4 должен обеспечивать протекание процесса электролиза раствора электролита.

В результате протекания процесса электролиза раствора электролита кристаллическая структура льда ледяной пробки 2 в месте контакта ее с электродами 4 и в межэлектродном пространстве разрушается под воздействием продуктов окислительно-восстановительных реакций,

8. При этом необходимо обеспечивать постоянный контакт электродов 4 со льдом ледяной пробки 2 и перемешивание раствора электролита всплывающими пузырьками электрохимических газов.

Учитывая, что окислительно-восстановительные реакции протекают на поверхности электродов 4, наиболее интенсивное плавление льда ледяной пробки 2 наблюдается непосредственно на контакте с электродами 4. Разрушение кристаллической структуры льда ледяной пробки 2 в межэлектродном пространстве связано с массообменными процессами, обусловленными, главным образом, выделением на электродах 4 пузырьков газов.

9. В процессе плавления льда выполняется контроль напряжения и силы тока. По мере плавления льда объем раствора электролита в скважине 1 увеличивается, а концентрация раствора электролита понижается, что фиксируется по изменению контролируемых параметров и может выражаться как в затухании процесса электролиза, так и нагревании электродов.

10. При фиксации отклонений контролируемых параметров от заданных значений, источник постоянного тока 9 выключают и с помощью каната 8 электроды 4 поднимают из скважины 1 на дневную поверхность.

11. Отработанный водный раствор электролита 3, разбавленный талой водой ледяной пробки 2 и содержащий продукты разрушения электродов 4, подключенных к аноду (продуктами электрохимической коррозии электродов 4), удаляют из скважины 1 с помощью известного устройства, например, вычерпывают из скважины с помощью желонки.

12. Выполняют визуальный осмотр трубчатых электродов 4 и, при необходимости, вытаскивают фиксирующий элемент 7 и заменяют электрод (анод), разрушенный электрохимической коррозией.

13. Затем в скважину 1 заливают свежий раствор электролита. Указанные технологические операции выполняют до тех пор, пока ледяная пробка не будет полностью удалена из скважины 1.

В процессе плавление льда возможно локальное снижение концентрации раствора электролита в зоне контакта электродов 4 со льдом ледяной пробки 2, за счет разбавления раствора талой водой.

Дополнительно в процессе плавления льда ледяной пробки 2 подают воздух под давлением от компрессора, например, по гибкому шлангу, на контакт электродов 4 с поверхностью ледяной пробки 2 для выравнивания концентрации раствора электролита во всем заполненном объеме скважины 1, то есть целесообразно дополнительно выполнять во всем заполненном объеме скважины 1 барботаж воздухом.

Воздух подают непосредственно в зону контакта электродов 4 со льдом ледяной пробки 2.

Дальнейшая циркуляция воздуха и увлекаемого им раствора электролита осуществляется через отверстия 5 электродов 4, по направлениям, которые предварительно формируют с помощью изоляционных материалов.

Дополнительно, при необходимости сохранить установившийся температурный режим, вмещающих скважину 1 многолетнемерзлых грунтов, рекомендуется контролировать температуру раствора электролита в процессе электролиза, установив в межэлектродное пространство датчик температуры. Пример конкретного осуществления способа.

Был приготовлен водный раствор гидрокарбоната натрия (NaHCO₃) с концентрацией 20 г/л. В скважину в виде стальной трубы 1 диаметром 57 мм (57×5) с ледяной пробкой 2 залили водный раствор гидрокарбоната натрия (NaHCO₃) в объеме 180 мл. Взяли три стальных трубчатых электрода 4, диаметром 42, 20 и 8 мм. В электродах 4 диаметром 42 и 20 мм выполнили отверстиями 5 диаметром 4 мм, а нижний конец электрода 4 диаметром 8 мм заглушили и сформировали в виде конуса, чтобы процессе плавления льда пузырьки газов и воздуха не выходили на дневную поверхность через полое пространство трубчатого электрода 4 диаметром 8 мм. Электроды 4 установили коаксиально с использованием электроизоляции 6 в виде изоляционных колец 6. Изоляционные кольца на электродах 4 и электроизоляция шпильки выполнены из изоляционной ленты ПВХ. Трубчатые электроды 4 закрепили фиксирующей электроизоляционной шпилькой. Электроды 4 опустили на канате 8 в скважину 1 и погрузили водный раствор гидрокарбоната натрия (NaHCO₃) до поверхности льда ледяной пробки 2. Электроды 4 диаметром 42 и 8 мм подсоединили к отрицательному полюсу 12В автомобильного аккумулятора, а электрод 4 диаметром 20 мм, расположенный в межэлектродном пространстве двух электродов 4 диаметром 42 и 8 мм, к положительному полюсу.

