СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРОЙ КУСТА СКВАЖИН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF CONTROLLING SHUTOFF AND CONTROL VALVES OF WELL CLUSTER AND DEVICE THEREFOR

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при разработке устройств для автоматического управления технологическими процессами и предназначено повысить надежность эксплуатации скважин месторождения углеводородного сырья, преимущественно газовых или газоконденсатных.
Известен способ управления фонтанными арматурами куста скважин, заключающийся в открытии и закрытии фонтанной арматуры куста скважин путем независимой подачи рабочего тела в исполнительные механизмы боковых и стволовых задвижек, подземных клапанов-отсекателей и клапанов, регулирующих дебет каждой скважины при помощи системы, содержащей приборы КиП и А, исполнительные механизмы и установленной в шкафу станции, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела для управления приводами исполнительных механизмов используют жидкость, рабочее давление которой предварительно создают в пневмогидроаккумуляторах давления, объединенных с баком рабочего тела, насосами, регуляторами давления и мультипликаторами в насосно-аккумуляторную установку, а открытие фонтанной арматуры для подачи газового конденсата из скважины осуществляют в следующей последовательности: подземный клапан-отсекатель, стволовая задвижка, боковая задвижка, закрытие - в обратном порядке с задержкой времени, определяемой инертностью приводов исполнительных механизмов и безопасностью работы системы (Патент РФ №2362004, МПК Е21В 33/03, 43/12).
Указанный способ реализуется следующим образом.
Предварительно в пневмогидроаккумуляторах давления, объединенных с баком рабочего тела, насосами, регуляторами давления и мультипликаторами в насосно-аккумуляторную установку, создают давление жидкости, используемой в станции управления в качестве рабочего тела. Использование пневмогидроаккумуляторов давления позволит поддерживать давление рабочего тела в системе в случае отключения станции от сети питания как минимум до 3-х раз. Далее жидкость под давлением поступает в исполнительные механизмы системы для дальнейшего использования. Открытие фонтанной арматуры для подачи газового конденсата из скважины осуществляют в следующей последовательности: подземный клапан-отсекатель, стволовая задвижка, боковая задвижка, закрытие - в обратном порядке с задержкой времени, определяемой инертностью приводов исполнительных механизмов и безопасностью работы системы, т.к. именно такая последовательность действий при открытии/закрытии обеспечивает безаварийное открытие/закрытие скважины. Динамику работы системы управления фонтанными арматурами определяют характеристиками дополнительных аккумуляторов давления и регулировкой дросселей, установленных на линии подачи рабочей жидкости в приводы исполнительных механизмов, и подбирают таким образом, чтобы обеспечить безаварийное закрытие скважины в заданной последовательности. Жидкость, используемая в качестве рабочего тела, после использования в исполнительных механизмах системы поступает в бак гидравлический рабочего тела.
Для реализации указанного способа предложена станция управления фонтанными арматурами, содержащая шкаф станции, в котором смонтирована гидравлическая система для управления фонтанной арматурой и подземным клапаном-отсекателем скважин, содержащая приборы КиП и А, исполнительные механизмы, распределители с приводом и с полостями входа, выхода и дренажа, установленными как по линии управления стволовой и боковой задвижками, так и по линии управления подземным клапаном-отсекателем, отличающееся тем, что в гидравлической системе установлены аккумуляторы давления, соединенные с баком рабочего тела, насосами, регуляторами давления, мультипликаторами и трубопроводами для подачи рабочей жидкости в исполнительные механизмы боковой задвижки, стволовой задвижки, подземного клапана-отсекателя и клапана, регулирующего дебет скважины (Патент РФ№2362004, МПК Е21В 33/03, Е21В 43/12).
Основными недостатками данного устройства является то, что в этом случае запорно-регулирующая арматура, принадлежащая кусту скважин, в частности, шлейфовая и факельная и задвижки, управляется автономно, по отдельным командам, независимо от подземного клапана-отсекателя, стволовой и боковой задвижек, которые управляются по командам от шкафа управления станции, что снижает надежность работы всей системы в целом. Кроме этого, при установке данного устройства на кусте скважин требуется значительное время, обусловленное необходимостью установки и настройки в полевых условиях каждого элемента обвязки скважин, что также приводит к значительным материальным и временным затратам.
