СИСТЕМА МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ПОДЪЕМА ЖИДКОСТЕЙ ИЗ БУРОВЫХ СКВАЖИН

Система многоступенчатого подъема жидкостей из буровых скважин может быть использована в любых отраслях хозяйственной деятельности для подъема газированной и негазированной пластовой жидкости, воды, нефти, конденсата, из глубоких скважин.
Известна система пневмовакуумного подъема нефти по патенту RU 2291283 «Устройство для нефтеподъема пневмовакуумным способом» от 29.12.2004, опублик. 10.01.2007, МПК Е21В 43/00, содержащее стакан с отверстиями, размещенный в обсадной трубе с перфорацией, и тарельчатый клапан, который, под действием гидростатического давления нефтяного горизонта, открывается, и пропускает нефть до определенного уровня обсадной трубы, в которой позже компрессором создают давление и нефть подают к устью скважины. При этом вакуум и давление создают одним и тем же компрессором (переключение “входа” компрессора на “выход”), который установлен в теплом помещении рядом с устьем скважины.
Данная система обладает низкой производительностью, крепление стакана в обсадной трубе ненадежно. Система сложна в монтаже по причине необходимости точного совмещения отверстий стакана с перфорацией обсадной трубы.
Наиболее близкой является система многоступенчатого подъема жидкости погружными электрическими центробежными насосами (ЭЦН). (Справочник по добыче нефти. Авторы: В.В.Андреев, К.Р.Уразаков, В.У.Далимов и др.; Под ред. К.Р.Уразакова, М. ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000, глава 6).
Данная система нецелесообразна на скважинах с дебитом менее 40 кубических метров в сутки. При добыче этой системой жидкости с повышенным содержанием газа, в рабочих камерах насоса образуются газовые пробки, что приводит к незапланированным остановкам всей системы в процессе добычи.
Содержание механических примесей более 0,5 г/л., приводит к повышенному износу деталей насоса, и частым ремонтам.
Данная система потребляет ток высокого напряжения, поэтому есть опасность поражения персонала электрическим током.
Задачей предлагаемого технического решения является создание электробезопасной системы, легко встраиваемой в уже существующие, простой в эксплуатации и обслуживании, позволяющей осуществить добычу с больших глубин газированной и негазированной жидкости с содержанием механических примесей, в том числе из скважин с малым дебетом.
Задача решена за счет системы многоступенчатого подъема жидкостей из буровых скважин, содержащей размещенные друг под другом насосы-модули, при этом, насосы-модули выполнены в виде взаимозаменяемых скважинных пневматических насосов замещения, соединенных между собой трубопроводами, вакуума, сжатого газа, отработавшего и попутного газа, добываемой жидкости, и кабелем электропитания; насосы-модули каждой ступени снабжены датчиками уровня в каждой рабочей камере, электрическим двусторонним пневмораспределителем, блоком управления и трехходовым краном, имеющим два положения «вакуум» для насоса-модуля нижней ступени, и «отработавший газ» для всех остальных; в каждом насосе-модуле выполнены сквозные каналы: сжатого газа или воздуха, вакуума и отработавшего газа, а также сквозной провод электрической цепи; к насосу-модулю нижней ступени присоединена приемная труба для всасывания жидкости, а к насосу-модулю верхней ступени присоединен трубопровод для перекачивания добываемой жидкости на поверхность; к верхнему выходу канала сжатого газа верхнего насоса-модуля присоединен трубопровод высокого давления, к верхнему выходу канала вакуума верхнего насоса-модуля присоединен трубопровод вакуума, к верхнему выходу канала отработавшего газа верхнего насоса-модуля присоединен трубопровод отработавшего и попутного газа; к верхнему разъему провода электропитания подключен кабель электропитания насосов-модулей; при подъеме газированной жидкости на входы сквозных каналов насоса-модуля первой ступени - вакуума, сжатого газа, отработавшего газа, на нижний разъем провода электропитания, на выход канала отработавшего газа, а так же на вход канала отработавшего газа насоса-модуля второй ступени, установлены герметичные заглушки; при подъеме негазированной жидкости, на нижние входы сквозных каналов насоса-модуля первой ступени: вакуума, сжатого газа, отработавшего газа и нижний разъем провода электропитания и на верхний выход канала отработавшего газа, а так же на нижние входы каналов отработавшего газа насосов-модулей остальных ступеней, установлены герметичные заглушки; блок управления, двусторонний пневмораспределитель и датчики питают от электрической цепи напряжением 24 В.
