СПОСОБ ПРОМЫСЛОВОЙ ПОДГОТОВКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩЕЙ ПЛАСТОВОЙ СМЕСИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК B01D17/25 B01D17/04 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано на нефтяных и нефтегазовых промыслах.

Со времени начала промышленной добычи нефти предложено и применяют много технологических схем промысловой подготовки нефти (ППН), т.е. очистки добываемой из скважин в виде пластовой смеси нефти от твердых, жидких и газообразных компонентов, делающих невозможной перекачку нефти по нефтепроводам и переработку ее в товарные нефтепродукты.

Известен и применяется ряд технологий промысловой подготовки нефти, добываемой из пористых подземных пластов-коллекторов через пробуренные скважины в виде пластовой газонефтяной смеси, содержащей помимо целевого компонента - собственно нефти - много посторонних компонентов: пластовую воду (иногда до 90% объема), растворенные в нефти и воде минеральные соли и различные газы, твердые частицы песка, окалины, гидратов, парафины, смолы, асфальтены и пр. Эти компоненты необходимо отделить от нефти для перекачки ее по трубопроводам к местам и установкам для ее переработки в товарные продукты - моторные и энергетические топлива (мазут, топливная нефть) и сырье для нефтехимических производств.

В книге Лутошкина Г.С. «Сбор и подготовка нефти, газа и воды», М. Недра 1977, приведены основные наземные технологии ППН, обеспечивающие дегазацию, обезвоживание, обессоливание нефти и удаление твердых частиц. Их общими недостатками являются: множество аппаратов и машин, соединенных трубопроводами с запорно-регулирующими задвижками и клапанами, множеством разъемных и неразъемных соединений, контрольно-измерительными приборами - потенциальными каналами утечек; большие площади занимаемой территории; сильная зависимость процессов и режимов от погодных условий (температур воздуха, ветра, солнечной радиации); загрязнение окружающей среды проливами опасных жидкостей на поверхность земли и в гидросеть и утечками газов в атмосферу; пожаро- и взрывоопасно разрушительные последствия при авариях; необходимость постоянного круглосуточного обслуживания; практическая невозможность широкого регулирования технологических потоков.

Применяемые наземные системы промысловой подготовки нефти - дегазации, обессоливания, обезвоживания, разрушения водонефтяных эмульсий, отделения твердых частиц, парафинов, смол, гидратов, асфальтенов обеспечивается громоздкой и сложной системой взаимосвязанных технологических аппаратов (насосов, компрессоров), соединяющихся трубопроводами с перекачивающими аппаратами, запорно-регулирующей аппаратурой, устройствами для замера расхода, температуры, давления потоков, контроля, регулирования и автоматизации технологических процессов, связываемых с помощью множества разъемных и неразъемных (сварных) соединений и различных уплотнений. Все они служат потенциальными источниками утечек газов и жидкостей, в том числе горючих и взрывоопасных, создающих опасность пожаров и взрывов, а также загрязнения вод поверхностных стоков (ручьев, рек, озер). Отделяемые твердые вредные компоненты должны непрерывно или периодически удаляться из наземных аппаратов, перерабатываться и обезвреживаться, и, в конечном счете, захораниваться в подземном могильнике, а жидкие вредные компоненты закачиваться на глубины более 1000 м в поглощающие водоносные горизонты.

Технические решения, предложенные в патентах последних десятилетий улучшают лишь отдельные элементы, аппараты и показатели применяемых схем ППН, не меняя их сути и присущих им крупных коренных недостатков.

В патенте РФ №2340384 (МПК B01D 17/025, опубл. 10.12.2008, авторы - граждане Норвегии) предложено устройство для разделения многофазных текучих сред, представляющее собой обычный горизонтальный резервуар-отстойник, дополненный входным трубчатым сепаратором - продолжением подводящего трубопровода, якобы оптимизирующий процесс дальнейшего разделения входного потока в основном сепараторе-отстойнике. Сами авторы патента считают гравитационные сепараторы, применяемые на морских платформах для добычи нефти, громоздкими и тяжелыми, однако предложенное решение лишь усугубляет этот недостаток.

