СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЗАМЕРЗАНИЯ УСТЬЕВОЙ АРМАТУРЫ ВОДОНАГНЕТАТЕЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ И КЛАПАН ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
FREEZING CONTROL METHOD OF WELLHEAD EQUIPMENT OF WATER-INJECTION WALL, AND VALVE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к способам предотвращения замерзания устьевой арматуры и водовода водонагнетательной скважины, обеспечивающим работоспособность системы поддержания пластового давления в зимнее время и, тем самым, создающим условия для повышения нефтеотдачи пластов.
Известен способ теплового воздействия на нефтяной пласт (Патент RU №2310743, Е21В 43/24, опубл. 20.11.2007 г., Бюл. №32). Способ включает нагрев воды, закачиваемой в нагнетательную скважину за счет дросселирования и кавитации давлений, создаваемых насосами в системе поддержания пластового давления.
Недостатком известного способа является то, что нагрев закачиваемой воды осуществляют непосредственно в зоне закачки воды в пласт, что не предотвращает замерзания устьевой арматуры и водовода водонагнетательной скважины, которые расположены на поверхности земли, либо в грунте выше границы промерзания последнего. Кроме того, по известному способу нагрев воды, нагнетаемой в скважину, осуществляют постоянно, но необходимость в нагреве с целью предотвращения замерзания в период времени с положительной температурой отсутствует. Нагрев воды в период времени с положительной температурой также нецелесообразен, так как на устройстве для дросселирования и кавитации создаются гидравлические сопротивления, приводящие к потере напора нагнетаемой воды, что приводит к неоправданным затратам на преодоление этих сопротивлений.
Техническим решением, наиболее близким к предлагаемому, является способ предотвращения замерзания устья водонагнетательных скважин в режиме циклического заводнения (Патент RU №2160824, Е21В 36/00, опубл. 20.12.2000 г.). Способ включает использование тепла грунта для предотвращения замерзания устья водонагнетательных скважин при плановой остановке закачивания воды. В процессе планового закачивания воды производят преобразование энергии потока закачиваемой воды в электрическую энергию и накопление последней. Накопленную электрическую энергию в дальнейшем используют во время остановки закачивания при снижении температуры ниже +4°С для принудительной циркуляции в обвязке скважины воды, с ее подогревом от грунта ниже границы промерзания.
Недостатком известного способа является то, что он сложен в исполнении и для его реализации необходимо использование дорогостоящего электротехнического оборудования. Кроме того, способ недостаточно эффективен, так как подогрев воды в скважинной арматуре осуществляют за счет использования тепла грунта, но при этом температура грунта вблизи скважины будет постепенно снижаться вплоть до температуры замерзания воды, после чего скважинная арматура замерзнет.
Известен автоматический термоклапан (Патент RU №2289747, F16K 17/40, опубл. 20.12.2006 г.). Автоматический термоклапан, содержащий корпус, в полости которого установлен затвор, нагруженный пружиной к проходному отверстию и снабженный стопором, препятствующим перекрытию проходного отверстия затвором, при этом стопор выполнен из термочувствительного материала, отличающийся тем, что стопор выполнен в виде прутка, расположенного между затвором и проходным отверстием с упором концов прутка в стенки полости корпуса, а в качестве термочувствительного материала использован материал с памятью формы, например нитинол, имеющий начальную изогнутую форму, не препятствующую перекрытию проходного отверстия затвором. Стопор в поперечном сечении выполнен круглым, а концы прутка выполнены со скосами, ориентированными в направлении изгиба прутка.
Недостатком известного клапана является то, что он применим только для автоматического перекрытия проходного отверстия трубопровода при повышении температуры до определенного значения, а для использования в предлагаемом способе необходим термоклапан, способный в зависимости от температуры направлять жидкость, движущуюся по входному трубопроводу, в один из двух выходных трубопроводов.
Наиболее близким по конструкции к используемому в предлагаемом способе клапану является известный термоклапан (Патент RU №2171937, F16K 17/38, опубл. 10.08.2001 г.), содержащий корпус с входным и выходным патрубками, седло, запорный орган, силовой и термочувствительный элементы. Запорный орган, выполненный из материала с эффектом памяти формы в виде сферического сегмента, одновременно является термочувствительным и термосиловым элементом, а корпус клапана со стороны выходного патрубка снабжен подпружиненным штоком.
