Насосная установка для эксплуатации пластов, осложненных выносом песка, с пластовым давлением, растущим снизу вверх Российский патент 2023 года по МПК E21B43/14 F04B47/02 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к одновременно раздельной эксплуатации нескольких продуктивных пластов одной скважины насосными установками.

Известен способ защиты глубинных скважинных насосов от засорения механическими примесями и пересыпания забоя и интервала перфорации скважины (патент RU № 2742388, МПК Е21В 43/00, опубл. 05.02.2021 Бюл. № 4), при котором в скважине, в интервале или интервалах перфорации напротив одного и более продуктивных пластов устанавливают компоновку с фильтром или фильтрами для очистки добываемого продукта от механических примесей и пакерами или уплотнительными манжетами сверху и снизу каждого фильтра, причем фильтр оборудуют предохранительным клапаном, срабатывание которого обеспечивают при заполнении фильтра проппантом и механическими примесями от перепада давления внутри и снаружи фильтра, при этом пластовую жидкость пропускают на прием глубинного насоса мимо фильтра по каналу в предохранительном клапане, открывающемуся от перепада давления, далее в скважину спускают центробежный или другого типа глубинный насос и производят работу по добыче пластовой жидкости, причем автономные фильтры, а также пакеры или уплотнительные манжеты выполняют из легко разбуриваемых, растворимых в кислотах и/или щелочах материалов, например алюминия или алюминиевых сплавов, и при невозможности извлечения компоновки для замены фильтров или промывки забоя осуществляют разбуривание автономного фильтра или фильтров, пакеров или уплотнительных манжет, а при возникновении осложнений с разбуриванием в скважину закачивают кислоту или щелочь в зависимости от выбранного материала автономного фильтра и пакеров или уплотнительных манжет, в обоих случаях проппант, механические примеси, остатки разбуренных частей компоновки, производные химической реакции помещают в зумпф скважины, откуда их извлекают.

Способ реализуется скважинной насосной установкой для эксплуатации нескольких пластов, осложненных выносом песка, включающей насос и расположенные ниже и установленные последовательно снизу вверх напротив каждого пласта цилиндрический полый фильтр с двумя пакерами, отсекающими соответствующий пласт, каждый фильтр оснащен предохранительным клапаном, срабатывающим при заполнении фильтра проппантом и механическими примесями от перепада давления внутри и снаружи фильтра, при этом пластовая жидкость выполнена с возможностью перетока на прием глубинного насоса мимо фильтра по каналу в предохранительном клапане, открывающемуся от перепада давления, причем фильтры и пакеры изготовлены из легко разбуриваемого и кислотно растворимого материала.

Недостатками данной установки являются быстрое засорение фильтров из-за сбора всех механических примесей непосредственно в каждом фильтре, что приводит к открытию предохранительного клапана и поступление всех примесей из пласта непосредственно на вход насоса, высокая металлоемкость и сложность применения из-за необходимости изготовления каждого фильтра с двумя пакерами для соответствующего пласта и последовательный спуск и установка напротив пласта, а также отсутствие защиты от перетока жидкости из пласта в пласт при различных пластовых давлениях.

Наиболее близкой по технической сущности является скважинная штанговая насосная установка для добычи нефти в условиях, осложненных выносом песка и поглощением промывочной жидкости (патент на ПМ RU № 136081, МПК Е21В 43/00, опубл. 27.12.2013 Бюл. № 36), состоящая из штангового скважинного насоса, имеющего возможность привода в действие через колонну насосных штанг, колонны насосно-компрессорных труб, песочного якоря на приеме насоса, причем она содержит пакер, присоединенный к контейнеру песочного якоря через перфопатрубок, при этом между перфопатрубком и пакером установлен обратный клапан, а ниже пакера - дополнительный песочный якорь с контейнером.

Недостатками этой установки являются узкая область применения, так как может быть использована только для одного пласта, возможность засорения обратного клапана и пакера осаждении механических примесей и песка сверху, что приведет к невозможности добычи продукции пласта и снятия пакера при извлечении установки из скважины соответственно.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание насосной установки для эксплуатации пластов, осложненных выносом песка, с пластовым давлением, растущим снизу вверх, позволяющей расширить область применения за счет возможности эксплуатации нескольких пластов, исключающей осаждение механических примесей и песка сверху на обратные клапаны и пакер и, как следствие, осуществляющей постоянной добычи продукции из всех пластов, а также позволяющей осуществлять беспроблемное снятие (срыв) пакеров устройства при извлечении насосной установки из скважины.