Система и способ разделения потока пластовой смеси в патенте РФ №2412738 (МПК В01Д 17/025, опубл. 27.02.2011), детально описывающем множество несущественных компонентов в ее составе, предлагает отдельные конструктивные улучшения установки сепарации в виде батареи, состоящей из от двух до десяти наклонных труб с клапанами, препятствующими образованию в них газовых пробок и дополнительно разделительный сосуд с уровнемерами границ разделов «газ-жидкость» и «легкая жидкость - тяжелая жидкость». Предлагаемая система, по нашему мнению, громоздка, содержит много соединений между элементами и требует постоянного квалифицированного управления и надзора.

Способ разделения несмешивающихся жидкостей разной плотности и устройство для его осуществления по патенту РФ №2622774 (МПК B01D 17/025, B01D 17/04, опубл. 20.06.2017) предлагает очередное усовершенствование сепаратора гравитационного разделения газового конденсата и водометанольного раствора с помощью дополнительной сепарирующей насадки в горизонтальном сепараторе и дополнительной многостадийной сепарации легкой фазы дополнительными насадками из мелкоячеистой сетки, либо объемных сетчатых матов. Декларируемые преимущества такого решения направлены на улучшение отдельных элементов и не лишают такие системы ППН указанных выше присущих им коренных недостатков.

Патенты РФ №2714163 и №2718633 (МПК Е21В 43/38, Е21В 43/40, опубл. соответственно, 12.02.2020 и 10.04.2020), испрошенные как аналоги авторских патентов, полученных в США на способы извлечения углеводородов из пластовых смесей и устройства для их осуществления пытаются решить проблему индивидуально в каждой добывающей скважине путем установки в призабойной зоне внутрискважинных одного или даже двух барабанных центробежных сепараторов, приводимых в действие внутрискважинными гидродвигателями на пластовой энергии рабочих потоков пластовой смеси или отделяемой жидкости, а также внутрискважинного погружного электронасоса, откачивающего отделенную сеператорами нефть на поверхность в нефтепровод. При такой призабойной ППН в каждой скважине отделенная нефть остается газонасыщенной и засоленной и требует соответствующей дополнительной подготовки на поверхности земли в наземных установках. Размещение в стесненных условиях внутри скважины сложного оборудования с вращающимися деталями, подводом электроэнергии и гидродвигателями влечет за собой кратное возрастание стоимости строительства, заканчивания и эксплуатации каждой добывающей скважины со значительным увеличением ее диаметра и диаметров и количества рабочих колонн труб, снижение надежности и риски отказов сложного оборудования и аварий, требующие извлечения оборудования на поверхность с прекращением добычи.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является решение, предложенное в патенте РФ №2563505 (МПК В01Д 17/25, B01D 19/00, Е21В 43/34, опубл. 20.09.2015) «Сепарационная установка для разделения продукции нефтяных скважин на нефть и воду» (прототип). Пластовую смесь дегазируют в горизонтальном гравитационном сепараторе - отстойнике. Дегазированную жидкость направляют в батарею заглубленных на некоторую глубину обсадных колонн, заглушенных с нижнего торца и снабженных над поверхностью земли герметичными оголовками, через которые в каждую опущены две соосные рабочие колонны труб с кольцевыми межтрубьями между ними. По промежуточному межтрубью в каждую трубу через распределительную гребенку с задвижками на ней из наземного сепаратора подают дегазированную пластовую смесь - водонефтяную эмульсию. В трубе вследствие гидродинамических эффектов и эффекта флотации происходит более эффективное разделение эмульсии на нефть сверху и воду под ней, чем при обычном гравитационном отстое, а также за счет образования гидрофобного слоя большой толщины, который не образуется в наземных сепараторах. Кроме того, в закопанных в шурфы в землю трубах- сепараторах обеспечивается практически постоянный температурный режим, благоприятный для разделения нефти и пластовой воды.

