СПОСОБ ЛИКВИДАЦИИ И ПРЕКРАЩЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩЕЙ СКВАЖИНЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR LIQUIDATION AND STOPPAGE OF POLLUTION BY OIL AND GAS PRODUCING WELL AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано для интенсификации добычи углеводородного сырья с большим содержанием парафинов.
Применение технологий очистки парафиновых и гидратно-парафиновых отложений на стенках колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) является необходимым условием добычи тяжелой нефти и сопутствующего газа, особенно в северных регионах и на месторождениях морского шельфа. В качестве одной из основных проблем, препятствующих интенсификации добычи и повышению извлекаемости углеводородного сырья на таких промыслах, следует выделить нарастание отложений парафинов на участках НКТ с пониженной температурой и значительным начальным загрязнением внутренних стенок, что приводит к уменьшению эффективного сечения трубопровода и, в конечном счете, к образованию парафиновых пробок разряженной структуры и прекращению добычи.
Известны способы акустического и термоакустического воздействия на скважинный флюид с целью улучшения текучести и изменения реологических свойств тяжелой нефти в районе продуктивных пропластков, описанные, например, в патентах РФ [1, 2, 3]. Использование известных способов термоакустической интенсификации добычи углеводородного сырья обеспечивает улучшение фильтрационных свойств продуктивной зоны при условии постоянного или периодического воздействия. Однако, в условиях добычи высоковязкой нефти при пониженной температуре, в этом случае наблюдается нарастание парафиновых отложений с последующим образованием пробок, препятствующих дальнейшей эксплуатации скважины.
Отмеченный недостаток обусловлен отложением парафинов на внутренних стенках колонны НКТ при транспортировки флюида к устьевому оборудованию скважины в зонах пониженной температуры и на участках с имеющимися загрязнениями. В результате уменьшается эффективное сечение НКТ и снижается дебит скважины.
При известных зонах интенсивного образования парафиновых отложений в НКТ могут быть использованы стационарно установленные ультразвуковые излучатели в заданных интервалах трубопровода, согласно технологиям, изложенным в патентах РФ [4, 5]. Применение известных технологий позволяет обеспечить очистку выявленных критических зон посредством постоянного возбуждения установленных в составе НКТ ультразвуковых излучателей от наземного технологического генератора по соединительным кабелям, стационарно установленным в затрубном пространстве. Недостатком такого оборудования является необходимость его постоянного использования для каждой скважины и соответственно большое количество оборудования для отдельного промысла. Кроме того, принципиальным ограничителем при стационарной установке ультразвуковых излучателей в отдельных зонах НКТ является возможность нарастания отложений парафина на других участках и образование гидратно-парафиновой пробки в другой зоне.
До настоящего времени внедрение перспективных методов термоакустической очистки, например, известных из [6], было ограничено большими габаритами скважинных приборов, пригодных только для спускоподъемных операций по обсадной колонне скважины.
Наиболее близким к предлагаемому способу термоакустической очистки нефтегазодобывающей скважины и устройству для его реализации является способ ликвидации и предотвращения асфальтопарафиновых пробок в нефтегазовых скважинах и установка для его осуществления, описанная в патенте РФ №2338868 [7].
Способ-прототип включает введение в НКТ нагревателя и формирование тепловыделения по его длине таким образом, что в первой верхней зоне тепловыделение распределено равномерно по длине верхней протяженной части нагревателя, а во второй нижней части нагревателя мощность тепловыделения на единицу длины выше, чем в первой зоне, поэтому достигается более интенсивный разогрев части нагревателя, взаимодействующей с асфальтопарафиновыми образованиями при движении скважинного прибора вниз по НКТ.
