RU2625830C1

RU2625830C1 - Device for wells thermal insulation in perennially frozen rocks

Info

Publication number: RU2625830C1
Application number: RU2016115259A
Authority: RU
Inventors: Прасковья Леонидовна Павлова; Петр Михайлович Кондрашов
Original assignee: Прасковья Леонидовна Павлова; Петр Михайлович Кондрашов
Priority date: 2016-04-19
Filing date: 2016-04-19
Publication date: 2017-07-19

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: device for wells thermal insulation in perennially frozen rocks is proposed, which includes a heat-insulating structure (1) between the cement wall of the borehole and the production pipe, comprising two co-axially arranged pipes (12, 13) and a vertical insulating partition (15) between them, forming two chambers with a medium that provides heat flow removal. It is new that external (16) and internal (17) isolated chambers are formed in the intertube space of the heat-insulating structure (1) using a vertical insulating partition (15) mounted on the packer element (14) located on the boundary of the thawing depth of the perennially frozen rocks. The outer chamber is filled with a non-freezing medium, which is an antifreeze, and the inner chamber is filled with a heat carrier for the well internal heat drawoff and is equipped with a forced coolant circulation system. In addition, the vertical insulating partition (15) is further provided with an external thermally conductive layer (22) with thermoelectric elements (23) installed with the possibility of electric current and an internal chamber (17) in contact with the coolant medium to pass through them.

EFFECT: increased efficiency of wells thermal insulation, prevention of perennially frozen rocks thawing throughout the well life, including the summer period, heat flow management and its reduction.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к эксплуатации нефтяных и газовых скважин в районах с многолетнемерзлыми породами и предназначено для сохранения отрицательной температуры вокруг ствола скважины в течение всего срока ее эксплуатации.The invention relates to the operation of oil and gas wells in areas with permafrost and is intended to maintain a negative temperature around the wellbore throughout its life.

Известно рефрижераторное шахтовое направление, состоящее из аккумулятора холода с полостью, заполненной замерзающей жидкостью, и торцевыми крышками, в корпусе аккумулятора коаксиально вмонтирована внутренняя труба с теплоизоляцией, под верхней торцевой крышкой установлен теплообменник радиаторного типа и генератор холода с наружным газопроводом и с циркуляционными трубами, пропущенными до нижней торцевой крышки (авт. свид. СССР №1809001 А1, дата приоритета 01.06.1991, дата публикации 15.04.1993, авторы: Быков И.Ю. и др.).A refrigerator mine direction is known, consisting of a cold accumulator with a cavity filled with freezing fluid and end caps, an inner pipe with heat insulation is coaxially mounted in the battery case, a radiator-type heat exchanger and a cold generator with an external gas pipeline and with circulation pipes missed are installed under the upper end cap to the lower end cover (ed. certificate of the USSR No. 1809001 A1, priority date 06/01/1991, publication date 04/15/1993, authors: Bykov I.Yu. et al.).

Недостатком известного аналога является использование в крупногабаритной конструкции большого объема замерзающей жидкости и повышенный расход хладоносителей.A disadvantage of the known analogue is the use of a large volume of freezing liquid in a large-sized design and an increased consumption of coolants.

Известно устройство, состоящее из коаксиально установленных трех труб, для реализации способа транспортировки нефти или газа в многолетнемерзлой породе, по которому углеводородный газ, предпочтительно природный газ, циркулирует между многолетнемерзлой породой и горячим флюидом (Патент США №3674086, дата приоритета 07.08.1970, дата публикации 04.07.1972).A device is known, consisting of coaxially installed three pipes, for implementing a method of transporting oil or gas in permafrost, through which hydrocarbon gas, preferably natural gas, circulates between permafrost and hot fluid (US Patent No. 3674086, priority date 08/07/1970, date publication 07/04/1972).

Недостатком этого аналога является установка дополнительной трубы, обеспечивающей создание зазора между трубами для циркуляции газа, что способствует увеличению диаметра скважины и необходимости установки оборудования на поверхности скважины, а также приводит к существенным экономическим затратам.The disadvantage of this analogue is the installation of an additional pipe, providing a gap between the pipes for gas circulation, which helps to increase the diameter of the well and the need to install equipment on the surface of the well, and also leads to significant economic costs.

