ОТСЕКАТЕЛЬ ПАРА ДЛЯ ПОДЗЕМНОЙ СКВАЖИНЫ ПРИ ТЕРМОШАХТНОЙ РАЗРАБОТКЕ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
STEAM CUTOFF DEVICE FOR UNDERGROUND WELL IN THERMAL-MINING DEVELOPMENT OF OIL FIELDS

Предлагаемое изобретение относится к нефтяной промышленности и может найти применение при термошахтной разработке месторождения высоковязкой нефти.
Известен способ разработки твердых полезных ископаемых и высоковязких углеводородов, в соответствии с которым устанавливают на устье подземной скважины запорное устройство с возможностью перекрытия скважины в момент прорыва пара и открытия (см. патент РФ №2299972, кл. Е21В 43/00 от 04.08.2005, опубл. 27.05.2007). Запорное устройство представляет собой задвижку, которую монтируют при обустройстве подземных скважин, при этом отключение парящих подземных скважин осуществляют вручную.
Недостатком использования таких задвижек является то, что при закрытии парящих подземных скважин оператором вручную практически невозможно одновременно перекрыть все парящие скважины в момент прорыва пара, что не позволяет предотвратить прорыв пара в горные выработки и существенно ухудшает условия работы в нефтяных шахтах. Также оператор не может одновременно открыть все скважины при конденсации пара, что приводит к снижению темпов отбора добываемой жидкости. Использование ручного труда операторов не позволяет перейти на безлюдную эксплуатацию шахтных добычных блоков.
Также известно запорное устройство для перекрытия канала для отвода конденсата в виде поплавкового клапана (см. патент на полезную модель №64730 от 06.02.2007, кл. F16T 1/30, опубл. 10.07.2007). При положении поплавка в нижнем положении смесь конденсата и пара поступает под поплавок, поднимается между стенками корпуса и поплавка и вытесняется в отводящий канал.
Однако при использовании данного запорного устройства на устьях подземных скважин в нефтяной шахте произойдет забивание корпуса устройства песком и заклинивание поплавка, так как песок является постоянной составляющей добываемой водонефтяной жидкости при любых способах добычи высоковязкой нефти в шахтных условиях и, как результат, невозможность отбора продукции скважины.
Наиболее близким по технической сущности, принятым авторами за прототип, является отсекатель для подземной скважины при термошахтной разработке нефтяных месторождений (см. патент на полезную модель №100553 от 17.06.2009, кл. Е21В 43/24, опубл. 20.12.2010), содержащий корпус, гидравлически сообщающийся с устьем скважины через боковое отверстие в корпусе, выпускной клапан, седло которого установлено в днище корпуса, а запорный элемент соединен с поплавком с возможностью автоматического перекрытия скважины в момент прорыва пара и открытия скважины при конденсации пара.
Недостатком известного отсекателя является снижение надежности его работы за счет следующих факторов.
1. Образование мертвой зоны в верхней части корпуса, в которой скапливается газ, ограничивающей ход поплавка вверх и, соответственно, уменьшающей объем корпуса, заполняемый добываемой скважинной жидкостью.
2. Несрабатывание устройства при высоких давлениях пара в пласте, так как сила, прижимающая запорное устройство к седлу клапана, превышает подъемную силу поплавка.
3. Несрабатывание устройства при больших дебитах скважины, так как скорость течения добываемой скважинной жидкости в корпусе устройства превышает скорость всплытия поплавка.
Техническим результатом, достигаемым настоящим изобретением, является повышение надежности работы отсекателя.
Указанный технический результат достигается предлагаемым отсекателем пара для подземной скважины при термошахтной разработке нефтяных месторождений, содержащим корпус, гидравлически сообщающийся с устьем скважины, основной выпускной клапан, седло которого установлено в днище корпуса, и поплавковый привод выпускного клапана.