Наличие трехходового крана, имеющего два, выбираемого в процессе монтажа положения «вакуум», для насоса-модуля нижней ступени и «отработавший газ», для всех остальных, позволяет выполнить скважинные пневматические насосы замещения взаимозаменяемыми, использовать в любой ступени систем, установив в процессе монтажа трехходовой кран в нужное положение, в положение «вакуум», для создания вакуума на насосе-модуле нижней ступени, для всасывания жидкости в рабочие камеры, и для отвода отработавшего и попутного газов на насосах-модулях остальных ступеней, при установке в положение «отработавший газ», так как необходимости во всасывании уже нет, а жидкость поднимается за счет давления, создаваемого сжатым газом, а отработавший газ вытесняется из рабочих камер, за счет давления поднимающейся жидкости.
Наличие трехходового крана позволяет применять в процессе добычи жидкости вакуумный насос небольшой мощности, облегчает и упрощает конструкцию всей системы.
Применение многоступенчатой системы на базе пневматических насосов-модулей замещения делает возможной добычу жидкости с содержанием механических примесей. Это обусловлено минимизацией использования в конструкции насосов-модулей трущихся элементов.
Поскольку все насосы-модули многоступенчатой системы взаимозаменяемы, это дает возможность минимизировать себестоимость их изготовления. Все применяемые комплектующие производятся массово и достаточно дешевы. Указанные факторы делают производство сравнительно недорогим.
Так как, рабочее давление в насосах-модулях, трубопроводах для добычи продукта и сжатого газа не превышает 1,0 МРа, что позволяет изготавливать насосы-модули достаточно легкими и применять легкие трубы, это делает конструкцию насосов достаточно легкой и дает возможность применять многоступенчатую систему на значительных глубинах.
Система многоступенчатого подъема жидкостей из буровых скважин изображена на чертежах, где на фиг.1 изображена система многоступенчатого подъема газированной жидкостей из буровых скважин, на фиг.2 изображена система многоступенчатого подъема негазированных жидкостей из буровых скважин, на фиг.3 - начальный этап работы многоступенчатой системы и на фиг.4 - последующий этап работы многоступенчатой системы.
На фиг.1, 2, 3, 4 изображены насос-модуль 1 нижней ступени, насос-модуль 2 второй ступени, насос-модуль 3 третьей ступени, насос-модуль 4 N-1-ой ступени, насос-модуль 5 верхней ступени, трос 6 подвесной промежуточный, серьга 7 верхняя, серьга 8 нижняя, трос 9 подвесной многоступенчатой системы, фланец 10 опорный, трубопровод 11 добываемой жидкости, добываемая жидкость 12, труба 13 приемная первой ступени, заглушки 14, трубопровод 15 вакуума, кабель 16 электропитания насосов-модулей, трубопровод 17 отработавшего и попутного газа, трубопровод 18 сжатого газа, скважина 19 с обсадной трубой, пневмораспределитель 20 электрический двусторонний, блок управления 21, кран 22 трехходовой, камера рабочая 23 первая, камера рабочая 24 вторая, камера поплавковая 25 первой рабочей камеры, камера поплавковая 26 второй рабочей камеры, клапан поплавковый 27 со встроенным постоянным магнитом первой рабочей камеры, клапан поплавковый 28 со встроенным постоянным магнитом второй рабочей камеры, седло 29 нижнее первой рабочей камеры, седло 30 нижнее второй рабочей камеры, седло 31 верхнее первой рабочей камеры, седло 32 верхнее второй рабочей камеры, датчик уровня 33 первой рабочей камеры, датчик уровня 34 второй рабочей камеры, клапан 35 всасывающий первой рабочей камеры, клапан 36 всасывающий второй рабочей камеры, клапан 37 нагнетательный первой рабочей камеры, клапан 38 нагнетательный второй рабочей камеры, канал 39 всасывающий, канал 40 нагнетательный, канал 41 пневмо-вакуумный первой рабочей камеры, канал 42 пневмовакуумный второй рабочей камеры, вакуумный канал 43, провод сквозной 44 электропитания, канал сквозной 45 сжатого газа, канал сквозной 46 вакуума, канал сквозной 47 отработавшего и попутного газа.
