СПОСОБ ПОДЪЕМА ЖИДКОСТИ ИЗ СКВАЖИНЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК E21B43/00 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано преимущественно при извлечении жидкости из нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин.

Известен способ свабирования скважин [1] при котором в скважину на тросе лебедки опускают тяжелый сваб, погружают его ниже уровня жидкости в скважине, контролируя глубину погружения в жидкость. После достижения максимально допустимой глубины погружения поднимают сваб со столбом жидкости над ним. Далее весь цикл повторяют сначала. После нескольких циклов, когда уровень жидкости в скважине перестает снижаться, определяют дебит скважины.

Недостатком способа является его высокая энергоемкость, необходимость использования мощной лебедки с тросом большого диаметра, к прочности которого предъявляются повышенные требования. Значительную часть поднимаемого веса составляют вес сваба и троса лебедки, что приводит к снижению коэффициента полезного использования мощности лебедки. Кроме того, возможность прорыва газа из пласта при подъеме жидкости заставляет усложнять конструкцию опускаемого агрегата, чтобы предотвратить его заклинивание и поломку привода.

Известно устройство для подъема жидкости из скважин [2] включающее лебедку с тросом, колонну лифтовых труб и размещенный внутри колонны плунжер, прикрепленный к тросу лебедки. Для предотвращения утечек жидкости при подъеме плунжер оснащен уплотнителем, а для предотвращения заклинивания при прорыве газа из пласта используется специальный механизм торможения.

То есть повышение эксплуатационной надежности устройства сопровождается значительным усложнением его конструкции.

Предлагаемые способ и устройство позволяют снизить энергозатраты на подъем жидкости из скважин за счет использования давления пластового или нагнетаемого газа без особого усложнения конструкции опускаемого агрегата.

Способ предусматривает периодический спуск опускаемого агрегата в колонну лифтовых труб, погружение его под уровень жидкости, подъем опускаемого агрегата со столбом жидкости над ним, перелив жидкости через устье скважины и отвод в систему сбора. Опускаемый агрегат подбирают диаметром меньше внутреннего диаметра лифтовых труб и оснащают центраторами, что позволяет при спуске и подъеме поддерживать между боковой поверхностью опускаемого агрегата и стенками лифтовых труб кольцевой зазор постоянной ширины. При определенных условиях, описанных ниже, подъем опускаемого агрегата со столбом жидкости над ним будет происходить с использованием давления пластового или нагнетаемого газа. При этом некоторое количество газа (обозначаемое далее Q_дх) будет проходить через кольцевой зазор снизу вверх, не давая жидкости стекать вниз. Площадь кольцевого зазора может составлять до 25% площади проходного сечения лифтовой трубы.

Подъем опускаемого агрегата со столбом жидкости над ним ведут со скоростью, определяемой следующим соотношением:

где V скорость подъема опускаемого агрегата, м/с;
F площадь проходного сечения лифтовой трубы, м²;
Q_ж дебит жидкости, м³/с;
Q_г дебит газа, м³/с;
Q_дх динамическая характеристика устройства, м³/с, означающая расход газа, минимально необходимый для удержания без утечки столба жидкости над кольцевым зазором.

Объемные показатели приведены для реального рабочего давления, которое изменяется в течение процесса.

Если скорость подъема ниже допустимой, то приток жидкости в скважину идет с более высокой скоростью и скважина глохнет. Если скорость превышает допустимую, давление газа не удержит столб жидкости, что приведет к резкому возрастанию нагрузки на лебедку вплоть до обрыва троса.

При этом дебит скважины как по жидкости, так и по газу может быть уже известен по предшествующей эксплуатации скважины до начала применения описываемого способа. Если дебит скважины не известен или требуется его уточнение, то определение дебита производится после нескольких циклов спуска и подъема опускаемого агрегата, когда уровень жидкости в скважине перестает снижаться и остается постоянным в течение двух-трех последовательных циклов.

В последнем случае подъем опускаемого агрегата в начальных циклах работы до определения дебита скважины ведется с произвольной скоростью, которая также может попасть в указанный диапазон, но такое попадание будет случайным.

Динамическая характеристика устройства, Q_дх, зависит от площади кольцевого зазора между опускаемым агрегатом и стенками лифтовых труб, а также от извлекаемой жидкости и газа, но не зависит от высоты столба жидкости, поднимаемого из скважины.

