СИСТЕМА ПОДДЕРЖАНИЯ ПЛАСТОВОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК E21B43/20 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к системе закачки воды в пласт с целью вытеснения нефти и поддержания пластового давления.

Известна система поддержания пластового давления (см. учебное пособие Ю.В. Зейгмана «Эксплуатация систем поддержания пластового давления при разработке нефтяных месторождений», Уфа: Изд-во УГНТУ, 2007. - С.179-188), включающая насосы кустовой насосной станции, блок напорных гребенок с расходомерами и регулирующими вентилями, водоводы, соединяющие коллектор блока напорных гребенок как с отдельными нагнетательными скважинами различной приемистости, так и с нагнетательными скважинами, сгруппированными по водоводам в соответствии с приемистостью и давлением закачки воды.

Недостатками известной системы являются значительная протяженность высоконапорных водоводов, а также потери энергии на запорно-регулирующих устройствах на части водоводов или подключенных к ним высокоприемистых нагнетательных скважинах по причине централизованного принципа регулирования режимов закачки воды (давление, расход) по водоводам, при котором задают расход воды по водоводам в целом регулирующими вентилями блока напорных гребенок кустовой насосной станции.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемой является система поддержания пластового давления, описанная в способе скважинной добычи нефти (патент РФ №2320861, E21B 43/20, опубл. в бюл. №9 от 27.03.2008), включающая сеть низконапорных водоводов, запорно-регулирующие устройства, нагнетательные скважины, оборудованные на устьях дожимными насосами, позволяющими настраивать режим закачки воды (давление, расход) в каждую скважину индивидуально.

Недостатком данной системы является то, что в сети низконапорных водоводов необходимо поддерживать давление в диапазоне от минимально допустимого, обеспечивающего всасывающую способность насоса, до максимально допустимого, обеспечивающего прочность его конструкции, на входе в каждый дожимной насос на устьях нагнетательных скважин. Однако большие различия в протяженности низконапорных водоводов, соединяющих как близко расположенные, так и значительно удаленные по отношению к источнику водоснабжения (входу в сеть низконапорных водоводов) нагнетательные скважины с дожимными насосами на их устьях могут привести к дисбалансу давления в сети низконапорных водоводов, а именно для преодоления потерь давления в сети водоводов при подаче воды на вход дожимных насосов удаленных нагнетательных скважин необходимо поддерживать повышенное давление на входе в сеть низконапорных водоводов, но при этом на входе дожимных насосов нагнетательных скважин, близко расположенных к источнику водоснабжения, из-за незначительности потерь давления возможно превышение значений давлений над максимально допустимыми, обеспечивающими их целостность и работоспособность. Аналогичная ситуация возможна при подключении к сети низконапорных водоводов скважин с большими различиями высотных отметок устьев, а именно для преодоления гидравлического сопротивления столба жидкости в сети водоводов при подаче воды на вход дожимных насосов высоко расположенных по профилю местности нагнетательных скважин необходимо поддерживать высокое давление на входе в сеть низконапорных водоводов, но при этом на входе дожимных насосов нагнетательных скважин, расположенных на одном уровне либо ниже относительно источника водоснабжения, из-за незначительности потерь давления возможно превышение значений давлений над максимально допустимыми, обеспечивающими их целостность и работоспособность. При изменении режима работы сети низконапорных водоводов, связанных с остановкой дожимных насосов на устье одной либо нескольких нагнетательных скважин для осуществления управляемого циклического воздействия водой на участки разрабатываемых пластов, для проведения на них плановых либо аварийных работ без прекращения подачи воды в сеть низконапорных водоводов, и продолжении работы остальных дожимных насосов нагнетательных скважин данной системы поддержания пластового давления потребуется перенастройка режима работы насоса источника водоснабжения для предотвращения избыточного повышения давления в сети низконапорных водоводов и соответственно возможного превышения значений максимально допустимых давлений на входах в дожимные насосы на устьях нагнетательных скважин. Работа насоса под давлением, превышающим максимально допустимое, может привести к ускоренному износу и разрушению уплотнительных элементов корпуса насоса, а также перегреву и выходу из строя электродвигателя привода, работающего с повышенной нагрузкой и потребляющего соответственно больше электроэнергии.

Техническими задачами предлагаемого изобретения являются защита дожимных насосов на устье нагнетательных скважин от превышения фактических значений давлений в низконапорных водоводах на входе в насосы над максимально допустимыми значениями давлений, обеспечивающими их целостность и работоспособность, увеличение межремонтного периода их эксплуатации.

