RU2006571C1

RU2006571C1 - Well electrical heater

Info

Publication number: RU2006571C1
Authority: RU
Inventors: Валерий Иванович Жеребцов; Сергей Валерьевич Жеребцов
Original assignee: Валерий Иванович Жеребцов; Сергей Валерьевич Жеребцов
Priority date: 1992-07-08
Filing date: 1992-07-08
Publication date: 1994-01-30

Abstract

FIELD: oil production industry. SUBSTANCE: well electrical heater has current conductor, sealed cable connector assembly, cylindrical body, electric heating element, heat conductive core and radiator of heat flows of directed action. EFFECT: increased speed of heating of wells and provision for heating of pipe-line of large diameters. 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области бурения и горного дела, а точнее к области применения погружных электронагревательных приборов для разогрева застывшей нефти, а также депарафинизации нефтяных скважин. Заявляемое устройство может также применяться для прогрева скважин, пробуренных в условиях вечной мерзлоты в случаях их обледенения. The invention relates to the field of drilling and mining, and more specifically to the field of application of submersible electric heaters for heating frozen oil, as well as dewaxing of oil wells. The inventive device can also be used for heating wells drilled in permafrost in cases of icing.

Известны нагревательные приборы, применяемые для прогрева скважин, такие как, "Скважинный парогазогенератор" (1) или "Скважинная горелка" (2). Принцип действия указанных нагревательных приборов основан на использовании сжигаемого топлива для обеспечения достижения необходимой температуры. Недостатками данных нагревательных приборов является сложность их конструкций, неэкономичность, обусловленная необходимостью использования жидкого или газообразного топлива, невысокая производительность, связанная с медлительностью процесса прогрева. Known heating devices used for heating wells, such as, “Downhole steam and gas generator” (1) or “Downhole burner” (2). The principle of operation of these heating devices is based on the use of combustible fuel to ensure that the required temperature is reached. The disadvantages of these heating devices are the complexity of their designs, uneconomical, due to the need to use liquid or gaseous fuels, low productivity associated with the slowness of the heating process.

Наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому устройству является "Скважинный электронагреватель", представляющий собой корпус с отверстиями в верхней его части для перетекания разогретой нефти. К корпусу подведен токопровод, соединенный с электрической спиралью, намотанной на внешней поверхности корпуса, причем плотность намотки витков электроспирали возрастает по мере удаления от места соединения токопровода со спиралью. Указанная особенность намотки спирали обеспечивает повышение плотности теплового потока излучаемого элекронагревателем по мере увеличения плотности намотки витков (3). Недостатками данного устройства являются его относительно невысокая производительность, а также ограниченность применения. Указанные недостатки обусловлены тем, что тепловой поток, излучаемый известным скважинным электронагревателем, хотя и возрастает по мере увеличения плотности намотки витков электроспирали, но при этом характеризуется "размытостью" и ненаправленностью действия по оси прогреваемой скважины (электроспираль расположена таким образом, что практически весь тепловой поток направляется к стенкам скважины). Благодаря этому процесс разогрева застывшей нефти и депарафинизация скважин носят замедленный характер, а в случаях необходимости расплавления гидратных пробок, в особенности при большой их протяженности, известный скважинный электронагреватель оказался вообще неэффективным. Кроме того применение данного скважинного электронагревателя носит ограниченный характер из-за его неприменимости для разогрева застывших сред в каких-либо коммуникационных системах круглого сечения больших диаметров, например, в трубопроводах. The closest in purpose and technical essence to the claimed device is a "Downhole electric heater", which is a housing with holes in its upper part for the flow of heated oil. A current lead connected to an electric coil wound on the outer surface of the housing is connected to the housing, and the density of the windings of the coils increases as they move away from the junction of the electrical conductor with the spiral. This feature of the spiral winding provides an increase in the heat flux density emitted by the electric heater as the winding density of the turns increases (3). The disadvantages of this device are its relatively low productivity, as well as limited application. These drawbacks are due to the fact that the heat flux emitted by a well-known downhole electric heater, although it increases as the winding density of the coils is increased, is characterized by “blurring” and non-directional action along the axis of the heated well (the coil is located so that almost the entire heat flux goes to the walls of the well). Due to this, the process of warming up the frozen oil and dewaxing of the wells are delayed in nature, and in cases of the need to melt hydrated plugs, especially when they are long, the well-known electric heater turned out to be generally ineffective. In addition, the use of this downhole electric heater is limited due to its inapplicability for heating frozen media in any communication systems of circular cross section of large diameters, for example, in pipelines.

