способ получения инертных в углеводородной среде газожидкостных сред высокого давления

Формула изобретения

Способ получения инертных в углеводородной среде газожидкостных сред высокого давления с использованием силовой энергетической установки, в которой внутренняя энергия продуктов сгорания в генераторе силовой установки передается рабочему телу или идет на прямое преобразование в электрическую энергию через герметичную теплопроводную стенку, основанный на сжигании топливовоздушной смеси в камере сгорания силовой энергетической установки с последующим использованием продуктов горения в качестве инертных сред, при этом вышеозначенная силовая энергетическая установка является приводом двухступенчатой насосно-компрессорной установки или хотя бы одной из ее ступеней, в которой в качестве первой ступени используется компрессорная установка, сжимающая воздух, а в качестве второй ступени - дожимное устройство, сжимающее газ при помощи проточного жидкостного поршня (бустерная установка), отличающийся тем, что процесс горения топлива в воздухе в камере сгорания силовой энергетической установки осуществляется в стехиометрическом соотношении, обеспечивающем выжигание из воздуха кислорода до безопасного процентного содержания, происходит при избыточном давлении воздуха (в воздухе, сжатом компрессором первой ступени), обеспечивающем рациональное распределение степени сжатия и габаритно-мощностных характеристик между ступенями, с последующим направлением горячих газообразных продуктов горения в генератор силовой энергетической установки, где происходит передача внутренней энергии продуктов горения силовой установке для осуществления полезной работы (приведения в движение хотя бы одной из ступеней установки), вследствие чего продукты горения снижают температуру, далее инертные в углеводородной среде продукты горения направляются в систему окончательной подготовки, где их температура доводится до температуры, оптимальной для обеспечения максимальной приемистости дожимного устройства второй ступени, и направляются в газовый вход вышеозначенного дожимного устройства, где сжимаются при помощи проточного жидкостного поршня до необходимого давления и направляются потребителю в составе инертных в углеводородной среде газожидкостных сред.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазовой отрасли промышленности, где осуществляется приготовление и нагнетание под большим давлением нейтральных (инертных) газожидкостных смесей для предотвращения воспламенения углеводородных газовых и газожидкостных смесей. В частности, при операциях с применением газожидкостного воздействия инертными смесями на пласт при эксплуатации скважин, прекративших фонтанирование из-за падения пластового давления или увеличения обводненности, в условиях отсутствия источника газа высокого давления, что способствует интенсификации добычи нефти и повышению коэффициента нефтеизвлечения за счет замены заводнения пласта газожидкостным воздействием. Так же изобретение может быть использовано в бурении с применением аэрированных буровых растворов, освоении нефтяных и газовых скважин, вызове и интенсификации притока флюида в нефтяных и газовых скважинах, испытании эксплуатационных колонн на герметичность понижением уровня, вскрытии продуктивных пластов с использованием газожидкостных смесей, промывки скважин после ГРП, пенных и пенокислотных обработках призабойной зоны. Кроме того, изобретение может быть использовано для заполнения и опрессовки полостей, газонефтепромыслового оборудования и трубопроводов и в некоторых других случаях, когда в процессе работы требуется создание взрывобезопасной среды.

Способы и оборудование для приготовления и нагнетания инертных газовых и газоводяных смесей применяются в мировой нефтегазовой промышленности более тридцати лет. В качестве инертных газовых смесей преимущественно используются смеси на основе азота. Они хорошо зарекомендовали себя при вторичных методах эксплуатации нефтяных и газовых скважин; цементировании скважин, когда требуется легкий, но прочный цемент в пластах с естественной трещиноватостью; при опорожнении скважин для искусственного вызова притока флюида; при вскрытии пластов с использованием газожидкостных смесей; при пенокислотной обработке призабойной зоны и в ряде других случаев.

Азотные смеси получают в основном "криогенным" и "мембранным" способами. Это трудоемкие и затратные процессы. Использование жидкого "криогенного" азота требует применения сложной, дорогостоящей криогенной техники и значительных затрат на приобретение жидкого азота, значительных транспортных расходов на доставку его от завода-производителя азота к месту потребления (скважины). Процесс превращения жидкого азота в газ требует значительных энергетических затрат.