Недостатками предложенного в этом патенте решения являются:

- необходимость предварительной дегазации обрабатываемой пластовой смеси в наземном сепараторе, невозможность гравитационного отстаивания разделяемой жидкости ввиду большой скорости движения и малого времени пребывания жидкости в трубе - сепараторе,

- сложность равномерного распределения потока по отдельным трубам-сепараторам, оставшееся влияние погодных условий через стальной оголовок и верхние участки шурфов на появление естественной конвекции, которая в сочетании с вынужденной конвекцией от принудительной прокачки смеси через заглубленные трубы-сепараторы препятствует эффективному разделению пластовой смеси, способствуя сохранению водонефтяной эмульсии, возрастает количество запорно-регулирующей аппаратуры и соединений ее с трубами сепараторами, не обеспечивается полная комплексная ППН в едином агрегате.

Целью предлагаемого технического решения является частичное или полное устранение недостатков как приведенного прототипа, так и ранее указанных справочных технологий ППН.

Для достижения поставленной цели раскрывается способ промысловой подготовки нефтесодержащей пластовой смеси. Способ включает гравитационное отстаивание и отделение от товарной нефти или газового конденсата в сепараторе нежелательных твердых, жидких примесей и растворенных солей и газов. При этом проводят комплексную очистку добываемой в составе пластовой смеси нефти или газового конденсата в одном подземном аппарате, повышая эффективность, пожаровзрывобезопасность, экологичность, надежность и стабильность процесса промысловой подготовки нефти независимо от погодных условий. Для этого добываемую пластовую смесь закачивают по центральной рабочей колонне труб строительно-технологической скважины в предварительно сооруженную в напорном водоносном песчаном пласте-коллекторе (горизонте) полость, заполненную находящейся под естественным избыточным давлением водой. Полость сооружена известными в горном деле способами химического закрепления водонасыщенных рыхлых неустойчивых песчаных горных пород - цементации, глинизации, силикатизации либо термического закрепления их методом искусственного замораживания. Пластовую смесь закачивают под поверхность оставленного на дне полости слоя песка толщиной в несколько метров предпочтительно радиальными горизонтальными струями. Отделившийся в результате гравитационного отставания газ отводят по наружному межтрубью рабочих колонн строительно-технологической скважины в наземный отводящий газопровод. Нефть вытесняют по промежуточному межтрубью на поверхность в отводящий нефтепровод. Пластовую воду, твердые и вязкие примеси накапливают на дне полости, предпочтительно (по возможности) в течение всего срока разработки месторождения. Газ из полости в газопровод и нефть в нефтепровод отводят через установленные перед ними автоматические регуляторы давления типов «до себя» либо «после себя».

Поставленная цель достигается тем, что добываемую пластовую смесь из одной или группы добывающих скважин (куста), направляют на дно заблаговременно сооруженной подземной полости, предпочтительно в форме вертикального цилиндра объемом несколько тысяч кубометров с непроницаемой кровлей и стенками, заполненную пресной водой и слоем песка на дне. Поток пластовой смеси нагнетают по центральной рабочей колонне технологической скважины в слой песка радиальными струями, а отделившиеся вследствие гравитационного отстаивания в большом объеме пресной воды при отсутствии естественной конвекции газ выпускают по наружному межтрубью технологической скважины из под непроницаемой кровли в наземный газопровод, нефть по промежуточному межтрубью упомянутой технологической скважины в наземный отводящий нефтепровод, а отмытые из нефти пресной водой соли и прочие твердые и жидкие примеси, в т.ч. минерализованная пластовая вода остаются в порах донного слоя песка и над его поверхностью на дне полости, оставаясь после отработки запасов нефти под землей в герметизированной полости на долговременное захоронение. Принципиальная схема процесса приведена на Фиг. 1.

