УСТАНОВКА ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ПЛАСТОВОЙ ЖИДКОСТИ ИЗ СКВАЖИНЫ И СПОСОБ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PLANT FOR REMOVAL OF FORMATION FLUID FROM WELL, AND METHOD OF ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для подъема порции пластовой жидкости из скважин энергией добываемого газа.
Известны конструкции летающих клапанов для плунжерного лифта, содержащие полый корпус с отделяемым элементом в виде шара (см. а.с. №791939. М. Кл. Е21В 43/00, заявл. 21.07.75 г., опубл. 30.12.80 г.). Устройство предназначено для применения в скважинах с малым диаметром труб лифтовой колонны, когда диаметр и масса полого корпуса и шара сравнительно невелики.
Применение таких конструкций в скважинах с большим диаметром труб лифтовой колонны приводит к тому, что увеличиваются значения ударных нагрузок при лобовом столкновении полого корпуса с шаром на нижнем амортизаторе.
Известен газлифтный эжектирующий плунжер (см. а.с. №1183664. М. Кл. Е21В 43/00, опубл. 07.10.85 г.). Плунжер состоит из корпуса с камерами смешения и инжекции, седла, стакана с циркуляционными каналами, затвора, верхнего и нижнего магнитных колец. Плунжер установлен в осевом канале насосно-компрессорных труб, с опорой на стоп-кольцо.
Корпус снабжен уплотнительными кольцами для перекрытия кольцевого зазора между ним и внутренней стенкой насосно-компрессорных труб.
При накоплении жидкости в скважине плунжер опускается внутрь насосно-компрессорных труб до упора в стоп-кольцо.
Магнитные кольца соединены друг с другом, что способствует свободному падению плунжера вниз. После посадки его на стоп-кольцо магнитные кольца разъединяются, и затвор садится на седло. Поступающий поток поднимает плунжер вверх вместе со столбом жидкости, расположенной над ним.
При подъеме вверх часть жидкости со стенки насосно-компрессорной трубы подсасывается внутрь камеры смешения, что предотвращает возможность обратной утечки поднимаемой жидкости на забой. На устье скважины давление над и под плунжером выравнивается, магнитные кольца соединяются друг с другом и освобождают проходное сечение корпуса, что не мешает свободному падению плунжера вниз.
К недостаткам конструкции плунжера следует отнести:
- наличие уплотнительных колец на корпусе и их контакт с внутренней стенкой лифтовой колонны труб при их спуске-подъеме приводит к быстрому износу и прекращению работы по герметизации кольцевого зазора с прорывом газа в жидкость над плунжером;
- затвор выполнен с осевым эжектирующим каналом, что дает возможность подачи газа из-под корпуса в жидкость с газированием и изменением структуры;
- для обеспечения свободного перемещения плунжера необходимо монтаж лифтовой колонны труб проводить с их калибровкой.
Известен способ эксплуатации газовой скважины плунжерным лифтом (см. а.с. №1017791, М. Кл. Е21В 43/00, заявл. 20.07.81 г., опубл. 15.05.83 г., бюлл. №18).
Для реализации способа предложена конструкция плунжера, состоящего из полого корпуса в виде втулки, с расширением в нижней части, в котором выполнены радиальные отверстия.
В осевом канале втулки выполнено сужение для удержания шарового клапана.
Известна конструкция летающего клапана с отделяемым элементом (см. пат. РФ №2214504, М. Кл. Е21В 43/00, заявл. 30.04.2002 г., опубл. 20.10.2009 г.), принятая за прототип на устройство.
Летающий клапан выполнен в виде трубчатого корпуса, входящий в его осевой канал отделяемый элемент - в виде тела вращения и ограничителя его входа в осевой канал трубчатого корпуса. На внешней стороне корпуса выполнены центрирующие выступы, а на отделяемом элементе также могут быть выполнены ограничители-стабилизаторы, например, в виде вращающихся контактов.
К недостаткам конструкции летающего плунжера с отделяемым элементом следует отнести:
- вес корпуса и отделяемого элемента напрямую зависит от диаметральных размеров осевого канала труб лифтовой колонны и может быть достаточно большим. Это влияет на скорость спуска корпуса и отделяемого элемента к нижнему амортизатору, с соответствующим жестким столкновением друг с другом.
Известен способ эксплуатации газовых скважин плунжерным лифтом (см. Иоаним Г. «Добыча нефти и газа». М.: «Недра», 1966, с.193).
