СПОСОБ ОДНОВРЕМЕННО-РАЗДЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕФТЯНОЙ СКВАЖИНЫ И ШТАНГОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF SIMULTANEOUS-SEPARATE OPERATION OF OIL WELL AND ROD UNIT FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к нефтедобывающей отрасли промышленности и может быть использована при одновременно-раздельной (ОРЭ) эксплуатации скважин, оборудованных установками скважинных штанговых насосов (УСШН).
При одновременно-раздельной добыче нефти из двух пластов требуется их разобщение и независимая откачка жидкостей глубинными насосами. Нагнетание жидкостей к устью скважины может осуществляться либо по однолифтовой схеме подъема со смешением в трубах, либо по двухлифтовой схеме без смешения жидкостей двух пластов. Двухлифтовая схема предполагает использование колонны полых штанг.
Известна насосная установка для одновременно-раздельной добычи нефти, состоящая из двух сочлененных патрубком насосов различного диаметра. Насос меньшего диаметра откачивает нефть из нижнего пласта, а верхний - из верхнего пласта (патент Ru №2321771 C1. F04B 47/00. Заявл. 24.08.2006. Опубл. 10.04.2008). Установка имеет сложное и ненадежное исполнение. Нагнетательный клапан верхнего насоса имеет ограничения по габаритам из-за необходимости его установки внутри плунжера малого диаметра. К примеру, добыча высоковязкой нефти станет невозможной из-за чрезмерно больших гидравлических сопротивлений в этом клапане.
Известна также штанговая насосная установка для одновременно-раздельной добычи нефти из двух пластов (Патент РФ №2430270. 3аявл. 27.10.2009. Опубл. 27.10.2011 г.). В скважину спущена установка, состоящая из верхнего и нижнего насосов. Верхний насос содержит цилиндр, приемный боковой клапан, плунжер, внутри которого герметично расположен полый цилиндр. Верхний торец цилиндра соединен с колонной полых штанг, а нижний - с патрубком, который соединен с плунжером нижнего насоса меньшего диаметра. Внутри цилиндра насоса большего диаметра выполнены нижний и верхний сквозные горизонтальные каналы, соединенные между собой вертикальным каналом, внутри которого расположен нагнетательный клапан верхнего насоса. Приемы верхнего и нижнего насосов разобщены пакером, установленным между продуктивными пластами. Установка обладает недостатками, состоящими в необходимости использования полой колонны штанг, вес которых существенно превышает вес обычных штанг и имеющих низкую надежность в работе, устьевого оборудования с гибким рукавом для отвода жидкости из полых штанг в коллектор, а также двух насосов разного диаметра, осложняющих конструкцию установки и снижающих надежность ее работы.
Известна штанговая насосная установка (патент RU №2221136 С1. МПК F04B 47/02. Заявл. 06.05.2002. Опубл. 10.01.2004), позволяющая в течении одного хода штанг вверх последовательно отбирать нефть из двух пластов с помощью дополнительного бокового клапана насоса, отверстия в цилиндре насоса, пакера, установленного ниже приемного клапана насоса. В начальный период движения плунжера вверх в цилиндр насоса входит продукция пласта с меньшим пластовым давлением, а после прохождения нижнего торца плунжера отверстия в цилиндре насос откачивает продукцию пласта с большим пластовым давлением.
Известна также скважинная штанговая насосная установка (патент RU №2293215 C1. F04B 47/02. Заявл. 20.06.2005. Опубл. 10.02.2007). Установка позволяет последовательно откачивать продукции обоих пластов за каждый ход плунжера за счет выполнения отверстия в цилиндре насоса. В верхней части хвостовика с пакером, разобщающим два пласта, установлен распределитель потока с дополнительным клапаном и проходными каналами, позволяющий в зависимости от давления пластов, направлять их продукцию во всасывающий клапан насоса или отверстие в цилиндре.
Приведенные аналоги обладают существенным недостатком, заключающимся в том, что в момент начала поступления жидкости через отверстие в цилиндре плунжер насоса имеет скорость, близкую к максимальной (в середине хода). Это создает условия срыва поступления жидкости в насос через боковое отверстие в цилиндре.
Известен штанговращатель для постепенного вращения колонны штанг с плунжером во избежание одностороннего износа подземного оборудования скважины (патент RU №2178835 C1. F04B 47/02. Заявл. 28.12.2000. Заявл. 27.01.2002). Привод вращателя осуществляется от станка - качалки с помощью механизма преобразования качательного движения в однонаправленное прерывистое вращательное движение полированного штока и штанговой колонны с плунжером.
Однако, вращение колонны штанг не позволяет в известных технических решениях производить последовательный отбор жидкости из пластов из-за отсутствия механизма передачи вращения штанг переключателю потока на откачку жидкости того или иного пласта.