Использование "мембранной" технологии также требует применения дорогостоящего оборудования и больших энергозатрат. К тому же для осуществления данной технологии требуется сложная технология подготовки воздуха, практически неприемлемая в полевых условиях. Следует отметить и низкий объемный КПД способа.

Известны изобретения, в которых делаются попытки упростить и удешевить процесс получения инертных газов. Кислород воздуха не удаляется, а химически связывается. Достигается это за счет бинарного использования приводного дизельного двигателя, который одновременно выполняет две различные функции - силовой установки, приводящей в движение все устройство, и "поставщика" нейтрального газа.

Так, известен (RU 2083812 С1 Е 21 В 43/25 от 02.10.1994 г.) способ освоения скважин путем подачи с помощью компрессора инертного газа в межтрубное пространство скважин, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют азотосодержащую смесь выхлопных газов дизель-мотора, очищенную в сепараторе, а подачу газа в межтрубное пространство осуществляют по замкнутому циклу дизель-мотор - компрессор - скважина.

Наиболее близким к заявке техническим решением (прототипом) является известная из предшествующего уровня техники бустерная насосно-компрессионная установка для приготовления и нагнетания инертных газовых и газоводяных смесей RU 2121077 С1 F 04 B 41/00 от 02.10.1994 г, которая может быть принята за прототип. Установка включает в себя двигатель внутреннего сгорания, снабженный выхлопным патрубком, напорный трубопровод и бустерный насос с приемной трубой, газовым коллектором и нагнетательным трубопроводом, отличающаяся тем, что напорный трубопровод одним юнцом через обратный клапан и первую задвижку сообщен с выхлопным патрубком двигателя внутреннего сгорания, а другим концом через вторую задвижку - с приемной трубой бустернего насоса, причем между указанным выхлопным патрубком и бустерным насосом в напорный трубопровод последовательно встроены устройство для прямого впрыска воды и устройство для промежуточного повышения давления газоводяной смеси, выполненное, например, в виде двухвинтового многофазного насоса.

Но в двигателях внутреннего сгорания, к каким относится так же и дизель, две функции - обеспечение оптимальных моторно-тяговых характеристик двигателя и получение выхлопного газа с максимальным выжиганием кислорода с целью дальнейшего использования - плохо сочетаются между собой, так как получаемые в результате сгорания топливовоздушной смеси в камере сгорания двигателя газы являются рабочим телом и их состав определяется требованием обеспечить максимальную приемистость двигателя. Следовательно, изменение состава топливовоздушной смеси в сторону более полного выжигания кислорода означает неизбежное ухудшение тяговых характеристик двигателя, а улучшение тяговых характеристик вызовет необходимость нарушения стехиометрического соотношения в сторону неполного сгорания топлива. В результате возникает необходимость постоянной эксплуатации дизель-мотора на переобогащенной топливовоздушной смеси для выжигания из воздуха кислорода до безопасного процентного содержания. Как следствие падение мощности дизель-мотора в первую очередь за счет уменьшения момента, большое количество твердых механических частиц и несгоревшего закоксовавшегося топлива, резко сокращающих моторесурс дизель-мотора, перегрев дизель-мотора.

Также особенностью горения топливовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания является необходимость скоротечности процесса горения. Как следствие наличие в выхлопных газах не полностью окисленных радикалов, в том числе агрессивных кислотных соединений, таких как NO_x, CO. Сдвиг соотношения топливовоздушной смеси в сторону переобогащения топливом неизбежно приведет к резкому увеличению количества подобных радикалов в выхлопе. Наличие в выхлопном газе подобных химически агрессивных соединений ведет к ускоренному разрушению поверхностей узлов и деталей насосно-компрессорных установок, контактирующих с газом, и резко сократит моторесурс последних. Особенно интенсивно это будет происходить при работе под давлением. Для нейтрализации подобных соединений понадобится сложная система нейтрализации.

