СПОСОБ ПОДГОТОВКИ И ЗАКАЧКИ МЕЛКОДИСПЕРСНОЙ ВОДОГАЗОВОЙ СМЕСИ В НАГНЕТАТЕЛЬНУЮ СКВАЖИНУ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭТОЙ СМЕСИ
METHOD OF PREPARATION AND PURIFICATION OF FINELY DIVIDED WATER-GAS MIXTURE INTO INJECTION WELL AND DEVICE FOR THE MIXTURE PREPARATION

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к технологии водогазового воздействия при разработке нефтяных месторождений.
Закачка воды и газа оторочками широко применяется в мировой практике при разработке месторождений углеводородов. На отдельных проектах используется также закачка в виде водогазовой смеси (ВГС).
Известен способ закачки созданной эжектором ВГС в нагнетательные скважины с добавлением поверхностно-активных веществ (ПАВ), при котором ВГС после эжектора дожимают насосом и поддерживают, при этом содержание свободного газа в смеси на приеме насоса не выше критического газосодержания бескавитационной работы насоса (RU 2190760, МПК E21B 43/20, опубл. 10.10.2002).
Известный способ требует больших затрат на оборудование, а также ограничивает газосодержание в закачиваемой смеси критическим газосодержанием на приеме насоса.
Одной из проблем закачки ВГС с содержанием газа более 50% является снижение гидростатического давления на забое нагнетательной скважины по причине уменьшения плотности смеси в колонне насосно-компрессорных труб (НКТ). Закачка мелкодисперсной ВГС позволяет минимизировать гидравлические потери на транспорт, тем самым повышая гидростатическое давление на забое, что в свою очередь позволяет повысить объемы закачки и эффективность воздействия на нефтяной пласт.
Известен способ закачки диспергированной ВГС в нефтяной пласт по колонне лифтовых труб, согласно которому в жидкостно-газовый диспергатор подают под давлением газ, отбираемый либо из газовых скважин, либо из вскрытого этой же нагнетательной скважиной газового интервала, при этом поддерживают определенное давление на забое нагнетательной скважины в интервале закачки (RU 2391495, МПК E21B 43/20, опубл. 10.06.2010). Недостатком способа является отсутствие возможности регулирования газосодержания в смеси, что снижает эффективность смешивания и воздействия на пласт.
Известен способ получения диспергированной ВГС, при котором осуществляют смешение воды и газа путем распределения газа по кольцевому воротнику вокруг водяной трубы, в которую газ заходит сквозь множество концентрически расположенных отверстий (http://www.xodusgroup.com/uploads/files/leaflets/10149_Flow_Assurance.pdf).
Данный способ является развитием метода смешения потоков на основе Т-образного сочленения труб различного диаметра. Недостатком способа является высокое взаимовлияние потоков воды и газа, что приводит к существенной нестационарности объемного содержания компонент в составе ВГС, и это, соответственно, негативно отражается на эффективности транспорта ВГС и закачки ее в пласт.
Известно устройство для эжекции низконапорного попутного нефтяного газа в поток жидкости, находящейся под давлением, выполненное в виде конфузорно-диффузорного перехода, имеющего профиль Вентури со щелью эжекции в области сужения, и содержащее конфузор, диффузор, входной патрубок для подачи газа, расположенный в области сужения и сообщающийся со щелью эжекции с созданием зоны смешения в потоке жидкости (RU 2508477, МПК F04F 5/04, опубл. 27.02.2014 г.).
Данное устройство позволяет увеличить коэффициент восстановления давления при максимальном уровне расхода газа. При этом доля газа в смеси ограничена коэффициентом эжекции устройства.
Известен многосопловой регулируемый эжектор, содержащий форкамеру высоконапорного газа, расширяющуюся по ходу потока камеру смешения, выходной диффузор и дискретные активные сопла, последние размещены равномерно по окружности камеры смешения с образованием вдоль камеры смешения ступеней сжатия (RU 2047793, МПК F04F 5/04, опубл. 10.11.1995 г).
