Системы защиты скважинного оборудования от механических примесей

в.н. ивановский, д.т.н., профессор; A.A. Сабиров, к.т.н.; А.в. Булат, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

системы защиты скважинного оборудования от механических примесей

Интенсификация добычи нефти, требующая значительных величин депрессии на пласт, широкое применение горизонтального бурения основных и дополнительных стволов скважин для расширения зоны притока пластового флюида в скважину, большое количество обработок призабойных зон пласта с помощью гидравлических разрывов разной интенсивности и закачки химических реагентов - вот неполный перечень причин увеличения выноса механических примесей в эксплуатационные нефтяные и газовые скважины.

При этом необходимо учитывать, что более 90% нефти в нашей стране добывается с помощью скважинных насосных установок, рабочие органы которых являются подвижными элементами, контактирующими между собой и с пластовым флюидом. Это приводит к ограничениям по количеству, твердости и гранулярному составу механических примесей,содержащихся в перекачиваемом пластовом флюиде. Так, например, для обычного исполнения скважинных штанговых насосов содержание механических примесей с твердостью не более 7 единиц по шкале Мооса не должно превышать 1,3 г/л, а для износостойкого исполнения установок электроприводных центробежных насосов (УЭЦН) механических примесей с твердостью не более 5 единиц по Моосу в откачиваемой жидкости должно быть не более 0,5 г/л. Если учитывать приведенные цифры, а также тот факт, что основная доля добычи нефти в России (около 78%) осуществляется установками ЭЦН, то нужно признать, что решение проблемы защиты скважинного насосного оборудования от механических примесей весьма актуально. Системы защиты скважинного оборудования от механических примесей можно разделить на несколько основных классов: скважинные фильтры, фильтры скважинных насосных установок, сепараторы механических примесей.

Каждая из этих систем имеет свои области применения, свои преимущества и недостатки.

Скважинные фильтры, простейшим видом которых является перфорированная часть обсадной колонны, обеспечивает минимальное поступление механических примесей из призабойной зоны пласта в скважину. В некоторых случаях применение обсадных колонн является нежелательным по технологии строитель-

ства скважины или по требованиям к условиям притока флюида из пласта. В этих случаях, а также при малой эффективности фильтрации пластового флюида зоной перфорации обсадной колонны используются скважинные фильтры.

Скважинные фильтры могут быть стационарными и извлекаемыми, могут устанавливаться в качестве хвостовика эксплуатационной колонны или на пакере в нижней части скважины.

1 - скважина,

2 - цементный камень,

3 - пакер,

4 - скважинный фильтр,

5 - продуктивный пласт,

6 - механические примеси

Рис. 1. Схемы размещения скважинных фильтров

1 - скважина,

2 - колонна НКТ,

3 - скважинная насосная установка,

4 - приемный модуль насосной установки,

5 - чистая пластовая жидкость,

6 - пакер,

7 - разделитель,

8 - пластовый флюид с механическими примесями,

9 - система отделения механических примесей

Рис. 2. Схемы применения защитных устройств со скважинными насосными установками

Схемы размещения скважинных фильтров показаны на рис. 1. Скважинные фильтры предназначены для защиты скважинного оборудования, в первую очередь - скважинных насосных установок, имеющих подвижные детали и узлы, от тех механических примесей, которые выносятся из при-забойной зоны пласта (элементы разрушенного скелета пласта, песок или проппант после ГРП, соли, продукты химических реакций, возникающих в результате химического воздействия на пласт в процессе геолого-технических мероприятий). Кроме того, скважинные фильтры защищают насосное оборудование от грязи и окалины,которые собрались в зумпфе скважины во время эксплуатации и проведения подземного ремонта скважины. Применение скважинных фильтров приводит к значительному снижению концентрации механических примесей в пластовом флюиде, поступающем на прием насосных установок, что повышает их надежность и наработку до отказа. Однако, отфильтрованные механические примеси собираются на зумпфе скважины и могут со временем перекрыть всю зону притока жидкости из пласта. К тому же механические примеси в сочетании с вязкими составляющими откачиваемого флюида откладываются на фильтрующих элементах. Все перечисленное приводит к резкомууменьшению притока пластового флюида в скважину и падению забойного давления. Для восстановления притока приходится проводить капитальные ремонты скважин, связанные с извлечением пакера и скважинного фильтра, промывкой забоя скважины. При использовании неизвлекаемого скважинного фильтра капитальный ремонт скважины сопровождается с гидравлическим разрывом пласта, во время которого большая часть механических примесей, собравшаяся у фильтрующих элементов, снова возвращается в пласт. В связи с этим можно сделать выводы о предпочтительных областях применения неизвлекаемых скважинных фильтров: присутствие в маловязком пластовом флюиде достаточно крупных частиц механических примесей, наличие которых у фильтрующих элементов не снижает возможности притока в скважину.