Определение динамической характеристики может проводиться в ходе стендовых испытаний опускаемых агрегатов с различными жидкостями и газами при варьировании площади кольцевого зазора. При этом процесс можно наблюдать непосредственно через прозрачные стенки стендовых труб. Полученные результаты оформляются в виде таблиц или номограмм и могут включаться в состав сопроводительных документов устройства.

Но динамические характеристики устройства можно определять и непосредственно на скважине. Для этого опускаемый агрегат погружают на максимальную глубину и начинают его медленно поднимать. Давление газа в затрубном пространстве и/или в устье скважины непрерывно контролируют, например с помощью самописцев. Когда на плавной кривой изменения давления появляется перегиб, это свидетельствует о том, что опускаемый агрегат оторвал верхнюю часть столба жидкости и поднимается по лифтовым трубам вместе с жидкостью. Величина потока газа из скважины, замеренная в момент времени, соответствующий точке перегиба на кривой изменения давления и является величиной Q_дх динамической характеристикой устройства. Чем шире кольцевой зазор, тем больше величины Q_дх и тем меньше должна быть скорость подъема. Высота столба поднимаемой жидкости зависит от давления пластового и/или нагнетаемого газа.

В тех случаях, когда конструкция лебедки не предусматривает возможности регулировки скорости, а фиксированная скорость не попадает в указанный диапазон, можно регулированием ширины кольцевого зазора, например подбором определенного диаметра опускаемого агрегата, изменить величину динамической характеристики устройства и добиться требуемого соотношения.

При подъеме жидкости с указанной скоростью не требуется мощная лебедка и трос повышенной прочности, поскольку подъем фактически идет за счет давления газа. Вес самого опускаемого агрегата тоже может быть весьма небольшим. В этом случае во время спуска поток газа из скважины ограничивают или полностью перекрывают, чтобы он не затруднял спуск опускаемого агрегата.

Во время подъема, когда верхняя часть столба жидкости достигает устья скважины и начинает переливаться через него, давление столба жидкости уменьшается, а объем газа соответственно увеличивается, скорость подъема также может быть несколько увеличена.

Подъем опускаемого агрегата до самого устья скважины не требуется, так как оставшуюся нижнюю часть столба жидкости газ может вытеснить из скважины и без помощи опускаемого агрегата. В зависимости от давления газа подъем опускаемого агрегата прекращают при переливе через устье скважины той или иной части поднимаемой жидкости, но, как правило, не менее 10% высоты столба поднимаемой жидкости.

Спуск опускаемого агрегата в последующем цикле можно начинать до окончания перелива жидкости через устье скважины в предыдущем цикле.

Пример осуществления способа. Скважина оборудована колонной лифтовых труб длиной 1000 м с внутренним диаметром 0,062 м и лебедкой, грузоподъемностью 150 кг, позволяющей производить подъем опускаемого агрегата со скоростью 0,3 м/с. Дебет газа составляет 2000 м³/сут при нормальных условиях, а приток жидкости менее 10^-4 м³/сек. Давление в нижней части скважины составляет 1,6 МПа. По номограмме динамических характеристик устройства, построенной по результатам испытаний на стенде, определили, что при ширине кольцевого зазора 2 мм возможен подъем опускаемого агрегата со столбом жидкости при скорости выше 0,03 м/сек, но не превышающей 0,43 м/с (Q_дх 1,1•10^-4м³/с). Для подъема жидкости был использован опускаемый агрегат диаметром 0,058 м, при этом площадь кольцевого зазора составляла 12% площади сечения лифтовой трубы. За один цикл был поднят столб жидкости высотой около 100 м (~ 300 кг).

На фиг. 1 общий вид устройства для подъема жидкости из скважин; на фиг. 2, 3, 5, 7 9 различные варианты конструктивного исполнения опускаемого агрегата; на фиг. 4 сечение А-А на фиг. 3; на фиг. 6 сечение Б-Б на фиг. 5.

Устройство для подъема жидкости из скважин (фиг. 1) включает лебедку 1 с тросом 2 и колонну лифтовых труб 3, внутри которой размещен опускаемый агрегат 4, снабженный обратным клапаном (на фиг. 1 не показан) и центраторами 5. Центраторы 5 могут находиться в верхней или нижней части опускаемого агрегата 4, а агрегат 4 прикреплен к тросу 2 лебедки 1. Между стенками лифтовых труб 3 и боковой поверхностью опускаемого агрегата 4 оставлен кольцевой зазор 6.