Установка для реализации способа-прототипа содержит наземную станцию, в состав которой входит регулируемый источник постоянного напряжения с электропитанием от промышленной электросети, соединенный входом управления с выходом контроллера управления, входы которого соединены с выходами датчиков контроля напряжения и тока. Выходы регулируемого источника постоянного напряжения соединены через жилы соединительного грузонесущего кабеля с входами первого и второго нагревателей в составе верхней и нижней части скважинного нагревателя соответственно. Режимы работы и конструктивное выполнение первого и второго нагревателей обеспечивают равномерный разогрев верхнего отсека и интенсивный разогрев нижнего отсека скважинного прибора.
В свою очередь, информация с датчиков контроля напряжения и тока используются контроллером управления для изменения параметров выходного напряжения регулируемого источника с целью оптимизации режимов работы нагревателей в составе скважинного прибора.
Особенностью работы устройства-прототипа является обеспечение интенсивного нагрева в нижней части нагревателя и распределенного нагрева в верхней протяженной части. Реализация распределенного нагрева для растепления флюида всего пройденного объема скважины обеспечивается нагреванием протяженной верхней части нагревателя, выполненной в виде нагревательного кабеля, две жилы которого закорочены в нижней части. Для интенсивного нагрева в зоне проходки (в нижней части) используется специальный сосредоточенный нагревательный элемент, включенный между точкой соединения двух жил и третьей дополнительной токопроводящей жилой.
Преимуществом способа-прототипа и установки для его реализации по сравнению с известными техническими аналогами является оптимизация режимов нагрева в нижней и верхней части скважинного устройства, что улучшает условия проходки парафиновых уплотнений посредством интенсивного разогрева нижней части и равномерного нагрева протяженной верхней части для растепления пройденного участка НКТ и извлечения продуктов очистки.
В качестве недостатков способа прототипа и реализующего его устройства следует выделить два фактора. Во-первых, интенсивный нагрев загрязняющих отложений посредством только термического воздействия требует повышенной температуры в нижней части до (200-250)°С, что может приводить к образованию дополнительных загрязнений на стенках НКТ и на поверхности нижней части скважинного нагревателя за счет твердых отложений вследствие повышенной температуры. В результате ухудшается теплопередача от нагревателя во внутренний объем НКТ и затрудняется последующая очистка внутренних стенок колонны. Во-вторых, удаление продуктов очистки только методом растепления при большой протяженности загрязняющих отложений требует значительной длинны верхней части нагревателя, которая практически должна быть равна максимальной глубине проходки. При этом требуется большой расход энергии для обеспечения текучести флюида. Кроме того, очистка внутренних стенок колонны только методом растепления не позволяет устранить в полной мере имеющиеся отложения, тем более с учетом наличия дополнительных загрязнений, обусловленных действием первого фактора.
Выделенные недостатки снижают эффективность применения способа-прототипа в части восстановления эксплуатационных характеристик скважины и не позволяют увеличить межремонтный период.
Указанные недостатки еще более усугубляются при очистке колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) для скважин фонтанного и газлифтного способов добычи нефти и газа.
Для эффективной эксплуатации таких скважин необходимо поддерживать эффективное сечение НКТ, наличие загрязнение которых значительно ухудшает эксплуатационные характеристики скважин. Причем, остаточные загрязнения внутренних стенок способствуют повторному наращиванию загрязняющих отложений, что приводит к сокращению межремонтного периода и уменьшению результирующего дебита.
Задачей изобретения является повышение эффективности очистки и предупреждения загрязнений нефтегазодобывающих скважин.
Технический результат от использования изобретения заключается в обеспечении эффективной очистки и растворения загрязнителя, обеспечении вибрационного отслоения пристеночных отложений, чем достигается улучшение теплопередачи, устранение возможных налипаний и дополнительных загрязнений на стенке скважинного прибора и внутренних стенках скважины, обеспечение текучести загрязнителя при пониженной температуре и извлечение его из скважины без необходимости дополнительного обогрева всего объема скважинного флюида, уменьшении энергозатрат на проведение технологической операции и увеличение межремонтных периодов работы.
