Результат интеллектуальной деятельности: Индукционный скважинный нагреватель

Изобретение относится к нефтяной промышленности и предназначено для теплового воздействия на призабойную зону и нефтяной пласт для предупреждения образования парафиногидратных отложений в зоне перфорации и под насосным оборудованием, для увеличения проницаемости нефтяного коллектора и повышения нефтеотдачи в целом.

Тепловая обработка призабойной зоны продуктивного пласта предназначена для расплавления и удаления парафино- и асфальтосмолистых отложений, для повышения фильтрационных свойств горной породы, слагающих нефтяной пласт, и понижения вязкости пластовой нефти.

Прогрев призабойной зоны скважинными нагревателями способствует расплавлению парафиновых и смоляных отложений и увеличению проницаемости призабойной зоны, снижению вязкости нефти и улучшению ее текучести.

Из уровня техники известен ряд индукционных нагревателей. Например, известен скважинный индукционный нагреватель, включающий кожух, несущий элемент с размещенными на нем индукционными катушками, при этом несущий элемент выполнен в виде стержня, который соосно размещен в кожухе, индукционные катушки снабжены ферритовыми магнитопроводами, а стержень и кожух выполнены из немагнитного и неэлектропроводящего материала (Патент РФ №2200228).

Недостатком данного известного устройства является его низкая эффективность при разрушении парафино- и асфальтосмолистых отложений (АСПО), так как нагрев передается только через стенки насосно-компрессорной трубы (НКТ), что значительно снижает скорость очистки скважины, а ликвидацию так называемых "глухих" пробок делает невозможным. Кроме того, конструкционные материалы в этом известном нагревателе выбраны неферромагнитными, вследствие чего образован большой немагнитный зазор и существенно ослабляется магнитное поле в зоне своего действия - эксплуатационной колонне. При питании данного нагревателя токами высокой частоты происходит их интенсивное ослабление в питающем кабеле. Нагревательный кабель и токоввод в нагревателе ненадежно герметизированы, термочувствительный элемент, встроенный в нагреватель, не является помехоустойчивым и не может обеспечить терморегулирование нагревателя.

Из патента РФ №2198284 также известен индукционный электронагреватель, включающий корпус, которым служит насосно-компрессорная труба, являющийся одновременно магнитным сердечником, нагревательный элемент в виде индукционной катушки, размещенной на наружной поверхности корпуса, металлические кольца с разрезами, размещенные на корпусе, через которые проложены провода обмоток индукционной катушки, контактный узел (токоввод) с токоподводящим кабелем. Индукционные катушки соединены в три обмотки, т.е. схема обмоток является трехфазной.

Недостатком данного известного электронагревателя является его низкая эффективность и низкая надежность, что является следствием:

- разомкнутости магнитопровода и его большого магнитного сопротивления, что снижает индуктивный перенос мощности в магнитопровод и обуславливает перегрев обмоток;

- катушки обмоток каждой фазы выполнены многорядными и разделяются по длине корпуса (магнитного сердечника) только двумя металлическими кольцами, т.е. магнитный поток каждой фазы обмотки проходит, замыкаясь на сердечник, только через эти два металлических кольца, что обуславливает возможность режима насыщения зубцов и дополнительного увеличения магнитного сопротивления магнитопровода, а также уменьшает поверхность теплоотвода от катушек и их перегрев;

- отсутствие надежной гидрозащиты обмоток и токоввода, необходимой при высоких давлениях в скважине;

- отсутствует контур циркуляции охлаждающей жидкости в полости расположения катушек;

- отсутствует система термоконтроля и терморегуляции индукционного нагревателя.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является индукционный нагреватель по патенту (Патент РФ №2010954), включающий полый корпус, концентрично установленный относительно корпуса кожух, образующий с корпусом кольцевую полость, размещенные в ней индукционные катушки и установленный в полости корпуса сердечник, при этом сердечник выполнен полым, а индукционные катушки установлены относительно кожуха с зазором, причем полость сердечника связана с кольцевой полостью между корпусом и кожухом. Сердечник выполнен из ферромагнитного материала, корпус - из немагнитного материала.

