ФОНТАННАЯ АРМАТУРА ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН В УСЛОВИЯХ АКТИВНОГО ВОДО- И ПЕСКОПРОЯВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ
X-MAS TREE FOR OPERATION OF WELLS IN CONDITIONS OF ACTIVE INGRESS OF WATER AND SAND AND ITS MODE OF OPERATION

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к конструкции фонтанной арматуры, используемой на газовых скважинах, в частности, в условиях активного водо- и пескопроявления.
Известна схема фонтанной арматуры для газовых скважин, содержащая корпус трубной головки, переводник, коренную задвижку, надкоренную задвижку, крестовину или тройник, а также буферную задвижку. От крестовины или тройника имеются боковые отводы, на которых установлены задвижки и дроссель. Дроссель используется для ограничения и регулирования работы скважины в режиме, при котором не разрушается продуктивный пласт и песок не выносится потоком газа из скважины (см. ГОСТ 13846-89. Арматура фонтанная и нагнетательная. Типовые схемы, основные параметры и технические требования к конструкции). К недостаткам данной арматуры можно отнести быстрый абразивный износ дросселя и трубопровода после дросселя в случае использования фонтанной арматуры на устье скважин, эксплуатируемых в условиях активного водо- и пескопроявления.
Известна конструкция скважины (патент на ПМ RU 129551, 27.06.2013), включающая концентрично установленные в ней обсадные колонны, с размещенной в них лифтовой колонной и устьевое оборудование, которое состоит из последовательно размещенных колонной головки, трубной головки, елки фонтанной арматуры. На стволе елки размещены коренная и надкоренная задвижки, а также газовый вертикальный сепаратор. При этом сепаратор размещен параллельно стволу елки фонтанной арматуры посредством верхнего и нижнего отводов, которые сообщаются со стволом елки фонтанной арматуры ниже коренной и выше надкоренной задвижек.
Данная конструкция имеет ряд недостатков. При отключенном сепараторе газожидкостный поток с мелкими дисперсионными частицами попадает в дроссель, в результате чего происходит быстрый абразивный износ дросселя и трубопровода после дросселя. При подключенном сепараторе существует вероятность нарушения его работы и поломки в климатических условиях с отрицательной температурой окружающего воздуха. Так, например, в водосборнике сепаратора или в канале для отвода из водосборника сепаратора жидкости и песка возможно возникновение гидрато- или льдообразования.
Достигаемый технический результат состоит в повышении надежности и эффективности фонтанной арматуры путем предотвращения абразивного износа дросселя и установленного после него трубопровода при одновременном уменьшении вероятности гидрато- и льдообразования в трубопроводах системы слива жидкости и удаления песка без использования специальных нагревательных элементов.
Заявляемая фонтанная арматура может собираться на заводе и поставляться к скважине в собранном (блочном) виде, а именно как единый модуль.
Фонтанная арматура для скважин, эксплуатируемых в условиях активного водо- и пескопроявления, включает запорные устройства, тройник или крестовину и дроссель, перед которым установлен скважинный приустьевой отбойник жидкостей и механических примесей, который включает корпус, в верхней части которого установлен аппарат для разделения газожидкостного потока на фазы, а нижняя часть представляет собой накопительную емкость для жидкости и механических примесей. В верхней части корпуса находится патрубок для входа газожидкостного потока, а в нижней части обечайки установлен патрубок для выхода газа.
Днище корпуса может быть выполнено как коническим, так и эллипсоидным. Корпус или накопительная емкость могут быть выполнены вертикальными или горизонтальными, или сферическими. Горизонтальную накопительную емкость устанавливают в случае очень большого потока теплой газожидкостной песчанной смеси из скважины. Экспериментальным путем было доказано, что выполнение днища коническим или эллипсоидным, а корпуса или накопительной емкости вертикальными или сферическими является наиболее предпочтительным. Теплый газ нигде не застаивается, поэтому не успевает охлаждаться и, следовательно, теплым поступает в обечайку, нагревая корпус и днище, что в свою очередь позволяет уменьшить энергозатраты на обогрев корпуса, повышает надежность и эффективность процесса путем уменьшения вероятности гидрато- и льдообразования.
Возможно выполнение корпуса отбойника из упругого материала, например, резины.
Выполнение обечайки возможно из прозрачного материала, такого, например, как стекло, пластик или оргстекло. Установка прозрачной обечайки позволяет сократить использование дополнительных измерительных приборов, оставив только оптические датчики, при этом увеличивается эффективность работы фонтанной арматуры.
