ПОГРУЖНАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ И СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2020 года по МПК F04D13/10 

Изобретение относится к нефтепромысловому оборудованию, в частности к погружным насосным установкам, в состав которых входит газосепаратор, и может быть использовано для добычи нефти, осложненной высоким газовым фактором.

В традиционных погружных насосных установках, спускаемых в скважину на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ), при добыче нефти с высоким газовым фактором используют газосепараторы, которые размещают перед входом в электроцентробежный насос над электродвигателем [RU 2232301, RU 2504691, RU 159811 U1]. Способ эксплуатации таких установок включает подвод скважинной жидкости в газосепаратор, повышение ее напора и закручивание потока, разделение жидкости в поле центробежных сил, отвод отсепарированного газа в затрубное пространство, и нагнетание отсепарированной жидкости погружным насосом на поверхность скважины.

Известен способ добычи при помощи погружной насосной установки для подъема скважинной жидкости из ствола скважины на поверхность [WO 2009077714, опубл. 25.06.2009], содержащей двойной винтовой насос, двигатель с постоянными магнитами для привода насоса и силовой электрический кабель, который способен выдержать вес насоса и двигателя в стволе скважины и подает электроэнергию к двигателю, причем двигатель расположен между кабелем и двойным винтовым насосом. С помощью силового электрического кабеля двойной винтовой насос устанавливают в посадочное отверстие пакера, размещенного в обсадной трубе. Выпускные отверстия насоса сообщают с внутренним объемом обсадной колонны, расположенным выше пакера, а подъем скважинной жидкости осуществляют прямо по обсадной колонне. Силовой электрический кабель может дополнительно содержать канал для передачи жидкости по кабелю, в этом случае трубопровод будет проходить через сердечник кабеля. Двойной винтовой насос может перекачивать высоковязкие жидкости и способен поднимать скважную жидкость на поверхность вместе с растворенным газом, то есть работать при высокой концентрации растворенного газа.

Недостатком данной установки и способа является высокая стоимость двойного винтового насоса, превышающая в 3-4 раза стоимость аналогичного по мощности ЭЦН, а также невозможность эксплуатации в скважинах малого диаметра. Кроме того, наличие в скважинной жидкости растворенного газа требует использования дополнительных газосепараторов, расположенных на поверхности.

Известна насосная установка для подъема скважинной жидкости по эксплуатационной колонне [RU 2614426, F04D 13/10, опубл. 28.03.2017], содержащая пакер, короткий хвостовик, расположенный выше пакера электропогружной насос с головкой для соединения с тросом, перекачивающий скважинную жидкость из подпакерного пространства скважины в надпакерное пространство через обратный клапан, силовой кабель и датчики давления, измеряющие давление в полостях выше и ниже пакера. Пакер выполнен с полированной втулкой и шпонками, а прием насоса с помощью хвостовика сообщен с ниппелем, оснащенным наружными шпонками, ответными шпонкам пакера, и выполненным с возможностью герметичного ввода в полированную втулку пакера

Недостатками установки является то, что для ее эксплуатации необходимо предварительно установить в эксплуатационной трубе пакер с полированной втулкой и шпонками и ограничение возможности использования установки при высоком содержании газа в скважной жидкости.

Наиболее близкими к заявляемым изобретениям является погружная насосная установка, спускаемая на грузонесущем кабеле в дополнительную колонну НКТ внутри обсадной колонны, которая содержит последовательно расположенные сверху вниз грузонесущий кабель, грузонесущую муфту, кабельный удлинитель, гидрозащиту верхнюю (маслонаполненный компенсатор), маслонаполненный ПЭД, гидрозащиту нижнюю, выкидной модуль, обратный клапан, электроцентробежный насос перевернутого типа и узел герметизации с всасывающим каналом [RU 2613542, F04D 13/10, опубл. 28.02.2017], а также способ ее эксплуатации. Узел герметизации представляет собой хвостовик с прикрепленным уплотнителем в виде механического пакера или эластомера, набухающего в скважинной жидкости, который перекрывает кольцевой зазор между хвостовиком и дополнительной колонной НКТ. К хвостовику, ниже уплотнителя, присоединен скважинный фильтр для защиты от механических примесей. При эксплуатации насосной установки подъем скважинной жидкости осуществляют по колонне НКТ.

Недостатком погружной установки и способа ее эксплуатации является низкая эффективность при добыче скважинной жидкости с высоким содержанием газа.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности эксплуатации, подвешенной на грузонесущем кабеле насосной установки, в том числе малого диаметра, для эффективной добычи скважинной жидкости с высоким содержанием газа по эксплуатационной колонне.