Однако данному индукционному нагревателю присущи следующие недостатки:

- перегрев индукционных катушек при работе вследствие того, что магнитная цепь нагревателя оказывает недопустимо большое сопротивление магнитному потоку, так как включает большие немагнитные зазоры между индукционными катушками и сердечником, между индукционными катушками и кожухом, а также корпус из немагнитного материала. Кроме того, снижение магнитного сопротивления не обеспечено включением в магнитную цепь ферромагнитных зубцов. В связи с чем существенно снижена индуктивная составляющая мощности и увеличен резистивный нагрев индукционных катушек.

Индукционные катушки являются наиболее уязвимым элементом конструкции и их возможный перегрев, во-первых, существенно ограничивает допустимую мощность нагревателя, во- вторых, снижает его эффективность и надежность.

- кроме того, в конструкции нагревателя обусловлена концентрация магнитного поля по краям катушек, что приводит к локальному перегреву нагревателя, снижая его надежность;

- нагреватель является проточным, не обеспечен ненадежной системой герметизации и защиты в условиях скважины с высоким давлением,

- не обеспечено центрирование нагревателя и, следовательно, возможно его магнитное залипание к эксплуатационной колонне труб.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности и эффективности нагревателя за счет оптимизации магнитной цепи, увеличения индукционной составляющей мощности и предотвращения перегрева индукционных катушек, улучшения теплопередачи, обеспечения надежной герметизации и защиты в скважине при высоких давлениях.

Дополнительным техническим результатом является повышение безопасности эксплуатации скважины, оборудованной предлагаемым нагревателем, за счет гарантированного исключения попадания высокого напряжения на насосно-компрессорные трубы (далее - НКТ).

Поставленный технический результат обеспечивается предлагаемым индукционным скважинным нагревателем, включающим корпус, соосно размещенный в нем полый ферромагнитный сердечник, и индукционные катушки, провода обмоток которых последовательно соединены друг с другом, и установленную с одной стороны корпуса переходную муфту, выполненную с возможностью присоединения нагревателя к колонне насосно-компрессорных труб и снабженную токовводом для присоединения питающего кабеля к обмоткам индукционных катушек, новым является то, что сердечник размещен в корпусе с образованием кольцевой полости, выполненной сообщающейся с полостью сердечника посредством сквозных отверстий в стенке сердечника на его концевых участках, при этом корпус выполнен ферромагнитным, в кольцевой полости вмонтированы чередующиеся индукционные катушки и кольцевые ферромагнитные зубцы, причем указанные кольцевые зубцы выполнены с равноглубокими прорезями по периметру, через которые проложены изолированные провода, для соединения индукционных катушек в фазные обмотки, а также - спицы-вставки, фиксирующие кольцевые зубцы от осевого перемещения, при этом катушки обмоток каждой фазы выполнены двурядными и распределены по длине каждого полюсного деления поочередно с зубцами при равном соотношении их количеств, при этом торцы корпуса герметизированы выполненной с одной стороны корпуса заглушкой, снабженной перепускным клапаном, соединенным с кольцевой полостью, а с другой стороны, переходной муфтой, дополнительно снабженной обратным клапаном, проходной канал которого соединен с полостью сердечника.

Кольцевая полость и полость сердечника заполнены диэлектрическим маслом под избыточным давлением, поддерживаемым со стороны муфты обратным клапаном, а со стороны заглушки - перепускным клапаном.

Внутренняя поверхность корпуса, наружная поверхность сердечника и торцевые поверхности индукционных катушек снабжены диэлектрическими прокладками.

Внешняя поверхность корпуса снабжена центрирующими ребрами.

Толщина стенок сердечника и корпуса составляет 3-8 мм.

Катушки обмоток каждой фазы распределены по длине каждого полюсного деления поочередно с зубцами в количестве от двух до двенадцати пар катушка-зубец на каждое полюсное деление.

Указанный технический результат достигается за счет следующего.