Наиболее близкой к предполагаемому решению является установка для периодической раздельной добычи нефти из двух пластов (патент RU №2443852 С2. Е21В, 43/14. Заявл. 05.04.2010. Опубл. 10.10.2011), включающей электроцентробежный насос, пакеры, патрубок ступенчатой формы и промежуточную трубу. Верхний конец промежуточной трубы снабжен переключателем потока, выполненным в виде подпружиненного поршня с кольцевой канавкой и двумя каналами для выхода продукций пластов. Привод поршня осуществляется подачей сжатого газа по трубке с устья скважины. Подача сжатого газа и последующий сброс давления в трубке позволяют последовательно отбирать продукции каждого пласта в необходимых объемах.
Установка, выбранная в качестве прототипа, имеет сложное конструктивное исполнение и необходимость применения компрессора высокого давления, а спуск трубки для подачи сжатого газа ниже подвески насоса может сопровождаться ее порывами в местах контактов с эксплуатационной колонной скважины.
Технической задачей предлагаемого решения является упрощение и повышение надежности работы оборудования ОРЭ скважин.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе одновременно-раздельной эксплуатации скважины, включающем возвратно-поступательное движение колонны штанг и плунжера с принудительным их поворотом на некоторый угол за каждый ход станка-качалки и последовательный отбор продукций каждого пласта, согласно изобретению, поворот плунжера насоса за каждый ход станка-качалки передается переключающему органу, поочередно соединяющему подплунжерную полость насоса через боковые клапаны с верхним и нижним пластами в течении полного оборота колонны штанг, соотношение периодов отбора продукций обоих пластов устанавливают переключающим органом в соответствии с требуемыми отборами жидкостей, а в периоды отборов производят замеры дебитов каждого пласта, причем обводненность продукции каждого пласта определяют при остановленном штанговращателе отбором пробы жидкости на устье скважины по истечении времени, необходимого для полного замещения жидкости в колонне насосно-компрессорных труб продукцией исследуемого пласта.
Решение заявляемого способа достигается штанговой насосной установкой, включающей колонны штанг и насосно-компрессорных труб, плунжер с нагнетательным клапаном и цилиндр насоса с отверстиями и боковыми всасывающими клапанами для входа продукций обоих пластов, патрубок, соединенный с нижней частью цилиндра насоса и проходящий через пакер, разделяющий продуктивные пласты, штанговращатель, установленный на траверсе станка-качалки, согласно изобретению, в нижней части цилиндра насоса герметично размещен переключающий орган в виде поворотного стакана с горизонтальными сквозными вырезами в цилиндрической части, выполненными на разных уровнях расположения отверстий в цилиндре насоса с соотношением длин по окружности, равным соотношению отборов жидкостей из пластов, а также фигурным проходным отверстием в днище, а к плунжеру насоса снизу закреплен шток с поперечным сечением, геометрически подобным фигурному отверстию в днище стакана с возможностью свободного прохода через него, с окнами в верхней части, заглушкой в нижней части и длиной, превышающей длину хода плунжера насоса, причем внутри патрубка расположена заглушенная снизу труба, образующая концентрический канал, сообщающий нижний боковой всасывающий клапан насоса с нижним продуктивным пластом.
На фиг. 1, 2, 3 и 4 показана конструкция штанговой установки.
В скважину 1 (фиг. 1) на колоннах насосно-компрессорных труб 2 и штанг 3 спущен насос невставного (трубного) исполнения, состоящий из цилиндра 4, плунжера 5 с нагнетательным клапаном 6. Снизу к плунжеру закреплен шток 7, длиной, превышающий длину хода плунжера, с окнами 8 для входа добываемой жидкости в полость плунжера и заглушкой 9, большего в сравнении со штоком 7 диаметра. Поперечное сечение штока 7 (фиг. 2) выполнено фигурным с двумя параллельными гранями по всей длине наружной поверхности штока. Шток 7 может быть выполненным как полым, так и сплошным (фиг. 2).
В нижней части цилиндра 4 насоса размещен переключающий орган, выполненный в виде поворотного стакана 10, а в самом цилиндре 4 на разных уровнях выполнены сквозные отверстия 11 и 12. В цилиндрической части поворотного стакана 10 на уровнях расположения отверстий 11 и 12 выполнены сквозные горизонтальные вырезы 13 и 14, концы которых по периферии образуют разные углы (ϕ1 и ϕ2.) с центром по оси насоса (фиг. 3 и 4). В днище поворотного стакана 10 выполнено фигурное отверстие 15, геометрически подобное поперечному сечению штока 7, и позволяющее свободно (без трения) проходить последнему через себя. Отверстия 11 и 12 в цилиндре 4 насоса соединены со всасывающим верхним 16 и нижним 17 клапанами насоса. К нижней части цилиндра 4 насоса закреплен патрубок 18, проходящий через пакер 19, разобщающий пласты 20 и 21. Коаксиально патрубку 18 к нижней части цилиндра закреплена заглушенная снизу труба 22, разобщающая шток 7 и стакан 10 с продукцией нижнего пласта 21.
Таким образом, к всасывающему клапану 16 поступает продукция пласта 20, а к всасывающем клапану 17 поступает продукция нижнего пласта 21 по кольцевому пространству между патрубком 18 и трубой 22.