Указанный технический результат достигается тем, что погружная насосная установка, спускаемая на грузонесущем кабеле в колонну НКТ, и содержащая кабельный удлинитель, гидрозащиту верхнюю, электродвигатель, гидрозащиту нижнюю, модуль выкидной, электроцентробежный насос перевернутого типа и узел герметизации, согласно изобретению, на конце колонны установлен посадочный ниппель, ниже которого размещен газосепаратор с входной решеткой в нижней части и выходными отверстиями в верхней части, при этом газосепаратор связан с насосом через узел герметизации, снабженный уплотняющими манжетами.

При работающем электроцентробежном насосе газ выходит из выпускных отверстий газосепаратора в межтрубное пространство между насосно-компрессорными трубами (НКТ) и обсадной колонной.

В некоторых вариантах исполнения посадочный ниппель может быть совмещен с трубчатым отсекателем, который окружает верхнюю часть газосепаратора и имеет радиальные отверстия, выполненные на уровне выходных отверстиями газосепаратора, при этом входная решетка газосепаратора находится ниже отсекателя, а внутри отсекателя установлен узел герметизации с уплотняющими манжетами, выполняющими роль пакера.

Колонну НКТ с установленным отсекателем, спускают в скважину, и затем спускают на грузонесущем кабеле установку предлагаемой комплектации и устанавливают ее в посадочное место отсекателя.

При работающем электроцентробежном насосе скважная жидкость будет поступать через входную решетку газосепаратора, а газ - выходить через выпускные отверстия газосепаратора и через отверстия отсекателя в межтрубное пространство.

Наряду с традиционным способом использования в скважинах, оборудованных обсадной колонной и колонной НКТ, погружная насосная установка предлагаемой комплектации может эксплуатироваться в колонне НКТ с приемлемым габаритом, на которой ранее в скважину была спущена погружная установка электроцентробежного насоса (УЭЦН), вышедшая из строя.

Предлагаемый способ эксплуатации погружной насосной установки на грузонесущем кабеле, включающий спуск в колонну насосно-компрессорных труб установки, содержащей кабельный удлинитель, гидрозащиту верхнюю, электродвигатель, гидрозащиту нижнюю, модуль выкидной, электроцентробежный насос перевернутого типа и узел герметизации, и последующий подъем скважинной жидкости по колонне НКТ, отличается тем, что к установке ниже узла герметизации присоединяют газосепаратор, имеющий входную решетку в нижней части и выкидные отверстия в верхней части, в колонне насосно-компрессорных труб предварительно пробивают ряды верхних и нижних отверстий, спуск установки осуществляют в колонну НКТ с отработавшей установкой, расположенную внутри обсадной колонны, и фиксируют таким образом, чтобы ряд верхних отверстий НКТ находился выше уровня скважинной жидкости напротив выкидных отверстий газосетаратора, а входная решетка газосепаратора расположена внутри скважинной жидкости напротив ряда нижних отверстий.

Два ряда отверстий в колонне НКТ пробивают выше отработавшей УЭЦН кумулятивным, гидропескоструйным или другим известным методом на расстоянии, соизмеримым с расстоянием между входной решеткой и выпускными отверстиями.

Сущность заявляемых изобретений поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена заявляемая погружная насосная установка, размещенная в посадочном ниппеле насосно-компрессорной колонны, продольный разрез. На фиг. 2 - погружная насосная установка, размещенная в насосно-компрессорной колонне с отсекателем, продольный разрез; На фиг. 3 - погружная насосная установка, размещенная в насосно-компрессорной колонне над неработающей УЭЦН, продольный разрез; на фиг. 4 - вариант применяемого газосепаратора.

Погружная насосная установка (фиг. 1), спускаемая в колонну НКТ 12, включает в себя грузонесущий кабель 1, кабельный удлинитель 2, гидрозащиту верхнюю 3, блок измерительный 4, электродвигатель 5, гидрозащиту нижнюю 6, электроцентробежный насос 8 перевернутого типа с модулем выкидным 7 и узел герметизации 9. Ниже узла герметизации 9 установлен газосепаратор 11, имеющий внизу входную решетку 16 и выходные отверстия 15 в верхней части. На конце насосно-компрессорной колонны 12 накручен посадочный ниппель 10, в который устанавливается узел герметизации 9, снабженный шевронными уплотняющими манжетами 17. Узел герметизации 9 предназначен для исключения перетока откачиваемой жидкости. После фиксации установки с помощью узла герметизации 9 входная решетка 16 и выходные отверстия 15 газосепаратора 11 оказываются расположенными ниже посадочного ниппеля 10 в объеме скважинной жидкости.