Недостатком известного клапана применительно к предлагаемому способу является то, что запорный орган клапана, являющийся термочувствительным и термосиловым элементом, выполнен в виде сферического сегмента, который под давлением воды, закачиваемой насосами системы поддержания пластового давления, может независимо от температуры самопроизвольно изменить положение сферы в пространстве на обратное.
Технической задачей предложения является упрощение и повышение эффективности способа предотвращения замерзания устьевой арматуры водонагнетательной скважины за счет подогрева нагнетаемой воды теплогенератором для дросселирования и кавитации, с исключением затрат на преодоление гидравлических сопротивлений на теплогенераторе при отсутствии условий, приводящих к появлению вероятности замерзания.
Задача решается способом предотвращения замерзания устьевой арматуры водонагнетательной скважины, включающим поддержание температуры закачиваемой воды выше температуры замерзания с переключением направления потока.
Новым является то, что на водоводе до вероятного места замерзания в непосредственной близости от устья скважины устанавливают теплогенератор для дросселирования и кавитации воды, который обходят обводной линией, а переключение направления потоков осуществляют между участком линии нагнетания с теплогенератором и обводной линией при помощи клапана, автоматически открывающего обводную линию и закрывающего участок линии нагнетательния с теплогенератором при температуре воды выше температуры замерзания, а при приближении температуры воды к температуре замерзания перекрывающего обводную линию и открывающего участок линии нагнетания с теплогенератором.
Переключение направления потока осуществляют клапаном, включающим корпус с входным и основным выходным патрубками, основное седло, основной запорный орган, силовой термочувствительный элемент и шток, поджатый пружиной.
Новым является то, что корпус оснащен дополнительным выходным патрубком с дополнительным седлом, размещенным с противоположной относительно основного седла стороны корпуса, на штоке, оснащенном с одной стороны дополнительным запорным органом, зафиксирован основной запорный орган со стороны соответствующего седла и противоположной стороны дополнительного запорного органа, причем шток поджат пружиной в сторону дополнительного седла, а силовой термочувствительный элемент выполнен в виде пружины из материала с эффектом памяти, герметично прижимающей основной запорный орган со штоком при повышении определенного практически значения температуры к основному седлу, а пружина выполнена с возможностью герметичного прижатия дополнительного запорного органа со штоком при снижении ниже определенного практически значения температуры к дополнительному седлу.
Также новым является то, что входной патрубок сообщен с водоводом, основной выходной патрубок - с участком линии нагнетания с теплогенератором, а дополнительный выходной патрубок - с обводной линией.
На фиг.1 приведена схема реализации способа, на фиг.2 представлен клапан для реализации способа в разрезе.
Сутью предлагаемого технического решения является предотвращение замерзания устьевой арматуры 1 и водовода 2 водонагнетательной скважины 3 за счет подогрева нагнетаемой воды теплогенератором 4 для дросселирования и кавитации, с исключением затрат на преодоление гидравлических сопротивлений на теплогенераторе при отсутствии условий, приводящих к появлению вероятности замерзания. Предотвращение замерзания обеспечивает работоспособность системы поддержания пластового давления в зимнее время и, тем самым, создает условия для повышения нефтеотдачи пластов.
При эксплуатации водонагнетательных скважин 3, в которые насосами системы поддержания пластового давления (на фиг.1 не показано) закачивают пресную воду, во время года с отрицательной температурой окружающей среды возможно замерзание закачиваемой воды в устьевой арматуре 1 и водоводе 2 даже при беспрерывной закачке, то есть «на ходу». Многие скважины 3 системы поддержания пластового давления, эксплуатирующиеся под закачку пресной воды, из-за замерзания не работают в течение всего времени года с отрицательной температурой окружающей среды, так как даже после отогрева и восстановления работоспособности скважин велика вероятность повторного замерзания. Простой нагнетательных скважин 3 в течение всего времени года с отрицательной температурой окружающей среды приводит к снижению охвата продуктивных пластов заводнением и потерям добычи углеводородов. В условиях «суровых» зим, например, в северных регионах могут замерзать устьевая арматура 1 и водовод 2 скважин 3, работающих под закачку слабоминерализованной воды.
