СПОСОБ ДОБЫЧИ ВЫСОКОВЯЗКИХ ЭМУЛЬСИЙ ВОДА-НЕФТЬ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD AND PLANT FOR PRODUCING HIGHLY VISCOUS WATER-OIL EMULSIONS (OPTIONS)

Настоящее изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а более точно к технологии добычи нефтепродуктов погружными насосными установками в условиях возникновения высоковязких эмульсий вода-нефть.
Возникновение эмульсий при добыче нефти весьма распространено в случаях, если добываемая жидкость содержит не только нефть, но и воду. Обычно эти жидкости добываются с помощью погружных установок электроцентробежных насосов, однако при концентрации воды в нефти, достигающей 35-75%, вязкость такой эмульсии резко возрастает, что негативно сказывается на рабочих характеристиках насоса - снижаются максимальная подача, развиваемый напор и возрастает потребляемая мощность. Поэтому главным условием успешной добычи водонефтяной эмульсии является ее предварительная подготовка, заключающаяся в понижении вязкости.
Известен способ добычи высоковязкой нефти [патент РФ №2143546, Е21В 43/00, опубл. 27.12.1999], включающий разбавление высоковязкой нефти маловязкой нефтью путем подъема высоковязкой нефти скважинным насосом с одновременной подачей в скважину маловязкой нефти, когда в первую очередь запускают в работу скважину с маловязкой нефтью, которую затем подают в затрубное пространство неработающей скважины с высоковязкой нефтью, добиваются выхода из этой скважины смеси высоковязкой и маловязкой нефти, после этого запускают в работу скважину с высоковязкой нефтью.
Описанный способ позволяет разбавить высоковязкую нефть непосредственно на забое, сократить затраты энергии на трение в насосе, насосно-компрессорной трубе, выкидной линии скважины, повысить производительность глубинного насоса, повысить надежность работы оборудования, увеличить межремонтный период скважины.
К недостаткам данного способа можно отнести необходимость иметь источник маловязкой нефти вблизи проблемной скважины, нерегулируемость процесса смешения нефтей, а также высокую стоимость добычи.
Наиболее близким к заявляемому является способ добычи высоковязких эмульсий вода-нефть [патент РФ №1009125, Е21В 43/00, опубл. 10.12.1999], включающий разделение в скважине высоковязких эмульсий на нефть и воду, добавление деэмульгатора в водную фазу и последующее смешение водной и нефтяной фаз перед подачей на прием погружного насоса.
Недостатком данного способа является низкая эффективность из-за необходимости транспорта раствора деэмульгатора на скважину и его частой замены (в зависимости от обводненности и температуры), а также существенные затраты, связанные с потребностью в дополнительном оборудовании для закачки деэмульгатора внутрь скважины и для его хранения. Кроме того, применение значительного количества реагентов может пагубно сказаться на окружающей среде.
Известна установка для добычи пластовой жидкости, состоящая из погружных электродвигателя и насоса, гидрозащиты и предвключенного устройства для сепарации газа [патент РФ №2333395, F04D 13/10, Е21В 43/38, опубл. 27.02.2008]. Наличие газового сепаратора в составе установки позволяет повысить эффективность добычи в условиях высокого содержания нерастворенного газа в жидкости путем сброса большей части газа в затрубное пространство и подачи на прием насоса газожидкостной смеси с малой концентрацией газа.
Однако в условиях добычи высоковязкой эмульсии рабочие характеристики описанной установки резко деградируют - падает напор и производительность, насос не докачивает жидкость до поверхности, а также возрастает потребляемая мощность, что может привести к выходу из строя (перегреву) погружного электродвигателя.
В качестве прототипа установки для добычи высоковязких эмульсий вода-нефть выбрана установка [патент на ПМ РФ №65964, Е21В 43/38, опубл. 27.08.2007], состоящая из колонны насосно-компрессорных труб, верхнего и нижнего плунжерных насосов, приемной камеры, размещенной напротив продуктивного интервала и содержащей разделитель фаз, выполненный в виде концентрично установленных друг в друге труб. В разделителе добываемая жидкость сепарируется на нефтяной и водяной потоки, каждый из них отдельно подается на приемы соответственно верхнего и нижнего плунжерных насосов, с помощью которых нефть поднимается на поверхность, а вода закачивается в пласт поглощения. Привод установки осуществляется с поверхности.
Использование плунжерных насосов ограничивает возможность работы установки на высоких подачах, а применяемый гравитационный способ разделения компонентов с близкими значениями плотности замедляет процесс сепарации и требует для своей реализации лабиринта большой длины, что приводит к увеличению осевого габарита установки и к повышению ее стоимости. Еще одним недостатком является отсутствие контроля степени очистки воды, закачиваемой в пласт поглощения, что может нарушить требования отраслевых стандартов и других нормативных документов по экологической безопасности.
