способ нефтедобычи и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ нефтедобычи, заключающийся в том, что берут обсадную трубу, состоящую из многих герметично состыкованных труб, на донышке нижней трубы перед перфорированным фильтром устанавливают тарельчатый клапан, открывающийся внутрь трубы под действием перепада давления между нефтяным пластом и разрежением в обсадной трубе, на донышке верхней трубы с помощью штуцеров устанавливают вакуумные и компрессорные трубопроводы и трубопровод подъема нефти, опускающийся до донышка нижней трубы, затем вакуумным насосом создают в обсадной трубе разрежение, способствующее повышению дебита скважины, и через тарельчатый клапан вводят в обсадную трубу порцию нефти, после чего компрессором создают в обсадной трубе повышенное давление и выдавливают нефть наверх по трубопроводу подъема нефти.

2. Устройство для нефтедобычи, состоящее из обсадной трубы типовых размеров, использующихся для штанговых насосов-качалок, на головке которой расположены: вакуумная труба, связанная вентилем с вакуумным насосом и газовой горелкой, компрессионная труба, связанная вентилем с компрессором, и труба нефтеподъема, опущенная до нижнего донышка обсадной трубы, а верхний ее конец через обратный клапан связан со станцией подготовки и перекачки нефти; на нижнем донышке обсадной трубы установлены тарельчатый клапан, имеющий возможность открываться при разрежении в обсадной трубе, и перфорированный фильтр.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтеперерабатывающей отрасли и, в частности, к проблеме нефтеподъема из глубоких скважин.

Сегодня в мировой практике в зависимости от местных условий используются следующие способы и средства нефтеподъема из глубоких скважин:

- штанговые насосы-качалки;

- погружные центробежные насосы;

- погружные электродиафрагменные насосы;

В стадии разработки находятся:

- газлифтные насосы для подъема высокопарафинистой нефти;

- пульсационные пневмонасосные агрегаты с золотниковым распределением сжатого воздуха для призабойной промывки скважин (Авторское свидетельство СССР №987173, МКЛ E 04 В 47/00; опубл. 07.01.83., Бюл. №1, стр. 6, автор Г.И.Неудачин и др.).

В связи со стремительным ростом нефтедобычи некоторые действующие скважины находятся в падающем режиме с пониженным дебитом, а новые высокодебитные скважины бурятся на глубину 1000 и более метров, когда необходимо использовать напор при подъеме нефти, превышающий 100 атмосфер.

В этом смысле штанговые насосы-качалки являются самыми предпочтительными, так как пара “плунжер - цилиндр” может обеспечить весьма высокие напоры. Но и у них есть существенные недостатки:

- небольшая производительность;

- большая масса и габариты;

- ограниченный ресурс работы из-за износа и обрыва штанги (наработка на отказ: импортные - 1000 суток, российские - 300-400 суток);

- слабая устойчивость основания в болотистой местности;

- большая энергоемкость;

- невозможность использования в наклонных скважинах;

- эксплуатационные трудности при откачке высоковязкой и загазованной нефти, а также при проведении ремонтных работ в плохих погодных условиях;

- необходимость использования нефтеловушек из-за пролива нефти через сальник штока;

- сложность изготовления пары “плунжер - цилиндр” и высокая стоимость всей установки.

В связи с этим во всем мире ведутся усиленные работы по поиску нового привода, заменяющего насос-качалку, а за разработку такого “ноу-хау” в ОПЕКе объявлена цена 2 млн. $.

Задачей изобретения является избавление от всех указанных выше недостатков и обеспечение более высокой производительности глубинных насосов. В этом заключается технический результат изобретения.

Задача решается путем совмещения двух разных и известных процессов нефтедобычи.

Первый - это вакуум-процесс, состоящий в создании в скважине разрежения путем отсасывания газа из кольцевого пространства между колоннами обсадных и насосных труб при помощи вакуум-насосов или компрессоров (Технический словарь для работников тяжелой промышленности. Ред. Л.К.Мартине. М.: ГОНТИ НКТП СССР, 1939, стр. 175).

Вакуумирование вызывает депрессию пласта, что усиливает в 2-2,5 раза приток нефти к забою. В СССР вакуум-процесс применялся в 1937-39гг. на Майкопских промыслах.

Второй - это пневмопульсационный процесс для призабойной промывки скважины сжатым воздухом (см. выше), который в принципе можно использовать для нефтеподъема. Сложность управления этим процессом и быстрый износ золотника пока препятствуют внедрению этого процесса,

Совместное использование таких усовершенствованных процессов позволяет с помощью вакуума автоматически наполнить подземную емкость нефтью и с помощью сжатого воздуха поднять ее к оголовку скважины.

Прототип такого решения не найден, поэтому изобретение можно считать пионерским.

Сущность изобретения заключается в том, что берут обсадную трубу, состоящую из многих герметично состыкованных труб. На донышке нижней трубы перед перфорированным фильтром устанавливают тарельчатый клапан, открывающийся внутрь трубы под действием перепада давления между нефтяным пластом и разрежением в обсадной трубе. На донышке верхней трубы с помощью штуцеров устанавливают вакуумные и компрессионные трубопроводы и трубопровод подъема нефти, опускающийся до донышка нижней трубы.

