СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВОДОГАЗОВОЙ СМЕСИ ДЛЯ ЗАКАЧКИ В НАГНЕТАТЕЛЬНУЮ СКВАЖИНУ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF FORMING A WATER-GAS MIXTURE FOR PUMPING IN A PERFORMANCE WELL AND A CONTROL SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к процессам формирования водогазовой смеси для закачки ее в нагнетательную скважину, и может быть использовано для повышения производительности нефтедобычи.
При реализации водогазового воздействия на пласт нагнетательные скважины подключены к газовой и водяной линиям трубопроводной системы поддержания пластового давления (ППД). Смешение потоков воды и газа производится в струйном аппарате-смесителе, который устанавливается на устье каждой нагнетательной скважины. Управление смешением и закачкой водогазовой смеси в каждую нагнетательную скважину осуществляется регулирующими клапанами, установленными на трубопроводных линиях воды и газа перед устройством смешения. Регулируемыми параметрами являются расход воды и расход газа на входе смесителя. После устройства смешения водогазовая смесь поступает непосредственно в скважину. При этом важно осуществлять согласованное управление расходами воды и газа для поддержания устьевого давления скважины, обеспечения нормальной работы смесителя и обеспечения регулирующей способности у клапанов.
Из уровня техники известна система управления способом извлечения углеводородов с использованием нагнетательной скважины, в которой посредством ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциальных) - регуляторов управляют процессами введения в нагнетательную скважину парообразной смеси с учетом данных температуры и (или) давления пласта (US 2014216732(А1), МПК Е21В 43/24, опубликовано 07.08.2014 г.).
Известен способ извлечения нефти, который включает периодическое введение в нагнетательную скважину газа и водного солевого раствора. При помощи контроллера по отдельности управляют расходами газа и водного раствора с использованием регулирующих клапанов, установленных на трубопроводных линиях воды и газа (US №5515919, МПК Е21В 43/16, опубликовано 14.05.1996 г.).
Известна установка подготовки и закачки мелкодисперсной водогазовой смеси в пласт, содержащая эжектор-смеситель с линиями подачи газа и воды, на выходе которого установлен насосный агрегат, сепаратор высокого давления для отделения избыточного количества воды, выход которого гидравлически связан с насосным агрегатом, нагнетательную скважину с колонной насосно-компрессорных труб, образующей со скважиной межтрубное пространство, линию подачи водогазовой смеси, соединяющую насосный агрегат с нагнетательной скважиной, линию сброса воды, гидравлически связывающей сепаратор и линию подачи воды в насосный агрегат, при этом на линиях подачи газа, воды и сброса воды из сепаратора установлены расходомеры и регулирующие клапаны с возможностью управления контроллером, на вход которого обеспечена подача показаний расходомеров, а выходного сигнала - на регулирующие клапаны для обеспечения поддержания оптимального газосодержания в водогазовой смеси при ее закачке (патент РФ №136082, МПК Е21В 43/16, опубликовано 27.12.2013 г.).
Известно устройство для автоматического управления процессом смешения жидкостей и газов, содержащее модуль смешения, устройство задания рецепта, последовательно соединенные в каждом канале трубопроводом расходомеры и регулирующие клапана, причем выходы устройства задания рецепта, соответствующие коэффициентам дозирования компонентов в каналах, соединены с входами сравнивающих устройств, другие входы которых подсоединены к выходам расходомеров, а выходы сравнивающих устройств через ПИД-регуляторы подключены к управляющим входам регулирующих клапанов соответствующих каналов (патент РФ №48082, МПК G05D 11/00, опубликовано 10.09.2005 г.).
Общим недостатком известных способов и устройств является ограниченность управления потоками воды и газа только по расходу. В этом случае устьевое давление и входное давление смесителя по линиям воды и газа напрямую зависит от закачиваемых расходов воды и газа, но не является контролируемым параметром, т.е. возможна ситуация, когда давление в одной из подводящих линий может стать равным или ниже давления на входе в смеситель, следовательно, целевые значения расходов воды и газа не смогут выполняться.
