RU2092676C1

RU2092676C1 - Method and device for preventing freezing of injection well head

Info

Publication number: RU2092676C1
Application number: RU95105786A
Authority: RU
Inventors: Р.Р. Кадыров; Г.А. Федотов; М.Х. Салимов; Б.М. Калашников; В.А. Андреев; А.Т. Панарин
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью "Намус"
Priority date: 1995-04-14
Filing date: 1995-04-14
Publication date: 1997-10-10
Also published as: RU95105786A

Abstract

FIELD: oil production industry. SUBSTANCE: this is to prevent freezing of injection well head at subzero temperature in case of emergency discontinuation of water injection. According to method, well head is heated due to convectional transfer of heat accumulated in ground during period of water injection into well. Heat transfer to well head is effected by convective heat exchanger which represents U-shaped structure with its lower part being provided with set of strips (radiator). Thus, primary source of heat at accumulation of heat in ground is water injected into well. EFFECT: high efficiency. 2 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли, в частности, к способам предотвращения замерзания устья нагревательных скважин и устройствам их осуществления. The invention relates to the oil industry, in particular, to methods for preventing freezing of the mouth of heating wells and devices for their implementation.

Известен способ теплоизоляции нагревательной колонны в скважине [1] включающий закачку смеси теплоизоляционного материала с водой в кольцевое пространство скважины и удаление воды из смеси. Недостатком способа является низкая эффективность теплоизоляции колонны из-за неравномерного распределения материала в кольцевом пространстве. A known method of thermal insulation of a heating column in a well [1] comprising pumping a mixture of heat-insulating material with water into the annular space of the well and removing water from the mixture. The disadvantage of this method is the low efficiency of thermal insulation of the column due to the uneven distribution of material in the annular space.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ, осуществляемый при использовании конструкции скважины [2] Способ основан на использовании конвективного теплообмена и реализуется с помощью чередующихся термосвай и термосифонов, заполненных низкозамерзающим теплоносителем ( керосином или аммиаком). The closest technical solution to the proposed invention is a method that is carried out using a well design [2]. The method is based on the use of convective heat transfer and is implemented using alternating thermowells and thermosiphons filled with a low-freezing coolant (kerosene or ammonia).

Известный способ, т.е. конвективная передача тепла грунта к устью скважины с помощью термосвай и термосифонов, находит ограниченное применение, т. е. в зимнее время грунт вокруг скважины охлаждается до такой степени, что впоследствии летом не успевает прогреться до положительных температур. Это явление обуславливает низкую эффективность способа при использовании известной конструкции скважины по а.с. 1698419. Кроме того, известная конструкция обладает большой металлоемкостью. The known method, i.e. convective transfer of soil heat to the wellhead with the help of thermowells and thermosiphons is of limited use, i.e., in winter, the soil around the well is cooled to such an extent that subsequently in the summer it does not have time to warm up to positive temperatures. This phenomenon leads to a low efficiency of the method when using the well-known well design according to AS 1698419. In addition, the known design has a large metal consumption.

Целью данного технического изобретения является повышение эффективности способа предотвращения замерзания устья нагревательной скважины за счет использования тепла воды, закачиваемой в нагнетательную скважину, для накопления тепла в грунте и последующего обогрева устья скважины при аварийном прекращении закачки воды в скважину. А также устройства для осуществления способа за счет упрощения конструкции конвективного теплообменника. The purpose of this technical invention is to increase the efficiency of the method of preventing freezing of the mouth of a heating well by using the heat of water pumped into the injection well to accumulate heat in the soil and subsequent heating of the wellhead in case of an emergency stop of water injection into the well. As well as devices for implementing the method by simplifying the design of a convective heat exchanger.

Поставленная цель достигается тем, что в способе предотвращения замерзания устья нагнетательной скважины, включающем подачу теплоносителя от заглубленного в грунт конвективного теплообменника к устью нагнетательной скважины, согласно изобретения, предварительно осуществляют накопление тепла в грунте путем подачи из подземной части водовода части закачиваемой в нагнетательную скважину воды в качестве теплоносителя в конвективный теплообменник с последующей ее циркуляцией. Поставленная цель достигается тем что, в устройстве для предотвращения замерзания устья нагнетательной скважины, включающем струенаправляющие элементы для подачи теплоносителя от конвективного теплообменника, заглубленного в грунт, к устью нагнетательной скважины, согласно изобретению, конвективный теплообменник выполнен в виде соединенным между собой в U-образную конструкцию струенаправляющих элементов, причем один из струенаправляющих элементов соединен с подземной частью водовода, при этом конвективный теплообменник в заглубленной части снабжен пластинами. The goal is achieved in that in a method of preventing freezing of the mouth of the injection well, comprising supplying a coolant from a convective heat exchanger buried in the soil to the mouth of the injection well, according to the invention, heat is accumulated in the soil by supplying part of the water pumped into the injection well from the underground part of the water conduit to as a heat carrier in a convective heat exchanger with its subsequent circulation. This goal is achieved by the fact that, in the device for preventing freezing of the mouth of the injection well, including flow elements for supplying the heat carrier from the convective heat exchanger buried in the ground to the mouth of the injection well, according to the invention, the convective heat exchanger is made in the form of interconnected in a U-shaped design flow directing elements, moreover, one of the flow directing elements is connected to the underground part of the water conduit, with a convective heat exchanger in the deep constant part provided with plates.

Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в период закачки воды в скважину используется тепло, приносимое закачиваемой водой. В летнее время температура закачиваемой воды составляет 14-18^oC, что на 8-10^oC превышает естественную температуру грунта на глубине 1,6 м, т.е. в зоне устойчивых положительных температур. В зимнее время перепад температур уменьшается до 4-6^oC, но остается достаточной, чтобы обеспечить устойчивое накопление тепла в зоне заглубления конвективного теплообменника. В этом отличие данного технического решения от известных способов предупреждения замерзания устья нагнетательной скважины. Для накопления тепла в грунте часть закачиваемой воды пропускают через теплообменник, представляющий собой U-образную конструкцию, нижняя часть которой снабжена набором пластин (радиатором) для лучшей теплопередачи. Существующая конструкция известных конвективных теплообменников не позволяеn в принципе передавать тепло с поверхности в глубину грунта, а по своей сути может лишь передавать тепло из нижележащей точки в вышележащую за счет уменьшения плотности теплоносителя при его нагреве. Соединение между собой струенаправляющих элементов с образованием U-образной конструкции позволяет использовать предлагаемое устройство в двух вариантах постоянно в качестве обычного теплообменника для передачи тепла закачиваемой воды в грунт и эпизодически в качестве конвективного теплообменника для обратной передачи тепла грунта к устью скважины при непредвиденной (аварийной) остановке закачки воды, т.е. для предотвращения замерзания устьевого оборудования в зимнее время. В этом отличие предлагаемого технического решения от известных способов использования конвективных теплообменников ( термосвай и термосифонов), работающих зимой непрерывно в режиме конвективного теплообмена, поэтому сильно охлаждающих грунт в районе заглубления.The essence of the proposed technical solution is that during the period of water injection into the well, the heat brought by the injected water is used. In summer, the temperature of the injected water is 14-18 ^o C, which is 8-10 ^o C higher than the natural temperature of the soil at a depth of 1.6 m, i.e. in the zone of stable positive temperatures. In winter, the temperature difference decreases to 4-6 ^o C, but remains sufficient to ensure stable heat storage in the depth zone of the convective heat exchanger. This is the difference between this technical solution and the known methods for preventing freezing of the mouth of the injection well. To accumulate heat in the soil, part of the injected water is passed through a heat exchanger, which is a U-shaped design, the lower part of which is equipped with a set of plates (radiator) for better heat transfer. The existing design of the known convective heat exchangers does not allow, in principle, to transfer heat from the surface to the depth of the soil, but in essence it can only transfer heat from the underlying point to the overlying one by reducing the density of the coolant when it is heated. The interconnection of the flow guide elements with the formation of a U-shaped design allows you to use the proposed device in two versions constantly as a conventional heat exchanger for transferring heat of injected water to the soil and occasionally as a convective heat exchanger for returning soil heat to the wellhead during an unforeseen (emergency) stop water injection, i.e. to prevent freezing of wellhead equipment in winter. This is the difference between the proposed technical solution and the known methods of using convective heat exchangers (thermowells and thermosiphons) that work continuously in the winter in the convective heat transfer mode, which is why they strongly cool the soil in the area of deepening.

