RU2157883C2

RU2157883C2 - Device for heating of well casing pipes

Info

Publication number: RU2157883C2
Application number: RU99102325A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Диденко; Б.В. Зверев; А.Д. Коляскин; А.Г. Пономаренко
Original assignee: Московский государственный инженерно-физический институт (технический университет)
Priority date: 1999-02-02
Filing date: 1999-02-02
Publication date: 2000-10-20

Abstract

FIELD: devices for recovery of viscous oils containing asphalto-resinous sediments and designed for reduction of filtration resistance of bottom-hole formation zone by method of its heat treatment. SUBSTANCE: device is adapted for heating casing pipes in place of device location. Device coil is supplied with high-frequency current and made in form of helical slow- wave structure located on ceramic case which is moved along casing pipe. Relative values of length, diameter and winding pitch of helical slow-wave structure and also diameter of spiral wire are offered. Supply frequency exceeds the commercial frequency of 59 Hx by a factor of 200- 2000. Efficiency of offered device does not depend on flow rate of oil in casing pipe. Considerably increased is efficiency of energy transmission to casing pipe in point of heater location. EFFECT: reduced resistance to filtration of bottom-hole formation zone due to its heat treatment. 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике добычи вязких нефтей, содержащих асфальтосмолистые вещества, и предназначено для уменьшения фильтрационного сопротивления призабойной зоны пласта методом его тепловой обработки. The invention relates to techniques for the production of viscous oils containing asphalt-resinous substances, and is intended to reduce the filtration resistance of the bottomhole formation zone by the method of heat treatment.

Известны спиральные термонагреватели, питаемые электрическим током и расположенные в обсадной трубе, которые передают тепловую энергию потоку жидкости, прокачиваемой по трубе (Крейт Ф., Блэк Ч. Основы теплопередачи. Пер с англ. под ред. Н.А. Анфимова. - М.: Мир, 1983). Существенным недостатком известного устройства является невозможность заметного нагрева трубы в месте расположения нагревателя. Known spiral heaters, powered by electric current and located in the casing, which transfer thermal energy to the flow of fluid pumped through the pipe (Kreit F., Black C. Fundamentals of heat transfer. Transl. From English under the editorship of N.A. Anfimov. - M. : World, 1983). A significant disadvantage of the known device is the inability to noticeably heat the pipe at the location of the heater.

Наиболее близким к предложенному устройству, принятым в качестве прототипа, является электроиндукционный нагреватель, опускаемый по обсадной трубе до призабойной зоны и содержащий стальной сердечник с размещенной на нем катушкой индуктивности, питаемой переменным током частотой 50 Гц, в котором сердечник нагревается индукционным током, а передача тепловой энергии обсадной трубе осуществляется через зазор между сердечником и трубой, который заполнен извлекаемой нефтью (Электронагреватель для обработки призабойной зоны пласта при эксплуатации скважин штанговыми насосами. Б.Е. Доброскок, В.М. Соколов, К.С. Фролов и др. Нефтепромысловое дело, N 9, 1981, с. 33-36). Недостатком указанного устройства является незначительный КПД передачи тепловой энергии обсадной трубе (не более 1% на метр длины), так как энергия в основном уносится прокачиваемой через зазор нефтью. Closest to the proposed device, adopted as a prototype, is an electric induction heater, lowered through the casing to the bottomhole zone and containing a steel core with an inductor placed on it, fed by an alternating current frequency of 50 Hz, in which the core is heated by induction current, and the heat transfer energy of the casing pipe is carried out through the gap between the core and the pipe, which is filled with recoverable oil (electric heater for processing the bottom-hole formation zone during luatatsii well sucker rod pumps. Dobroskok BE, V. Sokolov, KS Frolov et al. Petroleum Engineering, N 9, 1981, pp. 33-36). The disadvantage of this device is the low efficiency of heat transfer to the casing (not more than 1% per meter of length), since the energy is mainly carried away by the oil pumped through the gap.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в существенном увеличении КПД передачи энергии электропитания устройства (в десятки раз) обсадной трубе в месте расположения нагревателя. The technical result, to which the claimed invention is directed, consists in a substantial increase in the efficiency of transmission of the device’s power supply energy (tenfold) to the casing at the location of the heater.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в известном устройстве катушка индуктивности выполнена в виде однозаходной спиральной замедляющей системы, закрепленной на поверхности трубчатого керамического кожуха, причем диаметр спирали на 10-20% меньше внутреннего диаметра обсадной трубы, ее длина составляет 5-10 диаметров трубы, шаг намотки спирали составляет не более 0,1 диаметра трубы, а радиус провода спирали не менее глубины ее скин-слоя на частоте питания устройства, повышающего стандартную промышленную частоту в 200-2000 раз. The essence of the invention lies in the fact that in the known device, the inductor is made in the form of a one-way spiral deceleration system mounted on the surface of a tubular ceramic casing, and the diameter of the spiral is 10-20% less than the inner diameter of the casing pipe, its length is 5-10 pipe diameters , the winding pitch of the spiral is not more than 0.1 pipe diameter, and the radius of the spiral wire is not less than the depth of its skin layer at the power frequency of the device that increases the standard industrial frequency of 200-2000 ra h.