Преимуществами заявляемого устройства являются повышение скорости разогрева застывших нефтей в скважинах, депарафинизация скважин, обеспечение расплавления гидратных пробок в скважинах, а также расширение области применения за счет возможности использования для разогрева или расплавления термопластичных сред в коммуникациях больших диаметров. The advantages of the claimed device are an increase in the rate of heating of frozen oils in the wells, dewaxing of the wells, ensuring the melting of hydrate plugs in the wells, as well as expanding the scope due to the possibility of using thermoplastic media for heating or melting in large diameters.

Указанные преимущества обеспечиваются за счет того, что заявляемое устройство содержит токопровод, цилиндрический корпус, внутри которого расположен теплопроводящий сердечник, выполненный из металла, причем пространство между теплопроводящим сердечником и корпусом заполнено теплоэлектроизоляционным материалом. На поверхности теплопроводящего сердечника расположен электронагревательный элемент, а на торце цилиндрического корпуса укреплен излучатель тепловых потоков направленного действия, выполненный из металла с высокой теплопроводностью, например, из меди. Излучатель тепловых потоков направленного действия находится в контакте с теплопроводящим сердечником и может иметь форму полусферы, линзообразую форму с фокусирующей поверхностью, представляющей собой поверхность гиперболоида вращения или комбинацию вышеуказанных форм, когда линзообразные выпуклости расположены на поверхности полусферы. Токопровод подсоединен к скважинному электронагревателю с помощью герметизированного кабельного разъема. These advantages are provided due to the fact that the inventive device comprises a current lead, a cylindrical body, inside which a heat-conducting core made of metal is located, and the space between the heat-conducting core and the body is filled with thermally insulating material. An electric heating element is located on the surface of the heat-conducting core, and on the end of the cylindrical body there is a radiator of directional heat flux made of metal with high thermal conductivity, for example, copper. The directed heat flux emitter is in contact with a heat-conducting core and may be in the form of a hemisphere, a lenticular shape with a focusing surface representing the surface of a hyperboloid of revolution, or a combination of the above shapes when the lenticular bulges are located on the surface of the hemisphere. The conductor is connected to the downhole electric heater using a sealed cable connector.

На фиг. 1 представлен скважинный электронагреватель, разрез, вариант с полусферическим излучателем тепловых потоков направленного действия; на фиг. 2 - излучатель тепловых потоков направленного действия, представляющий собой комбинацию полусферической и линзообразной форм (подвариант с 5 линзообразными выпуклостями). In FIG. 1 shows a borehole electric heater, a section, a variant with a hemispherical radiator of heat fluxes of directional action; in FIG. 2 - radiator of heat fluxes of directional action, which is a combination of hemispherical and lenticular shapes (sub-option with 5 lenticular bulges).

Скважинный электронагреватель состоит из токопровода 1, герметизированного кабельного разъема 2, цилиндрического корпуса 3, электронагревательного материала 6 и излучателя 7 тепловых потоков направленного действия (фиг. 1). The downhole electric heater consists of a current lead 1, a sealed cable connector 2, a cylindrical body 3, electric heating material 6 and a radiator 7 of heat fluxes of directional action (Fig. 1).

