Теплоизолированная гибкая грузонесущая полимерная труба и способ её использования

Изобретение относится к гибким трубопроводам с улучшенной тепловой защитой, в частности к трубопроводам, используемых в исследовательских и эксплуатационных установках добычи углеводородов. Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является уменьшение теплоотдачи от добываемого флюида к стенкам скважины, уменьшения адгезии стенок насосно-компрессорных труб к веществам присутствующим в продукции скважин и предотвращению налипания парафинов, смол, гидратов, солей, осуществляемые без значительного уменьшения дебета скважины. Техническая задача решается использованием теплоизолированной гибкой грузонесущей полимерной трубы с одним или несколькими слоями с низкой теплопроводностью (низким коэффициентом теплопередачи), причем в теле такой трубы могут находиться силовые и/или сигнальные проводники (контрольные проводники, оптоволокно для контроля температуры, электрические нагревательные элементы для компенсации тепловых потерь, силовые кабели), а армирование может быть выполнено синтетическими нитями. Техническим результатом предлагаемого устройства является увеличение срока службы и дебита скважины, а так же увеличение безопасности ее эксплуатации.

Изобретение относится к гибким трубопроводам с улучшенной тепловой защитой, в частности к трубопроводам, используемых в исследовательских и эксплуатационных установках добычи углеводородов.

В процессе движения флюида (жидкой продукции добывающих нефтяных, газоконденсатных скважин) от забоя до устья добывающих скважин происходит процесс теплопередачи от газонефтеводяной смеси к стенкам скважины. В результате газожидкостная смесь охлаждается, а породы прилегающие к стволу скважины нагреваются. Этот процесс приводит к двум негативным результатам.

1. Разогрев стенок скважины в зоне вечномерзлых пород приводит к разрушению ствола скважины, возникновению межпластовых перетоков, прорыву пластовых флюидов на поверхность (так называемые «гриффоны»), смятию и смещению обсадных колонн. Соответственно все вышеизложенное приводит к преждевременному выходу из строя скважины, большим затратам на ремонт или ликвидацию скважины.

2. Охлаждение газожидкостной смеси при подъеме по НКТ приводит к резкому увеличению кинематической вязкости добываемого флюида, кристаллизации высокомолекулярных парафинов, осаждению на стенках труб смол и асфальтенов, образованию газогидратных отложений. Это приводит, как правило, к образованию сужений, пробок в насосно-компрессорных трубах, преждевременному выходу из строя подземного насосного и другого оборудования. В результате на таких скважинах межремонтный период значительно ниже, а себестоимость добычи значительно выше, чем на скважинах где нет таких осложнений.

Для преодоления указанных проблем предлагаются различные решения, направленные прежде всего на увеличение теплоизоляционных свойств насосно-компрессорных труб.

Известен гибкий трубопровод с улучшенной тепловой защитой (SU 1658827), предназначенный для циркуляции жидкости под давлением и содержащий, по меньшей мере, одну герметичную оболочку или трубу из полимерного материала, по меньшей мере один армирующий слой, средство тепловой защиты и оболочку из теплоотражающего материала, включающего тонкий слой (пленку) металла.

В известном трубопроводе армирующий слой выполнен преимущественно из слюды, которая является неорганическим материалом Использование слоя на основе слюды значительно уменьшает внутреннее сечение такого трубопровода.

Так же известен гибкий трубопровод (RU 2079039) с улучшенной тепловой защитой, предназначенный для циркуляции жидкости под давлением и содержащий по меньшей мере одну герметичную оболочку или трубу из полимерного материала, по меньшей мере один армирующий слой, средство тепловой зашиты и оболочку из теплоотражающего материала, причем средство тепловой защиты содержит оболочку из композиционного материала, включающего частицы пробки, а оболочка из теплоотражающего материала выполнена в виде гибкой металлической трубы, расположенной снаружи от теплозащитной оболочки. Композиционный материал может представлять собой агломерированную пробку и иметь теплопроводность менее 0,30 Вт/м². Оболочка из композиционного материала образована по меньшей мере одной лентой, намотанной по спирали поверх армирующего слоя с выдерживанием значительного угла относительно продольной оси гибкого трубопровода.

