Способ термической защиты скважины, эксплуатируемой в зоне многолетней мерзлоты Советский патент 1980 года по МПК E21B43/00 

Изобретение относится к йефтегазодо бывающей промышленности. Известны различные способы термической защиты скважины, эксплуатируемой в зоне многолетней мерзлоты, включающие создание теплоизолирующего iura охлаждающего экрана между эксплуатационной колонной и ЛИФТОВЫМИ трубами путем ввода хладагента в затрубное пространство и его удаление из скважины l. Недостатком этих способов яовляется неэффективное использование хладагента при сложности конструкции скважины, связанное с тем, что одновременно с охлаждением эксплуатационной колонны для Щ)едотвращения растепления мерзлых пород в окодостволЬном, пространстве охлаждаются лифтовые трубы и продукция скважины, что вызывает интенсивное nm ратообразованиэ в лифтовых трубах я фошганной арматуре газовой скважинь или отложения парафина в нефтяной скважине. Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ термической защиты скважины, эксплуатируемой в зоне многолетней мерзлоты, включающий ввод газа в затрубное кольцевое пространство между двумя колоннами труб и его дросселирование через отверстия, выполненнью в кольцах, установленных в затрубном кольцевом пространстве в интервале охлаждаемого участка 2. Дросселирование обеспечивает снижение температуры газа и охлаждение эксплуатационной колонны. Однако этот способ имеет существенные недостатки, которые снижают эффективность использования хладагента (газа). Например, нри применении способа для эксплуатации газовых скважин для охлаждения газа, подаваемого в затрубное гфостранство из пласта, т.е. с высокой температурой, требуется интенсивное дросселирование при большом расходе. Кроме того, охлаждение газа дросселировшшем требует дополнительной теплоизоляции лифтовых труб, что усложняет конструкцию скважины, а сам 1газ после дросселирования с содержанием влаги и конденсата имеет высокую теплопроводность, что снижает эффективность термической защиты скважины и способствует охлаждению лифтовых труб и продукщш скваясиньи В случае использования указанного способа при эксплуатации не.фтяных скважин, когда в интервале охлаждаемого участка дросселируют газ, подаваемый с поверхностда, также необходима дополнительная теплоизоляция лифтовых труб, ; например, промежуточной колонной, уоложняющей конструкцию скважиаы или прокачкой нагретого газа через дополнительное кольцевое затрубное пространств что приводит к неэффективному использо ванию хладагента, из-за его нагрева и ПОСЯёдук5ще1Х) охлаждения. Однако наиболее существенным неД4эстатком известных способов термической зашиты скважины является шкзкай йвдгеасивность теплоообмена между хлад.агентом (газом) и стенкой скважинь йз аа низких коэффициентов теплоотдачи, соответствующих ламинарному или полнсжтыо развитому турбулентному потоку газа в затрубном пространстве. Целью изобре-теайя являетсяповышен ,аффйстйвнос7И использования хладагента (газа) путем уменьшения его расхода, снижения интенснв1аости охлаждения лифтсжлх труб и продукции скважины и повышения . интенсивности охлаждения эксялуатационной колонны. Зт5 д й йгается тем, что поток газа .после дросселирования вращаиэт. На фиг, 1 дана газовая скважина с дросселирующим устройством, реализующим предлагаемый способ; на фиг. 2 график кqppeляlшoнн6й зависимости увеяичения локальной интенсивности теплоотдачи от стетюни закруткн; на фиг. 3 ура4®к изменения ивггенсвшностн местной тшяооггдйчи в трубе со свободным закрученным нстоком| а« угол закрутки 90, б - угол закрутки бОЧ Устройство содержит ковдук1;ор 1, щ)омежутотную кшонну 2, экеплуатадио вук колонну 3, ла|гговые трубы 4, дроо дв1шрукщие кШьца 5 с патрубками 6, ШЩШШШШШГ idimm ,y в аатрубном прострайстве охпажЦаёмоШ угастка, газоносный пласт 7, ншиаюю гравкау MHoren&rKette pajuftji грунтов ё.