Способ включает спуск плунжера от устья к забою скважины и подъем к устью скважины плунжера с жидкостью, накопившейся в осевом канале лифтовой колонны труб.
Недостатком указанного способа является низкая эффективность подъема жидкости вместе с плунжером, поскольку наблюдается большая утечка жидкости обратно на забой скважины по кольцевому зазору.
Известен способ эксплуатации газовой скважины плунжерным лифтом (см. а.с. №1017791 М Кл. Е21В 43/00, опубл. 15.05.83 г., бюлл. №18). Способ включает спуск плунжера от устья к забою скважины с подъемом последнего вместе со столбом пластовой жидкости, расположенным над нижней опорой. При подъеме плунжера с жидкостью в нее вводят пенообразующие поверхностно-активные вещества.
Эффективный зазор между плунжером и стенкой насосно-компрессорных труб определяют по эмпирической формуле, в которую входят эквивалентный диаметр зазора, дебит газа, температура и давление у башмака лифтовой колонны труб, коэффициент сжимаемости газа. Способ реализуется с применением установки плунжерного лифта, которая включает плунжер в виде втулки (полого корпуса), с расширением в нижней части и опорной поверхностью внутри осевого канала, к которой поджимается шар. Втулка снабжена радиальными отверстиями, выполненными над опорной поверхностью и направляющими ребрами на верхнем конце.
На выкидной линии установлен мембранный клапан с исполнительным механизмом, управление которым осуществляется регулятором циклов по пневмосигналам, поступающим от сильфонного датчика и реле давления, установленных соответственно на буфере и межтрубном пространстве скважины.
Недостатки:
- отсутствует механизм управления плунжером, а именно отделение шара от посадочной поверхности внутри плунжера на верхнем амортизаторе, что осложняет его перемещение вниз к нижнему амортизатору;
- имеет место жесткое соударение шара с посадочной поверхностью плунжера при их взаимодействии друг с другом на нижнем амортизаторе, что снижает ресурс работы;
- увеличение гидравлического сопротивления обтекающему плунжер потоку газа, за счет подачи в кольцевой зазор поверхностно-активных веществ из его осевого канала, является проблематичным, поскольку на этот процесс оказывает влияние столб пластовой жидкости над плунжером и отсутствие газа, тем более что порция пенообразующей жидкости подается в межтрубное пространство скважины и не в полном объеме может быть доставлена в кольцевой зазор между плунжером и внутренней поверхностью трубы.
Известен способ эксплуатации скважин с помощью летающего клапана с отделяемым элементом (см. пат. РФ №2214504. М. Кл. Е21В 43/00, заявл. 30.04.2002 г., опубл. 20.10.2003 г.).
Способ эксплуатации скважин включает периодический спуск летающего клапана под уровень жидкости в скважине к нижнему амортизатору и последующий его подъем вместе с находящимся над ним столбом пластовой жидкости.
Спуск корпуса летающего клапана и отделяемого элемента производят раздельно.
Для подъема летающего клапана с отделяемым элементом должно обеспечиваться соотношение
оэ
дс
к
пкс
P/S<P/S,
оэ
дс
к
пкс
где P - вес отделяемого элемента; S - площадь диаметрального сечения отделяемого элемента; P - вес корпуса; S - площадь сечения корпуса летающего клапана.
При подъеме летающего клапана вместе с отделяемым элементом к верхнему амортизатору их разделение происходит с помощью стержня. Контроль за циклами подъема и спуска летающего клапана можно вести по изменению температуры на устье скважин, которое происходит при появлении очередной порции жидкости, поднимаемой из скважины.
Корпус летающего клапана падает вслед отделяемому элементу и также останавливается на уровне нижнего амортизатора. Упругий материал отделяемого элемента предотвращает деформацию и разрушение нижнего амортизатора, труб в скважине и самого отделяемого элемента.
К недостаткам способа эксплуатации скважин следует отнести следующее:
- разделение корпуса и отделяемого элемента летающего клапана путем перекрытия вентиля на отводящем трубопроводе носит хаотичный характер и вызывает определение трудности при оценке момента начала закрытия, а также времени, которое необходимо выдержать вентиль в закрытом состоянии;
- при разделении корпуса и отделяемого элемента с помощью стержня, вводимого в осевой канал корпуса, возникает достаточно жесткий удар и, как следствие, достаточно интенсивный износ его поверхности.