Существенными отличительными признаками заявленного изобретения являются:
- отсекатель снабжен дополнительным выпускным клапаном, седло которого также установлено в днище корпуса;
- запорные элементы клапанов установлены с возможностью их последовательного открытия внутрь корпуса с помощью одного поплавкового привода;
- поплавковый привод выпускных клапанов выполнен в виде консоли, шарнирно закрепленной в корпусе с возможностью перемещения консоли в вертикальной плоскости;
- на свободном конце консоли закреплен поплавок;
- выпускные клапаны установлены по разные стороны консоли;
- запорные элементы выпускных клапанов жестко соединены с тягами, свободно насаженными на штангу;
- штанга жестко прикреплена перпендикулярно к консоли;
- длина тяги запорного элемента дополнительного выпускного клапана больше длины тяги запорного элемента основного клапана;
- каждый запорный элемент клапана выполнен снизу с направляющим хвостовиком, длина которого больше длины хода запорного элемента;
- расстояние от шарнира консоли до середины перпендикулярной штанги определяют по формуле:
,
1
где l - расстояние от шарнира консоли до центра поплавка, м;
2
l - расстояние от шарнира консоли до середины перпендикулярной штанги, м;
ж
3
ρ - плотность рабочей жидкости, кг/м;
2
q - ускорение свободного падения, м/с;
попл.
ρ - плотность поплавка и консоли, м;
V - объем поплавка и консоли, м;
раб.
Р- давление среды в корпусе отсекателя пара, Па;
отв.
2
S - площадь выходного отверстия седла выпускного клапана, м.
Заявленная совокупность существенных признаков позволяет повысить надежность работы предлагаемого отсекателя, а именно конструкция устройства предотвращает образование мертвой зоны в верхней части корпуса, в которой скапливается газ, ограничивающей ход поплавка вверх и, соответственно, уменьшающей объем корпуса, заполняемый добываемой скважинной жидкостью. Конструктивное исполнение корпуса исключает зависимость скорости течения добываемой скважинной жидкости в корпусе от скорости всплытия поплавка, при этом исполнение запорного элемента, например, в виде конуса, позволяет регулировать расход добываемой скважинной жидкости при изменении уровня жидкости в корпусе. Работоспособность отсекателя при высоких давлениях пара в пласте обеспечивается за счет подбора и расчета параметров отсекателя: объема поплавка, длин плеч консоли, размеров и количества выпускных клапанов.
Конструкция заявленного отсекателя также предотвращает забивание корпуса устройства песком, который является постоянной составляющей добываемой скважинной жидкости при любых способах добычи высоковязкой нефти в шахтных условиях, что является важным промысловым фактором, влияющим на работу устройства. Таким образом, конструктивное исполнение отсекателя существенно повышает надежность его работы, обеспечивая безотказность работы при различных условиях эксплуатации добывающих скважин при термошахтной разработке нефтяных месторождений, предотвращая прорыв пара в добычные галереи.
Заявленная совокупность существенных признаков не известна нам из уровня техники, поэтому предлагаемое изобретение является новым. Заявленные отличительные признаки изобретения являются неочевидными для среднего специалиста в данной области. В связи с этим мы считаем, что заявленное изобретение имеет изобретательный уровень. Изобретение промышленно применимо, так как выпускаемое промышленностью оборудование, используемое в заявляемом изобретении, позволяет реализовать устройство в полном объеме.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1, на которой показана принципиальная схема исполнения отсекателя; фиг. 2, на которой представлен разрез отсекателя по А-А; фиг. 3, на которой представлен вариант исполнения тяг в виде пластин, жестко закрепленных с запорными элементами выпускных клапанов и свободно насаженных на перпендикулярную штангу.
