СПОСОБ ДОБЫЧИ НЕФТИ
OIL PRODUCTION METHOD

Предлагаемое к рассмотрению изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к технологиям добычи нефти и воды.
В широко применяемом в нефтедобывающей промышленности способе добычи нефти с помощью глубинного плунжерного насоса порционное перекачивание скважиной продукции из скважины в лифтовые трубы осуществляется за счет знакопеременного вертикального движения плунжера в рабочей камере насоса и закономерного открытия - закрытия всасывающего и нагнетательного клапанов (Эксплуатация глубиннонасосных скважин. Еникеев В.Р. и др. - М.: Недра, 1971). Для организации движения плунжера необходима силовая установка и преодоление сил трения, поэтому коэффициент полезного действия таких насосных установок остается на относительно низком уровне.
Во многих нефтедобывающих регионах страны широко применяется газлифтный способ добычи нефти (Белов И.С. Теория и практика периодического газлифта. - М.: Недра, 1975), основанный на снижении плотности нефти в колонне лифтовых труб за счет принудительной закачки газа в колонну лифтовых труб через систему газлифтных клапанов. Недостатком данного способа добычи нефти является ее значительная капиталоемкость и энергоемкость. К тому же требуются значительные объемы подготовленного для закачки газа.
Известно изобретение, в котором добыча скважинной жидкости осуществляется снижением плотности скважинной продукции в колонне лифтовых труб путем электролиза воды, находящейся в составе скважинной жидкости (Патент РФ на изобретение №2132454. Способ добычи нефти. - Опубл. 27.06.1999). Внутритрубный электролиз по изобретению осуществляется без подвода электрического тока благодаря созданию в колонне лифтовых труб химического источника тока, например, путем установки магниевых втулок, внутри лифтовых труб. К сожалению, создаваемое электростатическое поле между такой втулкой и поверхностью лифтовой трубы на деле оказывается столь малой, что это поле не способно вызвать гидролиз с обильным выделением газовых пузырьков из молекул водорода и кислорода с последующим снижением плотности жидкости.
Существует также электродный способ нагрева жидкости, который заключается в том, что жидкость помещают между электродами и нагревают электрическим током, протекающим по жидкости от одного электрода к другому. Процесс нагрева происходит посредством протекания электрического тока через жидкость, за счет сопротивления которой и происходит нагрев. Во избежание электролиза для электродного нагрева используют только переменный ток. Электродный нагрев считается прямым нагревом - здесь жидкость служит средой, в которой электрическая энергия преобразуется в тепловую (http://electricalschool.info, Школа для электрика: электротехника и электроника. Статьи, советы, полезная информация).
Технической задачей заявляемого изобретения является создание такого способа добычи скважинной жидкости, в котором порционное перекачивание скважинной продукции через рабочую камеру от всасывающего клапана к нагнетательному клапану и далее в колонну лифтовых труб осуществлялось бы на известном физическом явлении без механического воздействия на эти порции скважинной жидкости. По изобретению должен быть получен положительный результат, заключающийся в отсутствии в схеме по способу добычи нефти плунжера или иного механического элемента для порционной перекачки скважинной жидкости вместе с их отрицательной стороной - наличием силы трения.
Поставленная задача решается тем, что предлагаемый способ добычи нефти осуществляется путем электродного нагрева скважинной жидкости посредством установки, содержащей корпус, всасывающий, нагнетательный клапаны, клапан принудительного действия, датчик температуры, подъемный канал, рабочую камеру в которой предварительно установлены электроды. Клапан принудительного действия (например с электромагнитным принципом действия) расположен в верхней части рабочей камеры, которая в свою очередь соединена с колонной лифтовых труб подъемным каналом с малым поперечным сечением относительно его длины. Датчик температуры и клапан принудительного действия соединены со станцией управления установкой на поверхности земли для организации оптимальной и безопасной эксплуатации установки (например, для исключения разогрева скважинной жидкости в рабочей камере выше критической температуры). В рабочей камере установки производится электродный нагрев жидкости, вследствие чего жидкость в закрытом на момент нагрева пространстве (рабочая камера) расширяется и происходит ее перетекание в подъемный канал установки и далее в лифтовые трубы.