Технические задачи решаются предлагаемой системой поддержания пластового давления, включающей источник водоснабжения, насосы, низконапорные водоводы, соединяющие насос источника водоснабжения с дожимными насосами нагнетательных скважин, оснащенных запорно-регулирующими устройствами.

Новым является то, что низконапорные водоводы с максимально возможным давлением, превышающим максимально допустимое давление на входе соответствующего дожимного насоса, снабжены регуляторами давления, снижающими давление на входе дожимного насоса ниже максимально допустимого, но не ниже минимально допустимого для данного насоса в процессе эксплуатации.

На чертеже представлена технологическая схема системы поддержания пластового давления.

Система поддержания пластового давления содержит источник водоснабжения 1 с насосом 2, подающим воду по низконапорным водоводам 3, 4, 5, 6, 7 на входы дожимных насосов 8, 9, 10, 11 нагнетательных скважин 12, 13, 14, 15, устья которых оснащены запорно-регулирующей арматурой 16, 17, 18, 19 соответственно для регулирования расхода закачки воды. На входе в дожимные насосы 8 и 10 нагнетательных скважин 12 и 13 установлены дополнительно регуляторы давления 20 и 21 соответственно.

Система поддержания пластового давления работает следующим образом.

От источника водоснабжения 1 (например, очистные сооружения товарного парка, установки предварительного сброса воды, водозаборные скважины, речной водозабор и т.п.) воду насосом 2 (как правило, динамическим центробежного типа) подают по низконапорным водоводам 3, 4, 5, 6, 7 на входы дожимных насосов 8, 9, 10, 11 нагнетательных скважин 12, 13, 14, 15, устья которых оснащены запорно-регулирующей арматурой 16, 17, 18, 19 соответственно для регулирования расхода закачки воды. Подбор насоса 2 источника водоснабжения 1, дожимных насосов 8, 9, 10, 11 производят по результатам предварительного гидравлического расчета системы поддержания пластового давления исходя из предполагаемых режимов закачки воды в нагнетательные скважины 12, 13, 14, 15 по низконапорным водоводам 3, 4, 5, 6, 7, например, с помощью программ для электронно-вычислительных машин «Программа графического построения сети объектов системы поддержания пластового давления» (свидетельство РФ о регистрации №2010616781, зарег. 12.10.2010 г., Реестр программ для ЭВМ), «Программа подбора насосов и расчета распределения воды в системе поддержания пластового давления» (свидетельство РФ о регистрации №2010617037, зарег. 21.10.2010 г., Реестр программ для ЭВМ). По результатам гидравлического расчета, в ходе которого моделируют различные режимы работы нагнетательных скважин 12, 13, 14, 15, определяют диапазоны изменения давления на выходе насоса 2 источника водоснабжения 1 и соответственно на входах дожимных насосов 8, 9, 10, 11 нагнетательных скважин 12, 13, 14, 15, при этом выявляют нагнетательные скважины, на входе дожимных насосов которых изменение давления не будет выходить за пределы минимально и максимально допустимых значений согласно техническим характеристикам дожимных насосов 9 и 11 (на чертеже для примера это нагнетательная скважина 13 как имеющая наибольшую высотную отметку относительно насоса 2 источника водоснабжения 1 и соответственно имеющая наибольшие потери давления на преодоление разности высотных отметок относительно источника водоснабжения 1, а также нагнетательная скважина 15 как наиболее удаленная от источника водоснабжения 1 и соответственно имеющая наибольшие потери давления по его длине водовода 7 от источника водоснабжения 1). Также выявляют нагнетательные скважины 12 и 14, для которых в процессе эксплуатации возможны превышения давления на входе в их дожимные насосы 8 и 10 соответственно над максимально допустимым давлением согласно техническим характеристикам данных дожимных насосов 8 и 10 (на чертеже для примера это нагнетательные скважины 12 и 14 по причине их более близкого расположения к источнику водоснабжения и более низких высотных отметок устьев). По этой причине для ограничения максимального значения давления на входе дожимных насосов 8 и 10 нагнетательных скважин 12 и 14 устанавливают регуляторы давления 20 и 21 на низконапорных водоводах 4 и 6 непосредственно перед входом в дожимные насосы 8 и 10. Регуляторы давления 20 и 21 работают по принципу «после себя», т.е. ограничивают максимальные значения давления на входах в дожимные насосы 8 и 10 соответственно на уровне не более задаваемых в них значениями уставок давления (значение давления, задаваемое в регуляторе давления, как максимально возможное после него), и настраиваются таким образом, что при одновременно работающих нагнетательных скважинах 12, 13, 14, 15 не производят ограничение давления на входах дожимных насосов 8 и 10 нагнетательных скважин 12 и 14, так как давление, приходящее на регуляторы давления 20 и 21, должно быть ниже выставленных в них уставок.