Благодаря тому, что корпус, сердечник и зубцы выполнены из ферромагнитного материала, обеспечивается выделение максимального тепла именно в этом ферромагнитном массиве, и так как при этом данные элементы становятся термогенерирующими, то площади теплоотдачи существенно увеличиваются, что и обеспечивает высокую эффективность прогрева призабойной зоны скважины. Это было доказано исследованиями.

Опытные испытания опытного образца предлагаемого нагревателя проводились при различных напряжениях и токах как на воздухе, так и в ванне, заполненной гидравлическим маслом. Напряжение питания нагревателя изменялось с помощью лабораторного трехфазного автотрансформатора (ЛАТР 0 - 450V, 27А). Для измерения сопротивления Roe между фазами нагревателя использовался калибратор АМ-7030. Для измерения температуры корпуса и сердечника применялись калиброванные термопары, установленные на поверхностях ферромагнитных массивов.

Для измерения всех необходимых параметров использовался модуль ввода параметров электронной сети МЭ110-220.3М, позволяющий измерять все необходимые величины в режиме реального времени, с последующей обработкой данных на персональном компьютере.

Полученные результаты приведены в таблицах 1 и 2.

Из таблиц 1 и 2 видно, что параметры схемы замещения одной фазы нагревателя существенно зависят от величины питающего напряжения и температуры нагрева. Потери трехфазной обмотки индуктора, по сравнению с потерями ферромагнитного массива предлагаемого нагревателя, состоящего из корпуса, сердечника и зубцов, значительно меньше и составляют 8-16%, в зависимости от режимов работы. Таким образом, 84-92% всей потребляемой активной мощности выделяется не в обмотке индуктора, а в указанном ферромагнитном массиве в виде тепла. Эта мощность передается в массив с помощью магнитного поля, то есть индукционным путем.

Коэффициент полезного действия (КПД) предлагаемого индуктора составляет практически 100%, так как вся потребляемая активная мощность, как в массиве, так и в обмотке индуктора, выделяется в виде тепла.

Коэффициент мощности Cosφ, находится в пределах 0,84-0,91. Это очень высокий показатель для данного вида электромагнитных устройств.

Максимальная активная мощность модуля предлагаемого нагревателя составляет 9609 Вт при токе фазы обмотки индуктора 20 А. Эта мощность выделяется на длине 0,6 метра активной части индуктора. При этом плотность тока в обмотке индуктора составляет 6,6 А/мм², что допустимо для медного провода.

Этими испытаниями было доказано, что предлагаемый нагреватель характеризуется высокой эффективностью нагрева призабойной зоны пласта (ПЗП), за счет существенного увеличения индуктивной составляющей мощности, а также поверхностей теплоотдачи и коэффициентов теплопередачи.

Предлагаемый нагреватель является маслонаполненным, как и нагреватель прототипа. Но в заявляемом нагревателе создается своего рода гидрозащита, включающая перепускной клапан в заглушке и обратный клапан в переходной муфте, обеспечивающие заполнение внутренних полостей нагревателя (кольцевую полость и полость сердечника) маслом под давлением. За счет этого происходит выравнивание внешнего (скважинного) и внутреннего давления нагревателя, при этом корпус нагревателя разгружается от механических напряжений, что повышает надежность работы. При нагреве масло, находящееся в полостях нагревателя, конвектирует, благодаря наличию сквозных отверстий в стенке на концевых участках сердечника, и за счет этого улучшается теплоотдача. То есть в предлагаемом нагревателе создан контур циркуляции охлаждающей жидкости - диэлектрического масла, в полости расположения катушек, что обеспечивает хороший теплоотвод с них.

Благодаря замыканию магнитного потока через 2-12 кольцевых ферромагнитных зубцов, которые дополнительно выполняют термогенерирующую функцию, не только снижается сопротивление магнитному потоку, но и увеличивается индукционная составляющая мощности, а также поверхность теплоотдачи.

Благодаря снабжению внутренней поверхности корпуса, наружной поверхности сердечника и торцевых поверхностей индукционных катушек диэлектрической прокладкой, обеспечивается изоляция между внутренней контактной поверхностью корпуса и контактными поверхностями индукционных катушек.