В некоторых вариантах исполнения (фиг. 2) на конце насосно-компрессорной колонны 12 может быть накручен отсекатель 24, внутри которого установлены узлы герметизации 9, снабженные шевронными уплотняющими манжетами 17. Отсекатель 24 представляет собой участок трубы, окружающий верхнюю часть газосепаратора 11, в которой выполнен радиальных выпускных отверстий по окружности, расположенных напротив выходных отверстий 15 газосепаратора 11, при этом впускная решетка 16 газосепаратора находится ниже отсекателя, В верхней части отсекатель 24 совмещен с посадочным ниппелем 10. Узлы герметизации 9 с манжетами 17 играют роль пакера и предназначены для исключения перетока откачиваемой жидкости.

В составе заявляемой погружной установки могут применяться центробежные газосепараторы, преимущественно, вихревого типа, которые могут иметь конструкцию аналогичную, описанной, например, в патенте РФ №2660972, F04D 13/10 опубл. 11.07.2018. На фиг. 4 представлен один из вариантов исполнения газосепаратора 11, содержащего входную решетку 16. геликоидальный шнек 21 с переменным шагом, вихревую камеру 22 и разделитель 23 с выходным отверстием 15 для выброса отсепарированного газа в межтрубное пространство 14.

Погружная установка работает следующим образом. При включении электродвигателя 5 (фиг. 1) скважинная жидкость (сплошные стрелки) в виде газожидкостной смеси проходит через входную решетку 16 центробежного газосепаратора 11 и закручивается геликоидальным шнеком 21 с переменным шагом. В поле центробежных сил происходит частичная сепарация газа (пунктирные стрелки) от жидкости, продолжающаяся в вихревой камере 22 с переносом жидкой фазы к периферии и вытеснением газовой фазы к центру. После вихревой камеры 22 с помощью разделителя 23 отсепарированный газ из центра газосепаратора 11 сбрасывается через выходные отверстия 15 в межтрубное пространство 14 между НКТ 12 и обсадной колонной 13, а нефтесодержащая жидкость (штриховые стрелки) через выкидной модуль 7 поднимается внутри НКТ 12 на поверхность.

После спуска установки в НКТ 12 с отсекателем 24 на нижнем конце (фиг. 2), в узлах герметизации 9, расположенных ниже выпускных отверстий 25 происходит распор шевронных уплотняющих манжет 17, в результате которого они упираются на внутреннюю поверхность отсекателя 24 и перекрывают кольцевое пространство, выполняя роль пакера, исключающего переток откачиваемой жидкости. При включении электродвигателя 5 скважинная жидкость проходит через центробежный газосепаратор 11, отсепарированный газ выходит из выходных отверстий 15 газосепаратора, проходит через выпускные отверстия отсекателя 25 и попадает в межтрубное пространство 14 между НКТ 12 и обсадной колонной 13, а нефтесодержащая жидкость, как и в первом варианте, через выкидной модуль 7 поднимается внутри НКТ 12 на поверхность.

Заявляемый способ эксплуатации включает присоединение к нижней части погружной установки газосепаратора 11, содержащего входную решетку 16 в нижней части и выкидные отверстия 15 в верхней части; спуск погружной насосной установки на грузонесущем кабеле 1 с газосепаратором внутрь колонны НКТ 12, на которой спускалась отработавшая УЭЦН 18 (фиг. 3). В нижней части НКТ 12, расположенной в обсадной колонне 13, над УЭЦН 18 предварительно пробивают ряд нижних 19 и ряд верхних 20 отверстий по окружности кумулятивным, гидропескоструйным или другим известным способом. Спускаемую погружную установку фиксируют с помощью узла герметизации 17 на уровне, обеспечивающем расположение верхних отверстий 20 выше уровня скважинной жидкости в обсадной колонне 13 напротив выкидных отверстий 15 газосепаратора 11, а нижних отверстий 19 - напротив входной решетки 16, находящейся внутри скважинной жидкости.

Узел герметизации 9 фиксирует положение установки за счет распора шевронных уплотняющих манжет 17, упирающихся во внутреннюю поверхность труб НКТ 12. Таким образом узел герметизации 9 играет роль пакера, исключающего переток откачиваемой жидкости.