Производительность насоса 2 источника водоснабжения 1 подбирают из условия обеспечения подачи необходимого расхода воды в низконапорные водоводы 3, 4, 5, 6, 7 суммарно по расходам нагнетательных скважин 12, 13, 14, 15, при этом давление на выходе насоса 2 должно обеспечивать давление не менее минимально допустимого значения на входе дожимного насоса 11 нагнетательной скважины 15 как наиболее удаленной от источника водоснабжения 1, а также на входе дожимного насоса 9 нагнетательной скважины 13 как скважины, имеющей наибольшую высотную отметку относительно насоса 2 источника водоснабжения 1. Для дожимных насосов 8 и 10 нагнетательных скважин 12 и 14 соответственно по причине их более близкого расположения к источнику водоснабжения (по сравнению с нагнетательной скважиной 15) и более низких высотных отметок устьев (по сравнению с нагнетательной скважиной 13) значения давления на входе могут быть близкими к максимально допустимым значениям, обеспечивающим их целостность и работоспособность, но не превышать их. В общем виде зависимость величины давления на входе в дожимной насос 8, 9, 10 или 11 нагнетательной скважины 12, 13, 14 или 15 от величины давления, развиваемого насосом 2 источника водоснабжения 1, может быть определена по формуле (1) при выполнении условия (2):

где P_ВХ - давление на входе дожимного насоса, МПа;

P_ИВ - давление на выходе насоса источника водоснабжения, МПа;

P_СТ - потери давления на преодоление разности высотных отметок относительно насоса источника водоснабжения (статическое давление столба жидкости), МПа;

P_ГИДР - потери давления по длине низконапорных водоводов от источника водоснабжения до входа дожимного насоса нагнетательной скважины (гидравлические потери), МПа;

P_РД - потери давления в регуляторе давления, МПа;

P_MIN - минимально допустимое давление на входе в дожимной насос, МПа;

P_МАХ - максимально допустимое давление на входе в дожимной насос, МПа.

При изменении режима работы системы поддержания пластового давления, вызванного ограничением расхода закачки в одну (например, 13 или 15) или несколько нагнетательных скважин (например, 13 и 15) либо полной их остановкой (например, в соответствии с графиком периодической (циклической) закачки либо для проведения ремонтных или исследовательских работ на нагнетательных скважинах 13 и/или 15 и т.д.) снижается суммарный расход закачиваемой воды в работающие нагнетательные скважины, при этом насос 2 начинает работать в режиме с пониженной производительностью и повышенным напором и соответственно повышается давление на его выходе и далее в низконапорных водоводах 3, 4, 5, 6, 7 и на входах дожимных насосов 8, 9, 10, 11 нагнетательных скважин 12, 13, 14, 15. Например, при остановке работы дожимного насоса 11 и отключении работы нагнетательной скважины 15 происходит повышение давления на входах дожимных насосов 8, 9, 10 нагнетательных скважин 12, 13, 14. При этом для дожимного насоса 9 нагнетательной скважины 13 повышение давления на его входе не превысит максимально допустимого значения (по условию подбора насоса 2 источника водоснабжения 1 при всех работающих нагнетательных скважинах обеспечивается давление не менее минимально допустимого значения на входе дожимного насоса 9 нагнетательной скважины 13), а для дожимных насосов 8 и 10 нагнетательных скважин 12 и 14 повышение давления на их входах не происходит за счет работы регуляторов давления 20 и 21. При запуске дожимного насоса 11 нагнетательной скважины 15 значения давлений и расходов возвращаются в первоначальное состояние.

Таким образом, применение предлагаемой системы поддержания пластового давления позволяет производить закачку воды в нагнетательные скважины 12, 13, 14, 15 дожимными насосами 8, 9, 10, 11 с подачей воды от источника водоснабжения 1 по низконапорным водоводам 3, 4, 5, 6, 7 и защитить входы дожимных насосов 8 и 10 от превышения давления свыше максимально допустимых значений, определяемых техническими характеристиками дожимных насосов, за счет установки перед их входами регуляторов давления 20 и 21, работающих по принципу «после себя» во время ограничения расхода закачки в одну или несколько нагнетательных скважин либо полной их остановки.