Пластовая смесь из нефтеносного коллектора 1 по добывающим скважинам 2 поступает на поверхность земли в сборный коллектор 3 из которого (при недостаточном давлении дополнительным насосом) закачивается по центральной рабочей колонне 7 технологической скважины 4, находящейся внутри закрепленной цементным кольцом 6 обсадной колонны 5 в заблаговременно сооруженную водо- и газонепроницаемую подземную полость 10 на ее дно под слой пластового песка толщиной в несколько метров и вытесняется горизонтальными струями во взвешенный «кипящий» слой песка. При этом скорости потока после вытеснения из башмака центральной рабочей колонны в большой объем полости снижается с нескольких м/с до нескольких см/с или мм/с, а температура быстро становится равной естественной температуре вмещающих горных пород на глубине полости, примерно +10 - +15°С. В этих условиях слабой вынужденной конвекции и почти полного отсутствия естественной конвекции, недостижимых в наземных аппаратах малого объема при непрерывных изменениях температуры атмосферного воздуха (часовые 5-10°С, суточные 10-30°С, сезонные до 50-70°С) происходит при времени пребывания пластовой смеси от нескольких часов до нескольких суток в подземной полости 10 эффективное и почти полное разделение пластовой смеси на ее основные компоненты вследствие гравитационного отстаивания. Твердые частицы остаются в донном пластовом песке полости 10, тяжелые и вязкие фракции нефти (асфальтены, парафины, смолы) адсорбируются на частицах песка и также остаются в нем, более тяжелая засоленная пластовая вода скапливается на дне в песке и над ним. Нефть, раздробленная на струи и капли, поднимаясь через слой пресной воды, отмывается от растворенных в ней солей (обессоливатся) и газов, которые в виде пузырьков поднимаются к кровле полости 10 и формируют слой газа (газовую шапку) 16 на поверхности слоя нефти 17, плавающий на поверхности засоленной воды 18 (нефтеводяного контакта - НВК). Положение поверхности нефти 17 (газонефтяного контакта - ГНК) и НВК непрерывно отслеживают с помощью глубинных скважинных уровнемеров (на Фиг. 1 не показаны) и управляют регулированием расходов нефти по промежуточному межтрубью рабочих колонн 8 и газа по наружному межтрубью 9 скважины 4 в отводящие нефтепровод 19 и газопровод 20 соответственно с помощью устанавливаемых на них регуляторов давления типа «на себя» (на Фиг. 1 не показаны). На Фиг. 1 показаны также водоупорный пласт (глина) 11, пласт-коллектор подземных вод (водонасыщенный песок) 12, кольцевая стена, непроницаемая для воды и газа 13, граница воды и водонасыщенного песка на дне полости 14, струи фильтрующейся пластовой смеси из центральной колонны 15.

Несмотря на значительные дополнительные затраты по заблаговременному сооружению полости, поиску водоносной структуры, формированию кольцевой стенки, выемки несвязного грунта методом скважинной гидродобычи через ту же строительно-технологическую скважину преимуществами способа являются:

1. Уменьшение в разы площади поверхности, необходимой для устройства подготовки нефти (УПН);

2. Снижение затрат на многочисленные наземные аппараты, коммуникации, запорно-регулирующую аппаратуру, монтаж;

3. Снижение пожароопасности и взрывоопасности УПН;

4. Снижение загрязнения окружающей среды потенциальными капельными и аварийными утечками нефти, газа, пластовой смеси, пластовой воды, неизбежно попадающими в наземную естественную гидросеть (ручьи, озера, реки);

5. Снижение затрат на обслуживание наземных аппаратов (периодическую очистку от накопившихся загрязнений, обезвреживание и утилизацию, заканчивающуюся сжиганием газов в факелах и захоронением жидкостей в специально оборудованных могильниках или закачки в глубокие поглощающие горизонты;

6. Улучшение качества очистки нефти и газа за счет малых скоростей движения потока в большом объеме подземной полости (несколько тысяч кубометров по сравнению с объемом наземных аппаратов в несколько единиц кубометров), стабильного температурного режима, не зависящего от атмосферных условий и инерционности гидравлических и температурных режимов;