Благодаря тому, что катушки обмоток каждой фазы выполнены двухрядными и распределены по длине каждого полюсного деления поочередно с кольцевыми зубцами, при питании переменным трехфазным током обеспечивается равномерное распределение магнитного потока в сердечнике, зубцах и корпусе, равномерный нагрев и их эффективная теплоотдача по всей длине нагревателя.

В ходе испытаний были исследованы нагреватели с катушками обмоток каждой фазы, разделенными по длине корпуса в пределах полюсного деления шестью, или девятью, или двенадцатью зубцами, причем чередование их с катушками обмоток каждой фазы тоже составляло шесть, или девять, или двенадцать соответственно. Результаты всех указанных нагревателей оказались в пределах данных, приведенных в таблицах 1 и 2.

Повышение надежности обеспечивается за счет надежной защиты фазных обмоток от перегрева.

А повышение безопасности эксплуатации скважины будет обусловлено тем, что гарантированно исключается попадание высокого напряжения на колонну НКТ.

Толщина стенок сердечника и корпуса выбирается от 3-х до 8-ми миллиметров, что по прочности для скважин соответствует ГОСТ 633-80 "Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним", а по сечению достаточно для прохождения магнитного потока без насыщения.

Предлагаемая конструкция индукционного нагревателя иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 приведена принципиальная схема нагревателя; на фиг. 2 - показана схема фазных обмоток индукционных катушек предлагаемого электронагревателя.

Согласно фиг. 1, скважинный нагреватель состоит из следующих элементов:

- Муфта 1 - это переходная муфта, с одной стороны крепится к корпусу нагревателя, а с другой стороны предназначена для крепления к НКТ в скважине. В теле муфты 1 размещены Токоввод 6 и Клапан обратный 7;

- Корпус 2 изготовлен из ферромагнитной стали. В электрическом плане предназначен для замыкания магнитных полей и преобразования энергии магнитного поля в тепловую энергию. В преимущественном варианте может его внешняя поверхность может быть снабжена центрирующими ребрами для исключения «залипания» нагревателя в обсадной колонне и для защиты токоввода при спуске в скважину;

- Сердечник 3 изготовлен из ферромагнитной стали и установлен соосно внутри корпуса 2 с образованием кольцевой полости между стенками корпуса и сердечника. Предназначен для замыкания магнитного потока и преобразования энергии магнитного поля в тепловую энергию, а также служит дополнительной полостью для заполнения и циркуляции диэлектрического масла - теплоносителя. Посредством сквозных отверстий 13 на концевых участках сердечника, его полость соединена с кольцевой полостью, образованной между корпусом 2 и сердечником 3, с образованием контура циркуляции охлаждающей жидкости в полости расположения катушек, что обеспечивает хороший теплоотвод;

- Заглушка 4 является запорной частью нагревателя;

- Клапана перепускные 5 в теле заглушки 4 служат для прокачки масла в нагревателе;

- Токоввод 6 предназначен для герметичного сопряжения питающего электрического кабеля и индукционных катушек 9 нагревателя;

- Клапан обратный 7, установленный в теле переходной муфты 1, служит для закачки масла в полость сердечника 3;

- Кольцевые зубцы 8 являются элементом магнитопровода, который состоит из корпуса 2, сердечника 3 и указанных зубцов 8;

- Катушки индукционные 9, соединенные последовательно, образуют фазные обмотки нагревателя и одним концом присоединены к токовводу 6, другими концами соединяются в нулевую точку «звезды». Катушки обмоток каждой фазы выполнены двухрядными и распределены по длине каждого полюсного деления поочередно с зубцами, по периметру которых выполнены прорези, при равном соотношении их количеств, например, от 2 до 12;

- Прокладка диэлектрическая 10 является изолятором между внутренней контактной поверхностью корпуса 2 и контактными поверхностями индукционных катушек 9;

- Кольца опорные 11 нагревателя торообразной формы. Используются по назначению;

- Электроизолирующая жидкость 12, например, масло диэлектрическое, применяется в предлагаемом маслонаполненном индукционном нагревателе с целью изоляции и охлаждения нагревающихся частей.