Пример конкретного выполнения

От источника водоснабжения 1 насосом 2 типа ЦНС 13-40-5 воду с суммарным расходом 345 м³/сут и давлением 3,3 МПа подают по низконапорным водоводам 3, 4, 5, 6, 7 на входы дожимных насосов 8 и 11 типа УНЦВ 80-1150 нагнетательных скважин 12 и 15, а также на входы дожимных насосов 9 и 10 типа УНЦВ 125-900 нагнетательных скважин 13 и 14 (исходное состояние).

По результатам гидравлического расчета (условно не приводится), в ходе которого моделировались различные режимы работы нагнетательных скважин 12, 13, 14, 15, выявлены нагнетательные скважины 13 и 15, на входе дожимных насосов 9 и 11 которых изменение давления не будет выходить за пределы минимально и максимально допустимых значений согласно техническим характеристикам дожимных насосов 9 и 11 (на чертеже для примера - это нагнетательная скважина 13 как имеющая наибольшую высотную отметку относительно насоса 2 источника водоснабжения 1 и соответственно имеющая наибольшие потери давления на преодоление разности высотных отметок относительно источника водоснабжения 1, а также нагнетательная скважина 15 как наиболее удаленная от источника водоснабжения 1 и соответственно имеющая наибольшие потери давления по его длине водовода 7 от источника водоснабжения 1). Также выявлены нагнетательные скважины 12 и 14, для которых в процессе эксплуатации возможны превышения давления на входе в их дожимные насосы 8 и 10 над максимально допустимым давлением согласно техническим характеристикам данных дожимных насосов 8 и 10 (на чертеже для примера - это нагнетательные скважины 12 и 14 по причине их более близкого расположения к источнику водоснабжения и более низких высотных отметок устьев). По этой причине для ограничения максимального значения давления на входе дожимных насосов 8 и 10 нагнетательных скважин 12 и 14 устанавливают регуляторы давления 20 и 21 (например, регуляторы низкого давления для эксплуатации на сточной воде «РНДС» или аналогичные), работающие по принципу «после себя», на низконапорных водоводах 4 и 6 непосредственно перед входом в дожимные насосы 8 и 10.

С учетом разности высотных отметок дожимных насосов 8, 9, 10, 11 нагнетательных скважин 12, 13, 14, 15 относительно насоса 2 источника водоснабжения 1 и потерь давления в низконапорных водоводах 3, 4, 5, 6, 7 давление на входе дожимного насоса 8 нагнетательной скважины 12 составляет 2,8 МПа при расходе закачки 90 м³/сут. Аналогично давление на входе дожимного насоса 9 нагнетательной скважины 13 составляет 0,5 МПа при расходе закачки 75 м³/сут, давление на входе дожимного насоса 10 нагнетательной скважины 14 составляет 2,8 МПа при расходе закачки 95 м³/сут, давление на входе дожимного насоса 11 нагнетательной скважины 15 составляет 1,3 МПа при расходе закачки 85 м³/сут. Минимально и максимально допустимые давления для дожимных насосов 8, 9, 10, 11 составляют 0,1 МПа и 5 МПа соответственно. Соответственно уставки ограничения давления в регуляторах давления 20 и 21 выставлены на уровне 2,9 МПа и в исходном состоянии работы системы поддержания пластового давления не производят ограничение давления на входах дожимных насосов 8 и 10 нагнетательных скважин 12 и 14, так как давление, приходящее на регуляторы давления 20 и 21, ниже выставленных в них уставок.

При отключении, например, нагнетательной скважины 15 согласно графику периодической (циклической) закачки в случае отключения регуляторов давления 20 и 21 суммарный расход насоса 2 уменьшается до 300 м³/сут, давление на выходе увеличивается до 3,7 МПа, при этом на входе дожимных насосов 8 и 10 нагнетательных скважин 12 и 14 давление превышает максимально допустимое на 0,3 МПа, при этом расход закачки в нагнетательную скважину 12 увеличивается до 105 м³/сут, в нагнетательную скважину 13 увеличивается до 85 м³/сут, в нагнетательную скважину 14 увеличивается до 110 м³/сут.