Аппарат для разделения газожидкостного потока на фазы делают съемным.
Между обечайкой и корпусом возможна установка завихрителя газожидкостного потока. Завихрители позволяют интенсифицировать процесс прохождения теплого газа к выходу.
В верхней части накопительной емкости расположен переливной штуцер, соединенный с переливной трубой, которая расположена между корпусом и обечайкой и выходит в патрубок для выхода газа.
В корпусе имеется вертикальная труба для откачки отделенных от газожидкостного потока и скапливающихся в накопительной емкости жидкости и песка. Вертикальная труба проходит сквозь крышку корпуса, на которой закреплено запорное устройство с ручным, пневмо- или электроприводом. В трубе в верхней ее части расположено дренажное отверстие.
Кроме того, в корпусе может находиться одна или несколько дополнительных труб для слива жидкости, выходящих сбоку обечайки. Дополнительные трубы могут располагаться в разных поперечных и продольных сечениях по высоте корпуса, их нижние концы могут размещаться на разных расстояниях от дна корпуса, а в верхних участках труб, размещенных внутри корпуса, могут располагаться дренажные отверстия.
В днище корпуса выполнено технологическое отверстие для извлечения механических примесей, например песка.
В нижней части обечайки также может быть выполнено технологическое отверстие.
В верхней части аппарата для разделения потока на фазы установлены конусные обтекатели, также возможно установление обтекателей в крышке обечайки. Обтекатели устанавливают для уменьшения снижения аэродинамических гидравлических потерь давления, связанных с резким изменением скоростей, а также в помощь направления движения от сепарированного газа.
В верхней части обечайки, между крышкой и аппаратом для разделения потока на фазы может быть расположен дополнительный патрубок для выхода отсепарированного газа.
Предлагаемое изобретение проиллюстрировано чертежами.
На фиг. 1 схематично изображена фонтанная арматура с отбойником жидкостей и механических примесей.
На фиг. 2 схематично показан общий вид скважинного приустьевого отбойника жидкостей и механических примесей (один из частных случаев выполнения отбойника).
Фонтанная арматура 1 для скважин, эксплуатируемых в условиях активного водо- и пескопроявления, включает переводник 2 к трубной головке, запорные устройства 3, 4 и 5, тройник 6 или крестовину (на чертеже не указана), манометр 7 и дроссель 8 с трубопроводом 9. Перед дросселем 9 установлен скважинный приустьевой отбойник 10 жидкостей и механических примесей, который состоит из вертикального корпуса 11 с коническим днищем 13. В верхней части корпуса 11 установлен аппарат 15 для разделения газожидкостного потока на фазы, а нижняя часть представляет собой накопительную емкость 16 для жидкости и механических примесей. Вокруг корпуса 11 расположена обечайка 17 с крышкой 12. В нижней части обечайки 17 установлен патрубок 18 для выхода осушенного газа. В верхней части корпуса 11 отбойника расположен патрубок 14 для входа влажного газа. В верхней части обечайки 17, между крышкой 12 и аппаратом 15 для разделения потока на фазы возможно расположение дополнительного патрубка 30 с заглушкой для выхода отсепарированного газа. Дополнительный патрубок 30 устанавливают для уменьшения излишних гидравлических потерь устройства.
Корпус 11 может быть выполнен из упругого материала, например, резины. Это позволяет предотвращать разрывы корпуса в случае расширения объема при непредвиденном замерзании жидкости.
Аппарат 15 для разделения потока на фазы может быть выполнен сменным (съемным) для замены его в случае изменения технологических характеристик рабочей среды: расхода, давления и состава разделяемой среды. Кроме того, из-за абразивного износа, изменения расхода газожидкостной смеси, скорости потока, соотношения фаз газ - жидкость - твердая фаза, меняется эффективность устройства, обеспечивающего разделение потока на фазы. Аппарат 15 может иметь специальное покрытие против абразивного износа, например из полиуретана. В верхней части аппарата 15 располагается обтекатель 29 конической формы.
Между обечайкой 17 и корпусом 11 иногда устанавливают завихритель 19 газового потока, выполненный в виде профильных лопаток или наклонных пластин, прикрепленных к корпусу, например, сваркой.
В верхней части накопительной емкости 16 предусмотрен переливной штуцер 20, соединенный с переливной трубой 21, которая расположена между корпусом 11 и обечайкой 17 и выходит в патрубок 18.