Способ предотвращения замерзания устья нагнетательной скважины осуществляется в следующей последовательности. Часть закачиваемой воды из водовода системы поддерживания пластового давления (ППД) пропускают через U-образную конструкцию конвективного теплообменника, где вода отдает тепло в грунт, т. е. в период нормальной работы скважины осуществляют непрерывное накопление тепла в грунте. Среднесуточные естественные температуры грунта для широты Уфы а зависимости от глубины приведены в таблице (А.В.Деточенко, А.Л.Михеев и М.М.Волков. Спутник газовика. М. Недра, 1978, с.91, табл. 3.11). The way to prevent freezing of the mouth of the injection well is carried out in the following sequence. Part of the injected water from the water conduit of the reservoir pressure maintenance system (PPM) is passed through a U-shaped design of a convective heat exchanger, where water transfers heat to the soil, i.e., during the normal operation of the well, heat is continuously accumulated in the soil. The average daily natural temperature of the soil for the latitude of Ufa and the dependence on depth are given in the table (A.V. Detochenko, A.L. Mikheev and M.M. Volkov. Gasman satellite. M. Nedra, 1978, p. 91, table 3.11) .

Как видно из таблицы, на глубине 1,6 м и ниже находится зона устойчивых положительных температур. Температура сточной воды в системе ППД, используемой для закачки в скважину в зимнее время, составляет от 8 до 12^oC. Перепад между температурой воды в теплообменнике и температурой грунта в зимнее время достигает 4-6^o, что вполне достаточно, чтобы обеспечить устойчивое накопление тепла в зоне заглубления конвективного теплообменника. При аварийной остановке закачки воды в скважину в зимнее время накопленное тепло и естественное тепло грунта из зоны устойчивых положительных температур (т. е. с глубины 1,6 м и более метров) поступает на обогрев устьевого оборудования за счет конвективной теплопередачи. Вода, находящаяся в наземной части водовода охлаждается быстрее воды, находящейся в устье скважины. Ее плотность становится выше плотности воды, заполняющей U-образную конструкцию конвективного теплообменника, т.е. холодная вода стремится занять место теплой. В свою очередь, теплая вода, находящаяся в заглубленной части U-образной конструкции, как более легкая, поднимается вверх к устью, где отдает тепло устьевому оборудованию. В заглубленной части U-образной конструкции теплообменника происходит постоянный нагрев воды за счет накопленного ранее тепла грунта. Таким образом происходит конвективный перенос тепла от грунта к устьевому оборудования, т.е. происходит циркуляция воды по замкнутому контуру. В предлагаемом способе в качестве теплоносителя используется ее низкозамерзающая жидкость как в известных способах, а та же вода, которая заполняет водовод системы ППД и устьевое оборудование скважины. В этом случае передача тепла осуществляется самым эффективным способом - непосредственным смешением, а не через стенку устьевого теплообменника, как это происходит при использовании известный способов и устройств для конвективного теплообмена.As can be seen from the table, at a depth of 1.6 m and below is a zone of stable positive temperatures. The temperature of the wastewater in the RPM system used for injection into the well in winter is from 8 to 12 ^o C. The difference between the water temperature in the heat exchanger and the soil temperature in winter reaches 4-6 ^o , which is quite enough to ensure stable accumulation heat in the depth zone of the convective heat exchanger. When an emergency stop of water injection into the well during winter time, the accumulated heat and natural heat of the soil from the zone of stable positive temperatures (i.e., from a depth of 1.6 m or more meters) is supplied to the wellhead equipment due to convective heat transfer. Water located in the surface part of the water pipe cools faster than water at the wellhead. Its density becomes higher than the density of water filling the U-shaped design of the convective heat exchanger, i.e. cold water tends to take its place warm. In turn, warm water located in the buried part of the U-shaped structure, as lighter, rises up to the mouth, where it gives off heat to the wellhead equipment. In the buried part of the U-shaped design of the heat exchanger, water is constantly heated due to previously accumulated soil heat. Thus, convective heat transfer from the soil to the wellhead equipment occurs, i.e. there is a circulation of water in a closed circuit. In the proposed method, its low-freezing fluid is used as a heat carrier, as in the known methods, and the same water that fills the conduit of the RPM system and wellhead equipment. In this case, heat transfer is carried out in the most efficient way - direct mixing, and not through the wall of the wellhead heat exchanger, as is the case when using known methods and devices for convective heat transfer.

Устройство для осуществления предлагаемого способа предотвращения замерзания устья нагнетательной скважины поясняется чертежом. Устройство содержит нисходящий струенаправляющий элемент 1, соединенный с восходящим струенаправляющим элементом 2 и которые вместе образуют U-образную конструкцию. U-образная часть струенаправляющих элементов снабжена набором пластин 3, которые служат для увеличения теплопередающей поверхности. Струенаправляющий элемент 1 присоединен к подземной части водовода 4, а струенаправляющий элемент 2 к катушке 5 устья нагнетательной скважины. Наземная часть водовода 6 выполнена наклонной и через задвижку 7 присоединена к катушке 5 устья скважины. Все наземное оборудование теплоизолируется, чем обеспечивается снижение потерь тепла в зимнее время. A device for implementing the proposed method of preventing freezing of the mouth of the injection well is illustrated in the drawing. The device comprises a downward flowing element 1 connected to an upward flowing element 2 and which together form a U-shaped structure. The U-shaped part of the guide elements is equipped with a set of plates 3, which serve to increase the heat transfer surface. The flow guide element 1 is connected to the underground part of the water conduit 4, and the flow guide element 2 to the coil 5 of the mouth of the injection well. The ground part of the conduit 6 is made inclined and through the valve 7 is connected to the coil 5 of the wellhead. All ground equipment is thermally insulated, which ensures a reduction in heat loss in winter.

