устройство для забойного терморегулирования нагнетаемой в пласт воды

Формула изобретения

Устройство для забойного терморегулирования нагнетаемой в пласт воды, включающее управляющий орган с корпусом с входящими отверстиями, жестко связанными и сообщающимися сильфоном и емкостью, заполненной термоупругим веществом, с клапанным узлом с седлом, размещенными под сильфоном, один конец которого жестко связан с корпусом, штоком для взаимодействия с седлом клапанного узла, расположенным между сильфоном и седлом клапанного узла и жестко связанным с подвижным концом сильфона, и наконечник с выходным отверстием, отличающееся тем, что оно включает эксплуатационную колонну труб, насосно-компрессорные трубы и устьевую арматуру, а управляющий орган имеет узел зарядки и обратный клапан и установлен в нижней части насосно-компрессорных труб, при этом емкость управляющего органа заполнена термоупругим веществом и выполнена подпружиненной относительно корпуса, с которым жестко связан нижний конец сильфона, верхний конец которого выполнен подвижным и жестко связан со штоком с возможностью открытия седла клапанного узла при удлинении сильфона и закрытия седла клапанного узла при сокращении сильфона.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при разработке месторождений высокопарафинистой высоковязкой застывающей нефти.

Известно устройство для нагнетания воды в пласт, в котором нагнетательную скважину заполняют водой, контролируя температуру нагрева воды по стволу скважины, закачивают в нагнетательную скважину воду с технологической выдержкой и с расходом, не превышающим определенный темп закачки в зависимости от теплофизических свойств окружающих горных пород и обеспечивающий подогрев воды до требуемой температуры, создают в призабойной зоне пласта оторочку нагретой воды в заданном объеме (1).

Недостаток устройства заключается в том, что при его эксплуатации из-за сложности и трудоемкости контроля за динамикой изменения геотермии по стволу скважины и за температурой на забое, возникают трудности в определении времени технологической выдержки и оптимального темпа закачки, обеспечивающих надежное создание в призабойной зоне пласта оторочки нагретой воды.

Известно устройство для нагнетания воды в пласт, включающее циркуляционный клапан, устанавливаемый в скважине над пакером на насосно-компрессорных трубах, обеспечивающий сообщение затрубного пространства с насосно-компрессорными трубами и закачку через него воды в пласт по затрубному пространству (2).

Недостатки устройства заключаются в том, что циркуляционный клапан управляется внешним давлением и не способен обеспечить терморегулированное нагнетание воды в пласт и заданном автоматическом режиме.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для забойного терморегулирования нагнетаемой в пласт воды, включающее управляющий орган с корпусом с входящими отверстиями, жестко связанными и сообщающимися сильфоном и емкостью, заполненную термоупругим веществом, с клапанным узлом с седлом, размещенными под сильфоном, один конец которого жестко связан с корпусом, штоком для взаимодействия с седлом клапанного узла, расположенным между сильфоном и седлом клапанного узла и жестко связанным с подвижным концом сильфона и наконечник с выходным отверстием (3).

Полость сильфона через узел зарядки заряжают азотом на расчетное давление открытия (закрытия), что обеспечивает использование устройства в качестве пускового при эксплуатации нефтяных, газовых и водозаборных скважин непрерывным и периодическим газлифтом.

Частичное заполнение полости сильфона веществом, обладающим высоким коэффициентом температурного расширения, обеспечивает улучшение дебита и коэффициента полезного действия газлифтного подъемника за счет повышения надежности герметизации клапанного узла, который управляется от величины внешнего давления, при этом увеличение температуры окружающей среды приводит к расширению в замкнутой полости сильфона термоупругого вещества и соответствующего увеличения давления в камере сильфона, что обеспечивает более плотное запирание клапанного узла.

Недостаток устройства заключается в том, что оно не способно обеспечить терморегулированное нагнетание воды в пласт в заданном автоматическом режиме.

Задача решается тем, что в устройстве для забойного терморегулирования нагнетаемой в пласт воды, включающем эксплуатационную колонну труб, насосно-компрессорные трубы, устьевую арматуру, установленный в нижней части насосно-компрессорных труб управляющий орган с корпусом с входными отверстиями, жестко связанными сообщающимися сильфоном и емкостью, заполненной термоупругим веществом, с клапанным узлом с седлом, размещенным под сильфоном, один конец которого жестко связан с корпусом, штоком для взаимодействия с седлом клапанного узла, расположенным между сильфоном и седлом клапанного узла и жестко связанным с подвижным концом сильфона, узел зарядки, обратный клапан, наконечник с выходными отверстиями, согласно изобретению емкость выполнена подпружиненной относительно корпуса, конец сильфона жестко связан с корпусом, а его верхний конец выполнен подвижным и жестко связан со штоком с возможностью открытия седла клапанного узла при сокращении сильфона, причем полости сильфона и емкости заполнены термоупругим веществом.

Существенными признаками изобретения являются:

1. Эксплуатационная колонна труб.