Известен способ управления запорно-регулирующей арматурой куста скважин, содержащего, как минимум, одну скважину, преимущественно две скважины, заключающийся в открытии и закрытии запорно-регулирующей арматуры куста скважин путем независимой подачи рабочего тела в исполнительные механизмы запорно-регулирующей арматуры обвязки каждой скважины, подземных клапанов-отсекателей и клапанов, регулирующих дебет каждой скважины при помощи системы, содержащей приборы КиП и А, исполнительные механизмы и установленной в шкафу станции, при этом в качестве рабочего тела для управления приводами исполнительных механизмов используют жидкость, рабочее давление которой предварительно создают в пневмогидроаккумуляторах давления, объединенных с баком рабочего тела, насосами, регуляторами давления и мультипликаторами в насосно-аккумуляторную установку, размещенную в шкафу управления, при этом открытие фонтанной арматуры для подачи пластового флюида из скважины осуществляют в определенной последовательности с задержкой времени, определяемой технологическим регламентом и инертностью приводов исполнительных механизмов, а также безопасностью работы системы, при этом рабочую жидкость из насосно-акумуляторной установки шкафа управления дополнительно подают в исполнительные механизмы запорно-регулирующей арматуры, принадлежащей кусту скважин, например, в регулирующие клапаны для обеспечения заданного дебита и давления пластового флюида после фонтанной арматуры, размещаемые, например, на фонтанных арматурах или трубопроводах обвязки скважин, а также на факельные задвижки системы технологических и аварийных сбросов, например, на горизонтальные горелочные устройства, шлейфовые задвижки системы сброса добываемого пластового флюида в коллектор, которые при этом размещают на трубопроводах в непосредственной близости от шкафа управления, например, на одной общей раме со шкафом управления, причем открытие запорно-регулирующей арматуры каждой скважины для подачи пластового флюида из скважины в коллектор осуществляют в следующей последовательности: подземный клапан-отсекатель, стволовая задвижка, шлейфовая задвижка, боковая задвижка, закрытие - в обратном порядке, с введением системы блокировок как электрических, так и гидравлических, для обеспечения указанной последовательности, причем данный алгоритм открытия/закрытия скважины задают заранее, например, при помощи программного обеспечения, при этом подачу рабочей жидкости в исполнительные механизмы факельной задвижки и углового дроссельного клапана осуществляют по мере необходимости, например, при сбросе расхода пластового флюида на факельную установку, или регулировании дебита скважины соответственно.
Для реализации указанного способа используется устройство, содержащее шкаф станции, в котором смонтирована гидравлическая система для управления фонтанной арматурой и подземным клапаном-отсекателем скважин, содержащая приборы КиП и А, исполнительные механизмы, распределители с приводом и с полостями входа, выхода и дренажа, установленными как по линии управления стволовыми и боковыми задвижками, так и по линии управления подземными клапанами-отсекателями, причем в гидравлической системе установлены аккумуляторы давления, соединенные с баком рабочего тела, насосами, регуляторами давления, мультипликаторами и трубопроводами для подачи рабочей жидкости в исполнительные механизмы боковых и стволовых задвижек, подземных клапанов-отсекателей и клапанов, регулирующих дебет каждой скважины, при этом в шкафу дополнительно смонтированы линии управления шлейфовыми и, например, факельными задвижками, при этом шлейфовые и факельные задвижки установлены на трубопроводах в непосредственной близости от шкафа управления, например, на одной общей раме (патент РФ №2453686, Заявка №2010146722/03 от 18.11.2010, МПК Е21В 43/12, Е21В 34/16 - прототип).