Известная конструкция эжектора позволяет получать мелкодисперсную ВГС в камере смешения при пропускании через нее потока воды и подаче высоконапорного газа через дискретные активные сопла. Однако данное устройство имеет ограниченные функциональные возможности, так как предназначено для эжектирования потоком газа потоков жидкости, газа или сыпучих сред и не может быть использовано для получения и закачки в пласт мелкодисперсной ВГС.
Задачей изобретения является создание эффективного способа закачки ВГС в нагнетательную скважину, при максимально возможном газосодержании, с сохранением степени перемешивания и мелкодисперсности в смеси, и устройства для подготовки мелкодисперсной ВГС, позволяющим компенсировать взаимовлияние параметров потока воды и газа и регулировать газосодержание.
Техническим результатом изобретения является обеспечение дополнительного гидростатического давления на забое нагнетательной скважины при закачке ВГС с возможностью регулирования газосодержания.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается способом подготовки и закачки водогазовой смеси в нагнетательную скважину, включающим получение диспергированной водогазовой смеси, подвод ее через выходной трубопровод к нагнетательной скважине и закачку по колонне насосно-компрессорных труб к забою скважины, причем диспергированную водогазовую смесь получают подачей под давлением воды в трубу Вентури через конфузор и одновременную подачу под давлением газа в камеру смешения, образованную в диффузоре трубы Вентури, которую осуществляют высокоскоростными струями через газовые сопла, выполненные в корпусе камеры смешения, обеспечивая дробление в воде газовых струй на мелкие пузырьки, при этом регулируют скорость потока воды через камеру смешения таким образом, чтобы обеспечить давление смеси на выходе камеры смешения не менее 90% от давления воды в конфузоре путем изменения проходного сечения конфузорно-диффузорного перехода трубы Вентури, благодаря установке в нем сменной насадки соответствующего диаметра, и поддержанием расхода воды в заданном интервале с помощью клапана-регулятора воды, а также регулируют степень перемешивания и дисперсности водогазовой смеси изменением сечений газовых сопел путем их замены и поддержанием расхода газа в заданном интервале посредством клапана-регулятора газа, а скорость потока водогазовой смеси в камере смешения, в выходном трубопроводе и колонне насосно-компрессорных труб поддерживают исходя из условия сохранения дисперсно-пузырькового режима до забоя нагнетательной скважины подбором сечений трубопровода и насосно-компрессорных труб, а также регулированием расходов воды и газа в смеси, который осуществляют расчетно-экспериментальным путем.
Поставленная задача решается также многосопловым регулируемым смесителем, содержащим камеру подачи газа и расположенную в ней трубу Вентури со сменной насадкой в зоне конфузорно-диффузорного перехода, выполненной с возможностью изменения скорости потока проходящей через нее воды, причем во внутренней расширяющейся полости диффузора трубы Вентури образована камера смешения, в корпусе которой выполнены сменные газовые сопла, которые расположены равномерно по окружности в 3-10 рядов, расстояние между рядами сопел определяется из условия сохранения скорости потока водогазовой смеси от ряда к ряду до выхода его из камеры смешения, а общая площадь отверстий в газовых соплах имеет переменное значение благодаря возможности замены газовых сопел, которое определяется экспериментально-расчетным путем из условия обеспечения расхода газа на уровне 30-70% от общего расхода водогазовой смеси на выходе смесителя.
Указанный технический результат достигается благодаря диспергации газа при подаче его высокоскоростными струями в поток воды, проходящей через область смешения, и поддержанию дисперсно-пузырькового режима течения в выходном трубопроводе от смесителя до устья скважины и далее, в НКТ от устья до забоя - со скоростью, обеспечивающей доставку дисперсно-пузырьковой смеси до забоя. Скорость рассчитывается из условия устойчивости мелкодисперсного состояния водогазовой смеси в процессе доставки ее до забоя. Устойчивость ВГС определяется экспериментально, путем отбора проб ВГС и замера времен расслоения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена технологическая схема процесса закачки ВГС в нагнетательную скважину, на фиг. 2 представлена принципиальная схема многосоплового регулируемого смесителя для получения мелкодисперсной ВГС.
На фиг. 1 обозначено: многосопловый регулируемый смеситель 1, трубопровод подачи воды 2, трубопровод подачи газа 3, выходной трубопровод 4, колонна НКТ 5, устье скважины 6, забой 7, клапан-регулятор воды 8, клапан-регулятор газа 9.
