система кустовой закачки воды в пласт

Формула изобретения

1. Система кустовой закачки воды в пласт, включающая кустовую насосную станцию, блок гребенки с задвижками, водоводы, задвижки, размещенные в приустьевой зоне нагнетательных скважин, расходомеры, установленные на блоке гребенки и/или в приустьевой зоне нагнетательных скважин, эксплуатация которых предусмотрена при различных рабочих давлениях с остановками кустовой насосной станции, кустовой контроллер с каналом передачи информации от расходомеров к кустовому контроллеру, выполненный с возможностью открытия и закрытия задвижек на блоке гребенки и/или задвижек, размещенных в приустьевой зоне нагнетательных скважин, отличающаяся тем, что кустовой контроллер снабжен программируемым интервальным таймером, выполненным с возможностью подачи сигналов открытия или закрытия задвижек для исключения замерзания в водоводе с наименьшей скоростью движения воды при остановке кустовой насосной станции с интервалом и продолжительностью открытия, определяемых эмпирическим путем в зависимости от наружной температуры, диаметра водоводов, их теплоизоляции и состава жидкости в них для периодической перекачки от одного до трех объемов воды в данном водоводе.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что таймер выполнен с возможностью генерации при отрицательных наружных температурах сигналов с интервалом и продолжительностью открытия задвижек, исключающих замерзание данного водовода при минимальных температурах для региона использования для данного времени года.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что таймер оснащен датчиком температуры окружающего воздуха и выполнен с возможностью генерации при отрицательных, наружных температурах сигналов с интервалом и продолжительностью открытия задвижек, исключающих замерзание данного водовода при данной температуре.

Описание изобретения к патенту

Предложение относится к нефтедобывающей промышленности и может найти применение при разработке нефтяной залежи и работе системы поддержания пластового давления при отрицательных температурах.

Известна система кустовой закачки воды в пласт (см. Учебное пособие «Эксплуатация систем поддержания пластового давления при разработке нефтяных месторождений», авт. Зейгман Ю.В., Уфа: Изд-во УГНТУ, 2007, с.179-188), включающая кустовую насосную станцию, блок гребенки с задвижками, водоводы, задвижки, размещенные в приустьевой зоне нагнетательных скважин, расходомеры, установленные на блоке гребенки и/или в приустьевой зоне нагнетательных скважин, которые эксплуатируются при различных рабочих давлениях с остановками кустовой насосной станции, кустовой контроллер с каналом передачи информации от расходомеров к кустовому контроллеру, выполненный с возможностью открытия и закрытия задвижек на блоке гребенки и/или задвижек, размещенных в приустьевой зоне нагнетательных скважин.

Наиболее близкой является система кустовой закачки воды в пласт (патент РФ № 2278248, МПК Е21В 43/20, опубл. 20.06.2006, Бюл. № 17), включающая кустовую насосную станцию, блок гребенки с задвижками, водоводы, задвижки, размещенные в приустьевой зоне нагнетательных скважин, расходомеры, установленные на блоке гребенки и/или в приустьевой зоне нагнетательных скважин, которые эксплуатируются при различных рабочих давлениях с остановками кустовой насосной станции, кустовой контроллер с каналом передачи информации от расходомеров к кустовому контроллеру, выполненный с возможностью открытия и закрытия задвижек на блоке гребенки и/или задвижек, размещенных в приустьевой зоне нагнетательных скважин.

Недостатками этих систем при эксплуатации в отрицательных наружных температурах являются то, что при отключении нагнетательных скважин (аварийные, технологические, плановые остановки) при помощи задвижек блока гребенки и задвижек, размещенных в приустьевой зоне нагнетательных скважин или остановке насоса кустовой насосной станции, происходит:

- замерзание водоводов (образование ледяной пробки) в приустьевой зоне и устья нагнетательных скважин, что приводит к разрушению наземного участка водовода в приустьевой зоне;

- образование ледяной шуги (рыхлых скоплений твердой фазы в воде), которая, уплотняясь, закупоривает водовод и при возобновлении закачки (пуске насоса кустовой насосной станции) приводит к возникновению гидравлических ударов и разрушению водовода в приустьевой зоне или в линейной (подземной) части.