Отсекатель пара содержит корпус 1, гидравлически сообщающийся с устьем скважины в верхней части, и основной выпускной клапан, седло 2 которого установлено в днище корпуса, и поплавковый привод выпускного клапана. Отсекатель снабжен дополнительным выпускным клапаном, седло 3 которого также установлено в днище корпуса, причем запорные элементы 4, 5 выпускных клапанов установлены с возможностью их последовательного открытия внутрь корпуса одним поплавковым приводом. Поплавковый привод выпускных клапанов выполнен в виде консоли 6, закрепленной в корпусе с помощью шарнира 7 с возможностью перемещения консоли в вертикальной плоскости. Консоль может быть выполнена в виде металлической балки, стержня и т.д. На свободном конце консоли жестко закреплен поплавок 8. Поплавок может быть изготовлен из металла или другого материала, выдерживающего температуру до 200°С. Перпендикулярно к консоли жестко прикреплена штанга 9, которая может быть выполнена в виде бруса, шеста, планки и т.д., при этом штанга может быть жестко прикреплена к консоли, как сверху, так и снизу или внутри тела консоли. Целесообразно закрепление перпендикулярной штанги на консоли с равными плечами относительно консоли для предотвращения разбалансировки работы выпускных клапанов, которые установлены по разные стороны относительно консоли. На перпендикулярную штангу 9, по разные стороны от консоли 6, свободно насажена тяга 10 основного клапана и тяга 11 дополнительного клапана, нижний конец которых жестко закреплен с соответствующим запорным элементом 4 и 5 выпускных клапанов. Каждый запорный элемент выпускного клапана выполнен с направляющим хвостовиком, соответственно 12 и 13, длина которых больше длины хода соответствующего запорного элемента. Тяги могут быть выполнены, например, в виде металлических пластин, стержней, трубок и т.д. Все детали отсекателя пара изготавливают из термостойкого металла или сплава, например стали. При выполнении тяги, например, в виде металлической пластины в центре верхней части пластины выполняют отверстие 14 с диаметром, обеспечивающим свободную насадку тяги и ее движение по перпендикулярной штанге. Целесообразно выполнение длины тяги основного клапана соответствующей расстоянию, при котором запорный элемент полностью перекрывает седло клапана, а поплавок находится в горизонтальном положении. Тягу запорного элемента дополнительного выпускного клапана выполняют длиннее тяги запорного элемента основного клапана. При выполнении тяг, например, в виде пластин удлинение тяги дополнительного клапана осуществляют за счет удлинения по вертикали отверстия 15 в центре верхней части пластины с диаметром, обеспечивающим свободную насадку тяги и ее движение по перпендикулярной штанге. Целесообразно длину тяги дополнительного клапана увеличить на половину длины полного хода запорного элемента основного клапана. В этом случае длина полного хода дополнительного клапана соответствует половине длины хода основного клапана. Работоспособность отсекателя сохраняется при незначительном увеличении или уменьшении длин тяг клапанов. В этом случае соответственно изменяется длина хода запорных элементов выпускных клапанов. Возможен вариант выполнения тяг запорных элементов выпускных клапанов, например, в виде стержней разной длины, свободно проходящих через отверстия в перпендикулярной штанге 9 с ограничителями вертикального перемещения тяг над перпендикулярной штангой, например, в виде гайки. Седла 2, 3 выпускных клапанов могут быть снабжены насадками 16, 17 различной формы для увеличения пропускной способности выпускных клапанов. Насадки выполнены с возможностью закрытия их заглушками для проверки герметичности отсекателя. Возможен вариант исполнения отсекателя, при котором в корпусе устройства устанавливают несколько выпускных клапанов, последовательно открывающихся внутрь корпуса с помощью одного поплавкового привода.
Расстояние от шарнира консоли до середины перпендикулярной штанги определяют по формуле:
1
где l - расстояние от шарнира до центра поплавка, м;
2
l - расстояние от шарнира до перпендикулярной штанги, м;
ж
3
ρ - плотность рабочей жидкости, кг/м;
попл.
ρ - плотность поплавка и консоли, м;
2
q - ускорение свободного падения, м/с;
V - объем поплавка и консоли, м;
раб.
Р- давление среды в корпусе отсекателя пара, Па;
отв.
2
S - площадь выходного отверстия седла выпускного клапана, м.
попл
отв
1
2
Исходя из конкретных условий эксплуатации отсекателя с учетом рабочих давлений и производительности скважин с условием обеспечения пропуска запорными элементами всей притекающей из скважины в корпус отсекателя жидкости задают величины ρ, V, S и l, при этом целесообразно уменьшать расстояние l - от шарнира до перпендикулярной штанги на величину не менее 20%.
Отсекатели пара устанавливают в добычных галереях на устье каждой подземной добывающей скважины с образованием гидравлической связи скважины с верхней частью корпуса, при этом для предотвращения прямого воздействия потока жидкости на поплавок в верхней части корпуса устанавливают направляющий элемент, например, в виде отбойника (позицией на схеме не показано).