Для достижении указанного технического результата в способ ликвидации и предотвращения загрязнений в нефтегазодобывающей скважине, включающий введение во внутренний объем нефтегазодобывающей скважины нагревателя, имеющего равномерное тепловыделение в верхней его части и интенсивное тепловыделение в нижней части, при электропитании по линии энергоснабжения регулируемым током, причем, по результату контроля величин напряжения и тока на входе линии электропитания устанавливают наиболее эффективные режимы электроснабжения нагревателя, введены новые признаки, а именно: нагреватель совмещается со скважинным прибором, при этом в верхнем отсеке скважинного прибора размещенным в нем акустическим излучателем поперечных колебаний излучают акустические колебания в плоскости, перпендикулярной оси скважинного прибора, создавая при этом равномерное тепловыделение на стенках нефтегазодобывающей скважины, в нижнем отсеке скважинного прибора размещенным в нем акустическим излучателем продольных колебаний излучают акустические колебания, направленные вниз по оси скважинного прибора, создавая таким образом термоакустическое воздействие на загрязнения нефтегазодобывающей скважины, а электропитание обоих акустических излучателей осуществляют по линии энергоснабжения переменным током технологического диапазона частот (0,5-50) кГц, при этом производят дополнительный контроль напряжения и тока на входах линии энергоснабжения переменным током, по результатам которого устанавливают параметры термоакустического воздействия.
Для реализации заявленного способа с обеспечение указанного технического результата в устройство для ликвидации и предотвращения загрязнений в нефтегазодобывающей скважине, содержащее нагреватель, наземную станцию управления, в состав которой входят управляемый источник постоянного тока, силовой вход которого соединен с сетью электропитания, а вход управления соединен с выходом контроллера управления постоянным током, первый и второй входы контроллера управления соединены с датчиком постоянного тока и датчиком постоянного напряжения соответственно, также введены новые признаки, в том числе: нагреватель выполнен в виде скважинного прибора, в верхнем отсеке которого установлен излучатель поперечных колебаний, а в нижнем отсеке размещены нагревательный элемент и акустический излучатель продольных колебаний, причем в наземную станцию управления введен технологический генератор переменного тока, силовой вход которого соединен с сетью электропитания, вход управления технологического генератора переменного тока соединен с выходом контроллера управления переменным током, первый и второй входы которого соединены с выходами датчиков переменного тока и переменного напряжения, выход технологического генератора переменного напряжения соединен через кабельную линию передачи переменного тока со входом акустического излучателя поперечных колебаний и со входом акустического излучателя осевых колебаний, причем вход нагревательного элемента соединен через кабельную линию передачи постоянного тока с выходом управляемого источника постоянного тока
В предлагаемом способе достижение технического результата обеспечивается путем использования дополнительно к термическому воздействию акустического воздействия в продольном направлении и акустической очисткой поперечными колебаниями внутренних стенок скважины.
В условиях вязкой среды скважинного флюида продольные акустические колебания являются эффективным средством растепления парафиновых отложений для обеспечения проходки скважинного прибора даже при пониженной температуре нагрева. В свою очередь поперечные акустические колебания дополнительно к растеплению парафиновых отложений на внутренних стенках скважины обеспечивают акустическую очистку от загрязнителя и перемешивание скважинного флюида, что улучшает условия его транспортировки для выноса из внутреннего объема НКТ.
Для оптимизации работы акустического излучателя поперечных колебаний он снабжен датчиком амплитуды акустических колебаний, контрольный сигнал которого в виде знакопостоянного напряжения используют для коррекции частоты переменного тока из условия максимальной амплитуды акустических колебаний, для чего в верхнем отсеке скважинного прибора имеется устройство контроля, а в составе наземной станции имеется устройство кабельной развязки, выход которого соединен с третьим входом контроллера управления переменным током, причем вход устройства кабельной развязки соединен с кабельной линией передачи переменного тока, а выход датчика амплитуды колебаний соединен с кабельной линией передачи переменного тока через устройство контроля.
