СКВАЖИННЫЙ ДОЗАТОР Российский патент 1998 года по МПК E21B37/06 

Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности, в частности к скважинным дозаторам, и может использоваться для обработки продукции скважин реагентами непосредственно на забое с целью предотвращения образования стойких эмульсий, коррозии оборудования, отложений парафина, смол, солей и т.п.

Известен скважинный дозатор, входящий в состав глубинонасосной установки для добычи нефти [1], включающий цилиндр с поршнем, всасывающий и нагнетательный клапаны, контейнер для реагентов, соединенный трубкой с дозатором, причем дозатор размещен в проводнике, а полость цилиндра дозатора сообщена с полостью цилиндра насоса.

Недостатком указанной конструкции дозатора является то, что она может работать только в составе скважинных насосов циклического действия, в рабочей полости которых происходит периодическое колебание давления, от такта всасывания к такту нагнетания. Вследствие этого скважинный дозатор не может применяться в скважинах, где добыча жидкости осуществляется устройствами непрерывного действия, такими как центробежные, струйные, винтовые насосы, а также при фонтанных и газлифтных способах эксплуатации. Сложность конструкции данного дозатора - наличие подвижных уплотнительных пар, пружин, клапанов - снижает его надежность при эксплуатации в агрессивных и загрязненных средах, что является еще одним недостатком названного устройства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является скважинный дозатор гравитационного принципа действия, включающий проточный канал для подачи продукции скважины на прием скважинного устройства для подъема жидкости, контейнер для реагентов, внутренняя полость которого сообщена с проточным каналом с помощью двух отверстий с заданными гидравлическими характеристиками. Одно из отверстий выпускное служит для истечения реагента из контейнера, а другое - впускное (канал замещения) - для поступления в него пластовой жидкости взамен вытекающего реагента. Это устройство проще вышеописанного аналога по конструкции и работает независимо от типа применяемого скважинного оборудования для подъема продукции скважины [2].

Однако известному устройству присущи и определенные недостатки: во-первых, как показал опыт их промысловой эксплуатации, данным дозаторам присуще крайняя нестабильность дозировки реагента в различных скважинных условиях. Так, в одних скважинах он может подавать на прием насоса 40 - 50 г реагента на 1 м³ откачиваемой жидкости, а в других скважинах та же конструкция дозатора с теми же размерами впускных и выпускных отверстий и с одинаковым расстоянием между ними может подавать 150 - 250 г на 1 м³ откачиваемой жидкости. Причем, как показал анализ, на дозировку реагента большое влияние оказывают малопрогнозируемые и в большей степени случайные факторы - возможность резкого изменения гидравлической характеристики отверстий путем их засорения механическими примесями, возможности изменения содержания воды, свободного газа и т.д.

Расчеты, подтверждающие данные доводы, приведены в приложении 1.

Другим существенным недостатком дозатора явилось, как показала практика, то, что при эксплуатации режимных скважин (находящихся в периодической откачке) в момент паузы (накопления) - когда насос не работает - дозатор продолжает работать, происходит непроизводительная трата реагента. Особенно этот недостаток актуален в нефтедобывающих районах Башкирии и Татарии, где нередко скважины работают по 6 - 3 ч в сутки, и в них крайне необходимо применение дозаторов вследствие интенсивной коррозии или отложения парафинов.

Целью изобретения является обеспечение более стабильной дозировки реагента и своевременное прекращение работы устройства при остановке скважины.

Указанная цель достигается тем, что дозатор снабжен промежуточной камерой, гидравлически связанной с контейнером с помощью двух установленных в ней трубок, и сепаратором-отстойником, выполненным в проточном канале, связанном с промежуточной камерой с помощью канала замещения, причем дроссель выполнен в виде пористого проницаемого тела, гидравлически связывающего промежуточную камеру с проточным каналом, а канал замещения выполнен в виде трубки, установленной по оси дозатора и соединенного с промежуточной камерой с разворотом потока жидкости на 180^o. При этом трубки, гидравлически связывающие промежуточную камеру с контейнером, выполнены различной длины, а сепаратор-отстойник установлен в проточном канале в месте изменения направления движения потока жидкости с направления вверх на направление вниз.

