способ эксплуатации газлифтной скважины и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ эксплуатации газлифтной скважины, включающий подачу в нефтяную скважину газа из источника высокого давления по газопроводу с регулятором расхода газа, измерение расхода нагнетаемого газа и дебита добываемого флюида при различных расходах газа, периодическое установление зависимости между расходом газа и дебитом добываемого флюида с определением оптимального режима эксплуатации газлифтной скважины в рабочем диапазоне расхода газа, отличающийся тем, что при использовании в качестве источника высокого давления газовой скважины последнюю используют с клапаном отсечки газа, газопровод снабжают распределенным по всей длине нагревателем, подключенным к источнику электропитания с регулируемой выходной мощностью, и датчиками температуры, которые устанавливают перед клапаном отсечки газа, перед регулятором расхода газа и за ним и присоединяют, как и источник электропитания, к устройству управления, нагревают трубу газопровода и поддерживают значение температуры ее внутренней поверхности выше температуры гидратообразования любой из составных компонент газовой среды газовой скважины в рабочем диапазоне параметров газа и на таком уровне, чтобы температура газа перед регулирующим расход газа устройством удовлетворяла условию

T (T₁+t),

где T₁ - наибольшая температура гидратообразования компоненты из состава газовой среды газовой скважины;

t - перепад температуры газа на устройстве регулирования расхода.

2. Устройство для эксплуатации газлифтной скважины, включающее источник газа высокого давления, газопровод, соединенный через регулятор расхода газа с нефтяной скважиной, измеритель расхода флюида, установленный на выходе нефтяной скважины, устройство управления, первый измерительный вход которого соединен с выходом измерителя расхода газа, установленного в газопроводе, второй измерительный вход соединен с выходом измерителя расхода флюида, а его первый управляющий выход подключен ко входу регулятора расхода газа, отличающееся тем, что при использовании в качестве источника газа высокого давления газовой скважины устройство снабжено соединенным с газовой скважиной управляемым клапаном отсечки газа, управляющий вход которого подключен ко второму управляющему выходу устройства управления, а выход клапана отсечки газа соединен с газопроводом, который снабжен распределенным по всей длине нагревателем, подключенным к выходу источника электропитания, и теплоизолятором, расположенным поверх нагревателя, причем на входе газопровода установлен датчик температуры газопровода, подключенный к третьему измерительному входу устройства управления, при этом перед клапаном отсечки газа установлены первый датчик температуры газа и первый датчик давления газа, выходы которых подключены к четвертому и пятому измерительным входам устройства управления, а перед регулятором расхода газа и за ним установлены второй и третий датчики температуры газа и второй и третий датчики давления газа, выходы которых подключены соответственно к шестому, седьмому, восьмому и девятому измерительным входам устройства управления.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что первый датчик температуры газа и первый датчик давления газа, управляемый клапан отсечки газа, а также датчик температуры трубы объединены в конструктивный модуль, выполненный в виде входного термостата, датчик температуры которого соединен с десятым измерительным входом устройства управления, а управляющий вход термостата подключен к четвертому управляющему выходу устройства управления.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что второй и третий датчики температуры газа и второй и третий датчики давления газа, измеритель и регулятор расхода газа объединены в конструктивный модуль, выполненный в виде выходного термостата газопровода, датчик температуры которого соединен с одиннадцатым измерительным входом устройства управления, а управляющий вход термостата подключен к пятому управляющему выходу устройства управления.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что источник электропитания выполнен с возможностью регулирования выходной мощности, а его управляющий вход подключен к третьему управляющему выходу устройства управления.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что источник электропитания выполнен с многоканальным выходом, а нагреватель газопровода выполнен секционным, при этом секции нагревателя распределены вдоль длины газопровода и подключены к многоканальному выходу источника электропитания.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что каждая секция нагревателя выполнена в виде гибкой ленты, закрепленной на поверхности газопровода и образующей с ним тепловой контакт.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей отрасли, в частности к бескомпрессорному газлифту, и может быть использовано при эксплуатации газлифтных скважин преимущественно в районах Крайнего Севера.