Система многоступенчатого подъема газированных и негазированных жидкостей из буровых скважин выполнена следующим образом.
Система состоит из полностью взаимозаменяемых насосов-модулей (фиг.1 и 2), которые представляют собой скважинные пневматические насосы замещения, насос-модуль нижней ступени 1, насос-модуль второй ступени 2, насос-модуль третей ступени 3, насос-модуль N-1 ступени 4, насос-модуль верхней ступени 5, которые соединены между собой трубопроводами; вакуума 15, сжатого газа 18, отработавшего и попутного газа 17 (при добыче негазированной жидкости не применяется), добываемой жидкости 11, а также кабелем электропитания 16. Система подвешена в скважине на опорном фланце 10 тросом 9 за верхнюю серьгу 7 верхнего насоса-модуля 5, все остальные насосы-модули подвешены друг под другом за нижние серьги 8 верхних насосов-модулей и верхние серьги 7 нижних насосов-модулей промежуточными тросами 6.
В каждом насосе-модуле выполнены сквозные каналы: сжатого газа или воздуха 45, вакуума 46 и отработавшего газа 47, а также сквозной провод электрической цепи 44.
Количество ступеней многоступенчатой системы зависит от высоты подъема жидкости и определяется по формуле:
N=H/L
Где N - количество ступеней многоступенчатой системы;
Н - высота подъема жидкости;
L - расстояние между насосами-модулями (L=от 3 до 50 м.),
Рабочее давление в любом насосе-модуле многоступенчатой системы не превышает 1,0 МРа. Этого достаточно, поскольку каждый насос-модуль ступени многоступенчатой системы предназначен для подъема жидкости только на одну ступень, на высоту до 50 метров, то есть до насоса-модуля следующей ступени.
При применении рабочего давления превышающего 1,0 МРа расстояние между насосами-модулями, с усиленным корпусом и деталями, может быть увеличено, и превышать 50 м.
К насосу-модулю нижней ступени 1 присоединена приемная труба 13 для всасывания жидкости, а к верхнему насосу-модулю 5 присоединен трубопровод добываемой жидкости 11, который предназначен для подъема жидкости на поверхность. На нижние входы каналов насоса-модуля 1 цервой ступени: вакуума 46, сжатого газа 45, отработавшего газа 47 и разъем (на чертеже не показан) провода электропитания 44 и на верхние выходы отработанного газа, а также на нижний вход отработавшего газа насоса-модуля второй ступени, устанавливают герметичные заглушки 14. При добыче негазированной жидкости заглушки 14 ставятся, кроме перечисленных, так же на нижние входы каналов отработавшего газа всех остальных насосов-модулей (фиг.2).
При добыче газировнной жидкости насосы-модули, начиная со второй ступени и до верхней, соединяют между собой одинаково (при добыче негазировнной жидкости все насосы-модули системы соединяют одинаково). К верхнему выходу канала сжатого газа 45 верхнего насоса-модуля 5 присоединен трубопровод 18, другой конец которого, соединен с источником сжатого газа или воздуха (на чертеже не показан). К верхнему выходу канала вакуума 46 верхнего насоса-модуля 5 присоединен трубопровод 15, другой конец которого соединен с источником вакуума (на чертеже не показан). К верхнему выходу канала отработавшего газа 47 верхнего насоса-модуля 5 присоединен трубопровод 17, другой конец которого соединен с компрессором (на чертеже не показан) для откачивания отработавшего и попутного газа (только для добычи газированной жидкости). К верхнему разъему провода электропитания 44 подключен кабель 16 электропитания насосов-модулей, другим концом подключенный к источнику электроэнергии (на чертеже не показан).
Каждый отдельно взятый насос-модуль системы многоступенчатого подъема жидкостей представляет собой скважинный пневматический двухкамерный насос замещения (фиг.3 и 4). Он состоит из рабочих камер 23 и 24 для всасывания и вытеснения жидкости. В камерах 23 и 24 расположены поплавковые камеры 25 и 26, сообщающиеся с рабочими камерами 23 и 24. В поплавковых камерах расположены поплавковые клапаны со встроенными постоянными магнитами 27 и 28, назначение которых:
- замыкание герконовых датчиков уровня 33 и 34.
- перекрытие седел 29 и 30 для предотвращения утечки сжатого газа или воздуха в нагнетательный канал 40.