Электродинамический анализ характеристик спиральной замедляющей системы с цилиндрическим стальным экраном и оптимизация этих характеристик по максимальному КПД передачи ВЧ-энергии экрану, проведенные по известной методике (А. Н. Семенов. Техническая электродинамика. - М.: Связь, 1973), показали, что на частоте 10-100 кГц КПД преобразования мощности питания спирали достигает не менее 50%, если диаметр спирали d составляет 80-90% от диаметра трубы D, длина спирали 1 связана с диаметром трубы соотношением 5D ≤|≤ 10D, а шаг спирали h≤ 0,1D. При указанном соотношении размеров устройства достигается также приемлемое согласование спирали с коаксиальным кабелем по волновому сопротивлению. Активное сопротивление такой спирали много меньше ее индуктивного сопротивления, если радиус провода спирали превышает глубину его скин-слоя, указанную выше. The electrodynamic analysis of the characteristics of a spiral moderator with a cylindrical steel screen and the optimization of these characteristics by the maximum efficiency of the RF energy transfer to the screen, carried out by a known method (A. N. Semenov. Technical electrodynamics. - M .: Communication, 1973), showed that at a frequency of 10-100 kHz, the efficiency of the spiral power supply conversion reaches at least 50% if the spiral diameter d is 80-90% of the pipe diameter D, the spiral length 1 is related to the pipe diameter by the ratio 5D ≤ | ≤ 10D, and the spiral pitch h ≤ 0 , 1D. With the specified size ratio of the device, an acceptable coordination of the helix with the coaxial cable in terms of impedance is also achieved. The active resistance of such a spiral is much less than its inductive resistance, if the radius of the spiral wire exceeds the depth of its skin layer indicated above.

Частота ВЧ-питания устройства, выявленная аналитически, позволяет осуществить питание спирали от генератора, расположенного на земной поверхности, так как потери мощности в коаксиальном кабеле с диаметром центрального проводника ≈ 10 мм и волновым сопротивлением 50-75 Ом составляют 0,21 дБ/км на частоте 10 кГц, что соответствует потерям 5% мощности питания на глубине пласта 1 км или 27% на глубине 5 км. The frequency of the RF power supply of the device, identified analytically, allows the spiral to be powered from a generator located on the earth's surface, since the power loss in a coaxial cable with a center conductor diameter of ≈ 10 mm and a wave impedance of 50-75 Ohms is 0.21 dB / km frequency of 10 kHz, which corresponds to a loss of 5% of the power supply at a depth of 1 km or 27% at a depth of 5 km.

