УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОЙ РАЗДЕЛЬНОЙ ДОБЫЧИ СКВАЖИННОЙ ПРОДУКЦИИ И ЗАКАЧКИ ВОДЫ В ПЛАСТ
DEVICE FOR SIMULTANEOUS SEPARATE RECOVERY OF WELL PRODUCTION AND PUMPING WATER INTO RESERVOIR

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано в практике нефтедобычи для так называемых «водоплавающих» залежей нефти, а также при разработке месторождений углеводородов, когда вода и нефть дебита скважин составляют конкурирующее соотношение.
Известно устройство для раздельной добычи нефти и воды, содержащее неподвижный ступенчатый цилиндр с установленным в нем дифференциальным плунжером, включающим всасывающий и нагнетательный клапаны, свободный поршень, систему лифта низкого давления для подачи воды в цилиндр и лифта высокого давления для закачки воды в пласт, пакер и дополнительную камеру с всасывающим и нагнетательным клапанами и герметизирующим элементом, обеспечивающую гидравлическую связь нижнего цилиндра с системой двухрядного лифта с пакером (патент РФ №2378499, Е21В 43/12). Известное устройство снабжено также дополнительным пакером, разделяющим нефтенасыщенные интервалы пласта от водонасыщенных, а цилиндр дополнительно выполнен трехступенчатым, нижняя ступень которого по диаметру больше, чем средняя ступень, но меньше, чем его верхняя ступень.
К недостаткам данного устройства следует отнести его сложность за счет многозвенности конструкции.
Известно также устройство для одновременной раздельной добычи скважинной продукции и закачки воды в пласт (патент РФ №2297521, Е21В 43/14, прототип). Указанное устройство включает перфорированную в интервале верхнего продуктивного и нижнего принимающего пластов обсадную колонну, колонну насосно-компрессорных труб, верхний и нижний насосы и камеру-накопитель. При этом колонна насосно-компрессорных труб в интервале от обводненной части продуктивного пласта до нижнего пласта выполнена перфорированной. В качестве камеры-разделителя использовано пространство скважины между насосами, а в качестве камеры накопителя нефти - верхняя часть пространства камеры. В качестве нижнего насоса использован электроцентробежный насос, обращенный вниз, расположенный ниже продуктивного пласта и имеющий снизу хвостовик с обратным клапаном и пакером, устанавливаемым в скважине над кровлей принимающего пласта. Верхний насос размещен в колонне насосно-компрессорных труб под динамическим уровнем накопленной нефти. При этом верхний и нижний насосы расположены в скважине друг от друга на максимально возможном расстоянии друг от друга с размещением между ними перфорированного участка колонны насосно-компрессорных труб и сепараторов-отстойников с входными и выходными каналами. Общая производительность насосов подобрана, исходя из добывной возможности продуктивного пласта по жидкости, соотношение производительности верхнего и нижнего насосов подобрана в зависимости от количества поступающих в скважину воды и нефти с условием обеспечения гравитационного разделения пластовой жидкости на восходящий поток нефти и нисходящий поток воды у перфорационных отверстий продуктивного пласта и откачки отделившейся воды электроцентробежным насосом.
К недостаткам данного устройства следует отнести сложность установки оптимальных по производительности режимов работы указанных установленных в устройстве верхнего и нижнего насосов, так как общий дебит скважины и дебит разделенных на составляющие нефти и воды являются во времени переменными величинами, зависящими и от времени и от анизотропии нефтяного пласта. Кроме того, поток жидкостей из нефтяного пласта в скважину раздваивается в последующем на потоки с неопределенным соотношением: один поток поступает в насосно-компрессорные трубы, а другой движется в скважине, вне насосно-компрессорных труб. Вследствие указанных неопределенностей возможен захват водонефтяной смеси нижним электроцентробежным насосом с последующим перетоком в принимающий водоносный пласт.
Задачей изобретения является упрощение конструкции устройства и повышение эффективности его работы.