- перекрытие седел вакуумно-пневматической линии 31 и 32 и предотвращения попадания жидкости в вакуумно-пневматические каналы 41 и 42.
В насосах имеются клапаны всасывания 35 и 36 и клапаны нагнетания 37 и 38. Управление насосом осуществляет блок управления 21, который по сигналам от датчиков уровня 33 или 34, формирует команду на переключение двустороннего пневмораспределителя 20.
Блок управления 21, двусторонний пневмораспределитель 20 и датчики уровня 33 и 34 питают от электрической цепи напряжением 24 В.
В вакуумный канал 43 встроен трехходовой кран 22, соединяющий пневмовакуумные линии 41 и 42 насоса-модуля при варианте установки «вакуум» соединяющий со сквозным каналом вакуума 46, либо «отработавшего газа» соединяющий со сквозным каналом отработавшего и попутного газов 47. Положение трехходового крана 22 на каждом насосе-модуле устанавливают в процессе монтажа многоступенчатой системы.
Для всасывания жидкости насос-модуль снабжен всасывающим каналом 39, к которому присоединена приемная труба 13.
Для вытеснения жидкости из рабочих камер 23 и 24, насос-модуль снабжен нагнетательным каналом 40, который соединяется с трубопроводом добываемой жидкости 11.
Система многоступенчатого подъема газированных жидкостей из буровых скважин работает следующим образом.
На насосе-модуле нижней ступени 1 системы при добыче газированной и негазированной жидкости, трехходовой кран 22 (фиг.3, 4) при монтаже системы устанавливают в положение «вакуум», при этом канал 43 соединяется со сквозным вакуумным каналом 46, для создания разрежения в камерах 23 и 24. На насосах-модулях остальных ступеней, трехходовой кран 22 устанавливают в положение «отработавший газ», при этом канал 43 соединяется со сквозным каналом отработавшего и попутного газов 47.
Каждая из рабочих камер 23, 24 всех насосов-модулей работает попеременно, если одна из камер работает на всасывание жидкости по всасывающему каналу 39, вторая камера в это время работает на вытеснение жидкости по нагнетательному каналу 40, и наоборот. За счет этого создают непрерывный поток жидкости в трубопроводе 11.
Насосы-модули находятся в ждущем режиме до попадания жидкости в одну из рабочих камер. При заполнении жидкостью одной из камер насоса- модуля второй ступени 2, одновременно работают все 4 камеры обеих ступеней. При заполнении жидкостью одной из камер насоса-модуля каждой последующей ступени работают все камеры задействованных ступеней.
Рассмотрим подробнее работу системы.
От источника электроэнергии (на чертеже не показан) по кабелю 16 электропитание подается на все насосы-модули (фиг.1, 2, 3 и 4). Сжатый газ или воздух поступает по трубопроводу 18 ко всем насосам-модулям, при этом заполняется сжатым газом или воздухом одна из рабочих камер 23 или 24 всех насосов-модулей, до достижения максимального значения рабочего давления, равного давлению в трубопроводе сжатого газа 18.
Одновременно по трубопроводу 15, в одной из рабочих камер насоса-модуля 1 нижней ступени, за счет установки трехходового крана 22 в положение «вакуум», создается вакуум.
При добыче газированной жидкости, за счет установки трехходового крана 22 в положение «отработавший газ», по трубопроводу 17 откачивают отработавший и попутный газ, через сквозной канал отработавшего газа 47, из насосов-модулей всех ступеней, кроме нижней. При добыче негазированной жидкости, за счет установки трехходового крана 22 в положение «отработавший газ», отработавший сжатый воздух удаляется из насосов-модулей в скважину через сквозной канал отработавшего газа 47 из насосов-модулей всех ступеней, кроме нижней.
Какая из камер насосов-модулей в начальный момент работы системы будет заполняться сжатым газом или воздухом, зависит от положения пневмораспределителя 20 на момент начала работы системы. При этом магнитные поплавковые клапаны 27 и 28, на всех насосах-модулях, находясь в нижнем положении, перекроют седла 29 или 30 и будут препятствовать утечке сжатого газа или воздуха.