Для снижения электрозатрат в нижнем отсеке скважинного прибора установлен терморезистор, включенный между линиями электропитания переменным и постоянным током, по результату контроля сопротивления которого корректируют параметры напряжения электропитания нагревателя, при этом в состав наземной станции введен датчик температуры, входы которого включены между кабельными линиями постоянного и переменного тока для измерения сопротивления терморезистора, причем выход датчика температуры соединен с третьим входом контроллера управления постоянным током.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой приведена структурная схема заявленного устройства.
Устройство ликвидации и предотвращения загрязнений в нефтегазодобывающей скважине (фиг.1) содержит наземную станцию 1, в состав которой входит управляемый источник 1.1 постоянного тока, контроллер 1.4 управления постоянным током, датчики 1.2 и 1.3 постоянного напряжения и тока, датчик 1.5 температуры, управляемый технологический генератор 1.10, контроллер 1.9 управления переменным током, датчики 1.6 и 1.7 переменного тока и переменного напряжения, устройство 1.8 кабельной развязки.
Связь наземной станции 1 со скважинным прибором 3 осуществляется кабелем 2, имеющим линию 2.1 постоянного тока и линию 2.2 переменного тока. Скважинный прибор 3 содержит два отсека. В верхнем отсеке размещен акустический излучатель 3.2 поперечных колебаний, снабженный датчиком 3.5 амплитуды колебаний, и устройство 3.4 контроля, знакопостоянный сигнал с выхода которого передается по линии переменного тока на вход устройства 1.8 кабельной развязки в составе наземной станции.
В нижнем отсеке размещен акустический излучатель 3.3 осевых колебаний, нагревательный элемент 3.1 и терморезистор 3.6.
Знакопостоянный сигнал с выхода устройства 3.4 контроля, соединенного с датчиком 3.5 амплитуды колебаний, передается по линии 2.2 переменного тока на вход устройства кабельной развязки в составе наземной станции. В результате, на соответствующий вход контроллера 1.9 переменного тока поступает информация о величине амплитуды колебаний, которая используется для настройки частоты переменного тока возбуждения акустического излучателя 3.2, исходя из достижения максимально допустимой амплитуды колебаний.
Электропитание акустических излучателей 3.2 и 3.3 обеспечивается переменным током в диапазоне частот (0,5-50,0) кГц параллельно от технологического генератора 1.10 по кабельной линии 2.2 переменного тока. Электропитание нагревательного элемента 3.1 реализует управляемый источник 1.1 по линии 2.1 постоянного тока. Оптимальные режимы энергоснабжения по кабельным линиям 2.1 и 2.2 постоянного и переменного тока устанавливаются контроллерами управления 1.4 и 1.9 по данным измерения тока и напряжения на входах кабельных линий 2.1 и 2.2 постоянного и переменного тока по данным датчиков 1.2, 1.3 и 1.6, 1.7.
Излучатель 3.2 поперечных колебаний обеспечивает равномерное растепление парафиновых отложений на стенках НКТ, а также их акустическую очистку и перемешивание загрязнителя в скважинном флюиде.
Излучатель 3.3 осевых колебаний эффективно дополняет действия интенсивного нагрева среды в нижней части скважинного прибора за счет теплового выделения в вязкой среде.
Уточнение режима работы нагревательного элемента 3.1 производится с помощью терморезистора 3.6, измерение сопротивления которого датчиком 1.5 температуры в составе наземной аппаратуры через контроллер 1.4 используется для управления величиной выходного тока источника 1.1.
Управляемый источник 1.1 постоянного напряжения и технологический генератор 1.10 обеспечивают формирование гальванически развязанных напряжений, соответственно, постоянного и переменного тока.