Вследствие этого приходится отогревать водоводы перед пуском, либо ремонтировать их при порывах, что требует дополнительных эксплуатационных затрат. Кроме того, из-за опасности замерзания водоводов ограничивают в условиях отрицательных температур работу кустовых насосных станций, что приводит к падению пластового давления и снижению дебитов нефти на участке добычи.

Техническими задачами предлагаемого изобретения являются исключение замерзания водоводов и образования в них закупорок (в приустьевой зоне и линейной части), а также устья нагнетательных скважин при эксплуатации при отрицательных температурах на период остановки насоса кустовой насосной станции за счет замещения воды в водоводе в приустьевой зоне нагнетательной скважины и, как следствие, снижение порывности водоводов, соответственно, снижение материальных затрат на обслуживание и ремонт систем закачки воды, а также обеспечение возможности осуществлять закачку воды в пласт для поддержания пластового давления в условиях отрицательных температур.

Техническая задача решается системой кустовой закачки воды в пласт, включающая кустовую насосную станцию, блок гребенки с задвижками, водоводы, задвижки, размещенные в приустьевой зоне нагнетательных скважин, расходомеры, установленные на блоке гребенки и/или в приустьевой зоне нагнетательных скважин, эксплуатация которых предусмотрена при различных рабочих давлениях с остановками кустовой насосной станции, кустовой контроллер с каналом передачи информации от расходомеров к кустовому контроллеру, выполненный с возможностью открытия и закрытия задвижек на блоке гребенки и/или задвижек, размещенных в приустьевой зоне нагнетательных скважин.

Новым является то, что кустовой контроллер снабжен программируемым интервальным таймером, выполненным с возможностью подачи сигналов открытия или закрытия задвижек для исключения замерзания в водоводе с наименьшей скоростью движения воды при остановке кустовой насосной станции с интервалом и продолжительностью открытия, определяемыми эмпирическим путем в зависимости от наружной температуры, диаметра водоводов, их теплоизоляции и состава жидкости в них для периодической перекачки от одного до трех объемов воды в данном водоводе.

Новым является также то, что таймер выполнен с возможностью генерации при отрицательных наружных температурах сигналов с интервалом и продолжительностью открытия задвижек, исключающими замерзание данного водовода при минимальных температурах для региона использования для данного времени года.

Новым является также то, что таймер оснащен датчиком температуры окружающего воздуха и выполнен с возможностью генерации при отрицательных наружных температурах сигналов с интервалом и продолжительностью открытия задвижек, исключающими замерзание данного водовода при данной температуре.

На чертеже представлена технологическая схема системы кустовой закачки воды в пласт.

Схема содержит насос 1 кустовой насосной станции 2, выкидной водовод 3 насоса 1 кустовой насосной станции 2, блок гребенки 4 с задвижками 5, 6, 7, водоводы 8, 9, 10, задвижки 11, 12, 13, 14, размещенные в приустьевой зоне нагнетательных скважин, расходомеры 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, установленные на блоке гребенки 4 и/или в приустьевой зоне нагнетательных скважин, кустовой контроллер 22 с каналом передачи информации 23 от расходомеров 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 к кустовому контроллеру 22, программируемый интервальный таймер 24, датчик температуры 25, нагнетательные скважины 26, 27, 28, 29. Приустьевые зоны нагнетательных скважин включают участки водоводов 8, 9, 10 в наземной части от задвижек 11, 12, 13, 14 до устья включительно (фонтанная елка) нагнетательных скважин 26, 27, 28, 29.

Схема работает следующим образом. Предлагаемая система кустовой закачки воды в пласт предусматривает закачку воды насосом 1 кустовой насосной станции 2 через выкидной водовод 3 насоса 1 кустовой насосной станции 2, блок гребенки 4 с задвижками 5, 6, 7, водоводы 8, 9, 10 с задвижками 11, 12, 13, 14, размещенные в приустьевой зоне нагнетательных скважин, в нагнетательные скважины 26, 27, 28, 29 при различных рабочих давлениях. В системе предусмотрены расходомеры 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, установленные на блоке гребенки 4 и/или в приустьевой зоне всех нагнетательных скважин 26, 27, 28 и 29, кустовой контроллер 22 с каналом передачи информации 23 от расходомеров 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 к кустовому контроллеру 22, программируемый интервальный таймер 24, датчик температуры 25.