Техническим результатом изобретения является конструктивное решение разделительной камеры в виде «ловушки» для углеводородов с возможностью саморегулирующегося сброса воды в водоносный пласт, а углеводородов - в насосно-компрессорные трубы.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для одновременной раздельной добычи скважинной продукции и закачки воды в пласт, включающем перфорированную в интервале верхнего продуктивного и нижнего принимающего пластов обсадную колонну, камеру-разделитель, оснащенную каналами подвода смеси воды и нефти и отвода воды, дополнительно камера-разделитель выполнена в виде корпуса, содержащего верхнюю и нижнюю камеры, разделенные между собой перемычкой, снабженной осевым каналом и хвостовиком с размещенным в нем обратным подпружиненным клапаном, при этом в указанной перемычке установлены, по меньшей мере, два подпружиненных обратных клапана, нижняя камера корпуса снабжена герметично закрепленной втулкой, установленной с образованием емкости между нижним краем указанной перемычки и верхним краем указанной втулки, при этом указанная емкость сообщена каналами, выполненными в нижней части корпуса, с нижней частью кольцевого пространства, образованного внутренней поверхностью обсадной колонны и внешней поверхностью корпуса, верхняя и нижняя части корпуса выполнены с кольцевыми цилиндрическими выступами, при этом верхняя часть корпуса герметично скреплена с полой крышкой, в осевом канале которой установлен обратный односторонний подпружиненный клапан, в боковой стенке верхней части верхней камеры корпуса установлены обратные односторонние подпружиненные клапаны, внутри верхней камеры симметрично ее оси с опорой на перемычку корпуса и нижний край его крышки установлена полая труба, внутри которой шарнирно размещен поплавок, оснащенный по торцам запорными клапанами, в верхней и нижней частях указанной полой трубы выполнен ряд сквозных отверстий для запуска в них поступающей нефти и воды соответственно, нижняя часть корпуса шарнирно с помощью штифтов связана с охватывающей ее втулкой с осевым отверстием, между внешними плоскими поверхностями кольцевых выступов крышки корпуса и его нижней части и плоскими поверхностями нижней части переводника и верхней части указанной втулки размещены пакерные кольца с возможностью пакеровки устройства, с охватом интервала нефтеносного пласта и зоны перфорации обсадной колонны.
На представленном чертеже изображен вертикальный разрез устройства согласно изобретению в составе обсадной колонны скважины в окружении пласта - покрышки, нефтеносного пласта и водоносного пласта.
Устройство содержит полый корпус 1, включающий разделенные перемычкой 2 верхнюю и нижнюю камеры 3, 4 соответственно. Перемычка 2 выполнена с хвостовиком 5, размещенным в нижней камере 4. Верхняя внутренняя поверхность корпуса 1 выполнена конической с конической резьбой для жесткого подсоединения к нему крышки 6, наружный диаметр которой выполнен с кольцевым выступом для размещения на его верхнем краю уплотнительных пакерных колец 7 из эластичного материала. Место сопряжения плоских поверхностей корпуса 1 и крышки 6 содержит кольцевую выемку для размещения в ней уплотнительного кольца 8 из эластичного материала. Наружная цилиндрическая поверхность крышки 6 выполнена с диаметром, меньшим диаметра ее кольцевого выступа, и снабжена вдоль образующих продольными проточками 9 для возможности перемещения внутри них штифтов 10. Крышка 6 содержит осевой канал, верхняя часть которого выполнена с возможностью перекрытия подпружиненным шариковым или коническим клапаном 11. Верхний край пружины клапана 11 сопряжен с нижним краем опорного кольца 12, снабженного продольными сквозными каналами для выхода нефти в НКТ (не показаны) при открытом клапане 11. Верхний край указанного опорного кольца 12 сопряжен с нижним краем полой упорной гайки 13, резьба которой сопряжена с внутренней резьбой крышки 6. Верхняя часть крышки 6 выполнена с открытой цилиндрической полостью, сообщающейся с внутренней полостью переводника 14 и насосно-компрессорными трубами (НКТ) (не показаны). Нижний плоский край крышки 6 выполнен с концентрично расположенной относительно ее оси кольцевой проточкой для шарнирного размещения в ней кольца 15. Наружная верхняя цилиндрическая часть крышки 6 с цилиндрической открытой полостью сопряжена с внутренней цилиндрической поверхностью переводника 14, верхняя часть которого своей конической резьбой скрепляется с конической резьбой НКТ (не показано).
