ОБОРУДОВАНИЕ УСТЬЯ СКВАЖИНЫ
WELLHEAD EQUIPMENT

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности, к устьевому оборудованию скважин.
Известно устройство для отбора пробы продукции скважины (патент на полезную модель RU №110408, МПК E21B 49/08, G01N 1/10, F17D 3/10, опубл. 20.11.2011, бюл. №32), включающее манифольдную линию, пробоотборный кран, причем устройство содержит фрагмент манифольдной линии в сборе с байпасной линией, монтируемой в горизонтальной плоскости, с размещенными на ней трехходовым вентилем, пробоотборным краном и обратным клапаном, которое сообщено с пространством колонны труб устьевой арматуры, включающей разъемный корпус с каналом сообщения с пространством колонны труб, каналом сообщения с межтрубным пространством и дополнительным каналом с обратным клапаном для сообщения пространства колонны труб с межтрубным пространством, устьевой сальник и запорные устройства на выходах всех каналов.
Недостатком известного устройства при удовлетворительном качестве отобранной пробы является относительная сложность конструкции, заключающаяся в необходимости изготовления с помощью сварки на линии сбора байпасной линии и его оснащения, кроме крана для отбора пробы дополнительными трехходовым краном и обратным клапаном.
Наиболее близким по техническому решению является арматура устья скважины (патент RU №2159842, МПК E21B 33/03, E21B 49/08, E21B 47/00, опубл. 27.11.2000, бюл. №33), содержащая корпус с каналом сообщения с полостью насосно-компрессорных труб и каналом сообщения с межтрубным пространством, конусную муфту для подвески труб, тарельчатый клапан-отсекатель, устьевой сальник для уплотнения полированного штока глубинного штангового насоса, при этом в канале сообщения с полостью насосно-компрессорных труб установлены запорный вентиль и пробоотборник для отбора пробы на анализ по всему сечению потока, в канале сообщения с межтрубным пространством установлен запорный вентиль, кроме того, корпус снабжен дополнительным каналом сообщения полости насосно-компрессорных труб с межтрубным пространством и запорным вентилем с клапаном, установленными в этом канале, причем пробоотборник и запорные вентили выполнены в виде цельного легкосъемного узла и установлены внутрь корпуса при помощи трубной конической резьбы одинакового геометрического размера.
Недостатки известного устройства следующие:
- во-первых, устьевая арматура на основе известного устройства получается сложной в изготовлении, в частности для изготовления наклонных каналов в корпусе необходимо дополнительно изготовить минимум четыре приспособления; имеет большую металлоемкость, так как в корпусе остается большой объем неиспользуемого металла, и относительно низкую надежность: в корпусе арматуры сконцентрировано много конструктивных элементов и выход из строя хотя бы одного элемента, например одной из резьб, приводит к невозможности использования устьевой арматуры без капитального ремонта корпуса, что в итоге приводит к дороговизне изготовления и обслуживания устьевой арматуры;
- во-вторых, пробоотборник установлен в канале сообщения с полостью насосно-компрессорных труб, что из-за сложной неоптимальной формы и чрезмерной длины канала, оказывает воздействие на поток (меняется направление потока) и приводит к нарушению условия изокинетичности (равенства скоростей движения продукции в потоке и на входе в пробоотборник) потока и отбираемой пробы, в результате которого искажается результат отбора пробы (нестабильные результаты проб, изменение температуры потока, как следствие, дополнительное выделение растворенного в потоке газа и др.). К тому же пробоотборник, изображенный на фигурах, находится в застойной области, поэтому велика вероятность засорения механическими примесями, парафином и др.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение качества отбираемой пробы за счет отбора пробы в месте, максимально приближенном к выходу колонны труб, при давлении и скорости, максимально близких к давлению и скорости потока соответственно, с исключением сварочных работ на устье скважины, упрощение конструкции, изготовления и ремонта устьевого оборудования за счет оптимального разделения устьевой арматуры на узлы по выполняемым функциям, снижение его металлоемкости за счет максимального использования металла в деталях, а также оптимизация габаритов устьевого оборудования, что в совокупности позволит существенно снизить его стоимость и стоимость обслуживания.
Поставленная задача решается оборудованием устья скважины, включающим корпус с каналом сообщения с пространством колонны труб, каналом сообщения с межтрубным пространством и дополнительным каналом с обратным клапаном для сообщения пространства колонны труб с межтрубным пространством, клапан-отсекатель, устьевой сальник, пробоотборник, сообщенный с пространством колонны труб через отсекающее устройство, причем все выходы каналов оборудованы запорными устройствами.