Известно термоизолирующее направление, используемое при забуривании скважины в районах многолетней мерзлоты для предотвращения ее растепления, состоящее из сборно-разборных секций, содержащих внутреннюю и наружную коаксиальные трубы, межтрубное пространство между которыми заполнено теплоизолирующим материалом (Патент РФ №158353 U1, дата приоритета 28.09.2015, дата публикации 27.12.2015, авторы: Жилин А.С. и др.).A known insulating direction is used when drilling a well in areas of permafrost to prevent its thawing, consisting of collapsible sections containing internal and external coaxial pipes, the annulus between which is filled with insulating material (RF Patent No. 158353 U1, priority date September 28, 2015 , publication date 12/27/2015, authors: Zhilin A.S. et al.).

Недостатком известного термоизолирующего направления буровой скважины является низкая эффективность его использования в летний период из-за вероятности растепления околосвайного пространства в связи с отсутствием возможности управления тепловым потоком в системе скважина-многолетнемерзлая порода.A disadvantage of the well-known thermally insulating direction of the borehole is the low efficiency of its use in the summer period due to the likelihood of thawing of the near-pile space due to the inability to control the heat flow in the well-permafrost system.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для термоизоляции скважин в многолетнемерзлых породах, принятое в качестве прототипа, содержащее коаксиально расположенные трубы, теплоизоляционную перегородку с зазорами в верхней и нижней частях, обеспечивающими естественную циркуляцию охлаждающей жидкости, которой заполнены кольцевые полости, разделенные теплоизоляционной перегородкой, при этом верхняя часть устройства сообщается с атмосферой и выполняет функцию теплообменника (авт. свид. СССР №1767162 А1, дата приоритета 13.08.1990, дата публикации 07.10.1992, авторы: Носков Н.А. и др., прототип).The closest in technical essence is a device for thermal insulation of wells in permafrost, adopted as a prototype, containing coaxially arranged pipes, a heat-insulating partition with gaps in the upper and lower parts, which provide natural circulation of coolant, which fill annular cavities separated by a heat-insulating partition, the upper part of the device communicates with the atmosphere and acts as a heat exchanger (ed. certificate of the USSR No. 1767162 A1, priority date a 08/13/1990, publication date 10/07/1992, authors: Noskov N.A. et al., prototype).

Недостатком прототипа также является низкая эффективность его использования в летний период из-за отсутствия принудительной циркуляции охлаждающей жидкости и необходимости накопления устройством в зимний период достаточного количества холода в многолетнемерзлой породе для того, чтобы она не оттаяла летом.The disadvantage of the prototype is the low efficiency of its use in the summer due to the lack of forced circulation of the coolant and the need for the device to accumulate a sufficient amount of cold in the permafrost rock in the winter so that it does not thaw in the summer.

Задачей изобретения является повышение эффективности термоизоляции скважин для предотвращения оттаивания многолетнемерзлой породы в течение всего срока эксплуатации скважины, включая летний период, путем управления тепловым потоком и его уменьшения.The objective of the invention is to increase the efficiency of thermal insulation of wells to prevent thawing of permafrost rock during the entire life of the well, including the summer period, by controlling the heat flow and reducing it.

Для решения поставленной задачи предложено устройство для термоизоляции скважин в многолетнемерзлых породах, включающее теплоизолирующую конструкцию между цементной стенкой скважины и эксплуатационной трубой, содержащую коаксиально расположенные две трубы и вертикальную теплоизоляционную перегородку между ними, образующую в межтрубном пространстве две камеры со средой, обеспечивающей отвод теплового потока. Новым является то, что в межтрубном пространстве теплоизолирующей конструкции с помощью вертикальной теплоизоляционной перегородки, установленной на пакерный элемент, расположенный на границе глубины оттаивания многолетнемерзлой породы, образованы внешняя и внутренняя изолированные камеры. Внешняя камера заполнена незамерзающей средой, а внутренняя камера заполнена теплоносителем для отвода внутренней теплоты скважины и оборудована системой принудительной циркуляции теплоносителя. Кроме того, вертикальная теплоизоляционная перегородка дополнительно снабжена внешним теплопроводящим слоем с термоэлектрическими элементами, установленными с возможностью прохождения через них электрического тока и контактирующими с теплоносителем внутренней камеры.To solve this problem, a device was proposed for thermal insulation of wells in permafrost, including a heat-insulating structure between the cement wall of the well and the production pipe, containing two pipes coaxially located and a vertical heat-insulating partition between them, forming two chambers in the annulus with a medium that allows heat flux to be removed. What is new is that in the annular space of the heat-insulating structure with the help of a vertical heat-insulating partition mounted on a packer element located at the boundary of the thawing depth of permafrost, external and internal isolated chambers are formed. The outer chamber is filled with a non-freezing medium, and the inner chamber is filled with coolant to remove the internal heat of the well and is equipped with a forced circulation system of the coolant. In addition, the vertical heat-insulating partition is additionally equipped with an external heat-conducting layer with thermoelectric elements installed with the possibility of passage of electric current through them and in contact with the coolant of the inner chamber.