Техническое решение осуществляется насосной установкой для эксплуатации пластов, осложненных выносом песка, с пластовым давлением, растущим снизу вверх, включающей скважинный насос, управляемый с устья скважины, колонны лифтовых труб, песочного якоря на приеме насоса, пакер, установленный над верхним пластом и присоединенный к контейнеру песочного якоря через перфопатрубок, при этом между перфопатрубком и пакером внутри установлен обратный клапан, а ниже пакера – дополнительные верхние песочный якорь с контейнером.

Новым является то, что снизу к контейнеру дополнительного верхнего якоря через дополнительный перфопатрубок последовательно присоединен как минимум еще один дополнительный нижний пакер, установленный между вскрытыми пластами, нижний дополнительный песочный якорь с нижним контейнером, при этом между соответствующими дополнительными перфопатрубком и пакером внутри установлен дополнительный обратный клапан, причем над каждым пакером ниже соответствующего обратного клапана снаружи установлена манжета, защищающая пакер от осаждаемых механических примесей и песка, а над каждым обратным клапаном установлен защитный стакан с боковыми отверстиями, обеспечивающий для исключения осаждения механических примесей и песка на обратный клапан, а скорость потока жидкости, добываемой скважинным насосом, снаружи стакана больше, скорости потока внутри стакана, причем скважинный насос выбран производительностью не менее суммарной продуктивности всех пластов для обеспечения возможности эксплуатации всех вскрытых скважинной пластов, а дополнительные обратные клапаны изготовлены управляемыми с давлением открытия, позволяющим исключить перетоки жидкости из нижнего пласта в верхний при простое скважинного насоса.

На чертеже изображена схема насосной установки в продольном разрезе.

Насосная установка для эксплуатации пластов 1 и 2, осложненных выносом песка, с пластовым давлением, растущим снизу вверх, включает в себя скважинный насос 3 (показан условно), управляемый с устья (не показано) скважины 4, колонны лифтовых труб 5, фильтра 6 на приеме насоса 3, пакер 7, установленный над верхним пластом 1 и присоединенный к контейнеру 8 фильтра 6 через перфопатрубок 9, при этом между перфопатрубком 9 и пакером 7 внутри установлен обратный клапан 10, а ниже пакера 7 – дополнительные верхние песочный якорь 11 с контейнером 12. Снизу к контейнеру 12 дополнительного верхнего якоря 11 через дополнительный перфопатрубок 13 последовательно присоединен как минимум еще один дополнительный нижний пакер 14, установленный между вскрытыми пластами 1 и 2. Между соответствующими дополнительными перфопатрубком 13 и нижним пакером 14 внутри установлен дополнительный обратный клапан 15. Над каждым пакером 7 и 14 ниже соответствующего обратного клапана 10 и 15 соответственно снаружи установлена манжета 16, защищающая соответствующий пакер 7 или 14 от осаждаемых механических примесей и песка. Над каждым обратным клапаном 10 и 15 установлен защитный стакан 17 с боковыми отверстиями 18, обеспечивающий для исключения осаждения механических примесей и песка на соответствующий обратный клапан 10 или 15, а скорость потока жидкости, добываемой скважинным насосом 3, снаружи стакана 17 больше скорости потока внутри стакана 17. Для этого площадь поперечного сечения внутри стакана 17 должна быть больше площади поперечного сечения кольцевого пространства вокруг стакана 17, то есть должно соблюдаться неравенство:

где π≈3,14 – постоянная;

D₁ – внутренний диаметр перфорированного патрубка 9 или 13, м;

d – наружный диаметр стакана 17, м;

D₂ – внутренний диаметр стакана 17, м.

Скважинный насос 3 выбран производительностью не менее суммарной продуктивности всех пластов 1 и 2 для обеспечения возможности эксплуатации всех вскрытых скважинной пластов 1 и 2. Дополнительные обратные клапаны 10 и 15 изготовлены управляемыми, например, при помощи поджатия пружин 19, с давлением открытия, позволяющим исключить перетоки жидкости из нижних пластов 2 в верхние 1, имеющие более низкое пластовое давление, при простое или остановке скважинного насоса 3. Ниже нижнего пакера 14 расположен нижний дополнительный песочный якорь 20 с нижним контейнером 21.

Количество нижних пластов 2, 2’, 2”… (последние не показаны) может быть любым, а конструкция может при помощи например, муфт 22 (показаны условно), сваркой, склейкой или т.п. (не показано) наращиваться аналогичными дополнительными перфопатрубоками 13’, 13”... (не показаны) с нижними пакерами 14’, 14”… (не показаны), установленный между вскрытыми пластами 2’, 2”…, нижние дополнительные песочные якоря 20’, 20”… (не показаны) с соответствующими нижними контейнерами 21’, 21”… (не показаны), и дополнительными обратными клапанами 15’, 15”… (не показаны).