В результате, в предлагаемом устройстве реализуются две дополнительные линии передачи информации: линия передачи знакопостоянного сигнала от датчика 3.5 амплитуды колебаний через устройство 3.4 контроля и устройство 1.8 кабельной развязки по линии переменного тока с использованием известного принципа частотного разделения постоянного и переменного напряжения; линия передачи информации о температуре от терморезистора 3.6 к датчику 1.5 температуры с получением контрольного сигнала по результату измерения сопротивления между линиями переменного и постоянного тока.
Предложенные средства передачи дополнительной информации о режимах скважинного прибора позволяют исключить использованием сложных средств передачи информационных сигналов и обеспечить надежность работы скважинного прибора в условиях высокой температуры (до 150-200°С) и значительного статического давления (до 300-400 атм).
Устройство для реализации предлагаемого способа предполагает использование в качестве кабельного соединителя типового трехжильного геофизического кабеля КГ-3. В качестве кабельной линии 2.2 энергоснабжения применяются две токоведущие жилы кабеля. Третья жила и броня кабеля формируют линию 2.1 энергоснабжения постоянным током.
Энергообеспечение по линии постоянного тока может быть выполнено управляемым мощным источником электропитания, например серии GEN LAMBDA 600/20 (600 В, 20 А). Для возбуждения акустических излучателей в диапазоне рабочих частот в качестве генераторного устройства необходимо применение мощного инвертора, управляемого как по частоте тока, так и по амплитуде, например разработки нашего предприятия (прибор ГУ-06). Контроллеры управления выходными параметрами источника электропитания и генераторного устройства могут быть реализованы от ЭВМ по цифровому интерфейсу в автоматическом режиме с учетом контрольных данных соответствующих датчиков, аналоговые сигналы которых поступают через АЦП на информационные входы ЭВМ.
Для режима ручного управления датчики контроля должны быть снабжены индикаторами контролируемых величин по результату данных контроля. Регулировку выходных параметров источника электропитания и генераторного устройства производит оператор в соответствии с заданными режимами работы.
Скважинный прибор должен быть выполнен в виде оптекаемого цилиндрического снаряда, диаметр которого (не более 50 мм) соответствует условиям спускоподъемных операций по колонне НКТ 2,5 дюйма. Длина скважинного прибора не должна превышать 2500 мм, что соответствует требованиям ввода через лубрикаторную камеру в условиях наличия давления на устье скважины (до 50…100 атм). Скважинный прибор выполняется в металлическом (титановом) корпусе, отвечающем условию взрывобезопасности. Внутренний объем скважинного прибора заполняется высокотемпературной изолирующей жидкостью (например, кремнеорганическая жидкость). Акустические излучатели размещаются в отсеках, имеющих тонкостенные звукопрозрачные стенки и снабженных компенсаторами статического давления (до 350 атм). Нагревательный элемент может быть выполнен в виде нагревательной спирали, размещенной на трубчатом термостойком изоляторе, через внутреннее отверстие которого проходит концентратор, соединенный с носовой частью нижнего отсека с одной стороны и накладкой продольного акустического излучателя с другой стороны. Акустический излучатель продольных колебаний может представлять стержневой акустический преобразователь, реализованный на макете пьезоэлектрических дисковых элементов.
Акустический излучатель поперечных колебаний может быть реализован на соосно расположенных цилиндрических пьезоэлектрических преобразователях, обеспечивающих синфазные радиальные колебания под воздействием возбуждающего напряжения технологического диапазона частот. В составе такой цепочки преобразователей один из них может быть включен в качестве датчика амплитуды акустических колебаний, выход которого подключается к устройству контроля. В устройстве контроля по известным правилам с использованием, например, диодного детектора формируется знакопостоянное напряжение, пропорциональное амплитуде сигнала с выхода датчика. Далее через индуктивную развязку и емкостные элементы фильтрации знакопостоянный сигнал может быть передан к устройству кабельной развязки в составе наземной станции.
Рассмотренные известные приемы для реализации предложенных в заявленном устройстве блоков успешно используются при изготовлении скважинных геофизических приборов и, в частности, при реализации скважинных акустических излучателей, описанных в пат. РФ №2309347 [1].