Задачей предлагаемых изобретений является разработка эффективного и безопасного для окружающей среды способа добычи высоковязких эмульсий и конструкции установки для его реализации, которые не требуют использования независимых источников сырья - воды, деэмульгатора и проч.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе добычи высоковязких эмульсий вода-нефть, включающем разделение в скважине водонефтяной смеси на нефть и воду с последующим направлением на прием насоса, согласно изобретению в скважине устанавливают верхний и нижний насосы, разделение осуществляют в центробежном сепараторе с образованием водяного и нефтяного потоков, после чего потоки раздельно направляют на прием нижнего и верхнего насосов и далее поднимают на поверхность.
Подъем на поверхность потоков может осуществляться по раздельным каналам или по общему каналу после прохождения потоков через смеситель.
В части установки указанный технический результат достигается тем, что в установке для добычи высоковязких эмульсий вода-нефть, содержащей колонну насосно-компрессорных труб, верхний и нижний насосы, разделитель фаз, делящий водонефтяную смесь на жидкие фазы и направляющий их на приемы отдельных насосов, согласно изобретению насосы выполнены центробежными, в качестве разделителя фаз использован сепаратор вода-нефть вихревого или центробежного типа, имеющий выход для нефтяного потока, соединенный байпасной трубой с верхним насосом, и выход для водяного потока, соединенный с нижним насосом, причем приводом каждого насоса служит самостоятельный погружной электродвигатель.
Во втором варианте исполнения установки привод обоих насосов осуществляется от одного погружного электродвигателя с двусторонним выходом вала.
В частных случаях в установках доставка жидкости на поверхность может осуществляться по концентричной НКТ с внутренним для нефти и внешним для воды кольцевыми каналами, разобщенными между собой.
В обоих вариантах исполнения может быть дополнительно установлен смеситель, объединяющий потоки с выкидов насосов. Смеситель может быть установлен между НКТ и верхним насосом, при этом выход верхнего насоса внутри смесителя снабжен соплом. В некоторых случаях реализации смеситель размещают вокруг НКТ, выполненной в районе смесителя с продольными щелями разной ширины, предназначенными для поступления потока с выкида нижнего насоса, подведенного к корпусу смесителя, при этом выкид верхнего насоса подключен к НКТ.
Предлагаемый способ состоит из следующих этапов.
Сначала скважинную жидкость, представляющую собой водонефтяную смесь, разделяют в центробежном или вихревом сепараторе на два потока - водяной поток, содержащий малую долю нефти (менее 25% нефти), и нефтяной поток, содержащий малую долю воды (менее 35% воды). Далее водяной поток направляют на прием нижнего электроцентробежного насоса, а нефтяной поток - на прием верхнего электроцентробежного насоса, работающих от самостоятельных погружных электродвигателей. Таким образом, каждый из насосов перекачивает жидкость с пониженным по сравнению с исходной эмульсией значением вязкости, что позволяет сохранить рабочие характеристики насосов без существенных изменений. Для доставки жидкости на поверхность организуют два разобщенных канала для каждого из потоков либо осуществляют подъем жидкости по общему каналу, на входе в который устанавливают смеситель для объединения потоков.
Для реализации этого способа предлагается два варианта установки, сущность которых поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен первый вариант заявляемой насосной установки с концентричной НКТ; на фиг. 2 - первый вариант заявляемой насосной установки с пакером; на фиг. 3 - первый вариант заявляемой насосной установки со смесителем; на фиг. 4 - второй вариант заявляемой насосной установки с концентричной НКТ; на фиг. 5 - второй вариант заявляемой насосной установки с пакером; на фиг. 6 - второй вариант заявляемой насосной установки со смесителем; на фиг. 7 - конструкция смесителя, установленного на входе НКТ; на фиг. 8 - поперечное сечение смесителя А-А фиг. 7; на фиг. 9 - конструкция смесителя, размещенного вокруг НКТ; на фиг. 10 - поперечное сечение смесителя В-В фиг. 9.
Установка для добычи высоковязких эмульсий (фиг. 1-3) содержит последовательно расположенные нижний погружной электродвигатель 1, входной модуль 2, сепаратор вода-нефть 3, нижний электроцентробежный насос (ЭЦН) 4, верхний погружной электродвигатель 5 с верхним ЭЦН 6, закрепленным на колонне НКТ 7. Колонна НКТ 7 может быть выполнена в виде концентрично установленных внутренней 8 и наружной 9 труб, образующих кольцевой зазор 10 (фиг. 1, 4), или в виде обычной трубы НКТ 11 (фиг. 2, 3, 5, 6). В сепараторе 3 выход для смеси, обогащенной нефтью, соединен с помощью байпаса 12 с верхним насосом 6, а выход для смеси, обогащенной водой, связан непосредственно с приемом нижнего ЭЦН 4, который имеет ответвленный байпас 13, подведенный к кольцевому зазору 10 (фиг. 1, 4) или выведенный в обсадную колонну 14 за пределы установленного в ней пакера 15, охватывающего трубу НКТ 11 (фиг. 2, 5). Выкид верхнего насоса 6, перекачивающего нефтяной поток, может быть связан с концентрично установленной внутренней трубой 8 (фиг. 1, 4) или с обычной трубой НКТ 11 (фиг. 2, 5).