Согласно изобретению, в устройстве между эксплуатационной трубой и внутренней стенкой теплоизолирующей конструкции расположены промежуточные трубы с цементными кольцами, обладающие температурным сопротивлением, способствующим уменьшению теплового потока.According to the invention, in the device between the production pipe and the inner wall of the insulating structure are intermediate pipes with cement rings having a temperature resistance that helps to reduce the heat flow.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично изображено устройство для термоизоляции скважин в многолетнемерзлых породах.The invention is illustrated by the drawing, which schematically shows a device for thermal insulation of wells in permafrost.

Устройство для термоизоляции скважин в многолетнемерзлых породах включает теплоизолирующую конструкцию 1, расположенную в шахте 2, выполненной с цементными стенками 3 в многолетнемерзлом грунте 4, кондуктор 5, промежуточную колонну 6, эксплуатационную трубу 7, насосно-компрессорную трубу 8 и промежуточные цементные кольца 9, создающие тепловое сопротивление между насосно-компрессорной трубой 8 с добываемой жидкостью 10 и теплоизолирующей конструкцией 1. На указанных трубах установлена фонтанная арматура 11.A device for thermal insulation of wells in permafrost rocks includes a heat-insulating structure 1 located in a shaft 2 made with cement walls 3 in permafrost soil 4, a conductor 5, an intermediate string 6, a production pipe 7, a tubing 8 and intermediate cement rings 9 that create thermal resistance between the tubing 8 with the produced fluid 10 and the heat-insulating structure 1. On these pipes installed fountain fittings 11.

Теплоизолирующая конструкция 1 является основным сборочным элементом устройства для термоизоляции скважин и содержит коаксиально расположенные наружную 12 и внутреннюю 13 трубы, образующие межтрубное пространство с торцевыми крышками, в котором на границе глубины оттаивания многолетнемерзлой породы установлен пакерный уплотнительный элемент 14, а на него герметично установлена вертикальная теплоизоляционная перегородка 15, образующая в межтрубном пространстве две изолированные кольцевые камеры. Внешняя камера 16 заполнена незамерзающей средой, являющейся антифризом, например этиленгликолем, а внутренняя камера 17 заполнена средой жидкого или газообразного теплоносителя, например дизтопливом или воздухом, для отвода внутренней теплоты скважины. При этом внутренняя камера 17 оборудована системой обеспечения принудительной циркуляции теплоносителя, содержащей трубопроводы подачи 18 теплоносителя и отвода 19 со встроенными в них насосом 20 для жидкой среды, компрессором для газообразной среды и теплообменным устройством 21. В наружной же камере 16 с незамерзающей средой принудительная циркуляция отсутствует.The heat-insulating structure 1 is the main assembly element of the device for thermal insulation of wells and contains coaxially located outer 12 and inner 13 pipes forming an annular space with end caps, in which a packer sealing element 14 is installed at the boundary of the thawing depth of permafrost, and a vertical thermal insulation is sealed on it the partition 15, forming in the annular space two isolated annular chambers. The outer chamber 16 is filled with a non-freezing medium, which is an antifreeze, such as ethylene glycol, and the inner chamber 17 is filled with a liquid or gaseous heat carrier medium, such as diesel fuel or air, to remove the internal heat of the well. In this case, the inner chamber 17 is equipped with a system for providing forced circulation of the coolant, containing pipelines for supplying 18 coolant and outlet 19 with a pump 20 for the liquid medium, a compressor for the gaseous medium and the heat exchanger 21. In the outer chamber 16 with non-freezing medium, there is no forced circulation .