Область применения извлекаемых скважинных фильтров шире в связи с возможностью очистки и самих фильтров, и призабойной зоны скважины в процессе подземного ремонта скважин без проведения ГРП.

Другим вариантом защиты оборудования от воздействия механических примесей является применение специальных устройств на самих скважинных насосных установках. Такие устройства условно можно разбить на фильтры и сепараторы механических примесей, хотя часто в одном устройстве осуществляются и процесс фильтрации, и процесс сепарации.

Эти устройства могут располагаться в эксплуатационной колонне (на пакере или якоре) либо быть составной частью самой насосной установки (рис. 2). Применение защитных устройств на пакере позволяет разгрузить стандартную скважинную насосную установку от дополнительных усилий (вес самого устройства, вес механических примесей в шламоприемнике), однако требует дополнительных операций по установке и извлечению фильтров из скважины (которые выполняются бригадами капитального ремонта скважин). В настоящее время существует большое количество средств защиты скважинных насосных установок и, в первую очередь, ЭЦН от механических примесей, содержащихся в продукции скважин.

К ним относятся фильтры-насадки трубные, фильтры-входные модули, системы механической, гравитационной и магнитной очистки жидкости (СМОЖ), приводные и пассивные сепараторы механических примесей. Причем все эти средства защиты либо имеют шламоуловители (шламопри-емники)определенного объема, либо сбрасывают отсепарированные или отфильтрованные механические примеси непосредственно на забой скважины. Фильтрующие системы основаны на отделении механических примесей при прохождении флюида через отверстия, чьи линейные размеры меньше, чем размеры самих твердых включений. Рассмотрим конструкцию щелевых решеток, нашедших достаточно широкое применение в системах защиты скважинных насосных установок от механических примесей. Щелевые решетки (щелевые решетчатые экраны) конструктивно представляют собой сетчатую конструкцию из высокоточных проволочных элементов в виде проката V-образного профиля и поперечных несущих элементов в виде стержней (брусьев) соответствующего профиля. Несущие элементы и проволочные элементы У-образного профиля в точках соприкосновения соединены сваркой. Таким образом, У-образные профили создают гладкую поверхность с профильными щелями строго определен-

Рис. 3. Конструкция щелевой решетки

Рис. 4. Обратная и прямая решетки с внутренними радиально-кольцевыми щелями

Таблица. Технические характеристики решеток ФНТ-200 фирмы ЗАО «ПО СТРОНГ»

ного размера (начиная с величины 30 мкм - по данным фирм-изготовителей) с жестким допуском на этот размер, а опорные элементы образуют силовой (несущий) каркас щелевой решетки (рис. 3).

По вариантам исполнения щелевые решетки подразделяются на плоские, цилиндрические, и специальные формы. Конструктивно щелевые решетки делятся на две группы: нормальная решетка и обратная решетка. Для обеспечения необходимого характера и направления потока среды относительно V-образных профилей возможны различные варианты исполнения цилиндрических щелевых решеток (рис. 4).

Щелевой фильтры, изготовленные из V-образных проволок, могут предотвращать попадание в рабочие органы насосных секций механических примесей с поперечным сечением частиц до 0,1 мм.

К их ПРЕИМУЩЕСТВАМ МОЖНО ОТНЕСТИ СЛЕДУЮЩИЕ ОСОБЕННОСТИ:

• фильтрующие элементы не засоряются, обеспечивая высокий ресурс работы;

• низкий перепад давления при высоких расходных характеристиках;

№ П/П ТИП РЕШЕТКИ ТОЛЩИНА, ММ РАЗМЕР ОТВЕРСТИЙ РАЗЛИЧНЫХ СЕЧЕНИЙ, ММ ГАБАРИТЫ РЕшЕТКИ, ММ МАТЕРИАЛ ПРИМЕЧАНИЕ

Круглого Квадратного Прорезного

1 Штампованный 0,4+18 От 0,5 от 1,5 0,6+20 2000х6000 Углеродистые стали, нержавеющие стали, алюминиевые и медно-цинковые сплавы, титан и др. Критическое соотношение: 1:1:1