В отличие от первого, во втором варианте исполнения (фиг. 4-6) установка снабжена только одним погружным электродвигателем 16, который выполнен с двухсторонним выходом вала и расположен между входным модулем 2 и верхним ЭЦН 6. В данном исполнении нижний ЭЦН 4 должен быть обратного типа (перевертыш).
В описанных выше вариантах исполнения для объединения выходящих из насосов потоков может быть дополнительно установлен смеситель 17 (фиг. 3, 6), представляющий собой корпус 18, в котором происходит смешивание потоков, непосредственно связанный с выкидом ЭЦН 6 и имеющий боковое отверстие 19 для поступления через байпас 13 потока из нижнего ЭЦН 4. Для интенсификации перемешивания выкид ЭЦН 6 снабжен соплом 20, расположенным вдоль оси корпуса 18 (фиг. 7-8).
В качестве альтернативы возможно размещение корпуса смесителя 18 (фиг. 9-10) вокруг трубы НКТ 11, присоединенной к выкиду ЭЦН 6 и имеющей продольные щелевые отверстия 21 разной ширины. В этом случае смешивание происходит внутри трубы НКТ 11, куда через отверстия 21 попадает обогащенный водой поток, поступающий в корпус 18 через отверстие 19 из ЭЦН 4. В обоих вариантах смешивание потоков не сопровождается образованием мелкодисперсных эмульсий.
Установка для добычи высоковязких эмульсий вода-нефть работает следующим образом.
Скважинная жидкость, представляющая собой вязкую эмульсию вода-нефть (заштрихованные стрелки), поступает через входной модуль 2 на прием сепаратора 3 вода-нефть центробежного или вихревого типа с приводом от нижнего электродвигателя 1. В сепараторе 3 в поле центробежных сил вода как фаза с большей плотностью перемещается к периферии устройства, а нефть как более легкая фаза - к центру. Разделение позволяет получить фазы с более низким по сравнению с эмульсией значением вязкости, при этом разделение может быть неполным. Для того чтобы избежать высоких значений вязкости, достаточно, чтобы отделенный водяной поток содержал не более 25% нефти, а нефтяной - не более 35% воды. С периферии сепаратора 3 водяной поток направляется на вход нижнего ЭЦН 4 с приводом от нижнего электродвигателя 1, где приобретает давление, необходимое для подъема на поверхность. Поскольку содержание нефти в воде не превышает 25%, то вязкость такой смеси будет слабо отличаться от вязкости воды, поэтому существенной деградации рабочих характеристик ЭЦН 4 не произойдет. Далее водяной поток (контурные стрелки) через ответвленный байпас 13 попадает во внешний кольцевой канал 10 концентричной НКТ 7 (фиг. 1, 4).
Одновременно с перекачкой водяного потока осуществляется перекачка нефтяного. Из центра сепаратора 3 нефтяной поток (черные стрелки) по байпасной трубе 12 поступает на вход верхнего насоса 6 с приводом от верхнего электродвигателя 5, приобретает необходимое давление и выходит во внутреннюю трубу 8 концентричной НКТ 7. Таким образом, подъем на поверхность обоих потоков в концентричной НКТ 7 осуществляется по разобщенным каналам - водяной поток поднимается через кольцевой зазор 10, образованный внутренней 8 и внешней 9 трубой, а нефтяной поток соответственно - по внутренней трубе 8 (фиг. 1, 4).
Подъем на поверхность разделенных водяного и нефтяного потоков может осуществляться также по обычной трубе НКТ 11 и кольцевому пространству, образованному трубой НКТ 11 и обсадной колонной 14 за пределами установленного в колонне 14 пакера 15 (фиг. 2, 5).
В установках, оборудованных смесителем 17, установленным на входе НКТ 11 или вокруг нее и обеспечивающим соединение перекачиваемых потоков без образования мелкодисперсной эмульсии, дальнейший подъем смешанного потока (фиг. 3, 6) происходит внутри обычной трубы НКТ, что упрощает процесс монтажа установки и не приводит к дополнительным затратам по организации второго лифта НКТ.
В отличие от первого варианта исполнения в установках для добычи высоковязких эмульсий по второму варианту привод нижнего ЭЦН 4, верхнего ЭЦН 6 и сепаратора вода-нефть 3 осуществляется от одного погружного электродвигателя 16 с двусторонним выходом вала, в связи с чем при их работе изменится только направление перекачки жидкости сепаратором 3 и нижним насосом 4 - жидкость будет перекачиваться сверху вниз (фиг. 4-6).
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет вести добычу вязкой эмульсии вода-нефть путем частичного разделения фаз и их раздельной перекачки с помощью электроцентробежных насосов без существенной деградации характеристик погружной установки.