В результате электроды 4 диаметром 42, 20 и 8 мм подключены по схеме катод-анод-катод. В качестве питающей линии использовали медный провод ПВС 3×1,5.

От аккумулятора подали на три электрода 4 постоянное напряжение 12 вольт для протекания электролиза водного раствора гидрокарбоната натрия (NaHCO₃), что визуально фиксировалось по всплывающим пузырькам газа.

В процессе электролиза три электрода 4 погружались внутрь стальной трубы 1 под действием собственного веса, за счет разрушения (плавления) кристаллической структуры льда ледяной пробки 2 в результате воздействия продуктов окислительно-восстановительных реакций, протекающих на поверхности трех электродов 4. Наиболее интенсивное плавление льда ледяной пробки 2 наблюдалось по площади соприкосновения с поверхностью электродов 4.

В процессе плавления льда ледяной пробки 2 выполнялся контроль величины напряжения и силы тока. В условиях эксперимента сила тока составляла 1-2 ампера при объеме водного раствора NaHCO₃ около 180 мл. При существенном увеличении площади контакта трех электродов 4 с раствором электролита, за счет таяния льда ледяной пробки 2, сила тока повышалась до 3-4 ампер и электроды 4 начинали нагреваться, поэтому часть электролита вычерпывали. Если наблюдалось падение силы тока ниже 1 ампера, в результате постепенного разбавления водного раствора NaHCO₃ талой водой от ледяной пробки 2, отработанный электролит вычерпывали и заливали его свежий раствор.

Динамика плавления льда ледяной пробки 2 в трубе 1 при постоянном напряжении 12 вольт и силе тока 1-2 ампера, представлена на фиг. 3.

Всего было пройдено 19,7 см ледяной пробки за 129 минут. Средняя скорость плавления льда составила 9,2 см/час.

Таким образом, заявленное техническое решение позволяет:

- плавить лед ледяной пробки 2 в скважинах при низком напряжении и силе постоянного тока, без нарушения теплового режима грунтов (плавить лед без растепления вмещающих скважину грунтов);

- использовать малогабаритные автономные источники энергии (автомобильный аккумулятор);

- снизить энергоемкость работ по плавлению льда в скважине;

- повысить безопасность работ на опасных производственных объектах.

Использование, например, в качестве источника питания аккумулятора, позволяет применять заявленное техническое решение на опасных промышленных объектах, нефтегазодобывающего комплекса, где предусмотрены жесткие требования в области промышленной безопасности.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей отрасли и может быть использовано для ликвидации ледяных пробок в скважинах. Способ включает заливку в скважину электропроводящей жидкости с возможностью расположения ее над верхней частью пробки, спуск в скважину первого электрода с погружением его в электропроводящую жидкость до верхней границы пробки, расплавление материала пробки посредством электрода и продвижение электрода по мере плавления материала пробки. Электропроводящая жидкость представляет собой раствор электролита. В качестве второго электрода используют металлическую трубу наблюдательной скважины, подключенную к отрицательному полюсу источника питания, или спускаемые в скважину дополнительные электроды, располагают электроды в скважине коаксиально с использованием электроизоляционных материалов, обеспечивая изоляцию электродов от стенки скважины и между электродами, и закрепляют их. Электроды подключают к источнику постоянного тока, чередуя соединение электродов с катодом и анодом, обеспечивая протекание процесса электролиза раствора электролита и плавление ледяной пробки без нагрева. Обеспечивается возможность плавления ледяной пробки при низком напряжении и силе тока без нарушения теплового режима грунтов, снижается энергопотребление, повышается безопасность работ. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ ликвидации ледяных пробок в скважине, включающий заливку в скважину электропроводящей жидкости с возможностью расположения ее над верхней частью пробки, спуск в скважину первого электрода, подключенного к источнику тока, с погружением его в электропроводящую жидкость до верхней границы пробки, расплавление материала пробки посредством электрода и продвижение электрода по мере плавления материала пробки, отличающийся тем, что электропроводящая жидкость представляет собой раствор электролита, в качестве второго электрода используют металлическую трубу наблюдательной скважины, подключенную к отрицательному полюсу источника питания, или спускаемые в скважину дополнительные электроды, располагают электроды в скважине коаксиально с использованием электроизоляционных материалов, обеспечивая изоляцию электродов от стенки скважины и между электродами, и закрепляют их, электроды подключают к источнику постоянного тока, чередуя соединение электродов с катодом и анодом, обеспечивая протекание процесса электролиза раствора электролита и плавление льда ледяной пробки без нагрева.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно электроды снабжают отверстиями.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно в процессе плавления льда ледяной пробки подают воздух под давлением от компрессора по шлангу на контакт электродов с поверхностью ледяной пробки.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно устанавливают датчик температуры в межэлектродное пространство, обеспечивая контроль температуры раствора электролита.