Отметим, что датчик температуры должен находиться в верхней части полости рабочей камеры для объективного контроля температурной характеристики скважинной жидкости.
-4
-1
Приведем необходимые расчеты для оценки степени расширения скважинной жидкости в рабочей камере при повышении ее температуры на определенную величину. Для упрощения расчета, так как в скважинной жидкости содержится нефть, произведем расчет степени расширения нефти в рабочей камере при ее нагреве. В справочниках по добыче нефти отмечается, что в агрегате депарафинизации нефти АДПМ нефть для прогрева скважинного оборудования (колонна лифтовых труб в ее верхней части) нагревается до 150°C (Каплан Л.С. Оператор по добыче нефти и попутного газа. - Уфа, 2005. - 553 с). Эта температура ниже величины критической температуры разогрева нефти в установке, которая определяется температурной характеристикой конструкционных элементов установки. Известно, что большинство композиционных материалов (например, фторопласт F-4), которые могут быть в составе установки, допустимо нагревать до 200°C. Пусть температура нефти в рабочей камере установки скважины для условий Урало-Поволжской нефтегазоносной провинции равна 30°C, тогда нагреть ее в рабочей камере, предлагаемой к рассмотрению установки можно на 120°C, то есть до 150°C. Коэффициент температурного расширения нефти равен 9,2·10 К. Степень расширения нефти при ее нагреве в процентном выражении найдем по формуле:
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mn>100</mn><mi>%</mi><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>V</mi><mo>/</mo><mi>V</mi><mo>=</mo><mn>100</mn><mi>%</mi><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>k</mi><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>T</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext></mrow>
(1)
где: ΔV - приращение объема нефти за счет температурного расширения;
V - начальный объем нефти в рабочей камере установки;
k - коэффициент температурного расширения нефти;
ΔТ - прирост температуры нефти после ее разогрева.
-4
-1
Итак, степень расширения P=100%·9,2-10К·(423-303)К=11,04%.
Расчетами показано, что при нагреве нефти не менее, чем на 120°C возможно примерно 11% ее первоначального объема переправить из рабочей камеры установки выше - в колонну лифтовых труб.
Схема по способу добычи нефти приведена на чертеже, в котором 1 - корпус установки, 2 - рабочая камера, 3 - всасывающий клапан, 4 - нагнетательный клапан, 5 - клапан принудительного действия, 6 - электроды, 7 - подъемный канал, 9 - датчик температуры, 10 - многоканальный погружной кабель электропитания и обратной информационной связи, 11 - станция управления установкой, 8 - колонна лифтовых труб. Необходимо отметить, что клапаны 3 и 4 являются клапанами одностороннего действия и легко открываются под небольшим перепадом давления, при этом по своей конструкции могут быть тарельчатого типа или представлять из себя клапанную пару: шарик - седло, по аналогии с клапанами плунжерных глубинных насосов.
Оборудование для осуществления данного способа добычи нефти монтируется и эксплуатируется следующим образом.
1. Установка спускается на колонне лифтовых труб 8 (НКТ) на заданную глубину под уровень скважиной жидкости. В процессе спуска клапан 5 открыт в принудительном порядке, а клапаны 3 и 4 открываются сами под возникшим перепадом давления.
2. На заданной глубине рабочая камера 2 установки находится в заполненном состоянии - скважинной жидкостью с условной температурой 30°C. Клапаны 3 и 4 закрыты под действием силы тяжести запорного элемента (шарика или тарельчатого клапана) на седло клапана. Клапан 5 закрывается от станции управления принудительно после полного заполнения установки жидкостью (время рассчитывается экспериментальным путем и зависит от объемов рабочей камеры) при условии, что на электроды еще не подан ток.