В зависимости от изменения давления на выходе установки (неизбежном при выполнении технологических операций) будет изменяться потребляемая мощность и необходимый крутящий момент на приводном валу. При неизменном числе оборотов (а это диктуется стремлением сохранить объемную подачу) изменение мощности и крутящего момента означает изменение количества сгораемого топлива. Это, в свою очередь, означает нарушение стехиометрического соотношения в сторону неполного сгорания топлива. Необходимость поддержания определенного процентного содержание кислорода в выхлопе неизбежно приведет к необходимости при изменении нагрузки на валу двигателя менять количество воздуха, подаваемого в камеру сгорания дизеля, что также увеличит несогласованность объемных характеристик компрессора (бустера) и дизель-мотора. Значит, потребуется сложная система регулировок с высоким быстродействием, работающая в агрессивной среде. К тому же необходимость регулировать количество воздуха, подаваемого в камеру сгорания двигателя, неизбежно приведет к снижению объемной подачи установки и как следствие затруднит возможность эксплуатации подобных установок для целого ряда технологических операций.

В связи с вышеизложенным можно сделать вывод, что использование в качестве инертных (взрывопожаробезопасных в углеводородной среде) газов выхлопа дизель-моторов (или иного известного сейчас двигателя внутреннего сгорания) является весьма проблематичным.

Налицо ряд технических противоречий: внутри системы двигатель - компрессор (или мультифазный и газобустерный насосы) и между двумя функциями приводного двигателя.

Технической задачей заявляемого изобретения является разрешение технических противоречий и создание альтернативного способа получения инертных газов, основанных на сжигании топлива в воздухе в стехиометрическом соотношении в силовых энергетических установках и нагнетания их в составе текучих сред (и как следствие утилизации продуктов сгорания - уменьшение вредных выбросов в атмосферу), обладающего более высокой энергетической и технологической эффективностью.

Особенности патентуемого способа следующие. Если в патенте RU 2083812 С1 Е 21 В 43/25 от 02.10.1994 г.инертные (взрывопожаробезопасные) в углеводородной среде газы получают по такой схеме: выхлопной газ двигателя инертные газы высокого давления. В прототипе RU 2121077 C1 F 04 B 41/00 от 02.10.1994 г по схеме: выхлопной газ двигателя инертная газожидкостная смесь низкого давления инертная газожидкостная смесь высокого давления. В заявке предлагается применить последовательность: воздух сравнительно низкого давления выхлопной газ двигателя сравнительно низкого давления инертная газожидкостная смесь высокого давления. Другой особенностью патентуемого способа является использование энергии, выделяемой при получении инертных газов низкого давления (на втором этапе) для осуществления других этапов (или хотя бы одного).

Способ получения инертных в углеводородной среде газожидкостных сред высокого давления с использованием силовой энергетической установки (фиг.1) заключается в том, что процесс горения топлива в воздухе в камере сгорания силовой энергетической установки, являющейся силовым приводом двухступенчатой насосно-компрессорной установки, или хотя бы одной из ее ступеней. В качестве первой ступени используется компрессорная установка, сжимающая воздух. В качестве второй ступени - дожимное устройство, сжимающее газ при помощи проточного жидкостного поршня (бустерная установка).

Горение осуществляется в стехиометрическом соотношении, обеспечивающем выжигание из воздуха кислорода до безопасного процентного содержания, и происходит при избыточном давлении воздуха (в воздухе, сжатом компрессором первой ступени) (0,4-4 МПа). Это обеспечивает рациональное распределение степени сжатия и габаритно-мощностных характеристик между ступенями, с последующим направлением горячих газообразных продуктов горения в генератор силовой энергетической установки. Тепловая энергия, выделяемая при горении топливовоздушной смеси, через изолирующую теплопроводную стенку передается рабочему телу или идет на прямое преобразование в электрическую энергию и используется для совершения полезной работы - приведения в движение хотя бы одной ступени установки. Вследствие чего продукты горения после отдачи внутренней энергии на совершение полезной работы остывают. Далее инертные в углеводородной среде продукты горения направляются в систему окончательной подготовки, где их температура доводится до температуры оптимальной для обеспечения максимальной приемистости дожимного устройства второй ступени. Так же при помощи системы окончательной подготовки гасится избыток тепловой энергии, появляющийся при переходе установки на режимы неполной нагрузки. Охлажденные газы направляются в газовый вход второй ступени установки, где сжимаются при помощи проточного жидкостного поршня до необходимого давления и направляются потребителю в составе инертных в углеводородной среде газожидкостных сред. В качестве второй ступени используется газобустерный насос или иное устройство, осуществляющее сжатие выхлопных газов с помощью проточного жидкостного поршня.