Способ ликвидации и предотвращения загрязнений в нефтегазодобывающей скважине целесообразно рассмотреть одновременно с описанием работы реализующего его устройства. Скважинный прибор 3 соединяется с наземной станцией 1 через кабель 2 соединительный (геофизический кабель КГ-3), размещенный на геофизическом подъемнике. Далее через устьевое оборудование скважины скважинный прибор 3 вводят в скважину. Подают электропитание от управляемого источника 1.1 и от технологического генератора 1.10, соответственно, для энергоснабжения нагревательного элемента 3.1 акустических излучателей 3.2 и 3.3. С учетом показаний датчиков 1.2, 1.3 и 1.6, 1.7 контроллерами 1.4 и 1.9 устанавливают заданные режимы энергоснабжения по линиям постоянного и переменного тока. В ходе спускоподъемных операций с учетом сигнала датчика 3.5 амплитуды колебаний корректируют частоту возбуждения акустических излучателей 3.2, 3.3 из условия достижения максимальной амплитуды колебаний, излучателя 3.2 для повышения эффективности акустической очистки и уточняют уровень напряжения на входе кабельной линии 2.2 переменного тока из условия поддержания максимально допустимой амплитуды колебаний. По данным от датчика 1.5 температуры уточняют параметры энергоснабжения по линии 2.1 постоянного тока.
Результатом термоакустической отработки за счет нагрева и осевых акустических колебаний в нижнем отсеке скважинного прибора облегчается проходка парафиновых уплотнений и пробок даже в условиях пониженной температуры нагрева. В свою очередь, равномерное растепление и акустическая очистка, реализованная поперечными акустическими колебаниями в верхнем отсеке, обеспечивают устранение загрязнений с внутренних стенок скважины. Дополнительное акустическое перемешивание загрязнителя в скважинном флюиде позволяет улучшить текучесть, уменьшить вязкость и обеспечить извлечение флюида с загрязнителем без дополнительного нагрева всего пройденного объема скважины.
При этом, по сравнению с известными устройствами и устройством-прототипом достигается повышение качества очистки внутренних стенок, восстановление и повышение эксплуатационных характеристик скважины, увеличение межремонтного периода.
В целом, использование предлагаемого способа и устройства для его реализации, по сравнению с известными аналогами, обеспечивает повышение эффективности ремонтных операций не мене чем на 20% при сокращении энергоемкости ремонта не менее чем в два раза.
На нашем предприятии изготовлен и проходит стендовые испытания опытный образец предлагаемого устройства, результаты которых подтверждают реализуемость и эффективность предлагаемого способа и устройства для его осуществления.
Источники информации
1. Патент РФ на изобретение №2309247. «Способ акустического воздействия на продуктивную зону скважины по интервалам перфорации и устройство для его реализации». Опубликован 27.10.2007 г.
2. Патент РФ на изобретение №2267601. «Способ и установка для воздействия на призабойную зону пласта в процессе добычи нефти». Опубликован 10.01.2006 г.
3. Патент РФ на изобретение №2355878. Способ повышения нефтеотдачи пласта. Опубликован 10.07.2008 г.
4. Патент РФ на полезную модель №62159. Устройство для акустического воздействия на парафиновые отложения на стенках НКТ в промысловых скважинах. Опубликован 27.03.2007 г.
5. Патент РФ на изобретение №2106480. Способ удаления парафиновых отложений со стенок насосно-компрессорных труб. Опубликован 10.03.1998 г.
6. Патент РФ на изобретение №2353759. Устройство для акустического воздействия на стенки скважины. Опубликован 27.04.2009 г.
7. Патент РФ на изобретение №2338868 (прототип). Способ ликвидации и предотвращения асфальтно-парафиновых пробок в нефтяных скважинах и установка для его осуществления. Опубликован 10.05.2008 г.