Вначале вакуумным насосом создают в обсадной трубе разрежение, способствующее повышению дебита скважины, и через тарельчатый клапан вводят в обсадную трубу порцию нефти, а затем компрессором создают в обсадной трубе повышенное давление и выдавливают нефть наверх по трубопроводу подъема нефти.

Схема устройства показана на прилагаемом чертеже. Оно состоит из обсадной трубы 1 типовых размеров, использующихся для штанговых насосов-качалок, на оголовке которой расположены трубы: вакуумная труба 2, связанная вентилем 3 с вакуумным насосом 4 и газовой горелкой 5; компрессорная труба 6, связанная вентилем 7 с компрессором 8, и труба нефтеподъема 9, опускающаяся до нижнего донышка обсадной трубы, а верхний ее конец связан со станцией подготовки и перекачки нефти.

На нижнем донышке обсадной трубы 1 установлены тарельчатый клапан 10 и перфорированный фильтр 11.

Устройство работает следующим образом. Включают вакуум-насос 4 и создают разрежение в обсадной трубе 1. При этом клапан 10 открывается и пропускает определенное количество нефти из пласта внутрь обсадной трубы, а пары нефти и попутный газ направляют в горелку попутного газа.

После прекращения подсоса нефти по заданной программе включают компрессор 8, при помощи которого сжатый воздух высокого давления направляют в обсадную трубу, закрывают этим давлением тарельчатый клапан 10 и вытесняют по трубе 9 сырую нефть наверх к станции подготовки и перекачки нефти, где также осуществляют сброс давления сжатого воздуха до атмосферного, после чего цикл повторяется.

Пример (расчетный)

Производят сравнение по производительности штангового насоса-качалки типа НН2Б с условным диаметром 32 мм (плунжер), номинальным диаметром 114 мм (обсадная труба) и максимальным ходом плунжера - 6 метров с предлагаемым пневмовакуумным насосом.

Производительность указанного штангового насоса равна 28,8 м³/сутки.

Из штангового насоса типа НН2Б используют только обсадную трубу с доработками конструкции верхнего и нижнего донышка. Внутренняя поверхность трубы не требует никакой обработки. Вакуумным насосом или компрессором создают в трубе разрежение порядка 100 мм рт.ст. - это легко получаемое разрежение.

Таким образом, обеспечиваем перепад давления между динамическим уровнем пласта и объемом обсадной трубы, равным не менее р=0,9 кг/см².

После открытия тарельчатого клапана максимальная высота подъема нефти в обсадной трубе составит 12,5 метров.

Объем нефти будет равен:

где D - внутренний диаметр обсадной трубы - 11,4 см.

Н - высота подъема - 1250 см.

Получим:

V_н =0,785· 11,4²· 1250=127 литров=0,127 м³

Оценим время наполнения обсадной трубы этим объемом нефти.

Скорость истечения через тарельчатый клапан будет равна:

где - коэффициент гидравлического сопротивления - 0,78.

Эта формула пригодна для расчета течения невязких жидкостей. Мы имеем дело с нафтеновой нефтью с характерной динамической вязкостью 1-1,5 МПа· сек при удельной массе 0,8 г/см³, текучесть которой при нормальной температуре примерно в 20 раз меньше текучести такой “невязкой” жидкости, как вода.

А если учесть, что наполнение обсадной трубы происходит на глубине 1000-1200 метров, где температура нефтяного пласта равна 50-60° С, это соотношение будет в два раза меньшим, т.е. текучесть нефти будет на порядок меньше текучести воды, и тогда скорость истечения нефти через тарелочный клапан не будет превосходить 1,7 м/сек.

Тогда время наполнения обсадной трубы через тарельчатый клапан диаметром 80 мм будет равно:

где F_TK - проходное сечение тарельчатого клапана - 51 см²,

Теперь оценим время опорожнения обсадной трубы (время подъема на поверхность с глубины 1200 метров).

Необходимый напор для подъема нефти с глубины 1200 метров будет равен около 100 атмосфер. Его легко создать с помощью компрессора 6ВМ10-50/320 ОАО “Пензкомпрессормаш”, обеспечивающего конечное давление до 321 атм и производительность 50 м³/мин.

Тогда

где =1,2 (труба подъема d=30 мм и длиной 1,2 км);

Р=100 кг/см².

Подставляя, получим:

Учитывая, что вязкость жидкости по Стоксу обратно пропорциональна скорости истечения и, принимая вместо коэффициента 20 коэффициент 15 (при подъеме нефти температура будет понижаться, а вязкость повышаться), получим:

Время опорожнения трубы при подъеме нефти

где F_ТП - проходное сечение трубы подъема (d=30 мм) - 7,2 см².

Подставляя, получим:

Полное время цикла

= ₁+ ₂=14.6+12.5=27.1 сек

За это время осуществляется наполнение и опорожнение 0,127 м³ нефти, таким образом, производительность предлагаемого процесса будет равна:

Производительность штангового насоса-качалки типа НН2Б при таких же условиях и таком же диаметре обсадной трубы равна 28,8 м³/сутки.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство нефтедобычи позволяют почти в 14 раз увеличить производительность по сравнению со штанговым насосом-качалкой с таким же номинальным диаметром обсадной трубы. При этом полностью устраняются все недостатки, свойственные насосу-качалке.

В случае засорения и заедания тарельчатого клапана 10 обратную продувку клапанного пространства осуществляют сжатым воздухом через трубу 9, подсоединив ее предварительно к компрессору.