Излучатель тепловых потоков направленного действия (фиг. 2) состоит из шарообразной монолитной полусферы 8 с расположенными на ее поверхности линзообразными выпуклостями 9 и 10, имеющими фокусирующие поверхности, представляющие собой поверхности гиперболоидов вращения, причем линзообразная выпуклость 9 расположена на вершине шарообразной монолитной полусферы 8, а линзообразные выпуклости 10 - на ее боковой поверхности на расстояниях, одинаковых между каждыми двумя соседними линзообразными выпуклостями 10. Размещение самих линзообразных выпуклостей 10 носит линейный характер. На фиг. 2 изображен однолинейный характер расположения линзообразных выпуклостей 10, однако таких линий расположения может быть и больше. The directional action heat flux emitter (Fig. 2) consists of a spherical monolithic hemisphere 8 with lenticular convexities 9 and 10 located on its surface, having focusing surfaces representing the surfaces of revolution hyperboloids, and the lenticular bulge 9 is located on top of the spherical monolithic hemisphere 8, and lenticular bulges 10 - on its lateral surface at distances equal between every two adjacent lenticular bulges 10. Placing the lenticular ypuklostey 10 is linear. In FIG. 2 shows the single-linear arrangement of lenticular bulges 10, however, there may be more such arrangement lines.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Скважинный электронагреватель помещают в прогреваемую скважину, опускают на глубину начала образования локальной зоны, например, гидратной пробки, включают силовой трансформатор и по мере прогрева локальной зоны до нужной степени вязкости прогреваемой среды продолжают перемещение устройства до нижней границы локальной зоны. A downhole electric heater is placed in a heated well, lowered to the depth of the onset of the formation of a local zone, for example, a hydrate plug, a power transformer is turned on, and as the local zone warms up to the desired degree of viscosity of the heated medium, the device continues to move to the lower boundary of the local zone.

После включения питающего силового трансформатора нагретый с помощью электронагревательного элемента 4 теплопроводящий сердечник 5 подает тепловой поток к излучателю тепловых потоков направленного действия. За счет вышеуказанных форм поверхности действие излучателя тепловых потоков характеризуется направленностью по оси прогреваемой скважины. В случае использования полусферической формы излучателя 7 тепловых потоков направленного действия распространение теплового потока носит направленный веерообразный характер и обладает мягкостью действия. Такой формы излучатель целесообразно применять при разогреве застывших сред с резким переходом от одного агрегатного состояния к другому (сред, характеризующихся температурами плавления, например, парафина или льда). В случаях, когда среда является многокомпонентной системой, например нефть, и в которой фазовые переходы носят плавный, замедленный, характер, используют либо линзообразную форму излучателя тепловых потоков направленного действия, либо комбинированную форму полусферы с линзообразными выпуклостями. Известно, что фокусировка лучистой энергии приводит к увеличению мощности потока лучистой энергии в объеме фокусируемого потока, а следовательно и к увеличению температуры с ее максимальной величиной в точке фокуса (точка А, фиг. 3), из чего следует, что использование излучателя тепловых потоков направленного действия, имеющего в своем составе линзообразные выпуклости, будет интенсифицировать процесс прогрева скважины. При использовании линзообразной формы излучателя прогрев будет носить жесткий, узконаправленный характер действия, что весьма эффективно для скважин малых диаметров. Комбинированная форма излучателя обеспечит сочетание жесткого и мягкого объемного характера прогрева, который целесообразно использовать для прогрева скважин больших диаметров. Однако при всех прочих равных условиях заявляемый скважинный электронагреватель обладает всеми вышеперечисленными преимуществами по сравнению с прототипом. Испытания заявленного устройства показали его эффективность и работоспособность при растоплении гидратной пробки длиной в 730 м в скважине на глубине, начиная со 170 и до 900 м, причем общее время прохождения составило 216 ч, в то время как известным скважинным электронагревателем растопить вышеуказанную гидратную пробку не удалось. В этом случае использовался скважинный электронагреватель с излучателем тепловых потоков направленного действия в форме линзы с фокусирующей поверхностью. Использование двух других форм излучателя тепловых потоков направленного действия также показало их работоспособность при растоплении гидратных пробок. Скорость депарафинизации скважин, а также скорость разогрева застывшей нефти для всех трех форм излучателей в среднем в 1,6-2 раза выше, чем у устройства согласно прототипа. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1222822, кл. Е 21 В 36/00, 43/24, 1986. After turning on the power transformer, the heat-conducting core 5 heated by means of an electric heating element 4 delivers a heat flux to a radiator of directional heat fluxes. Due to the above surface forms, the action of the heat flux emitter is characterized by the orientation along the axis of the heated well. In the case of using a hemispherical shape of the emitter 7 of the heat fluxes of directed action, the propagation of the heat flux is directional fan-shaped and has a soft action. It is advisable to use this form of emitter when heating frozen media with a sharp transition from one state of aggregation to another (media characterized by melting points, for example, paraffin or ice). In cases where the medium is a multicomponent system, for example, oil, and in which the phase transitions are smooth, slow, they use either the lenticular shape of the emitter of directional heat fluxes or the combined shape of a hemisphere with lenticular bulges. It is known that focusing of radiant energy leads to an increase in the power of the flux of radiant energy in the volume of the focused flux, and therefore to an increase in temperature with its maximum value at the focal point (point A, Fig. 3), which implies that the use of a directional heat flux emitter action, which includes lenticular bulges, will intensify the process of heating the well. When using the lenticular shape of the emitter, the heating will have a rigid, narrowly directed action, which is very effective for small-diameter wells. The combined shape of the emitter will provide a combination of hard and soft volumetric character of heating, which is advisable to use for heating wells of large diameters. However, all other things being equal, the claimed downhole electric heater has all of the above advantages compared to the prototype. Tests of the claimed device showed its effectiveness and efficiency when melting a hydrate plug 730 m long in a well at a depth starting from 170 to 900 m, with a total transit time of 216 hours, while the well-known electric well heater failed to melt the above hydrate plug . In this case, a downhole electric heater was used with a radiator of heat fluxes of directional action in the form of a lens with a focusing surface. The use of two other forms of radiator of heat fluxes of directional action also showed their operability in the melting of hydrate plugs. The dewaxing rate of the wells, as well as the rate of heating of the frozen oil for all three forms of emitters, is on average 1.6-2 times higher than that of the device according to the prototype. (56) 1. USSR author's certificate N 1222822, cl. E 21 B 36/00, 43/24, 1986.