При этом между потребителем и установкой может быть установлен сепаратор, разделяющий газожидкостную смесь на газовую и жидкостную фазы и используемые в дальнейших технологических операциях по отдельности, например, при использовании в технологических операциях инертного в углеводородной среде газа отделенная карбонизированная вода для обеспечения наиболее полного вытеснения нефти из залежи может закачиваться в нагнетательные скважины в качестве рабочего агента. Регулируя газожидкостное отношение при помощи изменения количества жидкости, подаваемой на формирование проточного газожидкостного поршня, и применяя жидкости с различным коэффициентом поверхностного натяжения и различной плотностью, можно выбрать наиболее эффективную технологию в конкретных условиях. В состав газожидкостной смеси могут вводиться и ингибирующие растворы для снижения коррозии.

Преимущества данной схемы: высокий ресурс компрессора, работающего с чистым воздухом и при сравнительно стабильных параметрах, легкость поддержания горения при более стабильных параметрах. Моторесурс двигателя также значительно возрастает, так как отсутствует контакт между агрессивными продуктами горения и деталями двигателя.

Совокупность технических решений позволяет установить соответствие их критерию "новизна". Заявленные признаки позволяют в данном способе иметь новые свойства в сравнении с известными техническими решениями. Новые свойства заключаются в том, что предлагаемый способ получения инертных в углеводородной среде газожидкостных сред высокого давления с использованием силовой энергетической установки обеспечивает создание комплекса оборудования с высокими техническими параметрами за счет рационального расхода тепловой энергии и разрешает технические противоречия, возникающие в устройствах, использующих в качестве привода двигатель внутреннего сгорания.

Таким образом, изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Способ осуществляется следующим образом:

Ступень компримирования воздуха II производит нагнетание воздуха с заданным избыточным давлением по линии нагнетания воздуха 11 в камеру сгорания 7 силовой установки I. Туда же по линии подвода топлива 10 подается топливо. В камере с помощью смесительных элементов (на схеме не показаны) происходит их перемешивание. После этого системами розжига (на схеме не показаны) топливо поджигается и происходит его сгорание. Сжигание топлива может осуществляться также и беспламенным способом (в среде катализатора). Выделившаяся при этом тепловая энергия преобразуется средствами, известными из уровня техники, в силовой установке I в механическую энергию. Механическая энергия используется для осуществления привода установки. За счет этого (совершения полезной работы) происходит охлаждение продуктов горения (отработанных газов), После этого предварительно охлажденные газы поступают в ступень нагнетания сред высокого давление III, где газы окончательно сжимаются и направляются потребителю в составе газожидкостных смесей.

Между силовой установкой I и ступенью III может находиться система окончательной подготовки газов 5. В этом узле их температура доводится до температуры оптимальной для обеспечения максимальной приемистости дожимного устройства высокого давления. Отобранное тепло может быть направлено на подогрев технологических жидкостей. Остатки тепла рассеиваются в окружающей среде. Отбор тепла (в т.ч. и остатков) может проходить с помощью устройств, известных из уровня техники. Там же может осуществляться окончательное связывание активных радикалов (вплоть до СО₂ ), в том числе путем впрыска воды или соответствующих растворов в выхлопной газ. Тогда в состав системы подготовки целесообразно включить двухфазный сепаратор. Отсепарированный газ направляется в ступень III, а карбонизированная жидкость (в том числе вода) может использоваться в других технологических операциях или возвращается в систему для повторного использования.

Преобразование энергии в силовой установке происходит следующим образом:

Горячие продукты горения поступают в генератор 6, где передают внутреннюю (тепловую) энергию, выделяемую при горении топливовоздушной смеси, рабочему телу двигателя внешнего сгорания или идут на прямое преобразование в электрическую энергию через герметичную теплопроводную стенку. Полученная энергия в зависимости от типа силовой энергетической установки передается приводному двигателю, в "пригодном" для него виде.

Приводным двигателем (двигателями) может выступать как электродвигатель или комбинации нескольких электродвигателей (при использовании в качестве генератора - термоэмиссионного генератора), так и тепловой двигатель внешнего сгорания, например паровой (объемного или динамического типа (турбина)), или двигатель Стерлинга. В случае использования электродвигателя (или комбинации нескольких электродвигателей) в качестве генератора 6 может использоваться также цепочка: тепловой двигатель внешнего сгорание - генератор или же иная известная из уровня техники комбинация. В случае использования тепловых двигателей в качестве генератора 6 используется парогенератор либо иной генератор рабочего тела.