Конструктивные элементы, уплотнения, технологические соединения, не влияющие на работоспособность насосной установки, на чертеже не показаны или показаны условно.

Насосная установка работает следующим образом.

Выбирают скважины в который вскрыты пласты 1, 2, 2’, 2”…, у которых пластовое давление растет снизу вверх, то есть самое низкое давление и верхнего пласта 1. Это позволяет обеспечить подъем жидкости одним скважинным насосом 3 (штанговым глубинным насосом – ШГН, погружным электроцентробежным насосом – ЭЦН, героторным насосом – ГН или т.п.) с производительностью (количество откачиваемой жидкости скважинным насосом 3 за единицу времени, м³/ч) не ниже суммарной продуктивности (количество поступающей жидкости в скважину 4 за единицу времени, м³/ч – определяют геофизическими исследованиями) всех пластов 1, 2, 2’, 2”… Скважинный насос 3 по продуктивности подирается, исходя из его паспортных данных. После чего собирают компоновку снизу вверх последовательно спуская в скважину и соединяя, например, муфтами 22.

Для простоты будем рассматривать только два пласта 1 и 2.

К нижнему контейнеру 21 с дополнительным песочным якорем 20 и заглушкой 23 сверху прикрепляют дополнительный перфорированный патрубок 13 с дополнительными нижним пакером 14 манжетой 16 и обратным клапаном 15 со стаканом 17. К дополнительному перфорированному патрубку 13 сверху присоединяют верхний контейнер 12 с песочным якорем 11, потом перфопатубок 9 с верхним обратным клапаном 10, соответствующим стаканом 17, пакером 7 и соответствующей манжетой 16. Перфопатрубок 9 снизу присоединяют к контейнеру 8 фильтра 6, который присоединяют к приему скважинного насоса 3. При этом обратные клапаны 10 и 15 при помощи поджатия соответствующими пружинами 19 (регулировка не показана – авторы на это не претендуют) регулируют так, чтобы жидкость из нижнего пласта 2 не перетекала за счет перепада давлений в верхний пласт 1, верхнего пласта 1 в скважину 4 выше пакера 7 при недействующем скважинном насосе 3. Длину контейнера 12 выбирают такой, чтобы нижний пакер 14 при установке размещался между пластами 1 и 2, а пакер 7 – выше верхнего плата 1.

Собранную компоновку со скважинным насосом 3 на колоне лифтовых труб 5 спускают в скважину 4 в интервал установки, где пакер 7 располагается над верхним пластом 1, а нижний пакер 14 – между пластами 1 и 2 (2 и 2’, 2’ и 2”… - не показано). Пакеры 7 и 14 устанавливаются, перекрывая пространство скважины 4. Пакеры 7 и 14 могут устанавливаться (перекрывать пространство скважины 4) с упором заглушки 23 на забой (не показано), с упором на якорь (не показан), взаимодействующий со стенками скважины 4, нижнего пакера 14 или с упором на якоря (не показаны), взаимодействующие со стенками скважины 4, пакеров 7 и 14 с разгрузкой (опусканием с устья скважины 4 за счет общей массы) собранной компоновки, скважинного насоса 3 и колонны лифтовых труб 5 или любым другим известным способом (авторы на это не претендуют).

После установки пакеров 7 и 14 скважинный насос 3 для работы соединяют при помощи штанг с устьевым приводом (ШГН, винтовой насос или т.п.) или электрической станцией управления (ЭЦН, ГН с электродвигателем или т.п.), колонну лифтовых труб 5 на устье скважины 4 герметизируют устьевой арматурой (не показана).

Скважинный насос 3 запускают в работу и откачивают жидкость через фильтр 6 из пространства скважины 4 над пакером 7, снижая уровень жидкости и, как следствие, давление. Результате клапан 10 открывается, сжимая пружину 19, и в пространство над пакером 7 начинает поступать жидкость из пространства скважины 4 между пакерами 7 и 14. Так как производительность скважинного насоса 3 выше продуктивности верхнего пласта 1 (отбирается жидкости больше, чем поступает) давление в скважине 4 между пакерами 7 и 14 снижается, клапан 15 открывается, сжимая соответствующую пружину 19, и жидкость из пространства скважины 4 из-под нижнего пакера 14 поступает в пространство скважины 4 между пакерами 7 и 14, далее вместе с жидкостью из в пространство скважины 4 между пакерами 7 и 14 в пространство скважины 4 над пакером 7 и под действием скважинного насоса 3 по колонне лифтовых труб 5 на поверхность.