Для повышения эффективности работы теплоизолирующей конструкции 1 вертикальная теплоизоляционная перегородка 15 дополнена обладающей высокой теплопроводностью металлической трубой 22 с термоэлектрическими элементами 23, контактирующими одной стороной со средой теплоносителя внутренней камеры 17. Для подключения термоэлектрических элементов 23 из теплоизолирующей конструкции 1 выведен кабельный отвод 24. В качестве термоэлектрических элементов могут быть использованы, например, элементы Пельтье (http:/www.chipdip.ru/catalog-show/thermoelectric-modules/, дата просмотра 05.04.2016).To increase the efficiency of the heat-insulating structure 1, the vertical heat-insulating partition 15 is supplemented with a metal pipe 22 having high thermal conductivity with thermoelectric elements 23 in contact with one side of the coolant medium of the inner chamber 17. To connect the thermoelectric elements 23 from the heat-insulating structure 1, a cable outlet 24. is withdrawn as thermoelectric elements can be used, for example, Peltier elements (http: /www.chipdip.ru/catalog-show/thermoelectric-modules/, date about review 04/05/2016).

Устройство для термоизоляции скважин в многолетнемерзлых породах работает следующим образом.A device for thermal insulation of wells in permafrost rocks works as follows.

При необходимости охлаждения среды в наружной камере 16, преимущественно в летний период, через кабельный отвод 24 подается напряжение и сила тока на термоэлектрические элементы 23. Среда в наружной камере 16 охлаждается за счет работы термоэлектрических элементов до необходимой температуры предотвращения оттаивания многолетнемерзлой породы 4. Система обеспечения принудительной циркуляции, содержащая опущенный во внутреннюю камеру 17 трубопровод подачи 18 среды теплоносителя, трубопровод отвода 19 в верхней части камеры 17, насос 20 и теплообменное устройство 21, нагнетает среду теплоносителя, способствуя отводу выделяемой теплоты от горячих сторон термоэлектрических элементов 23 и добываемой жидкости 10. Нагнетаемая среда после охлаждения на поверхности закачивается обратно во внутреннюю камеру 17.If it is necessary to cool the medium in the outer chamber 16, mainly in the summer period, voltage and current are supplied to the thermoelectric elements 23 through the cable outlet 23. The medium in the outer chamber 16 is cooled by the thermoelectric elements to the required temperature to prevent thawing of permafrost 4. Support system forced circulation, containing the supply pipe 18 of the coolant medium lowered into the inner chamber 17, the discharge pipe 19 in the upper part of the chamber 17, the pump 20 and heat The exchange device 21 injects the coolant medium, contributing to the removal of the released heat from the hot sides of the thermoelectric elements 23 and the produced liquid 10. The injected medium, after cooling on the surface, is pumped back into the inner chamber 17.

Во время зимнего периода эксплуатации газовых и нефтяных скважин термоэлектрические элементы 23 можно отключить для экономии потребляемой электроэнергии. В таком случае устройство будет работать за счет естественной конвекции среды теплоносителя.During the winter period of operation of gas and oil wells, thermoelectric elements 23 can be turned off to save energy consumption. In this case, the device will work due to the natural convection of the coolant medium.

При необходимости термоэлектрические элементы 23 можно включить для обогрева скважины, а путем изменения направления тока в них можно регулировать режимы нагревания или охлаждения в камерах со средами.If necessary, thermoelectric elements 23 can be included for heating the well, and by changing the direction of the current in them, you can adjust the heating or cooling modes in the chambers with the media.

Данное устройство для термоизоляции скважин в многолетнемерзлых породах можно монтировать на действующих и строящихся скважинах, что позволит предотвратить оттаивание мерзлой породы, увеличит срок их эксплуатации.This device for thermal insulation of wells in permafrost rocks can be installed on existing and under construction wells, which will prevent thawing of frozen rock and increase their life.

Claims

1. A device for thermal insulation of wells in permafrost, including a heat-insulating structure between the cement wall of the well and the production pipe, containing coaxially located two pipes and a vertical heat-insulating partition between them, forming two chambers in the annulus with a medium that allows heat removal, characterized in that that in the annular space of the heat-insulating structure using a vertical heat-insulating partition mounted on the packer element an external and internal insulated chambers are formed, the outer chamber is filled with a non-freezing medium, and the inner chamber is filled with coolant to remove the internal heat of the well and equipped with a forced circulation system of the coolant, in addition, the vertical heat-insulating partition is additionally equipped with an external thermally conductive layer with thermoelectric elements installed with the possibility of passing through them electrically current and in contact with the coolant of the inner chamber.

2. A device for thermal insulation of wells in permafrost according to claim 1, characterized in that in the device between the production pipe and the inner wall of the insulating structure are intermediate pipes with cement rings.