В условиях отрицательных наружных температур на период остановки (аварийные, технологические, плановые остановки) насоса 1 кустовой насосной станции 2 закрывают задвижки 5, 6, 7 на блоке гребенки 4 и/или задвижки 11, 12, 13, 14, размещенные в приустьевой зоне нагнетательных скважин 26, 27, 28, 29. Периодическое открытие и закрытие задвижек 5, 6, 7, 8, 11, 12, 13, 14 при остановленной кустовой насосной станции 2 осуществляется кустовым контроллером 22, снабженным программируемым интервальным таймером 23, подающим сигналы на открытие или закрытие задвижек 5, 6, 7, 8, 11, 12, 13, 14 с интервалом и продолжительностью открытия, определяемыми эмпирическим путем в зависимости от наружной температуры, диаметра водоводов, их теплоизоляции и состава жидкости в них (табл.1-4). По промысловым данным выявляется нагнетательная скважина с наименьшей скоростью движения воды в водоводе. При этом интервал времени за каждое открытие задвижки нагнетательной скважины с наименьшей скоростью движения воды в водоводе определяется исходя из замещения количества воды, например, от одного до трех объемов водовода.

В табл.1, 2, 3, 4 представлена информация о времени охлаждения воды различной плотности в черных и металлопластмассовых трубах (водоводах) с наружной изоляцией (в качестве которой используется, например, слой полиуретана) и без наружной изоляции в зависимости от наружной температуры для месторождений ОАО «Татнефть» (Татарстан), полученная эмпирическим путем. Начальная температура воды плюс 5°C, конечная температура воды плюс 1°C.

Таблица 1
Информация о времени охлаждения воды различной плотности в черных трубах без изоляции в зависимости от наружной температуры
Температура окружающего воздуха, °C	Труба черная без изоляции
	D=89×7 мм		D=114×9 мм
	=1000 кг/м3	=1100 кг/м3	=1000 кг/м3	=1100 кг/м3
	час:мин	час:мин	час:мин	час:мин
0	3:41	4:04	6:03	6:39
минус 5	1:10	1:17	1:55	2:07
минус 10	0:43	0:47	1:10	1:17
минус 15	0:31	0:34	0:50	0:55
минус 20	0:24	0:26	0:39	0:43
минус 25	0:20	0:22	0:32	0:35
минус 30	0:17	0:18	0:27	0:30
минус 35	0:14	0:16	0:24	0:26
минус 40	0:13	0:14	0:21	0:23
Примечание * - Время охлаждения воды с плюс 5 до плюс 1°C на 1 м водовода

Таблица 2
Информация о времени охлаждения воды в черных трубах различной плотности с изоляцией в зависимости от наружной температуры
Температура окружающего воздуха, °C	Труба черная с изоляцией
	D=89×7 мм		D=114×9 мм
	=1000 кг/м3	=1100 кг/м3	=1000 кг/м3	=1100 кг/м3
	час:мин	час:мин	час:мин	час:мин
0	15:37	17:06	25:49	28:16
минус 5	4:57	5:26	8:12	8:58
минус 10	3:01	3:18	4:59	5:27
минус 15	2:10	2:22	3:35	3:55
минус 20	1:41	1:51	2:48	3:04
минус 25	1:23	1:31	2:18	2:31
минус 30	1:11	1:17	1:57	2:08
минус 35	1:01	1:07	1:41	1:51
минус 40	0:54	0:59	1:30	1:38
Примечание * - Время охлаждения воды с плюс 5 до плюс 1°C на 1 м водовода