Недостатком указанного устройства является невозможность производства длинномерных труб одним отрезком, что приводит к необходимости применения различных соединений и соответствующему усложнению конструкции с уменьшением надежности. Кроме того, известный гибкий трубопровод имеет не большой внутренний диаметр, что уменьшает скорость добычи углеводородов. Основным недостатком указанного устройства является сложность изготовления.

Наиболее близкой к предлагаемому, является грузонесущая полимерная труба (RU 119430) в стенках которой размещены армирующие элементы в виде металлических проволок или лент, отличающаяся тем, что армирующие элементы уложены не менее чем двумя слоями, имеющими угол повива от 15 до 75 градусов к оси трубы, а в стенке трубы продольно или повивом размещен хотя бы один сплошной слой металлической фольги или ленты. Кроме того в стенке трубы могут быть уложены силовые и/или сигнальные проводники.

Недостатком указанного устройства является отсутствие слоя с низкой теплопроводностью и, как следствие, повышенная теплоотдача от добываемого флюида к стенкам скважины.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является уменьшение теплоотдачи от добываемого флюида к стенкам скважины, уменьшения адгезии стенок насосно-компрессорных труб к веществам присутствующим в продукции скважин и предотвращению налипания парафинов, смол, гидратов, солей, осуществляемые без значительного уменьшения дебета скважины.

Техническая задача решается использованием теплоизолированной гибкой грузонесущей полимерной трубы с одним или несколькими слоями с низкой теплопроводностью (низким коэффициентом теплопередачи), причем в теле такой трубы могут находиться силовые и/или сигнальные проводники (контрольные проводники, оптоволокно для контроля температуры, электрические нагревательные элементы для компенсации тепловых потерь, силовые кабели), а армирование может быть выполнено синтетическими нитями.

Эффективность теплоизоляции и тепловые потоки через стенку труб определяются нижеприведенными соотношениями (Е.А. Краснощекое, А.С. Сукомел, «Задачник по теплопередаче» М., изд. «Энергия», 1980)

Примем, что коэффициенты теплопередачи от внутреннего вещества к стенке труб и от стенки труб в окружающую среду при одинаковых геометрических размерах одинаковы для различных материалов самой трубы. Тепловой же поток непосредственно через стенку труб зависит от коэффициента теплопроводности материала трубы X и определяется по формуле

где t_c1 - температура внутренней поверхности теплоизолированной гибкой грузонесущей полимерной трубы (температура добываемого флюида),

t _c2 - температура внешней поверхности теплоизолированной гибкой грузонесущей полимерной трубы,

d₁ , d₂ - внутренний и внешний диаметры теплоизолированной гибкой грузонесущей полимерной трубы.

- коэффициент теплопроводности материала стенки трубы.

Значения коэффициентов теплопроводности для различных материалов ()

Как видно из таблицы значения коэффициентов теплопроводности очень сильно различаются для различных материалов. Для количественной оценки тепловых потерь были смоделированы варианты протекания скважинного флюида при его подъеме на поверхность по различным типам насосно-компрессорных труб.

В первом варианте применялась полимерная армированная труба со слоем вспененного полиэтилена толщиной 1 мм.

Во втором варианте полимерная труба без дополнительных теплоизолирующих слоев.

В третьем варианте применялась обычная стальная труба.

В качестве базовых условий были приняты следующие:

Внутренний диаметр НКТ - 40 мм;

Глубина подвеса насоса 1200 м;

Температура на забое 40°C;

Температура на устье -4°C;

Динамический уровень 1000 м;

Обводненность нефти 20%.

Полученные графики зависимости температуры по стволу скважины для трех вариантов труб приведены на фиг. 1. - фиг. 3. (Фиг. 1. - теплоизолированная полимерная грузонесущая труба, фиг. 2 - полимерная грузонесущая труба, фиг. 3 - стальная труба).

По графикам видно, что температура добываемого флюида при использовании стальной колонны НКТ вблизи устья скважины (L=0) имеет значение, близкое к 0°C, в то время как при использовании предлагаемой теплоизолированной гибкой грузонесущей полимерной трубы - температура имеет значение, близкое к 35°. Приведенные данные свидетельствуют о незначительных тепловых потерях скважинного флюида при его подъеме на поверхность с применением полимерных теплоизолированных труб.

Так же показательным будет сравнение линейного коэффициента теплопередачи через цилиндрическую стенку стальной трубы и теплоизолированной гибкой грузонесущей полимерной трубы.