-4
Для предотвращения замерзания закачиваемой воды и обеспечения беспрерывного заводнения на водоводе 2 до вероятного места замерзания и в непосредственной близости от устья скважины 3 устанавливают теплогенератор 4 для дросселирования и кавитации воды. Теплогенератор 4 подогревает воду, чем предотвращается ее замерзание. Теплогенератор 4 используют известной конструкции. Теплогенераторы для нагрева воды, работающие с использованием принципа дросселирования и кавитации, известны и высокоэффективны (например, Доходное завихрение. Аргументы и Факты, 2010, №5). Большинство подобных устройств имеют простую конструкцию и просты в эксплуатации. В предлагаемом способе в качестве теплогенератора 4 может быть применено, например, устройство, используемое в известном способе (Патент RU №2310743, Е21В 43/24, опубл. 20.11.2007 г., бюл. №32). В период времени с положительной температурой вероятность замерзания устьевой арматуры 1 и водовода 2 отсутствует, и нет необходимости подогрева воды с целью предотвращения замерзания. Прокачивание воды через теплогенератор 4 для дросселирования и кавитации в период времени с положительной температурой также нецелесообразно из-за того, что он создает гидравлические сопротивления, приводящие к потере напора нагнетаемой воды. Для исключения неоправданных затрат на преодоление этих сопротивлений подачу в скважину нагнетаемой воды через теплогенератор 4 начинают только при создании условий, приводящих к появлению вероятности замерзания. При отсутствии условий, приводящих к появлению вероятности замерзания, закачку воды в скважину производят, минуя теплогенератор 4. Для этого теплогенератор 4 обходят обводной линией 5, а переключение направления потоков осуществляют между участком линии нагнетания 6 с теплогенератором 4 и обводной линией 5 при помощи клапана 7, автоматически открывающего обводную линию 5 и закрывающего участок линии нагнетания 6 с теплогенератором 4 при температуре воды выше температуры замерзания, а при приближении температуры воды к температуре замерзания перекрывающего обводную линию 5 и открывающего участок линии нагнетания 6 с теплогенератором 4. Используемый для изменения направления потока клапан 7 подробно описан в примере практического применения. Для исключения потерь тепла производят утепление устьевой арматуры 1, водовода 2 и теплогенератора 4 с использованием теплоизолирующих материалов. Для улучшения теплоизоляции устьевую арматуру 1 и водовод 2 в местах вероятного замерзания изготавливают с использованием, например, термоизолированных труб с вакуум-экранным типом изоляции. Каждая отдельная труба (на фиг.1 показано условно) с вакуум-экранным типом изоляции изготовлена из внутренней и наружной трубы, в межтрубном пространстве создан вакуум 1·10 мм рт. ст., выполняющий роль термоизоляционного слоя. Могут быть использованы термоизолированные трубы с вакуум-экранным типом изоляции, соответствующие требованиям ТУ 3665-003-59177165-2003, изготавливаемые ЗАО «Экогермет-У», г.Ижевск. Применение таких труб исключает необходимость повторной теплоизоляции после ремонтных работ в скважине, связанных с разборкой скважинной арматуры, в отличие от использования обычных теплоизоляционных материалов, например пенополиэтилена, применение которого показано в статье (Жеребцов Е.П., Кадыров P.P., Юсупов И.Г. и др. Использование тепла грунта для предупреждения замерзания устья нагнетательных скважин // «Нефтяное хозяйство». - 1998. - №7. - С.49-51). Для предотвращения замерзания самого теплогенератора 4 он может быть установлен ниже границы промерзания грунта. Например, для условий Ромашкинского месторождения углеводородов (Республика Татарстан) зона устойчивых положительных температур находится на глубине 1,6 м и ниже. Предлагаемый способ может эффективно применяться для предотвращения замерзания устьевой арматуры 1 и водовода 2 водонагнетательных скважин, к которым не подведено электричество.