Особенностью эксплуатации газлифтных скважин в районах Крайнего Севера, в частности на месторождениях Западной Сибири, являются низкие зимние температуры воздуха (до -55^oC), наличие глубокого слоя вечной мерзлоты (до 300 м), сильные снежные заносы (до 1,5 м), низкая начальная температура газлифтного газа на устье газовых скважин (5-12^oC). При этом сами газлифтные скважины расположены на безлюдной территории и должны функционировать в автоматическом режиме.

Известен способ эксплуатации газлифтной скважины, включающий нагнетание по газовой линии в нефтяную скважину газа высокого давления, измерение температуры получаемого из скважины продукта, которая зависит от температуры нагнетаемого газа, регулирование расхода газа регулирующим клапаном и контроль его положений для оптимизации добычи флюида (см. патент США N 4267885, МКИ E 21 В 43/12, 1981 г.).

Основным недостатком известного способа является низкая точность регулирования расхода газа при колебаниях температуры лифтового газа, подаваемого в скважину, особенно при бескомпрессорном газлифте, из-за больших перепадов давления и температуры газа на регулирующем клапане и, как следствие, - неоптимальный режим работы скважины.

В качестве прототипа для заявляемого изобретения выбран способ эксплуатации газлифтной скважины, включающий подачу в газлифтную скважину газа из источника высокого давления по газопроводу, измерение расхода нагнетаемого газа и дебита добываемого флюида при различных расходах газа, периодическое установление зависимости между расходом газа и дебитом добываемого флюида и определение оптимального режима эксплуатации газлифтной скважины в рабочем диапазоне расходов газа (см. патент США N 4738313, МКИ E 21 В 43/12, 1988 г. ).

Основными недостатками известного способа являются его ограниченные область применения и эксплуатационные возможности, т.к. для своей реализации в условиях Крайнего Севера он требует очень больших материальных и людских затрат из-за необходимости использования в качестве источника газа высокого давления либо газоперерабатывающего завода (централизованная система компрессорного газлифта), подающего по протяженному теплоизолированному газопроводу очищенный, осушенный и подогретый газ, либо компрессора (децентрализованная система кустового компрессорного газлифта), требующего специальных дорогостоящих мер по дополнительной подготовке газа (очистке, осушке, компримированию). Это снижение экономической эффективности добычи нефти обусловлено в первую очередь низкой температурой и высокой влажностью используемого многокомпонентного природного газа, приводящими к гидратообразованию в газовых коммуникациях, сужающем устройстве измерителя расхода газа и регуляторе расхода газа, и требующих специальных дорогостоящих мер борьбы, таких как очистка и осушка газа, подача ингибиторов гидратообразования. Особенно остро эта проблема встает при частых периодических перепадах давления в широких пределах, а значит, и при перепадах температуры на регулирующем расход газа устройстве, что связано с известным эффектом Джоуля - Томсона (падение температуры газа на дросселирующем устройстве).

В основу данного изобретения поставлена задача, направленная на расширение области применения и эксплуатационных возможностей способа эксплуатации газлифтной скважины, осуществляемого при работе в автоматическом режиме бескомпрессорного газлифта, когда в качестве источника газа высокого давления используется газ из газовой скважины, в том числе в сложных климатических условиях Крайнего Севера.

Согласно изобретения, в способе эксплуатации газлифтной скважины, включающем подачу в нефтяную скважину газа из источника высокого давления по газопроводу с регулирующим расход газа устройством, измерение расхода нагнетаемого газа и дебита добываемого флюида при различных расходах газа, периодическое установление зависимости между расходом газа и дебитом добываемого флюида с определением оптимального режима эксплуатации газлифтной скважины в рабочем диапазоне расходов газа это достигается тем, что в качестве источника газа используют газовую скважину, при этом дополнительно измеряют температуру газа в газопроводе, поддерживают температуру внутренней поверхности газопровода на уровне выше температуры гидратообразования любой из составных компонент газовой среды газовой скважины в рабочем диапазоне параметров газа, а температуру газа перед регулирующим расход газа устройством поддерживают на уровне

T (T₁+t), (1)

где T₁ - наибольшая температура гидратообразования компоненты из состава газовой среды газовой скважины, t - перепад температуры газа на устройстве регулирования расхода. Выполнение указанных тепловых режимов позволяет исключить условия возникновения гидратообразования при газлифтной добыче нефти.