2 Фрезерованный 2+20 - - - 3200х2000 Хромисто-никелевые, хромисто-никель-молибденистые стали, легированные стали Щелевое отверстие, мм: длина - 25+72, ширина 0,15+5

3 Сверлильный До 25 0,15+15 - - 3000х2500 Критическое соотношение отсутствует, форма осевого сечения отверстий: бици-линдрические, цилиндро-конические, раззенкованные

4 Электроннолучевая прошивка 0,1+6 От 0,05 - - 1000х4000 - Щелевое отверстие, мм: 0,06+0,120. Критическое отношение: 1+20. Возможность наклона отверстий до 60°

5 Лазерная прошивка 0,2+6 От 0,05 - - 800х2000 АШ3Ш, другие нержавеющие стали или металлы (титан) Щелевое отверстие, мм: от 0,06. Критическое отношение для круглого отверстия: 1+10, для щелевого:1+6

Рис. 5. типы перфораций решеток фильтрующих элементов:

1 - штампованный; 2 - фрезерованный; 3 - сверленный; 4 - электронно-лучевая и лазерная прошивка

• возможность многократного использования.

Непрерывные отверстия сформированы так, что имеют две точки контакта с частицами у щелевого отверстия. Это-приводит к частичному раскалыванию крупных частиц об острые кромки проката треугольного профиля, что минимизирует засорение. За счет конструктивной особенности фильтра, поверхность щелевого экрана имеет способность самоочищения. Кроме щелевых решеток в фильтрующих системах могут применяться перфорированные элементы, вид перфорации которых зависит от условий эксплуатации и технологии изготовления (рис. 5).

В таблице представлена информация о видах фильтрующих элементов, используемых в фильтрах-насадках трубных ФНТ-200, выпускаемых фирмой ЗАО «ПО СТРОНГ».

Фильтр-насадки трубные и фильтры-входные имеют аналогичную конструкцию, которая состоит из несущего элемента (обычно перфорированная насосно-компрессорная труба диаметром 60-89 мм), фильтрующего элемента (одинарного или многослойного), крепежных и защитных элементов, разобщителя.

Например, фильтр-насадка трубный (ФНТ-200 производства ЗАО «ПО СТРОНГ» (рис. б), предназначенный для очистки пластовой жидкости от механических примесей крупных фракций (проппант), состоит из основных элементов: разобщителя - 1, колец стопорного - 2, крепежного - 3 и центрального - 5, - 4, перфорированной трубы - б, муфты - 7, заглушки - 8. Продукция скважины, состоящая из газожидкостной смеси с высоким содержанием в ней механических примесей, поступает на прием фильтрую-

щего элемента - 4, который укреплен крепежными кольцами - 3 по краям и центральным кольцом - 5 в средней части. При этом часть механических примесей, размер которых больше, чем размер перфорационных каналов, задерживается на внешней стороне фильтроэлемента или осаждается в зумпф скважины под действием гравитационных сил, а оставшаяся часть механических примесей с газожидкостной смесью направляется на прием ЭЦН, с предварительной фильтрацией в перфорированной НКТ 3". Таким образом, механические примеси отделяются от жидкости в основном за счет фильтрационных процессов и в меньшей степени сепарация обусловлена гравитационным принципом разделения фаз. В связи с этим, в конструкции ФНТ-200 основным элементом является фильтрующая сетка - 4, от правильности выбора которой зависит

Рис. 6. Фильтр-насадка трубная (ФНТ-200), производства ЗАО «ПО СТРОНГ»

Рис. 7. Трубные фильтры фирм «Шлюмберже»

Рис. 8. Многослойные фильтрующие элементы фирмы «Хайнен-Хайтек»

эффективность работы системы защиты скважинного оборудования от механических примесей. Варианты трубных фильтров разных компаний представлены на рис. 7. Конструкция многослойных фильтрующих элементов показана на рис. 8. Тип фильтрующего элемента зависит от степени фильтрации (тонкая, средняя, грубая) пластового флюида и может изготавливаться с различным строением перфорационных каналов (решеток): щелевые, штампованные, фрезерованные, сверленные, с использованием электронно-лучевой и лазерной прошивки. Тип решеток подбирается в зависимости от свойств перекачиваемой

среды, а также учитываются экономические критерии при выборе решеток, изготовленных по индивидуальным технологиям.