2. Авторское свидетельство СССР N 1645474, кл. Е 21 В 36/00, 43/24, 1991. 2. USSR author's certificate N 1645474, cl. E 21 B 36/00, 43/24, 1991.

3. Авторское свидетельство СССР N 1627671, кл. Е 21 В 36/04, 43/24, 1991. 3. Copyright certificate of the USSR N 1627671, cl. E 21 B 36/04, 43/24, 1991.

4. Элементарный учебник физики. /Под ред. Г. С. Ландсберга, т. III, М. : Наука, 1971, с. 202-203. 4. Elementary textbook of physics. / Ed. G.S. Landsberg, vol. III, M.: Science, 1971, p. 202-203.

Claims

Borehole electric heater, comprising a hollow cylindrical body with a heating element and a current lead in its upper end, characterized in that it is equipped with a metal heat-conducting core located inside the hollow cylindrical body, and a monolithic metal radiator of heat fluxes of directional action located in the lower end of the hollow cylindrical body, moreover, the electric heating element is placed on the outer surface of the metal heat-conducting core, a monolithic meta A direct-acting thermal heat emitter has contact with a metal heat-conducting core, and the cylinder cavity is filled with heat-insulating material.

2. An electric heater according to claim 1, characterized in that the metal heat-conducting core and the monolithic metal radiator of heat fluxes of directional action are made of copper.

3. An electric heater according to claim 1, characterized in that the monolithic metal radiator of heat fluxes of directed action has the shape of a hemisphere or lens with a focusing surface or the shape of a hemisphere with focusing lens-like bulges placed on its surface.

4. An electric heater according to claim 3, characterized in that one of the focusing lenticular bulges is located on the top of the hemisphere, and the rest is on its lateral surface, and the distances between each two adjacent focusing lenticular bulges located on the lateral surface of the hemisphere are the same, the focusing ones lenticular bulges are linearly arranged in a row, and the number of rows is at least one.