Жидкость (продукция) из нижнего пласта 2 поступает в пространство скважины 4 под пакером 14, через верхние отверстия 24 – в нижний контейнер 21, благодаря нижнему песочному якорю 20 направляется сначала вниз нижнего контейнера 21, потом меняет направление и поднимается по нижнему песочному якорю 20 – вверх в дополнительный перфопатрубок 13. В результате смены направления потока жидкости тяжелые и более инерционные механические примеси с песком осаждаются в нижнем контейнере 21 сверху заглушки 23, а жидкость с мелкой взвесью механических примесей (скорость осаждения которой меньше скорости потока жидкости) проходит через дополнительный обратный клапан 15, отверстия 18 стакана 17, отверстия 25 дополнительного перфопатрубка 13 и попадает в пространство скважины 4 между пакерами 7 и 14. Так как площадь поперечного сечения внутри стакана 17, больше площади поперечного сечения кольцевого пространства вокруг стакана 17 [1], то скорость потока жидкости снаружи стакана 17 больше скорости потока внутри стакана 17, следовательно статическое давление снаружи стакана 17 ниже статического давления внутри стакана 17 (закон Бернулли), что приводит к интенсивному отводу жидкости и более инерционной взвеси механических примесей изнутри наружу стакана 17 через отверстия 18. Высокая скорость потока жидкости (выше скорости осаждения взвеси) снаружи стакана 17 интенсивно вымывает взвесь вверх в сторону отверстий 25 дополнительного перфопатрубка 13, исключая осаждение взвеси на дополнительном обратном клапане 15. При остановке скважинного насоса 3 для техобслуживания или ремонта (ЭЦН, ГН или т.п.) или при ходе плунжера (не показан) вниз (ШГН) взвесь осаждается сверху стакана 17, не попадая на дополнительный обратный клапан 15 и не засоряя его, что обеспечивает работоспособность дополнительного обратного клапана 15 весь период межремонтный период.

Жидкость (продукция) из верхнего пласта 1 поступает в пространство скважины 4 между пакерами 7 и 14, далее совестно с жидкостью (продукцией) нижнего пласта 2 через верхние отверстия 26 - в контейнер 12, благодаря песочному якорю 11 направляется сначала вниз контейнера 12, потом меняет направление и поднимается по песочному якорю 11 – вверх в перфопатрубок 9. В результате смены направления потока жидкости тяжелые и более инерционные механические примеси с песком осаждаются в контейнере 12, а жидкость с мелкой взвесью механических примесей (скорость осаждения которой меньше скорости потока жидкости) проходит через обратный клапан 10, отверстия 18 стакана 17, отверстия 27 перфопатрубка 9 и попадает в пространство скважины 4 над пакером 7. Так как скорость потока жидкости снаружи стакана 17 больше скорости потока внутри стакана 17, следовательно статическое давление снаружи стакана 17 ниже статического давления внутри стакана 17 (закон Бернулли), что приводит к интенсивному отводу жидкости и более инерционной взвеси механических примесей изнутри наружу стакана 17 через отверстия 18. Высокая скорость потока жидкости (выше скорости осаждения взвеси) снаружи стакана 17 интенсивно вымывает взвесь вверх в сторону отверстий 27 перфопатрубка 9, исключая осаждение взвеси на обратном клапане 10. При остановке скважинного насоса 3 взвесь осаждается сверху стакана 17, не попадая на обратный клапан 10 и не засоряя его, что обеспечивает работоспособность обратного клапана 10 весь период межремонтный период.

Скорость потока жидкости в пространствах скважины 4 выше пакера 1 и между пакерами 1 и 2 ниже скорости потока в перфопатрубках 9 и 13, то в этих пространствах осаждается взвесь на манжеты 16, исключая осаждения на соответствующие пакеры 7 и 14, и их дальнейшее заклинивание при срыве (снятии с работы – отсоединении от контакта со стенками скважины 4).

При остановке скважинного насоса 3 под действием пружин 19 клапаны 10 и 15 закрываются, исключая перетоки жидкости из одного пласта 2 в другой 1 из-за перепада давлений.

