Оборудование для добычи горячего продукта из скважины, расположенной в зоне вечномерзлых пород Советский патент 1992 года по МПК E21B43/00 E21B36/00 

Изобретение относится к проблеме обустройства месторождений жидких и газообразных продуктов в районах распространения вечной мерзлоты, а конкретно к задаче защиты от растепления вечномерзлых пород, в которых сооружаются эксплуатационные скважины для добычи горячих продуктов.

Известны различные конструкции оборудования скважин, обеспечивающие ту или иную степень защиты вечномерзлых пород от растепления. Некоторые из них предусматривают пассивную защиту с помощью

теплоизоляционных экранов Их использование не позволяет полностью предотвратить растепление, а обеспечивает только некоторую задержку начала процесса деградации вечномерзлой породы Интервал времени задержки до начала процесса деградации существенно зависит от температуры добываемого продукта, теплоизоляционных свойств экрана, температуры и свойств породы В большинстве случаев применение теплоизоляционных экранов не дает возможности гарантировать отсутствие протаивания на весь срок эксплуатации скважины.

ч

VI

О

ю о ю

00

В связи с этим были разработаны конструкции скважин, использующие различные варианты активной защиты, предусматривающие охлаждение внешней колонны в скважине одним из следующих методов: по принципу естественной конвекции за счет низкой температуры атмосферного воздуха, аналогично тому, как это делается в конструкциях сезонно действующих термосвай; за счет принудительной циркуляции охлаждаемого хладагента в кольцевом пространстве между трубными колоннами; за счет эффекта Джоуля-Томсо- на или эффекта Ранка газа, вводимого в наружное кольцевое пространство.

Близкими к предлагаемому следует считать методы активной защиты, выполненные в сочетании с теплоизоляционным экраном.

В качество прототипа рассматривался один из комплексов оборудования, включающий ряд трубных колонн, разделенных кольцевыми межтрубными пространствами, в одном из которых смонтирован кольцевой теплоизоляционный экран, а другое, находящееся с наружной стороны экрана, используется в качестве испарителя для хладагента - низкокипящей жидкости. Комплекс оборудования содержит также компрессор, установленный на поверхности земли, конденсатор для сброса тепла в атмосферу, резервуар и дроссель.

Комплекс оборудования с системой охлаждения, собранной по такой схеме и позволяющей круглогодично отводить тепло из зоны скважины, выгодно отличается от устройств с системами охлаждения, работающими на принципе естественной конвекции. Последние обеспечивают защиту породы от растепления только при низких температурах наружного воздуха и перестают работать при положительных температурах. Если скважина пробурена в засоленной породе, то работа системы охлаждения по принципу естественной конвекции становится неэффективной при температурах воздуха выше (-7) - (-10)°С.

Однако в устройстве-прототипе для обеспечения круглогодичного охлаждения грунта приходится использовать компрессорное оборудование, то есть необходимо иметь источник энергии для привода компрессора; периодически контролировать работу компрессорного оборудования и обслуживать его.

Цели изобретения состоят в снижении капитальных, эксплуатационных и- энергетических затрат на обеспечение круглогодичного охлаждения вечномерзлой породы

в зоне скважины, путем использования тепловой энергии добываемого продукта

Цели изобретения достигаются тем, что в комплексе оборудования для добычи горячего продукта из скважины в вечномерзлой породе, включающем: ряд трубных колонн с центральной подъемной колонной; устье с отводящим продукт трубопроводом; теплоизоляционный экран; заполненную легкокипящим хладагентом систему охлаждения вечномерзлой породы, содержащую последовательно соединенные трубопроводами в замкнутый контур испаритель, размещенный ниже уровня земли с внешней стороны

теплоизоляционного экрана, а также компрессор, конденсатор, резервуар и дроссель, расположенный надземно; система охлаждения снабжена блоком циркуляции хладагента, вход которого подключен к

резервуару, и подключенным к выходу блока циркуляции парогенератором для кипения хладагента за счет отбора тепловой энергии от добываемого продукта, причем компрессор выполнен в виде эжектора, к

которому на вход высокого давления подключен выход парогенератора.

Исполнение компрессора системы охлаждения в виде эжектора, приводимого в действие за счет вновь введенных в состав

комплекса оборудования парогенератора, работающего с использованием тепловой энергии добываемого продукта, и блока циркуляции хладагента, определяет принципиальное отличие предложенного устройства от прототипа и других известных технических решений.

Оставаясь в рамках п.1 формулы изобретения, можно создать целый ряд отличающихся конструкций вновь введенных в

состав комплекса оборудования элементов. Так пункт 2 формулы изобретения определяет, что парогенератор выполнен в виде двухконтурного теплообменника, размещен надземно, а его нагревательный контур подключен к отводящему продукт трубопроводу.