2. Насосно-компрессорные трубы.

3. Устьевая арматура.

4. Установленный в нижней части насосно-компрессорных труб управляющий клапан.

5. Управляющий орган с корпусом с входными отверстиями, жестко связанными и сообщающимися сильфоном и емкостью, клапанным узлом с седлом, штоком для взаимодействия с седлом клапанного узла, узлом зарядки, обратным клапаном, наконечником с входными отверстиями.

6. Емкость заполнена термоупругим веществом.

7. Размещение клапанного узла с седлом под сильфоном.

8. Расположение штока между сильфоном и седлом клапанного узла.

9. Жесткая связь одного конца сильфона с корпусом.

10. Жесткая связь штока с подвижным концом сильфона.

11. Выполнение емкости подпружиненной относительно корпуса.

12. Жесткая связь нижнего конца сильфона с корпусом.

13. Подвижное выполнение верхнего конца сильфона.

14. Жесткая связь верхнего конца сильфона со штоком с возможностью открытия седла клапанного узла при удлинении сильфона и закрытия седла клапанного узла при сокращении сильфона.

15. Заполнение полостей сильфона и емкости термоупругим веществом.

Признаки 1 - 10 являются общими с прототипом, признаки 11 - 15 являются отличительными признаками изобретения.

Сущность изобретения

Известное устройство не решает проблему обеспечения забойного терморегулирования нагнетаемой воды в пласт в заданном автоматическом режиме. Эта задача решается в предложенном изобретении.

В устройстве при нагревании нагнетаемой в пласт воды посредством теплообмена с горными породами происходит автоматическое открытие седла клапанного узла и поступление воды в пласт, и наоборот, при остывании воды - автоматическое закрытие седла клапанного узла до восстановления температуры нагнетаемой воды на глубине установки управляющего органа до установленной величины. Это обеспечивается посредством предложенной конструкции устройства, принципа взаимодействия и связей деталей и узлов устройства.

При этом автоматическое открытие седла клапанного узла происходит в результате расширения термоупругого вещества, которым заполнены полости жестко связанных между собой и сообщающихся сильфона и емкости. Так как нижний конец сильфона неподвижен из-за жесткой связи с корпусом, то его верхний подвижный конец и жестко связанный с ним шток перемещаются вверх, открывая седло клапанного узла. И наоборот, при уменьшении температуры нагнетаемой в пласт воды ниже заданной величины, происходит уменьшение объема термоупругого вещества, сжатие сильфона и вследствие этого перемещение емкости со штоком вниз. В результате обеспечивается автоматическое закрытие седла клапанного узла, чему способствует выполнение емкости подпружиненной относительно корпуса.

Таким образом, устройство позволяет осуществлять закачку термальной воды в пласт в автоматическом режиме по энергосберегающей технологии, повышает эффективность разработки месторождений высоковязкой застывающей нефти за счет поступления в пласт только нагретой до заданной величины воды.

На чертеже изображено устройство для забойного терморегулирования нагнетаемой в пласт воды, где на фиг. 1 показан общий вид устройства; на фиг. 2 - управляющий орган, в продольном разрезе.

Устройство содержит эксплуатационную колонну труб 1, насосно-компрессорные трубы 2, устьевую арматуру 3, пакер 4, размещенный в межтрубном пространстве 5, нагнетательный насос 6 с электроконтактным манометром 7 и контроллером (реле времени) 8, нагнетательный трубопровод 9 и установленный в нижней части насосно-компрессорных труб 2 над пакером 4 управляющий орган 10. Управляющий орган 10 содержит корпус в виде связанных между собой крышки 11, цилиндра 12 и трех переводников 13, 14 и 15 с входными отверстиями 16, сильфоном 17, емкость 18, клапанный узел с седлом 19, размещенный под сильфоном 17, шток 20, расположенный между сильфоном 17 и седлом 19 клапанного узла, узел зарядки 21 в верхней части емкости 18, обратный клапан 22, наконечник 23 с выходными отверстиями 24, связанный с переводником 14 корпуса. Емкость 18 подпружинена относительно крышки 11 корпуса пружиной 25 с набором шайб 26 и сильфона 17. Нижний конец сильфона 17 жестко связан с переводником 13 корпуса посредством стопорных винтов 27. Полости сильфона 17 и емкости 18 сообщаются между собой и заполнены термоупругим веществом. Шток 20 через держатель 29 жестко связан с верхним подвижным концом сильфона 17 посредством крепежных винтов 30. Держатель 29 штока 20 имеет продольные прорези 31 под стопорные винты 27. На корпусе установлены верхний и нижний комплект манжет 32, размещенные между цилиндром 12 и переводником 13 и между переводником 14 - наконечником 23.

Устройство работает следующим образом.