Таблица 3
Информация о времени охлаждения воды различной плотности в металлопластмассовых трубах (МПТ) без изоляции в зависимости от наружной температуры
Температура окружающего воздуха, °C	Труба МПТ без изоляции
	D=89×7 мм		D=114×9 мм
	=1000 кг/м3	=1100 кг/м3	=1000 кг/м3	=1100 кг/м3
	час:мин	час:мин	час:мин	час:мин
0	3:06	3:28	5:18	5:49
минус 5	1:00	1:06	1:41	1:51
минус 10	0:36	0:40	1:01	1:07
минус 15	0:26	0:29	0:44	0:48
минус 20	0:20	0:22	0:34	0:38
минус 25	0:17	0:18	0:28	0:31
минус 30	0:14	0:16	0:24	0:26
минус 35	0:12	0:14	0:21	0:23
минус 40	0:11	0:12	0:18	0:20
Примечание * - Время охлаждения воды с плюс 5 до плюс 1°C на 1 м водовода

Таблица 4
Информация о времени охлаждения воды различной плотности в металлопластмассовых трубах (МПТ) с изоляцией в зависимости от наружной температуры
Температура окружающего воздуха, °C	Труба МПТ с изоляцией
	D=89×7 мм		D=114×9 мм
	=1000 кг/м3	=1100 кг/м3	=1000 кг/м3	=1100 кг/м3
	час:мин	час:мин	час:мин	час:мин
0	12:36	13:47	22:00	24:02
минус 5	3:59	4:23	7:00	7:38
минус 10	2:26	2:39	4:14	4:38
минус 15	1:45	1:55	3:03	3:20
минус 20	1:22	1:30	2:33	2:36
минус 25	1:07	1:14	1:57	2:08
минус 30	0:57	1:02	1:39	1:49
минус 35	0:49	0:54	1:26	1:34
минус 40	0:44	0:48	1:16	1:23
Примечание * - Время охлаждения воды с плюс 5 до плюс 1°C на 1 м водовода

Интервалы времени, через которые интервальный таймер 24 формирует сигналы на открытие и закрытие задвижек 5, 6, 7, 8, 11, 12, 13, 14, определяются из условий, исключающих замерзание данного водовода при минимальных температурах для региона использования (табл.1-4) для данного времени года. Для месторождений Татарстана для зимнего месяца «январь» принята минимальная температура окружающего воздуха - минус 40°C.

При оснащении интервального таймера 24, выполненного с возможностью генерации при отрицательных наружных температурах сигналов на открытие и закрытие задвижек 5, 6, 7, 8, 11, 12, 13, 14, датчиком температуры окружающего воздуха 25 продолжительность открытия и закрытия задвижек 5, 6, 7, 8, 11, 12, 13, 14 принимается из условий, исключающих замерзание данного водовода при данной температуре (табл.1-4).

Пример конкретного выполнения.

К кустовой насосной станции в среднем подключается от 3 до 30 нагнетательных скважин. Рассмотрим пример конкретного выполнения, когда к кустовой насосной станции 2 подключены четыре нагнетательные скважины 26, 27, 28, 29. В соответствии с заданием по закачке за определенный период времени - 23 часа - в нагнетательные скважины 26, 27, 28, 29 (см. чертеж) необходимо закачать 480 м³ пресной воды ( =1000 кг/м³) насосом ГНУ 500-1500. Водоводы 8, 9, 10 выполнены из металлопластмассовых труб 114×9 без изоляции. Температура окружающего воздуха составляет минус 20°C, а минимальная для данного времени года (месяц «декабрь») температура составляет минус 30°C. Предварительно выявлена нагнетательная скважина 26 с наименьшей скоростью движения воды в водоводе 8. При этом интервал времени за каждое открытие задвижки 11 нагнетательной скважины 26 с наименьшей скоростью движения воды в водоводе 8 определяется исходя из замещения количества воды, например, от одного до трех объемов водовода 8 - для данного примера этот интервал времени составляет 6 минут. На остальных нагнетательных скважинах 27, 28, 29 с большей скоростью движения воды в водоводах 9, 10 кратность замещения воды будет больше, чем на нагнетательной скважине 26 с наименьшей скоростью движения воды в водоводе 8, что заведомо лучше с точки зрения теплообмена.