Проведем анализ на соответствие заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

В нефтепромысловом деле широкое применение нашли, как известно, сепараторы различных конструкций и исполнений. В принципе сущность их работы одна - это обеспечивать более стабильные параметры их жидкости после прохождения ее через сепаратор (например, на приеме в скважинный насос - ШГН, ЭЦН и т.п. ). Именно это их свойство и применяется в заявленном решении. Однако в данном случае есть дополнительный технический признак в отличительной части формулы - это установка сепаратора в проточном канале в месте изменения направления движения потока жидкости с направления вверх на направление вниз, который придает заявляемому техническому решению новое свойство. Данный технический признак позволяет достаточно просто решать проблему остановки работы дозатора при прекращении работы скважины.

Так, выполнение дросселя в виде пористого проницаемого материала позволяет получить более предсказуемые стабильные режимы истечения реагента, чем в случае применения для этой цели калиброванного отверстия. Вместе с тем, повышается надежность дросселя в случае его загрязнения различными механическими частицами, так как в первом случае, если механическая частица перекроет определенное сечение пористого тела, движение жидкости за данным сечением не прекращается, т. е. жидкость имеет возможность обтекать участок закупорки, что невозможно в случае применения в качестве дросселя калиброванного отверстия. Для наиболее часто встречающихся дебитов скважин от 2 до 10 - 15 т/сут, расход реагента в сутки исчисляется 0,5 - 1,5 - 2,0 л, что составляет небольшую величину, поэтому правильнее говорить о реагенте не истекающем из дросселя, а о просачивающемся через него, что наводит на мысль применять в качестве дросселя пористое проницаемое тело. С другой стороны, на наш взгляд достаточно просто решается проблема с остановкой работы дозатора при остановке скважины. Как уже указывалось, в этом случае нет необходимости применения специальных уплотняющих устройств, движущихся частей дозатора и т.д. - остановка осуществляется автоматически при прекращении движения жидкости в проточном канале. Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод, что отличительные признаки придают заявляемому объекту новые свойства, что указывает на соответствие заявляемого решения критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 показан скважинный дозатор, продольный разрез; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение В-В на фиг. 1.

Скважинный дозатор состоит из корпуса 1 с переводником 2 для крепления дозатора к выходу в колонну фонтанных или газлифтных труб или к приему скважинного насоса. В корпусе выполнены проточные каналы 3 для подвода продукции скважины к колонне подъемных труб. В проточных каналах 3 выполнен сепаратор-отстойник 4. Дозатор снабжен промежуточной камерой 5, гидравлически связанной с контейнером 6 для реагента с помощью трубки 7 меньшей и трубки 8 большей длины. Промежуточная камера 5 соединена с проточными каналами 3 с помощью дросселя 9, выполненного из пористого проницаемого материала, и соединена с сепаратором-отстойником 4 с помощью канала замещения 10, выполненного в виде трубки, установленной по оси дозатора и соединенного с промежуточной камерой 5 с разворотом потока жидкости на 180^o.

Скважинный дозатор работает следующим образом.