При включении электродвигателя 5 скважинная жидкость, проходя через нижние отверстия 19 и входную решетку 16, поступает в центробежный газосепаратор 11, откуда отсепарированный газ выводится из выходных отверстий газосепаратора 15 и через верхний ряд отверстий 20 в НКТ 12 попадает в межтрубное пространство 14 между НКТ 12 и обсадной колонной 13, а отсепарированная нефтесодержащая жидкость направляется в электроцентробежный насос 8 перевернутого типа, пройдя сквозь который, выбрасывается через выкидной модуль 7 и по колонне НКТ 12 поднимается на поверхность.

При извлечении газосепаратора, установленного внизу погружной насосной установки, необходимо потянуть вверх за грузонесущий кабель с силой, большей суммарного веса газосепаратора, погружной установки и самого кабеля с учетом сил трения, возникающих при подъеме.

Таким образом, использование газосепаратора, установленного ниже узла герметизации, в погружной насосной установке на грузонесущем кабеле повышает надежность работы электроцентробежного насоса за счет сепарации растворенного в скважинной жидкости газа. Отсепарированный газ можно добывать через межтрубное пространство.

Размеры газосепаратора, установленного внизу погружной насосной установки, подбирают такие, что позволят применять его в скважинах любых габаритов, в том числе и малого диаметра.

Группа изобретений относится к нефтепромысловому оборудованию и может быть использована для добычи нефти, осложненной высоким газовым фактором. Способ эксплуатации погружной насосной установки на грузонесущем кабеле включает спуск в колонну насосно-компрессорных труб (НКТ) установки, содержащей кабельный удлинитель, гидрозащиту верхнюю, электродвигатель, гидрозащиту нижнюю, модуль выкидной, электроцентробежный насос перевернутого типа и узел герметизации, и последующий подъем скважинной жидкости по колонне НКТ. При этом к установке ниже узла герметизации присоединяют газосепаратор, имеющий входную решетку в нижней части и выкидные отверстия в верхней части. Установку спускают в колонну НКТ с отработавшей установкой, расположенной внутри обсадной колонны. Предварительно в колонне НКТ пробивают ряды верхних и нижних отверстий. Установку фиксируют таким образом, чтобы ряд верхних отверстий в колонне НКТ находился выше уровня скважинной жидкости напротив выкидных отверстий газосепаратора, а входная решетка газосепаратора была расположена внутри скважинной жидкости напротив ряда нижних отверстий колонны НКТ. Изобретения направлены на обеспечение бесперебойной надежной работы электроцентробежного насоса за счет отвода в затрубное пространство отсепарированного газа. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Погружная насосная установка на грузонесущем кабеле, спускаемая в колонну насосно-компрессорных труб и содержащая кабельный удлинитель, гидрозащиту верхнюю, электродвигатель, гидрозащиту нижнюю, модуль выкидной, электроцентробежный насос перевернутого типа и узел герметизации, отличающаяся тем, что на конце колонны установлен посадочный ниппель, ниже которого размещен газосепаратор с входной решеткой в нижней части и выходными отверстиями в верхней части, при этом газосепаратор связан с насосом через узел герметизации, снабженный уплотняющими манжетами.

2. Погружная насосная установка по п. 1, отличающаяся тем, что посадочный ниппель совмещен с трубчатым отсекателем, окружающим верхнюю часть газосепаратора и имеющим радиальные отверстия, выполненные на уровне выходных отверстий газосепаратора, при этом внутри отсекателя установлен узел герметизации с уплотняющими манжетами, выполняющими роль пакера.

3. Способ эксплуатации погружной насосной установки на грузонесущем кабеле, включающий спуск в колонну насосно-компрессорных труб установки, содержащей кабельный удлинитель, гидрозащиту верхнюю, электродвигатель, гидрозащиту нижнюю, модуль выкидной, электроцентробежный насос перевернутого типа и узел герметизации, и последующий подъем скважинной жидкости по колонне насосно-компрессорных труб, отличающийся тем, что к установке ниже узла герметизации присоединяют газосепаратор, имеющий входную решетку в нижней части и выкидные отверстия в верхней части, установку спускают в колонну насосно-компрессорных труб с отработавшей установкой, расположенную внутри обсадной колонны, при этом в колонне насосно-компрессорных труб предварительно пробивают ряды верхних и нижних отверстий, а установку фиксируют таким образом, чтобы ряд верхних отверстий в колонне насосно-компрессорных труб находился выше уровня скважинной жидкости напротив выкидных отверстий газосепаратора, а входная решетка газосепаратора была расположена внутри скважинной жидкости напротив ряда нижних отверстий колонны насосно-компрессорных труб.