Новым является то, что пробоотборник установлен снаружи корпуса и выполнен в виде полого заглушенного цилиндра с поршнем, пространство которого между поршнем и заглушенной частью сообщено с пространством колонны труб через дополнительное запорное устройство, другое пространство цилиндра сообщено с наружным пространством, причем пробоотборник снабжен регулировочным устройством, создающим противодавление, не превышающее давление в пространстве колонны труб, но исключающее дегазацию пробы, при этом канал сообщения с пространством колонны труб выполнен максимально приближенным к выходу этих труб.
Новым является также то, что регулировочное устройство выполнено в виде регулируемого клапана, через которое цилиндр пробоотборника сообщен с наружным пространством.
Новым является также то, что цилиндр пробоотборника установлен вертикально с сообщением с наружным пространством сверху, а регулировочное устройство выполнено в виде набора грузов, устанавливаемых на поршень или цилиндр.
Новым является также то, что цилиндр пробоотборника установлен вертикально с сообщением с наружным пространством сверху, а регулировочное устройство выполнено в виде набора грузов, устанавливаемых на поршень или цилиндр, и регулируемого клапана, через которое цилиндр пробоотборника сообщен с наружным пространством.
На фиг. 1 изображена схема оборудования устья скважины, скомпонованного для установки скважинного штангового насоса; на фиг. 2 - схема оборудования устья скважины, скомпонованного для установки электроцентробежного насоса; на фиг. 3 - схема оборудования устья скважины, скомпонованного для установки штангового винтового насоса.
Оборудование устья скважины, включающее корпус 1 (фиг. 1-3) с каналом 2 сообщения с пространством 3 колонны труб 4, каналом 5 (фиг. 1) сообщения с межтрубным пространством 6 и дополнительным каналом 7 с обратным клапаном 8 для сообщения пространства 3 колонны труб 4 с межтрубным пространством 6, устьевой сальник 9, пробоотборник 10, сообщенный с пространством 3 колонны труб 4 через отсекающее устройство 11, причем все выходы каналов 2, 5 и 7 оборудованы запорными устройствами 12, 13 и 14 соответственно.
Устьевой сальник 9 служит для уплотнения элемента установки, расположенного в оборудовании устья, например, полированного штока 15 (фиг. 1, 3) глубинного штангового насоса (на фигурах не показан) и штангового винтового насоса (на фигурах не показан) или кабеля 15′ (фиг. 2) питания электроцентробежного насоса (на фигурах не показан).
Пробоотборник 10 (фиг. 1-3) установлен снаружи корпуса 1 и выполнен в виде полого заглушенного цилиндра 16 с поршнем 17, пространство 18 которого между поршнем 17 и заглушенной частью 19 сообщено с пространством 3 колонны труб 4 через дополнительное запорное устройство 20, другое пространство 21 цилиндра 16 сообщено с наружным пространством, причем пробоотборник 10 снабжен регулировочным устройством 22, создающим противодавление, не превышающее давление в пространстве 3 колонны труб 4, но исключающее дегазацию пробы, при этом канал 23 сообщения с пространством 3 колонны труб 4 выполнен максимально приближенным к выходу этих труб 4 и наименьшей длины, исключающей скапливание механических примесей, воды и паров. Пространство 21 может быть заполнено несжимаемой жидкостью (водным раствором хлористого натрия, нефтью, водой или др.), воздухом или др.
Расположение канала 23 зависит от конструктивного исполнения корпуса 1 и оборудования устья скважины. Наиболее предпочтительным вариантом является расположение канала 23, как на фиг. 1-3. Также канал 23 может быть сообщен с каналом 2 при его максимально близком расположении к выходу колонны труб 4, например, применив в качестве запорного устройства 12 трехходовой кран с присоединением непосредственно к корпусу 1, например, через фланцевое соединение, что позволит обойтись без отдельного отсекающего устройства 11.