Перед спуском в скважину контейнер 6 (5 ... 6 труб НКТ) и промежуточная камера 5 заполняются жидким реагентом, очищенным и отфильтрованным. Затем скважинный дозатор крепится через переводник 2 или к приему скважинного насоса, или к лифтовым трубам, если скважина эксплуатируется фонтанным или газлифтным способом. После запуска скважины в эксплуатацию скважинная жидкость начинает протекать по проточным каналам 3. При этом часть протекающей жидкости проходит в полость сепаратора-отстойника 4 и затем, соединяясь с основным потоком, идет далее к дросселю 9 дозатора. Необходимо отметить, что сепаратор-отстойник 4 установлен в интервале, где проточный канал 3 меняет направление на противоположное. Из промысловой практики известно, что при повороте потока происходит грубое расслоение откачиваемой жидкости на составляющие вода-нефть-газ. При этом вода, как элемент смеси, имеющий большую плотность, будет силой инерции забрасываться на сепаратор-отстойник 4. Подобный пример сепарации (отделение воды от нефти, газа от жидкости, песка от жидкости) широко известен нефтяникам и лежит в основе множества газовых и песочных якорей. В этом случае достаточно высокой степени сепарации нет, а наблюдается лишь самое грубое расслоение потока на составляющие. Очень незначительная часть жидкости, попадающей в сепаратор-отстойник 4 (около 500 - 1500 г/сутки), попадает по каналу замещения 10 в промежуточную камеру 5 для замещения просочившегося через дроссель 9 реагента. Таким образом, темп отбора жидкости из сепаратора-отстойника очень небольшой, в результате чего находящаяся в емкости сепаратора-отстойника 4 жидкость успевает расслоиться под действием силы тяжести на фазы вода-нефть-газ, причем вода скапливается в самом низу емкости сепаратора 4 - наблюдается вторая, более тонкая степень сепарации. Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод, что в отличие от прототипа, где на замещение вытекающего реагента поступает скважинная жидкость, в предлагаемой конструкции дозатора мы можем утверждать, что на замещение вытекающего реагента будет поступать если и не чистая вода, но во всяком случае жидкость с гораздо более прогнозируемыми параметрами (смесь воды с нефтью, где процент содержания воды существенно выше, чем в сравнении со скважинной жидкостью).

В момент пуска скважины в работу из сепаратора-отстойника 4, где накапливается пластовая вода, она начинает под собственным весом стекать по каналу замещения 10 в промежуточную камеру 5, вытесняя из нее реагент через дроссель 9 в проточный канал 3. По мере работы скважины и вытеснения реагента уровень воды в промежуточной камере 5 будет расти, соответственно будет меняться и перепад давления на дросселе 9 до тех пор, пока уровень воды не достигнет трубки 7 меньшей высоты. В дальнейшем вся поступающая из сепаратора-отстойника 4 вода начнет переливаться по трубке 7 в контейнер 6, вытесняя оттуда реагент в промежуточную камеру 5 по трубке 8 большей длины и затем через дроссель 9 - в проточный канал 3. Т.е. в промежуточной камере 5 установится столбик воды с границей раздела с реагентом на уровне, определяемом высотой трубки 7. Покажем, от чего зависит перепад давления на дросселе.

В промежуточной камере 5 происходит взаимодействие двух столбиков жидкости с различными плотностями:
столб воды высотой от сечения 11 до сечения 1. Этот столб располагается в канале замещения 10. Обозначим его h₁;
столб реагента такой же высоты - от сечения 11 до сечения 1. Этот способ располагается в промежуточной камере 5.

Известно, что, как правило, плотность реагентов ρ_p меньше или близка к плотности нефти ρ_н, но меньше плотности минерализованной воды ρ_в. Перепад давления на дросселе равен
ΔP = gh₁(ρ_в-ρ_p),
Следует отметить, что вследствие малости расхода реагента, который составляет около 0,5 - 1,5 л в сутки, скорости движения воды и реагента в каналах малы, и поэтому гидродинамические сопротивления в них не оказывают практического влияния на взаимодействие столбов жидкостей и будет справедливо вышеприведенное численное выражение для перепада давления между столбами жидкостей, написанное для статического условия. По этим причинам расход реагента в устройстве с достаточной для практики точностью определяется перепадом давления ΔP = gh₁(ρ_в-ρ_p), размерами и проницаемостью дросселя 9 и вязкостью реагента. Поскольку в канале замещения 10, благодаря наличию сепаратора-отстойника 4, находится отсепарированная вода с постоянной для данной скважины плотностью ρ_в, в процессе работы описываемого устройства сохраняется стабильная величина перепада давления, что является одним из факторов, обеспечивающих поддерживание заданного расхода реагента. Кроме того, исполнение дросселя 9 из пористого проницаемого материала обеспечивает большую стабильность его гидравлической характеристики, чем в случаях использования для этой цели калиброванного отверстия, так как объем, длина и поперечное сечение дросселя 9 в нашем случае на один - два порядка больше аналогичных размеров отверстия в известном прототипе, в результате чего механическая частица размерами, например, 2x2x2 мм, перекрывающая дроссель известного устройства полностью, на гидравлическую характеристику предложенного устройства не оказывает существенного влияния.