Опускаемый агрегат 4 может быть выполнен в нескольких конструктивных вариантах. По одному из них (фиг. 2) опускаемый агрегат представляет собой штангу 7 с осевым каналом 8. Нижнюю часть штанги 7 охватывает накопитель 9 в форме цилиндрического стакана с раструбом 10. Обратный клапан выполнен в виде выступающего на поверхности штанги 7 кольцевого ограничителя 11, над которым размещена с возможностью перемещения вдоль штанги 7 кольцевая реверсная насадка 12. Осевой канал 8 штанги 7 имеет боковые проходы 13 15 внутрь накопитель 9, на наружную поверхность ограничителя 11 и, в верхней части, в полость лифтовых труб 3 соответственно.

Наружная поверхность ограничителя 11 и взаимодействующая с ней поверхность реверсной насадки 12 являются коническими. На поверхности ограничителя 11 выполнена кольцевая выемка 16, соединяемая боковым проходом 14 с осевым каналом 8 штанги 7, а в реверсной насадке 12 вдоль оси или наклонно к ней сделаны сквозные каналы 17, берущие начало напротив кольцевой выемки 16 на поверхности ограничителя 11.

На конической поверхности реверсной насадки 12 напротив кольцевой выемки 16 на ограничителе 11 может быть выполнена встречная кольцевая выемка 18.

Накопитель 9 может быть присоединен к нижнему концу штанги 7 опускаемого агрегата 4 или может соединяться со штангой 7 с помощью перемычек 19, прикрепленных к раструбу 10.

В другом конструктивном варианте опускаемый агрегат имеет решетчатый 20 (фиг. 3, 4) или трубчатый 21 (фиг. 5, 6) корпус с продольными прорезями 22, а обратный клапан выполнен в виде размещенных внутри корпуса втулки 23 и поплавка 24, причем корпус на уровне втулки 23 охвачен наружным сплошным кольцом 25.

Диаметр поплавка 24 может быть как больше, так и немного меньше диаметра отверстия втулки 23. В первом случае поплавок 24 свободно опирается на втулку 23, например боковой конической поверхностью о коническую поверхность отверстия втулки (фиг. 3). Во втором случае корпус опускаемого агрегата дополнительно оснащают пружинным ограничителем 26. При этом в статическом состоянии поплавок 24 размещается внутри втулки 23 либо подвешенным к пружинному ограничителю 26 (фиг. 7), либо свободно опираясь на него (фиг. 8), в зависимости от того, выше или ниже втулки 23 размещен пружинный ограничитель 26.

Для того, чтобы во время работы поплавок 24 не перекосило и не заклинило в корпусе, по оси корпуса устанавливают направляющий стержень или трос 27, а в поплавке 24 выполняют сквозное осевое отверстие 28 и нанизывают поплавок 24 на направляющий стержень 27 (фиг. 5, 7, 8).

На глубоких скважинах для облегчения веса колонны лифтовых труб 3, используют нижние лифтовые трубы диаметром меньшим чем верхние. Переход от труб одного диаметра к другому происходит ступенчато и на одной скважине может быть несколько таких переходов. Для подобных случаев на опускаемом агрегате поверх наружного сплошного кольца 25 установлены с возможностью скольжения вверх дополнительные регулировочные кольца 29, причем их число равно числу ступенчатых переходов диаметра лифтовых труб, а толщина каждого следующего равна изменению радиуса лифтовых труб при соответствующем ступенчатом переходе (фиг. 10). Дополнительные регулировочные кольца 29 могут использоваться и при постоянном диаметре лифтовых труб 3 для регулировки ширины кольцевого зазора 6.

Для большей наглядности пропорции в изображения деталей устройства изменены.

Устройство работает следующим образом. Опускаемый агрегат 4 крепят к тросу 2 лебедки 1 и опускают в колонну лифтовых труб 3. Центраторы 5 поддерживают между опускаемым агрегатом 4 и стенками лифтовых труб 3 кольцевой зазор 6 постоянной ширины.

Во время спуска с малой скоростью и при небольшом потоке газа из скважины кольцевая реверсная насадка 12 лежит на ограничителе 11. При другой конструкции опускаемого агрегата поплавок 24 опирается на втулку 23, либо размещается внутри втулки 23 при нейтральном положении пружинного ограничителя 26. При увеличении скорости спуска реверсная насадка 12 или поплавок 24 приподнимаются, пропуская жидкость в пространство над опускаемым агрегатом. При этом жидкость проходит и через кольцевой зазор 6, и под реверсной насадкой 12 в осевой канал 8, боковые проходы 13 15, кольцевые выемки 16, 18 и сквозные каналы 17 или внутри корпуса 20, 21 через отверстие втулки 23.

