УСТРОЙСТВО МЕЖПЛАСТОВОЙ ПЕРЕКАЧКИ ВОДЫ И ГЛУБИННЫЙ СКВАЖИННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАСХОДА ДЛЯ ЭТОГО УСТРОЙСТВА

Устройства относятся к области нефтедобывающей промышленности и могут быть использованы в системах поддержания пластового давления при разработке нефтегазовых месторождений.
Для эффективной разработки нефтегазовых месторождений известны устройства [1], реализующие способ поддержания пластового давления путем закачки с поверхности в отдельные точки пласта через нагнетательные скважины определенного количества вытесняющего агента, главным образом воды (пресной, морской, сточной или пластовой). Существующая в настоящее время система поддержания пластового давления (ППД) включает в себя: водоисточник, низконапорные (питательные) водоводы, насосную станцию второго подъема, кустовую насосную станцию, нагнетательные скважины, комплекс приборов для измерения объемов закачиваемой воды.
При глубокой разработке нефтяных месторождений для интенсификации добычи нефти возникает потребность ввода в действие дополнительных нагнетательных скважин, а, следовательно, и периодической реконструкции систем ППД, являющейся дорогостоящим мероприятием.
Отметим следующие недостатки систем ППД с перечисленной выше технической оснащенностью:
- использование насосов высоких производительности и напора;
- необходимость строительства линий электропередач высокого напряжения и понижающих подстанций в связи с применением высоковольтных электродвигателей в качестве приводов насосов;
- значительная протяженность наземных высоконапорных водоводов;
- громоздкость системы, высокие металлоемкость и капиталоемкость;
2 - низкая эксплуатационная надежность системы.
Известны также устройства [2], реализующие способ ППД путем закачки воды в нагнетательную скважину из специально пробуренного рядом с ней шурфа, в который спущен электроцентробежный насос (ЭЦН). К приему ЭЦН через водовод низкого давления подается сточная или пресная вода, а выкид установки ЭЦН соединяется с нагнетательной скважиной. Устройство, реализующее способ ППД путем закачки воды через специально организованный шурф, свободно от большинства недостатков, но тем не менее капитальные затраты на строительство шурфа обязательны.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому устройству межпластовой перекачки воды является устройство [3] для поддержания пластового давления путем внутрискважинной перекачки воды с помощью электроцентробежного насоса из полностью обводнившегося (отработанного) продуктивного пласта и доставки ее в эксплуатируемый нефтенасыщенный пласт, содержащее, согласно описанию, скважину, многоступенчатый центробежный насос с погружным электродвигателем, пакер для соответствующего разобщения и герметизации ствола скважины (скважинного пространства) и обеспечения приема (поглощения) жидкости принимающим пластом с выхода центробежного насоса, вход которого сообщен со стволом скважины в зоне отдающего воду пласта.
Данное устройство свободно от вышеперечисленных недостатков, но оно не решает проблемы учета перекачиваемой пластовой воды и обеспечения ее качества по содержанию мехпримесей, чего требуют нормативно-технические документы по эксплуатации месторождений углеводородов с применением технологии поддержания пластового давления (ППД).
Таким образом, цель заявляемых объектов (иначе требуемый технический результат) заключается в обеспечении этим объектам более
высоких потребительских свойств, а именно: обеспечение им при эксплуатации (межпластовой перекачки воды для поддержания давления нефтяного пласта) обязательного учета объема перекачиваемой воды и содержания мехпримесей.
Как показывают экспериментальные работы, поставленная цель (требуемый технический результат) достигается тем, что известное устройство для межпластовой перекачки пластовой воды, содержащее, согласно прототипу, скважину, колонну насосно-компессорных труб с внутрискважинной насосной установкой в виде многоступенчатого центробежного насоса с погружным электродвигателем, силовой кабель электропитания, наземный блок электроснабжения, управления и контроля, пакер для разобщения ствола скважины между отдающим и принимающим воду пластами, причем вход насоса гидравлически сообщен с первым из этих пластов, а выход со вторым, снабжено внутрискважинным узлом обеспечения минимального содержания мехпримесей, глубинным скважинным преобразователем расхода (то есть расхода воды в последовательность информационных электрических сигналов) и наземным блоком вычисления расхода, содержания мехпримесей и учета количества воды, а также проводного канала электросвязи между ними, при этом наземный блок вычисления расхода, содержания мехпримесей и учета количества воды электрически соединен также с блоком электроснабжения, управления и контроля.