3. По силовой части многожильного кабеля 10 на электроды 6 подается электрический ток, в результате чего происходит процесс электродного нагрева скважинной жидкости - температура растет до установленной в станции управления (СУ) величины - условных 150°C. Благодаря температурному расширению скважинной жидкости давление в камере 2 повышается, вследствие чего нагнетательный клапан 4 открывается, и по подъемному каналу 7 нагретая скважинная жидкость перетекает в колонну лифтовых труб 8. Согласно проведенных расчетов при нагреве нефти на 120°C из рабочей камеры 2 примерно 11% объема нефти перетечет в колонну лифтовых труб через подъемны канал установки. Необходимо отметить важную роль в принципе работы установки осуществляет подъемный канал 7. Этот канал имеет относительно своей длины малое поперечное сечение, и это исключает движение во встречных потоках подогретой скважинной жидкости верх и скважинной жидкости из колонны лифтовых труб - вниз. Подогретая скважинная жидкость из рабочей камеры 2 будет передвигаться вверх по подъемному каналу 7 поршнеобразно до тех пор, пока температура в рабочей камере 2 не достигнет установленного в СУ значения (в нашем примере - это 150°C).
4. При достижении температуры скважинной жидкости в рабочей камере 2 установленной величины из СУ подается команда на остановку работы электродов 6 и одновременного принудительного открытия клапана 5. Благодаря силе Архимеда подогретая скважинная жидкости через открытый клапан 5 перетечет в межтрубное пространство скважины, а ее место займет скважинная жидкость через всасывающий клапан 3, открывшийся под появившимся перепадом давления.
5. Как только произойдет полная замена скважинной жидкости в рабочей камере, температура в камере 2 по датчику 9 вновь выровняется по значению с начальными значениями температуры скважинной жидкости - 30°C. При этом от датчика 9 поступят на станцию управления 11 соответствующий сигнал, и клапан принудительного действия 5 будет закрыт.Такое положение является исходным, и оно приведено в конце второго пункта данного описания работы установки.
6. Следующий цикл работы установки будет таким же, как и действия, описанные в пп.3-5.
Предложенный способ добычи нефти предпочтителен для подъема по колонне лифтовых труб высоковязкой и тяжелой нефти с минимальным газосодержанием и, как следствие, небольшим значением давления насыщения нефти газом. Такие характеристики добываемой нефти обеспечат ее поступление в рабочую камеру через всасывающий клапан 3 без разгазирования и появления свободного газа. Принцип действия установки основан на том, что в рабочей камере будет находиться несжимаемая жидкость (нефть, вода), давление которой при ее нагреве превысит давление над нагнетательным клапаном 4 благодаря ее температурному расширению. Создавшийся перепад давления обеспечит открытие нагнетательного клапана 4 и перетекание части скважинной жидкости из камеры 2 в колонну лифтовых труб, то есть будет осуществляться порционная транспортировка скважинной жидкости (нефть, вода) на поверхность земли.
Температурное воздействие на скважинную жидкость, в особенности на высоковязкие нефти обеспечивает по изобретению не только подъем скважинной жидкости на поверхность, но имеет и дополнительный положительный эффект - снижает вязкость нефти и предотвращает отложение на поверхности рабочих органов установки и колонны лифтовых труб тяжелых элементов нефти - асфальтосмолопарафиновых соединений.
Датчик температуры 9 необходим для:
- нагрева скважинной жидкости со скважинной температуры до максимально допустимой (например с 30°C до 150°C);
- определения момента заполнения камеры 2 установки свежей порцией скважинной жидкости, то есть смены горячей скважинной жидкости жидкостью с меньшей температурой, именно это и определяет положение датчика в верхней части полости рабочей камеры 2.
В представленном на рассмотрение изобретении, на наш взгляд, имеются следующие элементы новизны и существенного отличия от ранее известных способов добычи нефти:
1. Порционное перекачивание скважинной нефти и воды осуществляется без механических движущихся частей на основе контролируемого электродного нагрева жидкости и расширения жидкости в рабочей камере установки.
2. Для исключения встречного перетекания скважинной жидкости из колонны лифтовых труб в рабочую камеру движение нагретой скважинной жидкости вверх организовано по подъемному каналу с малым поперечным сечением относительно его длины.
3. Датчик температуры установлен в верхней части полости рабочей камеры ввиду того, что максимальный разогрев скважинной жидкости произойдет именно в этой зоне из-за универсальности проявления закона Архимеда во многих физических явлениях, в частности, конвективного движения нагретой жидкости. При смене нагретой скважинной жидкости на скважинную жидкость по вертикали также важно зафиксировать окончание этого процесса с помощью датчика температуры, расположенного в максимально верхней полости рабочей камеры.