При реализации способа осуществляют открытие и закрытие запорно-регулирующей арматуры куста скважин путем независимой подачи рабочего тела в исполнительные механизмы запорно-регулирующей арматуры и подземных клапанов-отсекателей в заданной последовательности, а также клапанов, регулирующих дебет каждой скважины. Способ осуществляют при помощи смонтированной в шкафу станции управления, включающей приборы КиП и А, а также гидравлическую систему. Гидравлическая система содержит пневмогидроаккумуляторы давления, объединенные с баком рабочего тела, насосами, регуляторами давления и мультипликаторами, и выполнена с возможностью управления исполнительными механизмами запорно-регулирующей арматуры с задержкой времени и в определенной последовательности. При этом в шкафу станции дополнительно смонтированы линии управления шлейфовыми и факельными задвижками, которые установлены на трубопроводах в непосредственной близости от шкафа управления, например на одной общей раме.
Недостатками являются сложность конструкции, обусловленная наличием гидравлических приводов запорно-регулирующей арматуры, необходимость организации обогрева оборудования в специальных термошкафах.
Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, повышение надежности работы запорно-регулирующей арматуры всей обвязки скважины, обеспечение автономной работы комплекса обвязки куста газовых скважин на неэлектрофицированных месторождениях и снижение затрат, связанных с обвязкой и эксплуатацией скважин.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном способе управления запорно-регулирующей арматурой куста скважин, содержащего, как минимум, одну скважину, заключающемся в открытии и закрытии запорно-регулирующей арматуры куста скважин путем приведения в действие соответствующих исполнительных механизмов запорно-регулирующей арматуры, подземных клапанов-отсекателей и клапанов, регулирующих дебет каждой скважины при помощи системы, содержащей приборы КиП и А, исполнительные механизмы и установленной в шкафу станции, причем в качестве рабочего тела для управления приводом, по крайней мере, одного исполнительного механизма используют жидкость, рабочее давление которой предварительно создают в гидравлической установке высокого давления, содержащей оборудование для повышения давления жидкости, и размещенной в шкафу управления, при этом факельные задвижки системы технологических и аварийных сбросов на горизонтальные горелочные устройства, шлейфовые задвижки системы сброса добываемого пластового флюида в коллектор размещают на трубопроводах в непосредственной близости от шкафа управления на одной общей раме со шкафом управления, причем открытие запорно-регулирующей арматуры каждой скважины для подачи пластового флюида из скважины в коллектор осуществляют в последовательности, определенной технологическим процессом, закрытие - в обратном порядке, с введением системы блокировок как электрических, так и гидравлических, для обеспечения указанной последовательности, при этом данный алгоритм открытия/закрытия скважины задают заранее, предпочтительно, при помощи программного обеспечения, согласно изобретению, рабочую жидкость из гидравлической установки высокого давления подают в исполнительные механизмы подземных клапанов-отсекателей, при этом приводы исполнительных механизмов углового дросселирующего клапана и шлейфовой задвижки выполняют электрическими, а приводы исполнительных механизмов стволовой и боковой задвижек, размещаемых на фонтанной арматуре, выполняют или гидравлическими или электрическими.
В варианте применения способа, в качестве источника автономного электрического питания для упомянутых электрических приводов используют установку на базе двигателя Стирлинга, при этом тепло, вырабатываемое при работе двигателя Стирлинга, используют для обогрева оборудования, расположенного на раме.
В варианте применения способа, в качестве источника автономного электрического питания для упомянутых электрических приводов используют дизельно - генераторную установку, при этом тепло, вырабатываемое при работе упомянутой установки, используют для обогрева оборудования, расположенного на раме.
Для реализации указанного способа предложено устройство, содержащее шкаф станции, в котором смонтирована система для управления запорно-регулирующей арматурой, и подземным клапаном-отсекателем, содержащая приборы КиП и А, исполнительные механизмы с приводами, при этом шлейфовые и факельные задвижки установлены на трубопроводах в непосредственной близости от шкафа управления, на одной общей раме, источник энергии для обеспечения работы приводов исполнительных механизмов, в котором, согласно изобретению, исполнительный механизм подземного клапана-отсекателя выполнен гидравлическим, при этом приводы исполнительных механизмов углового дросселирующего клапана и шлейфовой задвижки выполнены электрическими, а приводы исполнительных механизмов стволовой и боковой задвижек, размещенных на фонтанной арматуре, выполнены или гидравлическими или электрическими.