Устройство работает следующим образом. В период закачки воды в нагнетательную скважину часть воды от подземной части водовода 4 по нисходящему струенаправляющему элементу 1 поступает в U-образную часть теплообменника. Набор пластин 3, установленных на нижней части, способствует эффективному накоплению в грунте тепла, приносимого закачиваемой водой. Отдав тепло в грунт, вода по восходящему струенаправляющему элементу 2 поступает в катушку 5, где смешивается с основным потоком воды и далее по насосно-компрессорным трубам поступает на забой скважины. Таким образом происходит непрерывное накопление тепла в грунте при закачке воды в скважину. В случае аварийного прекращения закачки воды в скважину зимой, т.е. при прекращении принудительного движения воды, происходит охлаждение воды, находящейся в наземной части водовода 6. Охлажденная вода, имеющая большую плотность, чем теплая, устремляется по нисходящему струенаправляющему элементу 1 в нижнюю часть U-образной конструкции. Откуда холодная вода вытесняет теплую воду, нагретую накопленным теплом грунта. Теплая вода поступает по восходящему струенаправляющему элементу 2 в катушку 5, задвижку 7, где отдает накопленное тепло устьевому оборудованию. Затем охлажденная вода по наклонной части наземного водовода 6 вновь устремляется вниз в зону устойчивых положительных температур. Таким образом происходит конвективный перенос тепла грунта к устью нагнетательной скважины при аварийной остановке закачки воды, чем предотвращается замерзание устья нагнетательной скважины в зимних условиях. The device operates as follows. During the period of water injection into the injection well, part of the water from the underground part of the water conduit 4 enters the U-shaped part of the heat exchanger through the downward flowing element 1. A set of plates 3 mounted on the lower part contributes to the effective accumulation in the soil of the heat brought by the pumped water. Having given heat to the ground, water flows through an ascending flow element 2 into a coil 5, where it mixes with the main water stream and then flows through the tubing to the bottom of the well. Thus, there is a continuous accumulation of heat in the soil when water is pumped into the well. In the event of an emergency stop of water injection into the well in winter, i.e. when the forced movement of water ceases, the water located in the ground part of the water conduit 6 is cooled. Cooled water, having a higher density than warm, rushes along the downward flowing element 1 to the lower part of the U-shaped structure. Where cold water displaces warm water heated by the accumulated heat of the soil. Warm water enters the ascending flow element 2 into the coil 5, the valve 7, where it gives off the accumulated heat to the wellhead equipment. Then the chilled water along the inclined part of the surface water conduit 6 again rushes down into the zone of stable positive temperatures. Thus, convective transfer of soil heat to the mouth of the injection well occurs during an emergency stop of water injection, which prevents freezing of the mouth of the injection well in winter conditions.

Применение предлагаемого технического решения позволяет предотвратить замерзание устья нагнетательной скважины без использования активных нагревателей, т. е. без постороннего источника энергии. Кроме того, предлагаемая конструкция проще в изготовлении и требует меньшего расхода металла. The application of the proposed technical solution allows to prevent freezing of the mouth of the injection well without the use of active heaters, i.e., without an extraneous energy source. In addition, the proposed design is easier to manufacture and requires less metal consumption.

Claims

1. The method of preventing freezing of the mouth of the injection well, comprising supplying a coolant from a convective heat exchanger buried in the soil to the mouth of the injection well, characterized in that heat is accumulated in the soil by supplying part of the water pumped into the injection well from the underground part of the water conduit as a heat carrier to the convection heat exchanger with its subsequent circulation.

2. Device for preventing freezing of the mouth of the injection well, including flow guide elements for supplying a heat carrier from a convective heat exchanger buried in the ground to the mouth of the injection well, characterized in that the convective heat exchanger is made in the form of flow guiding elements interconnected into a U-shaped structure, one of the directing elements is connected to the underground part of the water conduit, while the convective heat exchanger is equipped with plates.