Работа отсекателя осуществляется следующим образом. Рассмотрим вариант установки в корпусе двух выпускных клапанов. Выпускные клапаны находятся в закрытом положении, запорные элементы 4 и 5 плотно прижаты к седлам 2 и 3 при прорыве пара в скважину. Уровень жидкости в корпусе 1 отсекателя находится ниже отметки, при которой архимедова сила, действующая на поплавок 8, меньше веса поплавка в жидкости. Открытие и закрытие запорных элементов 4 и 5 осуществляется только за счет архимедовой силы, действующей на поплавок 8. При конденсации пара в скважине и заполнении скважины и корпуса отсекателя добываемой жидкостью поплавок 8 погружается в жидкость, архимедова сила растет и в определенный момент поплавок всплывает, при этом консоль вместе с перпендикулярной штангой 9 также поднимается вверх и через тягу 10 происходит подъем запорного элемента 4 и открытие основного выпускного клапана. При дальнейшем всплытии поплавка 8, когда запорный элемент 4 основного выпускного клапана поднимется на расстояние больше половины его полного хода, начнет подниматься вверх запорный элемент 5 дополнительного выпускного клапана. При достижении поплавком крайнего верхнего положения оба выпускных клапана открыты и происходит истечение скважинной жидкости из корпуса отсекателя наружу, причем тяги 10 и 11 свободно перемещаются по перпендикулярной штанге 9. При снижении уровня скважинной жидкости в корпусе отсекателя поплавок 8 под действием собственного веса опускается, запорные элементы 4 и 5 перекрывают седла 2 и 3, при этом хвостовики 12, 13 запорных элементов обеспечивают фиксированное перемещение запорных элементов внутри седел. Процесс отбора жидкости продолжается до нового цикла прорыва пара в скважины. В этом случае вновь срабатывают запорные элементы, закрывая выпускные клапаны, перекрывают устье подземной скважины, и, как результат, происходит предотвращение поступления пара в горные выработки. Возможен вариант работы отсекателя, когда в корпусе устанавливается определенный динамический уровень скважинной жидкости, то есть приток жидкости в отсекатель равен его оттоку, в этом случае поплавок остается неподвижным, а уровень скважинной жидкости в корпусе запирает скопившийся над ним пар.
2
3
2
Пример. Предложенный отсекатель может быть использован на Ярегском месторождении высоковязкой нефти со следующими характеристиками: глубина - 200 м, начальная пластовая температура - 8°С, пластовое давление - 0,1 МПа, толщина продуктивного пласта - 26 м, пористость - 26%, проницаемость - 3 мкм, нефтенасыщенность - 87%, вязкость нефти - 12000 мПа·с, плотность нефти - 933 кг/м. В качестве теплоносителя используют водяной насыщенный пар. В 4 квартале 2015 г. были изготовлены 4 опытных образца отсекателя пара и установлены на устьях добывающих скважин в блоке «Северный» нефтешахты №2. Размеры корпуса отсекателя: днище корпуса 537*124 (мм), высота боковых стенок 324 и 130 (мм). Длина поплавка 280 мм, диаметр поплавка 115 мм. Расстояние от шарнира консоли до центра поплавка - 336 мм. Расстояние от днища корпуса до низа поплавка при его горизонтальном положении - 15 мм, а от днища корпуса до центра консоли - 75 мм. Длина тяги основного выпускного клапана - 75 мм. Длина тяги дополнительного выпускного клапана - 87 мм. Расстояние между осями клапанов 36 мм. До установки отсекателей пара скважины эксплуатировались путем периодического открытия вручную устьевой задвижки для слива скважинной жидкости. Температура жидкости в скважинах равнялась 97-98°С. При периодической эксплуатации скважин дебит скважин колебался по нефти в среднем от 1,4 т/сут. до 1,7 т/сут., а по воде от 0,8 т/сут. до 1,6 т/сут. После выпуска жидкости из скважин наблюдался выход пара с давлением примерно 1 кг/см. После установки заявляемых отсекателей пара в скважинах добываемая жидкость, истекаемая из устья скважины, проходила через корпус устройства и вытекала через выпускные клапаны в горную выработку. При прорыве пара клапаны закрывались, удерживая пар внутри корпуса до его конденсации. В процессе испытаний отсекателей пара дебиты скважин выросли примерно в 2 раза. Вместе с тем, в процессе работы отсекателей осуществлялся автоматический выброс песка, скопившегося у седел выпускных клапанов. Заявляемые отсекатели устойчиво работают со дня начала проведения опытно-промысловых работ по настоящее время, доказав свою работоспособность и надежность эксплуатации.