В варианте изготовления, источник электрической энергии выполнен в виде автономной установки на базе двигателя Стирлинга и электрически связан с соответствующим оборудованием, размещенным в непосредственной близости от него.
В варианте изготовления, источник электрической энергии выполнен в виде дизельно-генераторной установки и электрически связан с соответствующим оборудованием, размещенным в непосредственной близости от него.
В предложенном способе управления запорно-регулирующей арматурой куста скважин, обеспечение автономности работы модуля обеспечивается применением отдельно стоящих блоков - автономных источников питания на базе двигателя Стирглинга или дизельно-генераторной установки. Применение автономных источников питания позволяет отказаться от потребления внешней электроэнергии, например, от линий электропередач, что в свою очередь позволяет уменьшить затраты на обустройство куста газовых скважин. Функционирование источников автономного питания обеспечивается двумя этапами: выработка электроэнергии, сохранение и выдача электроэнергии. Выработка электроэнергии производится несколькими способами для обеспечения повышения надежности и безопасности, например, устройства на базе двигателя Стирлинга и дизельно-генераторная установка. Накопление электроэнергии реализуется применением аккумуляторных батарей, что также позволяет обеспечить оптимальное и рациональное потребление электроэнергии потребителями в течение всего времени эксплуатации комплекса оборудования.
Указанные существенные признаки в совокупности, характеризующие сущность предлагаемого изобретения, не известны в настоящее время. Аналог, характеризующийся идентичностью всем существенным признакам заявляемого изобретения, в ходе исследований не обнаружен, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «Новизна».
Существенные признаки предлагаемого изобретения не могут быть представлены как комбинация, выявленная из известных решений, с реализацией в виде отличительных признаков для достижения технического результата, из чего следует вывод о соответствии критерию «Изобретательский уровень».
В связи с тем, что предложенное техническое решение предназначено для использования в рамках реальной системы управления фонтанными арматурами куста скважин, изготовлено заявителем и прошло испытания с достижением заявляемого технического результата, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан вид сбоку устройства для реализации указанного способа, на фиг. 2 показан вид сверху устройства для реализации указанного способа, на фиг. 3 - пневмогидравлическая схема устройства.
Предложенный способ может быть реализован при помощи модуля, имеющего следующую конструкцию.
При описании работы рассматривается вариант исполнения модуля с гидроприводным подземным клапаном отсекателем, и со стволовой, боковой, шлейфовой задвижками, угловым дроссельным клапаном с электроприводами.
На раме 1 модуля установлены шкаф управления 2, газопровод 3 и метанолопровод 4, закрепленные на стойках рамы.
В состав газопровода входят шлейфовая задвижка 5 с электроприводом, факельная задвижка с ручным приводом 6, расходомер 7, датчик температуры среды 8, датчик давления среды 9.
В состав метанолопровода входит блок дозирования ингибитора 10, размещенный на стойках рамы.
На раме 1 размещены лотки 11 для размещения кабелей, соединяющих электрооборудование модуля с выходными клеммными коробками 12 силовых и информационных цепей.
Импульсная трубка для управления ПКО выходят из шкафа управления 2 и подсоединяется к выходной панели, расположенной на стойках рамы 1.
Импульсные трубки, идущие на фонтанную арматуру, подсоединяются к панели при монтаже на месте эксплуатации.
В шкафу управления 2 располагаются блок управления ПКО для управления подземным клапаном-отсекателем по гидравлической импульсной линии 13, электрооборудование и блоки управления и индикации для управления стволовой 14, боковой 15, шлейфовой 5 задвижками, угловым дроссельным клапаном 16 с электроприводами. Стволовая 14 и боковая 15 задвижки, угловой дроссельный клапан 17 с электроприводами размещаются на фонтанной арматуре.
Также в состав модуля входит источник автономного электрического питания 17 или 18, размещенный на отдельной раме и электрически связанный с оборудованием модуля при помощи электрических кабелей 19.