Внешняя поверхность шара при этом имеет нарушения, что, в конечном итоге, может привести к неплотному контакту с посадочной поверхностью внутри корпуса;
- в процессе эксплуатации летающего клапана при его возвратно-поступательном перемещении по осевому каналу лифтовой колонны труб происходит интенсивный износ наружной поверхности с изменением в сторону увеличения кольцевого зазора между корпусом и внутренней поверхностью труб лифтовой колонны, что неизбежно приведет к прорыву газа, снижению перепада давления на летающем клапане и прекращению процесса подъема пластовой жидкости. Износ корпуса приводит к необходимости прекращения процесса удаления пластовой жидкости из скважин с его заменой на новый;
- установка нижнего амортизатора происходит без учета высоты столба пластовой жидкости над летающим клапаном и без привязки к перепаду давления между лифтовой колонной труб и межтрубным пространством.
Это связано с тем, что гидростатическое давление столба жидкости над летающим клапаном может превосходить по своему значению перепад давления между лифтовой колонной труб и межтрубным пространством, при котором возможен подъем летающего клапана вместе с порцией пластовой жидкости.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности эксплуатации скважин установкой с увеличением ресурса работы технического оборудования летающего клапана, верхнего и нижнего амортизаторов.
Технический результат, который может быть получен при реализации установки и способа ее эксплуатации, заключается в следующем:
- возможность повышения гидравлического сопротивления обтекаемому потоку газожидкостной смеси при подъеме летающего клапана со столбом жидкости;
- возможность безударного взаимодействия отделяемого элемента с подпружиненным нижним амортизатором;
- возможность бесконтактного взаимодействия отделяемого элемента (шарового клапана) с верхним амортизатором при входе в осевой канал разъемного корпуса летающего клапана подпружиненного поршня;
- возможность осуществления способа эксплуатации скважины путем подъема столба жидкости летающим клапаном при организации дополнительного гидравлического канала газожидкостному потоку на устье скважины и подачей газожидкостного потока из осевого канала разъемного корпуса в кольцевой зазор между летающим клапаном и внутренней поверхностью труб лифтовой колонны;
- возможность снижения гидравлического сопротивления разъемного корпуса при его спуске к нижнему амортизатору;
- возможность управляемого и ориентированного спуска отделяемого элемента шарового клапана путем смещения центра тяжести от центра масс.
Поставленная задача решается тем, что установка для удаления пластовой жидкости из скважин включает лифтовую колонну труб с верхним и нижним амортизаторами, летающий клапан, содержащий трубчатый корпус, отделяемый элемент в виде сферы и ограничитель его входа в осевой канал трубчатого корпуса, согласно изобретению трубчатый корпус летающего клапана выполнен разъемным, с образованием в месте разъема его частей кольцевой камеры, снабженной полым кольцом с тангенциальными отверстиями, ограничитель входа выполнен в виде стакана с продольными пазами на нижнем конце, жестко связанного с трубчатым корпусом, образуя с ним кольцевой зазор, в который введен верхний конец подпружиненной втулки, снабженной штифтами, введенными в продольные пазы стакана, на торец подпружиненной втулки установлен отделяемый элемент, выполненный в виде полой сферы с противовесом в нижней полусфере, снабженной перфорационными отверстиями, а верхний амортизатор снабжен подпружиненным поршнем, установленным на стержне с возможностью образования подвижного соединения в осевом канале трубчатого корпуса в верхнем положении.
Способ удаления пластовой жидкости из скважины, включающий периодический спуск летающего клапана с отделяемым элементом до нижнего амортизатора под уровень жидкости в скважине и последующий его подъем в лифтовой колонне труб вместе со столбом пластовой жидкости к устью скважины, причем согласно изобретению подъем летающего клапана с отделяемым элементом осуществляют при максимальном перепаде давления между лифтовой колонной труб и межтрубным пространством, причем в момент подъема летающего клапана со столбом пластовой жидкости осуществляют перепуск части газа из осевого канала корпуса летающего клапана под отделяемым элементом в кольцевой зазор между поверхностью трубчатого корпуса летающего клапана и трубой лифтовой колонны, а разделение отделяемого элемента от трубчатого корпуса на верхнем амортизаторе осуществляют путем ввода подпружиненного поршня в его осевой канал, причем нижний амортизатор устанавливают под статический уровень жидкости на глубину, определяемую из соотношения
з
где P - давление газа в межтрубном пространстве, МПа;
л
P - давление газа в осевом канале лифтовой колонны труб, на устье, МПа;
3
ρ - плотность пластовой жидкости, кг/м.