Пробоотборник 10 изготовлен из материалов, стойких к влиянию продукции скважины и наружного пространства, например, из коррозионно-стойкой стали, композитных материалов или др., и разработан на такое же рабочее давление, как и устьевая арматура, для широко применяемых устьевых арматур установок для добычи нефти рабочее давление составляет 14 МПа. Объем пространства 18 под поршнем 17 цилиндра 16 пробоотборника 10 рассчитывается исходя из объема пробы, необходимой и достаточной для анализа продукции скважины, а объем пространства 21 над поршнем 17 исходя из конструкции регулировочного устройства 22 и должен быть не менее объема пространства 18 при крайнем положении поршня 17, приближенном к заглушенной части 19 цилиндра 16.
Регулировочное устройство 22 может быть выполнено в виде регулируемого клапана 22′ с бесступенчатой регулировкой величины открытия или усилия поджатая пружиной, а также в виде сменных штуцеров со ступенчатой регулировкой, или другого аналогичного устройства, через которое цилиндр 16 сообщен с наружным пространством.
При размещении цилиндра 16 пробоотборника 10 близко к вертикальному положению с сообщением с наружным пространством сверху, регулировочное устройство 22 также может быть выполнено в виде набора грузов 22″, устанавливаемых на поршень 17. В качестве груза 22″ могут быть использованы емкость с жидкостью, металлические утяжелители или др.
Также регулировочное устройство 22 может быть выполнено в виде набора грузов 22″, устанавливаемых на поршень 17, и регулируемого клапана 22′, через который цилиндр 16 сообщен с наружным пространством, если цилиндр 16 пробоотборника 10 установлен вертикально с сообщением с наружным пространством сверху.
В зависимости от расположения места проведения анализа продукции скважины пробоотборник 10 может быть переносным или стационарным. В качестве переносного предполагается использование варианта пробоотборника 10 с регулировочным устройством 22 в виде регулировочного клапана 22′ как наиболее мобильного варианта. Стационарными предполагается использовать пробоотборники 10 с регулировочным устройством 22 в виде набора грузов 22″ при давлениях насыщения менее 100 кПа или регулировочного клапана 22′ и набора грузов 22″ при давлениях насыщения более 100 кПа.
Для определения только обводненности продукции или наличия механических примесей, или других свойств продукции при давлении насыщения менее 40 кПа возможен отбор в атмосферный (открытый) сосуд (на фигурах не показан). Для этого сосуд подводится под отсекающее устройство 11, после открытия которого заполняется необходимым объемом пробы. Сосуд герметично закрывается крышкой или пробкой (на фигурах не показаны).
Пробоотборник 10 может быть автоматическим или ручным в зависимости от привода отсечного устройства 11, например электрического, электромагнитного, пневматического или другого привода. Такой пробоотборник 10 в стационарном исполнении может отбирать пробу автоматически в точно назначенное время или через определенные промежутки времени или по другим критериям.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
На устье скважины 24 (фиг. 1) монтируют корпус 1 (фиг. 1-3). Корпус 1 может быть изготовлен как цельной, так и разъемной конструкции. В случае разъемной конструкции, представленной на фиг. 1, 2 и 3, составные части корпуса 1 герметично соединяются, например, через фланцевое соединение с уплотнительной прокладкой 25 (фиг. 1) и шпилечными соединениями 26. Спущенная в скважину 24 колонна труб 4 со скважинным оборудованием (на фигурах не показано) подвешивается, например, с помощью резьбового соединения, в верхней части разъемного корпуса 1.
При эксплуатации скважины глубинным скважинным насосом (на фигурах не показан), спущенным на колонне труб 4 и (или) колонне штанг (на фигурах не показана), полированный шток 15 (фиг. 1) которой уплотняется устьевым сальником 9. Аналогично уплотняется полированный шток 15 (фиг. 3) штангового винтового насоса (на фигурах не показан). На оборудовании устья (фиг. 2), скомпонованном для установки электроцентробежного насоса или винтового насоса с погружным электроприводом, или диафрагменного насоса с погружным приводом (на фигурах не показаны), спущенный одновременно с колонной труб 4 кабель 15′ питания насоса также уплотняется в сальнике 9.
К каналу 2 (фиг. 1-3) корпуса 1 присоединяется трубопровод линии системы сбора скважинной продукции (на фигурах не показан).
Запорные устройства 12 и 14 предназначены для отсечения каналов 2 и 7 соответственно от линии системы сбора при проведении технологических операций (снятие манифольдной линии, сброс давления в арматуре и др.). Запорное устройство 13 предназначено для исследования скважины (определение динамического уровня в скважине эхолотом и др.).