В корпусе 11 имеется вертикальная труба 22 для слива жидкости, проходящая сквозь крышку 12 корпуса 11, на которой закреплен ручной, пневмо- или электропривод 23. При этом на трубе 22 в верхней ее точке внутри корпуса 11 расположено дренажное отверстие 25.
Также в корпусе 11 имеется, по крайней мере, одна дополнительная труба 24 для слива жидкости, выходящая сбоку обечайки 17, при этом на дополнительной трубе 24 в верхней ее точке внутри корпуса 11 расположено дренажное отверстие 25.
В крышке установлен обтекатель 28.
Фонтанная арматура для скважин, эксплуатируемых в условиях активного водо- и пескопроявления, работает следующим образом.
Теплый поток газожидкостной песчаной смеси из скважины направляют через переводник 2 к трубной головке, затем в тройник 6 или крестовину (на чертеже не указана) и далее через входной патрубок 14 к вертикальному корпусу 11 отбойника 10, где поток попадает в аппарат 15 для разделения на фазы (газовую, жидкую, твердую), в котором, за счет газодинамических эффектов (вращения), отделяются от газа все виды механических примесей и жидкость. Так, например, аппарат 15 для разделения на фазы может состоять из дефлектора и сепарационного пакета. При ударении газа о дефлектор значительная часть жидкости и механических примесей стекает вниз по дефлектору. Поток начинает закручиваться по спирали и уходить вниз по внутренней стенке. Часть потока попадает в карман-каплеуловитель. Капли жидкости вместе с песком заходят в карман-каплеуловитель, ударяются о его стенки и стекают вниз. Песок, содержащийся в жидкости, оседает на дно накопительной емкости 16, а вода находится над песком.
Кроме того, потоки газа попадают в сепарационный пакет, при прохождении в котором температура и давление газа уменьшаются. Внутри образуются внешний и внутренний потоки. Из-за того, что давление в нижней части внутреннего потока меньше, чем во внешнем, внешний поток устремляется вниз и подмешивается к внутреннему, при этом скорость внутреннего падает, температура возрастает, а также растет давление и плотность. Газ поднимается вверх и выходит из аппарата 15 для разделения потока на фазы вдоль конического обтекателя 29, ударяется о крышку 12 корпуса, проходит вдоль обтекателя 28 и вынужденно поступает в кольцевое пространство между наружной стенкой корпуса 11 и внутренней стенкой обечайки 17, опускаясь к выходному патрубку 18 в нижней части обечайки 17, обогревая при этом всю поверхность корпуса 11, включая днище 13 корпуса. Поток газа, проходящий по кольцевому пространству, закручивается за счет направляющих лопаток завихрителя 19, что может улучшать теплообмен и дополнительное отделение жидкости из потока, отсепарированного в аппарате 15. Таким образом, жидкость, скапливающаяся в накопительной емкости 16, при отрицательных температурах окружающей среды не замерзнет.
Поскольку газ поступает в отбойник влажным и с механическими примесями, то возможен износ аппарата, который разделяет газожидкостной поток на фазы. Для удобства замены аппарата 15 делают съемным и стойким к абразивному износу.
В случае заполнения накопительной емкости 16 жидкостью, предусмотрены несколько вариантов ее слива. Так, например, жидкость (без песка) самотеком может сливаться из переливного штуцера 20 в переливную трубу 21 и далее через дроссель в выкидную линию от скважины, не разрушая дроссель.
Также возможен слив жидкости и удаление части песка через вертикальную сливную трубу 22 через запорное устройство, открываемое при помощи ручного привода, пневмо- или электродвигателя 23 или слив через дополнительную сливную трубу 24, выходящую сбоку обечайки 17. Причем в дополнительной трубе 24 предусмотрено дренажное отверстие 25 для исключения застоя воды в дополнительной трубе 24 после цикла слива жидкости. Уровни жидкости в трубе и в корпусе выравниваются за счет притока газа через дренажное отверстие 25.
Скопившиеся механические примеси (например, песок) можно удалить через технологическое отверстие 26.
Поскольку не исключено попадание малой части механических примесей между корпусом 11 обечайкой 17, то в нижней части обечайки 17 также предусмотрено технологическое отверстие 27.
Предлагаемое изобретение позволяет повысить надежность и эффективность фонтанной арматуры путем предотвращения абразивного износа дросселя и установленного после него трубопровода при одновременном уменьшении вероятности гидрато- и льдообразования в трубопроводах системы слива жидкости и удаления песка без использования специальных нагревательных элементов.