В качестве прототипа для заявляемого устройства выбрано устройство для эксплуатации газлифтной скважины, включающее источник газа высокого давления, соединенный газопроводом с нефтяной скважиной через регулятор расхода газа, устройство управления на базе контроллера, один из измерительных входов которого соединен с выходом измерителя дебита добываемого флюида, установленного на выходе нефтяной скважины, а другой соединен с выходом измерителя расхода газа, установленном в газопроводе, при этом управляющий выход контроллера подключен ко входу регулятора расхода газа. Устройство измеряет расход нагнетаемого газа и дебита добываемой жидкости при различных расходах газа, периодически устанавливает зависимость между расходом газа и дебитом добываемой жидкости и определяет оптимальный режим эксплуатации газлифтной скважины в рабочем диапазоне расходов газа (см. патент США N 4738313, МКИ E 21 В 43/12, 1988 г.).

Основными недостатками устройства, как и вышеупомянутого способа, являются его ограниченные область применения и эксплуатационные возможности, обусловленные теми же причинами, что и у способа, а именно низкой экономической эффективностью добычи нефти из-за высоких затрат на устранение гидратообразований в газовых коммуникациях, сужающем устройстве измерителя расхода газа и регуляторе расхода газа.

В основу изобретения поставлена задача, направленная на расширение области применения и эксплуатационных возможностей устройства для эксплуатации газлифтной скважины, работающего в автоматическом режиме бескомпрессорного газлифта, когда в качестве источника газа высокого давления используется газ из газовой скважины, в том числе в сложных климатических условиях Крайнего Севера.

Согласно изобретения, в устройстве для эксплуатации газлифтной скважины, включающем источник газа высокого давления, соединенный газопроводом через регулятор расхода газа с нефтяной скважиной, измеритель расхода флюида, установленный на выходе нефтяной скважины, устройство управления, первый измерительный вход которого соединен с выходом измерителя расхода газа, установленном в газопроводе, второй измерительный вход соединен с выходом измерителя расхода флюида, а его первый управляющий выход подключен ко входу регулятора расхода газа, достигается тем, что в качестве источника газа высокого давления использована газовая скважина с управляемым клапаном отсечки газа, управляющий вход которого подключен ко второму управляющему выходу устройства управления, а выход клапана отсечки газа соединен с газопроводом, который снабжен распределенным по всей длине нагревателем, подключенным к выходу источника электропитания, и теплоизолятором, расположенным поверх нагревателя, причем на входе газопровода установлен датчик температуры газопровода, подключенный к третьему измерительному входу устройства управления, при этом перед клапаном отсечки газа установлены первый датчик температуры газа и первый датчик давления газа, выходы которых подключены к четвертому и пятому измерительным входам устройства управления, а перед регулятором расхода газа и за ним установлены второй и третий датчики температуры газа и второй и третий датчики давления газа, выходы которых подключены соответственно к шестому, седьмому, восьмому и девятому измерительным входам устройства управления. Указанное выполнение устройства позволяет исключить проблему гидратообразования при всех возможных режимах работы газлифтной скважины.

Целесообразно источник электропитания выполнить с возможностью регулирования выходной мощности, а его управляющий вход подключить к третьему управляющему выходу устройства управления, что позволит оперативно и экономно производить разогрев газопровода, избегая его перегрева.

Выгодно источник электропитания выполнить с многоканальным выходом, а нагреватель газопровода выполнить секционным, при этом секции нагревателя распределить вдоль газопровода и подключить к многоканальному выходу источника электропитания, что позволит дополнительно повысить экономичность разогрева газопровода.

Перспективно для упрощения монтажа каждую секцию нагревателя выполнить в виде гибкой ленты, закрепленной на поверхности газопровода и образующей с ним тепловой контакт.