Проведенный анализ технических решений по данной области техники показал, что известен способ освоения скважин (см. а.с. №872732, кл. Е21В 43/25, заявл. 17.12.79 г., опубл. 18.10.81 г., бюлл. №38), в котором для разделения газа и жидкости применен упругий шар.
Известно устройство для подъема жидкости (см. а.с. №1354871, кл. F04F 1/18, заявл. 23.12.85 г., опубл. д.с.п.), в котором в качестве плунжера используется шар, разделяющий газовую среду от столба пластовой жидкости.
При проведении патентных исследований по научно-технической и патентной литературе нами не обнаружена установка для периодического удаления пластовой жидкости из скважин, с отсечкой обтекающего потока газа поперечным потоком газа при перемещении летающего клапана в осевом канале лифтовой колонны труб.
Конструкция установки для реализации технологии удаления пластовой жидкости с забоя газовой скважины, с использованием летающего клапана, энергии добываемого газа представлена на рисунках, где:
- на фиг.1 - общий вид установки, включенной в схему обвязки устьевого оборудования;
- на фиг.2 - конструкция летающего клапана с отделяемым элементом;
- на фиг.3 - конструкция отделяемого элемента в разрезе;
- на фиг.4 - конструкция летающего клапана в момент взаимодействия с верхним амортизатором и отсоединение отделяемого элемента.
Установка состоит из лифтовой колонны труб 1, в осевом канале 2 которой располагается летающий клапан 3. На устье скважины установлен верхний амортизатор 4, включающий стержень 5 с подпружиненным поршнем 6, удерживаемый гайкой 7. В осевом канале 2 лифтовой колонны труб 1, под статическим уровнем жидкости, установлен нижний амортизатор 8 с подпружиненной опорой 9. На устье скважины осевой канал 2 лифтовой колонны труб 1 через отводящий патрубок 10 обвязан с промысловым коллектором 11.
На отводящем патрубке 10 установлена задвижка 12, которая связана дополнительным каналом 13 с гидравлическим пусковым реле 14.
Межтрубное пространство скважины 15 связано с гидравлическим пусковым реле 14 через патрубок 16, задвижку 17 и соединительный канал 18.
Летающий клапан 3 (см. фиг.2; 3) состоит из трубчатого корпуса 19, где в месте разъема сформирована кольцевая камера, в которой установлено полое кольцо 20, с тангенциальными отверстиями 21.
В осевом канале 22 трубчатого корпуса 19 установлен ограничитель в виде стакана 23 с продольными пазами 24 на нижнем конце, который образует с трубчатым корпусом 19 кольцевую камеру 25, в которую введен верхний конец втулки 26, снабженной штифтами 27.
Штифты 27 введены в продольные пазы 24 стакана 23 для ограничения хода втулки 26.
За счет взаимодействия с пружиной 28, установленной в кольцевой камере 25, втулка 26 находится в крайнем нижнем положении относительно стакана 23.
На нижнем конце трубчатого корпуса 19 выполнен кольцевой выступ 29 с конической фаской 30.
Нижний конец втулки 26 образует в исходном положении кольцевой зазор 31 с внутренней поверхностью кольцевого выступа 29. Кольцевой зазор 31 через отверстия 32 в теле трубчатого корпуса 19 гидравлически связан с внутренней полостью полого кольца 20.
С внешней стороны трубчатого корпуса 19 установлены завихрители-центраторы 33 и 34. Отделяемый элемент выполнен в виде шарового клапана 35, пустотелого внутри. Нижняя полусфера 36 шарового клапана 35 выполнена с рядом перфорационных отверстий 37 и имеет противовес 38 из тяжелого металла, например свинца. Верхняя полусфера 39 выполнена непроницаемой для газа и жидкости.
В месте соединения нижней 36 и верхней 39 полусфер также выполнены отверстия 40 для подачи газа из внутренней полости шарового клапана 35 в кольцевой канал 41 между втулкой 26 и трубчатым корпусом 19.