aj a aftfeBESife

uili Kt Aiiutwviiiu задвижки & и Ю, термодатчшси 11, термоизолирующая колонна 12 в интервале многолетней мерзлотьи Способ осуществляется следующим образом. Газ из газоносного пласта 7 поступает на поверхность по лифтовым трубам 4 чер задвижку 9. Одновременно для охлаждения эксплуатационной колонны 3 поток газа открытием задвижки 10 направляют по кольцевому пространкггву между эксплуатационной колонной За лифтовыми трубами 4, а затем - термоизолйрующей колонной 12, где дросселируют при его прохождении через отверстин в кольцах 5, установленных в интервале охлаждаемого участка, а также вращают на выходе иа колец 5 с помоiцью патрубков 6, направляющих газ после дросселирования по касательной к внутреннему диаметру эксплуатационной колонны. В результате дросселирования газа его TieMnepaTypa понижается и поддерживается назадагшом уровне при прохождении ряда последовательно установленных колец 5. При этом вращении потока влажного пластового газа с ковденсатом после д росСелирЬваю1я обеспечивается сепарация газа в затрубном пространстве с образованием у стенки эксплуатационной колощгы 3 пленки влаги и конденсата, имеющих высокую теплоемкость, а у термоизолйрующей колонны - слоя осущенного частично разряженногх) газа, имеющего 1газкую теплопроводность за счет большой разншцы их плотностей. Закрученный поток газа обеспечивает более высокие значегшя коэффициентов теплоотдачи, чем полностью развитый н закрученный турбулентный поток, и увеличгшает интенсивность теплообмена между вращающимся хладагентом и стенкой скважины. , Известно, что эффект при вращении потока газа (воздуха) в закрытой камере заключается в снижении пфаметра Нуссельта, а следовательно, и коэффшшента теплоотдачи Оанако исследования показывают, что при пропуске газа (воздуха) через ту же камеру с одновременным вращением параметр Нуссепьта и, следовательно, коаффшшёжг тешюогтачи пощзшавтся. Так, для оиливдричвской ;трубы относительный коэффшшенг тепло, 1фй врашешш потока со степенью ;за1футки В гПрвышаетса-в 7-8 pes. В связи с тем, что дросселироваше предполагает, пропуск газа в копыхввом пространстве обсадных труб, эффект вращения дросселируемого потока обеспечивает не снижение параметра Нуссельта, а его п вышение. Тем самым способность тепло дачи потока газа (воздуха) кратно воэрастает, что снюкает энергетические за трать на получение эквивалентности эффекта от охлаждения. При этом возрастание величины местных ксхэффициентов теплоотдачи пропорционально степени закрутки и аппроксимируется следующей корреляцией: N«/Nu()(i) .где Hw/NUp j, - относительный коэффициент ff,.r теплоотдачи; Ny:- - параметр Нуссельта; „/ . - параметр Нуссельта для п ностью развитого незакрученного турбулентного теч шю в трубе; ai Местный коэффициент тепл отдачи; о(. - .коэффициент теплоотдачи для полностью развитого незакрученного турбулентно го течения в трубе; D - номинальный внутренний диаметр трубы; X - расстояние вдоль оси труб X - коэффициент теплопроводнскл-и в потоке воздуха (газа); S, - степень закрутки. Степень закрутки определяется по форму S №): где G, MG. - местные и осевые составляющие потока и моменты количества, движения. Местные составляющие и моменты ко личества движения выражены следующим зависимостями: - . а/г-/ PV 0 vгде p - плотность потока воздуха (газа) - произвольный радиус 0 трубе; U - осевая сост авляющая скорости аа крученного от спирали воадупшого потока в трубе. Из .графика (скь фиг. 2), видно, что с повышением степени занрутки до S 3 относительный коэффициент теплостда чи. Мц /N возрастает в 7-8 разо В/ результате асопедований также ус {тановлено, что местные ксэффшшевггы теплоотдачи примерно в 8 раз выше на входе в трубу и уменьшаются с увеличением расстояния вдоль оси до значений, превышающих примерно в 3 раза значе- ; ния для полностью развитого турбулентного потока на выходе из трубы. На графике (см. фиг. З) такое снижение наблюдается на расстоянии х/О 18-20. Это означает, что раскрутку (вращение) газового (воздушного) йотока следует производить через каждые 810 м в зависимости от диаметра обсадной трубы. Таким образом каждая обсад- . нал труба (при длине 9,5-13 м) должна-быть оборудована, по крайней мере, одним закручивающим .устройством. Кроме того, слой частично разрежехшого осушенного газа со значительно noifflженной теплопроводностью по сравнению с теплопроводностью газа после обычного дросселирования оказывает более высокое тер1 1ическое сопротивление тепловому потоку, идущему от лифтовых труб, сшжает теплопередачу на эксплуатацион11ую колотшу, предотвращая растепление многолетнемерзлых грунтов, и тем самым значительно снижает итй-енсивность охлазкдения самих лифтовых труб и продукции скважины. Одновременно пленка влаги и конденсата с высокой теплоемкостью у эксплуатационной колонны поглощает тепло, предотвращая. нагрев эксплуатационной колонны и растепление многолетнемерзлых грунтов. При прохождеция через последующие отверстия колец влага и ковденсат, частично уже нагретые, увлекаются потоком газа и снова дросселируются и рйЭйеляются вращением потока. В необходимых случаях возможна ксплуатация газовой сквалганы в двух ежимах; в резкиме эксшхуатацин по лифтоым трубам или обычном режиме и в реиме охлаждения скважигсы или рехсима ксплуатации по затрубному кольцевому ространству, а регулирование режимов ксплуатации может быть автоматизировао с помощью термодатчиков. Термическую защиту нефтяной скважины осуществляют аналогичным образом утем, ввода гаэа в затрубное кольцевое Э(, с разованное термоизолируюSP с поверхности и его дросн вращения при удалении JS3 скважЕЕы через внешнее затрубное ростравство между эксплуатационной промежуточной колоннами.