Целесообразно также для упрощения устройства и повышения надежности его функционирования, первый датчик температуры газа и первый датчик давления газа, управляемый клапан отсечки газа, а также датчик температуры трубы объединить в конструктивный модуль, выполненный в виде входного термостата, датчик температуры которого соединить с десятым измерительным входом устройства управления, а управляющий вход термостата подключить к четвертому управляющему выходу устройства управления.

Целесообразно также для упрощения устройства и повышения надежности его функционирования второй и третий датчики температуры газа и второй и третий датчики давления газа, измеритель и регулятор расхода газа объединить в конструктивный модуль, выполненный в виде выходного термостата, датчик температуры которого соединить с одиннадцатым измерительным входом устройства управления, а управляющий вход термостата подключить к пятому управляющему выходу устройства управления.

Заявляемые способ и устройство позволяют решить проблему исключения гидратообразования новым, эффективным и экономичным методом и обеспечивают надежную эксплуатацию газлифтной скважины в автоматическом режиме в условиях Крайнего Севера, что не имеет аналогов в технике бескомпрессорного газлифта, а значит, соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого устройства.

На фиг.2 приведена структурная схема устройства управления на базе микропроцессорного контроллера.

На фиг.3 приведен рисунок, поясняющий расположение секций нагревателя на газопроводе.

На фиг.4 приведены зависимости необходимой мощности нагревателя для различных расходов газа через газопровод при постоянном значении перепада давления (температуры) на регуляторе расхода газа.

На фиг. 5 представлена структурная схема многоканального источника электропитания.

Представленное на фиг.1 устройство для газлифтной добычи нефти содержит газовую скважину 1, насосно-компрессорную трубу 2, размещенную в газовой скважине, выход которой соединен со входным термостатом 3, внутри которого расположен фрагмент газопровода 4 с установленными на нем датчиками температуры газа 5 и давления газа 6, управляемым клапаном отсечки газа 7 и датчиком температуры газопровода 8. Датчики температуры газа 5, давления газа 6, температуры газопровода 8 и температуры входного термостата 9 соединены с измерительными входами контроллера 10, а вход управления клапана отсечки газа 7 подключен к управляющему выходу контроллера 10. Входной термостат 3 соединен с газопроводом 11, на котором размещены нагреватель 12 и теплоизоляция 13. Нагреватель 12 выполнен секционным (см.фиг.3). Каждая секция 14 нагревателя 12 выполнена в виде гибкой ленты, закрепленной на поверхности газопровода 11 с образованием теплового контакта, и распределена вдоль его длины. При этом все секции 14 подключены к многоканальному выходу источника электропитания 15 с регулируемой выходной мощностью, управляемой напряжением с управляющего выхода контроллера 10. Выходной конец газопровода 1 1 соединен с выходным термостатом 16, датчик температуры 17 которого подключен к измерительному входу контроллера 10, а его вход управления подключен к управляющему выходу контроллера 10. Внутри термостата 16 расположен фрагмент газопровода 18 с установленными на нем датчиками температуры газа 19 и 20, датчиками давления газа 21 и 22, измерителем расхода газа 23 (все датчики и измеритель расхода газа подключены к измерительным входам контроллера 10), а также регулятором расхода газа 24, управляющий вход которого подключен к управляющему выходу контроллера 10. Выходной термостат 16 соединен с нефтяной скважиной 25, а ее лифтовая труба 26 соединена через измеритель расхода флюида 27 с выкидной линией 28.

Представленный на фиг. 2 контроллер 10 состоит из микропроцессора 29, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 30, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 31, устройства ввода-вывода 32, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 33, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 34 и выходных ключей 35, соединенных между собой посредством системной шины 36. С устройством ввода-вывода 32 соединены клавиатура 37 и индикатор 38.

На фиг.4 приведены зависимости необходимой мощности нагревателя для различных расходов газа через газопровод при постоянном значении перепада давления (температуры) на устройстве регулирования расхода газа, которые включают график 39 (для расхода газа V), график 40 (для расхода газа 0,5 V) и график 41 (для расхода газа 0,25 V).