Перед спуском управляющего органа 10 в скважину полость емкости 18 и сильфона 17 заполняют термоупругим веществом 28, например, полисилоксановой жидкостью и на тарировочном стенде производят регулировку управляющего органа 10 на параметры по давлению и температуре, соответствующие проектируемому режиму закачки воды в пласт. При этом открытие управляющего органа 10 регулируют на ожидаемую температуру закачиваемой воды в пласт, повышение которой до установленной величины происходит за счет теплообмена с окружающими горными породами, а закрытие - при прохождении через управляющий орган 10 воды с температурой, снизившейся до установленной величины.

При тарировке (регулировке) управляющего органа 10 производят его термостатирование с использованием специального стенда, входящего в комплект поставки тарировочного стенда серийного производства.

В качестве термоупругого вещества используются, например, кремнийорганические жидкости - олигоорганосилоксаны (4).

Из группы олигоорганосилоксанов в качестве термоупругого вещества наибольший практический интерес представляют силоксаны линейного строения - олигодиметилсилоксаны марки ПМС. Это бесцветная, прозрачная жидкость, химически инертная, с удельным весом 0,82 - 0,98 г/см³, не замерзающая до минус 60 - 70^oC, не растворимая в воде, но растворимая в кремниевых углеводородах, маловязкая. Коэффициент объемного расширения увеличивается с уменьшением степени полимеризации: для ПМС-10000 - 0,8810^-3, для ПМС - 1,5-1,1910^-3 град^-1 при 20^oC и 0,1 МПа. При постоянном давлении повышение температуры приводит к увеличению коэффициента объемного расширения указанного вещества. При постоянной температуре увеличение давления снижает величину коэффициента объемного расширения указанного вещества, но в пределах, обеспечивающих работоспособность управляющего органа 10 предложенной конструкции. Так, например, для олигодиметилсилоксана марки ПМС-10 при температуре 20^oC увеличение давления до 50 МПа происходит снижение величины коэффициента объемного расширения до 0,710^-3 град^-1, т.е. примерно на 30%, что учитывается при тарировке (регулировке) управляющего органа 10 на стенде.

Для управляющего органа 10 объем емкости 18 и сильфона 17 со стандартной площадью сильфона 4,1 см³ составляет 100 мл.

При коэффициенте объемного расширения термоупругого вещества 0,710^-3 град^-1 увеличение его температуры на 30^oC приводит к увеличению объема емкости 18 и сильфона 17 со стандартной площадью сильфона 4,1 см², равного 100 мл на 2,05 мл, что обеспечивает удлинение сильфона 17 и соответствующее перемещение штока 20 относительно седла 19 на 5 мм, обеспечивая полное открытие клапанного узла.

После тарировки управляющего органа 10 его устанавливают на насосно-компрессорных трубах 2, спускают в нагнетательную скважину на проектную глубину и приступают к закачке холодной воды.

Холодную воду закачивают в продуктивный пласт 33 по межтрубному пространству 5, образованному насосно-компрессорными трубами 2 и эксплуатационной колонной труб 1, через управляющий орган 10.

В начальный период закачки холодной воды в нагнетательную скважину на глубине установки управляющего органа 10 вода приобретает температуру, близкую к температуре окружающих горных пород, в результате чего находящаяся в замкнутой плоскости емкости 18 и сильфона 17 термоупругое вещество увеличивается в объеме, что приводит к росту давления, удлинению сильфона 17 и, вследствие этого, перемещению его верхнего конца и емкости 18 с жестко связанным с ними штоком 20, преодолевая усилие пружины 26 вверх, открывая седло 19 клапанного узла и прекращая, таким образом, закачку воды в пласт 33 до тех пор, пока температура нагнетаемой воды в результате технологической выдержки не возрастает на уровне управляющего органа 10 за счет теплообмена с горными породами до необходимой величины и цикл нагнетания термальной воды в пласт 33 не возобновится.

Своевременному закрытию седла 19 клапанного узла способствует пружина 25, закрывающее усилие которой можно регулировать набором шайб 26. В результате этого, давление в межтрубном пространстве 5 и нагнетательном трубопроводе 9 повышается, что проводит к отключению нагнетательного насоса 6 с помощью электроконтактного манометра 7. По истечению определенного времени, достаточного для восстановления температуры нагнетаемой воды на глубине установки управляющего органа 10 до установленной величины, с помощью контроллера (реле времени) 3 происходит запуск нагнетательного насоса 6 и процесс закачки воды в пласт 33 возобновляется.

Таким образом, устройство позволяет осуществить закачку термальной воды через нагнетательную скважину в пласт в автоматическом режиме по энергосберегающей технологии, повысив эффективность разработки и нефтеотдачу месторождений высоковязкой застывающей нефти.

Источники информации:

1. RU 2085716 C1, 27.07.1997.

2. Бухаленко Е.И., Нефтепромысловое оборудование. Справочник, М., Недра, 1990, с. 105 - 106.

3. RU 2081300 C1, 10.06.1997.

4. Соболевский М.В. Олигоорганосилоксаны. Свойства, получение, применение, М., Химия, 1985, с. 25.