На фиг.1 изображена схема комплекса оборудования по п.2 формулы изобретения. На схеме показаны трубные колонны 1 с

центральной подъемной колонной 2. расположенные в скважине в вечномерзлой породе 3, теплоизоляционный экран 4, в данном случае размещенный в одном из кольцевых межтрубных пространств, надземно расположенное устье 5 с отводящим продукт тру- бопроводом 6, а также замкнутая заполненная легкокипящим хладагентом система охлаждения вечномерэлой породы, содержащая испаритель 7, размещенный

ниже уровня земли с внешней стороны теплоизоляционного экрана(на схеме он показан в одном из межтрубных пространств), выполненный в виде эжектора компрессор 8, конденсатор 9, резервуар 10 и дроссель 11, расположенные надземно. На схеме также показаны: 12 - блок циркуляции хладагента; 13 - парогенератор, нагревательный контур которого подключен к отводящему продукт трубопроводу; 14-21 -трубопроводы, соединяющие блоки системы охлаждения.

Комплекс оборудования работает следующим образом.

Жидкий легкокипящий хладагент, например пропан, сконденсировавшийся в конденсаторе 9 при температуре, близкой к температуре наружного воздуха, по трубопроводу 14 под действием силы тяжести сли- вается в резервуар 10, из которого часть хладагента через дроссель 11 по трубопроводам 16 и 17 поступает в испаритель 7. Другая часть хладагента из резервуара 10 с помощью блока 12 по трубопроводам 15 и 18 подается в зону более высокого давления в парогенератор 13. Возможны различные варианты исполнения блока циркуляции хладагента.

В парогенераторе 13 хладагент кипит при температуре, близкой к температуре добываемого продукта. Пары хладагента по трубопроводу 19 поступают на соответствующий вход эжектора 8. Разница температур кипения хладагента в парогенераторе 13 и конденсации хладагента в конденсаторе 9 обеспечивает перепад давлений паров хладагента между входом высокого давления (трубопровод 19) и выходом -эжектора (трубопровод 21). В результате создаются условия для нормальной работы эжектора, в его камере смешения возникает разряжение, которое обеспечивает отбор паров хладагента из испарителя 7 по трубопроводу 20 и снижение давления в испарителе. Поступивший в испаритель хладагент кипит в нем при низком давлении и отрицательной температуре, осуществляя тем самым отбор тепла из прилегающих к скважине пород и их защиту от деградации.

Пары хладагента с выхода эжектора по трубопроводу 21 поступают на вход конденсатора 9.

Предпочтительным, с точки зрения снижения теплового потока через теплоизоляционный экран, является размещение парогенератора в скважине с внутренней стороны теплоизоляционного экрана.

На фиг.2 изображена схема, иллюстрирующая такое размещение парогенератора. Обозначения на фиг.2 не отличаются от принятых на фиг.1. Парогенератор 13 изображен в межтрубном пространстве с внутренней стороны теплоизоляционного экрана. Не показанные на фиг.2 элементы комплекса оборудования размещены и включены

так. как это показано на фиг.1. Работа комплекса оборудования по п.З формулы изобретения соответствует описанию, приведенному выше для комплекса по п.2 формулы изобретения.

0 Комплекс оборудования по п.п.1-3 формулы изобретения обеспечивает интенсивное охлаждение породы и ее защиту от деградации при условии, что разница температур добываемого продукта и наружного

5 воздуха достаточно высока. Однако в ряде случаев это условие может не выполняться, Существенное снижение интенсивности охлаждения породы может наблюдаться во время летних пиков температур наружного

0 воздуха. Поэтому предпочтительным, с точки зрения повышения интенсивности охлаждения вечномерзлой породы, может стать оснащение парогенератора дополнительной надземно расположенной секцией,

5 содержащей подключенный к отводящему продукт трубопроводу редуктор и соединенный с ним последовательно нагреватель хладагента. Такое построение парогенератора регламентируется п.4 формулы изобре0 тения.

На фиг.З изображена схема парогенератора по п.4 формулы изобретения. Кроме уже известных введены следующие обозначения: 22 - редуктор; 23 - нагрева5 тель хладагента; 24 - первая секция парогенератора.

При таком построении парогенератора, жидкий хладагент, поступивший по трубопроводу 18, попадает в первую секцию 24. В

0 ней хладагент нагревается в процессе теплообмена с добываемым продуктом, поступающим из отводящего трубопровода 6. Частично нагретый хладагент поступает в нагреватель 23, где кипит. Пары хладагента

5 по трубопроводу 19 поступают на вход высокого давления эжектора. Кипение хладагента в нагревателе 23 обеспечивается за счет тепла, получаемого при окислении (сжигании) части добываемого продукта.