Таким образом, может иметь место несогласованность при регулировании режима работы скважины:
- несогласованное управление расходами воды и газа между собой может привести к выходу за рабочий диапазон по соотношению вода-газ, привести к нарушению работы смесителя, росту устьевого давления (соответственно и давления на входе в смеситель), «передавливанию» одного потока на входе в смеситель вторым потоком;
- изменение параметров скважины, приемистость или закачка больших расходов воды и газа (по сути не ограниченных ничем, кроме пропускной способности регулирующих клапанов, смесителя и обвязки скважины) может также привести к повышению устьевого давления и входного давления в смеситель вплоть до располагаемого давления в трубопроводной сети и прекращению закачки того или иного потока.
Задачей изобретения является обеспечение бесперебойной работы системы формирования и закачки водогазовой смеси в нагнетательную скважину для повышения производительности нефтедобычи.
Техническим результатом изобретения является обеспечение стабилизации закачки водогазовой смеси в нагнетательную скважину, предотвращение чрезмерного повышения устьевого давления вследствие заполнения скважины газовой фазой.
Задача решается, а технический результат достигается способом формирования водогазовой смеси для закачки в нагнетательную скважину, при котором осуществляют измерение давлений воды и газа соответственно в водяной и газовой линиях до и после регулирующих клапанов и контролируют перепады давлений на них для управления расходами воды или газа, при этом ограничивают расход газа в пределах рабочего диапазона, для чего сравнивают полученные перепады давлений с заданной величиной минимального перепада давления, причем, если фактический перепад давления больше заданного минимального, то продолжают поддерживать целевые значения расходов воды и газа, а если фактический перепад давления сравняется с заданным минимальным или становится меньше него, то посредством ПИД-регулятора по газу подают управляющий сигнал на клапан по газу для понижения расхода закачиваемого газа, при этом поддерживают на регулирующем клапане по воде закачку воды в скважину, обеспечивая самонастройку режима работы скважины на закачку водогазовой смеси.
Задача решается, а технический результат достигается системой автоматического управления процессом формирования водогазовой смеси для закачки в нагнетательную скважину, содержащей смеситель, соединенный на входе с трубопроводом воды и трубопроводом газа, на которых установлены регулирующие клапаны и расходомеры, причем выходы расходомеров соединены через ПИД-регуляторы с управляющими входами регулирующих клапанов, а также установлены до и после каждого регулирующего клапана датчики давления, соответственно по воде и по газу, выходы которых соединены со входами блоков измерения перепада давления соответственно по воде и по газу, выходы которых соединены с первым и вторым входами блока сравнения, третий вход которого соединен с устройством задания минимального перепада давления, а выход блока сравнения соединен с контроллером с возможностью управления посредством ПИД-регулятора регулирующим клапаном по газу.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема системы автоматического управления процессом формирования водогазовой смеси для закачки в нагнетательную скважину, на фиг. 2 - графики зависимости расхода газа и воды для различных значений входного давления на смесителе.
Система (фиг. 1) содержит в каждой линии по воде и по газу соединенные трубопроводом первый датчик давления 1, расходомер 2, регулирующий клапан 3, управляющий вход которого соединен через соответствующий ПИД-регулятор 4 или 5 с выходом расходомера 2, второй датчик давления 6, смеситель 7. Выходы первого 1 и второго 6 датчиков давления соединены в каждой линии соответственно по воде и по газу со входами соответствующего блока измерения перепада давления 8 и 9, выходы которых соединены с первым и вторым входами блока сравнения 10, третий вход которого соединен с устройством задания минимального перепада давления 11, а выход блока сравнения 10 соединен с контроллером 12 с возможностью управления через ПИД-регулятор 5 регулирующим клапаном 3 по газу.
Способ формирования водогазовой смеси для закачки ее в нагнетательную скважину осуществляют следующим образом.
min
В устройстве 11 оператором задается минимальный перепад давления ΔP. В случае если перепад давлений на клапанах становится меньше минимального перепада давления, то наблюдается нестабильная работа системы. Минимальный перепад давления определяется либо опытом эксплуатации, либо математическим моделированием.