После начала подъема реверсная насадка 12 или поплавок 24 снова возвращаются в положение, оставляющее для прохода газа и жидкости только кольцевой зазор 6.

Хотя настоящее изобретение предусматривает подъем столба жидкости из скважины практически без потерь, небольшое просачивание жидкости через кольцевой зазор 6 все же происходит из-за некоторого разброса диаметра лифтовых труб 3 в пределах допуска. При этом вся просачивающаяся жидкость или большая ее часть будут улавливаться накопителем 9 с помощью раструба 10.

При резком выбросе газа из скважины или резком снижении его потока пружинный ограничитель 26, сжимаясь или растягиваясь, выводит поплавок 24 из отверстия втулки 23, открывая его для прохода газа вверх или жидкости вниз, что предотвращает в одном случае запутывание и заклинивание троса 2, а в другом его обрыв.

Во время работы на скважинах со ступенчато меняющимся диаметром лифтовых труб 3 дополнительные регулировочные кольца 29 при спуске буду последовательно сниматься одно с другого и с наружного сплошного кольца 25 и будут оставаться внутри лифтовых труб 3 в местах перехода диаметра от большего к меньшему. При подъеме дополнительные регулировочные кольца 29 в обратном порядке вновь будут возвращаться в исходное положение, сохраняя неизменной выбранную ширину кольцевого зазора 6. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6 ЫЫЫ8

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано при извлечении жидкости из нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин. Для снижения энергозатрат на подъем жидкости из скважины за счет использования давления пластового или нагнетаемого газа, при спуске и подъеме опускаемого агрегата между ним и стенками лифтовых труб оставляют кольцевой зазор, а подъем ведут со скоростью, определяемой соотношением:
,
где V - скорость подъема опускаемого агрегата, м/с; F - площадь проходного сечения лифтовой трубы, м²; Q_ж - дебет жидкости, м³/с; Q_г - дебит газа м³/с; Q_дж - динамическая характеристика устройства м³/с. Во время спуска опускаемого агрегата поток газа из скважины ограничивают или полностью перекрывают, опускаемый агрегат останавливают после перелива через устье скважины более 10% высоты столба поднимаемой жидкости, спуск опускаемого агрегата в последующем цикле производят до окончания перелива жидкости через устье скважины в предыдущем цикле. В устройстве для подъема жидкости из скважин опускаемый агрегат размещен в колонне лифтовых труб с кольцевым зазором для обеспечения возможности передачи давления газа на жидкость при подъеме устройства из скважины и снабжен центраторами, лебедка выполнена с возможностью регулировки скорости подъема, площадь кольцевого зазора составляет до 25% площади проходного сечения лифтовой трубы, опускаемый агрегат представляет собой штангу с осевым каналом, нижнюю часть которой охватывает накопитель в форме цилиндрического стакана с раструбом, обратный клапан выполнен в виде выступающего на поверхности штанги кольцевого ограничителя, над которым размещена с возможностью перемещения вдоль штанги кольцевая реверсная насадка, а осевой канал штанги имеет боковые проходы внутрь накопителя, на наружную поверхность ограничителя и в верхней части в полость лифтовых труб, наружная поверхность ограничителя и взаимодействующая с ней поверхность реверсной насадки являются коническими, на поверхности ограничителя выполнена кольцевая выемка, соединяемая боковым проходом с осевым каналом штанги, а в реверсной насадке вдоль оси или наклонно к ней сделаны сквозные каналы, берущие начало напротив кольцевой выемки на поверхности ограничителя, на конической поверхности реверсной насадки напротив кольцевой выемки на ограничителе выполнена встречная кольцевая выемка, раструб накопителя соединен со штангой опускаемого агрегата перемычками, накопитель присоединен к нижнему концу штанги опускаемого агрегата, опускаемый агрегат имеет решетчатый или трубчатый корпус с продольными прорезями, а обратный клапан выполнен в виде размещенных внутри корпуса втулки и поплавка, причем корпус на уровне втулки охвачен наружным сплошным кольцом, поплавок свободно опирается на втулку, в корпусе размещен пружинный ограничитель, пружинный ограничитель размещен выше втулки, а поплавок подвешен на наружном ограничителе внутри втулки, поплавок и отверстие втулки имеют коническую форму, поплавок имеет сквозное осевое отверстие, а по оси корпуса проходит направляющий стержень или трос, диаметр лифтовых труб ступенчато уменьшается в глубину, а поверх наружного сплошного кольца установлены с возможностью скольжения дополнительные регулировочные кольца, причем их число равно числу ступенчатых переходов диаметра лифтовых труб, а толщина каждого следующего равна изменению радиуса лифтовых труб при соответствующем ступенчатом переходе. 2 с. и 19 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Способ подъема жидкости из скважин, включающий периодический спуск в колонну лифтовых труб на тросе лебедки опускаемого агрегата со столбом жидкости над ним, перелив жидкости через устье скважины и отвод в систему сбора, а также определение дебита скважины, отличающийся тем, что при спуске и подъеме опускаемого агрегата между ним и стенками лифтовых труб оставляют кольцевой зазор, а подъем ведут со скоростью