0 Сжигаемый добываемый продукт поступает из отводящего трубопровода 6 в нагреватель 23 через редуктор 22, который обеспечивает подачу в нагреватель продукта с заданным давлением.

5 Существенное снижение затрат на добычу продукта может быть достигнуто за счет обеспечения автономной работы системы охлаждения вечномерзлой породы, входящей в состав комплекса оборудования скважины.

Однако, если в устройстве по п.п.1 - 3 формулы изобретения в качестве блока циркуляции хладагента используется насос, то говорить об автономной работе комплекса оборудования не приходится. Привод насоса требует подвода энергии от внешнего источника.

Известна конструкция парогенератора, в которой высокое давление паров рабочего тела на выходе создается без использования насоса за счет значительного перепада высот точек подвода жидкости и подвода тепла, Такая конструкция может быть эффективно использована в рассматриваемом комплексе оборудования.

В соответствии с п.5 формулы изобретения с целью обеспечения полностью автономной работы системы охлаждения, блок циркуляции хладагента и парогенератор выполняются в виде единого модуля, размещенного внутри подъемной колонны соосно ей и имеющего вид двух труб различного внутреннего диаметра, сообщающихся между собой в нижней части, причем верхним концом труба меньшего диаметра подключена к резервуару, а труба большего диаметра - к эжектору на вход высокого давления.

На фиг.4 изображена схема, иллюстрирующая п.5 формулы изобретения. Кроме уже известных введены следующие обозначения: 25 - труба меньшего диаметра; 26 - труба большего диаметра.

Жидкий хладагент из резервуара по трубопроводу 15 поступает в модуль в верхнюю частьтрубы меньшего диаметра 25 и опускается по ней вниз под действием силы тяжести. Одновременно хладагент нагревается в процессе теплообмена с движущимся вверх по подъемной колонне 2 добываемым продуктом. В нижней точке хладагент попадает в трубу большего диаметра 26 и вскипает. Газообразный хладагент поднимав ся по трубе большего диаметра 26 и по i рубспро- воду 19 поступает на вход высокого давления эжектора

Разность давлений на входе и выходе модуля, то есть в трубопроводах 19 и 15 определяется длиной модуля и типом хладагента. Например, для пропана, при длине модуля порядка 100 метров, можно получить разность давлений науровнеО,5 МПа.

Один из вариантов конкретного исполнения модуля, размещенного внутри подъемной колонны, заключается в том, что одна из труб помещена внутрь другой, нижний торец наружной трубы заглушен и выполняется соотношение:

DB2 - dH2 dB2,

где DB - внутренний диаметр наружной трубы;

- наружный диаметр внутренней трубы;

5de - внутренний диаметр внутренней

трубы.

Именно этот вариант регламентируется п.б формулы изобретения. Схема, иллюстрирующая п.6 формулы изобретения, пока10 зана на фиг.5.

Жидкий хладагент из резервуара по трубопроводу 15 поступает в модуль в верхнюю часть внутренней трубы 25, опускается по ней вниз, попадает в нижнюю часть наруж15 ной трубы 26 и вскипает в ней. Пары хладагента поднимаются по пространству, образованному внутренней стенкой трубы большего диаметра и наружной стен кой трубы меньшего диаметра. Выполнение нера20 венства (1) гарантирует, что площадь сечения этого пространства превышает площадь сечения внутренней трубы. Последнее необходимо для нормальной работы модуля. Из верхней части наружной

25 трубы 26 пары хладагента поступают на вход высокого давления эжектора по трубопроводу 19.

Рассчитаем основные параметры элементов комплекса оборудования. Предпо30 ложим, что температура наружного воздуха равна + 11°С, температура добываемого продукта +36°С, а в качестве хладагента в системе охлаждения вечномерзлой породы используется пропан.

35 На выходе конденсатора 9 (см. фиг.1) жидкий хладагент будет иметь следующие параметры: а) давление 0,74 МПа; б) температура +15°С. Из резервуара 10 до 92,3% хладагента поступает на вход парогенера40 тора 13, в котором кипит при температуре +30°С и давлении 1,1 МПа. Остальной хладагент (не менее 7,7%) через дроссель 11, понижающий его давление до 0.35 МПа, подается на вход испарителя 7, в котором

45 кипит при температуре не выше-10°С, отбирая тепло из пространства между теплоизоляционным экраном и массивом (зечномерзлой породы 3. С выхода испарителя пары хладагента отбираются эжекто50 ром 8, работающим за счет перепада давлений на выходе парогенератора и входе конденсатора.

Более высокая, по сравнению с прототипом, эффективность предложенного тех55 нического решения заключается в следующем. Характерная для рассматриваемого устройствахладопроизводительность системы охлаждения вечномерзлой породы, равная 5000 ккал/час, в устройстве-прототипе может быть получена при мощности

компрессора, равной 1,5 кВт. При использовании в предложенном техническом решение в качестве блока циркуляции хладагента насоса, его мощность не превысит 200 Вт. Таким образом затраты энергии на за щиту от деградации вечномерзлой породы будут снижены в 7,5 раз.