В случае отключения нагнетательной скважины 15, но при включенных регуляторах давления 20 и 21 с уставками ограничения давления на уровне 2,9 МПа, давление на входах дожимных насосов 8 и 10 нагнетательных скважин 12 и 14 составляет 2,9 МПа (за счет срабатывания регуляторов давления 20 и 21 соответственно), давление на входе дожимного насоса 9 нагнетательной скважины 13 составляет 1,2 МПа. При этом расход закачки воды в нагнетательные скважины 12 и 14 остается практически неизменным по причине незначительного (на 0,1 МПа) давления на входах в дожимные насосы 8 и 10, расход закачки увеличивается до 90 м³/сут только в нагнетательную скважину 13 по причине увеличения давления на входе дожимного насоса 9.

Изменение расходов закачки воды и давлений на выкиде насоса 2 источника водоснабжения 1 и на входах дожимных насосов 8, 9, 10, 11 нагнетательных скважин 12, 13, 14, 15 приведено в таблице.

Как видно из таблицы, на входе дожимного насоса 9 нагнетательной скважины 13 изменение давления не выходит за пределы минимально и максимально допустимых значений давления, а для нагнетательных скважин 12 и 14 за счет применения регуляторов давления 20 и 21, установленных на входах дожимных насосов 8 и 10, исключается превышение фактического давления над максимально допустимым значением давления.

Таким образом, предлагаемая система поддержания пластового давления позволяет увеличить продолжительность межремонтного периода и срока службы дожимных насосов 8, 10 нагнетательных скважин 12, 14 до 25% и снизить затраты на их ремонт до 15% (промысловые данные).

Технико-экономическая эффективность предлагаемой системы поддержания пластового давления достигается за счет предотвращения превышения давления на входе дожимных насосов нагнетательных скважин в процессе их эксплуатации при переменных режимах работы, при которых фактическое давление в низконапорных водоводах на входе в дожимные насосы может превышать максимально допустимые значения, определяемые техническими характеристиками дожимных насосов.

Использование данного предложения позволяет при небольших дополнительных капитальных затратах с помощью существующей системы поддержания пластового давления увеличить межремонтный период эксплуатации дожимных насосов за счет установки регуляторов давления на входе в дожимные насосы, снизить затраты на ремонт дожимных насосов нагнетательных скважин, тем самым оптимизировать затраты на закачку воды в нагнетательные скважины и, как результат, сократить материальные затраты на поддержание пластового давления.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и, в частности к системе закачки воды в пласт для вытеснения нефти и поддержания пластового давления. Технический результат - повышение надежности работы насосов и увеличение межремонтного периода их эксплуатации. Система поддержания пластового давления включает источник водоснабжения, насосы, низконапорные водоводы, соединяющие насос источника водоснабжения с дожимными насосами нагнетательных скважин, устья которых оснащены запорно-регулирующими устройствами. При этом низконапорные водоводы с максимально возможным давлением, превышающим максимально допустимое давление на входе соответствующего дожимного насоса, снабжены регуляторами давления. Эти регуляторы обеспечивают возможность снижения давления на входе дожимного насоса ниже максимально допустимого, но не ниже минимально допустимого для данного насоса в процессе эксплуатации. Регуляторы давления имеют принцип работы «после себя» во время ограничения расхода закачки в одну или несколько нагнетательных скважин либо полной их остановки. Дожимной насос рассчитан на давление на входе по аналитическому выражению. 1 табл., 1 ил.

Система поддержания пластового давления, включающая источник водоснабжения, насосы, низконапорные водоводы, соединяющие насос источника водоснабжения с дожимными насосами нагнетательных скважин, устья которых оснащены запорно-регулирующими устройствами, отличающаяся тем, что низконапорные водоводы с максимально возможным давлением, превышающим максимально допустимое давление на входе соответствующего дожимного насоса, снабжены регуляторами давления, обеспечивающими возможность снижения давления на входе дожимного насоса ниже максимально допустимого, но не ниже минимально допустимого для данного насоса в процессе эксплуатации, с принципом их работы «после себя» во время ограничения расхода закачки в одну или несколько нагнетательных скважин либо полной их остановки, а дожимной насос рассчитан на давление на входе по выражению:
P_ВХ=P_ИВ-(P_СТ+P_ГИДР+P_РД),
где P_ВХ - давление на входе дожимного насоса, МПа;
P_ИВ - давление на выходе насоса источника водоснабжения, МПа;
P_СТ - потери давления на преодоление разности высотных отметок относительно насоса источника водоснабжения - статическое давление столба жидкости, МПа;
P_ГИДР - потери давления по длине низконапорных водоводов от источника водоснабжения до входа дожимного насоса нагнетательной скважины - гидравлические потери, МПа;
P_РД - потери давления в регуляторе давления, МПа.