Представленный на фиг.5 многоканальный источник электропитания 15 состоит из многофазной сети переменного напряжения 42, к выходу которой подключены силовые ключи 43, управляемые коммутатором 44 с выхода контроллера 10. Выходы силовых ключей 43 через управляемые тиристорные ключи 45 соединены с секциями 14 нагревателя 12, а входы тиристорных ключей 45 подключены к выходу контроллера 10 через схему развязки (оптронные ключи) 46.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии управляемый клапан отсечки газа 7 закрыт, клапан регулятора расхода 24 закрыт, нагреватель трубы 12 отключен. В контроллер 10 поступают сигналы с датчиков температуры 5 и давления газа 6 на выходе газовой скважины 1, датчика температуры газопровода 11, датчика температуры газа в трубе 23, датчика давления газа 22 нефтяной скважины 25. На основании указанных исходных данных контроллер 10 осуществляет расчет максимально возможного перепада давления и температуры на регуляторе расхода газа 24 на момент запуска скважины 25. Далее по команде контроллера 10, поступившей на управляющий вход клапана отсечки газа 7, его клапан открывается и одновременно включается нагреватель 12 (все его секции 14) на максимальную мощность источника питания 15. Газопровод 11 при максимальной мощности нагревателя 12 быстро прогревается при нулевом расходе газа до максимального значения, например 75^oC, что фиксируется контроллером 10 на основании сигнала с датчика температуры газопровода 8. После этого контроллер 10 подает команду на управляющий вход регулятора расхода газа 24, приоткрывается его клапан и газ начинает поступать в нефтяную скважину 25. При этом процесс непрерывно контролируется: расход - измерителем расхода газа 19; перепад давления на регуляторе расхода газа 24 - датчиками давления 21 и 22; изменение температур газа и газопровода - датчиками температуры 5, 23, 20 и 8. Температура газа и газопровода 11 в контрольных точках должна быть в пределах, заданных уставками технологической картой управления скважиной и хранящихся в ПЗУ 30 контроллера 10. После достижения требуемого рабочего значения расхода газа устройство переходит в режим поддержания рабочего расхода газа. Контроллер 10 по показаниям датчиков температуры 5, 23, 20, 8 и датчиков давления 6, 21, 22, а также измерителя расхода газа 19 производит расчет необходимой для поддержания расчетных значений температур газа и газопровода мощности нагревателя и дает команду на источник электропитания 15 на ступенчатое уменьшение мощности нагревателя 12 путем отключения ряда его секций 14 (отключение секций 14 производится коммутатором 44) с последующим их плавным регулированием (напряжение управления с контроллера 10 через схему развязки 46 и управляемые тиристорные ключи 45 изменяет напряжение питание секций 14) либо в случае необходимости плавным регулированием всех секций 14 нагревателя 12 без их отключения. Устройство перешло в режим автоматического регулирования температур газа и газопровода, используя в качестве сигналов обратной связи текущие значения параметров газа, поступающие с датчиков температуры, давления и измерителя расхода газа. При этом в случае изменения какого-либо из указанных параметров, например начальной температуры газа из газовой скважины 1, контроллер 10 выдает команду на изменение мощности нагревателя 12.

При переходе устройства газлифтной добычи нефти в режим самонастройки на оптимальный режим добычи, когда по заданной программе меняется расход газа от текущего значения до минимального, а затем до максимального с определением максимального дебита скважины, контролируемого с помощью измерителя расхода флюида 27, контроллер 10 обеспечивает следующий режим поддержания температуры газопровода и газа в нем:

- при повышении температуры газа за регулятором расхода 24 (датчик температуры 20) снижается мощность нагревателя 12 с учетом скорости роста перепада давления на клапане регулятора расхода 24;

- при понижении температуры газа за регулятором расхода 24 до расчетной повышается мощность нагревателя 12 с учетом скорости снижения или роста перепада давления на клапане регулятора расхода 24, при этом мощность может регулироваться как ступенчато, так и плавно.