Кроме того, в устройстве-прототипе применение компрессора для подачи паров хладагента с выхода испарителя на вход конденса тора из зоны низкого в зону высокого давления принципиально необходимо. В предложенном устройстве показаны варианты подачи жидкого хладагента из резервуара в парогенератор без использования насоса.

Исключение подачи энергии от внешнего источника определяет существенное снижение капитальных затрат на сооружение комплекса оборудования для добычи горячего продукта из скважины в вечномерзлой породе. Одновременно уменьшаются издержки на периодическое обслуживание, то есть появляется еще одна статья экономии эксплуатационных затрат.

Формула изобретения 1. Оборудование для добычи горячего продукта из скважины,расположенной в зоне вечномерзлых пород, включающее ряд трубных колонн с центральной подъемной колонной, устье с отводящим продукт трубопроводом, теплоизоляционный экран, систему охлаждения вечномерзлой породы, заполненную легкокипящим хладагентом и содержащую последовательно соединенные трубопроводами в замкнутый контур испаритель, размещенный ниже уровня земли с внешней стороны теплоизоляционного экрана, и расположенные надземно компрессор, конденсатор, резервуар для хладагента и дроссель, отличающее- с я тем, что, с целью снижения эксплуатационных капитальных и энергетических затрат на охлаждение вечномерзлой породы за счет использования тепловой энергии добываемого продукта, система охлаждения вечнсмерзлой породы выполнена с блоком циркуляции хладагента, вход которого связан с резервуаром, и подключенным к выходу блока циркуляции хладагента парогенератором для кипения хладагента, подключенным к отводящему продукт трубопроводу, при этом компрессор выполнен в виде эжектора, вход высокого давления которого связан с выходом парогенератора.

2.Оборудование по п.1, о т л и ч а ю щ е- е с я тем, что парогенератор размещен нзд- земно и выполнен в виде двухконтурного

теплообменника, нагревательный контур которого подключен к отводящему продукт трубопроводу.

3.Оборудование по п.1, о т л и чающееся тем, что парогенератор размещен в

скважине с внутренней стороны теплоизоляционного экрана.

4.Оборудование по пп.2 и 3, о т л и ч а- ю щ е е с я тем, что парогенератор имеет дополнительную надземно расположенную

секцию, содержащую подключенный к отводящему продукт трубопроводу редуктор и последовательно соединенный с последним нагреватель хладагента.

5.Оборудование по пп.1 и 3, о т л и ч а- ю щ е е с я тем, что блок циркуляции хладагента и парогенератор выполнены в виде единого модуля, размещенного внутри подъемной колонны соосно с ней и выполненного в виде двух труб с разными внутренними диаметрами, сообщающимися между собой в нижней части, причем верх- .ним концом труба меньшего диаметра связана с резервуаром, а труба большего диаметра - с входом высокого давления

эжектора.

6.Оборудование по п.5, о т л и ч а ю щ е- е с я тем, что в размещенном внутри подъемной колонны едином модуле одна из труб расположена внутри другой с образованием

кольцевого пространства, нижний торец наружной трубы заглушен, а площадь образованного кольцевого пространства определяют из соотношения

DB2 - dH2 dB2,

где Ds - внутренний диаметр наружной трубы;

йн и ив - наружный и внутренний диа- метры внутренней трубы соответственно.

19

18

Изобретение относится к проблеме обустройства месторождений жидких и газообразных продуктов в районах распространения вечной мерзлоты, в частности, защите от растепления вечномерзлых пород, в которых сооружаются эксплуатационные скважины для добычи горячих продуктов. Оборудование для добычи горячего продукта включает ряд трубных колонн с центральной подъемной колонной, устье с отводящим продукт трубопроводом, теплоизоляционный экран, заполненную легкокипящим хладагентом систему охлаждения вечномерзлой породы Она содержит последовательно соединенные трубопроводами в замкнутый контур испаритель, размещенный ниже уровня земли с внешней стороны теплоизоляционного экрана, компрессор, конденсатор, резервуар и дроссель, расположенные надземно. Система охлаждения снабжена блоком циркуляции хладагента. Вход его подключен к резервуару. К выходу блока циркуляции подключен парогенератор для кипения хладагента за счет отбора тепловой энергии от добываемого продукта. Компрессор выполнен в виде эжектора, к которому на вход высокого давления подключен выход парогенератора 5 з п. Ф-лы, 5 ил. in С

13

Г--- - -ц-1rn-r-1- -„Jf

t -jxl-ь-Ј

18

26

Фиг.З

rn

18

-С

2

25

26