Линейный коэффициент теплопередачи через цилиндрическую стенку трубы определяют по формуле:

где ₁ - коэффициент теплоотдачи между внутренней поверхностью трубы и добываемым флюидом, Вт/(м^2*°C);

где ₂ - коэффициент теплоотдачи между внешней поверхностью трубы и внешней средой, Вт/(м^2*°C).

Для стальной трубы с внутренним диаметром 40 мм, внешним диаметром 65 мм, при дебите 10 т/сут линейный коэффициент теплопередачи равен 16,433. Для теплоизолированной гибкой грузонесущей полимерной трубы 1,228 (в 13 раз меньше).

Кроме того, возможно использование предлагаемой теплоизолированной гибкой грузонесущей полимерной трубы совместно с существующей стальной или из любого другого материала колонной НКТ. В этом случае наружный диаметр теплоизолированной гибкой грузонесущей полимерной трубы подбирается максимально близким к внутреннему диаметру колонны НКТ при условии безопасного и безаварийного проведения спуско-подъемных операций. Внутренний диаметр подбирается исходя из гидравлического расчета и необходимости прохождения приборов и инструмента.

Ввиду наличия на нижнем торце колонны НКТ погружного оборудования (например насоса), в которое можно упереть нижний конец теплоизолированной гибкой грузонесущей полимерной трубы, возникает возможность уменьшить армирование с соответствующим увеличением внутреннего отверстия.

Кроме того, можно использовать синтетические нити в качестве армирующих элементов, ввиду того что синтетическая нить (например, из кевлара (полипарафенилен-терефталамид) или СВМ (гетероциклического пара-полиамидобезимидазола)) обладает гораздо меньшей теплопроводностью, в отличие от стальной проволоки, обычно применяющейся в качестве армирования полимерных труб. А учитывая, что синтетические нити при их малом поперечном сечении укладываются пучками, неизбежно наличие воздушного пространства между отдельными нитями в пучке, что создает дополнительную теплоизоляцию. Перечисленные особенности позволяют использовать синтетические нити в качестве как армирующих элементов, так и в качестве слоя с низкой теплопроводностью.

Теплоизолированная гибкая грузонесущая полимерная труба, осуществляющая только транспортировку добываемого флюида без его подогрева, показана на фиг. 4 и 5.

Теплоизолированная гибкая грузонесущая полимерная труба, осуществляющая транспортировку добываемого флюида с его подогревом, управление различным оборудованием, снабженная датчиками, показана на фиг. 6 и 7.

На фиг. 4 изображена теплоизолированная гибкая грузонесущая полимерная труба с армирующими элементами в виде металлических проволок или лент, уложенных не менее чем двумя слоями и имеющих угол повива от 15 до 75° к оси трубы и одним слоем низкой теплопроводности.

На фиг. 5 изображена теплоизолированная гибкая грузонесущая полимерная труба с армирующими элементами в виде синтетических нитей.

На фиг. 6 изображена теплоизолированная гибкая грузонесущая полимерная труба с армирующими элементами в виде металлических проволок или лент, уложенных не менее чем двумя слоями и имеющих угол повива от 15 до 75° к оси трубы, одним слоем низкой теплопроводности и различными проводниками.

На фиг. 7 изображена теплоизолированная гибкая грузонесущая полимерная труба с армирующими элементами в виде синтетических нитей и различными проводниками.

Согласно фиг. 4 теплоизолированная гибкая грузонесущая полимерная труба состоит из внутренней трубки 1, внутреннего 2 и внешнего 3 слоев армирующих элементов, слоя низкой теплопроводности 4 и наружной оболочки 5.

Согласно фиг. 5 теплоизолированная гибкая грузонесущая полимерная труба состоит из внутренней трубки 1, внутреннего 2 и внешнего 3 слоев армирующих элементов (выполненных в виде синтетических нитей) и наружной оболочки 5.

Согласно фиг 6. теплоизолированная гибкая грузонесущая полимерная труба состоит из внутренней трубки 1, внутреннего 2 и внешнего 3 слоев армирующих элементов, полимерной подложки 6, силовых проводников 7, нагревателя внутренней стенки 8, оптоволоконного распределенного датчика температуры и давления 9, проводника контрольных приборов 10, слоя низкой теплопроводности 4 и наружной оболочки 5.