Анализ процесса теплопередачи от обсадной трубы диаметром ≈ 10 см к окружающей среде показал, что при ожидаемом КПД преобразования для нагревания участка трубы длиной l ≈ 1 м на 80-90^oC мощность питания спирали составляет ≈ 2 кВт, что существенно меньше по сравнению с известными устройствами.An analysis of the heat transfer process from the casing with a diameter of ≈ 10 cm to the environment showed that at the expected conversion efficiency for heating a pipe section of length l ≈ 1 m by 80-90 ^o C, the power supply of the spiral is ≈ 2 kW, which is significantly less than the known devices.

Конструкция устройства показана на чертеже, и оно содержит керамическую трубку 1 с винтовым пазом для намотки спирали 2, присоединенной к коаксиальному кабелю питания 3, причем керамическая труба расположена соосно обсадной трубе 4. Геометрические размеры устройства обозначены: D - внутренний диаметр обсадной трубы, d - наружный диаметр спиральной замедляющей системы, 1 - длина спирали, a h - ее шаг. The design of the device is shown in the drawing, and it contains a ceramic tube 1 with a helical groove for winding a spiral 2 connected to a coaxial power cable 3, and the ceramic pipe is located coaxially with the casing 4. The geometric dimensions of the device are indicated: D - inner diameter of the casing, d - the outer diameter of the spiral retarding system, 1 is the length of the spiral, ah is its step.

Устройство работает следующим образом. Силовые линии высокочастотного магнитного потока через поперечное сечение спирали замыкаются в кольцевом зазоре между спиралью и обсадной трубой, проникая в трубу и провод спирали на глубину скин-слоя

где f - частота питания спирали,
μ₀ = 1.256•10^-6 Гн/м,
μ и σ - относительная магнитная постоянная материала трубы и его проводимость соответственно.The device operates as follows. The lines of force of the high-frequency magnetic flux through the cross section of the spiral are closed in the annular gap between the spiral and the casing, penetrating the pipe and wire of the spiral to the depth of the skin layer

where f is the frequency of the spiral
μ ₀ = 1.256 • 10 ^-6 GN / m,
μ and σ are the relative magnetic constant of the pipe material and its conductivity, respectively.

Глубина скин-слоя на частоте f = 10 кГц составляет ≈ 0.01 мм для стали с μ = 5•10³ и 0.2 мм для меди. Наведенный в трубе круговой поверхностный электрический ток, равный напряженности магнитного поля, касательного внутренней поверхности трубы, вызывает нагревание трубы за счет омических потерь. КПД преобразования магнитной энергии спирали в тепловую энергию трубы зависит от геометрических размеров катушки, шага ее намотки и согласования волнового сопротивления кабеля питания с индуктивным сопротивлением спирали.The depth of the skin layer at a frequency f = 10 kHz is ≈ 0.01 mm for steel with μ = 5 • 10 ³ and 0.2 mm for copper. The circular surface electric current induced in the pipe equal to the magnetic field tangent to the inner surface of the pipe causes the pipe to heat due to ohmic losses. The efficiency of converting the magnetic energy of a spiral into the thermal energy of a pipe depends on the geometrical dimensions of the coil, the step of its winding and matching the wave resistance of the power cable with the inductive resistance of the spiral.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает, по сравнению с прототипом, существенно больший КПД передачи энергии электропитания обсадной трубе в месте расположения спирали, особенно при значительных скоростях движения жидкости в обсадной трубе. Thus, the proposed device provides, in comparison with the prototype, a significantly higher efficiency of energy transfer of power to the casing at the location of the spiral, especially at significant speeds of fluid flow in the casing.

Claims

A device for heating casing wells containing a current lead of the power cable, a casing and an inductor, characterized in that the inductor is made in the form of a one-way spiral retarding system mounted on the surface of a tubular ceramic casing, and the diameter of the spiral is 10 - 20% less than the inner diameter of the casing pipe, its length is 5 - 10 pipe diameters, the spiral winding pitch does not exceed 0.1 pipe diameters, and the spiral wire radius is not less than the depth of its skin layer at the device power frequency, exceed ayuschey industrial frequency in the 200 - 2000 times.