Приложение 1
Пусть дебит скважины 10 м³/сутки. Следовательно, исходя из известных рекомендаций (3), для предотвращения отложений необходимо подать за сутки 50 г/м³ • 10 м³/сут = 500 г реагента. Очевидно, что дозировка реагента зависит от: 1. диаметра выпускного отверстия, d₁, мм; 2. расстояния между выпускным отверстием и впускным h₁, мм; 3. плотности реагента ρ_p и плотности откачиваемой жидкости ρ_ж.
Оценим перепад давления на выпускном отверстии. Из гидростатики имеем

Принимая во внимание, что P₃ = P₄, имеем
P₁-P₂= gh₁(ρ_ж-ρ_p).
Пусть примем лучший вариант, что ρ_ж равна или близка к плотности минерализованной воды ( ρ_ж ≈ 1150 кг/м). Пусть плотность реагента ρ_p = 900 кг/м³. Пусть расстояние h₁ из конструктивных соображений около 1 м. Для этих условий имеем
P₁-P₂≈ 0,023 атм.
Таким образом, получается очень небольшой перепад давления. Оценим для этих условий необходимый диаметр выпускного отверстия по известной формуле (4)

где
μ - коэффициент расхода (пусть = 0,85);
Q_р - расход реагента (500 г/сутки);
F₁ - площадь поперечного сечения отверстия диаметром.

Выделяя d₁ из этой формулы и подставляя приблизительные вышеперечисленные значения μ,Q_p,ΔP,ρ_p, имеет, что d₁ для практических условий лежит в пределах 1 - 1,5 мм - очень маленькая величина.

Таким образом, учитывая, что зависимость между d₁ и ΔP, Q_р, ρ_p (а ΔP зависит от ρ ) нелинейная, становится понятным, что малейшее изменение диаметра d₁ вследствие засорения или отложения, или неточного изготовления существенно влияет на Q_р. То же самое и с изменением плотности откачиваемой жидкости. Т. е. регулирование Q_р (тонкое регулирование) путем изменения d₁ становится проблематичным, так как при рассверловке выпускного отверстия необходимо учитывать и сотые доли миллиметра. Т.е. стабильности работы дозатора в промысловых условиях не наблюдается.

Изложенные преимущества дросселя 9 из пористого материала являются другими факторами, обеспечивающими работу описываемого устройства с постоянным расходом реагента. При остановках скважины на длительное время устройство прекращает подачу реагента в проточный канал 3. Это происходит следующим образом.

Во время остановки скважины прекращается движение жидкости в проточном канале 3, следовательно, под действием гравитационной силы в месте установки сепаратора-отстойника 4 начинает накапливаться свободный газ и нефть, а вода стекает вниз, вместо которой в проточный канал 3 поступает уже не вода, а газ или нефть. Таким образом, в сепаратор-отстойник прекращается поступление свободной воды, а вместо нее поступает или газ, или нефть. Следовательно, уровень воды в канале замещения начинает снижается, его место начинает занимать нефть или газ, и уровень воды опускается до тех пор, пока не уравновесится весом столбика воды и реагента в промежуточной камере 5 - исчезнет перепад давления на дросселе 9, и прекращается истечение реагента. После пуска скважины начинается движение жидкости, в сепараторе-отстойнике 4 отслаивается из пластовой жидкости вода и появляется перепад давления на дросселе 9.

То, что вышеописанный процесс прекращения истечения реагента будет наблюдаться в скважине, доказывается многолетним промысловым опытом и экспериментами, подтверждающими, что практически в любой скважине (а в любой скважине содержится в той или иной форме газ), в какой-либо закрытой сверху непроточной полости обязательно скапливается в большей или меньшей степени свободный газ.