Многосопловый смеситель (фиг. 2) содержит: камеру подачи газа 10 и расположенную в ней трубу Вентури с конфузором 11 и диффузором 12, в котором расположена камера смешения 13. В корпусе диффузора выполнены сменные газовые сопла 14. В зоне конфузорно-диффузорного перехода установлена сменная насадка 15.
Способ осуществляют следующим образом.
По трубопроводу 2 (фиг. 1, 2) подается вода, ее расход регулируется клапаном-регулятором 8. Вода поступает в многосопловый смеситель 1, в котором, проходя через сменную насадку 15 (фиг. 2), поток воды разгоняется до расчетной скорости и попадает в камеру смешения 13, образованную в диффузоре 12. Под углом в 90° к оси трубопровода подачи воды 2 к смесителю 1 подводится трубопровод подачи газа 3, расход газа регулируется клапаном-регулятором 9. Трубопровод подачи газа 3 соединен с камерой подачи газа 10 смесителя. В ней расположен диффузор 12 смесителя. Подача воды и газа осуществляется при давлениях, которые отличаются не более чем на 10%. Через сменные газовые сопла 14 в камеру смешения 13 подается газ в виде высокоскоростных струй. При этом, при попадании в поток воды, газовые струи дробятся, образовывая пузырьки, и на выходе из камеры смешения движется мелкодисперсная водогазовая смесь. Далее смесь по выходному трубопроводу 4 транспортируется до устья 6 нагнетательной скважины, причем внутренний диаметр выходного трубопровода подбирается из условия сохранения дисперсно-пузырькового режима на всем протяжении до входа в устье 6 нагнетательной скважины. До забоя 7 нагнетательной скважины смесь доставляется по колонне НКТ 5, внутренний диаметр которых подбирается таким образом, чтобы при движении от устья до забоя в водогазовой смеси превалирующий размер газовых пузырьков увеличился не более чем на 20%. Устойчивость мелкодисперсного состояния смеси для определения скорости течения в НКТ определяется экспериментальным путем. Для этого производится отбор проб смеси под давлением на выходе из смесителя 1, отстаивание и определение степени диспергации по размеру пузырьков в течение времени отстоя.
Многосопловой регулируемый смеситель работает следующим образом. Вода, поступающая в конфузор 11 из трубопровода подачи воды 2, проходя через сменную насадку 15, соединяющую конфузор 11 и диффузор 12, разгоняется до расчетной скорости. Скорость воды рассчитывается из условия сохранения давления на выходе из смесителя на уровне 90% от входного давления воды по известному уравнению Бернулли. Далее, вода поступает в диффузор 12, в котором расположены сменные газовые сопла 14 для впрыска газа. Газовые сопла располагаются в несколько рядов концентрически вокруг оси диффузора по углом 10-20° к ней. Причем расстояние между рядами газовых сопел и угол раскрытия диффузора подбираются таким образом, чтобы по мере расширения диффузора каждая следующая порция газа поддерживала скорость потока на уровне скорости в сечении первого ряда сопел. Диаметры отверстий в соплах подбираются исходя из того, что струя газа будет иметь скорость, сопоставимую со скоростью воды в первом ряду впрыска.
Проходное сечение газового сопла можно изменять путем его замены при помощи вкручивания в диффузор по резьбе. Изменение площади сечения газовых сопел позволяет регулировать скорость истечения из них газа, и, как следствие, степень диспергации смеси. Подбор оптимального сечения газового сопла осуществляется расчетно-экспериментальным путем.
Наличие сменной насадки 15 на выходе из конфузора для разгона воды, а также подача газа высокоскоростными струями через газовые сопла 14 в камеру смешения 13 позволяет достичь компенсации взаимовлияния потоков воды и газа друг на друга, что обеспечивает возможность стабильной закачки мелкодисперсной ВГС с требуемым газосодержанием в смеси путем регулирования расходов воды и газа по отдельности клапанами-регуляторами 8 и 9.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет дополнительно повысить гидростатическое давление на забое нагнетательной скважины путем закачки мелкодисперсной ВГС с регулируемым газосодержанием.