min
min
min
см
После пуска системы смешения по трубопроводам воды и газа движутся компоненты, расход которых измеряется расходомерами 2. Управление расходом осуществляется посредством регулирующих клапанов 3 с помощью ПИД-регуляторов 4, 5, соответственно по воде и по газу. Для осуществления согласованного управления расходами воды и газа на входе смесителя 7 осуществляют постоянный контроль по располагаемому перепаду давления до и после регулирующих клапанов посредством датчиков давления 1 и 6, установленных в трубопроводе воды и в трубопроводе газа. Сигналы с датчиков 1 и 6 поступают в соответствующие блоки измерения перепада давлений 8 и 9, после чего в блоке 10 осуществляют сравнение полученных значений с заданной величиной минимального перепада давления ΔP, установленного в устройстве 11. Результат сравнения подают в контроллер 12 для выработки целевого значения расхода газа. Если фактический перепад давления больше минимального (ΔP>ΔP), то контроллер продолжает поддерживать заданное целевое значение расхода газа. В случае если фактический перепад давления сравняется с минимально заданным или становится меньше минимального (ΔP≤ΔP), то контроллер начинает понижать целевое значение расхода газа, при необходимости вплоть до нуля, по заданной зависимости, полученной в результате промышленных экспериментов и математического моделирования. При этом обеспечивается понижение (поддержание) располагаемого давления на регулирующих клапанах и поддержание закачки воды в скважину. Снижение расхода газа обеспечивает понижение входного давления в системе «смеситель - скважина - пласт» (входного давления в смеситель Р), так как при этом происходит:
- уменьшение доли газа в закачиваемом потоке, что приводит к росту гидростатического давления столба смеси в скважине и, как следствие, снижению давления на устье скважины и входе в смеситель.
- снижение гидравлических потерь в смесителе, скважине и призабойной зоне пласта, что также обеспечивает снижение давления на входе в систему «смеситель - скважина - пласт».
При снижении давления на входе в смеситель одновременно происходит увеличение располагаемых перепадов давления на регулирующих клапанах, что обеспечивает сохранение регулирующей способности клапанов и снижает риск «передавливания» одним потоком другого в смесителе.
см
Необходимость воздействия именно на газовый поток исходит из следующих соображений. Характеристика системы смеситель-скважина-пласт имеет вид, представленный на фиг. 2. Для рассматриваемой системы характеристика представлена семейством кривых в координатах расход воды - расход газа для различных значений входного давления смесителя Р по линии воды или газа. Каждая кривая имеет на графике один максимум и две ветви, направленные вниз. При регулировании режима работы клапаном по газу система ведет себя однозначно. Независимо от того, на какой из ветвей характеристики системы находится рабочая точка, при снижении расхода газа происходит понижение устьевого давления. Переход из точки 1 в 2 и из точки 3 в 4 происходит при постоянном расходе воды и сопровождается понижением входного давления в смеситель. При регулировании расходом воды система ведет себя по разному. В случае расположения рабочей точки на правой ветви кривой характеристики, снижение расхода воды (переход из точки 5 в точку 6) сопровождается понижением давления на входе в смеситель. В случае расположения рабочей точки на левой ветви кривой характеристики снижение расхода воды приводит к повышению давления на входе в смеситель. Данная особенность динамики системы позволяет выполнять эффективное регулирование давлением в системе смеситель-скважина-пласт во всем рабочем диапазоне только расходом газа.
Понижение расхода газа выполняется как в случае снижения располагаемого давления на клапане по воде, так и по газу. В случае снижения располагаемого давления клапана по воде, снижение входного давления смесителя гарантирует продолжение закачки в скважину воды. При этом обеспечение закачки воды является определяющим в отличие от закачки газа. Так как в случае снижения или прекращения подачи воды быстро нарушается режим работы системы смешения, в скважине могут образовываться газовые пробки. После остановки загазированной скважины последующий ее запуск может потребовать ее продувку.
В случае снижения располагаемого давления клапана по газу, управляемое снижение входного давления смесителя позволяет выйти системе в новую рабочую точку. При этом клапан по газу не будет полностью открыт и будет сохраняться его регулирующая способность на случай необходимости гашения возмущений в системе. Так обеспечивается самонастройка режима работы нагнетательной скважины на закачку водогазовой смеси.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет:
- стабилизировать закачку водогазового потока в нагнетательную скважину;
- минимизировать риски возникновения остановки закачки водогазовой смеси в скважину;
- не допустить заполнение скважины газовой фазой.