где V скорость подъема опускаемого агрегата, м/с;
F площадь проходного сечения лифтовой трубы, м²;
θ_ж дебит жидкости, м³/с;
θ_г дебит газа, м³/с;
θ_дх динамическая характеристика устройства, означающая расход газа, минимально необходимый для удержания без утечки столба жидкости над кольцевым зазором, м³/с. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время спуска опускаемого агрегата поток газа из скважины ограничивают или полностью перекрывают. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что после начала перелива жидкости через устье скважины скорость подъема опускаемого агрегата увеличивают. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подъем опускаемого агрегата прекращают после перелива через устье скважины более 10% высоты столба поднимаемой жидкости. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что спуск опускаемого агрегата в последующем цикле производят до окончания перелива жидкости через устье скважины в предыдущем цикле. 6. Устройство для подъема жидкости из скважин, включающее лебедку с тросом, колонну лифтовых труб и размещенный внутри колонны опускаемый агрегат с обратным клапаном, прикрепленный к тросу лебедки, отличающееся тем, что опускаемый агрегат размещен в колонне лифтовых труб с кольцевым зазором для обеспечения возможности передачи давления газа на жидкость при подъеме устройства из скважины и снабжен центраторами. 7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что лебедка выполнена с возможностью регулировки скорости подъема. 8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что площадь кольцевого зазора составляет до 25% площади проходного сечения лифтовой трубы. 9. Устройство по п. 6 или 7, отличающееся тем, что опускаемый агрегат представляет собой штангу с осевым каналом, нижнюю часть которой охватывает накопитель в форме цилиндрического стакана с раструбом, обратный клапан выполнен в виде выступающего на поверхности штанги кольцевого ограничителя, над которым размещена с возможностью перемещения вдоль штанги кольцевая реверсная насадка, а осевой канал штанги имеет боковые проходы внутрь накопителя, на наружную поверхность ограничителя и в верхней части в полость лифтовых труб. 10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что наружная поверхность ограничителя и взаимодействующая с ней поверхность реверсной насадки являются коническими, на поверхности ограничителя выполнена кольцевая выемка, соединяемая боковым проходом с осевым каналом штанги, а в реверсной насадке вдоль оси или наклонно к ней сделаны сквозные каналы, берущие начало напротив кольцевой выемки на поверхности ограничителя. 11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что на конической поверхности реверсной насадки напротив кольцевой выемки на ограничителе выполнена встречная кольцевая выемка. 12. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что раструб накопителя соединен со штангой опускаемого агрегата перемычками. 13. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что накопитель присоединен к нижнему концу штанги опускаемого агрегата. 14. Устройство по п. 6 или 7, отличающееся тем, что опускаемый агрегат имеет решетчатый или трубчатый корпус с продольными прорезями, а обратный клапан выполнен в виде размещенных внутри корпуса втулки и поплавка, причем корпус на уровне втулки охвачен наружным сплошным кольцом. 15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что поплавок свободно опирается на втулку. 16. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что в корпусе размещен пружинный ограничитель. 17. Устройство по п. 16, отличающееся тем, что пружинный ограничитель размещен ниже втулки, а поплавок свободно опирается на пружинный ограничитель внутри втулки. 18. Устройстно по п.16, отличающееся тем, что пружинный ограничитель размещен выше втулки, а поплавок подвешен на пружинном ограничителе внутри втулки. 19. Устройство по п.15, отличающееся тем, что поплавок и отверстие втулки имеют коническую форму. 20. Устройство по п.15, отличающееся тем, что поплавок имеет сквозное осевое отверстие, а по оси корпуса проходит направляющий стержень или трос. 21. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что диаметр листовых труб ступенчато уменьшается в глубину, а поверх наружного сплошного кольца установлены с возможностью скольжения дополнительные регулировочные кольца, причем их число равно числу ступенчатых переходов диаметра листовых труб, а толщина каждого следующего равна изменению радиуса листовых труб при соответствующем ступенчатом переходе.