Способ эксплуатации газовой скважины осуществляется в следующей последовательности:
- определяют статический уровень пластовой жидкости в газовой скважине и расстояние до башмака лифтовой колонны труб 1;
- определяют максимальное давление газа в межтрубном пространстве 15 и лифтовой колонне труб 1 при максимальном статическом уровне пластовой жидкости;
- определяют перепад давления между межтрубным пространством 15 и внутритрубным пространством лифтовой колонны труб 1 и устанавливают в осевом канале 2 лифтовой колонны труб 1 нижний амортизатор 8 из расчета расположения под уровнем жидкости с учетом перепада давления между межтрубным пространством 15 и внутритрубным пространством лифтовой колонной труб 1;
- осуществляют обвязку устья скважин с возможностью сравнения перепада давления на гидравлическом пусковом реле 14 и создания дополнительного канала 13 для подачи с увеличенным расходом газа в промысловый коллектор 11;
- разделение летающего клапана 3 от отделяемого элемента - шарового клапана 35 осуществляют путем ввода в осевой канал 22 трубчатого корпуса 19 подпружиненного поршня 6, с воздействием на пластовую жидкость внутри трубчатого корпуса 19 и созданием избыточного давления над отделяемым элементом 35:
- подъем летающего клапана 3 в сборе с отделяемым элементом 35 с нижнего амортизатора 8 осуществляется при перепуске газожидкостной смеси из осевого канала 22 трубчатого корпуса 19 под отделяемым элементом 35, через перфорации 37 в нижней полусфере 36, в кольцевой зазор 31 между опорной поверхностью 26 в виде втулки и трубчатым корпусом 19, с перепуском части газожидкостной смеси в кольцевой канал 41 между летающим клапаном 3 и внутренней поверхностью лифтовой колонны труб 1.
Работа устьевого верхнего 4 и внутреннего нижнего 8 амортизаторов с летающим клапаном 3 заключается в следующем.
При взаимодействии летающего клапана 3 (трубчатый корпус 19 с отделяемым элементом 35) с нижним амортизатором 8 и открытии дополнительного канала 13 для подачи газа на устье скважины летающий клапан 3 вместе с потоком жидкости начинает перемещаться вверх.
Отделяемый элемент 35, выполненный в виде полого шарового клапана с противовесом 38 и нижней перфорированной полусферой 36 за счет перепада давления поднимается верхней полусферой 39 к торцу втулки 26, которая в исходном положении, т.е. до момента взаимодействия с отделяемым элементом 35, находится в крайнем нижнем положении и перекрывает сечение отверстий 32 в теле трубчатого корпуса 19. При взаимодействии отделяемого элемента в виде полого шарового клапана 35 втулка 26 перемещается вверх относительно стакана 23 с сжатием пружины 28 и открытием отверстий 32 в теле трубчатого корпуса 19 для подачи газожидкостной смеси в полость полого кольца 20, откуда через тангенциальные отверстия 21 она подается в кольцевой зазор между стенкой труб лифтовой колонны 1 и наружной поверхностью трубчатого корпуса 19. Тем самым выходящий поток газожидкостной смеси, направленный под отрицательным углом к стенке лифтовой колонны труб 1, препятствует поступлению обтекающего трубчатый корпус 19 потока газожидкостной смеси в осевой канал 2 лифтовой колонны труб 1 в полость над летающим клапаном 3. Поскольку отверстия 21 в теле полого кольца 20 выполнены тангенциально, то имеется возможность вращения данного полого кольца 20 относительно трубчатого корпуса 19, что увеличивает сопротивление газожидкостной смеси обтекающему потоку газожидкостной смеси трубчатый корпус 19.
При подходе летающего клапана 3 к верхнему амортизатору 4 подпружиненный поршень 6 входит в осевой канал 22 трубчатого корпуса 19, что приводит к сжатию пластовой жидкости и воздействию на верхнюю полусферу 39 шарового клапана 35 (отделяемый элемент), что приводит к выходу его из взаимодействия с торцом втулки 26 и падению его вниз по осевому каналу 2 лифтовой колонны труб 1 к нижнему амортизатору 8. При этом за счет смещения центра масс относительно геометрического центра отделяемого элемента - шарового клапана 35, что достигается путем установки противовеса 38 в нижней перфорированной полусфере 36. Шаровой клапан 35 падает вниз не хаотически вращаясь, а с определенной и постоянной ориентацией нижней перфорированной полусферой 36 вниз. Снижение скорости падения шарового клапана 35 достигается за счет парашютного эффекта, что способствует смягчению удара шарового клапана 35 о нижний амортизатор 8. При падении вниз трубчатого корпуса 19 втулка 26 усилием пружины 28 перемещается вниз относительно трубчатого корпуса 19 с перекрытием отверстий 32 в его теле.
Тем самым сведено к минимуму гидравлическое сопротивление обтекающего потока газожидкостной смеси и обеспечен свободный переток газожидкостной смеси через осевой канал 21 трубчатого корпуса 19.