И 5по71ьаование предлагаемого способа термической защиты скважины, эксплуатируемой в зоне многолетней мерзлоты, обеспечивает по сравнению с известными за счет вращения потока газа после

Просселирования в затрубном кольцевом д| 6 усранствв с образованием осушенного погклвс. у лифтовых труб и пленки извлаги и конденсата у внутренней стенк эксплуатацнонной колонны повышение эффёктивностй использования хладагента путем уменьшения его требуемого расход сшокения интенсивности охлаждения лифтовых труб при упрощении конструкции скважишл, повышения интенсивности охпаждения эксплуатационной к(понны и сохранение многолетней мерзлот ы вокруг скважнш. По расчетам, проведенным на основе имеющихся фактических данных, предлагаемый способ обеспечиВдет применительно к месторождениям, расположенным в зоне многолетней мерзлоты экономический эффект 7,4 тыс. рубу на одну скважину. Ф о р м ула изобр е т е н и я

Способ термической защиты скважины, эксплуатируемой в зоне многолетней

мерзлоты, включакшшй ввод газа в затрубное кольцевое пространство между лифтовой и эксплуатационной колонками Н его дросселирование в иигервале охлаждаемого участка через отверстия, вьшолненньш в кольцах, установленных в затрубном пространстве, отличающийся тем, что, с целью повышения его эффективности за счет снижения интенсивности охлаждения лифтовых труб и повышення интенсивности охлаждения эксплуатационной колонны, а также уменьшения расхода газа, поток газа после дросселирования вращают.

Источники информации, при1штые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР

N9 426028, кл. Е 21 В 43/00, 1971.

2.Вопросы геологии, бурения и добычи в зоне мерзлых.пород на нефтяных

и газовых месторождениях Западной Сибири, Труды Гипротюменнефтегаз, вып. 6, Тюмень, 1963, с. 94-95. .

iьt j aиe:ffi.