Согласно фиг. 7 теплоизолированная гибкая грузонесущая полимерная труба состоит из внутренней трубки 1, силовых проводников 7, нагревателя внутренней стенки 8, оптоволоконного распределенного датчика температуры и давления 9, проводника контрольных приборов 10, внутреннего 2 и внешнего 3 слоев армирующих элементов (выполненных в виде синтетических нитей), и наружной оболочки 5.

Устройство по фиг. 4 работает следующим образом: теплоизолированная гибкая грузонесущая полимерная труба опускается в скважину или колонну НКТ до упора в погружное оборудование и по внутренней трубке 1 осуществляется подъем скважинной жидкости на поверхность. При этом внутренний 2 и внешний 3 слои армирующих элементов предохраняют теплоизолированную гибкую грузонесущую полимерную трубу от повреждений, а слой низкой теплопроводности 4 препятствует передачи теплоты от добываемого флюида к стенкам скважины.

Устройство по фиг. 5 работает следующим образом: теплоизолированная гибкая грузонесущая полимерная труба опускается в скважину или колонну НКТ до упора в погружное оборудование и по внутренней трубке 1 осуществляется подъем скважинной жидкости на поверхность. При этом внутренний 2 и внешний 3 слои армирующих элементов (выполненных в виде синтетических нитей) предохраняют теплоизолированную гибкую грузонесущую полимерную трубу от повреждений и препятствуют передаче теплоты от добываемого флюида к стенкам скважины.

Устройство по фиг. 6 работает следующим образом: теплоизолированная гибкая грузонесущая полимерная труба опускается в скважину или колонну НКТ до упора в погружное оборудование и по внутренней трубке 1 осуществляется подъем скважинной жидкости на поверхность. При этом внутренний 2 и внешний 3 слои армирующих элементов предохраняют теплоизолированную гибкую грузонесущую полимерную трубу от повреждений, силовые проводники 7 осуществляют питание погружного оборудования (например, насоса), нагреватель внутренней стенки 8 осуществляет подогрев добываемого флюида, оптоволоконный распределенный датчик температуры и давления 9 замеряет соответствующие параметры, проводник контрольных приборов 10 осуществляет питание последних, полимерная подложка 6 отделяет проводники от внешнего слоя армирующих элементов 2, а слой низкой теплопроводности 4 препятствует передачи теплоты от добываемого флюида к стенкам скважины.

Устройство по фиг. 7 работает следующим образом: теплоизолированная гибкая грузонесущая полимерная труба опускается в скважину или колонну НКТ до упора в погружное оборудование и по внутренней трубке 1 осуществляется подъем скважинной жидкости на поверхность. Силовые проводники 7 осуществляют питание погружного оборудования (например насоса), нагреватель внутренней стенки 8 осуществляет подогрев добываемого флюида, оптоволоконный распределенный датчик температуры и давления 9 замеряет соответствующие параметры, проводник контрольных приборов 10 осуществляет питание последних. При этом внутренний 2 и внешний 3 слои армирующих элементов предохраняют теплоизолированную гибкую грузонесущую полимерную трубу от повреждений и препятствуют передаче теплоты от добываемого флюида к стенкам скважины.

Кроме вышеуказанного, предлагаемая теплоизолированная гибкая грузонесущая полимерная труба может быть применена для операций подземного ремонта, закачки в скважину химических реагентов, горячей воды, нефти или газовой смеси.

Техническим результатом предлагаемого устройства является увеличение срока службы и дебита скважины, а так же увеличение безопасности ее эксплуатации.

1. Теплоизолированная гибкая грузонесущая полимерная труба, в стенках которой размещены армирующие элементы, уложенные не менее чем двумя слоями, имеющими угол повива от 15 до 75º к оси трубы, отличающаяся тем, что стенки трубы имеют хотя бы один слой со значительно более низкой теплопроводностью, по отношению к основному материалу трубы.

2. Теплоизолированная гибкая грузонесущая полимерная труба по п. 1, отличающаяся тем, что армирующие элементы выполнены в виде синтетических нитей.

3. Теплоизолированная гибкая грузонесущая полимерная труба по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что в тело трубы уложены силовые и/или сигнальные проводники.