Проблема выбора расходомера для целей осуществления контроля (измерения) за объемом перекачиваемой жидкости (воды) без извлечения ее на поверхность далеко нетривиальна и обусловлена тем, что такие расходомеры должны соответствовать следующим критериям:
1. Наработка на отказ расходомера должна быть не менее наработки на отказ скважинного оборудования (насоса и электродвигателя);
2. Максимально простая схема съема электрического сигнала с выхода первичного преобразователя и его обработки для получения информации на поверхности об объеме перекачиваемой жидкости. Этим двум критериям в той или иной мере удовлетворяют тахометрические расходомеры, общим для которых является измерение скорости движения подвижного элемента, по которой судят о расходе, а по числу оборотов или ходов судят о количестве (объем или масса) прошедшего вещества. К тахометрическим расходомерам относятся в первую очередь турбинные и шариковые расходомеры [4].
Чувствительным элементом турбинного счетчика является аксиальная (осевая) турбинка с лопастями, расположенными под углом к направлению потока жидкости, и свободно вращающаяся на подшипниках. Скорость вращения турбинки прямо пропорциональна скорости потока и, следовательно, расходу проходящей жидкости, а число оборотов ее за определенный период - объему жидкости, прошедшей за этот период [4].
Главный недостаток первичных преобразователей турбинных расходомеров состоит в том, что турбинки преобразователей перекрывают проходное сечение трубопровода, вследствие чего тяжело воспринимают гидравлические удары, которые в свою очередь ускоряют разрушение лопаток турбинок и износ подшипников. Кроме того, лопатки турбинок, являясь преградой движущегося потока, могут забиваться инородными телами, что также сказывается на надежности турбинок, вплоть до их заклинивания.
Подвижным элементом шарикового расходомера служит шарик, который вращается под действием закручиваемого специальным образом потока измеряемого вещества. Частота вращения шарика, прямо пропорциональная расходу, преобразуется в информационный электрический сигнал или индукционным или индуктивным, или магнитоуправляемым контактом (герконом) и т.п.
Шариковые расходомеры свободны от вышеперечисленных недостатков, присущих первичным преобразователям (датчикам) турбинных расходомеров и полностью удовлетворяют критериям:
повышенной надежности (наработка на отказ) и максимальной простоты съема и обработки информационного электрического сигнала, пропорционального расходу.
Сравнение турбинных и шариковых расходомеров однозначно показывает превосходство шариковых расходомеров над турбинными.
Таким образом, именно преобразователи расхода шариковых расходомеров более других предпочтительны для работы в скважине в паре с электроцентробежным насосом, однако существующие конструкции наземного применения, безусловн о, требуют существенной доработки их для адаптации к скважинным условиям эксплуатации в составе устройства межпластовой перекачки воды.
В части глубинного скважинного преобразователя расхода для устройства межпластовой перекачки воды требуемый технический результат обеспечивается тем, что в глубинном скважинном преобразователе расхода устройства межпластовой перекачки воды, содержащем составной проточный корпус с центральным осевым и кольцевым коаксиальным измерительным каналами, причем на входе измерительного канала установлен вращатель потока с радиальными косыми лопатками, расположенными под углом к набегающему потоку воды, на выходе этого канала установлен выпрямитель потока с радиальными прямыми лопатками, между вращателем и выпрямителем потока выполнена горообразная кольцевая канавка, в которой с возможностью качения по ее поверхности размещен шар, а также узел контроля за круговыми движениями шара по этой кольцевой канавке, корпус выполнен в виде, как минимум, двух частей, наружная из которых содержит посадочное седло под вставную, с возможностью установки и съема, центральную часть корпуса, в теле наружной части корпуса
размещен фиксатор взаимно-сопряженного состояния обеих частей, вращатель и выпрямитель потока жестко закреплены на вставной части корпуса, а кольцевая канавка выполнена в теле наружной части непосредственно над посадочным седлом, при этом геометрическая образующая поверхности кольцевой канавки является половиной дуги окружности с концами этой дуги, лежащими на прямой, не параллельной оси корпуса и пересекающейся с этой осью за выпрямителем потока.
Требуемый технический результат обеспечен наличием в обеих совокупностях существенных признаков (характеризующих предлагаемую конструкцию устройства межпластовой перекачки воды и конструкцию глубинного скважинного преобразователя расхода) вышеуказанных отличительных признаков, а необнаружение в общедоступных источниках патентной и технической информации эквивалентных технических решений с теми же свойствами при несомненной промышленной применимости и новизне предполагает соответствие заявляемых объектов критериям «полезной модели».