Для реализации способа водонагнетательную скважину 3 соединяют с водоводом 2 по двум линиям 5 и 6 соответственно - через клапан 7, а также через клапан 7 и термогенератор 4. Во время года с положительной температурой, когда вероятность замерзания устьевой арматуры 1 и водовода 2 отсутствует, нагнетание воды в скважину 3 производят через клапан 7, минуя теплогенератор 4. Во время года с отрицательной температурой, когда существует вероятность замерзания устьевой арматуры 1 и водовода 2, нагнетание воды в скважину 3 производят через клапан 7 и теплогенератор 4. Теплогенератор 4 обеспечивает нагрев нагнетаемой воды при дросселировании из-за уменьшения сечения канала, по которому движется закачиваемая насосами системы поддержания пластового давления вода, при этом происходит торможение потока и интенсивно выделяется тепло. Теплогенератор 4 также обеспечивает создание в потоке закачиваемой воды кавитационных пузырей, при последующем схлопывании которых происходит повышение температуры.
Клапан для осуществления способа включает корпус 8 с входным 9 и основным выходным 10 патрубками, основное седло 11, основной запорный орган 12, силовой термочувствительный элемент 13 и шток 14, поджатый пружиной 15. Корпус 8 оснащен дополнительным выходным патрубком 16 с дополнительным седлом 17, размещенным с противоположной относительно основного седла 11 стороны корпуса 8, на штоке 14, оснащенном с одной стороны дополнительным запорным органом 18, зафиксирован основной запорный орган 12 со стороны соответствующего седла 11 и противоположной стороны дополнительного запорного органа 18, причем шток 14 поджат пружиной 15 в сторону дополнительного седла 17, а силовой термочувствительный элемент 13 выполнен в виде пружины из материала с эффектом памяти, герметично прижимающей основной запорный орган 12 со штоком 14 при повышении определенного практически значения температуры к основному седлу 11, а пружина 15 выполнена с возможностью герметичного прижатия дополнительного запорного органа 18 со штоком 14 при снижении ниже определенного практически значения температуры к дополнительному седлу 17. Входной патрубок 9 сообщен с водоводом 2 (фиг.1), основной выходной патрубок 10 (фиг.2) - с линией нагнетания 6 с теплогенератором 4, а дополнительный выходной патрубок 16 (фиг.2) - с обводной линией 5 (фиг.1).
Во время года с отрицательной температурой, когда существует вероятность замерзания устьевой арматуры 1 (фиг.1) и водовода 2, силовой термочувствительный элемент 13 (фиг.2) омывает закачиваемая вода с температурой, близкой к температуре замерзания, и он находится в сжатом состоянии. При этом пружина 15 перемещает шток 14 с дополнительным запорным органом 18 до перекрытия последним дополнительного седла 17. При перекрытии дополнительного седла 17 закачиваемая вода через основное седло 11 и основной выходной патрубок 10 идет на теплогенератор 4 (см. фиг.1), и после подогрева поступает в скважину 3. С приходом времени года с положительной температурой, когда вероятность замерзания устьевой арматуры 1 и водовода 2 отсутствует, силовой термочувствительный элемент 13 (фиг.2) омывает закачиваемая вода и с повышением температуры последней он начинает разжиматься (растягиваться). При растяжении силового термочувствительного элемента 13 пружину 15, наоборот, сжимает. При этом происходит перемещение штока 14 с основным запорным органом 12 до перекрытия последним основного седла 11. При перекрытии основного седла 11 закачиваемая вода через дополнительное седло 17 и дополнительный выходной патрубок 16 поступает в скважину 3, минуя теплогенератор 4, по обводной линии 5 (фиг.1). Это приводит к снижению гидравлического сопротивления и потерь напора нагнетаемой воды.
Использование предлагаемого способа позволяет исключить вероятность замерзания устьевой арматуры скважины при охлаждении грунта вблизи скважины как в наиболее близком аналоге и повысить эффективность способа путем исключения необходимости использования тепла грунта. Также предлагаемый способ более прост в исполнении и позволяет снизить стоимость используемого оборудования на 20-30%. Способ позволяет предотвратить замерзание устьевой арматуры водонагнетательных скважин, работающих под закачку пресной воды, и ввести в действие во время года с отрицательной температурой окружающей среды ранее простаивающие из-за замерзания водонагнетательные скважины. Ввод в действие ранее простаивающих из-за замерзания водонагнетательных скважин приводит к увеличению охвата продуктивных пластов заводнением и росту добычи углеводородов на 5-15%.