СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЗАМЕРЗАНИЯ УСТЬЯ НАГНЕТАТЕЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ
PROCEDURE FOR PREVENTION OF WELLHEAD FREEZING IN PRESSURE WELL

Предложение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к способам предотвращения замерзания устья нагнетательной скважины при вынужденных остановках закачки жидкости, например в случае аварийного прекращения закачки жидкости или при циклических закачках ее в пласт.
Известен способ предотвращения замерзания устья нагнетательной скважины и устройство для его осуществления (патент РФ №2092676, Е21В 36/00, Бюл. №22 от 10.08.2003), включающий подачу теплоносителя от заглубленного в грунт конвективного теплообменника к устью нагнетательной скважины, при этом предварительно осуществляют накопление тепла в грунте путем подачи из подземной части водовода части закачиваемой в нагнетательную скважину воды в качестве теплоносителя в конвективный теплообменник с последующей ее циркуляцией, а конвективный теплообменник выполнен в виде соединенных между собой в U-образную конструкцию струенаправляющих элементов, причем один из струенаправляющих элементов соединен с подземной частью водовода, при этом конвективный теплообменник снабжен пластинами.
Недостатки способа заключаются в следующем:
- для его осуществления необходимо использовать сложные и металлоемкие устройства, расположенные на глубине 3-4 м в грунте;
- при температуре плюс 4°С конвекционный перенос тепла прекращается, и устье скважины при прекращении закачки жидкости замерзает в течение 3-5 суток.
Наиболее близким по сущности является способ предотвращения замерзания устья нагнетательной скважины (патент РФ №2209933, Е21В 36/00, Бюл. №22 от 10.08.2003), оборудованной колонной насосно-компрессорных труб (НКТ), включающий сообщение водовода с межтрубным пространством скважины через клапан коленообразного трубопровода, работающий на закрытие со стороны нагнетания жидкости в скважину, при этом сообщение водовода с межтрубным пространством скважины осуществляют в подземной его части ниже уровня сезонного замерзания грунта, а полость НКТ в скважинах с высоким пластовым давлением дополнительно сообщают с затрубным пространством через клапан аналогичного действия, что и клапан коленообразного трубопровода, устанавливаемый на наружной поверхности НКТ также ниже уровня сезонного замерзания грунта.
Недостатки способа заключаются в следующем:
- для его осуществления необходимо использовать устройство, рабочие узлы которого располагаются под грунтом, что затрудняет контроль их целостности и герметичности их соединения с водоводом и обсадной колонной;
- нарушается целостность обсадной колоны;
- слив жидкости в затрубное пространство приводит к коррозии обсадной колонны и ограничивает объемы применения способа из-за применения пакеров для разобщения затрубного пространства пакерами.
Технической задачей предложения является создание способа, обеспечивающего
- максимальную простоту конструкции устройств, необходимых для его осуществления;
- возможность при длительных остановках работы скважины надежно предотвратить замерзание устья скважины;
- снижение материальных и трудовых затрат при его осуществлении.
Техническая задача решается описываемым способом предотвращения замерзания устья нагнетательной скважины, оборудованной колонной насосно-компрессорных труб (НКТ), включающим сообщение НКТ для нагнетания жидкости с наземной частью водовода через запорную арматуру и слив жидкости из водовода в скважину при остановке закачки.
Новым является то, что закачку жидкости осуществляют через запорную арматуру, выполненную в виде подпружиненного клапана, давлением, превышающим усилие открытия подпружиненного клапана, по наземной части водовода, оборудованной у подпружиненного клапана со стороны скважины трубопроводом, а с другой стороны от клапана в верхней точке - поплавковым клапаном, при этом слив жидкости осуществляют в НКТ из подземной части водовода ниже уровня сезонного промерзания грунта через трубопровод по наземной части водовода после открытия поплавкового клапана при превышении перепадом давления между водоводом и внешней средой, создаваемым уходящей жидкостью в пласт при остановке скважины, давления, которое удерживает поплавковый клапан.
На фиг.1 изображена схема устья нагнетательной скважины.
На фиг.2 изображена принципиальная схема поплавкового клапана, выполненного в виде шара.
Устье нагнетательной скважины 1 (см. фиг.1), оборудованное колонной насосно-компрессорных труб 2, содержит наземную часть водовода 3, сообщаемую с НКТ через запорную арматуру, выполненную в виде подпружиненного клапана 4, работающего на открытие со стороны движения жидкости в водоводе и разделяющего водовод на две камеры (камера 5 образована наземной частью водовода 3 и полостью НКТ, камера 6 - наземной 3 и подземной 7 частями водовода).
Способ осуществляют в следующей последовательности.