В условиях отрицательных наружных температур для месторождений ОАО «Тат-нефть» (минус 20°C), когда кустовой контроллер 22 не оснащен датчиком температуры 25, при остановке (плановая остановка) насоса 1 кустовой насосной станции 2 продолжительностью 1 час при высоких пиковых нагрузках системы энергоснабжения системы ППД (выполнение программы энергосбережения) закрывают задвижки 5, 6, 7 на блоке гребенки 4 и задвижки 11, 12, 13, 14 в приустьевой зоне нагнетательных скважин 26, 27, 28, 29. Открытие задвижек 5, 6, 7, 8, 11, 12, 13, 14 при остановленной кустовой насосной станции 2 осуществляется кустовым контроллером 22, снабженным программируемым интервальным таймером 23, подающим сигналы на открытие задвижек 5, 6, 7, 8, 11, 12, 13, 14 через 24 минуты с продолжительностью открытия 6 минут. Таким образом, интервалы времени в 24 минуты, через которые интервальный таймер 24 формирует сигналы на открытие и закрытие задвижек 5, 6, 7, 8, 11, 12, 13, 14, определяются из условий, исключающих замерзание данного водовода при минимальной температуре для данного региона и времени года не ниже минус 30°C (табл.3).

Далее процесс открытия и закрытия задвижек 5, 6, 7, 8, 11, 12, 13, 14 при остановленном насосе 1 кустовой насосной станции 2 повторяется.

В условиях отрицательных наружных температур для месторождений ОАО «Тат-нефть» (минус 20°C), когда кустовой контроллер 22 оснащен датчиком температуры 25, при остановке (плановая остановка) насоса 1 кустовой насосной станции 2 продолжительностью 1 час при высоких пиковых нагрузках системы энергоснабжения системы ППД (выполнение программы энергосбережения) закрывают задвижки 5, 6, 7 на блоке гребенки 4 и задвижки 11, 12, 13, 14 в приустьевой зоне нагнетательных скважин 26, 27, 28, 29. Открытие задвижек 5, 6, 7, 8, 11, 12, 13, 14 при остановленной кустовой насосной станции 2 осуществляется кустовым контроллером 22, снабженным программируемым интервальным таймером 23, выполненным с возможностью генерации при отрицательных наружных температурах сигналов и подающим сигналы на открытие задвижек 5, 6, 7, 8, 11, 12, 13, 14 через 34 минуты с продолжительностью открытия 6 минут, определяемой из условия наименьшей скорости движения воды в водоводе 8 нагнетательной скважины 26 и замещения количества воды, например, от одного до трех объемов водовода 8, а также исключения замерзания данного водовода 8 при данной температуре - минус 20°C (табл.3).

В табл.5 представлены сравнительные показатели известной (наиболее близкого аналога) и предлагаемой системы закачки воды в пласт.

Таблица 5
Показатель	Значения показателей при известной (наиболее близкий аналог)и предлагаемой системе
	известная	предлагаемая
Закачка воды, тыс. м3/год	175,2	175,2
Стоимость используемого оборудования и материалов, тыс. руб.:
- насосный агрегат, ГНУ 500-1500	2500,0	2500,0
- блок гребенки с задвижками	1500,0	1500,0
- система водоводов L=3500 м, D=114×9 мм	8100,0	8100,0
- задвижка в приустьевой зоне, 4 шт.	200,0	200,0
- расходомеры, 7 шт.	1750,0	1750,0
- кустовой контроллер	110,0	110,0
- интервальный таймер		50,0
- датчик температуры		30,0
Удельная частота порывов на водоводах, шт./км	0,034	0,011
Затраты на обслуживание и ремонт водоводов, тыс. руб./год	410,0	135,0

Из табл.5 видно, что предлагаемая система экономически эффективнее в сравнении с известной системой: при дополнительных затратах 80 тыс.руб. на таймер и датчик ежегодные затраты снижаются на 275 тыс.руб.

Технико-экономическая эффективность предлагаемой системы закачки воды в пласт при отрицательных температурах системы поддержания пластового давления нефтяного месторождения достигается за счет исключения замерзания водоводов и образования в них закупорок (в приустьевой зоне и линейной части), а также устья нагнетательных скважин при эксплуатации при отрицательных температурах на период остановки насоса кустовой насосной станции за счет замещения воды в водоводе в приустьевой зоне нагнетательной скважины.