Одновременно с подачей сжатого газа или воздуха (фиг.3), по одному из каналов, в зависимости от положения пневмораспределителя 20, например, через канал 42, в камеру 24, насоса-модуля нижней ступени 1, в другой камере 23 по каналу 41 создается вакуум. В камере 23 создается разрежение, в результате чего в нее по приемной трубе 13, погруженной в жидкость 12, всасывающему каналу 39 и через всасывающий клапан 35 начинает поступать жидкость в камеру 23, при этом, всплывает магнитный поплавковый клапан 27 до тех пор, пока не достигнет герконового датчика уровня 33, подающего сигнал на блок управления 21, который формирует команду на переключение двухходового пневмораспределителя 20.
После переключения пневмораспределителя 20 (фиг.4), теперь уже по каналу 41 сжатый газ или воздух начинает поступать в камеру 23 нижнего насоса-модуля, при этом вытесняя жидкость в камеру 24 насоса-модуля 2 второй ступени, через клапан 37 по нагнетательному каналу 40, трубопроводу 11 и всасывающему каналу 39 через всасывающий клапан 36, а находящийся в рабочей камере 24 атмосферный воздух (атмосферный воздух находится в рабочих камерах всех насосов-модулей только до первого цикла всасывания, в процессе работы в них будет только сжатый газ) вытесняется из нее поступающей жидкостью через седло 32 по пневмо-вакуумному каналу 42 через пневмораспределитель 20 по каналу 43 через трехходовой кран 22, который установлен в положение «отработавший газ» и сквозной канал отработавшего и попутного газов 47 по трубопроводу отработавшего и попутного газов 17 далее на поверхность.
При этом, в камере 24 нижнего насоса-модуля 1 по каналу 42 создается вакуум, который засасывает в нее жидкость 12 по трубе 13 и всасывающему каналу 39 через клапан 36, а сжатый газ находящийся в ней удаляется в трубопровод вакуума 15 через седло 32 по пневмо-вакуумному каналу 42 через пневмораспределитель 20 по каналу 43 через трехходовой кран 22, который установлен в положение «вакуум» и сквозной канал вакуума 46 по трубопроводу вакуума 15 на поверхность к источнику вакуума. По мере поступления жидкости в рабочие камеры 24, магнитные поплавковые клапаны 28 насосов-модулей 1 и 2, всплывают до тех пор, пока не достигнут герконовых датчиков уровня 34, подающих сигнал на блоки управления 21 насосов-модулей 1 и 2, которые формируют команды на переключение двухходовых пневмораспределителей 20, каждого из насосов-модулей 1 и 2.
Одновременно из камеры 23 нижнего насоса-модуля 1 происходит вытеснение жидкости. Таким образом, цикл повторяется на всех задействованных насосах-модулях, что приводит к непрерывному подъему жидкости, пока не будет прекращена подача к насосам-модулям сжатого газа или воздуха, электропитания или вакуума.
При добыче негазированной жидкости принцип работы насосов-модулей такой же, что при добыче газированной жидкости.
Применение для добычи нефти многоступенчатой системы на базе скважинных пневматических насосов-модулей замещения, в которых использован минимум трущихся элементов и облегченных, за счет использования пластмассы, стойкой к агрессивным средам, а также легких металлических сплавов делает возможной добычу нефти с большим содержанием механических примесей с большой глубины.
Принцип действия системы позволяет добывать жидкость с высоким содержанием попутного газа, т.к. он отсасывается из рабочих камер насосов-модулей по мере выделения из жидкости и не препятствует работе насосов-модулей.
При добыче жидкости с любой глубины, рабочее давление в трубопроводах для добычи продукта и сжатого газа или воздуха системы не превышает 1,0 МРа, что позволяет применять легкие трубы и насосы-модули облегченной конструкции.
Это делает достаточно легкой всю подвесную конструкцию системы и дает возможность использовать ее на значительных глубинах.
Все насосы-модули системы взаимозаменяемы, что дает возможность минимизировать себестоимость изготовления системы.
Легко подстроить производительность глубинного насоса под дебет скважины, поскольку производительность системы может варьироваться в широком диапазоне, для этого достаточно менять давление сжатого газа или воздуха и степень разреженности вакуума.
При использовании данной системы не происходит загрязнения окружающей среды, так как все трубопроводы герметичны.
Питающее напряжение насосов-модулей не превышает 24 В, поскольку в блоках управления системы используют низковольтную аппаратуру, это делает применение насосной системы безопасной для людей и животных.