Обратный клапан 8 на дополнительном канале 7 предназначен для пропуска скопившихся газов из межтрубного пространства 6 скважины 24 через дополнительный канал 7 в линию системы сбора и предотвращения пропуска добытой скважинной продукции обратно в скважину.
На оборудовании устья скважины, скомпонованном для установки электроцентробежного насоса (на фигурах не показан), на корпус 1 (фиг. 2) дополнительно установлено запорное устройство 27 для спуска глубинных приборов (глубинного расходомера, термометра и др.) в пространство 3 колонны труб 4.
На оборудовании устья скважины, скомпонованном для установки штангового винтового насоса (на фигурах не показан), на корпус 1 (фиг. 3) выше устьевого сальника 9 дополнительно установлен привод 28 штангового винтового насоса для вращения колонны штанг (на фигурах не показан) через полированный шток 15.
Для отбора пробы продукции скважины пробоотборник 10 (фиг. 1), в случае переносной конструкции, с закрытым запорным устройством 20 присоединяется непосредственно к отсекающему устройству 11 или через гибкий трубопровод 29 минимально возможной для удобства работы длины к отсекающему устройству 11 с минимальным числом изгибов, не более 1, без образования расширений, карманов и других мест, где могут скапливаться механические примеси, вода и пары.
При выполнении регулировочного устройства 22 в виде регулируемого клапана 22′, через которое цилиндр 16 сообщен с наружным пространством, далее необходимо закрыть регулируемый клапан 22′, открыть отсекающее устройство 11, потом запорное устройство 20. Ориентируясь на показания манометра на трубопроводе линии системы сбора продукции скважины, открыть регулируемый клапан 22′ до начала выхода воздуха из пространства 21 цилиндра 16, при этом под давлением продукции скважины, незначительно превышающим давление в пространстве 21, поршень 17 движется в сторону от канала 23 сообщения с пространством 3 колонны труб 4. Чем меньше открыт регулируемый клапан 22′, тем меньше перепад давления между пространством 18 и пространством 21 цилиндра 16 и меньше будет выделяться газ из продукции скважины в пробоотборнике 10. Когда выход воздуха из пространства 21 цилиндра 16 прекратится, закрыть последовательно запорное устройство 20, отсекающее устройство 11 и регулируемый клапан 22′. В случае переноса отобранной пробы до места исследования пробоотборник 10 отсоединяется от отсекающего устройства 11 или от гибкого трубопровода 29.
Пробоотборник 10 можно дооборудовать манометром 30 с сообщением с пространством 18 цилиндра 16. Тогда, отобрав серию проб при разных величинах открытия регулируемого клапана 22′ и фиксируя при этом значения давления по манометру 30, можно определять давление насыщения продукции газами.
При выполнении регулировочного устройства 22 в виде набора грузов 22″, устанавливаемых на поршень 17 (при неподвижном цилиндре 16) или цилиндр 16 (при неподвижном поршне 17), необходимо заранее до присоединения к отсекающему устройству 11 корпуса 1, исходя из величины давления насыщения, предварительно определенного, как описано выше, на поршень 17 или цилиндр 16 положить набор грузов 22″ весом, равным произведению давления насыщения на площадь поперечного сечения цилиндра 16 по внутреннему диаметру без учета веса поршня 17 или цилиндра 16. Например, при применении конструкции стационарного пробоотборника 6 с неподвижным поршнем 17 и подвижным цилиндром 16, давлении насыщения продукции газами 40 кПа, площади поперечного сечения цилиндра 0,0079 м и весе цилиндра 100 Η на цилиндр необходимо положить набор грузов весом 216 Н. Далее при закрытом запорном устройстве 20 пробоотборник 10 присоединяется непосредственно к отсекающему устройству 11 или через гибкий трубопровод 29 к отсекающему устройству 11. Цилиндр 16 располагается как можно ближе к вертикальному положению для создания регулирующим устройством 22 в виде грузов 22″ необходимого противодавления. При открытии последовательно отсекающего устройства 11, запорного устройства 20 продукция из скважины попадает в пространство 18 цилиндра 16 пробоотборника 10 и поднимает поршень 17 до крайнего верхнего положения, при этом среда, находящаяся в пространстве 21 над поршнем 17, вытесняется в наружное пространство. Описанный пробоотборник 10 с регулировочным устройством 22 в виде набора грузов 22" авторы считают целесообразным применять при небольших давлениях насыщения по причине увеличения веса набора грузов прямо пропорционально увеличению давления.