7. Эффективное и удобное накопление и регулирование потоков нефти и газа в случаях вынужденной временной остановки потоков пластовой смести или отводных потоков нефти и газа за счет регулировки толщины слоев газа и нефти в подземной полости.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, а именно к разделению добываемой пластовой смеси на нефть и газ, и загрязняющие компоненты. Раскрывается способ промысловой подготовки нефтесодержащей пластовой смеси. Способ включает гравитационное отстаивание и отделение от товарной нефти или газового конденсата в сепараторе нежелательных твердых, жидких примесей и растворенных солей и газов. При этом проводят комплексную очистку добываемой в составе пластовой смеси нефти или газового конденсата в одном подземном аппарате. Для этого добываемую пластовую смесь закачивают по центральной рабочей колонне труб строительно-технологической скважины в предварительно сооруженную в напорном водоносном песчаном пласте-коллекторе полость, заполненную находящейся под естественным избыточным давлением водой и ограниченную сверху и с боков водогазонепроницаемой оболочкой. Пластовую смесь закачивают под поверхность оставленного на дне полости слоя песка толщиной в несколько метров предпочтительно радиальными горизонтальными струями. Отделяющиеся в фильтрующем песке в результате гравитационного отстаивания при температуре вмещающих полость горных пород пузырьки газа и капли нефти разделяют в полости на слой газа вверху и на подстилающий слой нефти. Газ отводят по кольцевому межтрубью между обсадной и промежуточной рабочей колонной на поверхность через регулятор давления в отводящий газопровод. Нефть отводят по кольцевому межтрубью между промежуточной и центральной рабочими колоннами строительно-технологической скважины на поверхность и далее через регулятор давления в отводящий нефтепровод. Пластовую воду, твердые и вязкие примеси накапливают на дне полости предпочтительно в течение всего срока добычи пластовой смеси, вытесняя их избыток по мере необходимости во вмещающий водоносный горизонт. Техническим результатом изобретения является устранение таких недостатков, как необходимость предварительной дегазации обрабатываемой пластовой смеси в наземном сепараторе, невозможность гравитационного отстаивания разделяемой жидкости, сложность равномерного распределения потока по отдельным трубам-сепараторам, оставшееся влияние погодных условий на появление естественной конвекции, возрастающее количество запорно-регулирующей аппаратуры, кратное возрастание стоимости строительства, закачивания и эксплуатации каждой добывающей скважины со значительным увеличением ее диаметра и диаметров и количества рабочих колонн труб, снижение надежности и риски отказов сложного оборудования и аварий, требующие извлечения оборудования на поверхность с прекращением добычи, громоздкость и сложность установок. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ промысловой подготовки нефтесодержащей пластовой смеси, включающий гравитационное отстаивание и отделение от товарной нефти или газового конденсата в сепараторе нежелательных твердых, жидких примесей и растворенных солей и газов, отличающийся тем, что проводят комплексную очистку добываемой в составе пластовой смеси нефти или газового конденсата в одном подземном аппарате, повышая эффективность, пожаровзрывобезопасность, экологичность, надежность и стабильность процесса промысловой подготовки нефти независимо от погодных условий, для чего добываемую пластовую смесь закачивают по центральной рабочей колонне труб строительно-технологической скважины в предварительно сооруженную в напорном водоносном песчаном пласте-коллекторе предпочтительно цилиндрическую полость высотой несколько десятков метров и объемом несколько тысяч кубометров, заполненную находящейся под естественным избыточным давлением водой и ограниченную сверху и с боков водогазонепроницаемой оболочкой, сооруженной известными в горном деле способами химического закрепления водонасыщенных рыхлых неустойчивых песчаных пород – цементизацией, глинизацией, силикатизацией либо их термического закрепления методом искусственного замораживания, под поверхность оставленного на дне полости слоя песка толщиной в несколько метров предпочтительно радиальными горизонтальными струями, отделяющиеся в фильтрующем песке в результате гравитационного отстаивания при температуре вмещающих полость горных пород пузырьки газа и капли нефти разделяют в полости на слой газа вверху и отводят его по кольцевому межтрубью между обсадной и промежуточной рабочей колонной на поверхность через регулятор давления в отводящий газопровод, и на подстилающий слой нефти, отводимой по кольцевому межтрубью между промежуточной и центральной рабочими колоннами строительно-технологической скважины на поверхность и далее через регулятор давления в отводящий нефтепровод, а пластовую воду, твердые и вязкие примеси накапливают на дне полости предпочтительно в течение всего срока добычи пластовой смеси, вытесняя их избыток по мере необходимости во вмещающий водоносный горизонт.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газ из полости в газопровод и нефть в нефтепровод отводят через установленные перед ними автоматические регуляторы давления типов «до себя» либо «после себя».