Предложенный способ может быть реализован при помощи указанного модуля следующим образом.
Газопровод подсоединяют к фонтанной арматуре скважины, с одной стороны, и газосборному коллектору, с другой.
Источник автономного электрического питания 17 приводят в рабочее положение для получения электрической энергии для оборудования модуля.
В пневмогидроаккумуляторах давления, объединенным с баком рабочего тела, насосами создают давление жидкости, используемой в шкафе управления в качестве рабочего тела. Использование пневмогидроаккумуляторов давления позволяет поддерживать давление рабочего тела в системе в случае отключения шкафа от сети питания. Далее жидкость под давлением поступает через импульсные трубки в исполнительный механизм подземного клапана-отсекателя (не обозначен) каждой скважины. С задержкой времени, определяемой порядком и интервалами времени открытия скважины, на арматуру с электроприводами, в частности, на шлейфовую задвижку 5, угловой дросселирующий клапан 16, стволовую 14 и боковую 15 задвижки подается электрический сигнал, при этом открытие фонтанной арматуры, и арматуры, принадлежащей кусту скважин, для подачи пластового флюида из скважины в коллектор, осуществляют в заранее установленной последовательности.
Добываемый пластовый флюид поступает со скважины в газопровод 3 и далее в газосборный коллектор. Расход флюида измеряют при помощи расходомера газа 7. Для исключения гидратообразования, в линию подачи газа от фонтанной арматуры подается ингибитор из трубопровода подачи ингибитора 4.
Закрытие указанной арматуры осуществляют в порядке, обратном открытию, с введением системы блокировок как электрических, так и гидравлических, для обеспечения заданной последовательности, причем требуемый алгоритм открытия/закрытия скважины задают заранее, при помощи программного обеспечения.
Размещение факельной задвижки 6 системы технологических и аварийных сбросов на горизонтальные горелочные устройства, шлейфовой задвижки 5 системы сброса добываемого пластового флюида в коллектор, на трубопроводе, в непосредственной близости от шкафа управления 2, на одной общей раме 1, позволяет значительно сократить время на монтаж, настройку и испытания оборудования, существенно уменьшить площадь, необходимую для установки оборудования для обслуживания скважины. В этом случае все оборудование, в частности, работа факельной 6 и шлейфовой задвижек 5, расходомера 7, системы подачи ингибитора 10, шкафа управления 2, которое монтируется на одной общей раме 1, испытывается и проверяется в заводских условиях, после чего в полной заводской готовности поставляется на место эксплуатации.
Жидкость, используемая в качестве рабочего тела, после использования в исполнительных механизмах системы поступает в бак гидравлический рабочего тела, размещенный в шкафу управления 2.
Для контроля текущего состояния шкафа управления 2 и модуля в составе блока управления предусмотрены измерительные каналы аналоговых сигналов и каналы обработки дискретных сигналов для подключения первичных преобразователей и датчиков, входящих в систему управления станции и модуля, а также каналы для формирования управляющих воздействий на исполнительные органы.
В варианте исполнения, электрическая энергия, необходимая для управления электроприводами запорно-регулирующей арматуры, вырабатывается при помощи источника 17 автономного электрического питания на базе двигателя Стирлинга, при этом тепло, вырабатываемое при работе двигателя Стирлинга, используется для обогрева шкафа управления и оборудования, размещенных на раме 1.
В варианте исполнения, электрическая энергия, необходимая для управления электроприводами запорно-регулирующей арматуры, вырабатывается при помощи дизель - генераторной установки 18, при этом тепло, вырабатываемое при работе упомянутой установки, используется для обогрева шкафа управления и оборудования, расположенных на раме 1.
Проведенные авторами и заявителем испытания полноразмерного устройства подтвердили правильность заложенных конструкторско-технологических решений.
Использование предложенного технического решения позволит повысить надежность работы запорно-регулирующей арматуры всей обвязки скважины и снизить затраты, связанные с обвязкой и эксплуатацией месторождений углеводородного сырья, преимущественно, газоконденсатного скважин.