В случае выполнения регулировочного устройства 22 в виде набора грузов 22″, устанавливаемых на поршень 17, и регулируемого клапана 22′, через который цилиндр 16 сообщен с наружным пространством, необходимо предварительно отрегулировать регулировочное устройство 22 в виде набора грузов 22″. Например, при применении конструкции стационарного пробоотборника 10 для аналогичных условий, описанных в предыдущем абзаце, с неподвижным поршнем 17 и подвижным цилиндром 16 на цилиндр 16 положить набор грузов весом, например, 100 Н, а оставшееся противодавление создать с помощью регулировочного клапана 22′. Произвести отбор пробы аналогично описанному выше отбору пробы пробоотборником 10 с регулировочным устройством 22 в виде регулируемого клапана 22′. Такой пробоотборник 10 позволяет отбирать пробу при давлении пробы, наиболее близком к давлению продукции, что актуально при отборе пробы легкоиспаряющейся нефти или нефтепродуктов с давлением насыщенных паров более 40 кПа.
Предложенное техническое решение позволяет производить отбор пробы с составом, максимально приближенным к составу продукции на устье скважины. Расположение точки отбора пробы, максимально приближенное к выходу колонны труб в арматуре, гарантирует гомогенность потока в зоне отбора (поток не разделен на слои, что происходит при отборе пробы на манифольдной линии системы сбора продукции), поэтому нет необходимости в применении дополнительных устройств, усложняющих конструкцию устьевой арматуры и создающих дополнительное сопротивление потоку продукции, для смешивания слоев потока продукции. За счет использования канала 23 наименьшей длины с минимальным числом изгибов, без расширений, карманов и других несовершенств сводится к минимуму потеря энергии отбираемой пробы и основного потока - сохраняется изокинетичность потока и отбираемой пробы. Причем дополнительно исключаются места, где могут скапливаться механические примеси, парафин, отслаиваться вода, выделяться пары, газы, и другие условия, препятствующие получению качественной пробы.
Устьевая арматура с завода будет комплектоваться пробоотборником, поэтому исключается необходимость сварочных работ на устье скважины для приварки отвода с пробоотборником, требующих принятия мер противопожарной безопасности (нейтрализация взрывоопасных газов, получение разрешения на сварочные работы и др.).
Предложенное решение отличается простотой реализации и возможно изготовить без специфичного оборудования. Устьевую арматуру необходимо доработать, сделав резьбовое отверстие и оборудовав пробозаборным краном на рабочее давление арматуры. Причем возможно создание устьевых арматур как с горизонтальным расположением основных и вспомогательных выходов, как у прототипа с целью уменьшения общей высоты, так и функциональным разделением основного 2 (фиг. 1-3) и вспомогательных 5, 7 выходов, как на представленных фигурах.
За счет расположения отсекающего устройства 11 максимально приближенным к выходу колонны труб 4, при котором канал 23 постоянно промывается однородным потоком продукции, исключается вероятность засорения механическими примесями, которые существенно сокращают безотказный срок службы отсекающего устройства 11, поэтому его срок службы будет не меньше срока службы устьевой арматуры и поэтому не потребуется останавливать технологический процесс добычи скважинной продукции для обслуживания и ремонта отсекающего устройства 11 и гарантирует исключение утечек из-за его неисправности. По причине отбора пробы при давлении, близком к давлению потока продукции, и слива пробы из пробоотборника 10 под весом поршня 17 вероятность отложения на внутренних стенках цилиндра 16 пробоотборника 10 парафина, механических примесей и других веществ, препятствующих качественному анализу пробы, исключается, поэтому нет необходимости в разборке пробоотборника 10 для очистки. Все остальные узлы пробоотборника 10 находятся снаружи и при необходимости могут быть в любое время отремонтированы без остановки процесса добычи. Все перечисленное в итоге приводит к снижению стоимости обслуживания и ремонта оборудования устья скважины при гарантии выполнения своих функций.
Благодаря использованию предлагаемого устройства повышается качество отбираемой пробы и исключается необходимость приварки отвода с пробоотборником на манифольдной линии, при этом упрощаются конструкция, изготовление и ремонт устьевого оборудования за счет оптимального разделения устьевой арматуры на узлы по выполняемым функциям при удовлетворительных габаритах, снижается его металлоемкость за счет максимального использования металла в деталях, а также стоимость получаемого на основе предлагаемого решения устьевого оборудования и стоимость его обслуживания.