СИСТЕМА КУСТОВОЙ ЗАКАЧКИ ВОДЫ В ПЛАСТ
SYSTEM OF CLUSTER WATER PUMPING TO FORMATION

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
ρ=1000 кг/м<sup>3</sup>
ρ=1100 кг/м<sup>3</sup>
ρ=1000 кг/м<sup>3</sup>
ρ=1100 кг/м<sup>3</sup>
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
ρ=1000 кг/м<sup>3</sup>
ρ=1100 кг/м<sup>3</sup>
ρ=1000 кг/м<sup>3</sup>
ρ=1100 кг/м<sup>3</sup>
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
ρ=1000 кг/м<sup>3</sup>
ρ=1100 кг/м<sup>3</sup>
ρ=1000 кг/м<sup>3</sup>
ρ=1100 кг/м<sup>3</sup>
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
ρ=1000 кг/м<sup>3</sup>
ρ=1100 кг/м<sup>3</sup>
ρ=1000 кг/м<sup>3</sup>
ρ=1100 кг/м<sup>3</sup>
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.
3
3
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 м пресной воды (ρ=1000 кг/м) 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. м<sup>3</sup>/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.