Оценим основные параметры дросселя. Как уже указывалось ранее, на 1 м³ откачиваемой жидкости необходимо около 50 г реагента. Принимая дебит скважины около 10 м³/сутки, в сутки необходимо подать около 500 г реагента - небольшое количество. По существу реагент должен не истекать из отверстия (как это было у прототипа), а медленно, капля за каплей сочиться из дросселя. Режим движения жидкости в дросселе будет вероятней всего ламинарный, и закон движения жидкости в пористой среде будет описываться законом Дарси (3)

где
Q - расход жидкости при фильтрации;
F - площадь фильтрации;
ΔP - - потеря напора в дросселе;
L - толщина дросселя в направлении фильтрации;
k - коэффициент фильтрации, характеризующийся как фильтрационные свойства пористой среды, так и физические свойства жидкости.

Примем ΔP, рассчитанный ранее, ΔP = 23 см (из условия h₁ = 1 м, ρ_н = 900 кг/м³, ρ_ж = 1150 кг/м³). Пусть диаметр дросселя 15 мм. Тогда площадь поперечного сечения F ≈ 1,77 см². Пусть толщина дросселя L = 20 см. Возьмем для простоты расчетов (3) k = 0,01 см/с - для воды и мелкого песка. Подставляя в формулу, имеем

В сутки расход реагента составляет 0,02 x 3600 x 24 = 1,7 л/сутки. Учитывая, что зависимость k от вязкости линейная и что вязкость реагента приблизительно в 3,4 раза выше воды, тогда расход реагента через дроссель составит 1,7 : (3 - 4) = 0,57 - 0,43 л/сут, что как раз приблизительно соответствует необходимому количеству реагента в сутки для скважины с дебетом 10 м³/сут. В общем случае регулировать расход реагента можно или изменяя длину дросселя L, площадь фильтрации F, или применяя песок или гранулы большей или меньшей зернистости.

Таким образом, заявляемое техническое решение позволит существенно повысить эффективность использования скважинных дозирующих устройств.

Источники информации
1. SU, авторское свидетельство, 351997, кл. E 21 B 43/00, 1972.

2. SU, авторское свидетельство, 649832, кл. E 21 B 43/00, 1979.

3. Экспресс-информация ВНИИОЭНГ, Серия: Нефтепромысловое дело. - 1994, N3.

4. Рабинович Е.З. Гидравлика. М.: Физмашгиз, 1963, с. 408.

Скважинный дозатор включает корпус, проточные каналы, сепаратор-отстойник, промежуточную камеру, гидравлически связанную контейнером для реагента трубками большей и меньшей длины, дроссель из пористого проницаемого материала. Канал замещения соединен с промежуточной камерой с разворотом потока жидкости на 180^o. Часть жидкости из проточных каналов проходит к сепаратору-отстойнику, далее идет к дросселю. Происходит сепарация, часть жидкости попадает по каналу замещения в промежуточную камеру для замещения реагента. Пластовая вода начинает стекать в промежуточную камеру, вытесняя из нее реагент через дроссель в проточный канал. По мере работы уровень воды достигает трубки меньшей высоты. В дальнейшем вся вода из сепаратора-отстойника начнет переливаться в контейнер для реагента, вытесняя оттуда реагент в промежуточную камеру по трубке большей длине и затем через дроссель в проточный канал. Техническим результатом является повышение эффективности использования дозатора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Скважинный дозатор, включающий корпус с выполненным в нем проточным каналом, контейнер для реагента, гидравлически связанный с проточным каналом с помощью дросселя и канала замещения, отличающийся тем, что дозатор снабжен промежуточной камерой, гидравлически связанной с контейнером с помощью двух установленных в ней трубок, и сепаратором-отстойником, выполненным в проточном канале в месте измерения направления движения потока жидкости с направления вверх на направление вниз и гидравлически связанным с промежуточной камерой с помощью канала замещения, дроссель дозатора выполнен в виде пористого проницаемого тела, гидравлически связывающего промежуточную камеру с проточным каналом, а канал замещения выполнен в виде трубки, установленной по оси дозатора и соединенной с промежуточной камерой с разворотом потока жидкости на 180^o. 2. Дозатор по п.1, отличающийся тем, что трубки, гидравлически связывающие промежуточную камеру с контейнером, выполнены разной длины.