На чертежах приведены принципиальная (фигура 1) схема устройства межпластовой перекачки воды для поддержания давления нефтенасыщенных пластов и конструкция, соответственно фигура 2, глубинного скважинного преобразователя расхода для этого устройства; на фигуре 3 приведен фрагмент развертки вращателя потока с радиальными косыми лопатками.
Устройство межпластовой перекачки воды по фигуре 1 содержит скважину 1, подвешенную в ее стволе колону 2 насосно-компресорных труб (НКТ), в составе этой колонны размещен многоступенчатый центробежный насос 3 с погружным электродвигателем 4, который обеспечен электроэнергией посредством силового кабеля 5 от наземного блока 6 электроснабжения, управления и контроля. В составе внутрискважинной подвески оборудования имеется пакер 7 для разобщения ствола скважины 1 между ее стенкой и колонной 2 НКТ, то
есть для разрыва гидравлической связи между отдающим и принимающим воду пластами (последние на фигуре 1 изображены, но отдельными позициями не обозначены). Вход 8 насоса 3 гидравлически сообщен с подающим (водоносным) пластом, а выход 9 этого насоса сообщен с пластом, в который осуществляют перекачку воды, то есть с принимающим (поглощающим). Перед входом насоса на некотором расстоянии от него (по высоте) в составе колонны НКТ размещены узел 10 обеспечения минимального содержания мехпримесей и глубинный скважинный преобразователь 11 расхода воды. В составе объекта имеется наземный блок 12 вычисления расхода, содержания мехпримесей и учета количества воды, электрически, посредством проводного канала 13, связанный с датчиками 14 узла 10 обеспечения минимального содержания мехпримесей и со скважинным глубинным преобразователем расхода, при этом блок 12 электрически связан также и с блоком 6 электроснабжения, управления и контроля погружного электродвигателя 4 каналом 15 связи для обесточивания двигателя 4 в нештатных ситуациях по команде с блока 6.
Устройство межпластовой перекачки воды работает следующим образом. В выбранном в качестве источника водоснабжения водоносном пласте или в полностью обводнившемся отработанном продуктивном (нефтяном) пласте проводят работы по обеспечению достаточного водопритока. Сборку внутрискважинного оборудования (включая колонну НКТ, многоступенчатый центробежный насос с погружным электродвигателем, узел 10 для обеспечения минимального содержания мехпримесей (пескоуловитель) с датчиками 14 его заполнения песком, глубинный преобразователь расхода воды и пакер) размещают в стволе скважины, обеспечивая при этом электрическую проводную связь и электропитание датчиков, преобразователя расхода и погружного электродвигателя с наземными блоками 6 и 12. Пакером 7 герметизируют кольцевое пространство ствола скважины между стенкой обсадной
колонны и колонной НКТ над принимающим воду пластом и начинают перекачку воды. При этом поступающая в скважину вода с механическими примесями в виде, преимущественно, мелких частиц породы пласта изначально попадает в пескоу ловитель [5] общеизвестной конструкции, где и накапливается, а вода через глубинный преобразователь расхода по колонне НКТ перекачивается в подпакерное пространство скважины и поглощается (под давлением многоступенчатого центробежного насоса) принимающим пластом. Поскольку полость пескоуловителя контролируется датчиками наполнения его песком по высоте, а объемы этого заполнения изначально известны, то (при постоянном учете перекачанной воды за какое-то время) определить содержание мехпримесей в исходной воде не составляет труда, при допущении, что пескоуловитель работает с максимальной эффективностью. При этом, если фактическое содержание мехпримесей превышает норму (норма 0,1 г/л), то необходимы или дополнительные меры и средства внутрискважинной очистки воды, или снижение темпов ее отбора из пласта; последнее снижает механическое разрушение горной породы, слагающей водоносный пласт. При получении сигнала о предельном заполнении пескоуловителя мехпримесями необходима его замена, то есть технологическая остановка скважины. Электрическая связь блока 6 и 12 предусматривает автоматическую остановку закачки воды для защиты насосной установки от нештатного режима работы и для защиты продуктивного принимающего пласта от засорения мехпримесями путем отключения двигателя и выдачи соответствующего сигнала операторской службе.