На траверсе станка-качалки (на фигурах не показан) в верхней части полированного штока 23 штанговой колонны 3 установлен штанговращатель 24 (на фиг. 1 показан условно). В цилиндре 4 насоса установлены пружинистые фиксаторы 25 крайнего нижнего положения поворотного стакана 10 по вертикали.
Способ одновременно-раздельной добычи нефти из двух пластов реализуется следующим образом.
Вначале в скважину 1 на колонне НКТ 2 спускают цилиндр 4 насоса со всасывающими клапанами 16 и 17, патрубком 18, пакером 19 и трубой 22. Далее в колонну НКТ 2 на колонне штанг 3 спускают плунжер 5 с нагнетательным клапаном 6, штоком 7 с заглушкой 9 и поворотным стаканом 10. В конце спуска плунжер 5 доводит поворотный стакан 10 до упора в нижней части цилиндра 4, при котором сработают фиксаторы 25, удерживающие в процессе работы стакан 10 от вертикальных перемещений.
После запуска насоса в работу штанговая колонна 3 вместе с плунжером 5 и штоком 7 совершает возвратно-поступательные движения. Одновременно с этим при каждом качании головки балансера (на фиг. не показана) штанговая колонна 3 совершает поворот вокруг своей оси на небольшой угол. На практике этот угол составляет около 1 град 20 мин. Вместе со штанговой колонной в среднем на тот же угол поворачиваются плунжер 6, шток 7 и поворотный стакан 10, приводимый во вращение штоком 7 благодаря подобным сечениям штока 7 и отверстия 15 в днище стакана 10.
Горизонтальные вырезы 13 и 14 в цилиндрической части стакана 10 и отверстия 11 и 12 в цилиндре 4 насоса выполнены таким образом, что в подплунжерную зону насоса при ходе плунжера 5 вверх может поступать продукция верхнего 20, или нижнего 21 пласта через кольцевое пространство между патрубком 18 и трубой 22, всасывающий клапан 17, отверстие 12, горизонтальный вырез 14 и окна 8. На фиг. 3 показан случай откачки насосом продукции верхнего пласта 20. В целом откачка продукции этого пласта будет производится за период поворота стакана 10 на угол ϕ1. На фиг. 4 показан случай откачки продукции нижнего пласта 21. Откачка продукции пласта 21 будет производиться за период поворота стакана 10 на угол ϕ2.
По завершению постепенного поворота стакана 10 на угол ϕ1, к отверстию 12 подойдет граница горизонтального выреза 14, и начнется фаза постепенного поворота стакана 10 на угол ϕ2. В течение небольшого периода для сохранения подачи насоса угол ϕ2 должен частично перекрывать угол ϕ1, т.е. концы вырезов 13 и 14 с обеих сторон будут иметь "нахлест", и в насос будут поступать совместно продукции пластов 20 и 21. При этом поступление одного пласта будет снижаться, а другого - увеличиваться. Угол поворота стакана 10 с совместной откачкой продукций пластов 20 и 21, таким образом, составит (ϕ1-ϕ2).
Постоянный поворот стакана 10 вокруг своей оси позволяет последовательно откачивать продукции пластов 20 и 21 через клапан 16 и 17. В периоды откачки продукции каждого пласта производятся замеры их дебитов на поверхности благодаря достаточному времени поворота колонны штанг на один оборот.
Отборы жидкостей из каждого пласта регулируются соответствующим подбором углов ϕ1 и ϕ2 горизонтальных вырезов 13 и 14. Соотношение отборов продукций пластов 20 и 21 будет примерно соответствовать отношению углов, то есть величине ϕ1/ϕ2.
Для замера обводненности каждого пласта производят отключение вращения и временный переход работы насоса на добычу нефти только одного пласта. Период отключения штанговращателя 24 рассчитывают исходя из времени, необходимого для полной замены жидкости в колонне НКТ 2 продукцией исследуемого пласта. По достижению несмешанной продукции одного из пластов устья скважины производят отбор пробы жидкости и анализ ее обводненности.
Труба 22 штанговой установки (фиг. 1) одновременно выполняет функцию шламоуловителя. Поступающая из пласта механическая примесь может проникать через зазор между штоком 7 и отверстием 15 в днище стакана 10. При этом труба 22 улавливает мехпримесь, которая удаляется из нее при очередном текущем ремонте скважины.
В период текущего ремонта скважины вначале извлекается на поверхность штанговая колонна 3 вместе с плунжером 5, штоком 7 и поворотным стаканом 10, срываемым с фиксаторов 25 заглушкой 9. Такая же процедура производится в тех случаях, когда необходимо заменить поворотный стакан 10 с целью изменения соотношения объемов жидкостей, отбираемых из пластов 20 и 21, путем изменения длины окружностей горизонтальных вырезов 13 и 14 или углов ϕ1 и ϕ2.
Технико-экономическими преимуществами предлагаемого решения являются простота и высокая надежность конструкции штанговой насосной установки, а также возможность раздельного учета добываемой продукции пластов и обводненности нефти.