Боковая цилиндрическая стенка корпуса 1 оснащена подпружиненными односторонними клапанами 16, размещенными в верхней его части и предназначенными для запуска нефти под давлением. В перемычке 2 корпуса 1 установлены по окружности два или более подпружиненных обратных клапана 17 для запуска пластовых жидкостей (нефти, воды) в верхнюю камеру 3 по расположенным в нижней части корпуса 1 каналам 18. В нижней камере 4 жестко установлена втулка 19, сопряженная наружной боковой поверхностью с внутренней цилиндрической поверхностью нижней камеры 4 корпуса 1 и резьбовой ее частью, а своей внутренней цилиндрической поверхностью указанная втулка 19 герметично сопряжена с наружной цилиндрической поверхностью хвостовика 5 перемычки 2. Указанные сопрягаемые цилиндрические поверхности взаимно уплотнены кольцами из эластичного материала. Внутри указанного хвостовика 5, включающего осевые отверстия разного диаметра, установлен подпружиненный обратный клапан 20, предназначенный для выпуска пластовой воды в водоносный нижний пласт из верхней камеры 3 корпуса 1. В верхней камере 3 корпуса 1 установлена полая труба 21, нижний край которой заглублен в тело перемычки 2 корпуса 1, а верхний - в тело шарнирного кольца 15. В верхней и нижней части указанной полой трубы 21 выполнен ряд сквозных отверстий для запуска в них поступающей нефти и воды соответственно. Внутри указанной полой трубы 21 установлен шарнирно поплавок 22. Внутренняя поверхность полой трубы 21 является направляющей для поплавка 22, который оснащен в верхней и нижней части запорными коническими выступами, предназначенными для плотного сопряжения с коническими поверхностями осевых каналов крышки 6 и перемычки 2 корпуса 1 при соответствующих положениях поплавка 22 в его крайних верхнем или нижнем положениях. Промежуточные положения поплавка 22 определяются границей 23 раздела между пластовой водой и нефтью в верхней камере 3 корпуса 1. Нижняя часть корпуса 1 выполнена, также как верхняя, с цилиндрическим кольцевым выступом, а ее нижняя цилиндрическая часть меньшего диаметра оснащена продольными проточками 24 вдоль образующих и сопряжена шарнирно своей наружной поверхностью с внутренней цилиндрической поверхностью втулки 25, включающей осевой канал для выпуска воды в водоносный пласт. При этом втулка 25 соединена шарнирно с корпусом 1 штифтами 26.
Между плоскими поверхностями нижнего цилиндрического кольцевого выступа корпуса 1 и верхней частью втулки 25 установлены уплотнительные пакерные кольца 7, выполненные из эластичного материала, в составе двух или более колец. Втулка 25 своим нижним краем сопряжена с цементным тампонажным кольцом 27, нижний край которого сопряжен непосредственно с верхней поверхностью после разбуривания (вскрытия) водоносного пласта 28.
Выше водоносного пласта 28 с некоторой перемычкой или без нее расположен нефтеносный пласт 29, который накрыт сверху пластом-покрышкой 30 из плотных глинистых непроницаемых пород.
После разбуривания указанных пластов их вертикальные стенки укрепляются обсадной стальной колонной 31. В интервалах водоносного и нефтеносного пластов затрубное пространство тампонируется цементным кольцом под давлением, чтобы не было утечек жидкостей или перетоков между ними. Затем после затвердевания тампонажных колец производят перфорацию обсадной колонны и тампонажного цементного или резинового кольца 27 и вызов притока нефти из нефтеносного пласта 29.
После перфорации обсадной колонны 31 в интервале нефтеносного пласта и вызова притока нефти из нефтяного пласта производят спуск устройства, закрепленного на НКТ, на дно скважины до упора с верхним краем тампонажного кольца 27. НКТ соединены своим нижним краем конической резьбой с верхней частью переводника 14, нижняя часть которого соединена шарнирно с помощью штифтов 10 с верхней частью крышки 6. Под действием веса НКТ уплотнительные пакерные кольца 7 деформируются и уплотняют собой пространство между обсадной стальной колонной 31 и предлагаемым устройством в верхней и нижней части нефтеносного пласта 29.
В результате спуска предлагаемого устройства и его пакеровки внутри обсадной колонны 31 с помощью пакеровочных колец 7 из эластичного материала получаем кольцевое пространство 32 вокруг корпуса 1 внутри обсадной колонны 31, имеющее гидравлическую связь через ее перфорационные отверстия 33 с внутрипластовым поровым пространством нефтеносного пласта 29.