Многослойные фильтрующие элементы (в первую очередь тонкой очистки) часто выходят из строя из-за малого сечения перфорационных каналов в результате забивания отверстий. Особенно интенсивно этот процесс идет при выносе продуктов горной породы (глинистые, кварцевые, карбонатные частицы и др.) с нефтью повышенной вязкости, а также при отложении парафинов, асфальтенов и смол. В случае засорения фильтрующих элементов происходит снижение притока жидкости к

ЭЦН, что может приводить к преждевременным отказам установки. Поэтому фильтры предпочтительно применять при выносе из пласта проппанта или песка после проведения ГРП, а также в скважинах с маловязкой нефтью с минимальным содержанием парафина, смол и асфальтенов. Применение в фильтрующем элементе решеток, полученных электронно-лучевой или лазерной прошивкой, обеспечивает увеличение эффективности фильтрации, однако стоимость таких решеток намного выше, чем у конструкции со стандартными решетками. Другое устройство имеет скважинный пенометаллический многослойный фильтр производства ЗАО «Новомет-Пермь». Он предназначен для очистки жидкости от механических примесей размером частиц более 0,5 мм. Фильтр имеет достаточно большую площадь фильтрации при высокой проницаемости пенометалла (рис. 9). Фильтр снабжен многослойными фильтрующими элементами из пеноникеля с уменьшающимся размером пор от наружного к внутреннему слою для пофракционного осаждения частиц по толщине и повышения емкости конструкции по задерживаемым механическим примесям. Размер улавливаемых частиц зависит от размеров ячейки фильтроэлемента и подбирается под конкретные условия скважины (рис. 10).

Основное преимущество данного фильтрующего элемента - способность снижать вынос на прием погружного оборудования крупного проппанта (например, проппант 16/20 с размером частиц от 0,71 до 1,18 мм), однако механические частицы с размером менее 0,5 мм свободно поступают с пластовой жидкостью в ЭЦН, что может приводить к существенному снижению надежности и скважинного оборудования. В общем, по фильтрующим элементам можно сделать вывод о высокой степени очистки данным видом оборудования флюида от механических примесей, однако, в подавляющем большинстве случаев скважинные фильтры имеют недостаточные сроки эффективной работы из-за забивания фильтрующих элементов смесью механических примесей и составными частями откачиваемой нефти.

Рис. 9. Скважинный пенометаллический многослойный фильтр производства ЗАО «Новомет-Пермь»

Рис. 10. Варианты исполнения фильтрующего элемента производства ЗАО «Новомет-Пермь»

Другим вариантом системы защиты скважинного оборудования от механических примесей является сепаратор. Этот вариант системы защиты имеет значительно более широкий диапазон извлекаемых из потока пластового флюида механических примесей (по гранулометрическому составу) и меньше подвержен засорению конгломератами из механических примесей и составных частей откачиваемой нефти. Сепараторы механических примесей (часто называемые десендерами) можно разделить на сепараторы гравитационного и инерционного принципа действия, хотя часто в используемых

конструкциях работают оба эти принципа.

Главным недостатком гравитационных сепараторов является их низкий коэффициент сепарации (степень очистки жидкости от механических примесей), особенно плохо работают законы гравитационной сепарации в условиях течения неньютоновских жидкостей, в частности, вязкой нефти и газо-жидкостной смеси.

С другой стороны, гравитационные сепараторы имеют простую конструкцию и достаточно высокий коэффициент сепарации при работе с сильно обводненными пластовыми флюидами,

чем характеризуются, к сожалению, многие российские нефтяные месторождения.

Сепараторы инерционного принципа действия обладают повышенным коэффициентом сепарации и могут иметь приводную часть (от вала погружного двигателя) или обеспечивать возникновение центробежных сил за счет создания вращения потока жидкости в специальных каналах устройства. Более подробный анализ конструкции сепараторов механических примесей (десендеров) и областей их применения мы надеемся донести до наших коллег в следующей публикации.

450059, г. Уфа, ул. Р. Зорге, 35 тел./факс: (347) 223-74-15, 223-74-17 e-mail: armgarant@ufamail.ru www.armgarant.ru