Глубинный скважинный преобразователь расхода (смотри фигуру 2) для устройства межпластовой перекачки воды содержит составной проточный корпус 16 с центральным осевым (позиция 17) и кольцевым коаксиальным измерительным (позиция 18) каналами. На входе измерительного канала 18 установлен вращатель 19 потока с радиальными косыми лопатками 20, расположенными под углом к набегающему потоку
воды (как это изображено на фигуре 3), а на выходе этого канала установлен выпрямитель 21 потока с радиальными прямыми лопатками 22. Между вращателем 19 и выпрямителем 21 потока выполнена горообразная кольцевая канавка 23, в которой размещен шар 24, а за канавкой, в теле корпуса 1, размещен узел 25 контроля за круговыми движениями шара, соединенный электрической связью с наземным блоком 12 вычисления расхода, содержания мехпримесей и учета количества перекачиваемой воды. Проточный корпус 16 выполнен, как минимум, из двух частей, наружная часть 26 из которых содержит посадочное седло 27 под вставную, с возможностью установки и съема, центральную часть 28 корпуса 16. В теле наружной части 26 размещен фиксатор 29 взаимно-сопряженного состояния обеих частей. Вращатель 19 и выпрямитель 21 потока жестко закреплены на вставной центральной части 28 корпуса, а кольцевая канавка 23 выполнена в теле наружной части 26 непосредственно над посадочным седлом 27, при этом геометрическая образующая поверхности кольцевой канавки является половиной дуги окружности с концами этой дуги (точки А и Б на фиг.2), лежащими на прямой «а-б», не параллельной оси 0-0 корпуса и пересекающейся (там же, точка К) с этой осью за выпрямителем 21 потока.
Глубинный скважинный преобразователь расхода работает следующим образом. Поскольку скважина над пакером 7 заполнена водой из отдающего пласта и вода на прием (вход) многоступенчатого центробежного насоса поступает через проточный корпус 16 глубинного скважинного преобразователя, то часть потока всасываемой насосом воды идет по центральному осевому каналу 17, а некоторая часть потока воды, закручиваясь вращателем 19 потока, идет по измерительному коаксиальному кольцевому каналу 18, увлекая шар 24 в круговое движение качения по горообразной кольцевой канавке 23, тем более интенсивное, чем выше (больше) расход потока. Угловая скорость (частота вращения) шара является мерой расхода воды по измерительному каналу, а общий
(суммарный) расход воды через преобразователь 11 определяется из соотношения пропускной способности обоих каналов, расход в одном из которых измеряется по общеизвестному для тахометрических шариковых расходомеров принципу. Особенность заявляемой конструкции является то, что шар в горообразной кольцевой канавке всегда находится в точечном контакте с ее поверхностью, чем обеспечивается высокая чувствительность преобразователя к наличию потока через корпус, отсутствие нежелательных соударений и контактов шара при его качении с поверхностями, имеющимися, например, в известных конструкциях шариковых расходомеров, а также то, что при необходимости возможно с минимальными затратами средств и времени технологической остановки скважины провести извлечение и замену вставной центральной части корпуса на аналогичную с вращателем потока, имеющим другие параметры угла закрутки потока или другое сечение измерительного канала; возможна замена и шара 24 на другой такой же, или более массивный, или легкий, или из других материалов.
Следует отметить, что приведенная на фигуре 2 конструкция предназначена для измерения потока воды (или какой-либо другой жидкости) при ее движении сверху вниз и шар выполняют из износостойкого материала с плотностью, близкой или несколько большей, чем плотность жидкости; для измерения же потока жидкости с направлением «снизу вверх» плотность материала шара должна быть несколько меньшей, чем плотность жидкости, а корпус преобразователя расхода, естественно, должен быть перевернут на 180 градусов.
Исходя из вышеизложенного, заявленные объекты, объединенные общим творческим замыслом и предназначенные для решения одной общей технической задачи, могут быть, по мнению заявителя, защищены соответствующим охранным документом РФ в соответствии с заявлением к материалам.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описаний:
1. Середа Н.Г., Сахаров В.А., Тимашев А.Н. Спутник нефтяника и газовика. М., Недра, 1986.
2. Каплан Л.С. Совершенствование технологии закачки воды в пласт./УНефтяное хозяйство. - 2001. - №7 - с. 49-50
3. Аширов К.Б. О проблеме нефтеизвлечения./УНефтяное хозяйство. -1991. -№3- с. 17-19
4. Абрамов Г.С., Барычев А.В., Зимин М.И. Практическая расходометрия в промышленности. М., ОАО «ВНИИОЭНГ», 2000. -с.104-149
5. Муравьев В.М. Спутник нефтяника. М., Недра, 1977. - с. 207, 208, рис.60.