Для извлечения насосной установки скважинный насос 3 останавливают, выдерживают время (обычно 0,5–2 часа) для стабилизации давления во всех пространствах скважины 4, отсоединяют скважинный насос 3 от привода или электрической станцией управления, снимают устьевую арматуру и при помощи колонны лифтовых труб 5 срывают пакеры 7 и 14, не засоренные осажденной взвесью механических примесей и песка, извлекают скважинный насос и всю компоновку из скважины 4 на поверхность.

При необходимости после обслуживания и ремонта насосную установку снова спускают в скважину 4 вышеописанным способом.

Предлагаемая насосная установка для эксплуатации пластов, осложненных выносом песка, с пластовым давлением, растущим снизу вверх, позволяет расширить область применения за счет возможности эксплуатации нескольких пластов, исключает осаждение механических примесей и песка сверху на обратные клапаны и пакер и, как следствие, позволяет осуществить постоянную добычу продукции из всех пластов, а также осуществить беспроблемное снятие (срыв) пакеров устройства при извлечении насосной установки из скважины.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к одновременно раздельной эксплуатации нескольких продуктивных пластов одной скважины насосными установками. Техническим результатом является создание насосной установки для эксплуатации пластов, осложненных выносом песка, с пластовым давлением, растущим снизу вверх, позволяющей расширить область применения за счет возможности эксплуатации нескольких пластов, исключающей осаждение механических примесей и песка сверху на обратные клапаны и пакер и, как следствие, осуществляющей постоянную добычу продукции из всех пластов, а также позволяющей осуществлять беспроблемное снятие (срыв) пакеров устройства при извлечении насосной установки из скважины. Заявлена насосная установка, включающая скважинный насос, управляемый с устья скважины, колонну лифтовых труб, песочный якорь на приеме насоса, пакер, установленный над верхним пластом и присоединенный к контейнеру песочного якоря через перфопатрубок. При этом между перфопатрубком и пакером внутри установлен обратный клапан, а ниже пакера – дополнительные верхние песочный якорь с контейнером. Снизу к контейнеру дополнительного верхнего якоря через дополнительный перфопатрубок последовательно присоединен как минимум еще один дополнительный нижний пакер, установленный между вскрытыми пластами, нижний дополнительный песочный якорь с нижним контейнером. Между соответствующими дополнительными перфопатрубком и пакером внутри установлен дополнительный обратный клапан. Над каждым пакером ниже соответствующего обратного клапана снаружи установлена манжета, защищающая пакер от осаждаемых механических примесей и песка. А над каждым обратным клапаном установлен защитный стакан с боковыми отверстиями, обеспечивающий исключение осаждения механических примесей и песка на обратный клапан, при этом скорость потока жидкости, добываемой скважинным насосом, снаружи стакана больше скорости потока внутри стакана. Скважинный насос выбран производительностью не менее суммарной продуктивности всех пластов для обеспечения возможности эксплуатации всех вскрытых скважиной пластов. Дополнительные обратные клапаны изготовлены управляемыми с давлением открытия, позволяющим исключить перетоки жидкости из нижнего пласта в верхний при простое скважинного насоса. 1 ил.

Насосная установка для эксплуатации пластов, осложненных выносом песка, с пластовым давлением, растущим снизу вверх, включающая скважинный насос, управляемый с устья скважины, колонну лифтовых труб, песочный якорь на приеме насоса, пакер, установленный над верхним пластом и присоединенный к контейнеру песочного якоря через перфопатрубок, при этом между перфопатрубком и пакером внутри установлен обратный клапан, а ниже пакера – дополнительные верхние песочный якорь с контейнером, отличающаяся тем, что снизу к контейнеру дополнительного верхнего якоря через дополнительный перфопатрубок последовательно присоединен как минимум еще один дополнительный нижний пакер, установленный между вскрытыми пластами, и нижний дополнительный песочный якорь с нижним контейнером, при этом между соответствующими дополнительными перфопатрубком и пакером внутри установлен дополнительный обратный клапан, причем над каждым пакером ниже соответствующего обратного клапана снаружи установлена манжета, защищающая пакер от осаждаемых механических примесей и песка, а над каждым обратным клапаном установлен защитный стакан с боковыми отверстиями, обеспечивающий исключение осаждения механических примесей и песка на обратный клапан, а скорость потока жидкости, добываемой скважинным насосом, снаружи стакана больше скорости потока внутри стакана, причем скважинный насос выбран производительностью не менее суммарной продуктивности всех пластов для обеспечения возможности эксплуатации всех вскрытых скважиной пластов, а дополнительные обратные клапаны изготовлены управляемыми с давлением открытия, позволяющим исключить перетоки жидкости из нижнего пласта в верхний при простое скважинного насоса.