Перед нагнетанием жидкости в скважину 1 (см. фиг.1) камеры 5 и 6 у подпружиненного клапана 4 сообщают трубопроводом 8, входная часть 9 которого располагается ниже уровня сезонного промерзания грунта. При этом камеру 6 в ее верхней точке сообщают с внешней средой поплавковым клапаном 10, работающим на закрытие со стороны подъема уровня жидкости в камере 6.
В качестве поплавкового клапана 10 служит рабочий элемент 11 (см. фиг.2), выполненный, например, в виде шара и изготовленный из материала, плотность которого меньше плотности нагнетаемой жидкости, и перекрываемое им отверстие 12 в корпусе 13.
Таким образом, при движении жидкости под давлением по подземной части водовода 7 (см. фиг.1) происходит заполнение камеры 6 и вытеснение из нее воздуха через поплавковый клапан 10. При достижении уровнем жидкости клапана 10 рабочий элемент 11 (см. фиг.2) из-за меньшей, чем у жидкости, плотности, всплывает и перекрывает отверстие 12 в корпусе 13. Под действием образовавшегося перепада давлений между камерами 6 и 5 (см. фиг.1) клапан 4 открывается и жидкость через камеру 5 по НКТ нагнетается в пласт (на чертежах не показан) - скважина работает в обычном режиме.
ж
пл
ж
пл
пл
В случае аварийной остановки работы скважины или при циклической закачке жидкости подпружиненный клапан 4 закрывается. При этом столб жидкости, оставшийся в НКТ 2, создает репрессию на пласт ΔP=ρgH-P (где ρ - плотность жидкости, закачиваемой в пласт, Н - глубина скважины, Р - пластовое давление), которая приводит к частичному оттоку жидкости из НКТ в пласт и снижению давления в сообщающихся камерах 5 и 6 на величину Δр. При снижении давления Δр на величину, превышающую перепад давлений, удерживаемый поплавковым клапаном 10, происходит его открытие. При этом воздух поступает в камеру 6, а жидкость из нее (за счет перепада давлений Δр) через трубопровод 8 перетекает в камеру 5. При достижении уровнем жидкости в камере 6 входной части 9 трубопровода 8 начнется переток воздуха из камеры 6 в камеру 5, сопровождающийся снижением уровня жидкости в колонне НКТ 2. Процесс продолжается до выравнивания давления столба жидкости в НКТ с пластовым давлением Р.
к
ж
к
Пример конкретного выполнения для открытия поплавкового клапана при остановке скважины, состоящего из шара 11 (см. фиг.2), изготовленного из материала плотностью ρ, которая меньше, чем плотность закачиваемой в пласт жидкости ρ, радиусом R, объемом V и перекрываемого им отверстия 12 диаметром d и площадью поперечного сечения s в корпусе 13. Условием работоспособности поплавкового клапана является подбор материала (плотности) шара клапана ρ и параметров клапана, а именно соотношения радиуса шара R и диаметра отверстия d, при которых перепад давлений ΔР, создаваемый пластом, выше, чем перепад давлений Δр, удерживаемый клапаном.
Для определения параметров клапана рассмотрим уравнение баланса сил, действующих на шар (см. фиг.2):
A
mg+ΔPs>F, [1]
где mg - сила тяжести;
где m - масса шара:
к
m=ρV,
где V - объем шара:
3
V=4πR/3,
2
ΔPs - усилие, создаваемое перепадом давлений ΔР на поверхность шара площадью s=πd/4 при снижении уровня жидкости на ΔН:
ж
ΔР - ρgΔН,
А
F - выталкивающая (Архимедова) сила, действующая со стороны жидкости:
А
ж
F=ρgV.
Преобразуем формулу (1)
A
ΔPs>F-mg,
ж
ж
ж
ρgΔHs>ρgV-pVg.
Решив уравнение относительно d, получим
к
ж
3
3
При R=0,03 м, ρ=300 кг/м, ρ=1000 кг/м, ΔН=1 м (на практике достигает 300 м) открытие клапана происходит при радиусе отверстия 0,01 м.
Таким образом, при снижении давления жидкости в наземной части водовода поплавковый клапан открывается и устье скважины, включая наземную часть водовода, заполняется воздухом вместо уходящей в скважину жидкости, что предотвращает замерзание устья нагнетательной скважины, а при заполнении устья скважины не влияет на процесс закачки жидкости в пласт.
Преимущество предлагаемого способа заключается в простоте конструкций устройств, необходимых для его осуществления; в возможности при длительных остановках работы скважины надежно предотвратить замерзание устья скважины; в снижении материальных и трудовых затрат при его осуществлении.