После самонастройки устройство переходит на новый режим расхода газа, соответствующий оптимальной добыче флюида в изменившихся условиях (изменение производительности пласта флюида, изменение давления газовой скважины, изменение начальной температуры газа газовой скважины). Контроллер 10 при этом обеспечивает режим поддержания рассчетных значений температур газопровода и газа в нем аналогично описанному выше.

Во всем рабочем диапазоне температур окружающего воздуха (от -55^oC до 50^oC) все датчики температуры, давления, измеритель и регулятор расхода газа, устройство отсечки газа работают в диапазоне температур от 5^oC до 35^oC, что обеспечивается входным 3 и выходным 16 термостатами, поддержание температуры которых производится контроллером 10 на основании данных с датчиков их температур 9 и 17.

Таким образом за счет оперативного регулирования мощности, подаваемой на нагреватель 12, температуру на внутренней поверхности газопровода 11, а значит, и в пограничном слое протекающего по ней газа, поддерживают на уровне выше температуры гидратообразования любой из составных компонент используемого природного газа и обеспечивают необходимое для текущего значения расхода газа превышение его температуры перед регулятором расхода газа 24. Это превышение температуры компенсирует падение температуры газа при его дросселировании и исключает процесс гидратообразования на выходе устройства 24.

Далее приведен пример использования заявляемых способа и устройства для реальной газлифтной скважины.

Пример.

Технические характеристики газлифтной скважины:

- диапазон рабочих расходов лифтового газа, м/сутки - (30 000 - 120 000);

- максимальный дебит флюида, т/сутки - 480;

- максимальное давление лифтового газа, МПа - 14;

- среднее давление лифтового газа, МПа - 11, 25;

- начальная температура лифтового газа, ^oC - 12;

- состав лифтового газа, %-мольный - 99 метан;

- плотность метана, кг/м³ - 0,71;

- влагосодержание лифтового газа, кг/1000 м³ - 1,4;

- удельная теплоемкость метана (при среднем давлении 12 МПа), Кдж/кг^oC - 3,0;

- минимальная температура окружающего воздуха,^oC -(-55);

- максимальный рабочий перепад давления на регулирующем устройстве, МПа - 3;

- наружный диаметр газопровода, мм - 85;

- внутренний диаметр газопровода, мм - 77;

- материал газопровода - сталь;

- в качестве клапана отсечки газа использован шаровой клапан типа МА 39024-080 (Германия);

- в качестве регулятора расхода газа использовано устройство типа С1-86 VEGYEPSZEK (Венгрия);

- в качестве датчиков температуры применены термопреобразователи сопротивления типа ТСМУ 9701 (Россия);

- в качестве датчиков давления применены датчики типа ПТ-З (Россия);

- в качестве измерителя расхода газа использован диафрагменный расходомер на основе сужающего устройства с прибором типа ПТ-ЗРД (Россия);

- в качестве контроллера использован контроллер Allen-Bradley фирмы Rockwell Automation (США);

- в качестве нагревателей использованы гибкие нагреватели Auto-Trace фирмы Raychem (США).

Для метана, составляющего основу лифтового газа, температура гидратообразования при 14 МПа равна 20^oC. Максимальный рабочий перепад температуры на регулирующем устройстве при максимальном рабочем перепаде давления в 3 МПа составляет около 30^oC. Значит, температуру газопровода на всем его протяжении поддерживают на уровне Т20^oC, а температуру газа перед регулирующим расход устройством поддерживают на уровне Т50^oC. Заданные параметры температур лифтового газа в газопроводе автоматически поддерживаются микропроцессорным устройством управления, которое преобразует в цифровую форму аналоговые сигналы первичных датчиков температуры, давления, расхода газа, производит необходимые вычисления, сравнивает значения параметров с уставками, заданными технологической картой управления скважиной, вырабатывает сигналы управления регулятором расхода газа и регулятором мощности источника питания нагревателя газопровода в соответствии с заданным программой алгоритмом управления.

Таким образом, заявляемые способ и устройство позволяют эффективно реализовать метод бескомпрессорного энергосберегающего автоматического газлифта нефтяных скважин, эксплуатируемых в климатических условиях Крайнего Севера.