В процессе добычи нефти из нефтяной скважины с установленным в ней устройством согласно изобретению при создании депрессии давления между нагнетательными и добывающими скважинами, нефть из пласта 29 начнет поступать через перфорационные отверстия 33 в обсадной колонне 31 в кольцевое пространство 32, и нефть как более легкая жидкость, чем пластовая вода, будет занимать в нем верхнюю часть, проникая далее через подпружиненные обратные клапаны 16 в верхнюю камеру 3 корпуса 1, занимая в ней также верхнюю часть ее объема. Другая часть, более тяжелая, представляющая собой смесь пластовой воды с нефтью, будет занимать более низкие позиции в кольцевом пространстве 32 и будет проходить по каналам 18 в нижнюю камеру 4 под перемычкой 2 корпуса 1 и затем под действием давления через подпружиненные обратные клапаны 17 в верхнюю камеру 3. При этом капельная нефть будет всплывать вверх к нефти, а пластовая вода будет оседать вниз, занимая в верхней камере 3 корпуса 1 нижнее положение под границей раздела 23 между нефтяной и водной фазами. На границе раздела 23 двух фаз шарнирно с возможностью перемещения внутри полой трубы 21 плавает поплавок 22. Если столб воды в верхней камере 3 будет находиться под большим давлением, чем пластовое давление в водоносном пласте 28 и силы сжатия пружины обратного клапана 20, то последний откроется и вода начнет перетекать из верхней камеры 3 корпуса 1 в водоносный пласт 28, освобождая место в ней для поступающей нефти. При этом поплавок 22 начнет двигаться вниз вслед за уходящей водой. При быстром поступлении нефти и менее значительном поступлении пластовой воды в верхнюю камеру 3 поплавок 22 перекроет осевой канал, выполненный в перемычке корпуса 1. После этого верхняя камера 3 корпуса 1 преимущественно заполняется нефтью и при определенном ее напоре внутри верхней камеры 3 откроется подпружиненный обратный клапан 11, установленный в осевом канале крышки 6. В результате этого нефть свободно пойдет во внутреннее пространство НКТ, занимая уровень соответствующий заданной депрессии давления, что сопровождается обычно легким толчком о торцовую поверхность штанги штангового глубинного насоса, что может зафиксировать специальный датчик, который включит в рабочее состояние штанговый глубинный насос (ШГН), и нефть будет подаваться на земную поверхность в отведенную для нее емкость. При этом нефть будет поступать на поверхность Земли без воды. За счет этого происходит повышение КПД добычи и достигается экономия электроэнергии.
Режим добычи нефти из нефтеносного пласта 29 в общем случае является нестационарным процессом и зависит от его неоднородности (анизотропии), что будет сказываться на переменной скорости поступления нефти и воды в скважину. При большей скорости поступления воды в скважину по сравнению с поступлением нефти поплавок 22 станет подниматься вверх и может наступить такой момент, когда весь свободный объем верхней камеры 3 заполнится водой. При этом поплавок 22 перекроет осевой канал в крышке 6 корпуса 1 и закроет доступ воды в НКТ. Напор воды в верхней камере 3 откроет подпружиненный обратный клапан 20, и вода начнет поступать непосредственно в водоносный пласт 28 до тех пор, пока не изменится ситуация с передвижением нефти в нефтеносном пласте 29. В режиме отсутствия поступления нефти штанговый глубинный насос (ШГН) может быть отключен до перемены ситуации, когда нефть снова начнет поступать в скважину. Таким образом, предлагаемое устройство является саморегулирующимся и будет работать только на подъем нефти по НКТ без воды, что повысит КПД эксплуатации скважины и интенсивность добычи нефти.
Следует заметить, что после испытания скважины на приток в скважине будет находиться определенный статический уровень нефти. Поэтому в последующем периоде действий перед спуском устройства согласно изобретению в скважину в нижней части НКТ, примыкающей к устройству, необходимо также установить односторонние подпружиненные обратные клапаны, чтобы нефть из затрубного пространства НКТ перетекала во внутреннее пространство НКТ, не опускаясь ниже уровня установки указанных клапанов. В случае необходимости обратный подпружиненный клапан устанавливают в осевом канале тампонажного кольца 27.
Конструктивное решение устройства согласно изобретению позволяет изготовлять его в виде отдельных конструктивных элементов, которые собираются в действующее устройство с помощью конической резьбы и кольцевых уплотнений. Устройство собирается в следующей последовательности - крышка, верхняя камера корпуса, перемычка с обратными односторонними подпружиненными клапанами и хвостовиком с размещенным в нем обратным односторонним подпружиненным клапаном, нижняя камера, шарнирно соединенная с нижней камерой втулка с осевым отверстием. Собранное таким образом устройство подсоединяют к НКТ.
В целом конструкция устройства согласно изобретению является экономичной, простой по конструкции, удобной в изготовлении, надежной при эксплуатации, так как не требует применения нижнего электроцентробежного насоса.
Применение устройства в области нефтедобычи или газоконденсата за счет надежного отделения воды от целевого скважинного продукта и закачки (возврата) отделенной от нефти воды в водоносный пласт обеспечивает сокращение энергозатрат при эксплуатации нефтяных скважин, повышение срока службы наземного оборудования и интенсификацию добычи углеводородов.
Особую эффективность устройство согласно изобретению будет иметь при использовании его в случаях, когда нефтяной пласт и водоносный пласт граничат друг с другом без перемычек между ними, а граница раздела между ними - горизонтальная плоскость, например, такие месторождения наблюдаются на территории Узбекистана.