На фиг. 2 показана заявляемая схема обмоток в предлагаемом индукционном нагревателе (фиг. 1). В этом примере в каждом полюсном делении последовательно соединяются по шесть индукционных катушек фаз А, В, С (но может быть и больше). Катушки разделены зубцами, количество которых соответствует количеству катушек. Это, соответственно, увеличивает длину полюсного деления, в данном случае, в шесть раз. Такой конструктивный прием позволил уменьшить магнитное сопротивление ферромагнитных зубцов, обеспечить равномерное распределение магнитного потока по длине индукционного нагревателя и эффективный процесс индукционного нагрева феромагнитного магнитопровода. Начала обмоток А, В, С присоединяются к токовводу 6 (фис. 1), концы обмоток X, Y, Z соединяются в звезду (на чертежах не показано).

Для испытания нагревателя индукционного был разработан и изготовлен испытательно-измерительный стенд, позволяющий измерять напряжения, токи и мощности во всех фазах нагревателя, при его подключении к трехфазной сети питающего напряжения.

Стенд состоит из шкафа, на лицевой панели которого размещены различные измерительные приборы и органы управления.

Напряжение питания нагревателя изменяется с помощью лабораторного трехфазного автотрансформатора (ЛАТР 0 - 450V, 27А).

Для измерения сопротивления R_об между фазами нагревателя использовался калибратор АМ-7030. Для измерения температуры корпуса и внутреннего магнитопровода применялись калиброванные термопары, установленные на поверхностях ферромагнитных массивов.

Для измерения всех необходимых параметров использовался модуль ввода параметров электронной сети МЭ110-220.3М, позволяющий измерять все необходимые величины в режиме реального времени, с последующей обработкой данных на персональном компьютере.

Опытные испытания нагревателя проводились при различных напряжениях и токах как на воздухе, так и в ванне, заполненной гидравлическим маслом. Данные испытаний приведены в вышеуказанных таблицах 1 и 2.

На основании экспериментальных и теоретических исследований разработан, изготовлен и успешно испытан промышленный индукционный скважинный электронагреватель «ТермИТ-3».

Технические характеристики индукционного скважинного электронагревателя «ТермИТ-3» представлены в таблице 3.

Предлагаемый индукционный нагреватель работает следующим образом.

Производится монтаж нагревателя на скважине. Для этого нагреватель переходной муфтой 1 присоединяется к колонне НКТ и спускается в скважину в зону предполагаемого прогрева, например, в призабойную зону пласта. При этом к токовводу 6 нагревателя присоединяется питающий кабель (на чертеже не показан), который другим концом присоединяется на поверхности к источнику питания через станцию управления (на чертеже не показана). При включении питания ток проходит по катушкам 9 фазных обмоток (фиг. 2). При этом образуется переменный магнитный поток, который замыкается по магнитопроводу, образованному полым сердечником 3, зубцами 8 и корпусом 2. Энергия магнитного поля генерируется в тепло, которое передается электроизолирующей жидкости 12, например, трансформаторному или диэлектрическому маслу, и среде, окружающей нагреватель. На концевых участках сердечника 3 выполнены сквозные отверстия 13, через которые происходит циркуляция масла по полости сердечника 3 и кольцевой полости для улучшения теплоотвода. При нагреве увеличивается омическое сопротивление фазных обмоток индукционных катушек 9 и по изменению сопротивления обмоток станция управления контролирует температуру этих обмоток и осуществляет автоматическую терморегуляцию. Электроизолирующая жидкость 12 в нагревателе находится под давлением (она предварительно была закачана в полость сердечника 3 через обратный клапан 7 под давлением. Это стало возможным также благодаря наличию перепускного клапана 5), образуя своего рода гидрозащиту, что вместе с клапанами 5 и 7 и другими элементами конструкции обеспечивает надежную герметизацию нагревателя. Для обеспечения длительной и надежной работы нагревателя в скважине задается режим работы, рассчитываемый предварительно по известным параметрам скважины. Предлагаемый нагреватель обеспечивает необходимый тепловой режим в ПЗП и повышает эффективность нефтедобычи.