Линии подвода и отвода энергии 8 и 9 в зависимости от вида энергии могут иметь различный вид. Это могут быть электропроводы (шины), паропроводы и т.д.

Передача механической энергии может происходить с помощью объемной гидравлической трансмиссии. Это открывает путь к созданию газобустерного насоса прямого действия.

Возможна комбинация тепловых и электрических двигателей.

В качестве ступени нагнетания сред высокого давления III используется поршневой газобустерный насос или иное устройство, осуществляющее сжатие газов с помощью проточного жидкостного поршня. Жидкостный поршень формируется за счет жидкости, поступающей в газобустерный насос по линии подачи жидкости 15. Подача жидкости (подпор) может осуществляться от внешнего источника, от подпорного насоса или же за счет дополнительного плунжера дозатора.

Формирование жидкостного поршня может осуществляться на такте всасывания с давлением, несколько превышающим давление газа на газовом входе газобустерного насоса. В этом случае подпор жидкости может идти непрерывно. Может осуществляться и на такте нагнетания или в его конце с давлением не ниже давления нагнетания газобустерного насоса. В этом случае подпор будет прерывистый.

Возможность осуществления предлагаемого изобретения доказывается отечественной и зарубежной практикой использования в газонефтедобывающей промышленности способов приготовления и нагнетания инертных газовых смесей, реализованных в ряде специализированных установок.

Технические признаки, являющиеся отличительными для заявляемого способа, могут быть реализованы с помощью средств, используемых в различных областях техники (паровые турбины, термоэмиссионные генераторы, напорные трубопроводы, задвижки, устройства для промежуточного повышения давления газоводяных смесей, газобустерные насосы, сепараторы и т.д.).

Примеры использования заявляемого способа:

Вышесказанное позволяет заявить о возможности создания на основе использования заявляемого способа полностью автономных комплексов эксплуатации. В первую очередь на небольших по запасам природных ресурсов и удаленных месторождениях, не представляющих интереса при традиционных способах добычи и на прекративших фонтанирование из-за падения пластового давления или увеличения обводненности. Он обеспечивает эксплуатацию скважины в условиях отсутствия источника газа высокого давления.

При разработке нефтяной залежи заявляемым способом через нагнетательные скважины можно осуществлять закачку газожидкостной смеси, а не жидкости. Отбор нефти идет через добывающие скважины с дальнейшим отделением от нефти пластовой воды и попутного газа. Попутный газ сжигается в силовой установке. На основе отделенной пластовой воды формируется проточный поршень Пластовая вода и продукты горения используются для получения газожидкостной смеси, которая нагнетается в пласт при помощи проточного жидкостного поршня в газобустерном насосе. Тем самым находят полезное применение отходы добычи, на утилизацию которых сейчас требуются значительные средства.

Заявляемый способ позволяет вести эксплуатацию скважин одним способом на протяжении всего срока эксплуатации. Результатом такой эксплуатации станет замена заводнения пласта газожидкостным воздействием на пласт, возможность полной утилизации не имеющего промышленного значения попутного газа и пластовой воды и как следствие отказ то факельных устройств. Это позволит убрать "экологически грязные" технологии утилизации попутного газа и сократить объемы загрязнения окружающей среды. В результате использования в качестве инертных газов продуктов сгорания с безопасным процентным содержанием кислорода появляется возможность компенсировать извлеченную из пластовой жидкости нефть за счет нагнетания инертной газожидкостной смеси и поддерживать при этом коэффициент компенсации добычи близким к единице или даже больше.

Кроме того, эксплуатация по заявляемому способу позволит снизить капиталовложения на обустройство и эксплуатацию и ускорит ввод месторождения в эксплуатацию благодаря отсутствию необходимости строительства водоводов системы ППД, систем сбора попутного газа и факельных устройств, прокладки ЛЭП к месторождению и строительства подстанций.

Так же наличие на месторождении подобного эксплуатационного оборудования значительно удешевит ремонт и освоение скважин за счет отказа от привлечения дополнительного оборудования для проведения работ (т.к. капремонт скважин можно проводить за счет имеющего оборудования) и значительного сокращения послеремонтного периода.